面向機械參量的通用數據采集儀的設計

張國壘，湯寶平，戴功偉

（重慶大學機械工程學院，重慶 400030）

0 引 言

在機械工程測試中，需要經常對一些常見的機械參量進行采集與分析實驗，如力、位移、振動及轉速等。這些參量的頻率范圍跨度大，信號特征具有多樣性和復雜性[1]，此類信號的數據采集儀不僅需要設計多種顯示模式去表達信號的各個特征，還常常需要兼容多種數據采集卡并支持設置多種采樣方式。目前工程中應用的大多數此類采集儀只是面向特定范圍內的測量對象，測試其余對象時就不得不購買另一套采集軟件，用戶面臨的不僅是成本的增加，有時還有操作風格和數據格式的改變，同時增加了對測試管理的難度[2-3]。而能采集多種機械參量的通用型數據采集儀并不多見，比利時LMS公司的SCADAS系列數據采集系統功能強大，且界面友好，但價格十分昂貴；因此，開發一套有自主產權的能測試多種機械參量的通用數據采集儀有著重要意義。

1 總體設計

基于面向對象的思想，采用模塊化的設計方法，可將整個數據采集儀分為數據采集模塊、采集參數模塊、數據顯示模塊及結果保存模塊4個模塊。每個模塊功能雖然不同，但在設計中都要考慮如何體現對機械參量的通用性，如數據采集模塊負責與采集卡交互并獲取原始數據，需要能夠讀采集各種機械參量，考慮到采集卡的專用性，就需支持采集卡的可互換性。具體每個模塊的設計技術路線如圖1所示。

圖1 采集儀的構成模塊及其設計技術路線

2 模塊詳細設計

2.1 數據采集模塊

2.1.1 采集卡互換性的實現

數據采集模塊負責讀取數據采集卡采集到的數據供后續顯示和保存。工程中每種類型的數據采集卡通常是面向特定的測試對象，如NI 9234是面向振動噪聲的采集卡，而NI 9227則是電流的獲取模塊，固定的數據采集卡難以實現多種機械參量的測量要求。而數據采集儀的數據獲取需要采集卡驅動程序的支持，一旦采集卡的型號發生變化，則相應的驅動程序也要改變，數據采集儀將不能正常運行。為了實現采集卡的互換性，本采集儀借鑒現在較流行的儀器互換方案IVI標準的思想，通過設計儀器類驅動來解決這一問題，但只有相對較少的硬件開發商支持IVI驅動器標準[4-5]。因此，本采集儀的設計采用了一個折中的方法，儀器類驅動程序不完全是一組與具體設備無關的函數，當更換采集卡時需要在儀器類驅動程序中根據采集卡的具體控制特性做相應的修改，但其與采集儀的接口保持不變。采集儀在工作過程中調用的是采集卡類驅動程序，采集卡類驅動程序再通過不同的具體采集卡驅動程序來操作具體的采集卡，所以當更換采集卡后，只需修改配置文件中的信息和采集卡類驅動程序接口的具體實現，使程序的具體控制對象稱指向新的采集卡和其驅動程序，而采集儀本身不需要做任何修改。

2.1.2 低頻采集處理

為了能正確采集多種類型的機械參量，不僅僅采集儀要獨立于硬件，還要用合適的方式去采集和處理采集到的數據。機械參量中有些是頻率較低的信號，此時采集儀需要用較低的采樣率去采集機械參量，低采樣率也許會超出采集卡所支持的采集頻率范圍，同時由于采集頻率的降低，信號信息量將較少，精度也難以提高。因此，為了拓展和利用采集卡的帶寬，以及提高被采集信號的精度，本采集儀采用算術平均濾波算法去處理數據，即用原始采樣率的N倍頻高頻去采集此信號，然后對每N個點進行算術平均，將采集數據還原為低頻采集信號。此處的N與信號類型有關，如壓力一般N取4，流量一般取12。

2.1.3 高低頻顯示處理

采樣模塊將采集的數據放在固定大小的緩沖區中，將緩沖區填滿后采集模塊會發消息給顯示模塊，讓其將數據顯示給測試者。實際工作中，在采集機械參量信號時，測試者會根據測試對象以及使用者感興趣的頻率范圍及參量信號的特征，設置相應的采集頻率，可能為幾十赫茲也可能為幾十千赫茲。如果對所有的采集頻率都采用當采集緩沖區滿后便發出消息以顯示數據的方法，則在采樣頻率過高時會造成系統負荷過大，產生掉點等問題，而低頻時可能很長時間都沒有將緩沖區采集滿，使得對信號的實時性示波就不能很好地滿足[6]。本采集儀采取頻率分段處理的方法，將用戶輸入的采集頻率自動分為高中低3個頻段，通過在高頻時抽樣發送消息、在低頻時滾動發送消息、中頻時正常發送消息的方法，以求達到最好的顯示效果。

2.2 采集參數模塊

采集參數模塊管理著采集過程中所使用參數以及采集數據結果，它是一個公共數據區，是整個采集儀軟件的核心對象，其他的模塊各有分工，但都和采集參數模塊進行數據交互。其內容包括3部分，分別是設備信息參數、采集控制參數及通道配置參數。其中設備信息參數的設計是為了讓采集儀兼容各種數據采集卡；采集控制參數中包括了各種采樣方式，為采集多種機械參量提供支持；通道配置參數中的轉換系數可適用于多種類型的傳感器。3部分的具體設計如下：

2.2.1 設備信息參數的設計

不同采集卡的硬件參數不相同，主要體現在采集頻率范圍及通道數目等方面。為了能使采集儀應用于多種采集卡，采集參數模塊中需要包含采集卡的設備參數信息。設備信息參數用于描述采集卡的特征，主要包括通道數目、采樣率范圍、采樣精度等內容，為了提高采集儀的獨立性，把和設備相關的參數放在可方便查看和編輯的XML配置文件中[7-9]。當采集卡更換時，用戶需要在XML配置文件中做相應的修改。

2.2.2 采集控制參數的設計

用于控制采集過程這類參數本文稱為采集控制參數，主要包括采樣頻率、采樣方式、采樣長度及信號形式等內容，其中采集方式支持定長采樣、循環采樣、手動采樣、多次觸發采樣及轉速采樣等采集機械參量過程中所常用的方式。

2.2.3 通道配置參數的設計

通道配置參數主要是測點描述、工程單位、轉換系數k及轉換系數b、放大倍數等內容。其中轉換系數k和b的設計是為了完成對常用傳感器的標定。將放大倍數用A代替，則它們遵循：

式中：y——被測量的真實物理值；

x——采集的原始電壓數據。

此通用公式能適用于大多線性度較好的傳感器，即使有的傳感器在其整個量程范圍內的線性度較差，也可將此公式用于傳感器量程的某一段區間內。設計好的采集儀運行后，采集控制參數與通道參數配置對話框如圖2所示。

圖2 采集控制參數與通道參數設置對話框

2.3 數據顯示模塊

將采集的數據以適當的形式顯示給用戶是數據采集儀表達數據的重要形式之一，為了從多個方面表達具有不同特征的機械參量信號，不僅需要具有豐富的顯示模式以及不同的模式間方便的切換，還要能夠自動適應被測對象的量程及方便體貼的用戶交互功能。

2.3.1 多種顯示模式的設計

包括波形圖、XY圖、直方圖，而根據圖中構成元素的不同，又分為線性圖、點狀圖和柱狀圖，不同的顯示模式之間可方便地進行切換。波形圖應用最廣，通常X軸為時間，Y軸為測試數據；有時為了描述2組數據的某種關系，需要1組數據沿X軸顯示，另一組數據沿Y軸顯示，這時將需要用到XY圖顯示模式；而直方圖顯示在科學統計、工業實時監控等領域中有著廣泛的應用。有用戶可根據信號的特征選擇合適的顯示模式。

2.3.2 自適應量程的設計

在實際測量工作中，當初次測試某被測對象時，常常由于不知其數據的大小范圍而不能正確的設置數據的量程范圍，以致很難觀察到數據的完整波形。本采集儀在數據顯示之前，通過對顯示數據的分析后可將顯示量程自動調節到合適的大小，以適應不同的數據，完整顯示出數據的波形。

2.3.3 用戶交互功能的設計

充分利用計算機的計算資源和操作系統的GDI性能，可以用軟件實現豐富的顯示交互功能。具體包括縮放、光標讀數、對數和線性坐標切換、顯示區域各個對象及背景顏色的設置等。通過交互，用戶可以更加細致地觀察數據。

2.4 結果保存模塊

由于不同的測試者對數據的保存格式和方式要求也不同，結果保存模塊被設計為用動態鏈接庫實現，提供一個保存函數接口供采集儀主程序調用，而此函數接口的具體實現交付給測試者。測試者不僅可以按照想要的格式保存或按照某種算法加密數據，還可以按照想要的方式進行保存，如文件、數據庫或通過網絡發送到遠程服務器。

3 采集儀的實現

振動參量是一般機械運行時必有的信號，其中包含了機械設備運行過程中的大量信息。本文以振動信號為采集對象，闡述采集儀的具體實現過程。

采集卡選擇工程中常用的NI 9234振動噪聲采集模塊，其最大采樣頻率可達51.2kHz，24位采樣精度，能夠滿足大多場合下的振動采集要求。

相應的設備信息參數配置XML文件內容如下所示：

考慮到其面向對象的特性，以及執行效率方面要求，采集儀軟件部分采用工程中較流行的VC++6.0來實現。程序的運行流程如圖3所示。

圖3 采集儀運行流程

當程序運行后，采集儀首先會讀取XML配置文件中的設備信息參數，然后用戶根據測試的需求設置相應的采集控制參數及通道參數，當采集開始后，數據采集模塊的數據緩沖區滿后會發送消息，顯示模塊接到消息后會按相應的顯示模式顯示出數據，然后結果保存模塊按照用戶預定義的方法將結果進行保存。圖4是運行后主界面。

4 結束語

圖4 采集儀運行主界面

本文介紹了一種面向機械參量的通用數據采集儀的設計方案，并分別從數據采集模塊、采集參數模塊、數據顯示模塊及結果保存模塊4個模塊的具體設計闡述了實現采集儀通用性的難點及相應解決方法，最后以振動信號為對象，給出了程序的整體運行流程并用編程工具實現了此方案，驗證了此方案的可行性。經過實踐驗證，本采集儀能夠采集力、位移、振動、轉子速度等多種常見機械參量，人機界面友好，有很好的應用前景。

[1]秦樹人.機械工程測試原理與技術[M].重慶：重慶大學出版社，2002.

[2]潘洪華.可配置的智能儀表數據采集系統設計與實現[D].青島：中國海洋大學，2008.

[3]康育哲.基于框架-插件架構的數據采集系統設計研究[J].科技信息，2009（19）：397-398，510.

[4]曾浩，劉曉健，程永豐.儀器測試技術的發展[J].電腦知識與技術，2009，5（19）：5314-5316.

[5]王國華，孟曉風，趙瑞賢.一種基于開放式系統的儀器互換性實現[J].中國測試技術，2006，32（4）：11-14.

[6]李震.面向模態分析的多通道同步采集與數據處理系統設計[D].重慶：重慶大學，2008.

[7]瞿裕忠，張劍鋒，陳崢，等.XML語言及相關技術綜述[J].計算機工程，2000，26（12）：46-30.

[8]封志明，蔡長韜.基于XML的工藝數據庫設計研究[J].西華大學學報：自然科學版，2007，26（6）：28-31.

[9]郝森，朱戰立.對XML文檔結構樹形表示的研究與實現[J].現代電子技術，2007（18）：83-84，90.