基于凌華科技PCI-9846和LabVIEW數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

作者

焦新濤(1979～)，男，華南師范大學教師，主要研究方向為工程信號處理與故障診斷

應用領域

噪聲、振動與聲振粗糙度NVH(Noise、VibrATion、Harshness),是衡量汽車制造質量的 一個綜合性問題，它給汽車用戶的感受是最直接和最表面的。它是國際汽車業(yè)各大整車制 造企業(yè)和零部件企業(yè)關注的問題之一。有統(tǒng)計資料顯示，整車約有1/3的故障問題是和車 輛的NVH問題有關系，而各大公司有近20%的研發(fā)費用消耗在解決車輛的NVH問題上。對 于汽車而言，NVH問題是處處存在的。研究設計噪聲振動信號分析系統(tǒng)，對于解決相應的 NVH問題具有一定意義。

挑戰(zhàn)

利用凌華科技生產高性能數(shù)據(jù)采集卡PCI9846和LabVIEW8.6 設計數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，實現(xiàn)信號的采集，并能對信號進行分析處理。由于在離散頻譜分析的過程中不可避免的存在各種誤差，如何提高頻譜分析的精度，對信號進行頻譜校正，是系統(tǒng)需要解決的問題。

使用產品

數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)采用凌華科技PCI9846，軟件采用LabVIEW8.6，操作系統(tǒng)為Windows XP。

解決方案

基于虛擬儀器的優(yōu)點，利用凌華科技生產的具有4通道，16為采樣精度，最高采樣率 達到40MS/s的高性能數(shù)據(jù)采集卡PCI9846和LabVIEW8.6 設計數(shù) 據(jù)采集分析系統(tǒng)，在系統(tǒng)中采用比值校正法、能量重心校正法、FFT+FT連續(xù)細化分析 傅立葉變換法和相位差法等離散頻譜校正方法對信號進行頻譜校正分析，提高信號分析精度。

一個完整的信號分析系統(tǒng)通常由3部分組成：信號的獲取與采集、信號的分析與處理和結果的輸出與顯示。傳統(tǒng)的測試儀器基本上是以硬件或固化的軟件形式存在，儀器由生產廠家來定義、制造。傳統(tǒng)儀器的設計較復雜，靈活性差，沒有擺脫獨立使用，手工操作的模式,整個測試過程幾乎僅限于簡單的模仿人工測試的步驟，不適于一些較為復雜及測試參數(shù)較多的場合[1]。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器(Virtual Instrument)具有高效、開放、易用靈活、功能強大、性價比高、可操作性好等明顯優(yōu)點，具體表現(xiàn)為：智能化程度高，處理能力強，復用性強，系統(tǒng)費用低，可操作性強等[2]。基于虛擬儀器的優(yōu)點，利用PCI9846和LabVIEW設計數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，用于汽車NVH分析。

一、系統(tǒng)組成

虛擬儀器正在成為當今世界流行的一種儀器構成方案。虛擬儀器以計算機為基礎,結合相應的硬件和軟件,完成數(shù)據(jù)的采集和處理。其結構是開放式的，它把計算機平臺與具有標準接口的硬件模塊以及與開發(fā)測試軟件結合起來構成儀器系統(tǒng)，這種系統(tǒng)具有通用性、靈活性，便于開發(fā)測試應用。

1.1 硬件構成

硬件系統(tǒng)以計算機為主體,以插入其中的數(shù)據(jù)采集卡為主要功能部件。被測信號由數(shù)據(jù)采集卡接收后,傳入計算機內部,由相應的軟件進行后續(xù)的分析處理工作，因此數(shù)據(jù)采集卡是虛擬儀器能否成功設計的關鍵所在[3]。

本系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集卡是凌華科技生產的PCI9846。PCI9846是凌華科技的一款具有4通道，采樣精度達到16位，采樣頻率達到40MS/s的高速數(shù)字化儀，提供高精度、低噪音及高動態(tài)范圍性能，高密度且高精準度，專為輸入信號頻率高達20MHz的高頻和高動態(tài)范圍的信號而設計。模擬輸入范圍可以通過編程設置為±1V/±0.2V或±5V/±0.4V。配備了容量高達512MB的板載內存的PCI9846，擺脫了PCI總線的約束，使之能儲存更長時間的波形[4]。

1.2 軟件平臺

軟件部分是虛擬儀器的心臟，目前，應用較廣泛的基于虛擬儀器的圖形化編程軟件開發(fā)平臺主要是美國國家儀器公司NI (National Instrument)開發(fā)的LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,實驗室虛擬儀器工程平臺)。LabVIEW是一種基于G(Graphic)語言的圖形編程開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接受，用作開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、儀器控制軟件和分析軟件的標準語言，使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，對于科學研究和工程應用來說是很理想的語言。它盡可能利用了技術人員、科學家、工程師所熟悉的術語、圖標和概念，因此，LabVIEW是一個面向最終用戶的工具。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內置了便于應用TCP/IP、ActiveX等軟件標準的庫函數(shù)[5]。這是一個功能強大且靈活的軟件，利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。它可以增強構建使用者的科學和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進行原理研究、設計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。

LabVIEW含有種類豐富的函數(shù)庫，在很大程度上縮短了開發(fā)周期,而且開發(fā)的應用程序易于維護和擴展功能。應用LabVIEW開發(fā)環(huán)境進行數(shù)據(jù)采集與分析應用軟件的開發(fā),將數(shù)據(jù)采集卡PCI9846和靈活方便的應用軟件開發(fā)平臺LabVIEW結合起來，可以降低開發(fā)成本，又可以縮短開發(fā)周期,使開發(fā)變得方便高效。

1.3 LabVIEW控制采集卡

PCI9846提供了LabVIEW驅動，安裝驅動時會自動查找LabVIEW目錄，然后將必要的文件復制到相應的文件夾中去，如果系統(tǒng)中沒有安裝LabVIEW或者其版本低于6.0，驅動安裝程序會彈出一個對話框提示更新LabVIEW的版本。LabVIEW驅動程序安裝完成后，在就可以在LabVIEW中使用PCI9846來進行數(shù)據(jù)采集了[4]。

LabVIEW驅動安裝完成后，在函數(shù)選板會增加如圖1所示相應的項，在本文中直接使用其中的"DAQPilotExpressVI"，根據(jù)提示完成相應設置后即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集(圖2)。

二、 信號分析

數(shù)據(jù)采集完成后，必須對數(shù)據(jù)進行分析，以從中提取相應信息。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析主要集中在頻域。信號分析處理是LabVIEW的一個重要組成部分，它提供了大量的專業(yè)性很強的信號分析處理函數(shù)，對于信號的常見分析直接利用LabVIEW現(xiàn)成函數(shù)即可滿足要求，但用來對信號進行較復雜處理時需自行編寫函數(shù)。

諧波信號離散傅立葉變換和頻譜分析的頻率、幅值和相位都可能存在較大誤差，從理論上分析單頻率諧波信號加矩形窗時離散頻譜分析的幅值最大誤差可達36.4%;即使加其它窗時，也不能完全消除此誤差，加Hanning窗并只進行幅值恢復時的最大幅值誤差仍高達15.3%;不論加何種窗函數(shù)，離散頻譜分析的相位最大誤差高達±90度，頻率最大誤差為±0.5個頻率分辨率。因此，頻譜分析的結果在許多領域只能定性而不能精確地定量分析和解決問題，大大限制了該技術的工程應用，特別是在機械振動和故障診斷中的應用受到極大限制。所以要對離散頻譜分析得到的各頻率成分參數(shù)進行校正，以得到較為精確的頻率、幅值和相位估計值。所以需要研究離散頻譜的校正理論和技術以消除或大幅度減小這個誤差，提高分析精度。對于單頻率成分或間隔較遠的多頻率成分的離散頻譜進行校正[6]。

目前國內外有四種對幅值譜或功率譜進行校正的方法[6]：比值校正法(內插法)，能量重心校正法，F(xiàn)FT+FT連續(xù)細化分析傅立葉變換法和相位差法;相位差法又分為時移法、改變窗長法和綜合法。從理論上分析，在信號不含噪聲的情況下比值法和相位差法是精確的校正方法，而能量重心法和FFT+FT譜連續(xù)細化分析傅立葉變換法是精度很高的近似方法。

隨著離散頻譜校正技術的發(fā)展和不斷完善，越來越廣泛地被應用于分析各種實際問題和各類動態(tài)信號分析系統(tǒng)中。離散頻譜校正理論已在或將在下列領域得到廣泛的應用：

(1) 各類動態(tài)信號分析儀及計算機輔助測試系統(tǒng);

(2) 旋轉機械振動信號，具有滑動軸承的旋轉機械，工作轉速大多很穩(wěn)定，且需要相位作為分析參數(shù)，此時采用比值校正法最佳;

(3) 發(fā)動機等扭振信號，對于穩(wěn)態(tài)扭振信號，只需要精確求出各諧次幅值，由于三點卷積校正法不受轉速有小波動的影響，是穩(wěn)態(tài)扭振信號的最佳選擇;

(4) 儀器儀表領域中的應用，已經應用到渦街流量計和電力系統(tǒng)電參量等需要精密頻率測量計算出物理量的儀器儀表中;

(5) 電力系統(tǒng)諧波分析;

(6) 激光多普勒測速中提高精度;

(7) 高精度的頻率與幅值校準系統(tǒng)，目前國內在精確標定動態(tài)信號的頻率和幅值的儀器方面還是空白，利用比值校正法配合高精度A/D板可以研制出標定儀器，填補這方面的空白;

(8) 精密分析各類振動信號頻譜;

(9) 循環(huán)平穩(wěn)解調分析，采用離散頻譜來校正解調后的調制頻率和幅值，大幅度提高分析精度，能夠更準確的提取故障信息;

(10) 雷達精密測距和電子對抗的軍事領域。

2.1 比值校正法(內插法)

這種方法利用頻率歸一化后差值為1的主瓣峰頂附近二條譜線的窗譜函數(shù)比值，建立一個以歸一化校正頻率為變量的方程，解出歸一化校正頻率，進而進行頻率、幅值和相位校正;這種方法適用于已知所加對稱窗函數(shù)傅立葉變換的理論表達式情況下的離散頻譜校正。 校正頻率為：比值校正法的特點：

(1) 適用于已知歸一化窗函數(shù)頻譜解析表達式的一種通用離散頻譜校正方法;可以精確校正單頻率諧波信號離散頻譜的頻率、幅值和相位，大大提高離散譜分析的精度;

(2) 從理論和實踐上系統(tǒng)地解決了間隔較大(5個頻率分辨率以上)的多頻率成分的參數(shù)(頻率、幅值和相位)精確求解的問題;

(3) 算法簡單，計算速度快;

(4) 不考慮信號中噪聲的影響，比值法是一種精確的校正方法，校正后頻率、幅值和相位為理論值，但會在數(shù)字計算中受到數(shù)字截斷誤差的影響而產生很小的誤差;

(5) 不適用于頻率成分過于密集的信號和連續(xù)頻率成分信號離散頻譜分析的校正。

校正頻率為：

2.2 能量重心校正法

該方法是根據(jù)對稱窗函數(shù)離散頻譜的能量重心無窮逼近坐標原點或在原點附近的這一特性推導出的一種離散頻譜校正方法，是一種適用于加各種對稱窗的通用離散頻譜校正方法。以Hanning窗為例，由于其窗旁瓣的功率譜值很小，根據(jù)其能量重心的特性，若令X為[-0.5,0.5]范圍內，就可以用主瓣內功率譜值較大的幾條譜線精確地求得主瓣的中心坐標。設采樣頻率為fs，作譜點數(shù)為N，主瓣內峰值的譜線號為m，Yi為功率譜第i條譜線值，x0為主瓣中心,其頻率校正公式為：

能量重心校正法的特點：

(1) 適用于任何加對稱窗函數(shù)頻譜的一種通用離散頻譜校正方法，可大幅度提高離散頻譜的分析精度;

(2) 與其它校正方法相比，其能對多段平均功率譜直接進行校正;

(3) 算法簡單，計算速度快;

(4) 負頻率成分和間隔較近的多頻率成分產生的干涉現(xiàn)象所帶來的誤差對精度的影響小;

(5) 校正精度與窗函數(shù)有關，加Hanning窗時具有較高的校正精度;

(6) 校正精度與參與校正的點數(shù)有關，點數(shù)越多，對單頻率成分的校正精度越高，但要求相鄰兩個譜峰的頻率間隔越大;

(7) 不考慮信號中噪聲的影響，能量重心法是一種精度較高的近似校正方法，校正后頻率、幅值和相位不是理論值，但誤差很小;

(8) 不適用于頻率成分過于密集的信號和連續(xù)頻率成分信號離散頻譜分析的校正。

2.3 FFT+FT連續(xù)細化分析傅立葉變換法

該方法實質是用FFT作全景譜，針對要細化的局部再用改進的連續(xù)傅立葉變換FT進行運算，以得到局部細化精度極高的頻譜。對采樣信號作FFT后，在指定的一個頻率區(qū)間[f1,f2]，包含在區(qū)間[0，fs]內，進行L點等間隔譜分析。

FFT+FT連續(xù)細化分析傅立葉變換法的特點：

(1) 適用于任何加對稱窗函數(shù)頻譜的一種通用離散頻譜校正方法，可大幅度提高離散頻譜的分析精度;可以在不增加采樣長度的前提下，大大提高頻率分辨率以及幅值和相位的計算精度;

(2) 計算速度比其它方法慢得多，不適合用作實時頻譜分析與校正;

(3) 與復調制細化選帶頻譜分析方法不同，由于沒有加大窗的長度，所以僅能對信號局部頻率的幅值和相位進行細化運算，而不能將已經非常密集、發(fā)生主瓣重疊和干涉的多頻率信號分離成沒有發(fā)生主瓣重疊和干涉的多個單頻率成分信號，所以也不適用于頻率成分過于密集的信號和連續(xù)頻率成分信號離散頻譜分析的校正。

2.4 相位差法

相位差法分為時移法、改變窗長法和綜合法。其實質是對同一信號進行連續(xù)采樣得到兩段時間序列，其中第二段時域序列比第一段滯后一定的點數(shù)，對這兩段時域加相同或不同的窗函數(shù)，分別進行兩次不同或相同點數(shù)的FFT(或DFT)分析，利用對應峰值譜線的相位差進行離散頻譜校正，該方法適用于加各種對稱窗情況下的離散頻譜校正。相位差校正法有三種方法：第一種方法是改變窗長法，第二種方法是時域平移法，第三種方法是綜合校正法，即時域平移+改變窗長+加不同窗函數(shù)法，該方法適用于加各種對稱窗情況下的離散頻譜校正。

這種方法是用兩段時間序列FFT后的相位之差進行頻譜校正，原始單頻率成分信號采連續(xù)兩段樣本，然后對這兩段作傅利葉變換，利用其對應離散譜線的相位差校正出譜峰處的準確頻率和相位的校正方法。對兩段信號都是加相同的窗函數(shù)后再進行離散傅里葉變換，變換后的相頻函數(shù)在窗函數(shù)主瓣內不但都具有線性關系，而且斜率相同，則有：

相位差校正法的特點：

(1) 通用性好，其校正方法不受所加窗函數(shù)不同的影響，是適用于加任何對稱窗函數(shù)的一種通用離散頻譜校正方法;

(2) 算法簡單，計算速度快;

(3) 抗噪聲干擾的能力較強;

(4) 不考慮信號中噪聲的影響，相位差法是一種精確的校正方法，校正后頻率、幅值和相位為理論值，但會在數(shù)字計算中受到數(shù)字截斷誤差的影響產生很小的誤差;

(5) 不適用于頻率成分過于密集的信號和連續(xù)頻率成分信號離散頻譜分析的校正。

在本系統(tǒng)中，為了提高數(shù)據(jù)分析精度，根據(jù)比值校正法、能量重心校正法、FFT+FT連續(xù)細化分析傅立葉變換法和相位差法四種常用頻譜校正方法原理，在LabVIEW8.6中編寫相應函數(shù)，對數(shù)據(jù)進行頻譜校正處理。

三、 總結

利用凌華科技高性能數(shù)據(jù)采集卡PCI9846和LabVIEW，結合四種最新頻譜校正方法，設計數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，用于汽車振動數(shù)據(jù)分析。