南京工程学院
本科毕业设计（论文）
题目：基于LabVIEW的振动信号
采集处理系统设计
专业：车辆工程（车辆电子电气）
班级：车电气101学号：215100409 学生姓名：龚戌伟
指导教师：王书林副教授
起迄日期：2014.3～2014.6
设计地点：车辆工程实验中心
Graduation Design (Thesis)
A LabVIEW-based Vibration Data Acquisition and Signal
Processing System Design
By
GONG XUWEI
Supervised By
Assoc. Prof. WANG Shulin
Department of Vehicle Engineering
Nanjing Institute of Technology
June2014
摘要
仪器的技术、计算机的技术、总线的技术和软件的技术是由虚拟仪器构成并将它们紧密的联系在一起，仪器的极大一部分的功能是依靠计算机数据处理能力，不再需要传统仪器繁琐的结构，形成的一种新的仪器模式。
如今的虚拟仪器技术还存在许多的弱点。首先，部分检测系统任处于相对比较落后的状态，将各种示波器连接至计算机。通过一些繁琐的步骤对示波器的波形进行各种调整，有时候还需要同时显示多个波形时，需要连接多个示波器。其工作不仅复杂，而且控件占用率也比较高。在企业中，这也大大提高了企业的运营成本，在研究项目的过程中也会出现各种麻烦的步骤。同时，现有的虚拟仪器技术也是仅仅停留在数据采集、数据分析的单独步骤上，没有将两者很好的结合在一起。在系统运行的过程中，两者是独立分开工作的，增加了数据分析结果的时间，对应的工作效率也有所降低。
本设计采用了NI PCI-6024E采集卡进行数据采集，运用相关的虚拟技术知识将数据采集到电脑中，再用Labview软件设计的振动信号采集系统对采集卡所传来的数据信号进行存储、调整、显示波形、数据分析等一系列工作。同时在Labview软件的显示界面上对电机转速进行调整，调整的信号通过采集卡反馈到变频器，再通过调整变频器电压值，实现对电机的调速，以此形成了一个完整的循环过程。
本设计是虚拟仪器在测控领域的一次成功尝试。该系统将电机转速控制、数据采集、采集数据实时显示、在线分析、存储及离线分析等功能进行有机的结合在一起，形成了一个完整的整体。本设计大大简化了振动信号采集的过程，将多个工作同时进行，缩短了分析的时间，波形显示也对应变得明朗清晰。
关键词：虚拟仪器；数据采集；采集卡；LabVIEW
ABSTRACT
Instrument technology, computer technology, and software technology bus is constituted by the virtual instrument close contact with them, a great part of the function is to rely on the computer apparatus data processing capability, eliminating the need for cumbersome traditional instruments structure formation of a new model of the instrument.
Today, there are many virtual instrument technology weaknesses. First, any part of the detection system is relatively backward state, various oscilloscope connected to the computer. By some tedious steps to make various adjustments oscilloscope waveforms, and sometimes also need to simultaneously display multiple waveforms, you need to connect multiple oscilloscope. Its work is not only complex, but also relatively high occupancy rate controls. In business, it also greatly increases the cost of doing business, in the course of research projects in a variety of troublesome step will appear. Meanwhile, the existing virtual instrument technology is merely data collection, data analysis on a single step, without the good combination of both. During the system operation, the two independent working separately, increasing the time for analysis of data, the corresponding efficiency is decreased.
This design uses the NI PCI-6024E data acquisition card collecting, using virtual technology-related knowledge will collect data to your computer, then Labview software design vibration signal acquisition system for collecting data from the card to store the signal, adjust waveform display, data analysis and a series of work. Labview software simultaneously on the display screen to adjust the speed of the motor to adjust the feedback signal to the inverter via capture card, and then by adjusting the voltage value of the inverter, the motor speed to achieve it, thus forming a complete cycle.
This design is a virtual instrument in the field of measurement and control a successful attempt. The system will motor speed control, data acquisition, real-time display of data acquisition, online analysis, storage and offline analysis features such as organically combine together to form a complete whole. This design greatly simplifies the process of vibration signal acquisition, multiple work simultaneously, reducing the analysis time waveform display also corresponds became clear clarity.
Key words:Virtual instrument; Data collection; Acquisition card; LabVIEW
目录
第一章绪论 (4)
1.1引言 (4)
1.2课题背景 (4)
1.2.1 我国现有测控技术的发展 (4)
1.2.2 未来虚拟仪器发展的形势 (5)
1.3 本设计所做的工作 (6)
1.3.1电机转速的控制 (6)
1.3.2硬件系统的设计 (6)
1.3.3 软件系统的设计 (7)
第二章虚拟仪器 (8)
2.1 虚拟仪器技术的概述 (8)
2.1.1虚拟仪器的概念 (8)
2.1.2虚拟仪器的特点和优势 (8)
2.1.3虚拟仪器测试系统的组成 (8)
2.1.4虚拟仪器的软件结构 (9)
2.2 虚拟仪器的开发软件 (10)
2.2.1虚拟仪器的开发平台——Labview (10)
2.2.2 Labview软件应用介绍 (11)
第三章信号采集系统硬件介绍及应用原理 (12)
3.1 系统硬件选择 (12)
3.1.1 PC机 (12)
3.1.2 传感器 (12)
3.1.3 NI PCI-6024E数据采集卡 (12)
3.2 采集系统的应用原理 (13)
3.2.1数据采集概论 (13)
3.2.2采集系统的一般组成及各部分功能描述 (14)
3.2.3输入信号的类型 (15)
3.2.4输入信号的连接方式 (18)
3.2.5测量系统分类 (18)
3.2.6选择合适的测量系统 (20)
3.2.7数据采集卡的性能指标 (22)
第四章信号采集系统软件设计及应用原理 (23)
4.1 程序模块化设计概述 (23)
4.1.1程序设计的模块化原则 (23)
4.1.2系统设计的软件模块划分 (23)
4.2 信号采集系统的软件成果 (24)
4.2.1电机转速控制子VI (24)
4.2.2数据信号采集及保存程序 (25)
第五章信号采集系统的具体实现及成果 (26)
5.1硬件组成 (26)
5.2 软件的具体实现 (26)
5.2.1登陆界面前面板 (26)
5.2.2电机转速控制前面板 (27)
5.2.3数据采集及保存前面板 (27)
5.2.4信号分析前面板 (28)
5.2.5模拟信号的分析实图 (28)
第六章振动信号的频谱分析 (30)
6.1 频谱分析的理论知识 (30)
6.1.1功率密度函数的定义 (30)
6.1.2功率谱密度函数的物理意义 (30)
6.1.3功率谱的计算 (31)
6.1.4自功率谱密度 (32)
6.2振动信号的频谱分析结论 (33)
第七章总结 (37)
致谢 (38)
参考文献 (39)
第一章绪论
1.1引言
Labview作为一个虚拟仪器软件开发平台是目前测控行业的热门技术。
测量与控制在现代科技技术的应用，在众多领域，如工业生产、国防现代化和国防科技得到了广泛的应用，它已被认为是现代科学技术的一个重要条件明显标志。Labview图形化的编程语言使得虚拟仪器的开发效率的得到了很明显的提高。在第二十世纪，70年来，随着计算机技术的发展，微电子技术和高新
技术的快速发展，在不断的提升，测量和控制仪表的技术进步，接踵呈现了智能仪器、PC仪器、VXI仪器、虚拟仪器及互换性虚拟仪器等微机化仪器和其自动测控系统，计算机与现代化仪器设备间紧密的连系在一起，测控领域和范围不断拓宽。
LabVIEW是一种由美国国家仪器（NI）公司研制开发的程序开发环境，，类似于C语言和BASIC语言的开发环境，可是LabVIEW与其他计算机语言的特别的不同之处在于：其余的计算机语言都是利用基于文字语言来写出代码，而LabVIEW是依靠图形化编写语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。 NI设计平台是以LabVIEW软件为中心，也是开发测控系统的最好的软件。 LabVIEW 开发环境聚集了工程师和科学家迅速构建很多种运用所需的全部工具，旨在帮助工程师和科学家解决问题、不断创新。
1.2课题背景
1.2.1 我国现有测控技术的发展
1）自动化测试在中国经历了这样的阶段，（线性脚本，脚本编辑器，关键字和数据驱动脚本，事实上，其技术的发展是提高自动化测试技术的可重用性和可维护性），而此过程中，虽然自动化测试得到了很大的发展，但是却很难在国内大规模化。
2）具体问题如下：
a、国内企业风格的复杂，和自动测试本身是一个技术需求较大的领域，即，它不是简单的复制技术可以成功的，需要分析并结合企业的实际情况和具体需求，才能有所建树的。
b、关于层出不穷的自动化测试工具，很多公司把自动化定位检测系统当做一个测试的工具来使用，因此太依附于与自动化测试工具，形成了自动化测试技术
的停留，从而对自动化测试失去信心。
c、不适合自动化测试的测试自动化人才，人才不仅需要强大的技术能力，更多的专业能力和流程管理能力的需要。
3）其发展情况：
事实上，在一般情况下，自动化测试技术在国内发展速度很快，从以前的不重视自动化测试技术，现在致力于他们的测试自动化测试部一些大型企业和中小型企业的成功范例，是加强自动化测试技术（类似百度的信心，搜狐，电信公司，华为，如中兴有自己的自动化测试平台，并真的带来了效益），所以自动化测试在中国的发展还是很乐观的。个人觉得，自动化测试是一个平稳的发展时期，但在过去的十年中，有一个快速发展的时期，由于许多公司都根据以往的自动化测试经验，而试验之后就是广泛的使用。
网络化的测控技术在国外最先实现，表现了计算机网络技术、通信技术快速兴起，主要可分为下面几个阶段。
第一阶段：
在20世纪70年代通用仪器总线(GPIB)开始兴起，GPIB实现了计算机与测控系统的初次有机的融合在一起，使得测量仪器从单独的手动操作一台仪器开始走向多台仪器在计算机的控制之下同时运行的测控系统。这一阶段是胚胎和网络测量和控制系统的初始阶段。
第二阶段：
在20世纪80年代VXI标准化仪器总线开始实现，VXI系统能够将大型计算机是非常昂贵的，VXI周边设备，通讯线路，硬件资源和软件资源数据库应用到网络，使人们可以分享这些设备。这一阶段是网络控制系统发展的初始阶段。
第三阶段：
伴随着技术的完善，现场总线技术的发明推动了现场总线控制系统(FCS)的迅速完善，因此可以通过总线范围的工厂的智能传感器/变送器数以万计，智能仪表组成的网络测量和控制仪表系统，这个阶段是快速发展的网络测控系统。
第四阶段：
在高场现代化的要求，传统的控制系统已经不能满足用户的要求。许多部门或大型企业需要的网络测量与控制系统的建设基于Internet或局域网。
1.2.2 未来虚拟仪器发展的形势
微电子、通讯、计算机等现代科学技术伴随着虚拟仪器的高速发展而渐渐的产生。自1785以来，使静电库仑扭秤，后1834哈里斯提出了静电计的结构，改善和进步，电子测量仪器和电子仪器仪表零件的质量和相关技术测量理论和方法得到了迅速的发展。有一种较广泛地说法将测量仪器的发展分为五个阶段，测试
技巧的发展的五个阶段如图1.1所示。
图1.1测量技术的发展图
社会是一个快速发展的国家，为了实现大量的有限空间内的信息交换，其次是急剧的信息密度的增加，所以数据采集系统对数据信号的分析速度在研究和生产的过程中的需求也愈来愈高，功能愈来愈强。设备的独自数据采集和他们之间能够相互联系实数据采集系统发展的一个重要的标志，形成的数据采集系统，甚至是测试网络系统，实现数据信号的传播和使用，作为比较，综合和自动分析，以获得测量信号数的准确判断。但是传统的数据采集仪器在这些方面有很大的局限性。
虚拟仪器的研制成功推动了仪器的发展，表现出了仪器发展的最新的趋势和新的方向，并且是信息技术在一些重要领域的补充，对科学技术的发展和工业生产将产生举足轻重的作用。
1.3 本设计所做的工作
1.3.1电机转速的控制
本设计通过LabVIEW编写程序，然后由PCI-6024E数据采集卡输出电压控制信号给三菱变频器（FR-S540SE-0.4）控制电路，再利用BNC-2120信号调理器调理信号从而达到控制主电路中的电机的目的。
1.3.2硬件系统的设计
3通道的设计是设计从模拟输入信号从传感器，信号调理，输入到NI PCI-6024E数据采集卡，并通过PCI总线把上位机软件，数据处理，包含采样波形的实时显示、分析等
分析的硬件有一个相对的流程，先通过一个变频器来控制电机的转速，在通过振动传感器来将电机的振动信号转变成电信号。采集卡采集传感器传来的电信号进行采集，并将数据输送到电脑里面。计算机对信号进行处理，同时可以改变计算机的对应虚拟按钮来对变频器进行控制。
系统的总体流程如图1.2所示：
图1.2系统的总体流程图
变频器：通过改变电脑界面上变频器的限定电压的最大值和最小值来限定电机的最大转速和最低转速。
电机：改变振动信号采集系统的界面上电机转速旋转按钮，电脑发送信号回馈到采集卡，再由采集卡发送信号到变频器来改变实际电机的转速。
传感器：在电机上装有一个偏心轮，由传感器将振动信号转化成电信号
采集卡：通过采集卡采集到传感器里传出来的电信号，再放入内部的缓存器，传入电脑。
PC机：通过提起那做好的振动信号采集系统，改变电机转速，再对采集卡传来的数据进行处理，显示波形。
1.3.3 软件系统的设计
利用labview软件制作一个振动信号采集系统。系统中包含振动信号时域图、时频图、功率图、自功率图、hanning图。同过这些图来对振动信号的分析。具体软件的内容在下面会有对应的介绍。
第二章虚拟仪器
2.1 虚拟仪器技术的概述
2.1.1虚拟仪器的概念
美国国家仪器公司（National Instruments）在很早的时候就提出的虚拟仪器的概念。虚拟仪器实际上就是在计算机的软硬件测试平台基础上的，它可以替代传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可将优势体现在自动控制、工业控制系统之中。虚拟仪器是智能虚拟仪器以后新的一代测量仪器。
2.1.2虚拟仪器的特点和优势
虚拟仪器是电子测试仪器功能的硬件模块和软件基础上的计算机结构，和软件就是仪器，如图2.1所示的虚拟仪器流程。
图2.1虚拟仪器开发框图
软件的关键部分是设备的驱动软件程序，仪器驱动软件在这些准则的品定下使得系统的开发与仪器的硬件变化没有关联。这是一个虚拟仪器的最大的优势，在这一点上，仪器的发展和更新的时间将大大减少。在虚拟仪器中可以选择的硬件系统有（如GPIB，VXI，RS-232，DAQ板）和库函数等软件融合在一起配合使用，达到了仪器模块间的通讯、定时与触发的效果。源代码库函数在用户想要建立自己的数据模拟模块时提供了对应的模块组成工具。
2.1.3虚拟仪器测试系统的组成
虚拟仪器是在计算机仪器的基础上的。计算机和仪器紧紧联合在一起是现在仪器发展的一个重要标志。有两种基本的方式存在于这种联系之中，一种是把计
算机放入仪器，智能化的仪器就是它的一种在实际中的应用。伴随着计算机功能渐渐变强以及它的体积渐渐变小，这类仪器功能也愈来愈强，现在已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。依靠常用的的计算机硬件及操作系统，完成各种仪器功能，这种形式就是虚拟仪器。虚拟仪器的构成跟随了传统仪器的结构形式，主要由数据采集与控制系统、数据分析和处理系统、成果展示三部分组成。虚拟仪器的内在组成的分解如图2.2所示。
采集与控制
插入式数据采集板
GPIB
仪器
VXI/PXI
仪器RS-232仪器数据分析和处理
数字信号处理
数字滤波
统计分析
数值分析
结果显示
网络通信
硬盘拷贝输出
文件I/O
图形用户接口
图2.2 虚拟仪器的内在组成的分解如框图
传统仪器，这三部分都是由硬件完成；对于虚拟仪器，硬件组成了前一部分，软件组成了后两部分。虚拟仪器比传统仪器更加具有优势，它的设计渐渐的趋向于模块化、标准化，需要人工设计的量很大程度上都减少了。
传感器部分，信号处理和信号采集组件（如外部或内部的数据卡，图像采集卡和相机，用于辅助测量和常规仪表和计算机通信等收购），一般的电脑，打印机，是虚拟仪器测试系统的硬件的重要组成部分。
2.1.4虚拟仪器的软件结构
虚拟仪器技术最主要的是软件，它的结构在软件上的体现如图2.3所示。用户可以开发自己的应用软件的各种编程所需要的软件。现在美国NI公司的软件产品LabVIEW和LabWindows/CVI是最流行的虚拟平台开发软件。这些NI开发平台提供了很多的前面板使用工具和各种数据分析工具，另外虚拟仪器硬件厂商生产的各种硬件的驱动程序模块，使虚拟仪器的设计变得简单很多。随着软件技术的迅速成熟，模块化，可重用的软件，模块化，标准驱动的检测仪的软、硬件，更快速的虚拟仪器软件开发。
虚拟仪器伴随着现代技术的发展，它的硬件设施也开始渐渐的完善和调整。用户界面是最典型的代表。用户的个人信息的安全保密工作是相对比较完善的部分。数据处理的要求也开始变得越来越高。速度、准确度、精度是数据处理的进一步的要求。硬件驱动程序是相对比较重要的部分。它实现了软件与硬件的相互连接。
图2.3 虚拟仪器软件结构图
2.2 虚拟仪器的开发软件
2.2.1虚拟仪器的开发平台——Labview
LABVIEW 是以程序框图为基本单元并进行绘制的软件，通过前面板来显示想要实现的功能。利用调用不同控件，并将其空间的端点相互连接来实现不同的功能。而虚拟仪器则是接收指令，该指令来自于程序框图。所以，想用labview 想要实现不同功能，只需调用对应的函数方块并将它们通过规定的连接方式连接，就可以实现对应的功能，不必要局限于语法细节的编写。前面板、程序框图、图标/接线端口三个部分构成了一个labview 。前面板是用来模拟真实仪器控制面板；程序框图是图形语言到前面板控件的使用（分为对照组和表示两个量）控制；图标/接线端口用于把LabVIEW 程序定义成一个子程序，从而实现模块化编程。具体界面如图2.4所示。
图2.4 Labview 的驱动界面
目前，基于试验和工业控制软件，上位机
LabVIEW 的市场占有率仅次于C++/C 语言。LabVIEW 具备一系列无可比拟的长处：第一，LabVIEW 作为图形化语言编
程，利用流程图的方式来编程，使用的工具图形与科学家、工程师们熟悉的大部分图标基本相同，这使得编程程序和思维极为类似；同时，LabVIEW提供虚拟图书馆和仪表板材料库丰富，库内的近600种设备（扩大）如GPIB VXI总线设备的控制，控制，串口控制，和数据分析，显示和存储。因此，越来越多工程师、科学家对LabVIEW有了不少的依赖。
2.2.2 Labview软件应用介绍
所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器(VI)，它包括前面板（面板），流程图（框图）和图标/连接器（图标/连接器）三个部分。
1.前面板：前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制和显示对象。但并非画出两个控件后程序就可以运行，在前面板后还有一个与之对应的流程图。
2.流程图：流程图提供VI的图形化源程序。在流程图中对VI编程，通过控制并且定义操纵在前面板上的输入和输出的功能。流程图中包括前面板上的控件连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。
3.图标/连接设计：这部分的设计突出体现了虚拟仪器模块化程序设计的思想。在大型全自动检测系统的一步完成一个复杂的系统的设计是非常困难的设计。而在LabVIEW中提供的图标/连接工具正是为实现模块化设计而准备的。设计者可把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个都可完成一定的功能。这样设计的优点体现在如下几方面：
①把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，程序设计思路清晰，给设计者调试程序带来了诸多的方便。在为未来系统的维护，同时提供了一个方便的。
②一个繁杂的自动检测系统分为好几个子系统，每一个子系统是一个完备的功用模块，因此检测功能的详细，易于完成软件复用，减短了软件开发周期，提高系统设计的可靠性。
③这是很容易实现的“集成测试与虚拟仪器库”的思考。同时提供的虚拟仪器的设计灵活性的前提下实现的。
第三章信号采集系统硬件介绍及应用原理
3.1 系统硬件选择
3.1.1 PC机
本机配置：
处理器：Intel(R)Core(TM)i5-4200U CPU @ 1.60GHz 2.30GHz
内存：4GB
硬盘：500GB
显卡：2GB
3.1.2 传感器
传感器所用的型号是801s振动信号传感器。它的内部结构相当于一个金属球固定在一个特殊的弹簧上作为一极，他的周围是另外一极，振动达到一定的幅度后两极接通，后面的调理电路作用应该是消除干扰信号，整形输出。具体原理如图3.1所示。
图3.1 振动传感器801S原理图
3.1.3 NI PCI-6024E数据采集卡
NI PCI-6024是NI公司的E系列多功能数据采集卡，依靠的是一个A/D转换器，多路采集，实际上是分时采集的，所有在多路同时工作时采样率会成倍降低。该板卡的主要性能如下：
◆ 16路模拟信号输入通道，采样率为200kS/s，输入范围为-10V～+10V；
◆ 2路模拟量输出通道，分辨率为12位；
◆ 8路数字I/O，数字触发；
◆ 2个32位定时计数器；
◆ NI-DAQmx测试软件和硬件配置支持；
3.2 采集系统的应用原理
3.2.1数据采集概论
现在计算机普遍运用，数据采集的重要性是相当明显的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。各种类型信号采集的难易程度差别很大。实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。数据采集时，要注意一些计算的准则，来解决一些实际中遇到的问题。
如果此刻对一个模拟信号x(t)每隔△t间隔采样一次。时间间隔△t被叫做采样间隔或者采样周期。它的倒数l/△t被称为采样频率，单位是采样数/每秒。t＝0，△t，2△t，3△t……等等，x(t)的数值就被称为采样值。所有的x（0），X（△T），X（2 T）的采样值。所以数据信息所表示的离散的点可以用一组分散的采样值来表示：
{x(0)，x(△t)，x(2△t)，x(3△t)，…，x(k△t)，…} 单个模拟信号和它采样后的采样值如图3.2所示。采样间隔是△t，注意，采样所得到的点在时域图上表示的是离散的。
图3.2 模拟信号采样图
假如对数据信息x(t)采集N个点，那么x(t)就可以用下面这个数列表示：X={x[0]，x[l]，x[2]，x[3]，…，x[N－l]}
信号x(t)的数字化或者采样显示在此显现出来。只是用下标变量在图中显示，而没有表示任何关于时间间隔的信息。以此假如只了解该数据信息的采样值，并不能了解它的采样率，缺少了（△t），也不能够了解数据信息x(t)的频率。
根据采样定理，最小采样频率必须两倍的信号频率。换句话说，假如设定了采样的频率，那么能够表现的最为准确没有发生任何改变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样的频率的一半。假如数据信息中有频率比奈奎斯特频率高的成分，数据信息将在直流和恩奎斯特频率之间相互交替。图3.3和图3.4表示了一个数据信息用两种方式显示出来的结果，一种是合适的采样率和另一种是过低的采样率进行采样。
图3.3 合适采样率采样波形图
图3.4 采样率过低采样波形图
采样率太低是信号频率的降低看起来不同于原始信号。该信号称为混叠失真。为了防止这种情况的再次出现，一般会在数据信息被采集(A/D)之前，利用一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的数据信息成份删去理论设定采样频率是2倍的最高频率分量的信号被收集到足够的，但事实上，项目选择的5-10倍，有时为了更好地恢复波形，甚至更多。
3.2.2采集系统的一般组成及各部分功能描述
数据采集结构如图3.5所示。在数据采集系统中，程序将初始化该采集卡，卡和内存缓冲区中的数据采集和存储的中间环节。需要注意的两个问题是：是否使用缓冲，是否使用外触发启动、停止或同步一个操作。
图 3.5 数据采集结构图
1．缓冲(Buffers)
这里的缓冲指的是PC内存的一个区域(不是数据采集卡上的FIFO缓冲)，它用来临时存放数据。例如，你需要收集第二收集数以千计的数据，在第二显示或图形数据是困难的。但采集卡的数据缓冲区，你可以下载他们的快速存储，稍后再取回它显示和分析。请注意，缓冲和收集的运行速度和容量。
不要使用缓冲装置的每个数据必须及时处理（图形分析等）。
下列情况需要使用Buffer I/O：
①需要收集或产生许多样品，率超过实际的显示，存储硬件，速度和实时性分析。
②需要不断收集或产生交流数据（> 10样本/秒），并在同一时间或表现出一定的数据分析。
③采样周期必须准确，一致通过样本数据。
下列情况可以不使用Buffer I/O：
①数据组短小，例如每秒只从两个通道之一采集一个数据点。
②需要缩减存储器的开支。
2．触发(Triggering)
触发有关于初始化、终止或同步采集事件的方式得到了有关应用。触发器一般都是由数字或模拟信号组成的，它的显示可以来表明状态的触发。软件触发最容易，你可以使用该软件，如布尔控制面板的使用启动/停止数据采集。硬件触发让板卡上的电路管理触发器，控制了采集事件的时间分配，有很高的精确度。硬件触发可进一步分为外部触发和在内部触发。当模拟信号输出一个指定的输出电压时，该电压让采集卡输出一个固定脉冲，这就是内部的触发。采集卡等外部设备，数字脉冲到达初始化数据采集卡，这是一个外部触发。很多仪器表示数字输出用于触发特定的仪器，在这里，便是数据采集卡。
下列情况使用软件触发：
用户需要的所有集合操作的显式控制，和事件的时间不需要很精确的。
下列情况使用硬件触发：
①采集事件定时需要非常准确。
②用户需要削减软件开支。
③采集事件需要与外部装置同步。
3.2.3输入信号的类型
在进行数据采集前，必须对要采集的信号有所了解，因为不同信号的测量方式和对采集系统的要求是不同的，只有了解被测信号，才能选择合适的测量方式和采集系统。
一个任意的信号在时间上是一个物理量的变化。在正常情况下，携带信息的
信号是非常广泛的，比如：状态(State)、速率(Rate)、电平(Level)、形状(Shape)、频率成分(Frequency Content)。通过对数据信息的传播方式的不同，信号可以被分成模拟信号和数字信号两种。数字信号还包含两种不同的类别，它们是开关信号和脉冲信号。模拟信号就可以表现为为直流、时域、频域信号。
1．数字信号(Digital)
第一类数字信号是开关信号(On-Off)，开关信号如图3.6所示。一个开关信号携带的信息和信号的瞬时状态。TTL信号是一个开关信号，TTL信号如果2.0V 至5.0V的，我们把它定义为逻辑高，如果是0到0.8V之间，被定义为逻辑低。
图 3.6 开关信号图
第二类数字信号是脉冲信号（脉冲），脉冲信号，如图3.7所示。很大一部分的状态分析都包含在这些数据信号里面，信息就包含在状态转化发生的数目、转换速率、一个转换间隔或多个转换间隔的时间里。
图 3.7 脉冲信号图
2．模拟信号(Analog)
模拟直流信号（直流）是一个模拟信号在休息或变化很慢，模拟直流信号如图3.8所示。
振动信号的采集与预处理 几乎所有的物理现象都可看作是信号，但这里我们特指动态振动信号。 振动信号采集与一般性模拟信号采集虽有共同之处，但存在的差异更多，因此，在采集振动信号时应注意以下几点： 1. 振动信号采集模式取决于机组当时的工作状态，如稳态、瞬态等； 2. 变转速运行设备的振动信号采集在有条件时应采取同步整周期采集； 3. 所有工作状态下振动信号采集均应符合采样定理。 对信号预处理具有特定要求是振动信号本身的特性所致。信号预处理的功能在一定程度上说是影响后续信号分析的重要因素。预处理方法的选择也要注意以下条件： 1. 在涉及相位计算或显示时尽量不采用抗混滤波； 2. 在计算频谱时采用低通抗混滤波； 3. 在处理瞬态过程中1X矢量、2X矢量的快速处理时采用矢量滤波。 上述第3条是保障瞬态过程符合采样定理的基本条件。在瞬态振动信号采集时，机组转速变化率较高，若依靠采集动态信号（一般需要若干周期）通过后处理获得1X和2X矢量数据，除了效率低下以外，计算机（服务器）资源利用率也不高，且无法做到高分辨分析数据。机组瞬态特征（以波德图、极坐标图和三维频谱图等型式表示）是固有的，当组成这些图谱的数据间隔过大（分辨率过低）时，除许多微小的变化无法表达出来，也会得出误差很大的分析结论，影响故障诊断的准确度。一般来说，三维频谱图要求数据的组数（△rpm分辨率）较少，太多了反而影响对图形的正确识别；但对前面两种分析图谱，则要求较高的分辨率。目前公认的方式是每采集10组静态数据采集1组动态数据，可很好地解决不同图谱对数据分辨率的要求差异。 影响振动信号采集精度的因素包括采集方式、采样频率、量化精度三个因素，采样方式不同，采集信号的精度不同，其中以同步整周期采集为最佳方式；采样频率受制于信号最高频率；量化精度取决于A/D转换的位数，一般采用12位，部分系统采用16位甚至24位。 振动信号的采样过程，严格来说应包含几个方面： 1. 信号适调 由于目前采用的数据采集系统是一种数字化系统，所采用的A/D芯片对信号输入量程有严格限制，为了保证信号转换具有较高的信噪比，信号进入A/D以前，均需进行信号适调。适调包括大信号的衰减处理和弱信号的放大处理，或者对一些直流信号进行偏置处理，使其满足A/D输入量程要求。 2. A/D转换
004-振动信号的采集与预处理
振动信号的采集与预处理 1振动信号的采集 振动信号采集与一般性模拟信号采集虽有共同之处，但存在的差异更多。在采集振动信号时应注意以下几点： 1.振动信号采集模式取决于机组当时的工作状态，如稳态、瞬态等； 2.变转速运行设备的振动信号采集在有条件时应采取同步整周期采集； 3.所有工作状态下振动信号采集均应符合采样定理。 1.1 信号适调 由于目前采用的数据采集系统是一种数字化系统，所采用的A/D芯片对信号输入量程有严格限制，为了保证信号转换具有较高的信噪比，信号进入A/D以前，均需进行信号适调。适调包括大信号的衰减处理和弱信号的放大处理，或者对一些直流信号进行偏置处理，使其满足A/D输入量程要求。 1.2 A/D转换 A/D转换包括采样、量化和编码三个组成部分。 1.2.1采样 采样（抽样），是利用采样脉冲序列p(t)从模拟信号x(t)中抽取一系列离散样值，使之成为采样信号x(n△t)（n=0,1,2,…）的过程。△t称为采样间隔，其倒数称1/△t＝f s之为采样频率。采样频率的选择必须符合采样定理要求。 1.2.2量化 由于计算机对数据位数进行了规定，采样信号x(n△t)经舍入的方法变为只有有限个有效数
字的数，这个过程称为量化。由于抽样间隔长度是固定的（对当前数据来说），当采样信号落入某一小间隔内，经舍入方法而变为有限值时，则 产生量化误差。如8位二进制为28 ＝256，即量化增量为所测信号最大电压幅值的1/256。 1.2.3 编码 振动信号经过采样和量化后，量化后的数据按照一定的协议进行编码，成为处理器可以处理的数据。 采样定理解决的问题是确定合理的采样间隔△t 以及合理的采样长度T ，保障采样所得的数字信号能真实地代表原来的连续信号x(t)。 衡量采样速度高低的指标称为采样频率f s 。一般来说，采样频率f s 越高，采样点越密，所获得的数字信号越逼近原信号。为了兼顾计算机存储量和计算工作量，一般保证信号不丢失或歪曲原信号信息就可以满足实际需要了。这个基本要求就是所谓的采样定理，是由Shannon 提出的，也称为Shannon 采样定理。 Shannon 采样定理规定了带限信号不丢失信息的最低采样频率为： 2s m f f ≥或2s m ωω≥ 式中f m 为原信号中最高频率成分的频率。 采集的数据量大小N 为： T N t =? 因此，当采样长度一定时，采样频率越高，采集的数据量就越大。 使用采样频率时有几个问题需要注意。 一， 正确估计原信号中最高频率成分的频率，对于采用电涡流传感器测振的系统来说，一
基于LabVIEW 的陀螺仪振动信号采集与分析 窦修朋，尤传富，欧阳国鑫 （长春工业大学电气与电子工程学院，吉林长春130012） 摘 要：针对陀螺马达振动信号的微弱性，通过数据采集卡检测到的信号要进行大量复杂的线形系统分析，要求数 据准确，根据虚拟仪器设计思想在PC 下利用图形化编辑语言LabVIEW 对陀螺马达的振动信号进行过采样数据采集、波形显示、时域分析、数字滤波、数据存储、频域分析，从而实现对振动信号的多通道信号采集和实时分析。系统逻辑图形清晰，可以有效的防止波形失真，误差小，起到了很好的故障诊断分析作用，在工程应用中实用性强。 关键词：LabVIEW 系统；虚拟仪器；过采样；时域分析；频域分析中图分类号：TP311.52；TP274+.2 文献标识码：A 文章编号：1674-5124（2009）02-0064-03 Acquisition and analysis of gyroscopic vibration signal based on LabVIEW DOU Xiu-peng ，YOU Chuan-fu ，OUYANG Guo-xin （School of Electric and Electricity Engineering ，Changchun University of Technology ，Changchun 130012，China ）Abstract:According to the weakness of the vibration signal of gyroscope motors ，a large number of complex linear system analyses needed to process the signal detected by data acquisition card ，and the data must be precise ，those of the gyroscope motor vibration signal such as data acquisition ，waveform display ，time domain analysis ，digital filtering ，data storage and frequency -domain and so on were analyzed according to the virtual instrument design with graphical progamming software LabVIEW on PC to realize the multi -channel signal acquisition and real -time analysis of the vibration signal.The logic diagrams of this system are clear ，the waveform distortion can be effectively prevented ，and the error can be reduced.Thus ，this system can play a very important role in the fault diagnosis and has very practical impacts on engineering. Key words:LabVIEW ；Virtual instrument ；Over-sampling ；Time-domain analysis ；Frequency domain analysis 收稿日期：2008-09-05；收到修改稿日期：2008-11-30作者简介：窦修朋（1982-），男，河北沧州市人，硕士研究生， 专业方向为信号分析及处理。 1引言 随着科学的不断发展，人们对惯性导航系统的 陀螺仪要求越来越高。 陀螺马达是陀螺仪的心脏，要使陀螺定向精度高，必须保证陀螺马达在工作过程中正常工作，尽量减少无规则振动和噪声。转子要保持高度的动态平衡，除此之外，马达轴承在高速旋转时也产生振动信号，转子高速旋转引起风阻和由此引起的噪声会诱导转子转动。而信号往往淹没在机械本体几信号处理电路包含的大量噪声中[1]，这些振动和噪声都会影响陀螺罗盘的定向性能。因此，在陀螺马达的设计和安装高度中，非常需要明确振源，是由转子不平衡引起，还是轴承振动或风阻噪声引起的。 振动测试及分析系统主要用来分析陀螺转子的振动情况。引起陀螺转子振动的因素可分为质心 偏移因素和非质心偏移因素，质心偏移因素可通过 动平衡消除，而非质心偏移因素多数是由轴承（特别是滚珠轴承）引起的，无法通过动平衡消除。振动大的陀螺在系统使用中会对系统性能产生较大影 响。因此， 在陀螺总装前对陀螺马达进行振动测试和分析十分必要。 计算机和仪器的密切结合而成的虚拟仪器是目前仪器发展的一个重要方向。虚拟仪器的最突出的特点可以发挥出计算机的能力，具有强大的数值处理功能，可以根据自己的需要创造出功能强大的 仪器。在这一领域内， 使用较为广泛的计算机和开发环境的是美国NI 公司的LabVIEW 。整个系统只有输入、输出端，其他仪器功能键都在可视软件板上完成，操作简单方便[2]，并且能进行远程控制[3]。 2系统硬件设计 如图1所示，陀螺仪振动的信号由传感器接收，经信号调理、数据采集卡后传递到虚拟仪器控制面版，其主要功能如下。 第35卷第2期2009年3月中国测试 CHINA MEASUREMENT &TEST Vol.35No.2Mar.2009
南京工程学院 本科毕业设计（论文） 题目：基于LabVIEW的振动信号 采集处理系统设计 专业：车辆工程（车辆电子电气） 班级：车电气101学号：215100409 学生姓名：龚戌伟 指导教师：王书林副教授 起迄日期：2014.3～2014.6 设计地点：车辆工程实验中心
Graduation Design (Thesis) A LabVIEW-based Vibration Data Acquisition and Signal Processing System Design By GONG XUWEI Supervised By Assoc. Prof. WANG Shulin Department of Vehicle Engineering Nanjing Institute of Technology June2014
摘要 仪器的技术、计算机的技术、总线的技术和软件的技术是由虚拟仪器构成并将它们紧密的联系在一起，仪器的极大一部分的功能是依靠计算机数据处理能力，不再需要传统仪器繁琐的结构，形成的一种新的仪器模式。 如今的虚拟仪器技术还存在许多的弱点。首先，部分检测系统任处于相对比较落后的状态，将各种示波器连接至计算机。通过一些繁琐的步骤对示波器的波形进行各种调整，有时候还需要同时显示多个波形时，需要连接多个示波器。其工作不仅复杂，而且控件占用率也比较高。在企业中，这也大大提高了企业的运营成本，在研究项目的过程中也会出现各种麻烦的步骤。同时，现有的虚拟仪器技术也是仅仅停留在数据采集、数据分析的单独步骤上，没有将两者很好的结合在一起。在系统运行的过程中，两者是独立分开工作的，增加了数据分析结果的时间，对应的工作效率也有所降低。 本设计采用了NI PCI-6024E采集卡进行数据采集，运用相关的虚拟技术知识将数据采集到电脑中，再用Labview软件设计的振动信号采集系统对采集卡所传来的数据信号进行存储、调整、显示波形、数据分析等一系列工作。同时在Labview软件的显示界面上对电机转速进行调整，调整的信号通过采集卡反馈到变频器，再通过调整变频器电压值，实现对电机的调速，以此形成了一个完整的循环过程。 本设计是虚拟仪器在测控领域的一次成功尝试。该系统将电机转速控制、数据采集、采集数据实时显示、在线分析、存储及离线分析等功能进行有机的结合在一起，形成了一个完整的整体。本设计大大简化了振动信号采集的过程，将多个工作同时进行，缩短了分析的时间，波形显示也对应变得明朗清晰。 关键词：虚拟仪器；数据采集；采集卡；LabVIEW
https://www.doczj.com/doc/c2648279.html, 一种振动信号的采集与处理系统 苏畅，李书新，付兴武 辽宁工程技术大学，辽宁阜新 123000 E-mail：susan2008cn@https://www.doczj.com/doc/c2648279.html, 摘要：本文用V/F转换器实现模/数转换。将AT89C51单片机同PC机相结合，由单片机完成数据采集通过串口在PC机上由VB完成信号的处理和显示。该系统结构简单，在振动信号的采集处理中经济实用。 关键词：V/F转换器；LM331；串口；信号采集 1 引言 机械故障诊断与检测中，经常要涉及到振动信号的采集处理。采集的方式有多种，本文应用V/F转换、单片机及PC机组成检测系统，该系统简单、经济、实用、方便。 来自目标系统的振动信号，通过压电传感器转换成模拟的电信号，在通过电荷放大器放大，低通滤波器滤波，经LM331将模拟的电压信号转换成频率信号由单片机对该频率脉冲进行计数，并通过PC机串口传送到PC机中，由PC机对信号进行处理并分析显示出来。 被测系统振动信号 传感器 滤波器 V/F转换器 单片机系统 RS-232 PC机 图 1 系统框图 2 振动信号采集 信号采集由AT89C51单片机为核心，通过计数器对V/F转换器传入的脉冲进行计数来确定频率范围，得到采样值并通过RS-232传到PC机中。 2.1 V/F转换的特点 用V/F（电压/频率）转换器来代替昂贵的A/D（模/数）转换器，实现高精度的转换，在越来越趋于简单实用的现代化检测设备中得到了广泛重视。与A/D转换器比较，V/F转换器使用灵活，占用微机资源少，接口简单，投资小。 LM331是美国国家半导体公司生产的一种高性能低价格的单片集成V/F转换器。该器件在量程范围内具有0.01%~0.003%的高线性度，0~100kHz的频率输出范围，4~40V的直流工作电源电压区间，宽的动态范围，以及输出频率不受电源电压变化等诸多优点。与此同时，由于其内部使用了温度补偿能隙电路，在整个工作温度范围内，以及到0.4V电源电压时都有极高的精度。精准定时电路具有低的偏置电流，100kHz电压/频率转换所需要的高速相应
振动信号的采集与预处理 1振动信号的采集 振动信号采集与一般性模拟信号采集虽有共同之处，但存在的差异更多。在采集振动信号时应注意以下几点： 1.振动信号采集模式取决于机组当时的工作状态，如稳态、瞬态等； 2.变转速运行设备的振动信号采集在有条件时应采取同步整周期采集； 3.所有工作状态下振动信号采集均应符合采样定理。 1.1 信号适调 由于目前采用的数据采集系统是一种数字化系统，所采用的A/D芯片对信号输入量程有严格限制，为了保证信号转换具有较高的信噪比，信号进入A/D以前，均需进行信号适调。适调包括大信号的衰减处理和弱信号的放大处理，或者对一些直流信号进行偏置处理，使其满足A/D输入量程要求。 1.2 A/D转换 A/D转换包括采样、量化和编码三个组成部分。 1.2.1采样 采样（抽样），是利用采样脉冲序列p(t)从模拟信号x(t)中抽取一系列离散样值，使之成为采样信号x(n△t)（n=0,1,2,…）的过程。△t称为采样间隔，其倒数称1/△t＝f s之为采样频率。采样频率的选择必须符合采样定理要求。 1.2.2量化 由于计算机对数据位数进行了规定，采样信号x(n△t)经舍入的方法变为只有有限个有效数字的数，这个过程称为量化。由于抽样间隔长度是固定的（对当前数据来说），当采样信号落入某一小间隔内，经舍入方法而变为有限值时，则产生量化误差。如8位二进制为28＝256，即量化增量为所测信号最大电压幅值的1/256。 1.2.3编码 振动信号经过采样和量化后，量化后的数据按照一定的协议进行编码，成为处理器可以处理的数据。 采样定理解决的问题是确定合理的采样间隔△t以及合理的采样长度T，保障采样所得的数字信号能真实地代表原来的连续信号x(t)。 衡量采样速度高低的指标称为采样频率f s。一般来说，采样频率f s越高，采样点越密，