基于LabVIEW的机械工程实验信号处理虚拟仪器系统开发*

宋佳文，杨禄强，罗 鑫，王淑芬，李丰益

（大连大学，辽宁大连 116622）

0 引言

随着虚拟实验仪器的发展，机电测试类实验室是全国各院校教学体系的重要组成部分，在培养学生科学素质、实验技能和创新能力方面具有不可忽视与替代的作用。国内外对虚拟实验系统进行过研究设计。如清华大学的汽车发动机虚拟检测仪器系统、浙江大学的基于网络虚拟现实技术“大学工程化学实验系统VLABS”等。通过完成常见机械参量信号的生成、获取、处理及分析的虚拟仪器系统开发，替代传统信号分析处理过程中的大量物理仪器，实现专业实验室“以实为主，虚实结合”目的。该设计以软件为主，少量硬件设备为辅，开发了机械工程信号处理分析虚拟实验仪器系统。

1 机械工程信号处理虚拟实验仪器系统

以LabVIEW 2017软件开发机械工程实验信号处理实验仪器系统。系统主要由虚拟信号发生器、多通道信号采集及信号发生分析功能VI模块、数学分析子VI信号采集硬件设备组成。实验过程中所需的各种信号的产生方式为信号发生器，如图1所示。仪器的核心部分为软件部分，实现对于常见信号的分析功能设计，如示波器、频谱谐波分析仪在信号处理仪器中的应用等。下面将分别介绍仿真信号产生、信号谐波分析系统。重点介绍用VI虚拟仪器技术构建机械工程信号处理分析虚拟实验仪器系统。

2 仪器系统的信号发生

2.1 信号的产生

信号是由LabVIEW内控件信号函数库产生，提供了大量的波形生成节点小程序控件，库函数-信号处理-波形生成子选板中，波形生成函数控件可以生成不同类型的波形信号可生成组合波形信号。LabVIEW提供了各种设备端口I/O，可通过连接数据采集卡采集实际工程信号，系统滤波算法处理，进而获得需要的信号。下面主要介绍基本函数发生器和信号硬件采集模块设计。

2.1.1 基本函数发生器

基本函数发生器可生成各种的常见的标准波形。常见标准波形信号有正弦波、方波、三角波、锯齿波等，由基本函数发生器来生成[1]，基本函数发生器的端口含义程序框图如图2所示，在其各节点端口接上显示与输入控件即可得到简单的标准波形信号源、信号的直流偏移量。信号类型可选正弦波、方波、三角波、锯齿波，直流波型信号的频率、峰值电压波形初始相位。采样信息包含采样频率和采样点数、相位输出。

图2 基本函数发生器端口定义程序框图

2.1.2 信号硬件采集VI设计

硬件设备有NI公司USB-231数据采集卡，CT5201恒流适配器，CT1010L振动传感器，可采集1～5 000 Hz的信号范围。实际工程信号由传感器捕获，再通过恒流适配器，最后由数据采集卡送入软件系统处理分析。具体架构由LabVIEW的MAX构建虚拟信号通道将采集卡跟设计系统连接，LabVIEW中设计采集程序VI实现实时采集机械工程振动信号分析，并再送入此系统进行实时信息处理。

2.2 虚拟机械信号处理系统

虚拟信号发生器主要用来产生显示正弦波、方波及三角波所有标准波形，也可在控件选板函数-信号处理-波形生成子选板进行机械信号的相关分析，对机械学科当中的信号进行LabVIEW程序开发，开发机械工程信号的虚拟仪器实验仪器方案，节省教育过程中的仪器经费投入，实现Web实验数据、实验仪器共享。虚拟信号发生器前面板如图3所示。

图3 虚拟信号发生器前面板

3 信号的谐波分析

3.1 系统的工作原理

信号虚拟实验仪器系统中信号的获取与采集是以计算机为核心的仪器设备接口技术为主，USB接口的数据采集（DAQ）装置[2]，信号采集传感器组成，传感器的输出电压范围1～5 V，直流电压转化器提供1～10倍的增益。在此平台基础上，调用测试软件来完成某种功能的测试任务，为了增强信号处理虚拟仪器的可交互性和操作性，构成实验用到的某功能的虚拟仪器，对其进行了功能开发，如对采集的数据测试软件进行标定、数据点的显示就构成了一台信号处理实验中的一台数字示波器，如对示波器进行通道的改变，就可构成双通、四通道的数字示波器实验模块。对信号进行FFT变换，就构成一台频谱分析仪[3]。信号分析与处理要求取的特征值，如峰值、真有效值、均值、均方值、方差、标准差以及频谱、相关函数等[3]。如用硬件电路来获取，由于开发难度大、很多功能都不能集成到一个实验仪器，其电路也是复杂昂贵，甚至不易实现，然而用虚拟技术的LabVIEW软件编程来获取是很容易实现的。在处理过程中，对信号进行时域分析、相关分析、二次曲线拟合、微分、积分等信号分析。这些图标有各自对应有关软件子程序，在流程图编辑窗口“function”功能模板上“signal processing”子模板方便调出[4]，供用户编辑流程图使用，选择不同子程序控件模块可搭建不同功能的实验仪器。

3.2 谐波分析原理

对于周期为T=2π/ω0的非正弦电量进行傅里叶级数分解，为了得到采集信号的谐波分析，对其进行谐波分析系统模块的VI拓展，可以对信号发生器产生的信号和传感器采集信号的信号谐波分析、谐波分析除了得到与电网基波频率相同的分量外，还得到一系列大于电网基波频率的分量[5]。以电压U（t）为例，如下所示：

式中：Ansin(nw0t+φn)为第n次谐波；An为第n次谐波的幅值；谐波频率与基波频率的比值n=fn/f1称为谐波次数，其范围一般为2≤n≤40。

求模拟信号连续频谱的一般方法是对信号做傅里叶变换：用数字方法实现傅里叶变换的数学基础是离散傅里叶变换（DFT）。离散傅里叶变换的数学表达式为在数字计算机上实现离散傅里叶变换计算工作量是庞大的，例如当采样数N=1 000时，需要计算400万次实数乘法才能算出DFT的结果。快速傅里叶变换（FFT） 巧妙地解决了这个问题，它极大地提高了频谱分析时的计算效率，减少了机器内存的占用。当N=1 024时，它可以把离散傅里叶变换的计算工作量减少102倍[6]。自功率谱函数用FFT求出时域信号的自功率谱。谐波分析函数在这个基础上给出各种谐波的频率和幅值，并按下式给出总的谐波失真（%TDH）：

式中：A1为基波的幅值，An为第n次谐波的幅值，N为总的谐波次数。

3.3 谐波分析系统设计

对信号输出电压进行谐波分析时，采用LabVIEW软件的谐波分析函数。该VI可对输入信号进行完整的谐波分析，包括测定基波和谐波，返回基波频率和所有的谐波幅值电平，以及总的谐波失真[7]。谐波分析的基本方法有傅里叶变换、离散傅里叶变换、快速傅里叶变换等，其具体公式及用法不做介绍。可在系统程序中直接调用，它们位于后面板控件面板信号处理—变换。

图4 谐波分析系统操作界面

信号差分的本质就是抑制仪器实验信号中的低频和提升高频成分的优点，得到所需的检测信号。图4（a）所示为差分信号的频谱分析，更好实现信号传递控制，图4（b）为采集到的实际齿轮箱轴承的震动信号，通过采集卡等端口设备接入计算机进行相关零部件工作参数的实际分析，从而得到轴承的磨损情况。为了对信号进行相关分析，在系统的谐波分析系统中对信号进行变换，如图4（a）所示信号频谱中低频分量难以观察到，且高频分量相对于图4（b）实际中的高频分量明显增强了。利用虚拟仪器界面友好拓展性强的特点，接入测量及配置软件、测试硬件和接口，得到了差分信号的尺度波动函数曲线图，差分信号的尺度波动函数曲线近似为常数，这点很好地依靠于设定的尺度区间，与图中给出的高频分量和尺度波动函数之间关系保持了一致性[8]，以及与给出的信号频率与转折点处尺度之间关系的分析结论也吻合。

4 结束语

通过LabVIEW开发的机械信号虚拟仪器实验系统，在实现传统实验仪器功能的基础上，对其功能进行了扩展，仪器加入了数学分析功能、数据的Excel、输入数据与理论公式的二次曲线拟合功能，对实验数据进行可靠度的判断，用Lab-VIEW借助嵌入式技术与网络化虚拟仪器技术，建立与Lab-VIEW的网络通信。进行Web信号虚拟实验仪器、数据共享，增加了仪器的可操作性和用户的可交互性，对机械信号的抽象理论知识通过波形的形式展现，让学生和相关测试人员掌握机械工程测试的原理和方法以及虚拟仪器技术在测量控制中的实用性。由于虚拟实验仪器基本不受实验时间，实验地点限制，仅需1台装有实验信号处理虚拟仪器系统的电脑，少量甚至不需要其他辅助实验仪器，例如数据采集卡等等，就可以进行实验。极大地节省了高校进行实验的时间、空间以及经费等成本。因此研发功能强大全面的虚拟实验仪器系统是很有必要的。