基于虛擬儀器的信號采集與分析系統(tǒng)

1、文章編號:100021573(20020320084203基于虛擬儀器的信號采集與分析系統(tǒng)關(guān)貞珍,霍曉靜,錢東平,楊世鳳(河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院,河北保定071001摘要:介紹了在Windows 環(huán)境下,利用虛擬儀器開發(fā)工具LabWindows C VI 開發(fā)的信號采集與分析系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)、功能和特點。實驗表明,應用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)測試與分析系統(tǒng),界面友好,并可大大提高開發(fā)效率。關(guān)鍵詞:虛擬儀器;信號采集;數(shù)據(jù)分析中圖分類號:TP 274文獻標識碼:ASignal acquisition &data analysis system based on virtualinstrument

2、ation techniqueG UAN Zhen 2zhen ,HUO X iao 2jing ,QI AN Dong 2ping ,Y AN G Shi 2feng(C ollege of Machinery and E lectronics ,Agricultural University of Hebei ,Baoding 071001,China Abstract :signal acquisition and data analysis system based on the conception of virtual instrumentationis developed in

3、the environment of LabWindows C VI.The con figuration of hardware ,the structure of s oft 2ware ,alg orithm and result of analysis are introduced.K ey w ords :virtual instrumentation ;signal acquisition ;data analysis收稿日期:2001-03-27作者簡介:關(guān)貞珍(1975-,女,河北省遷西縣人,碩士,主要從事計算機信號采集與分析的研究.在機電設備運行過程中,信號的采集與分析是實現(xiàn)

4、設備狀態(tài)監(jiān)測、性能分析和故障診斷的主要手段。目前,國外已有分析精度高、功能多的專用測試分析儀器,但價格昂貴,操作比較復雜。而國內(nèi)分析儀器大多是模擬式和數(shù)字式儀表,且功能單一。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和PC 技術(shù)的廣泛應用,虛擬儀器應用于測試與分析領域已成為發(fā)展趨勢。與普通的分析儀器相比,虛擬儀器具有分析功能強大,圖形化界面,操作直觀方便,開放性能好,價格便宜,即插即用的優(yōu)點。所以,結(jié)合目前教學實驗與科研的需要,筆者采用先進的虛擬儀器技術(shù),在LabWindows C VI 環(huán)境下,開發(fā)了可進行多路信號采樣、數(shù)據(jù)預處理、時域分析、頻域分析和幅值域分析的可視化軟件系統(tǒng)。 1系統(tǒng)總體設計方案系統(tǒng)的總體設計框

5、圖如圖1所示。主要包括硬件和分析軟件兩部分。由傳感器將被測信號轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號,經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡處理后,送到計算機總線,應用LabWindows C VI 虛擬儀器開發(fā)工具,通過軟件編程,對信號進行時域、頻域、幅值域中的各種分析,并對信號進行存儲、顯示和打印。圖1系統(tǒng)總體設計框圖Fig.1Diagram of the system第25卷第3期河北農(nóng)業(yè)大學學報Vol 125No 132002年7月JOURNA L OF AG RIC U LT URA L UNI VERSITY OF HE BEI J ul.20022系統(tǒng)主要硬件介紹信號采集系統(tǒng)的硬件基礎是486以上的微機和插入主機擴展槽的高

6、性能數(shù)據(jù)采集卡,信號可通過各種傳感器,經(jīng)電荷放大器放大后輸入系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集卡是本系統(tǒng)的硬件核心部分,它主要完成數(shù)據(jù)的采集、A D 轉(zhuǎn)換和存儲?？紤]采樣頻率、輸入精度、A D 轉(zhuǎn)換速度與分辨率等技術(shù)指標,本系統(tǒng)采用美國NI (National instruments 公司的PCI -6024E 型數(shù)據(jù)采集卡,其模擬輸入部分由模擬通道開關(guān)、緩沖放大器、A D 轉(zhuǎn)換芯片、通道控制電路、數(shù)據(jù)接口電路、A D 觸發(fā)電路組成,能連續(xù)、高速地獲取數(shù)據(jù),并大批量無遺失地傳輸數(shù)據(jù)。PCI -6024E 型數(shù)據(jù)采集卡采用PCI 總線,12位模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器,采樣頻率為200kH z ,輸入信號電壓范圍為±

7、;5V 或±10V ,輸入增益可選擇1、10或100。此采集卡包括16路模擬輸入通道,2路模擬輸出通道,8個數(shù)字I O 和2個計數(shù)定時器。3系統(tǒng)軟件設計軟件是虛擬儀器的核心, 利用軟件可以定義和開發(fā)各種測試分析儀器。本系統(tǒng)采用NI 公司1Lab 2Windows C VI 作為開發(fā)工具。LabWindows C VI 是一種交互式的ANSI C 程序設計環(huán)境,并把C 語言的有力與柔性同虛擬儀器的軟件工具庫結(jié)合起來,包含了G PI B 、RS -232、VXI 總線、數(shù)據(jù)采集和分析庫。同時,LabWindows C VI 軟件提供了很多廠家生產(chǎn)的多達300多種儀器驅(qū)動程序。LabWin

8、dows C VI 以其集成的開發(fā)平臺、交互式編程方法、簡單直觀的用戶圖形設計、功能強大的函數(shù)庫等特點,使用戶能夠很容易地生成各種應用程序。本系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。圖2系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig.2Structure of the softw are311信號選擇模塊信號選擇模塊可實現(xiàn)模擬信號發(fā)生和實際信號采集兩項功能。模擬信號發(fā)生部分的功能,相當于信號發(fā)生器,可產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、噪聲等信號,并且信號幅值、頻率、相位等均可自由設置。實際信號采集部分,可實現(xiàn)信號的輸入通道選擇、輸入范圍、采樣頻率、程控放大倍數(shù)、采樣數(shù)據(jù)長度、觸發(fā)方式等采集參數(shù)設置。數(shù)據(jù)采集參數(shù)設置面板如圖3所示。312數(shù)據(jù)

9、分析模塊數(shù)據(jù)分析模塊支持單通道和多通道的信號分析。在對信號進行各種分析之前,本系統(tǒng)提供軟件濾波方法,以消除混在被測信號中的環(huán)境噪聲和A D 轉(zhuǎn)化引起的量化噪聲。由于信號的時間歷程是無限的,58第3期關(guān)貞珍等:基于虛擬儀器的信號采集與分析系統(tǒng)圖3數(shù)據(jù)采集參數(shù)設置Fig.3Configure of signal acquisition 而用計算機處理數(shù)據(jù)時,只能截取信號的一部分進行分析,本軟件在信號的截取過程中設置5種窗函數(shù)以供選擇,這5種窗函數(shù)為:矩形窗、海明窗、漢寧窗、三角窗、余弦窗。在各種分析算法的支持下,通過軟件編程,可對信號進行時域、頻域、幅值域的各種分析,完成信號分析儀的基本功能,其主

10、要分析算法如下。系統(tǒng)的信號分析結(jié)果見圖4、5、6。31211時域分析算法1對時域信號x (t 進行傅立葉變換,求頻域信號x (f ,即x (f =+-x (t exp (-j 2tft d t ,再利用S plit -Radix 算法在計算機上實現(xiàn)快速傅立葉變換2。2根據(jù)傅立葉變換求信號的雙邊功率譜密度函數(shù):S x (f =+-R x (exp (-j 2f d 3;由物理意義得到單邊功率譜密度函數(shù):G x (f =2S x (f 。3對功率譜進行IFFT 變換,即可求得相關(guān)函數(shù)。若x (t =y (t 為自相關(guān)函數(shù);若x (t y (t ,則為互相關(guān)函數(shù)。4由單邊功率譜密度函數(shù),求得凝聚函數(shù)

11、:2xy (f =G xy (f 2 G x (f G y (f 。31212頻域分析算法1對x (t 作FFT 變換,求得其頻譜x (f ;2利用式S x (f =+-R x (exp (-j 2f d ,求信號的自功率譜;圖4系統(tǒng)主界面及概率密度分析Fig.4Main interface and analysis of prob ability density 圖5相關(guān)分析Fig.5Analysis of correlation圖6功率譜分析Fig.6Analysis of pow er spectrum(下轉(zhuǎn)第109頁68河北農(nóng)業(yè)大學學報第25卷5三跨兩塔體系跨中處最外層拉索與縱梁的夾角

12、應大于21°(一般21°30°,這樣索比較經(jīng)濟,受力較合理,夾角過小會減弱對縱梁撓度控制的結(jié)論相吻合。而主跨在180m 時,結(jié)構(gòu)的撓度和內(nèi)力都迅速增加,拉索對槽體的位移控制比較困難,槽身撓度較大,既不安全又不經(jīng)濟,故在實踐中不宜采用。另外,在塔柱與槽身連接處,槽身彎矩急劇增加,因此,在工程實踐中,此處應加強配筋或采取有效措施以減小彎矩。參考文獻:1郝文秀1大流量斜拉渡槽結(jié)構(gòu)研究D.保定:河北農(nóng)業(yè)大學.2000.2何英明,王長德,雷聲昂,等.多廂互聯(lián)預應力混凝土渡槽設計方法J .水利水電技術(shù),1999(2:1-3.3張曉殼,陳寧,王應良,等.斜拉橋的數(shù)學建模J .國

13、外橋梁,1998(2:52-56.4NAZ MY A S ,ABDE L -G H AFFAR M A.Three dimensional nonlinear static analysis of cable -stayed bridgesJ .C omputer and S truc 2tures ,1990(34:257-271.5凌均憶.斜拉渡槽設想J .吉林水利,1984(5:11-29.(編輯:祁振聲(上接第86頁3對S x (f 進行對數(shù)運算,即求得lgS x (f ;4對上式所得進行傅立葉逆變換,即可求得倒頻譜,即C x (=F lgS x (f 。31213幅值域分析算法1根據(jù)

14、采樣點數(shù)N ,用式k =1187(N -125計算分組數(shù);2由數(shù)據(jù)值的極差(測量值上、下限之差,除以分組數(shù)k 得組距R ;3計算落在每個子區(qū)間內(nèi)的頻數(shù)B (k -1,根據(jù)B 值即可作出概率密度函數(shù)f (x 圖。4由概率密度函數(shù)求得概率分布函數(shù)F (x =x -f (x d x4結(jié)論本文開發(fā)的微機信號采集與分析系統(tǒng),基于普通微機和高性能數(shù)據(jù)采集卡的硬件基礎,采用國際流行的“虛擬儀器”概念,應用LabWindows C VI 開發(fā)平臺,通過各種分析算法,實現(xiàn)了多路信號的采集和信號時域、頻域、幅值域的各種分析,完成了多通道示波器、多通道信號分析儀的基本功能,并將二者集成為一體。目前,該系統(tǒng)已成功地安裝在河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院振動實驗室。實踐證明,該系統(tǒng)界面友好、操作方便、結(jié)果可靠,可廣泛應用于各科研院所的實驗與教學。參考文獻:1US National Ins