張國壘，湯寶平，戴功偉

（重慶大學機械工程學院，重慶 400030）

0 引 言

在機械工程測試中，需要經(jīng)常對一些常見的機械參量進行采集與分析實驗，如力、位移、振動及轉(zhuǎn)速等。這些參量的頻率范圍跨度大，信號特征具有多樣性和復雜性[1]，此類信號的數(shù)據(jù)采集儀不僅需要設計多種顯示模式去表達信號的各個特征，還常常需要兼容多種數(shù)據(jù)采集卡并支持設置多種采樣方式。目前工程中應用的大多數(shù)此類采集儀只是面向特定范圍內(nèi)的測量對象，測試其余對象時就不得不購買另一套采集軟件，用戶面臨的不僅是成本的增加，有時還有操作風格和數(shù)據(jù)格式的改變，同時增加了對測試管理的難度[2-3]。而能采集多種機械參量的通用型數(shù)據(jù)采集儀并不多見，比利時LMS公司的SCADAS系列數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能強大，且界面友好，但價格十分昂貴；因此，開發(fā)一套有自主產(chǎn)權(quán)的能測試多種機械參量的通用數(shù)據(jù)采集儀有著重要意義。

1 總體設計

基于面向?qū)ο蟮乃枷?，采用模塊化的設計方法，可將整個數(shù)據(jù)采集儀分為數(shù)據(jù)采集模塊、采集參數(shù)模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊及結(jié)果保存模塊4個模塊。每個模塊功能雖然不同，但在設計中都要考慮如何體現(xiàn)對機械參量的通用性，如數(shù)據(jù)采集模塊負責與采集卡交互并獲取原始數(shù)據(jù)，需要能夠讀采集各種機械參量，考慮到采集卡的專用性，就需支持采集卡的可互換性。具體每個模塊的設計技術路線如圖1所示。

圖1 采集儀的構(gòu)成模塊及其設計技術路線

2 模塊詳細設計

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

2.1.1 采集卡互換性的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集模塊負責讀取數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)供后續(xù)顯示和保存。工程中每種類型的數(shù)據(jù)采集卡通常是面向特定的測試對象，如NI 9234是面向振動噪聲的采集卡，而NI 9227則是電流的獲取模塊，固定的數(shù)據(jù)采集卡難以實現(xiàn)多種機械參量的測量要求。而數(shù)據(jù)采集儀的數(shù)據(jù)獲取需要采集卡驅(qū)動程序的支持，一旦采集卡的型號發(fā)生變化，則相應的驅(qū)動程序也要改變，數(shù)據(jù)采集儀將不能正常運行。為了實現(xiàn)采集卡的互換性，本采集儀借鑒現(xiàn)在較流行的儀器互換方案IVI標準的思想，通過設計儀器類驅(qū)動來解決這一問題，但只有相對較少的硬件開發(fā)商支持IVI驅(qū)動器標準[4-5]。因此，本采集儀的設計采用了一個折中的方法，儀器類驅(qū)動程序不完全是一組與具體設備無關的函數(shù)，當更換采集卡時需要在儀器類驅(qū)動程序中根據(jù)采集卡的具體控制特性做相應的修改，但其與采集儀的接口保持不變。采集儀在工作過程中調(diào)用的是采集卡類驅(qū)動程序，采集卡類驅(qū)動程序再通過不同的具體采集卡驅(qū)動程序來操作具體的采集卡，所以當更換采集卡后，只需修改配置文件中的信息和采集卡類驅(qū)動程序接口的具體實現(xiàn)，使程序的具體控制對象稱指向新的采集卡和其驅(qū)動程序，而采集儀本身不需要做任何修改。

2.1.2 低頻采集處理

為了能正確采集多種類型的機械參量，不僅僅采集儀要獨立于硬件，還要用合適的方式去采集和處理采集到的數(shù)據(jù)。機械參量中有些是頻率較低的信號，此時采集儀需要用較低的采樣率去采集機械參量，低采樣率也許會超出采集卡所支持的采集頻率范圍，同時由于采集頻率的降低，信號信息量將較少，精度也難以提高。因此，為了拓展和利用采集卡的帶寬，以及提高被采集信號的精度，本采集儀采用算術平均濾波算法去處理數(shù)據(jù)，即用原始采樣率的N倍頻高頻去采集此信號，然后對每N個點進行算術平均，將采集數(shù)據(jù)還原為低頻采集信號。此處的N與信號類型有關，如壓力一般N取4，流量一般取12。

2.1.3 高低頻顯示處理

采樣模塊將采集的數(shù)據(jù)放在固定大小的緩沖區(qū)中，將緩沖區(qū)填滿后采集模塊會發(fā)消息給顯示模塊，讓其將數(shù)據(jù)顯示給測試者。實際工作中，在采集機械參量信號時，測試者會根據(jù)測試對象以及使用者感興趣的頻率范圍及參量信號的特征，設置相應的采集頻率，可能為幾十赫茲也可能為幾十千赫茲。如果對所有的采集頻率都采用當采集緩沖區(qū)滿后便發(fā)出消息以顯示數(shù)據(jù)的方法，則在采樣頻率過高時會造成系統(tǒng)負荷過大，產(chǎn)生掉點等問題，而低頻時可能很長時間都沒有將緩沖區(qū)采集滿，使得對信號的實時性示波就不能很好地滿足[6]。本采集儀采取頻率分段處理的方法，將用戶輸入的采集頻率自動分為高中低3個頻段，通過在高頻時抽樣發(fā)送消息、在低頻時滾動發(fā)送消息、中頻時正常發(fā)送消息的方法，以求達到最好的顯示效果。

2.2 采集參數(shù)模塊

采集參數(shù)模塊管理著采集過程中所使用參數(shù)以及采集數(shù)據(jù)結(jié)果，它是一個公共數(shù)據(jù)區(qū)，是整個采集儀軟件的核心對象，其他的模塊各有分工，但都和采集參數(shù)模塊進行數(shù)據(jù)交互。其內(nèi)容包括3部分，分別是設備信息參數(shù)、采集控制參數(shù)及通道配置參數(shù)。其中設備信息參數(shù)的設計是為了讓采集儀兼容各種數(shù)據(jù)采集卡；采集控制參數(shù)中包括了各種采樣方式，為采集多種機械參量提供支持；通道配置參數(shù)中的轉(zhuǎn)換系數(shù)可適用于多種類型的傳感器。3部分的具體設計如下：

2.2.1 設備信息參數(shù)的設計

不同采集卡的硬件參數(shù)不相同，主要體現(xiàn)在采集頻率范圍及通道數(shù)目等方面。為了能使采集儀應用于多種采集卡，采集參數(shù)模塊中需要包含采集卡的設備參數(shù)信息。設備信息參數(shù)用于描述采集卡的特征，主要包括通道數(shù)目、采樣率范圍、采樣精度等內(nèi)容，為了提高采集儀的獨立性，把和設備相關的參數(shù)放在可方便查看和編輯的XML配置文件中[7-9]。當采集卡更換時，用戶需要在XML配置文件中做相應的修改。

2.2.2 采集控制參數(shù)的設計

用于控制采集過程這類參數(shù)本文稱為采集控制參數(shù)，主要包括采樣頻率、采樣方式、采樣長度及信號形式等內(nèi)容，其中采集方式支持定長采樣、循環(huán)采樣、手動采樣、多次觸發(fā)采樣及轉(zhuǎn)速采樣等采集機械參量過程中所常用的方式。

2.2.3 通道配置參數(shù)的設計

通道配置參數(shù)主要是測點描述、工程單位、轉(zhuǎn)換系數(shù)k及轉(zhuǎn)換系數(shù)b、放大倍數(shù)等內(nèi)容。其中轉(zhuǎn)換系數(shù)k和b的設計是為了完成對常用傳感器的標定。將放大倍數(shù)用A代替，則它們遵循：

式中：y——被測量的真實物理值；

x——采集的原始電壓數(shù)據(jù)。

此通用公式能適用于大多線性度較好的傳感器，即使有的傳感器在其整個量程范圍內(nèi)的線性度較差，也可將此公式用于傳感器量程的某一段區(qū)間內(nèi)。設計好的采集儀運行后，采集控制參數(shù)與通道參數(shù)配置對話框如圖2所示。

圖2 采集控制參數(shù)與通道參數(shù)設置對話框

2.3 數(shù)據(jù)顯示模塊

將采集的數(shù)據(jù)以適當?shù)男问斤@示給用戶是數(shù)據(jù)采集儀表達數(shù)據(jù)的重要形式之一，為了從多個方面表達具有不同特征的機械參量信號，不僅需要具有豐富的顯示模式以及不同的模式間方便的切換，還要能夠自動適應被測對象的量程及方便體貼的用戶交互功能。

2.3.1 多種顯示模式的設計

包括波形圖、XY圖、直方圖，而根據(jù)圖中構(gòu)成元素的不同，又分為線性圖、點狀圖和柱狀圖，不同的顯示模式之間可方便地進行切換。波形圖應用最廣，通常X軸為時間，Y軸為測試數(shù)據(jù)；有時為了描述2組數(shù)據(jù)的某種關系，需要1組數(shù)據(jù)沿X軸顯示，另一組數(shù)據(jù)沿Y軸顯示，這時將需要用到XY圖顯示模式；而直方圖顯示在科學統(tǒng)計、工業(yè)實時監(jiān)控等領域中有著廣泛的應用。有用戶可根據(jù)信號的特征選擇合適的顯示模式。

2.3.2 自適應量程的設計

在實際測量工作中，當初次測試某被測對象時，常常由于不知其數(shù)據(jù)的大小范圍而不能正確的設置數(shù)據(jù)的量程范圍，以致很難觀察到數(shù)據(jù)的完整波形。本采集儀在數(shù)據(jù)顯示之前，通過對顯示數(shù)據(jù)的分析后可將顯示量程自動調(diào)節(jié)到合適的大小，以適應不同的數(shù)據(jù)，完整顯示出數(shù)據(jù)的波形。

2.3.3 用戶交互功能的設計

充分利用計算機的計算資源和操作系統(tǒng)的GDI性能，可以用軟件實現(xiàn)豐富的顯示交互功能。具體包括縮放、光標讀數(shù)、對數(shù)和線性坐標切換、顯示區(qū)域各個對象及背景顏色的設置等。通過交互，用戶可以更加細致地觀察數(shù)據(jù)。

2.4 結(jié)果保存模塊

由于不同的測試者對數(shù)據(jù)的保存格式和方式要求也不同，結(jié)果保存模塊被設計為用動態(tài)鏈接庫實現(xiàn)，提供一個保存函數(shù)接口供采集儀主程序調(diào)用，而此函數(shù)接口的具體實現(xiàn)交付給測試者。測試者不僅可以按照想要的格式保存或按照某種算法加密數(shù)據(jù)，還可以按照想要的方式進行保存，如文件、數(shù)據(jù)庫或通過網(wǎng)絡發(fā)送到遠程服務器。

3 采集儀的實現(xiàn)

振動參量是一般機械運行時必有的信號，其中包含了機械設備運行過程中的大量信息。本文以振動信號為采集對象，闡述采集儀的具體實現(xiàn)過程。

采集卡選擇工程中常用的NI 9234振動噪聲采集模塊，其最大采樣頻率可達51.2kHz，24位采樣精度，能夠滿足大多場合下的振動采集要求。

相應的設備信息參數(shù)配置XML文件內(nèi)容如下所示：

考慮到其面向?qū)ο蟮奶匦?，以及?zhí)行效率方面要求，采集儀軟件部分采用工程中較流行的VC++6.0來實現(xiàn)。程序的運行流程如圖3所示。

圖3 采集儀運行流程

當程序運行后，采集儀首先會讀取XML配置文件中的設備信息參數(shù)，然后用戶根據(jù)測試的需求設置相應的采集控制參數(shù)及通道參數(shù)，當采集開始后，數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)滿后會發(fā)送消息，顯示模塊接到消息后會按相應的顯示模式顯示出數(shù)據(jù)，然后結(jié)果保存模塊按照用戶預定義的方法將結(jié)果進行保存。圖4是運行后主界面。

4 結(jié)束語

圖4 采集儀運行主界面

本文介紹了一種面向機械參量的通用數(shù)據(jù)采集儀的設計方案，并分別從數(shù)據(jù)采集模塊、采集參數(shù)模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊及結(jié)果保存模塊4個模塊的具體設計闡述了實現(xiàn)采集儀通用性的難點及相應解決方法，最后以振動信號為對象，給出了程序的整體運行流程并用編程工具實現(xiàn)了此方案，驗證了此方案的可行性。經(jīng)過實踐驗證，本采集儀能夠采集力、位移、振動、轉(zhuǎn)子速度等多種常見機械參量，人機界面友好，有很好的應用前景。

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