面向机械参量的通用数据采集仪的设计

张国垒，汤宝平，戴功伟

（重庆大学机械工程学院，重庆 400030）

0 引 言

在机械工程测试中，需要经常对一些常见的机械参量进行采集与分析实验，如力、位移、振动及转速等。这些参量的频率范围跨度大，信号特征具有多样性和复杂性[1]，此类信号的数据采集仪不仅需要设计多种显示模式去表达信号的各个特征，还常常需要兼容多种数据采集卡并支持设置多种采样方式。目前工程中应用的大多数此类采集仪只是面向特定范围内的测量对象，测试其余对象时就不得不购买另一套采集软件，用户面临的不仅是成本的增加，有时还有操作风格和数据格式的改变，同时增加了对测试管理的难度[2-3]。而能采集多种机械参量的通用型数据采集仪并不多见，比利时LMS公司的SCADAS系列数据采集系统功能强大，且界面友好，但价格十分昂贵；因此，开发一套有自主产权的能测试多种机械参量的通用数据采集仪有着重要意义。

1 总体设计

基于面向对象的思想，采用模块化的设计方法，可将整个数据采集仪分为数据采集模块、采集参数模块、数据显示模块及结果保存模块4个模块。每个模块功能虽然不同，但在设计中都要考虑如何体现对机械参量的通用性，如数据采集模块负责与采集卡交互并获取原始数据，需要能够读采集各种机械参量，考虑到采集卡的专用性，就需支持采集卡的可互换性。具体每个模块的设计技术路线如图1所示。

图1 采集仪的构成模块及其设计技术路线

2 模块详细设计

2.1 数据采集模块

2.1.1 采集卡互换性的实现

数据采集模块负责读取数据采集卡采集到的数据供后续显示和保存。工程中每种类型的数据采集卡通常是面向特定的测试对象，如NI 9234是面向振动噪声的采集卡，而NI 9227则是电流的获取模块，固定的数据采集卡难以实现多种机械参量的测量要求。而数据采集仪的数据获取需要采集卡驱动程序的支持，一旦采集卡的型号发生变化，则相应的驱动程序也要改变，数据采集仪将不能正常运行。为了实现采集卡的互换性，本采集仪借鉴现在较流行的仪器互换方案IVI标准的思想，通过设计仪器类驱动来解决这一问题，但只有相对较少的硬件开发商支持IVI驱动器标准[4-5]。因此，本采集仪的设计采用了一个折中的方法，仪器类驱动程序不完全是一组与具体设备无关的函数，当更换采集卡时需要在仪器类驱动程序中根据采集卡的具体控制特性做相应的修改，但其与采集仪的接口保持不变。采集仪在工作过程中调用的是采集卡类驱动程序，采集卡类驱动程序再通过不同的具体采集卡驱动程序来操作具体的采集卡，所以当更换采集卡后，只需修改配置文件中的信息和采集卡类驱动程序接口的具体实现，使程序的具体控制对象称指向新的采集卡和其驱动程序，而采集仪本身不需要做任何修改。

2.1.2 低频采集处理

为了能正确采集多种类型的机械参量，不仅仅采集仪要独立于硬件，还要用合适的方式去采集和处理采集到的数据。机械参量中有些是频率较低的信号，此时采集仪需要用较低的采样率去采集机械参量，低采样率也许会超出采集卡所支持的采集频率范围，同时由于采集频率的降低，信号信息量将较少，精度也难以提高。因此，为了拓展和利用采集卡的带宽，以及提高被采集信号的精度，本采集仪采用算术平均滤波算法去处理数据，即用原始采样率的N倍频高频去采集此信号，然后对每N个点进行算术平均，将采集数据还原为低频采集信号。此处的N与信号类型有关，如压力一般N取4，流量一般取12。

2.1.3 高低频显示处理

采样模块将采集的数据放在固定大小的缓冲区中，将缓冲区填满后采集模块会发消息给显示模块，让其将数据显示给测试者。实际工作中，在采集机械参量信号时，测试者会根据测试对象以及使用者感兴趣的频率范围及参量信号的特征，设置相应的采集频率，可能为几十赫兹也可能为几十千赫兹。如果对所有的采集频率都采用当采集缓冲区满后便发出消息以显示数据的方法，则在采样频率过高时会造成系统负荷过大，产生掉点等问题，而低频时可能很长时间都没有将缓冲区采集满，使得对信号的实时性示波就不能很好地满足[6]。本采集仪采取频率分段处理的方法，将用户输入的采集频率自动分为高中低3个频段，通过在高频时抽样发送消息、在低频时滚动发送消息、中频时正常发送消息的方法，以求达到最好的显示效果。

2.2 采集参数模块

采集参数模块管理着采集过程中所使用参数以及采集数据结果，它是一个公共数据区，是整个采集仪软件的核心对象，其他的模块各有分工，但都和采集参数模块进行数据交互。其内容包括3部分，分别是设备信息参数、采集控制参数及通道配置参数。其中设备信息参数的设计是为了让采集仪兼容各种数据采集卡；采集控制参数中包括了各种采样方式，为采集多种机械参量提供支持；通道配置参数中的转换系数可适用于多种类型的传感器。3部分的具体设计如下：

2.2.1 设备信息参数的设计

不同采集卡的硬件参数不相同，主要体现在采集频率范围及通道数目等方面。为了能使采集仪应用于多种采集卡，采集参数模块中需要包含采集卡的设备参数信息。设备信息参数用于描述采集卡的特征，主要包括通道数目、采样率范围、采样精度等内容，为了提高采集仪的独立性，把和设备相关的参数放在可方便查看和编辑的XML配置文件中[7-9]。当采集卡更换时，用户需要在XML配置文件中做相应的修改。

2.2.2 采集控制参数的设计

用于控制采集过程这类参数本文称为采集控制参数，主要包括采样频率、采样方式、采样长度及信号形式等内容，其中采集方式支持定长采样、循环采样、手动采样、多次触发采样及转速采样等采集机械参量过程中所常用的方式。

2.2.3 通道配置参数的设计

通道配置参数主要是测点描述、工程单位、转换系数k及转换系数b、放大倍数等内容。其中转换系数k和b的设计是为了完成对常用传感器的标定。将放大倍数用A代替，则它们遵循：

式中：y——被测量的真实物理值；

x——采集的原始电压数据。

此通用公式能适用于大多线性度较好的传感器，即使有的传感器在其整个量程范围内的线性度较差，也可将此公式用于传感器量程的某一段区间内。设计好的采集仪运行后，采集控制参数与通道参数配置对话框如图2所示。

图2 采集控制参数与通道参数设置对话框

2.3 数据显示模块

将采集的数据以适当的形式显示给用户是数据采集仪表达数据的重要形式之一，为了从多个方面表达具有不同特征的机械参量信号，不仅需要具有丰富的显示模式以及不同的模式间方便的切换，还要能够自动适应被测对象的量程及方便体贴的用户交互功能。

2.3.1 多种显示模式的设计

包括波形图、XY图、直方图，而根据图中构成元素的不同，又分为线性图、点状图和柱状图，不同的显示模式之间可方便地进行切换。波形图应用最广，通常X轴为时间，Y轴为测试数据；有时为了描述2组数据的某种关系，需要1组数据沿X轴显示，另一组数据沿Y轴显示，这时将需要用到XY图显示模式；而直方图显示在科学统计、工业实时监控等领域中有着广泛的应用。有用户可根据信号的特征选择合适的显示模式。

2.3.2 自适应量程的设计

在实际测量工作中，当初次测试某被测对象时，常常由于不知其数据的大小范围而不能正确的设置数据的量程范围，以致很难观察到数据的完整波形。本采集仪在数据显示之前，通过对显示数据的分析后可将显示量程自动调节到合适的大小，以适应不同的数据，完整显示出数据的波形。

2.3.3 用户交互功能的设计

充分利用计算机的计算资源和操作系统的GDI性能，可以用软件实现丰富的显示交互功能。具体包括缩放、光标读数、对数和线性坐标切换、显示区域各个对象及背景颜色的设置等。通过交互，用户可以更加细致地观察数据。

2.4 结果保存模块

由于不同的测试者对数据的保存格式和方式要求也不同，结果保存模块被设计为用动态链接库实现，提供一个保存函数接口供采集仪主程序调用，而此函数接口的具体实现交付给测试者。测试者不仅可以按照想要的格式保存或按照某种算法加密数据，还可以按照想要的方式进行保存，如文件、数据库或通过网络发送到远程服务器。

3 采集仪的实现

振动参量是一般机械运行时必有的信号，其中包含了机械设备运行过程中的大量信息。本文以振动信号为采集对象，阐述采集仪的具体实现过程。

采集卡选择工程中常用的NI 9234振动噪声采集模块，其最大采样频率可达51.2kHz，24位采样精度，能够满足大多场合下的振动采集要求。

相应的设备信息参数配置XML文件内容如下所示：

考虑到其面向对象的特性，以及执行效率方面要求，采集仪软件部分采用工程中较流行的VC++6.0来实现。程序的运行流程如图3所示。

图3 采集仪运行流程

当程序运行后，采集仪首先会读取XML配置文件中的设备信息参数，然后用户根据测试的需求设置相应的采集控制参数及通道参数，当采集开始后，数据采集模块的数据缓冲区满后会发送消息，显示模块接到消息后会按相应的显示模式显示出数据，然后结果保存模块按照用户预定义的方法将结果进行保存。图4是运行后主界面。

4 结束语

图4 采集仪运行主界面

本文介绍了一种面向机械参量的通用数据采集仪的设计方案，并分别从数据采集模块、采集参数模块、数据显示模块及结果保存模块4个模块的具体设计阐述了实现采集仪通用性的难点及相应解决方法，最后以振动信号为对象，给出了程序的整体运行流程并用编程工具实现了此方案，验证了此方案的可行性。经过实践验证，本采集仪能够采集力、位移、振动、转子速度等多种常见机械参量，人机界面友好，有很好的应用前景。

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