基于GPIB模拟故障信号的自动采集与定位

高 健 邓 峥 张保平 戴路红 陈毅煌

[摘 要]本文利用AFG310任意函数信号发生器的随机软件Wavewriter编写模拟故障信号,由GPIB下载到AFG310任意函数信号发生器中,接着依靠Sony Tektronix TDS210存储式数字示波器对信号数字化,再凭借GPIB总线由计算机在Matlab环境下完成采集、调制函数信号,最后用Matlab对采集到的信号进行小波分析,从而实现对故障信号的自动诊断与定位。

[关键词]可编程波形发生器 Wave writer GPIB 小波分析

[中图分类号]TN[文献标识码]A [文章编号]1007-9416(2009)12-0014-03

Diagnose and Orient malfunction Based on GPIB

GAO Jian,DENG Zheng,Zhang BaoPing, DAI Luhong,CHEN Yihuang

(Department of Electronic Science and Engineering Nanjing University,Nanjing 210093,China)

[Abstract] This article will make use of the software Wavewriter provided with arbitrary function generate AFG310 together to programmalfunction signals,and then the signals will be downloaded to AFG310 by GPIB. Afterward,the Sony Tektronix TDS210 digital storage oscillograph will process the signal digitally. Finally,the computer running on Matlab environment achieves data acquisition and modulation, then wecan use wavelet analysis to diagnose and orient malfunction signals.

[Key words] diagnose and orient malfunction signals; GPIB; Matlab; wavelet analysis

1 引言

GPIB是一种智能化仪器接口,可以作为桥梁把一系列仪器设备和计算机联系起来,形成大规模系统,被广泛用于自动测量和智能控制等多个方面。自80年代以来推出的各种新型电子测量仪器,都几乎无一例外的配备了GPIB接口,提供了对其进行编程控制和组成自动测量系统的可能性[1]。

我校受世行贷款项目资助引进了如任意函数信号发生器Sony Tektronix AFG310,示波器TDS210,GPIB卡等一批用于教研的先进仪器,但在教学和科研活动中对仪器的使用提出了更高的要求,基于此,本文在充分研究基于GPIB的可编程及自动化测量的思想基础上提出了以下方案来实现基于GPIB的故障信号诊断与定位,作为任意波形发生器AFG310功能拓展的一个例子。首先通过GPIB实现Sony Tektronix AFG310和计算机的互联,由随机软件Wavewriter在计算机上对故障信号进行产生,处理和下载,再通过示波器对信号数字化,最后由GPIB总线将信号返回给计算机,通过Matlab进行小波分析实现故障信号的诊断和定位。

2 故障信号产生、采集和分析方案

方案如图(1)所示

2.1 GPIB

GPIB(General Purpose Interface Bus)被称为通用接口总线,是一个24脚的通用并行总线,包括8条数据线,5条控制线,3条握手线和8条地线。GPIB使用8位并列,字节串行异步通讯方式,数据一般采用ACSⅡ码字符串方式传送,可连接15个或更多的设备进行通信,采用IEEE488标准[2]。

GPIB一般设有控者、讲者和听者三种角色,控者用来控制总线,保证通信的畅通和准确。讲者用来产生发送数据,而听者则负责接受数据。同一个设备可以在不同时刻作为不同的角色存在。在这里GPIB卡被设置成控者,当计算机与任意波形发生器AFG310通信时计算机被设置成讲者,AFG310被设置成听者。但是当计算机与示波器TDS210通信时计算机被设置成听者,TDS210被设置成讲者。

2.2 任意函数信号发生器AFG310(Arbitrary Function Generator AFG310)

Sony Tektronix AFG310是同时具有任意波形编辑功能和标准波形发生器功能的便携式函数信号发生器[4],支持正弦波,方波,三角波,锯齿波,脉冲,直流和噪声7种标准函数波形,最大输出频率16MHz,50Ω阻抗浮点输出,具有4个用户波形储存器,20个设置存储器,可选择连续、触发和脉冲三种操作模式,拥有扫频函数,频率调制(FM),频移键控(FSK)和幅度调制(AM)4种调制函数,并配备有标准GPIB接口,支持三个GPIB构建设置:说/听,联接DOS和脱离总线,通过GPIB接口可以实现计算机的远程控制[3]。

2.3 Wavewriter

wavewriter是和Sony Tektronix AFG310配套的随机软件,具有强大的信号产生和编辑功能。Wavewriter界面如图(2)所示。

在Wavewriter中,通过Create选项下的相关子菜单下可以直接调用正弦波,三角波,冲击函数和方波四种基本数学函数信号,并可在软件中根据需要设置和修改函数信号的频率、幅度、占空比,直流分量等相关参数,也可以直接书写数学函数表达式,再通过Wavewriter生成与所写表达式相对应的函数信号,Wavewriter支持对数,指数,绝对值,random,正弦余弦正切余切,正割余割,双曲等基本数学函数。由replace选项可以随时修改现有波形的属性。通过SigProc选项下相关子菜单可以在函数信号之间进行加减乘除等基本数学运算,从而生成更加复杂的函数信号。当函数信号特别复杂甚至不可以用基本数学函数表示时,还可以通过Draw选项下的相关子菜单进行手工绘制。通过Edit选项下相关的子菜单能够完成对已有任意函数信号的基本编辑,包括剪切、复制、粘贴、删除和在任意位置插入等。图(2)中的两根竖线为marker,用于选择和定位,Wavewriter可以专门对任意函数信号在marker内的部分进行单独编辑而不影响marker外的部分,再结合Wavewriter的局部放大功能就能够对任意函数信号进行非常细致的局部观察和处理。

总之,在Wavewriter上进行一些基本操作就可以很方便的得到所需要的信号,再利用Transfer下的send选项就可以通过GPIB进行信号的下载。

3 GPIB的地址设置

系统连接需要在各个仪器和程序中分配GPIB地址。一个地址只能归一个设备所使用。GPIB的地址设置范围为0-30,其中规定控者的地址为0,其它的地址可以任意分配给听者和讲者,按以下步骤对各仪器分配GPIB地址:

首先在Sony Tektronix AFG310上设置GPIB地址,按SYSTEM钮选择系统菜单,在液晶显示器的第二行显示系统菜单项和数值或该项的选择,将GPIB ADDRESS设为所需要的地址(比如为1),GPIB CONFIG下选择T/L,将AFG310设置为T/L状态,即将AFG310与其它设备的操作方式设为说/听。

接着对Tektronix TDS210设置GPIB地址,按UTILITY键,在屏幕右侧找到“选件”,按对应的键,找到“GPIB设置”并按对应键,在“地址”中输入地址,并将“总线连接”设置为“讲--听”。

最后在计算机上设置GPIB卡地址,运行GPIB软件CBCONF32,选择GPIB0 Board Options,设置第三项为PCI-GPIB,设置GPIB地址为0,第二GPIB地址设为NONE。这样GPIB卡就被设置成为了控者。

4 数据采集与分析

通过Wavewriter产生所需要的信号,单击Wavewriter系统菜单中的Transfer,选择send,通过GPIB将该信号的数据下载并保存到AFG310中,再通过示波器对函数信号进行数字化,最后我们再次利用GPIB,将任意函数信号从示波器传输到计算机中,通过Matlab软件对信号进行接收。进而借助Matlab的强大分析处理能力对数据进行分析和处理。基于IEEE488.2标准,Matlab中的 Instrument Control Toolbox提供了对GPIB总线的支持,支持二进制和文本(ASCII)数据,利用该工具箱的gpib等相关函数可以建立GPIB对象,通过对GPIB对象的读写操作实现Matlab与GPIB设备之间的数据交换。如图(3)所示是通过Matlab采集的故障信号。

当信号比较复杂是多个频率信号的叠加时,单单依靠时域图像是很难判断是否出现了故障,这时可以将信号进行多尺度分解,在不同的频率级上进行观察判断。我们采用了小波分析的方法。小波分析具有多分辨率分析的特点,是一种时间窗和频率窗都可改变的时频局部化分析方法,对信号有自适应性,被广泛用于信号处理和故障诊断和监控等领域。所以我们利用小波分解将信号进行分解和重构来进行故障信号诊断和定位[4]。

故障信号诊断与定位是一个检测突变点(或不连续点)的问题,首先对信号进行多尺度分析,在信号出现突变时,其小波变换后的系数具有模量极大值,因而可以通过对模量极大值点的检测来确定故障发生的时间点,实现定位。

我们使用matlab中的wavedec函数对该信号进行db3小波的6尺度分解,分别提取第六层从低频到高频7个频率成份对应的小波分解系数,然后使用wrcoef函数对一维小波分解系数进行单支重构,得到各频带范围内的信号,结果如图(4)所示。

从图(4)中的小波分解的层系数可以明显看出,在t=500之前的某时刻系统出现了异常情况,在t=1000之前某时刻,系统工作又恢复了正常。具体时间通过实际数据得到。可以看出小波分析在检测信号突变点(奇异点)上具有傅立叶变换无法比拟的优越性,利用小波分析可以精确地实现故障信号的诊断和定位。

5 结语

通过利用GPIB,实现软硬件结合,可以完成对故障信号的诊断和定位,具有一定的应用价值和背景,可以更好地适应实际应用和平常教学科研的需要。从依靠Wavewriter产生任意函数信号到GPIB下载和传输再到Matlab进行故障信号诊断与定位,没有经过任何中间环节,全部都是自动化实现,实现了一种自动化和智能化相结合的动态系统故障信号诊断与定位。

[参考文献]

[1] 罗德扬.GPIB接口通用总线初探——用微机扩充现有设备功能的尝试,昆明理工大学学报,1996年21卷第4期115-121页.

[2] 陈溯.用GPIB接口编程控制泰克数字示波器,微电子学与计算机,1998年第5期,17-19页.

[3] 泰克电子(中国)有限公司产品资料.

[4] 胡昌华.基于MATLAB的系统分析与设计——小波分析西安电子科技大学出版社.

[项目资助]

本文使用的仪器受世行贷款项目资助.