基于labview振動測試系統(tǒng)

1、I西南科技大學城市學院本科生畢業(yè)論文 基于LabVIEW的振動信號測試系統(tǒng)設計摘要：虛擬儀器是現(xiàn)代計算機技術同儀器技術深層次結合的全新概念儀器，實質是利用計算機的顯示器的顯示功能模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達輸出測量結果，利用計算機強大的軟件功能實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算、分析和處理，完成各種測試功能的一種計算機儀器系統(tǒng)。本次設計利用了基于LabVIEW的虛擬儀器技術設計了一套振動測試系統(tǒng)，下位機采用AT89C52單片機進行數(shù)據(jù)采樣，并通過RS-232串口與上位機通信實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的傳輸，上位機軟件開發(fā)基于LabVIEW平臺。其具有信號采集，波形顯示，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)保存，信號參數(shù)檢測等功能，具有

2、操作簡單，界面直觀，適用性強等特點。通過設計，能夠對數(shù)據(jù)進行時域顯示和頻域分析處理。關鍵詞：虛擬儀器；振動測試；LabVIEW；單片機II西南科技大學城市學院本科生畢業(yè)論文 Vibration Testing System Based on LabVIEW Signal DesignAbstract : Virtual instrumentation is modern computer technology combined with the deep-seated instrument technology new concept instrument , in essence, the

3、use of the computer monitor 's display traditional analog instrument control panel to output measurement results of various forms of expression , the use of powerful computer software functions the operation data for signal analysis and processing is completed for all test functions of a compute

4、r system apparatus . The design takes advantage of LabVIEW -based virtual instrument technology designed a vibration test systems, next-bit machine using AT89C52 microcontroller for data sampling , and to achieve data transmission signal via RS-232 serial communication with the PC , PC software deve

5、lopment based on LabVIEW platform. Which has a signal acquisition, waveform display , data processing, data storage , signal parameter detection and other functions, with a simple, intuitive interface, applicability, and other characteristics. By design, the data can be displayed in time domain and

6、frequency domain analysis.Keywords: Virtual Instrument, vibration test, LabVIEW, SCMIII西南科技大學城市學院本科生畢業(yè)論文 目 錄第1章 緒論11.1 課題研究的背景和意義11.3 論文主要設計內容1第2章 虛擬儀器和LabVIEW32.1 虛擬儀器32.1.1 虛擬儀器的概念32.1.2 虛擬儀器的組成32.1.3 虛擬儀器的特點及優(yōu)勢42.2 LabVIEW52.2.1 LabVIEW簡介52.2.2 LabVIEW的基本特點6第3章 振動測試分析系統(tǒng)73.1 振動測試分析系統(tǒng)的組成73.2 信號測試與分

7、析73.3 振動測試系統(tǒng)總體設計8第4章 硬件設計94.1 系統(tǒng)總體設計方案94.2 壓電加速度傳感器94.3 電荷放大器104.4 A/D轉換器TLC2543性能介紹104.5 單片機模塊124.5.1 AT89C52性能介紹124.5.2 A/D轉換電路154.6 基于AT89C52單片機的串口硬件采集接口電路設計154.6.1 串口簡述154.6.2 串口硬件采集接口電路設計174.7 單片機數(shù)據(jù)采集軟件程序設計18第5章 LabVIEW軟件設計20IV西南科技大學城市學院本科生畢業(yè)論文 5.1 LabVIEW軟件總體設計方案205.1.1系統(tǒng)主界面設計215.2 LabVIEW程序設計

8、225.3 數(shù)據(jù)采集模塊設計225.4 信號預處理模塊設計235.5 時域分析模塊設計235.5.1信號的時域統(tǒng)計分析245.5.2 時域程序框圖255.6 頻域分析模塊設計265.6.1 幅值譜和相位譜分析275.6.2 功率譜分析285.6.3 頻域分析程序框圖28第6章 系統(tǒng)仿真調試306.1 仿真系統(tǒng)運行原理306.2 時域分析模塊測試306.3 頻域分析模塊測試316.3.1 幅度與相位譜顯示316.3.2 功率譜顯示31總 結33致 謝34參考文獻35附 錄36西南科技大學城市學院本科生畢業(yè)論文 第1章 緒論1.1 課題研究的背景和意義 隨著計算機和軟件技術的發(fā)展，虛擬儀器正在逐漸

9、成為測試領域的發(fā)展方向，采用虛擬儀器實現(xiàn)振動測試與分析也成為振動測試的發(fā)展趨勢。所謂振動，就是物體或某種狀態(tài)隨著時間往復變化的現(xiàn)象，這類現(xiàn)象有的源于系統(tǒng)內部相互作用，有的是外界干擾引起的。在現(xiàn)代工程技術領域，存在著大量的振動問題。例如：電廠中汽輪發(fā)電機組及其它輔機設備運行時產生的振動，車輛在凸凹不平的路面上行駛所引起的振動；旋轉機械由于質量不平衡在運行中的振動；建筑物受地面和陣風擾動所產生的振動等。在極大多數(shù)場合，振動都是有害的，它將影響設備的正常工作和機械的加工精度，引起機器構件的加速磨損，甚至導致急劇斷裂而破壞。為了解決工程振動問題，出現(xiàn)了一門集數(shù)學、力學、電子技術、計算機技術、信息處理、

10、人工智能等多種現(xiàn)代技術于一體的新興交叉學科振動測試與分析。1.3 論文主要設計內容 本文從虛擬儀器開發(fā)的角度，首先確定系統(tǒng)的總體方案和硬件配置，然后從整體上確定系統(tǒng)的模塊組成，在論文的主體部分，分別論述了以AT89C51單片機為核心的數(shù)據(jù)采集卡及相應硬件設計電路，基于LabVIEW平臺下開發(fā)一個完整的虛擬振動測試系統(tǒng)，對軟件的各個模塊進行具體設計與實現(xiàn)，對開發(fā)過程中普遍存在的問題做了一定的探討與論述。為了實現(xiàn)振動測試分析系統(tǒng)的開發(fā)，全文主要內容如下： 1、振動虛擬儀器的應用研究 虛擬儀器是最近發(fā)展起來的一門嶄新的學科，是儀器產業(yè)發(fā)展的一個重要方向。本文從虛擬儀器的基本概念出發(fā)，分別介紹組成、功

11、能及特點以及與傳統(tǒng)儀器相比所具備的優(yōu)點等幾個方面。虛擬儀器用軟件編程替代傳統(tǒng)測量儀器的硬件電路，因此成本大大降低，介紹了用于虛擬儀器開發(fā)的集成軟件包LabVIEW并重點介紹了LabVIEW在信號處理與分析方面的優(yōu)勢。 2、振動測試與分析應用開發(fā) 了解了虛擬儀器的概念和優(yōu)勢后，便開始了振動測試分析應用系統(tǒng)的開發(fā)。重點介紹了以AT89C51單片機為核心的串口通訊的數(shù)據(jù)采集模塊的硬件設計。 3、虛擬振動測試分析系統(tǒng)的軟件設計 確定了系統(tǒng)的硬件平臺之后，就開始了應用軟件系統(tǒng)的開發(fā)。通過比較多種虛擬儀器開發(fā)平臺，選定了以圖形化編程軟件LabVIEW。然后便通過編程，將振動測試的理論算法轉換成為LabVI

12、EW的框圖程序。應用軟件的主要功能包括: (1)數(shù)據(jù)采集:LabVIEW與單片機串口的軟件設計。 (2)文件管理:存儲和讀取振動信號以及采樣參數(shù)數(shù)據(jù)。 (3)信號預處理:包括數(shù)字濾波(低通、高通、帶通、帶阻)和加窗(可選用多種窗函數(shù)，如矩形窗、哈寧窗、海明窗等)。 (4)時域分析:對信號統(tǒng)計特征的計算(峰值、均值、方差、均方根值等)。 (5)頻域分析:對采集得到的數(shù)據(jù)作頻譜分析包括FFT分析、功率譜分析。 第2章 虛擬儀器和LabVIEW2.1 虛擬儀器2.1.1 虛擬儀器的概念 虛擬儀器(Virtual Instrument ,VI)的概念是由美國國家儀器公司(NI)最先提出的。所謂虛擬儀器

13、是基于計算機的軟硬件測試平臺，它可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、頻譜分析儀等；可集成于自動控制、工業(yè)控制系統(tǒng)之中；可自由構建成專有儀器系統(tǒng)。虛擬儀器是智能儀器之后的新一代測量儀器。虛擬儀器的核心技術思想就是“軟件即是儀器”。該技術把儀器分為計算機、儀器硬件和應用軟件三部分。虛擬儀器以通用計算機和配備標準數(shù)字接口的測量儀器(包括 GPIB, RS-232 等傳統(tǒng)儀器以及新型的 VXI 模塊化儀器)為基礎，將儀器硬件連接到各種計算機平臺上，直接利用計算機豐富的軟硬件資源，將計算機硬件(處理器、存儲器、顯示器)和測量儀器(頻率計、示波器、信號源)等硬件資源與計算機軟件資源(包

14、括數(shù)據(jù)的處理、控制、分析和表達、過程通訊以及圖形用戶界面)有機的結合起來。如圖2.1反映了常見的虛擬儀器方案。圖2.1 虛擬儀器方案2.1.2 虛擬儀器的組成虛擬儀器由軟件和硬件兩部分組成，突破了傳統(tǒng)電子儀器以硬件為主體的模式用具有測試軟件的計算機實現(xiàn)傳統(tǒng)電子儀器的功能。 虛擬儀器的硬件是計算機和為其配置的各種傳感器互感器信號調理器數(shù)據(jù)采集器等計算機及其配置的電子測量儀器硬件模塊組成了虛擬儀器測試硬件平臺的基礎。 軟件是虛擬儀器的靈魂。NI 公司在提出虛擬儀器概念時用“軟件就是儀器（Software is Instrument ）”的口號來表達虛擬儀器的特征，強調了軟件在虛擬儀器中極為重要的位

15、置。虛擬儀器的軟件包括：虛擬儀器的前面板、信號采集模塊、信號處理模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊等。因此測量信號是在軟件的控制下，經由電子測量硬件平臺的采集，再經電子計算機的處理，得到最終的測試結果，并以數(shù)據(jù)、曲線、圖形等顯示在電子計算機的終端顯示屏上。2.1.3 虛擬儀器的特點及優(yōu)勢虛擬儀器是基于計算機的功能化硬件模塊和計算機軟件構成的電子測試儀器，而軟件是虛擬儀器的核心。其中軟件的基礎部分是設備驅動軟件，而這些標準的儀器驅動軟件使得系統(tǒng)的開發(fā)與儀器的硬件變化無關。這是虛擬儀器最大的優(yōu)點之一，有了這一點，儀器的開發(fā)和換代時間將大大縮短。虛擬儀器中應用程序將可選硬件(如 GPIB, VXI, RS-232,

16、 DAQ 板) 和可重復用庫函數(shù)等軟件結合在一起，實現(xiàn)了儀器模塊間的通信、定時與觸發(fā)。原碼庫函數(shù)為用戶構造自己的虛擬儀器(VI)系統(tǒng)提供了基本的軟件模塊。由于VI 的模塊化、開放性和靈活性，以及軟件是關鍵的特點，當用戶的測試要求變化時可以方便地由用戶自己來增減硬、軟件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足新的測試要求。這樣，當用戶從一個項目轉向另一個項目時，就能簡單地構造出新的 VI系統(tǒng)而不丟失己有的硬件和軟件資源。虛擬儀器技術的優(yōu)勢在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，很容易構建，所以應用面極為廣泛。尤其在科研、開發(fā)、測量、檢測、計量、測控等領域更是不可多得的好工具。虛擬儀器技術先進，十分

17、符合國際上流行的”硬件軟件化”的發(fā)展趨勢，因而常被稱作“軟件儀器“。它功能強大，可實現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號發(fā)生器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭和軟件還可檢測特定系統(tǒng)的參數(shù)，如汽車發(fā)動機參數(shù)、汽油標號、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數(shù)等多種數(shù)據(jù)；它操作靈活，完全圖形化界面，風格簡約，符合傳統(tǒng)設備的使用習慣，用戶不經培訓即可迅速掌握操作規(guī)程；它集成方便，不但可以和高速數(shù)據(jù)采集設備構成自動測量系統(tǒng)，而且可以和控制設備構成自動控制系統(tǒng)。表 2-1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較特性虛擬儀器傳統(tǒng)儀器兼容性開放性、靈活性，可與計算機技術保持同步發(fā)展封閉性，儀器間相互配合較差系統(tǒng)升級關鍵是軟件，系

18、統(tǒng)升級方便，可通過網絡下載升級程序關鍵是硬件，升級成本高，而且要上門進行升級服務價格價格低廉，儀器間資源可重復利用率高價格昂貴，儀器間一般無法共享資源體積體積較小，便于攜帶和野外工作體積較大，不便于運輸開發(fā)和維護用戶可以定義儀器功能可以與網絡及周邊設備方便連接開發(fā)與維護費用較低功能由生產商預先定義功能單一，只能連接有限立設備開發(fā)與維護開銷高技術更新周期技術更新周期短(1-2 年)技術更新周期長(5-10 年)由表 2-1可見，與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器在各方面都具有明顯的優(yōu)勢，能夠滿足科技高速發(fā)展對電子測量技術提出的新要求，必然會成為電子測量儀器發(fā)展的趨勢。2.2 LabVIEW2.2.1 La

19、bVIEW簡介 LabVIEW是實驗室虛擬儀器集成環(huán)境（Laboratory Virtual instrument Engineering）的簡稱，它是美國國家儀器公司(簡稱NI)的創(chuàng)新軟件產品。 LabVIEW為用戶構造自己的儀器系統(tǒng)提供了完美的解決途徑。虛擬儀器軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機的融合為一個整體，這就把計算機中含有的強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本、體積和開發(fā)時間。虛擬儀器隨著與計算機的發(fā)展而發(fā)展，它還與網絡及其他周邊設備進行互聯(lián)，我們只需改變軟件程序就可以不斷擴展增強虛擬儀器的測量功能，并且十分簡單。 LabVIEW也是一直

20、通用的編程系統(tǒng)，它具有各種各樣、功能強大、簡單易用的函數(shù)庫，這些函數(shù)庫里包含著包括數(shù)據(jù)采集、網絡傳輸、串行儀器控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等功能。LabVIEW也有完善的仿真、調試工具，如設置斷點、單步等，十分方便用戶調試。此外LabVIEW有動態(tài)連續(xù)的跟蹤方式，利用此功能可以動態(tài)、連續(xù)地觀察程序中的數(shù)據(jù)及其變化情況，這比其他語言的開發(fā)環(huán)境更加方便、更加有效。 LabVIEW采用圖形化編程語言G語言，它所產生的程序是框圖的形式，這種形式易學易用，因為G語言可在很短時間內掌握并應用到實踐中去。圖形化的程序設計編程比傳統(tǒng)的編程語言簡單直觀，并且開發(fā)效率高。隨著虛擬儀器技術的不斷發(fā)展，這種圖形

21、化的編程語言一定會通行的標準。2.2.2 LabVIEW的基本特點1、具有良好的圖形用戶界面。用LabVIEW可以在計算機屏幕上產生出類似于傳統(tǒng)儀器的面板，包括按鈕、旋鈕、開關、圖形顯示組件、控制組件等等。這些組件都具有高仿真度。2、比起其他的語言來說編程簡單、由于采用圖形化的語言G語言，用圖形化的方式編寫程序。3、具有良好的模塊化和層次結構的特點。用LabVIEW編寫的VI既可以作為頂層程序使用，還可以作為其他大型程序的子程序進行調用。4、LabVIEW軟件提供功能強大程序調試工具。程序調試工具可以在源代碼中設置斷點，可以單步執(zhí)行，也可以啟動。 第3章 振動測試分析系統(tǒng)3.1 振動測試分析系

22、統(tǒng)的組成一般來說，振動測試與分析系統(tǒng)由兩大部分組成。一部分為傳感器測量系統(tǒng)，它包括各種振動傳感器、壓力傳感器以及其有關測量部分，其左右是拾取表征機器狀態(tài)的各種信號或參數(shù)，并使之變成標準的電壓或電流信號；另一部分即為測量數(shù)據(jù)采集、顯示、處理及分析系統(tǒng)，其作用是獲得信號并進行具體振動值顯示，同時進行進一步的各種分析、處理。 激振力發(fā)生器 激振對象振動測試分析系統(tǒng) 圖3.1 振動測試系統(tǒng)結構框圖 實際的振動測試系統(tǒng)可歸納為圖3.1所示的框圖，激勵力發(fā)生器產生具有某種特定的大小和變化規(guī)律的力，作用于激振對象，構成它的給定輸入。激振對象在此激振力的作用下產生相應的振動輸出響應。振動測試系統(tǒng)則對激振對象的

23、輸出響應進行測量。 一個振動系統(tǒng)，從外界輸入一定形式的激勵就呈現(xiàn)一定形式的輸出，輸入通常稱為激勵，輸出稱為響應；輸出特性不僅取決于輸入特性，還取決于振動系統(tǒng)的振動特性。輸入、輸出和系統(tǒng)的振動特性這三者之間的關系如圖 3.2所示。 系統(tǒng)振動特性 激振 響應 圖 3.2振動系統(tǒng)原理圖3.2 信號測試與分析 對于絕大多數(shù)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)來說，傳感器在連接到數(shù)據(jù)設備之前的信號必須被轉換為設備所能夠識別的信號，所以信號調理非常重要。典型的系統(tǒng)一般都需要信號調理硬件，用于將原始信號以及傳感器輸出接到數(shù)據(jù)采集卡上通過信號調理的功能，如信號的放大、隔離、濾波、線性化處理等，提高了數(shù)據(jù)系統(tǒng)的可靠性等性能。信號

24、分析是振動測試中的一種重要方法，也是近年來測試技術的發(fā)展方向。數(shù)字信號的測試與模擬信號的測試一樣，也是由傳感器來完成得。然后將模擬信號進行轉化成數(shù)字信號，在利用數(shù)字信號處理技術進行分析與處理。信號處理的基本步驟如圖3.2所示。 預處理結果顯示信號處理器A/D 轉換振動信號圖 3.2 信號處理基本步驟3.3 振動測試系統(tǒng)總體設計本次設計是基于LabVIEW和單片機的測試系統(tǒng)設計，其主要工作就是在機械振動過程中通過加速度傳感器把機械振動數(shù)據(jù)實時的記錄下來，然后把記錄下來的振動數(shù)據(jù)送入TLC2543數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行特殊轉換處理，將帶有干擾的模擬信號經過濾波等干擾消除過程轉換成單片機易于接收的數(shù)字信號

25、，之后傳送給AT89C52單片機再經過進一步的特殊處理，將接收到的數(shù)字信號通過MAX232電平轉換使單片機與PC機的串行口電平匹配，把處理后的振動數(shù)據(jù)送入PC機。PC機接收單片機傳送來的振動數(shù)據(jù)通過LabVIEW應用軟件以波形的方式顯示出來以便分析振動變化情況。系統(tǒng)整體框圖如圖3.3所示。振動傳感器TLC2543RS-232上位機AT89C52MAX232圖3.3 系統(tǒng)整體框圖第4章 硬件設計4.1 系統(tǒng)總體設計方案 具體的采集系統(tǒng)的總體構成如圖4.1所示。壓電加速度傳感器A/D轉換電路信號調理電路單片機RS-232 電平轉換計算機圖 4.1 采集系統(tǒng)的總體構成在進行數(shù)據(jù)采集過程中，我們采集的

26、一般為時域信號，而計算機是對數(shù)字信號進行處理的，所以需要將信號經過各種調理器和轉換器來轉變成數(shù)字信號。具體轉換過程從圖4.1中能看出；壓電加速度傳感器輸出的為電荷信號，因為信號非常小，所以需要經過信號調理電路（本次設計選擇為電荷放大器）放大且濾波，轉換成可以測量的電壓信號，并將一部分干擾信號濾波過濾，再經由A/D轉換器，將模擬信號轉換成計算機可以處理的數(shù)字信號。再由單片機及通訊電路送至上位機通過LabVIEW軟件對信號進行讀取、轉換和顯示等。4.2 壓電加速度傳感器傳感器是能夠感受物體運動并將物體的運動轉換成模擬電信號的一種敏感的換能元件。傳感器的種類很多，且有不同的分類方法，按參考坐標的不同

27、可分為絕對式與相對式傳感器；按工作方式的不同可分為接觸式和非接觸式傳感器；按工作原理的不同可分為慣性式和參數(shù)式傳感器；按測量參數(shù)的不同又可分為位移、速度和加速度傳感器等。本次設計采用的是機械振動測量中常用的壓電式加速度傳感器。加速度傳感器主要是用于測量振動物體的振動加速度。壓電式加速度傳感器，由于體積小，重量輕，靈敏度高和頻率范圍寬等優(yōu)點，在實際測量中應用最為普遍。4.3 電荷放大器 壓電式加速度傳感器輸出的是電荷信號，而且比較微弱，不能直接被數(shù)據(jù)采集卡采集，所以需要用信號放大器來把較弱的電荷信號轉化成較強的能被數(shù)據(jù)采集卡采集的電壓信號。根據(jù)所用的壓電式加速度傳感器壓電材料連接方法的不同，與之

28、配套的前置放大器分為電壓放大器或電荷放大器。并聯(lián)壓電材料的壓電傳感器，適于選用電荷放大器，其電路特點是放大器輸出電壓只與傳感器產生的電荷輸入量及放大器反饋電容有關，而與構成電路的電纜所形成的分布電容和信號頻率無關，這一特性使電荷放大器對傳輸線路的分布電容不敏感，傳輸距離可達數(shù)百米，因此受到普遍使用。對采用串聯(lián)壓電材料的壓電傳感器，則需要使用電壓放大器，當改變連接傳感器與電壓放大器的電纜長度時，由于分布電容發(fā)生變化會引起測量誤差，需通過重新校正放大器靈敏度加以消除，給測試帶來不便。 電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的放大器，它的核心是一個具有電容負反饋、且輸入阻抗極高的高增益運算放大器

29、。4.4 A/D轉換器TLC2543性能介紹 TLC2543是德州儀器公司生產的12位開關電容型逐次逼近模數(shù)轉換器，它具有三個控制輸入端，采用簡單的3線SPI串行接口可方便地與微機進行連接，是12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最佳選擇器件之一。TLC2543與外圍電路的連線簡單，三個控制輸入端為CS(片選)、輸入/輸出時鐘(I/O CLOCK)以及串行數(shù)據(jù)輸入端(DATA INPUT)。片內的14通道多路器可以選擇11個輸入中的任何一個或3個內部自測試電壓中的一個，采樣保持是自動的，轉換結束，EOC輸出變高。TLC2543的主要特性如下：11個模擬輸入通道；66ksps的采樣速率；最大轉換時間為10s；SP

30、I串行接口；線性度誤差最大為±1LSB；低供電電流(1mA典型值)；掉電模式電流為4A。TLC2543的引腳排列如圖4.4 所示。圖4.4 TLC2543芯片引腳功能說明如下：AIN0AIN10：模擬輸入端，由內部多路器選擇。對4.1MHz的I/O CLOCK，驅動源阻抗必須小于或等于50；CS：片選端，CS由高到低變化將復位內部計數(shù)器，并控制和使能DATA OUT、DATA INPUT和I/O CLOCK。CS由低到高的變化將在一個設置時間內禁止DATA INPUT和I/O CLOCK；DATA INPUT：串行數(shù)據(jù)輸入端，串行數(shù)據(jù)以MSB為前導并在I/O CLOCK的前4個上升沿

31、移入4位地址，用來選擇下一個要轉換的模擬輸入信號或測試電壓，之后I/O CLOCK將余下的幾位依次輸入；DATA OUT：A/D轉換結果三態(tài)輸出端，在CS為高時，該引腳處于高阻狀態(tài)；當CS為低時，該引腳由前一次轉換結果的MSB值置成相應的邏輯電平；EOC：轉換結束端。在最后的I/O CLOCK下降沿之后，EOC由高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D換完成及數(shù)據(jù)準備傳輸；VCC、GND：電源正端、地；REF、REF：正、負基準電壓端。通常REF接VCC，REF接GND。最大輸入電壓范圍取決于兩端電壓差；I/O CLOCK：時鐘輸入/輸出端。4.5 單片機模塊4.5.1 AT89C52性能介紹AT89C52

32、是美國Atmel公司生產的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內含8KB的可反復檫寫的程序存儲器和12B的隨機存取AT89C52是美國Atmel公司生產的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內含8KB的可反復檫寫的程序存儲器和12B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內配置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可靈活應用于各種控制領域。AT89C52單片機屬于AT89C51單片機的增強型，與Intel公司的80C52在引腳排列、硬件組成、工作特點和指令系統(tǒng)等方面兼容。

33、AT89C52單片機芯片如圖4.5所示。圖 4.5 AT89C52芯片其主要工作特性是：l 片內程序存儲器內含8KB的Flash程序存儲器，可擦寫壽命為1000次；l 片內數(shù)據(jù)存儲器內含256字節(jié)的RAM；l 具有32根可編程I/O口線；l 具有3個可編程定時器；l 中斷系統(tǒng)是具有8個中斷源、6個中斷矢量、2個級優(yōu)先權的中斷結構；l 串行口是具有一個全雙工的可編程串行通信口；l 具有一個數(shù)據(jù)指針DPTR；l 低功耗工作模式有空閑模式和掉電模式；l 具有可編程的3級程序鎖定位；l AT89C52工作電源電壓為5（1+0.2）V，且典型值為5V；l AT89C52最高工作頻率為24MHz。 主要管

34、腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復位輸入端口，外接電阻電容組成的復位電路。VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負端。P0P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設計中，P0 端口（3239 腳）被定義為N1 功能控制端口，分別與N1的相應功能管腳相連接，13 腳定義為IR輸入端，10 腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12 腳、27 腳及28 腳定義為握手信號功能端口，連接主板CPU 的相應功能端

35、，用于當前制式的檢測及會聚調整狀態(tài)進入的控制功能。P0 口P0 口是一組8 位漏極開路型雙向I/O 口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動8 個TTL邏輯門電路，對端口P0 寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8 位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。在Flash 編程時，P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。P1 口P1 是一個帶內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對端口寫“1”，通過

36、內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。與AT89C51 不同之處是，P1.0 和P1.1 還可分別作為定時/計數(shù)器2 的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和輸入（P1.1/T2EX）。Flash 編程和程序校驗期間，P1 接收低8 位地址。P2 口P2 是一個帶有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對端口P2 寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會

37、輸出一個電流(IIL)。在訪問外部程序存儲器或16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR 指令）時，P2 口送出高8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVX RI 指令）時，P2 口輸出P2 鎖存器的內容。Flash 編程或校驗時，P2亦接收高位地址和一些控制信號。P3 口P3 口是一組帶有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口。P3 口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對P3 口寫入“1”時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3 口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3 口除了作為一般的I/O 口線外，更重要的

38、用途是它的第二功能P3 口還接收一些用于Flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。RST復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。ALE/PROG當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8 位字節(jié)。一般情況下，ALE 仍以時鐘振蕩頻率的1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE 脈沖。對Flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH 單元的D0 位置位，可禁止ALE

39、 操作。該位置位后，只有一條MOVX 和MOVC指令才能將ALE 激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ALE 禁止位無效。PSEN程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C52 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。EA/VPP外部訪問允許。欲使CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU 則

40、執(zhí)行內部程序存儲器中的指令。Flash 存儲器編程時，該引腳加上+12V 的編程允許電源Vpp，當然這必須是該器件是使用12V 編程電壓Vpp。XTAL1振蕩器反相放大器的及內部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2振蕩器反相放大器的輸出端。4.5.2 A/D轉換電路本部分是整個系統(tǒng)的核心部分，如圖4.5采用單片機AT89C52與A/D轉換芯片TLC2543相接。單片機是整個電路的核心，其外圍電路包括復位電路、時鐘電路。復位電路采用上電自動復位電路，高電平有效。時鐘電路使用外部獨立時鐘振蕩器所產生的時鐘信號，本設計采用11.0592MHz晶振。TLC2543對輸入的模擬信號進行采集，轉換結果由單片機接

41、收。圖4.5 A/D轉換電路4.6 基于AT89C52單片機的串口硬件采集接口電路設計4.6.1 串口簡述串行接口簡稱串口，也是串行通信接口（通常指COM接口），是采用串行通信方式的擴展接口。串行接口是指數(shù)據(jù)一位一位地順序傳送，其特點是通信線路簡單，只要一對傳輸線就可以實現(xiàn)雙向通信，從而大大降低了成本，特別適用于遠距離通信。一條信息的各位數(shù)據(jù)被逐位按順序傳送的通訊方式稱為串口通訊。串口通訊的特點是：數(shù)據(jù)位的傳送，按位順序進行，最少只需要一根傳輸線即可完成；成本低但傳送速度慢。串口通訊的距離可以從幾米到幾千米；根據(jù)信息的傳送方向，串口通訊可以進一步分為單工、半雙工和全雙工三種。串口通信最重要的參

42、數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗。對于兩個進行通信的端口，這些參數(shù)必須匹配：（1） 波特率：這是一個衡量通信速度的參數(shù)。它表示每秒鐘傳送的bit的個數(shù)。例如200波特表示每秒鐘發(fā)送200個bit。每當我們提到時鐘周期時，我們指的就是波特率。例如，如果協(xié)議需要4800波特率，那么時鐘就是4800Hz。這意味著串口通信在數(shù)據(jù)線上的采樣率為4800Hz。（2） 數(shù)據(jù)位：這是衡量通信中實際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。當計算機發(fā)送一個信息包，實際的數(shù)據(jù)不會是8位的，標準的值是5、7和8位。如何設置取決于你想傳送的信息。比如，標準的ASCII碼是0127（7位）。擴展的ASCII碼是0255（8位）。如果數(shù)據(jù)使用簡

43、單的文本（標準ASCII碼），那么每個數(shù)據(jù)包使用7位數(shù)據(jù)。每個包是指一個字節(jié)，包括開始/停止位，數(shù)據(jù)位和奇偶校驗位。由于實際數(shù)據(jù)位取決于通信協(xié)議的選取，術語“包”指任何通信的情況。（3） 停止位：用于表示單個包的最后一位。典型的值為1，1.5和2位。由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時的，并且每一個設備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y束，并且提供計算機校正時鐘同步的機會。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時也越慢。（4） 奇偶校驗位：在串口通信中一種簡單的檢錯方式。有四種檢錯方式：偶、奇、高和低。當然沒有校驗位也是

44、可以的。對于偶和奇校驗的情況，串口會設置校驗位（數(shù)據(jù)位后面的一位），用一個值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個或者奇?zhèn)€邏輯高位。例如，如果數(shù)據(jù)是011，那么對于偶校驗，校驗位為0，保證邏輯高的位數(shù)是偶數(shù)個。如果是奇校驗，校驗位為1，這樣就有3個邏輯高位。高位和低位不真正的檢查數(shù)據(jù)，簡單置位邏輯高或者邏輯低校驗。這樣使得接收設備能夠知道一個位的狀態(tài)，有機會判斷是否有噪聲干擾了通信或者是否傳輸和接收數(shù)據(jù)是否不同步。RS-232（ANSI/EIA-232標準）是IBM-PC及其兼容機上的串行連接標準?？捎糜谠S多用途，比如連接鼠標、打印機或者Modem，同時也可以接工業(yè)儀器儀表。用于驅動和連線的改進，實際應用中RS

45、-232的傳輸長度或者速度常常超過標準的值。RS-232只限于PC串口和設備間點對點的通信。RS-232串口通信最遠距離是50英尺。圖 4.6 DB-9針連接頭RS-232針腳的功能：數(shù)據(jù)：TXD（pin 3）：串口數(shù)據(jù)輸出(Transmit Data)RXD（pin 2）：串口數(shù)據(jù)輸入(Receive Data)握手：RTS（pin 7）：發(fā)送數(shù)據(jù)請求(Request to Send)CTS（pin 8）：清除發(fā)送(Clear to Send)DSR（pin 6）：數(shù)據(jù)發(fā)送就緒(Data Send Ready)DCD（pin 1）：數(shù)據(jù)載波檢測(Data Carrier Detect)DTR

46、（pin 4）：數(shù)據(jù)終端就緒(Data Terminal Ready)地線：GND（pin 5）：地線其他RI（pin 9）：鈴聲指示4.6.2 串口硬件采集接口電路設計該硬件接口電路由振動傳感器、AT89C52單片機、晶振電路、復位電路、A/D轉換電路、串行接口電路組成。如圖4.2所示。圖4.2 硬件采集接口電路該數(shù)據(jù)采集硬件電路設計以單片機AT89C52為控制核心，通過RS-232與PC機通訊，實現(xiàn)整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集控制以及數(shù)據(jù)處理和存儲。單片機通過指令來控制啟動TLC2543，配置TLC2543的控制字，按位讀取數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)轉換，并將讀來的數(shù)據(jù)通過自身的全雙工串口發(fā)送出去。由R

47、S-232串口送給計算機處理。上位機用PC機，軟件采用LabVIEW，通過它讀串口的數(shù)據(jù)并分析、顯示。由于單片機輸出的TTL電平與串口發(fā)送的電平不一致。因此，需要一個電平轉換器，這里選用MAX232，完成TTL電平到RS232電平的轉換。通過串口下位機與計算機建立了通信。4.7 單片機數(shù)據(jù)采集軟件程序設計系統(tǒng)軟件由主程序和部分子程序構成，有A/D轉換子程序、串口通訊程序組成。程序流程框圖如圖所示。開始A/D轉換單片機串口通信采集信號實時顯示結束圖4.7 程序流程框圖本次設計是硬件電路和軟件編程結合的設計方案，選擇合適的編程語言是一個重要的環(huán)節(jié)。在單片機的應用系統(tǒng)程序設計時，常用的是匯編和C語言

48、。匯編語言的特點是占用內存單元少，執(zhí)行效率高，執(zhí)行速度快。但它依賴于計算機硬件，程序可讀行和可移植性比較差。而C語言雖然執(zhí)行效率沒有匯編語言高，但語言簡潔，使用方便，靈活，運算豐富，表達化類型多樣化，數(shù)據(jù)結構類型豐富，具有結構化的控制語句，程序設計自由度大，有很好的可用性和可移植性等特點。由于單片機的發(fā)展已達到很多高的水平，內部的各種資源相當?shù)呢S富，CPU的處理速度非?？?。用C語言控制單片機是最理想的選擇。所以本次設計采用C語言編寫軟件程序。 系統(tǒng)開機后，首先執(zhí)行主程序，完成系統(tǒng)初始化工作，然后調用A/D轉換子程序，調用中斷子程序，將單片機的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機上，然后循環(huán)執(zhí)行。第5章 LabVI

49、EW軟件設計5.1 LabVIEW軟件總體設計方案本次設計的主要任務是在LabVIEW平臺上設計一套振動信號采集分析虛擬儀器系統(tǒng)。其主要功能有：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)讀取和存儲、信號分析和處理。由于LabVIEW是基于模塊化程序設計思想，因此在設計過程中也是基本遵循這一基本思想，在總體的方案確定后，根據(jù)所需的不同功能分別組建各種功能模塊，最后在進行調試。根據(jù)振動測試的需要，本文把整個系統(tǒng)分為以下模塊：數(shù)據(jù)采集、信號預處理、時域分析、頻域分析等模塊?？傮w方案如圖5.1所示。 振動測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊信號預處理模塊時域分析模塊頻域分析模塊圖 5.1 軟件設計總體方案5.1.1系統(tǒng)主界面設計系統(tǒng)的主界面如圖

50、5.2所示。主界面的左側為系統(tǒng)參數(shù)設置區(qū)域，包括串口通信設置、數(shù)字濾波器設置、窗函數(shù)選擇以及數(shù)據(jù)存儲。右側為數(shù)據(jù)采集信號分析區(qū)域，主要包括信號的時域分析和頻域分析。圖 5.2 系統(tǒng)主界面設計5.2 LabVIEW程序設計在設計中，LabVIEW作為上位機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，完成對單片機采集的數(shù)據(jù)信號進行一系列的變換處理。首先，LabVIEW創(chuàng)建串口對象并初始化，然后向單片機命令并接收處理單片機發(fā)回的相應數(shù)據(jù)。程序流程框圖如圖5.3所示。主程序開始創(chuàng)建串口對象并初始化寫串口（發(fā)送命令）接收單片機發(fā)出的數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)進行處理關閉串口圖5.3 程序流程框圖5.3 數(shù)據(jù)采集模塊設計 數(shù)據(jù)采集提供了整個測試分析系

51、統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，是虛擬儀器的基本組成部分。數(shù)據(jù)采集部分主要以單片機控制A/D芯片來完成對傳感器數(shù)據(jù)的讀取，然后數(shù)據(jù)通過串口傳到PC機。PC機利用LabVIEW軟件對收到的數(shù)據(jù)進行轉換處理、分析、顯示等。LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序如圖5.3所示。圖5.4 數(shù)據(jù)采集程序在采集開始之前需要先對VISA模塊串口進行初始化設置，串口初始化設置可以對串行端口、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位和停止位進行設置，根據(jù)本系統(tǒng)上位機和下位機的通訊協(xié)議，波特率設為9600，數(shù)據(jù)位設為8，校驗位設為none，停止位設為1。5.4 信號預處理模塊設計 經數(shù)據(jù)采集卡采集的原始信號常常包含著不利于分析的成分，其中之一是在取得數(shù)據(jù)時混入

52、各種噪聲，這些高頻干擾成分可能對最終的分析結果產生很大的影響。因此，在信號處理分析之前需要進行預處理，以提高數(shù)據(jù)的可靠性和真實性。信號預處理設計主要采用預濾波或抗混疊濾波技術。根據(jù)需要選擇信號的最高頻率，而對高于此頻率以上的部分用低通濾波器濾掉，從而降低了信號中的最高頻率。 本設計采用了巴特沃斯低通濾波器。這種濾波器的特點是通頻帶內的頻率響應曲線最大限度平坦，沒有起伏;振幅對角頻率單調下降，并且是唯一的無論階數(shù)，振幅對角頻率曲線都保持同樣的形狀的濾波器。5.5 時域分析模塊設計 所謂信號的時域分析就是求取信號在時域中的特征參數(shù)包括峰值、峰-峰值、均值、方差、均方值、有效值等)及信號波形在不同時

53、刻的相似性和關聯(lián)性(如自相關函數(shù)、互相關函數(shù))。5.5.1信號的時域統(tǒng)計分析 對信號進行時域統(tǒng)計分析，可以求得信號的均值、方差、均方根值等參數(shù)。1峰值 峰值指波形上與零線的最大偏離量，其表達式為 （5-1） 在振動測試分析系統(tǒng)中，采用時域振動信號的數(shù)字序列峰值作為其峰值的估計。 （5-2）意義:考核機器強度時，尤其是低頻段，結構的破壞直接與峰值有關。2 均值 均值表示集合平均值或數(shù)學期望值，用表示。基于隨機過程的各態(tài)歷經性，可用時間間隔T內的幅值平均值表示，其表達式為 （5-3）在振動測試分析系統(tǒng)中，采用時域振動信號的數(shù)字序列均值作為其均值的估計 （5-4）意義:均值描述了振動信號的靜態(tài)分量。3 方差 信號X(t)的方差表示信號偏離均值平方的均值，其表達式為 （5-5）在振動測試分析系統(tǒng)中，采用時域振動信號的數(shù)字序列方差作為其方差的估計 （5-6）意義:方差描述隨機信號在其均值附近的分布情況，反映信號的波動分量。4 均方根值均方根值也稱為信號的有效值，是信號平均能量的一