基于LabVIEW的機械工程實驗信號處理虛擬儀器系統開發*

宋佳文，楊祿強，羅 鑫，王淑芬，李豐益

（大連大學，遼寧大連 116622）

0 引言

隨著虛擬實驗儀器的發展，機電測試類實驗室是全國各院校教學體系的重要組成部分，在培養學生科學素質、實驗技能和創新能力方面具有不可忽視與替代的作用。國內外對虛擬實驗系統進行過研究設計。如清華大學的汽車發動機虛擬檢測儀器系統、浙江大學的基于網絡虛擬現實技術“大學工程化學實驗系統VLABS”等。通過完成常見機械參量信號的生成、獲取、處理及分析的虛擬儀器系統開發，替代傳統信號分析處理過程中的大量物理儀器，實現專業實驗室“以實為主，虛實結合”目的。該設計以軟件為主，少量硬件設備為輔，開發了機械工程信號處理分析虛擬實驗儀器系統。

1 機械工程信號處理虛擬實驗儀器系統

以LabVIEW 2017軟件開發機械工程實驗信號處理實驗儀器系統。系統主要由虛擬信號發生器、多通道信號采集及信號發生分析功能VI模塊、數學分析子VI信號采集硬件設備組成。實驗過程中所需的各種信號的產生方式為信號發生器，如圖1所示。儀器的核心部分為軟件部分，實現對于常見信號的分析功能設計，如示波器、頻譜諧波分析儀在信號處理儀器中的應用等。下面將分別介紹仿真信號產生、信號諧波分析系統。重點介紹用VI虛擬儀器技術構建機械工程信號處理分析虛擬實驗儀器系統。

2 儀器系統的信號發生

2.1 信號的產生

信號是由LabVIEW內控件信號函數庫產生，提供了大量的波形生成節點小程序控件，庫函數-信號處理-波形生成子選板中，波形生成函數控件可以生成不同類型的波形信號可生成組合波形信號。LabVIEW提供了各種設備端口I/O，可通過連接數據采集卡采集實際工程信號，系統濾波算法處理，進而獲得需要的信號。下面主要介紹基本函數發生器和信號硬件采集模塊設計。

2.1.1 基本函數發生器

基本函數發生器可生成各種的常見的標準波形。常見標準波形信號有正弦波、方波、三角波、鋸齒波等，由基本函數發生器來生成[1]，基本函數發生器的端口含義程序框圖如圖2所示，在其各節點端口接上顯示與輸入控件即可得到簡單的標準波形信號源、信號的直流偏移量。信號類型可選正弦波、方波、三角波、鋸齒波，直流波型信號的頻率、峰值電壓波形初始相位。采樣信息包含采樣頻率和采樣點數、相位輸出。

圖2 基本函數發生器端口定義程序框圖

2.1.2 信號硬件采集VI設計

硬件設備有NI公司USB-231數據采集卡，CT5201恒流適配器，CT1010L振動傳感器，可采集1～5 000 Hz的信號范圍。實際工程信號由傳感器捕獲，再通過恒流適配器，最后由數據采集卡送入軟件系統處理分析。具體架構由LabVIEW的MAX構建虛擬信號通道將采集卡跟設計系統連接，LabVIEW中設計采集程序VI實現實時采集機械工程振動信號分析，并再送入此系統進行實時信息處理。

2.2 虛擬機械信號處理系統

虛擬信號發生器主要用來產生顯示正弦波、方波及三角波所有標準波形，也可在控件選板函數-信號處理-波形生成子選板進行機械信號的相關分析，對機械學科當中的信號進行LabVIEW程序開發，開發機械工程信號的虛擬儀器實驗儀器方案，節省教育過程中的儀器經費投入，實現Web實驗數據、實驗儀器共享。虛擬信號發生器前面板如圖3所示。

圖3 虛擬信號發生器前面板

3 信號的諧波分析

3.1 系統的工作原理

信號虛擬實驗儀器系統中信號的獲取與采集是以計算機為核心的儀器設備接口技術為主，USB接口的數據采集（DAQ）裝置[2]，信號采集傳感器組成，傳感器的輸出電壓范圍1～5 V，直流電壓轉化器提供1～10倍的增益。在此平臺基礎上，調用測試軟件來完成某種功能的測試任務，為了增強信號處理虛擬儀器的可交互性和操作性，構成實驗用到的某功能的虛擬儀器，對其進行了功能開發，如對采集的數據測試軟件進行標定、數據點的顯示就構成了一臺信號處理實驗中的一臺數字示波器，如對示波器進行通道的改變，就可構成雙通、四通道的數字示波器實驗模塊。對信號進行FFT變換，就構成一臺頻譜分析儀[3]。信號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、標準差以及頻譜、相關函數等[3]。如用硬件電路來獲取，由于開發難度大、很多功能都不能集成到一個實驗儀器，其電路也是復雜昂貴，甚至不易實現，然而用虛擬技術的LabVIEW軟件編程來獲取是很容易實現的。在處理過程中，對信號進行時域分析、相關分析、二次曲線擬合、微分、積分等信號分析。這些圖標有各自對應有關軟件子程序，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驗儀器。

3.2 諧波分析原理

對于周期為T=2π/ω0的非正弦電量進行傅里葉級數分解，為了得到采集信號的諧波分析，對其進行諧波分析系統模塊的VI拓展，可以對信號發生器產生的信號和傳感器采集信號的信號諧波分析、諧波分析除了得到與電網基波頻率相同的分量外，還得到一系列大于電網基波頻率的分量[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，其范圍一般為2≤n≤40。

求模擬信號連續頻譜的一般方法是對信號做傅里葉變換：用數字方法實現傅里葉變換的數學基礎是離散傅里葉變換（DFT）。離散傅里葉變換的數學表達式為在數字計算機上實現離散傅里葉變換計算工作量是龐大的，例如當采樣數N=1 000時，需要計算400萬次實數乘法才能算出DFT的結果。快速傅里葉變換（FFT） 巧妙地解決了這個問題，它極大地提高了頻譜分析時的計算效率，減少了機器內存的占用。當N=1 024時，它可以把離散傅里葉變換的計算工作量減少102倍[6]。自功率譜函數用FFT求出時域信號的自功率譜。諧波分析函數在這個基礎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。

3.3 諧波分析系統設計

對信號輸出電壓進行諧波分析時，采用LabVIEW軟件的諧波分析函數。該VI可對輸入信號進行完整的諧波分析，包括測定基波和諧波，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。可在系統程序中直接調用，它們位于后面板控件面板信號處理—變換。

圖4 諧波分析系統操作界面

信號差分的本質就是抑制儀器實驗信號中的低頻和提升高頻成分的優點，得到所需的檢測信號。圖4（a）所示為差分信號的頻譜分析，更好實現信號傳遞控制，圖4（b）為采集到的實際齒輪箱軸承的震動信號，通過采集卡等端口設備接入計算機進行相關零部件工作參數的實際分析，從而得到軸承的磨損情況。為了對信號進行相關分析，在系統的諧波分析系統中對信號進行變換，如圖4（a）所示信號頻譜中低頻分量難以觀察到，且高頻分量相對于圖4（b）實際中的高頻分量明顯增強了。利用虛擬儀器界面友好拓展性強的特點，接入測量及配置軟件、測試硬件和接口，得到了差分信號的尺度波動函數曲線圖，差分信號的尺度波動函數曲線近似為常數，這點很好地依靠于設定的尺度區間，與圖中給出的高頻分量和尺度波動函數之間關系保持了一致性[8]，以及與給出的信號頻率與轉折點處尺度之間關系的分析結論也吻合。

4 結束語

通過LabVIEW開發的機械信號虛擬儀器實驗系統，在實現傳統實驗儀器功能的基礎上，對其功能進行了擴展，儀器加入了數學分析功能、數據的Excel、輸入數據與理論公式的二次曲線擬合功能，對實驗數據進行可靠度的判斷，用Lab-VIEW借助嵌入式技術與網絡化虛擬儀器技術，建立與Lab-VIEW的網絡通信。進行Web信號虛擬實驗儀器、數據共享，增加了儀器的可操作性和用戶的可交互性，對機械信號的抽象理論知識通過波形的形式展現，讓學生和相關測試人員掌握機械工程測試的原理和方法以及虛擬儀器技術在測量控制中的實用性。由于虛擬實驗儀器基本不受實驗時間，實驗地點限制，僅需1臺裝有實驗信號處理虛擬儀器系統的電腦，少量甚至不需要其他輔助實驗儀器，例如數據采集卡等等，就可以進行實驗。極大地節省了高校進行實驗的時間、空間以及經費等成本。因此研發功能強大全面的虛擬實驗儀器系統是很有必要的。