基于PXI總線的振動信號測試系統研究與設計

張丹+王玉玨

【摘要】 工程技術領域中，振動信號的測試、處理以及分析是非常重要的組成部分。隨著電子科學技術的高速發展，測試儀器也在迅速發展，代替傳統儀器的虛擬儀器，正在逐漸成為測試領域的發展方向，采用虛擬儀器實現振動測試與分析也成為了振動測試的發展趨勢。本課題研究開發的振動測試系統是基于PXI數據采集卡和LabVIEW作為開發平臺來完成系統的設計。

【關鍵詞】 振動信號 虛擬儀器 PXI總線 LabVIEW

一、測試系統總體方案設計

本課題設計的測試系統選擇PXI總線作為整個系統的硬件采集平臺和LabVIEW作為系統的開發軟件。系統的構成方案如圖1所示。

根據上述的系統設計方案，通過利用加速度傳感器對振動信號的加速度信號進行采集，然后將調理過的信號輸送給PXI數據采集卡實現數據的采集，使用LabVIEW虛擬儀器開發平臺，根據設計的軟件處理模塊，可以實現對振動信號進行信號的預處理，包括信號采樣、零均值化、消除趨勢項、平滑處理；信號的時域分析；信號的頻域分析；信號的積分這些分析與處理功能。

二、硬件設計

2.1 加速度傳感器

傳感器（Sensor）作為一種檢測裝置，它不但能感受到被測量的信息，還能將感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出 [1]。

由于本課題研究的是振動信號的測試，所以選取的是加速度傳感器，它是利用了加速度傳感器可以拾取設備的振動加速度信號，并且通過積分的方式，在一定的頻率范圍內，可以由加速度測得速度信號或位移信號[2]。

2.2 PXI的總線

PXI（PCI eXtensions for Instrument）總線是PCIfalse總線在儀器領域的擴展，它是在1997年，由NI公司推出的一種全新的開放式、模塊化儀器總線規范，它將CompactPCI（堅固PCI）規范定義的PCI（Peripheral Component Interconnect，外部組件互聯）總線技術擴展為適合于測量、試驗以及數據采集場合的電氣、機械和軟件規范[3]。

要組建一個PXI的總線測試系統，需要根據測試系統的測試類型、測試環境、測試要求等去選擇相應的數據采集卡、PXIe-PCIe轉換卡、接線盒和機箱。

PXI硬件配置過程為，首先將選取的數據采集卡PXIe—6356和PXIe8361模塊安裝到NI PXIe-1073機箱相對應的插槽中，然后將PCIe8361模塊安裝到控制主計算機的對應插槽中，最后用高性能屏蔽電纜連接PXIe—6356和PCIe8361模塊，構成PXI總線的硬件平臺。

三、軟件設計

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實驗室虛擬儀器集成環境）作為一種圖形化的編程語言（又稱G語言），它是由美國NI公司推出的虛擬儀器開發平臺，是現在發展速度最快、功能性最強、應用最廣泛的圖形化軟件集成開發環境[5]。

LabVIEW作為一款虛擬儀器設計平臺的軟件，它的函數模塊包括了所有傳統儀器的測試內容。振動信號的處理，其實就是從實際測量的振動信號中提取、放大所需的信息，消弱干擾和過濾掉非必要的信息的過程。振動加速度信號處理的常用的方法是：通過數學方法，首先對振動信號進行預處理，濾除掉雜亂的振動趨勢項，并進行平滑處理來去除毛刺；來獲取振動加速度信號的時域、頻域、相關性特征等；接下來對振動加速度信號進行濾波、加窗、積分處理，來獲取振動速度信號；由于積分產生新的趨勢項，對速度信號需要再次進行趨勢項消除，繼而可獲取速度信號相關特征；然后對算得的速度信號再次進行積分，最終得到位移信號。

四、系統測試與結果分析

構建的測試平臺包括提供振動源的電機電路，加速度傳感器的工作電路，振動信號的調理電路；接線盒NI SCB-68A、數據采集卡NI PXLe-6356、機箱NI PXIe-1073、PXIe-PCIe8361轉接模塊和68針高性能屏蔽電纜；以及實驗所需的測量儀器，如數字示波器、函數信號發生器、萬用表、直流電源等，外加主控計算機。

現對課題中測試系統采集到的振動信號進行分析。測試系統的振動源是由電機來提供的，此電機的額定轉速是3000轉/分鐘，則頻率應該在50Hz左右。那么利用論文中設計的振動信號采集模塊，采集到的振動加速度信號的時域和頻域圖如圖2所示。

通過對比圖2中的波形圖分析可知：在振動加速度時域波 形圖中無法直接得到信號的頻率信息，而通過觀察振動加速度頻域波形圖，可發現主頻在48Hz左右。該測試結果在允許誤差5%范圍以內，則說明設計的測試模塊準確性和數據處理方案的可行性。

現對振動信號積分處理，經處理后得到的積分后的速度和位移波形如圖3所示。

五、結論

本課題的任務是基于PXI總線對振動信號測試系統研究與設計，通過設計加速度信號采集硬件系統，PXI數據采集系統，最后使用LabVIEW軟件編寫處理模塊，最后得到振動信號分析的結果。這種設計方案具有良好的擴展性和較高的性價比，且易于開發和維護，更適合現代社會的機械化工業生產，提高了經濟效益。

參 考 文 獻

[1] 欒桂冬、張金鐸、金歡陽.傳感器及其應用（第二版） [M]. 西安：西安電子科技大學出版社，2012.

[2] 陳福森，高坤江.振動加速度信號處理探討[J].城市建設理論研究：電子版，2013（36）：50-52.

[3] 張重雄.虛擬儀器技術分析與設計（第2版） [M].北京：電子工業出版社，2012.

[4] NATIONAL INSTRUMENTS. NI PXI White Papers[J].2016.

[5] 張重雄.現代測試技術與系統（第2版） [M].北京：電子工業出版社，2014.