基于研华PCI-1711采集卡的振动信号采集系统

武汉理工大学汽车工程学院 周 帅

0 前言

凡是有机械存在的地方，一般都有振动，机械结构振动是造成工业机械故障的主要原因之一，严重时直接影响其寿命。对工程机械进行有效准确的振动测试和分析，是对其进行故障诊断的重要依据[1]，同时还能够实现实时监测设备的运行状态等功能，在现代工业中应用比较广泛。机械振动频率有时很高，根据采样定理则，需要较高的采样频率，才能够实现振动信号的准确测试，本文着重介绍一种使用研华PCI-1711数据采集卡、北戴河研究所SD14T02型信号调理器及工控机构成硬件平台，利用多通道中断采集方式（MADINT）实现数据高速采集的振动信号采集系统，使用图形化编程软件LabVIEW8.6开发系统软件程序，使用TDMS文件格式对数据进行存储，经实际应用，能够满足一般机械振动测试要求。

1 振动信号采集系统介绍

系统整体结构如图1所示，其中信号调理模块采用北戴河实用电子技术研究所SD14T02型信号调理器，配合该所SD14N14内装电路压电加速度传感器进行振动参数的检测与信号调理；数据采集模块采用研华PCI1711数据采集卡对传感器信号进行高速数据采集。数据采集卡通过PCI接口接入研华工控机，构成测试系统的硬件平台，上位机使用虚拟仪器程序开发工具LabVIEW8.6进行软件开发。该系统能够实现对测试系统机械部件的振动参数测试、显示、存储及分析，结构简单，安装方便。系统主要技术指标如表1。

图1 系统整体结构

表1 系统主要技术指标

2 硬件系统设计

2.1 加速度传感器

压电式加速度传感器使用压电材料作为转换元件，其输出的电压或电荷大小与所测的振动加速度大小成正比，具有量程大、准确度和灵敏度高、工作可靠性好的优点，是目前振动测试系统最常选用的传感器。本系统选用的北戴河实用电子技术研究所的SD1414压电加速度传感器，灵敏度为10mV/(m/s2)。传感器前端开有安装螺纹孔，用于安装磁性或其它固定件，可以吸附于被测部件，该传感器结构先进，性能稳定，环境性能好，使用寿命长，安装方便。

2.2 动态信号调理器

压电式传感器输出的电信号是很微弱的电信号，其本身又有很大的内阻，输出的能量甚微[2]，因此需要对信号进行调理，SD14T02型信号调理器是一种具有双积分功能的测量仪器，与SD1414压电加速度传感器配合，可以组成理想的振动测量系统，从而实现振动的加速度、速度、位移等物理量的测量。功能齐全、可靠、用途广泛。仪器的面板如图2、3，前面板下端标有“输入”字样的为输入插座，是与传感器电缆线插头联接的端口，通过该插座可以向内装电路加速度传感器提供恒流源；后面板包含加速度、速度及位移输出插座，可同时输出加速度、位移及速度信号，但开启电源后需要预热15min才能进行测试。

图2 仪器前面板

图3 仪器后面板

2.3 数据采集卡

采用研华公司的PCI-1711多功能数据采集卡,符合PCI规格Rev2.1标准，支持即插即用。该卡具有16位单端模拟量输入，12位A/D转换器，每个通道的增益均可编程，同时提供了FIFO（先入先出）存储器，可存储1KA/ D采样值，该卡采样速率最高可达100KHz，能够满足一般振动测试系统的数据高速采集需要，是一款功能强大的低成本多功能PCI总线数据采集卡。

2.4 系统硬件连接

压电加速度传感器通过自带信号输入线与信号调理器前面板输入连接，信号调理器自带3根带Q9插头的输出线，输出线一端接信号调理器后面板速度、加速度及位移输出，由于PCI-1711仅支持单端模拟量输入，不支持差分输入，同时为浮动信号源提供一个参考地，因此输出线另一端利用Q9（BNC）接头引接2根导线分别接数据采集卡外接板卡输入端口及参考地端口，如图4所示。数据采集卡插入工控机空闲PCI插槽中。

图4 信号源联接示意图

3 软件系统设计

测试系统的软件结构如图5，程序主要包括数据采集程序、显示存储程序以及处理程序3部分数据采集程序实现对传感器信号的高速采集，显示存储程序将采集的振动参数数据进行直观的波形显示并将数据完整保存，数据处理程序实现对采集信号的频域、时域分析。使用图形化虚拟仪器编程工具Lab VIEW8.6进行编程，LabVIEW是一种业界领先的工业标准图形化编程工具，主要用于开发测试、测量与控制系统。它是专门为工程师和科学家而设计的直观图形化编程语言[2]。

该系统采用了研华公司的PCI-1711数据采集卡，数据卡驱动程序中已经封装了LabVIEW编程工具包，同时带有大量的例程供用户使用参考，因此编程时只需要直接调用相关子VI或者对例程进行修改即可。该采集卡支持采集方式主要有软件触发模拟量采集(MADSOFT)、单通道中断模拟量采集 (ADINT)及多通道中断模拟量(MADINT)采集等。软件触发模式采集速度较慢，单通道中断方式仅适用于单个传感器联接，扩展性不强，因此为保证振动参数的准确检测，实现数据的高速采集，程序采用多通道中断模拟量采集方式编程,由于数据的存储速度小于数据采集速度，这样产生了冲突，为解决这一问题，利用LabVIEW中的队列技术将高速采集的数据由采集程序内部传递至存储及显示程序模块中，运行原理如图6。

图6 队列技术实现

队列输出的数据类型为二维数组，利用数组索引将数组每一行数据导出，即为对应端口采样数据。基于队列技术的数据采集程序如图7。

图7 基于队列技术的数据采集程序

图8 采集参数设置框

欲使采集程序满足测试要求，需要正确设置采集参数，多通道高速数据采集参数设置框如图8，其中，TrigSrc：触发方式设置为Internal内部触发时即使用PCI-1711自带82C54或与其兼容的定时器/计数器芯片触发A/D转换，联接有外部触发源时，可设置为External。

外部触发模式使用外部触发源触发A/D转换。

Count：每次采集A/D转换数目，必须设置为NumChans的整数倍，同时还必须是FIFO大小的整数倍。

SampleRate：采样频率；

NumChans：设置从起始开始往后要扫描的通道数目，StarChan：设置要扫描的起始通道号；

CydicMode：设置循环模式。

FIFOSize：设置是否使用FIFO,不使用时设置为1,即每采集一次便产生中断请求，使用FIFO时必须设置为FIFO大小一半，即FIFO半满时产生中断请求。

GainList：设置相应通道增益。

对于采样率根据实际情况可进行调整，有时由于采集程序占用CPU资源较大，采样率较高时达不到采样要求，可以通过增大Count值减少CPU使用率，提高采集数据处理速度。如果对实时显示没有太高的要求，一般使用缓冲器FIFO,即设置FIFOSize值为512，NumChans设置为16，StarChan设置为0通道，即对每个通道都进行检测，便于测试设备扩展。

高速数据采集特点是采集速度快，数据量巨大，对数据的存储速度要求较高，否则会出现采集“失真”现象，直接影响测试系统准确性及可靠性，多通道采集情况下数据也不易管理。LabVIEW8.6中的高速数据采集流文件（TDMS）文件对原有TDM文件进行了改进，TDMStreaming文件属性定义的接口简单，读写速度更快，对文件属性值可作为参数输入，便于数据管理及回放，因此采用TDMS文件格式对数据进行存储，同时数据处理后期利用转换工具将TDMS转为Excel格式进行转存，满足报表需要。

振动参数采集存储完成后即可对其进行相应处理，频谱识别是最常用和最有效的机械维护及故障检测方法，在旋转机械上85%以上的故障都可以用频谱识别出来[4]，频域分析也是数字信号处理最常用的方法，采用快速傅里叶变换（FFT）将时域信号转换为频域信号，计算信号的频谱，通过频谱分析信号的频率组成成分，为机械设备故障分析或测试系统去干扰提供依据。LabVIEW提供了附加工具包（SVT）应用于声音与振动信号处理，程序中利用LabVIEW内部集成的频率分析函数将时域信号转换为频域信号，通常LabVIEW中Graph控件的横轴坐标是采样点点数，为使X轴坐标为频率，通过调用控件属性节点动态设置控件缩放系数，具体设置步骤如下，

（1）缩放系数=fs/N。

（2）X轴最小值=0。

（3）X轴最大值=fs/2。

其中fs为采样率，N为采样点数。目前机械振动谱图中频率计算及读谱的计算工作大多采用计算机技术应用相应的频率计算及读谱软件来完成，如MATLAB[3]。LabVIEW中提供了完善的MATLAB接口，程序开发过程中通过相应接口实现与MATLAB的兼容，大大提高了测试软件的性能。

测试环境对测试系统总是存在干扰，本测试系统主要的干扰来自电磁干扰，所有的电磁干扰都是有3个基本要素组合而产生的，它们是:干扰源、耦合途径、敏感设备[5]。分析本系统存在的干扰源有外界干扰、工控机板卡间的电磁干扰以及电源不稳定造成的噪声干扰，当被测试单位含有类似变频器、大功率电机等元件时，会产生很大的噪声，导致数据失真。因此采集的信号必须进行滤波，具体的滤波方式需要经过多次试验进行选择，本测试系统一般采用的双重滤波，由于被测频率比较高，先进行高通滤波器，滤掉板卡间电磁干扰产生的噪声，然后利用中值滤波器滤掉变频器等设备产生的噪声，对于不同测试环境，用户可以自行选择滤波方式如小波去噪对原始数据进行滤波。

4 结束语

该测试系统硬件结构简单、安装方便，适用于各种机械振动参数的测试，软件平台通用性及扩展性较强，测试系统软件程序中的数据采集、存储、显示程序进行模块封装后可在不同的测试系统中调用。同时LabVIEW8.6中数字信号处理工具中封装了信号处理所需的大部分功能函数，因此只需要进行简单编程即可实现信号的各种处理要求，在实际应用中，其稳定性及可靠性也得到了很好的验证。

[1]徐福祥,李庆文等.基于LabVIEW的工程机械振动测试与分析系统.仪器仪表与分析监测,2008(1),25-27.

[2]陈锡辉,张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通.

[3]陈扬,陈荣娟,郭颖辉,等.MATLAB6.X图形编程与图像处理[M].西安：西安电子科技大学出版社.2002.

[4]张思.振动测试与分析技术[M].北京：清华大学出版社，2002：45.

[5]俞云强.微机测控系统的抗干扰技术.微计算机信息(测控自动化),2004,20(11):18-19.

[6]杨宗凯.小波去噪及其在信号检测中的应用.华中理工大学学报,1997,25(2):1-4.