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会员注册摘要 介绍一种以虚拟仪器形式开发的状态监刚与故障诊断系统，该系统是在LabVIEVX工作平台上设计的。PC机和数据采集卡(USB2002)的数据传输是通过通用串行总线(USB)实现的。介绍了系统的软硬件的具体设计过程。进行的系统功能测试，证明该系统在分析结果和可靠性方面明显优于传统仪器，在旋转机械状态监测与故障诊断方面具有较高的使用价值。
虚拟仪器(VI)是随着计算机技术、现代测量技术发展而姜展起来的新型高科技产品，代表着当今仪器发展的新方向。虚拟仪器的概念是由美国国家仪器(National Instruments，简称NI公司首先提出，是在通用计算机平台上，用户根据自己的需求球定义和设计测试功能的仪器系统，体现出了“软件就是仪器，仪器就是软件”的观点。与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化F3度、处理能力、性能价格比、可操作性等方面都有明显的技术伏势。虚拟仪器最核心的技术是软件的开发[1]。
一、系统的构成
该系统是由硬件平台和应用软件两大部分构成，硬件是系统的骨架，软件是系统的灵魂，硬件在软件的支配下实现如下九种功能模块：信号发生模块，信号采集模块，数据存储与读取模块，时域分析模块，频谱分析模块，模态分析模块，动平衡模块，故障诊断和开停机曲线模块。
硬件平台采用的是PC一DAQ系统(以数据采集卡、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统)，其中PC是硬件的核心，数据采集卡是北京阿尔泰公司生产的USB2002外置数据采集卡。此外，系统还配备了一个输出为24V和5V恒压源，为传感器提供必要的电压和电流。硬件结构如图1所示。
二、系统软科的设计
开发虚拟仪器必须有合适的软件工具。目前的虚拍仪器软件开发工具有如下两种。一种是文本式编程语言，如Visual C++、 Visual Basic等;另一种是图形化编程语言，如IabVIEW、HPVEE等。本系统设计所涉及的是IabVIEW虚拟仪器编程语言。系统软件有应用程序和UO接口仪器驱动程序两部分。应用程序包含两个方面功能的程序，即实现虚拟面板功能的软件程序和定义测试功能的流程图软件程序;I/0接口仪器驱动程序完成特定外部硬件设备的扩展、驱动和通信，该部分程序是由采集卡自带的，在具体编程时只需调用即可。
1.LabVIEW简介
实验室虚拟仪器工作平台(Laboratory Virtual Instrument Engi-neering Workbench，IabVIEW)是美国NI公司(National InstrumentCompany)推出的一种基于G语言(Graphics Language，图形化编程语言)的虚拟仪器软件开发工具。用LabVIEW设计的虚拟仪器可以脱离LabVIEV开发环境，用户最终看到的是和实际硬件仪器相似的操作面板，同时LabVIEW还为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境。设计者利用它可以像搭积木一样，轻松组建一个测量系统以及构造自己的仪器面板，而无需进行任何烦琐的程序代码的编写[2]。
2.系统功能模块的前面板设计
功能模块的前面板就是系统的操作界面。信号发生模块、时域分析模块、频谱分析模块、模态分析模块、故障诊断模块和开停机曲线模块之间的切换是通过旋钮实现的。信号采集模块、数据存储与读取模块和动平衡模块的选择与否是通过布尔控件真假的切换来实现的。在故障诊断模块中调用了MATLAB的神经网络工具箱。在时域分析模块、频谱分析模块和模态分析模块的前面板上设置了两个Waveform Graph控件显示波形。上面的Waveform Graph用来显示实际采集到的振动信号，下面的Waveform Graph用来显示该信号进行了相应的变化之后的结果，具体进行哪种变化是通过操作前面板上的布尔控件来实现的。在LabVIEW中Waveform Graph有很强图形显示功能，通过Plot Legend可以实现线型、颜色、数据点的表示方法等的选择，这样就可以在同一个Graph上以不同的颜色和线型同时显示多路信号。通过Cursor Legend的游标功能可以实现对数据点的读数功能，用户可以从波形图上获得一些峰值点的幅值、相位以及它们对应的频率等的直观信息。通过Graph Palette可以实现图形的整体移动，在波形显示区域内波形局部的横向、纵向缩放和波形的整体缩放，这样用户就可以对感兴趣的波形段进行细微的观察[3]。整个系统的操作界面如图2所示。
dfgsdfget45768@3245ERTIUI#$%#^*^SDFSDHFJ 3.系统功能模块流程的设计
仪器流程的设计是根据仪器的功能要求，利用Lab VIEW开发平台所提供的子模板，确定程序的流程图、主要处理算法和所实现的技术方法。不同的处理算法，就有不同的虚拟仪器。
每个功能模块的流程图都大致相同，如图3所示，流程的最外层是循环结构(While Structure)，While循环有两个固定的端口。循环端口IteraticTerminal是一个输出端口，它输出循环当前执行的次数。循环数是从0开始计数的。条件端口Conditional Termini是一个布尔量输人端口，它是循环的控制条件。因为不同的分析功能要对应不同的处理程序，所以在While结和内部选用了选择结构(Case Structure)，使得每一个分析功能对应Case结构的一个分支，具体选择哪一个分支结构是通过前面板相应的布尔控件来控制的。由于IabVIEW的运行机制振多线程并行运行的，如果直接利用布尔控件作为Case结构的判断条件，运行中每次循环都要对所有的布尔控件进行判断之后才能确定程序的分支流程，所需时间较长，运行速度较慢。为了提高运行速度，这里对其进行改进。如图3所示，将同一功能模块的布尔控件组成一个布尔数组，然后利用数组值为真的Index作为Case结构的判断条件。这样运行速度比改进之前明显加快。由于每一个分支流程中的程序都有执行的先后，所以又在case结构中套用了顺序结构(Sequence Stricture)，把最先要执行的程序放到0层，其余的程序以此类推，并且每一层的时间间隔可由时钟控件控制[4]。
每个模块的具体功能算法各不相同，但是其编写代码的操作过程很类似，都是由While结构实现程序的连续运行，Case结构内部实现各种功能算法的编写。具体实现哪种功能是通过布尔数组的下标值来控制的。这里以频谱分析功能模块中的频谱校正子VI为例来说明其算法的实现。
由于FFT和其他谱分析只能在有限的区间内进行，这就不可避免的存在由于时域截断产生的能量泄漏，使谱峰值变小，精度降低。此外本系统还需要较高精度的转速值来进行动平衡的计算和开停机曲线的绘制，因此，需要对频域的信号进行频谱校正。
频谱校正的基本原理是相位差校正原理，即对原始单频率成分信号采连续两段样本，并且对这两段信号加相同的窗函数进行离散傅立叶变换得到调整归一化后的频率。校正量简化表达式为[5]：
其中θk2、θk1为两段信号进行FFT之后的相角。
三、系统功能测试
各模块前面板和流程图编制完成之后，并通过USB将外部硬件数据采集卡USB2002与PC机连接起来，到此整个系统的编制就已完成。经实际测试，该系统运行正常，各个功能模块均能实现预期功能，分析结果准确、可靠。生成一个频率为12Hz、幅值为2、相位角为-30°混有均匀白噪声的正弦信号，经过频谱分析模块中的频谱校正子VI后，其运行结果如图5所示。理论上混有均匀白噪声的正弦信号经过FFT，之后在其基频处出现一条幅值为原信号幅值的单根谱线，其余为幅值很小的毛刺，从图中看实际值和理论值很接近，并且经过频谱校正之后频率、幅值和相位信息都更加准确。
四、结论
本系统是以虚拟仪器的形式开发的，克服了传统仪器开发费用高、性价比低、技术更新慢、仪器功能较单一只能由厂家设定等缺点，并且是基于USB接口完成数据采集的，以笔记本电脑为平台，发挥WINDOWS系统多任务的特点，测试分析准确，携带方便，界面友好，操作简单，便于维护，适合现场需要等优点，在软件中采用面向对象的程序方法，建立了合理的程序结构，封装了信号处理的基本程序库，便于系统功能的扩展。
参考文献
1 李青霞，任众烯.虚拟仪器综述[J].现代科学仪器.1999(4)：10一12
2 刘君华，郭会军等.基于L3bVIEA的虚拟仪器设计[M].北京：电子工业出版社，2003:1一10
3 杨乐平，李海涛等.IabVIEW高级程序设计[M].北京：清华大学出版社，2003:233一356
4 石博强，赵德永等.IabVIEW6. 1编程技术使用教程[M].北京：中国铁道出版社，2002:75一100
5 罗江凯，丁康.在IabVIEW中实现频谱校正[J] .汕头大学学报，2001(1):1一7