（机械电子工程专业论文）数控标牌打印机状态监测与分析系统研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 数控标牌打印机是钢铁厂的重要配套设备，在生产过程中要求能够长期稳定 工作。但在实际运行过程中，数控标牌打印机由于各种原因会出现运行异常，发 展到一定程度将严重影响设备的功能，从而降低工厂的生产效率。本文将虚拟仪 器技术与信号的时频分析技术相结合用于数控标牌打印机的振动状态监测，建立 了数控标牌打印机状态监测系统。 介绍了振动测试技术及状态监测与故障诊断技术的国内外研究现状，论述了 用于振动信号分析的常用方法，重点讨论了非平稳信号分析的方法。通过分析比 较并结合在线监测和诊断的需要，选择短时傅立叶变换作为数控标牌打印机振动 信号的分析方法，并在实验中选择了合适的窗函数、窗口宽度等参数。最后通过 实验，验证了该方法的可行性。 研究了基于数据采集卡的虚拟仪器技术，建立了数控标牌打印机振动状态监 测系统。该系统硬件平台由传感器、电荷放大器、数据采集卡及计算机组成。系 统软件程序由图形化编程语言l a b v i e w 编制，并按模块化设计，保证了良好的独 立性和集成性。重点完成了系统设置模块、数据采集存储模块、数据分析模块的 设计。该系统实现了数控标牌打印机故障的在线诊断。 本文的研究工作对提高数控标牌打印机的设备管理水平具有十分重要的意 义，为数控标牌打印机的维修管理从定期维修发展到以状态监测为基础的预防维 修提供了技术手段。 关键字：数控标牌打印机，虚拟仪器，状态监测，时频分析，短时傅立叶变 换 山东大学硕士学位论文 a b s tr a c t n u m e r i c a lc o n t r o lp l a t ep r i n t e ri so n eo ft h ei m p o r t a n ta n c i l l a r ye q u i p m e n t si n s t e e lp l a n t s ，w h i c hi s r e q u i r e dt ow o r ks t a b l yf o ral o n gt e r mi nt h ep r o c e s so f p r o d u c t i o n b u t ，i nf a c t ，t h er u n n i n gs t a t u so ft h i se q u i p m e n tw o u l db ea b n o r m a lu n d e r s o m ec i r c u m s t a n c e i ft h ea b n o r m a ls t a t u sd e v e l o p st oac e r t a i ne x t e n t ，i tw i l la f f e c tt h e f u n c t i o no ft h ee q u i p m e n tb a d l y , c o n s e q u e n t l yr e d u c et h ee f f i c i e n c yo ft h ep r o d u c t i o n i nt h i sp a p e r , t h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i q u ec o m b i n e dw i t ht i m e - f r e q u e n c ys i g n a l a n a l y s i si s u s e dt ob u i l dak i n do fv i b r a n tc o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mo nt h e n u m e r i c a lc o n t r o lp l a t ep r i n t e r t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c ha c t u a l i t yo ft h ev i b r a n tt e s t i n gt e c h n i q u ea n dt h e t e c h n i q u eo fc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s ，d i s c u s s e st h ec o m m o nm e t h o d u s e dt ov i b r a t i o ns i g n a la n a l y s i s ，a n de s p e c i a l l yf o c u s e so nn o n - s t a t i o n a r ys i g n a l a n a l y s i sm e t h o d s a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ld e m a n do fo b i n em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i s ， a n dc o m p a r e dw i t ho t h e ra n a l y s i sm e t h o d s ，s t r t ( s h o r t - t i m ef o u r i e rt r a n s f o r m ) m e t h o di su t i l i z e dt oa n a l y z et h ev i b r a n ts i g n a l ，a n dt h ep a r a m e t e r so ft h i sm e t h o d i n c l u d eas u i t a b l ew i n d o wa n dt h ew i n d o wl e n g t ha r ec o n f i r m e d a tl a s t t h et e s t i n g r e s u l tp r o v e st h a tt h i sm e t h o di sf e a s i b l e t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ei m p l e m e n t a t i o no fv i r t u a li n s t r u m e n tb a s e do nd a q c a r d ，a n db u i l dak i n do fv i b r a n tc o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mo nt h en u m e r i c a l c o n t r o lp l a t ep r i n t e r t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h es y s t e mi sc o m p o s e do f $ e u s o r , c h a r g ea m p l i f i e r , d a qc a r da n dc o m p u t e r t h es y s t e ms o f t w a r ep r o g r a mi sd e s i g n e db y m o d u l ei ng r a p h i c a lp r o g r a m m i n gl a n g u a g el a b v w e a c hm o d u l ec a nb ed e v e l o p e d s e p a r a t e l ya n du s e dt of i n i s has u b t a s k ，t h i sm a k e st h es y s t e me a s yt ob er e b u i l t s y s t e m s e t t i n gm o d u l e ，d a t aa c q u i s i t i o na n ds t o r a g em o d u l e ，d a t aa n a l y s i sm o d u l ea r ee s p e c i a l l y d e v e l o p e d t h i ss y s t e mr e a l i z e st h eo n l i n ef a u l td i a g n o s i so nt h en u m e r i c a lc o n t r o l p l a t ep r i n t e r t h e 把s e a r c hw o r ki nt h i sp a p e ri so fg r e a ts i g n i f i c a n c et ot h em a i n t e n a n c e m a n a g e m e n tf o rn u m e r i c a lc o n t r o lp l a t ep r i n t e r a n dw i t ht h eh e l po ft h er e s e a r c h t t 山东大学硕士学位论文 w o r k ，m a i n t e n a n c em a n a g e m e n tf o rn u m e r i c a lc o n t r o lp l a t ep r i n t e rw i l lb ec h a n g e d o v e rf r o mf i x e d t i m em a i n t e n a n c et op r e v e n t a t i v em a i n t e n a n c eb a s e do nc o n d i t i o n m o n i t o r i n g k e yw o r d s ：n u m e r i c a l c o n t r o lp l a t ep r i n t e r , v i r t u a li n s t r u m e n t ，c o n d i t i o n m o n i t o r i n g 。t i m e f r e q u e n c ys i g n a la n a l y s i s ，s n 叩 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：弛生日期：三! ! ! ：三竺 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：绁导师签名： 啤期：趔 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题提出的背景和意义 现代化工业生产的机械设备不断朝高速、连续运转以及结构复杂的方向发展。 在满足生产要求的同时，设备发生故障的潜在可能性和方式也在相应的增加，并 且设备一旦发生故障，就可能破坏整台设备甚至影响整个生产过程，造成巨大的 经济损失【i 】。应用设备状态监测与故障诊断技术对机器设备进行监测和诊断，可以 及时发现机器的故障和预防设备事故的发生，从而避免经济损失。 金属标牌是绝大多数机电产品中不可缺少的重要标志，代表着产品性能、规 格、出厂代号、国家标准、生产日期等重要信息。标牌的内容分为固定不变内容 和动态数据两部分，前者一般印刷在标牌上，后者由于其不固定特性一般不能事 先制作，需要在产品生产线上实时制作。随着生产发展的进步，标牌作为产品的 重要标志，受到了各生产厂家越来越高的重视。目前，我国标牌动态内容的在线 制作正处在由机器制作代替手工制作的快速发展时期。现在广泛用于全国各地的 钢厂、汽车厂的数控标牌打印机就是这类机器的典型代表。它通过计算机编排要 拓印的内容，采用凹凸字模对压形成被打印字体，打印过程实现了全过程的自动 化，极大的提高了工厂的生产效率。在实现高速打印标牌的同时，打印质量的控 制显得尤为重要。一旦质量不符合要求就会对企业造成重大的损失。2 0 0 1 年首都 钢厂就曾因标牌不符合要求，造成上万吨钢材售后返厂的事故，造成重大经济损 失。因此实施数控标牌打印机的运行状态监测对于及时发现机器故障，控制标牌 内容的打印质量，避免企业不必要的经济损失有着重要的意义和广阔的应用前景。 在打印标牌的过程中，由于字符出现的频率有高有低，被击打频率高的字模 比被击打频率低的字模磨损的程度要高，从而造成了不同凹凸字模本身的高度存 在差异。因此数控标牌打印机在使用一段时间以后会出现打印粘牌现象，以至于 生产出不合格产品，甚至标牌机无法工作。标牌机的工作状态必然在振动信号中 有所反映。为此，本论文通过对于数控标牌打印机打印过程中产生的振动信号的 研究，利用虚拟仪器技术，开发研制了基于振动信号的数控标牌打印机振动状态 山东大学硕士学位论文 监测系统。该系统可以为机器的优化设计、合理制造提供需要的数据和信息，同 时有利于制定合理的检测检修制度，延长服役期限和使用寿命，降低设备维护成 本、提高运行的可靠性和有效性，确保标牌的打印质量。 1 2 振动测试技术及其发展 随着科学技术的发展，振动测试技术已成为研究和解决工程中许多动力学问 题不可缺少的手段。机械振动测试技术不仅应用于寻找振源、振动强度和可靠性、 隔振、减震、舒适性等问题分析，近年来又成功应用于重要机械设备的监测和控 制、预报和识别故障等方面，极大地提高了机械设备的效率和可靠性。由于电子 技术和计算机的发展，现在不但能准确地测量各种振动量，而且能精确分析出各 种振动信息和参数。这就解决了长期以来只靠理论无法解决的各种实际问题。测 量信号和动态数据的处理与分析，是设备故障诊断的前提和基础。它们代表了系 统的状态和特征，利用振动信号对故障进行诊断，是设备故障诊断方法中最有效， 也是最常用的方法。 1 2 1 振动测试的原理 振动测量就是检测振动的变化量，将其转换为与之对应的、便于显示和分析 处理的电信号，并从中提出所需的信息。振动测量的方法一般有机械式测量方法、 电测方法和光测方法三类。其中用得最普通、技术最成熟的是电测法。电测法通 常采用测振传感器检测振动的位移、速度和加速度信号并转换为电量，然后用分 析电路或专用仪器来提取振动信号中的强度和频谱信息。如图l - 1 所示 1 2 2 振动信号的预处理 图1 - 1 振动信号采集框图 从传感器得到的信号，有些为电荷量，有些为频率变化量，因此必须经过转 一2 山东大学硕士学位论文 换电路将它们转变为电压信号，然后进行后续处理，这主要由传感器自己的前置 处理器来完成。转换电路根据被转换量的不同，有很多形式，如高频振荡器、电 荷放大器、积分器、电流一电压转换器及频率一电压转换器等。同时输入的信号 有强有弱，还需要放大电路来控制输入到下一级处理的信号的幅度。一般振动信 号的放大由集成运放组成的线性放大器来实现。再者，以一定采样频率采集的振 动信号中包括反映机械设备状态的真实信号和混入的噪声信号。在进行数据处理 时，为提高信噪比，突出被测设备的特征信息，通常要对采样信号进行滤波处理。 滤波从频率范围上说，分为五种滤波，即低通滤波、高通滤波、带通滤波、带阻 滤波和全通滤波闭。 滤波可以分为对连续信号的模拟滤波和对离散信号的数字滤波。模拟信号的 滤波网络可由电阻、电容、电感、晶体管和集成运算放大器等基本电子器件构成。 数字滤波实际上是一个运算过程，这个过程可由硬件构成的数字滤波器来实现， 也可以用计算机来完成。这些电量转换、放大及滤波等电路构成了信号的预处理 电路。 1 2 3 振动信号的分析 振动信号的处理和分析是各种类型信号处理中最复杂的一种，包括时域分析 频域分析和时频分析。数控标牌打印机的振动信号很复杂，其统计特性与时间有 关。用传统的快速傅里叶变换( f f t ) 仅能从频域给出信号的统计平均结果，无法 在时域和频域同时兼顾信号的特征，所以对于这种非平稳信号的分析必须同时进 行时、频分析。随着现代信号处理学科和技术的发展，人们在傅里叶分析的基础 上作了大量研究，提出并发展了一系列新的信号分析理论：短时傅里叶变换、 w i g n e r - v i l l e 分布、小波变换和小波包分析等等【3 l 。新的信号分析理论很快就被应 用到实际的科研工作中去，取得了很好的成果。文献1 4 论述了短时傅立叶变换在水 泵机组振动信号的分析中的应用，详细的探讨了短时傅立叶变换的时间分辨率和 频率分辨率的设定、窗函数的选取问题。文献嘲分析了短时傅立叶变换( s 椰、 w i g n e r - v i l l e 分布( w v d ) 及小波变换( w t ) 等时频分析方法各自的特点，研究了利用 三种方法分别从汽油机缸内压力信号和缸盖上的振动信号中提取爆震特征的可行 3 山东大学硕士学位论文 性和有效性。分析和应用结果表明s t f t 和w v d 能够有效地从滤波后的信号中提 取爆震特征，使用离散小波变换( d w d 提取信号特征有明显的优势。文献1 6 介绍了 短时傅立叶变换，w i g n e r - v i l l e 分布及小波变换等时频分析方法在非平稳机械动态 信号分析中的应用。文献网介绍t d , 波分形技术及其在机械设备非平稳故障诊断中 的应用。 1 2 4 振动测试技术的发展 作为机械振动与分析技术一个重要方面的动态信号分析技术，在各行各业得 到了广泛的应用，尤其是在振动、冲击、噪声工程都得到了突飞猛进的发展，动 态测试技术日新月异，并在科研、教学特别是工业上得到了广泛的应用。着眼未 来，动态测试技术面临着新的挑战和机遇。动态信号分析技术的发展史是技术不 断创新的历史，它经历了三次大的浪潮阐： 第一次浪潮( 1 9 6 7 - 1 9 7 6 ) ：首台f f t 分析仪问世，并成功应用于动态信号分 析和振动实验。 1 9 6 7 年l o 月美国t i m e d a t a 公司研制成功了世界上第一台基于傅立叶变换的 f f t 分析仪。它是动态分析历史上的一大突破，并很快在动态信号分析中获得了 应用。1 9 7 2 年该公司又推出了基于小型计算机p d p i l 的t i m e d a t a l 9 2 3 型f f t 分 析仪。在此期间独立开发出f f t 分析仪的还有美国的n e e o l e t 和s d ( s p e c t r u m d y n a m i c s ) 公司。s d 公司在1 9 6 5 年成功研制出基于跟踪滤波器的传递函数分析 仪。之后于1 9 7 5 年推出了基于f f r 的数字信号处理仪s d 3 6 0 。在第一次浪潮中还 有两项技术发展值得一提：一是h p 公司开发的细化( z o o m ) f f t 技术；一是g e n r a d 公司研制的时序语言( t i m es e r i e sl a n g u a g e ，t s l ) 编程系统。t s l 成为后来包括 模态分析和振动控制在内的信号分析应用的核心。 第二次浪潮( 1 9 7 7 - 1 9 8 6 ) ：大批独立仪器式f f t 分析仪涌现，并在振动、冲 击、噪声等工程领域获得广泛应用。 第三次浪潮( 1 9 8 7 - 1 9 9 6 ) ：多通道、高性能动态信号分析系统推出并广泛应 用于航天、航空、汽车、土木等复杂工程结构动态分析与设计，p c 仪器化使动态 信号分析在工业界进一步普及。为满足大型、复杂结构动态测试的需要，以及高 4 山东大学硕士学位论文 性能计算机工作站的出现，使多通道动态信号分析系统应运而生。这类系统的特 点是由模块化“前端”完成数据采集和f f t 等信号分析，通过标准总线与计算机 相连，通过计算机进行测量、控制，以及二次信号处理和进一步分析( 如振动模 态分析) 。而且，在第三次浪潮中，不仅各类型的动态分析仪有了长足的发展，并 在各领域中大显身手，而且在动态信号分析方法上也有了新的突破。 与第三次浪潮同时，由于计算机技术一日千里的发展，用微机进行数字化动 静态测试分析的理想终于成为现实，“虚拟”仪器( v i r t u a li n s t n u n e n t s ) 和卡泰仪器 ( c o m p u t e ra c q u i s i t i o nt e s ti n s t r u m e n t s ) 应运而生，并成为国内外测试技术界和仪器 制造界十分关注的热门话题。虚拟仪器技术的开发和应用的活跃源于1 9 8 6 年美国 n i 公司设计的l a b v i e w ，它是一种基于图形的开发、调试和运行程序的集成化环 境，实现了虚拟仪器的概念。国内于1 9 8 5 年由c o i n v ( 东方振动和噪声技术研究 所) 提出了p c 卡泰口c c a t a d 一微机卡式采集测试分析仪的概念，并推出了 d a s p ( 达世普) 软件( d a t aa c q u i s i t i o n & s i g n a lp r o c e s s i n g ) 。 虚拟技术经过十余年的发展，开始沿着总线与驱动程序的标准化、硬，软件的 模块化，以及编程平台的图形化和硬件的即插即用( p l u g & p l a y ) 化等方向发展。 现在，虚拟仪器在国外已经开始广泛的应用于航天航空、军事工程、电力工程、 机械工程、建筑工程、生物医疗、教学及科研等各种部门的电子测量、振动分析、 声学分析、故障诊断等诸多领域，对科学技术的发展和生产将产生不可估量的影 响。 虚拟仪器作为传统仪器的替代品，市场容量大，具有广阔的发展前景，而我 国的虚拟仪器技术研究基本上还处于刚刚起步阶段，实验室研究、教学仍占较大 的比重，应用深度还很不够。本文将虚拟仪器技术，数字信号处理技术结合起来， 充分利用现代高性能微型计算机的硬件、软件功能，紧随现代测试仪器技术的发 展，组建了基于l a b v i e w 的振动信号状态监测系统。在下一章中，作者详细介绍 了虚拟仪器的概念及特点。 1 3 状态监测与故障诊断技术的现状与发展 设备状态监测与故障诊断技术是一项与现代化工业生产密切相关的技术，其 一5 山东大学硕士学位论文 重点是研究故障诊断及故障预报的理论、方法以及实施技术。机械设备故障诊断 是一个相当复杂的过程，在多数情况下，仅依靠单一的方法往往无法有效地解决 问题，因此，必须从各种相关学科中，广泛探求有利于故障诊断的原理、方法和 手段，这样就使得故障诊断技术呈现多学科交叉融合这一鲜明的特点。该学科的 基础包括：数学、物理、力学、传感器与测试技术、信号处理、电子技术、计算 机科学与技术以及机械、转子动力学、摩擦学等，同时包括了信息科学、人工智 能、和专家系统等边缘学科。 状态监测与故障诊断技术的形成和发展过程，可以大致分为三个阶段：早期 主要是依靠人的感觉( 听觉、触觉、视觉) 来直接进行状态分析，或者利用物理 或化学的原理和手段，通过伴随故障出现的各种物理或化学现象来直接检测故障； 在传感器技术、和测试、处理分析技术进步以后，逐步形成了依靠传统的信号分 析手段来完成监测与诊断的发展阶段；再经过数年的快速发展和学科的深层次交 叉渗透，到今天已经突破了传统的分析方法限制，在大量吸收相关学科知识的基 础上，形成了以现代信号处理理论、软计算、智能化信息处理以及计算机网络应 用为核心的现代故障诊断技术，并产生了许多新的研究热点和前沿【l 】。 通常在设备故障诊断中，设备状态参数的数量浩大，必须找出其中的特征信 息，提取特征量，以便对故障进行诊断。目前，人工智能的方法，如神经网络、 知识系统等已开始应用于状态监测。由于神经网络具有突出的特征提取、模式识 别和模式分类的能力，因此，可以采用神经网络来提取设备状态特征、状态识别 和故障诊断。文献恻介绍了利用柴油机表面振动信号经过小波包提取特征参数，然 后由b p 神经网络进行故障诊断的方法。而基于知识的系统，例如专家系统，具有 知识的综合、推理、判别的能力，因而可用于设备的综合管理、状态评估和系统 的集成。文献n o l 介绍了柴油机故障诊断专家系统的整体框架、诊断知识的表达方 法以及诊断的推理机制，并给出了应用专家系统进行机车柴油机故障诊断的实际 例子。 数控标牌打印机故障诊断的任务是根据状态监测所获得的信息，结合已知的 结构特性和参数以及环境条件，结合该标牌机的运行历史，对可能要发生的或已 经发生的故障进行预报、分析和判断，确定故障的性质、类别、程度、原因、部 6 山东大学硕士学位论文 位，指出故障发生和发展的趋势及其后果，提出控制故障继续发展和消除故障的 调整、维修、治理的对策措施，并加以实施，最终使设备恢复到正常状态。 1 4 本课题主要完成的工作 通过以上对数控标牌打印机的故障问题以及振动测试与故障诊断问题的分 析，我们着手进行标牌机振动状态监测系统的研究与开发，并考虑到与其他相关 监测系统的集成，最后我们确定了本课题的主要工作： ( 1 ) 针对实际情况，对课题进行了分析；对虚拟仪器和图形化编程语言 l a b v i e w 做了介绍。 ( 2 ) 比较非平稳信号的分析方法，并结合实际需要，考虑运算速度与分析分 辨率，寻找适合分析数控标牌打印机振动信号的分析方法。 ( 3 ) 借助计算机这一强大的工具，虚拟仪器具有丰富的功能和数据分析与处 理能力。利用虚拟仪器技术，构建数控标牌打印机的振动状态监测系统。利用 l a b v i e w 编程语言实现振动信息的采集、显示、分析与存储等功能。 ( 4 ) 利用开发的监测系统，分别在数控标牌打印机正常工作的状态下和故障 状态下进行状态监测实验。通过实验，验证了该系统在振动信号分析方面的可行 性。并找出标牌打印机枯牌故障情况下振动信号的特征。 7 山东大学硕士学位论文 第2 章虚拟仪器原理与构成 2 1 虚拟仪器的概念 计算机技术的飞速发展推动了当今测控技术的发展。传统的测控仪器多是以 硬件或固化的软件为主，这已经远远不能满足现代科技发展的需要。随着技术的 进步，人们提出了虚拟仪器的概念。虚拟仪器( v i r t u a l i n s t r u m e n t s ，简称v i ) ，就是 通用计算机加上特定的硬件设备，再加上为实现特定功能而编制的软件而形成的 既有普通仪器的功能，又具有一般仪器所没有的特殊功能的新型仪器【l ”。在虚拟 仪器中，用户可以通过友好的图形界面来操作计算机，就像操作自己定义、设计 的测试仪器，从而完成被测试量的采集、分析、判断、显示、数据处型2 。 虚拟仪器的思想，可以先从仪器的基本功能入手进行分析。所有的测量仪器 的功能可由“数据采集”、“数据分析”、“结果输出显示”三大部分组成【”】。在这 三大功能中，数据分析和结果显示完全可由基于计算机的软件完成，只要另外提 供一定的数据采集硬件，就可构成由计算机组成的测量仪器。由此可以看到虚拟 仪器与传统仪器的基本区别：传统仪器的这些功能都是以硬件或者固化的软件的 形式存在，而虚拟仪器的功能则是用软件完成的。所以说，软件是虚拟仪器的核 心。 应用程序将可选硬件( 如g p i b 、v x i 、r s 2 3 2 、d a q 板) 和可重复使用的原 代码库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。原代码 库函数为用户构造自己的v i 系统提供了基本的软件模块。由于v i 的模块化、开 放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时，可以方便的 由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这 样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单的构造出新的系统而不丢 弃已有的硬件和软件资源。十多年前，美国n i 公司提出的“软件就是仪器”的口 号，形象的描述了软件在v i 中的重要作用。 虚拟仪器这一思想的实现，得益于以下科学技术基础：i l l - d ( 1 ) 处理器技术的快速进步，使得计算机的处理能力大大提高；其性价比不 山东大学硕士学位论文 断上升，使微机应用得到普及。 ( 2 ) 数字信号处理技术( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，简称d s p ) 的不断进步和 完善，原先许多由硬件完成的功能可以依靠软件实现。 ( 3 ) 对象技术、可视化程序开发语言在软件中的利用，为更多易于使用、功 能强大的软件开发提供了可能性。 总的来说，虚拟仪器就是基于计算机的全数字化测量分析仪器，是现代计算 机系统、d s p 技术和仪器系统技术相结合的产物，是当今计算机辅助测试( c a t ) 领域的一项重要技术。它推动着传统仪器朝着数字化、智能化、模块化、虚拟化、 网络化的方向发展。v i 技术研究现已经成为电子测量和计算机测试控制的前沿课 题。 2 2 虚拟仪器的组成和种类 虚拟仪器系统的基本构成包括如下几部分：【4 3 】 ( 1 ) 功能软件：用于编程、测试和分析。 ( 2 ) 计算机及其附件：各种类型的高性能计算机，如p c 机、笔记本、工控 机等，是系统的心脏和动力。 ( 3 ) 数据采集硬件：具有高性能的a d 转换、d a 转换性能。 ( 4 ) 传感器及前置抗混滤波放大器：是测试系统获取信息的基础。 按照虚拟仪器的发展和采用总线方式的不同，虚拟仪器可分为以d a q 板和信 号调理为仪器硬件而组成的p c d a q 测试系统，以g p i b 、v x i 、s e r i a l 和f i e l d b u s 等标准总线仪器为硬件组成的g p i b 系统、v x i 系统、串口系统和现场总线系统等 多种形式f 1 3 】【4 3 】。 ( 1 ) p c 总线插卡型虚拟仪器 这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件( 如l a b v i e w ) 相 结合，完成测试任务。它充分利用了计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。 它的关键取决于a d 转换技术。 插卡式价格便宜，因个人计算机数量庞大，用途广泛，特别适合于教学部门 和各种实验室使用。因此这也是本课题所采用的方式。 9 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 并行口式的虚拟仪器 最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，他们把硬件集成在一 个采集盒或一个探头上。软件装在计算机上，通常可以完成各种虚拟仪器的功能。 它最大的好处是可以与笔记本电脑相连，方便现场操作，又可与台式p c 机相连。 ( 3 ) g p i b 总线方式的虚拟仪器 g p i b 总线是i e e 4 8 8 标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量由 独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的g p i b 系统是由一台p c 机，一块g p i b 接口卡和多台g p i b 形式的仪器通过g p i b 电缆连接而成。在标准情 况下，一块g p i b 接口卡可带1 4 台仪器，电缆长达2 0 米。 ( 4 ) v x i 总线方式的虚拟仪器 v x i 总线是一种高速计算机总线v 娓总线在v i 领域的扩展，它具有稳定的电 源，强有力的冷却能力和严格的r f i 酬i 屏蔽。由于它具有标准开放，结构紧凑， 数据吞吐能力强，定时和同步精确，稳定可重复利用，得到广泛应用，但是造价 比较高。 ( 5 ) p x i 总线方式的虚拟仪器 p x i 总线是p c i 总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了 多板同步触发总线的参考时钟，用于精确定时的星型触发总线，以及使用于相邻 模块的高速通讯的局部总线。p x i 具有高度可扩展性，具有8 个扩展槽，通过使用 p c i - - p c i 接桥技术，可扩展2 5 6 个扩展槽，台式机的性价比和p c i 总线面向仪器 领域的扩展优势结合起来，将形成未来主要的虚拟仪器平台。 综上所述，g p i b - v x i - p x i 总线方式，适合大型高精度集成系统，而p c 插 卡式并行口式_ 串口u s b 方式，适合普及型的廉价系统，有广阔的应用发展前 景。 2 3 虚拟仪器的软件系统 2 3 1 ) p ( v x ip l u g & p l a y ) 规范 为了v x i 总线的易用性和高性能，保证在系统级上众多厂商的产品具有真正 1 0 山东大学硕士学位论文 的开放性和长期兼容性，最大限度的提供多平台能力和可扩展性，提高软件的可 重用性及进一步标准化，1 9 9 3 年9 月2 2 日，t e k t r o n i x 公司等五大v x i 技术厂商 成立了v x i 总线即插即用联盟( v x i p l u g & p l a ys y s t e ma l l i a n c e ) 。1 9 9 4 年又接纳 h p 公司为其成员。v x i 总线即插即用联盟对虚拟仪器的设计提出了一套统一设计 的方法和规范，被称为v p p ( v x ip l u g & p l a y ) 规范。为便于组织管理，联盟对每 一类规范赋予一个序号和一个名字，共分1 0 个章节【1 4 1 ： 表2 - 1v p p 规范 标准代号标准名称 ) p 一1v p p 系统联盟章程 v p p _ 2 v p p 系统框架技术规范 v p p _ 3 仪器驱动程序技术规范 v p p _ 4标准的软件输入输出接口技术规范 v p p - 5 v x i 组件知识库技术规范 v p p _ 6包装和安装技术规范 v p p _ 7 软面板技术规范 v p p _ 一8v x i 模块主机机械技术规范 v p h仪器制造商缩写规则 v p p 一1 0 v x i p pl o g o 技术规范和组件注册 v p p 规范的制定，使得虚拟仪器系统有了标准化、通用化、系列化、模块化、 开放式的体系结构，更加便于虚拟仪器的系统集成和终端用户的操作使用。 2 3 2 虚拟仪器软件的组成 根据v p p 规范，虚拟仪器系统的软件结构应包含以下三部分【1 5 1 ： i ，o 接口软件： 存在于硬件和驱动程序之间，是最接近硬件的软件层，完成对硬件内部寄存 器单元进行直接存取数据操作，为硬件和驱动程序提供信息传递的底层软件层， 是实现开放统一的虚拟仪器系统的基础。 驱动程序层： 驱动程序的实质是为用户提供一个用于仪器操作的较为抽象的操作函数集， 山东大学硕士学位论文 对于应用程序来说，它对仪器的操作是通过仪器驱动程序来实现的。对于应用程 序设计人员来说，有了驱动程序，即使是在不很了解仪器内部操作的情况下，也 可以进行虚拟仪器系统的设计工作。 应用程序开发环境： 应用程序开发环境是用于编写应用开发程序的编程工具，与仪器的硬件系统 无关，可因开发人员的喜好而选择，但最终都必须提供给用户一个界面友好，功 能强大的应用程序。 2 3 3 虚拟仪器的编程软件 按照测试的要求在计算机上定义一台虚拟仪器，必须要有功能强大的编程软 件。现在可用于虚拟仪器编程的软件较多，按编程方式来说，可分为文本式和图 形化两种【i 研。一种是基于传统的文本式语言的开发平台，包括微软的v i s u a l c + + ， b o r l a n d 公司的c 什b u i l d e r , d e l p h i 。n i 公司的l a b w i n d o w s 等；一种是基于图形化 编程语言的平台，包括n i 公司的l a b v i e w ，h p 公司的v e e 等。 在过去，一个测量系统的软件通常用v c + + ，v b 等工具编写，作为通用的编 程软件，它们功能强大、灵活，可以从系统底层编起，然而，同样对开发人员的 编程能力和对仪器硬件的掌握要求较高，而且开发周期长。 现在虚拟仪器软件最流行的趋势之一是图形化编程环境。最早应用图形化编 程技术开发v i 始于n i 公司1 9 8 6 年推出的l a b v i e w 软件包。根据n i 公司2 0 0 1 年度的市场调查，在虚拟仪器的编程领域，l a b v i e w 的使用人数超过了包括v c 在内的其他语言，排在第一位，并且还在呈不断上升的趋势 4 2 1 。 2 4 面向仪器与测控过程的图形化开发平台l a b v i e w 美国国家仪器( n i ) 公司开发的l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n t e n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，实验室虚拟仪器工作平台) 也是一种程序语言开发环境； 但是与现有的计算机高级语言不同的是，l a b v i e w 采用图形化编程语言g 语 言，产生块状的程序。这对于熟悉仪器结构的硬件电路的硬件工程师、现场工程 1 2 山东大学硕士学位论文 技术人员及测试技术人员们来说，编程就象设计电路图一样。比其他语言的开发 环境更方便、更有效l 刀。 2 4 1g 语言编程 l a b v i e w 是为代替常规的b a s i c ，c 等语言设计的，除了编程方式不同以外， 具有语言的所有特性，所以，l a b v i e w 不仅仅是一个功能比较完整的软件开发环 境，而是一种真正的编程语言，由于其独特的图形化编程方式，所以又被称为g 语言。 l a b v i e w 的编程环境包括两个面板前面板( p a n e l ) ，用于虚拟仪器和人的交 互界面；和功能面板( d i a g r a m ) ，用于编写图形化的g 语言程序源代码。与c ，c + + 等传统的文件式编程不同，l a b v i e w 的g 语言是把繁琐、费时的代码编写输入， 简化为使用菜单图标提示的方法选择功能，并用线条把各种功能连接起来的简单 图形编程方式。比如，要进行f f l r 运算，只需从函数库中，调出f f t 予v i ( 相当 于c 语言的子程序) 模块，然后用连接线把输入控制和输出显示的控件连接起来 即可。降低了对编程者经验和熟练程度的要求，易于学习和使用，大大提高了编 程效率，被誉为“工程师和科学家的语言”【1 3 】 2 4 2l a b v i e w 的特点 l a b v i e w 软件的特点可以归纳为以下几点： 图形化的仪器编程环境： 使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，针对测试、测量，以及过 程控制等领域，l a b v i e w 提供了面板上所必需的许多显示和控制对象，具有与实 际仪器相似的旋钮、开关、指示灯、图表等。用户还可以方便的将现有控制对象 改成自己需要的形式。 内置的程序编译器： l a b v i e w 采用编译方式运行3 2 位应用程序，解决了其它按解释方式工作的图 形编译平台速度慢的问题，其速度与c 语言的编译速度相当。 1 3 山东大学硕士学位论文 并行机制： l a b v i e w 运行机制是一种带有图形控制流结构的数据流模式，程序框架从宏 观上讲是一种多任务并行机制，而不是c 等传统语言的顺序结构。 灵活的程序调试手段： 用户可以在源代码中设置断点、单步执行代码，在代码的数据流上设置探针， 在程序运行中观察数据流的变化。 功能强大的函数库： l a b v i e w 提供了大量现成函数供用户直接调用，从底层v x i 、g p i b 、串口及数 据采集板的控制子程序到大量的仪器驱动程序，从基本功能函数到高级分析库， 覆盖了仪器设计中几乎所有需要的函数。 支持多种系统平台： l a b v i e w 提供了d l l 接口和c i n 接口，使用户在l a b v i e w 平台上能调用其它软 件平台编译的模块，提供对o l e 的支持。 网络功能： l a b v i e w 支持t c p i p ，d d e ，i a c 等功能。 2 5 虚拟仪器的特点 虚拟仪器与传统仪器的比较如下表2 - 2 t 1 8 1 表2 2 传统仪器和虚拟仪器的比较 传统仪器虚拟仪器 关键是硬件关键是软件 开发维护费用高开发与维护的费用低 技术更新周期长技术更新周期短 价格高价格低，并且可重用性和可配置性强 厂商定义仪器功能用户定义功能 系统封闭，固定系统开放，灵活，与计算机的进步同步 不易与其它设备连接与其它设备极易相连 总的来说，虚拟仪器具有灵活性、再扩展性、易维护性、高性价比、易组建、 高可靠性的特点，能够更迅速、更经济、更灵活的解决测试问题。 1 4 山东大学硕士学位论文 2 6 本章小结 计算机技术和仪器仪表技术的结合，产生了虚拟仪器基于计算机的采集 测试和分析技术，仪器逐渐进入到虚拟仪器时代。本章主要阐述了虚拟仪器的概 念、组成、种类，并对比了传统仪器与虚拟仪器，虚拟仪器作为传统仪器的替代 品，市场容量大，具有广阔的发展前景；本文还介绍了图形化编程软件l a b v i e w ， 着重阐述了其灵活性、易用性特点。本课题即利用先进的编程语言l a b v i e w 编制 了系统的各个模块，构建了价格低廉，可重用性强的虚拟测试仪器。 1 5 山东大学硕士学位论文 第3 章标牌打印机振动监测与诊断中的信号处理 标牌机的工作状态必然在振动信号中有所反映，采用适当的方法提取出信号 特征是研究关键，本章在分析各种信号处理技术的基础上，选择出了适合本课题 的数据处理方法。 3 1 连续时间信号的离散化处理技术 3 1 1 信号的采样、混叠及采样定理 传感器产生的信号是连续时间信号，在通过计算机进行数字信号处理之前， 必须将其转化为数字信号。信号的采样过程，就是连续时间信号的离散化过程例， 它相当于在连续信号上抽取一系列时刻上的瞬时值。采样电路等时距的发出单位 脉冲6 ( t - t d ) ，其中t d 为时距，并和连续的模拟信号x ( t ) 相乘，各个采样时刻的瞬时 值就成了采样脉冲的强度值。采样得到的信号经过一段时间保持，并在完成数模 转换以后被释放，然后就可以进行下一个点的采集了。 信号采样频率对所采集