宋佳文，楊祿強(qiáng)，羅 鑫，王淑芬，李豐益

（大連大學(xué)，遼寧大連 116622）

0 引言

隨著虛擬實(shí)驗(yàn)儀器的發(fā)展，機(jī)電測(cè)試類實(shí)驗(yàn)室是全國(guó)各院校教學(xué)體系的重要組成部分，在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)、實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新能力方面具有不可忽視與替代的作用。國(guó)內(nèi)外對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)研究設(shè)計(jì)。如清華大學(xué)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬檢測(cè)儀器系統(tǒng)、浙江大學(xué)的基于網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)“大學(xué)工程化學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)VLABS”等。通過(guò)完成常見(jiàn)機(jī)械參量信號(hào)的生成、獲取、處理及分析的虛擬儀器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，替代傳統(tǒng)信號(hào)分析處理過(guò)程中的大量物理儀器，實(shí)現(xiàn)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室“以實(shí)為主，虛實(shí)結(jié)合”目的。該設(shè)計(jì)以軟件為主，少量硬件設(shè)備為輔，開(kāi)發(fā)了機(jī)械工程信號(hào)處理分析虛擬實(shí)驗(yàn)儀器系統(tǒng)。

1 機(jī)械工程信號(hào)處理虛擬實(shí)驗(yàn)儀器系統(tǒng)

以LabVIEW 2017軟件開(kāi)發(fā)機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)儀器系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由虛擬信號(hào)發(fā)生器、多通道信號(hào)采集及信號(hào)發(fā)生分析功能VI模塊、數(shù)學(xué)分析子VI信號(hào)采集硬件設(shè)備組成。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所需的各種信號(hào)的產(chǎn)生方式為信號(hào)發(fā)生器，如圖1所示。儀器的核心部分為軟件部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)于常見(jiàn)信號(hào)的分析功能設(shè)計(jì)，如示波器、頻譜諧波分析儀在信號(hào)處理儀器中的應(yīng)用等。下面將分別介紹仿真信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)諧波分析系統(tǒng)。重點(diǎn)介紹用VI虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建機(jī)械工程信號(hào)處理分析虛擬實(shí)驗(yàn)儀器系統(tǒng)。

2 儀器系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生

2.1 信號(hào)的產(chǎn)生

信號(hào)是由LabVIEW內(nèi)控件信號(hào)函數(shù)庫(kù)產(chǎn)生，提供了大量的波形生成節(jié)點(diǎn)小程序控件，庫(kù)函數(shù)-信號(hào)處理-波形生成子選板中，波形生成函數(shù)控件可以生成不同類型的波形信號(hào)可生成組合波形信號(hào)。LabVIEW提供了各種設(shè)備端口I/O，可通過(guò)連接數(shù)據(jù)采集卡采集實(shí)際工程信號(hào)，系統(tǒng)濾波算法處理，進(jìn)而獲得需要的信號(hào)。下面主要介紹基本函數(shù)發(fā)生器和信號(hào)硬件采集模塊設(shè)計(jì)。

2.1.1 基本函數(shù)發(fā)生器

基本函數(shù)發(fā)生器可生成各種的常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)波形。常見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)波形信號(hào)有正弦波、方波、三角波、鋸齒波等，由基本函數(shù)發(fā)生器來(lái)生成[1]，基本函數(shù)發(fā)生器的端口含義程序框圖如圖2所示，在其各節(jié)點(diǎn)端口接上顯示與輸入控件即可得到簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)波形信號(hào)源、信號(hào)的直流偏移量。信號(hào)類型可選正弦波、方波、三角波、鋸齒波，直流波型信號(hào)的頻率、峰值電壓波形初始相位。采樣信息包含采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)、相位輸出。

圖2 基本函數(shù)發(fā)生器端口定義程序框圖

2.1.2 信號(hào)硬件采集VI設(shè)計(jì)

硬件設(shè)備有NI公司USB-231數(shù)據(jù)采集卡，CT5201恒流適配器，CT1010L振動(dòng)傳感器，可采集1～5 000 Hz的信號(hào)范圍。實(shí)際工程信號(hào)由傳感器捕獲，再通過(guò)恒流適配器，最后由數(shù)據(jù)采集卡送入軟件系統(tǒng)處理分析。具體架構(gòu)由LabVIEW的MAX構(gòu)建虛擬信號(hào)通道將采集卡跟設(shè)計(jì)系統(tǒng)連接，LabVIEW中設(shè)計(jì)采集程序VI實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集機(jī)械工程振動(dòng)信號(hào)分析，并再送入此系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息處理。

2.2 虛擬機(jī)械信號(hào)處理系統(tǒng)

虛擬信號(hào)發(fā)生器主要用來(lái)產(chǎn)生顯示正弦波、方波及三角波所有標(biāo)準(zhǔn)波形，也可在控件選板函數(shù)-信號(hào)處理-波形生成子選板進(jìn)行機(jī)械信號(hào)的相關(guān)分析，對(duì)機(jī)械學(xué)科當(dāng)中的信號(hào)進(jìn)行LabVIEW程序開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)機(jī)械工程信號(hào)的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)儀器方案，節(jié)省教育過(guò)程中的儀器經(jīng)費(fèi)投入，實(shí)現(xiàn)Web實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)儀器共享。虛擬信號(hào)發(fā)生器前面板如圖3所示。

圖3 虛擬信號(hào)發(fā)生器前面板

3 信號(hào)的諧波分析

3.1 系統(tǒng)的工作原理

信號(hào)虛擬實(shí)驗(yàn)儀器系統(tǒng)中信號(hào)的獲取與采集是以計(jì)算機(jī)為核心的儀器設(shè)備接口技術(shù)為主，USB接口的數(shù)據(jù)采集（DAQ）裝置[2]，信號(hào)采集傳感器組成，傳感器的輸出電壓范圍1～5 V，直流電壓轉(zhuǎn)化器提供1～10倍的增益。在此平臺(tái)基礎(chǔ)上，調(diào)用測(cè)試軟件來(lái)完成某種功能的測(cè)試任務(wù)，為了增強(qiáng)信號(hào)處理虛擬儀器的可交互性和操作性，構(gòu)成實(shí)驗(yàn)用到的某功能的虛擬儀器，對(duì)其進(jìn)行了功能開(kāi)發(fā)，如對(duì)采集的數(shù)據(jù)測(cè)試軟件進(jìn)行標(biāo)定、數(shù)據(jù)點(diǎn)的顯示就構(gòu)成了一臺(tái)信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)中的一臺(tái)數(shù)字示波器，如對(duì)示波器進(jìn)行通道的改變，就可構(gòu)成雙通、四通道的數(shù)字示波器實(shí)驗(yàn)?zāi)K。對(duì)信號(hào)進(jìn)行FFT變換，就構(gòu)成一臺(tái)頻譜分析儀[3]。信號(hào)分析與處理要求取的特征值，如峰值、真有效值、均值、均方值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差以及頻譜、相關(guān)函數(shù)等[3]。如用硬件電路來(lái)獲取，由于開(kāi)發(fā)難度大、很多功能都不能集成到一個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器，其電路也是復(fù)雜昂貴，甚至不易實(shí)現(xiàn)，然而用虛擬技術(shù)的LabVIEW軟件編程來(lái)獲取是很容易實(shí)現(xiàn)的。在處理過(guò)程中，對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析、相關(guān)分析、二次曲線擬合、微分、積分等信號(hào)分析。這些圖標(biāo)有各自對(duì)應(yīng)有關(guān)軟件子程序，在流程圖編輯窗口“function”功能模板上“signal processing”子模板方便調(diào)出[4]，供用戶編輯流程圖使用，選擇不同子程序控件模塊可搭建不同功能的實(shí)驗(yàn)儀器。

3.2 諧波分析原理

對(duì)于周期為T=2π/ω0的非正弦電量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，為了得到采集信號(hào)的諧波分析，對(duì)其進(jìn)行諧波分析系統(tǒng)模塊的VI拓展，可以對(duì)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)和傳感器采集信號(hào)的信號(hào)諧波分析、諧波分析除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量外，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量[5]。以電壓U（t）為例，如下所示：

式中：Ansin(nw0t+φn)為第n次諧波；An為第n次諧波的幅值；諧波頻率與基波頻率的比值n=fn/f1稱為諧波次數(shù)，其范圍一般為2≤n≤40。

求模擬信號(hào)連續(xù)頻譜的一般方法是對(duì)信號(hào)做傅里葉變換：用數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)傅里葉變換的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是離散傅里葉變換（DFT）。離散傅里葉變換的數(shù)學(xué)表達(dá)式為在數(shù)字計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)離散傅里葉變換計(jì)算工作量是龐大的，例如當(dāng)采樣數(shù)N=1 000時(shí)，需要計(jì)算400萬(wàn)次實(shí)數(shù)乘法才能算出DFT的結(jié)果?？焖俑道锶~變換（FFT） 巧妙地解決了這個(gè)問(wèn)題，它極大地提高了頻譜分析時(shí)的計(jì)算效率，減少了機(jī)器內(nèi)存的占用。當(dāng)N=1 024時(shí)，它可以把離散傅里葉變換的計(jì)算工作量減少102倍[6]。自功率譜函數(shù)用FFT求出時(shí)域信號(hào)的自功率譜。諧波分析函數(shù)在這個(gè)基礎(chǔ)上給出各種諧波的頻率和幅值，并按下式給出總的諧波失真（%TDH）：

式中：A1為基波的幅值，An為第n次諧波的幅值，N為總的諧波次數(shù)。

3.3 諧波分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)信號(hào)輸出電壓進(jìn)行諧波分析時(shí)，采用LabVIEW軟件的諧波分析函數(shù)。該VI可對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行完整的諧波分析，包括測(cè)定基波和諧波，返回基波頻率和所有的諧波幅值電平，以及總的諧波失真[7]。諧波分析的基本方法有傅里葉變換、離散傅里葉變換、快速傅里葉變換等，其具體公式及用法不做介紹?？稍谙到y(tǒng)程序中直接調(diào)用，它們位于后面板控件面板信號(hào)處理—變換。

圖4 諧波分析系統(tǒng)操作界面

信號(hào)差分的本質(zhì)就是抑制儀器實(shí)驗(yàn)信號(hào)中的低頻和提升高頻成分的優(yōu)點(diǎn)，得到所需的檢測(cè)信號(hào)。圖4（a）所示為差分信號(hào)的頻譜分析，更好實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳遞控制，圖4（b）為采集到的實(shí)際齒輪箱軸承的震動(dòng)信號(hào)，通過(guò)采集卡等端口設(shè)備接入計(jì)算機(jī)進(jìn)行相關(guān)零部件工作參數(shù)的實(shí)際分析，從而得到軸承的磨損情況。為了對(duì)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析，在系統(tǒng)的諧波分析系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換，如圖4（a）所示信號(hào)頻譜中低頻分量難以觀察到，且高頻分量相對(duì)于圖4（b）實(shí)際中的高頻分量明顯增強(qiáng)了。利用虛擬儀器界面友好拓展性強(qiáng)的特點(diǎn)，接入測(cè)量及配置軟件、測(cè)試硬件和接口，得到了差分信號(hào)的尺度波動(dòng)函數(shù)曲線圖，差分信號(hào)的尺度波動(dòng)函數(shù)曲線近似為常數(shù)，這點(diǎn)很好地依靠于設(shè)定的尺度區(qū)間，與圖中給出的高頻分量和尺度波動(dòng)函數(shù)之間關(guān)系保持了一致性[8]，以及與給出的信號(hào)頻率與轉(zhuǎn)折點(diǎn)處尺度之間關(guān)系的分析結(jié)論也吻合。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)LabVIEW開(kāi)發(fā)的機(jī)械信號(hào)虛擬儀器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器功能的基礎(chǔ)上，對(duì)其功能進(jìn)行了擴(kuò)展，儀器加入了數(shù)學(xué)分析功能、數(shù)據(jù)的Excel、輸入數(shù)據(jù)與理論公式的二次曲線擬合功能，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠度的判斷，用Lab-VIEW借助嵌入式技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器技術(shù)，建立與Lab-VIEW的網(wǎng)絡(luò)通信。進(jìn)行Web信號(hào)虛擬實(shí)驗(yàn)儀器、數(shù)據(jù)共享，增加了儀器的可操作性和用戶的可交互性，對(duì)機(jī)械信號(hào)的抽象理論知識(shí)通過(guò)波形的形式展現(xiàn)，讓學(xué)生和相關(guān)測(cè)試人員掌握機(jī)械工程測(cè)試的原理和方法以及虛擬儀器技術(shù)在測(cè)量控制中的實(shí)用性。由于虛擬實(shí)驗(yàn)儀器基本不受實(shí)驗(yàn)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)限制，僅需1臺(tái)裝有實(shí)驗(yàn)信號(hào)處理虛擬儀器系統(tǒng)的電腦，少量甚至不需要其他輔助實(shí)驗(yàn)儀器，例如數(shù)據(jù)采集卡等等，就可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。極大地節(jié)省了高校進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)間、空間以及經(jīng)費(fèi)等成本。因此研發(fā)功能強(qiáng)大全面的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器系統(tǒng)是很有必要的。