振動測試平臺

1、中北大學信息商務學院2012屆畢業(yè)論文振動測試平臺設計摘 要隨著計算機和軟件技術的發(fā)展，虛擬儀器正在逐漸成為測試領域的發(fā)展方向，采用虛擬儀器實現(xiàn)振動測試與分析也成為振動測試的發(fā)展趨勢。為了解決工程振動問題,機械振動測試系統(tǒng)隨著振動測試技術理論的發(fā)展和生產對測試的需求與日俱增,并有著廣泛的應用領域。在工程現(xiàn)場的振動測試中,迫切需要低成本、高精度、高效率,同時方便靈活的測量儀器。 振動測試試驗系統(tǒng)是根據(jù)某些零部件振動測試的要求設計的 ,通過對被測系統(tǒng)施加各種波形的激勵,使其產生振動,由傳感器測量其振動的響應,將此信號進行調理放大,再由頻譜分析儀獲得系統(tǒng)的響應特性。為此，本課題研究開發(fā)了以PC為硬件

2、平臺、以美國國家儀器(NI)公司開發(fā)的LabVIEW軟件為開發(fā)平臺，配合ADXL150傳感器、和AT89C51組成的振動測試分析系統(tǒng)。采用虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW組建的振動測試分析系統(tǒng)，實現(xiàn)了對振動信號的采集、處理和分析的目的。關鍵詞：虛擬儀器，振動測試，LabVIEW，ADXL150傳感器，AT89C51Design of vibration testing platform AbstractWith the development of calculator and the software technology, the virtual instrument is becom

3、ing the development direction in text domains, and using virtual instrument has been a development trend to realize the text and analysis of vibration.As the development and production of technology theory in vibration text, in order to solve the problem of vibration, the need of text in vibration t

4、ext system increase with each passing day, and has extensive field of application. The vibration text in project spot, it is urgent to need measuring instruments that are low cost, high degree of accuracy, high efficiency, and at the same time convenient.The vibration text system is desighed based o

5、n demand of some parts, to make it vibrate, all kinds of waveform stimulations are exerted to texted system.,then conditioning and enlarging the signal that transducer measures the responding of vibration in system,thenceforth obtain the responding characteristics by analyzer. For this, the task has

6、 studyed and developed a vibration text system which take PC as hardware terrace, the labview that the United States nation instrument company opend up as software terrace, coordinate with ADXL150 transducer, signal conditioning and data collecter.Adopting the vibration text system which is made up

7、by virtual instrument figured program language labview, realize the objective that collects,analyse and process vibration signal.Keywords: Virtual instrument, Vibration text, Labview, ADXL150 transducer, AT89C511 緒論1.1課題研究的背景和意義振動是自然界最普遍的現(xiàn)象之一。這類現(xiàn)象有的是由其本身固有的原因引起，有的是外界干擾引起。在運轉的設備中，振動信號是最重要的信息來源。旋轉機械的振

8、動信號中包含著大量可反映設備運行狀態(tài)的有用信息或稱為信號特征。振動信號分析是旋轉機械狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的重要組成部分，并在設備預測維修中發(fā)揮著重要作用。通過振動特征分析可以找出旋轉機械設備70的故障源，而且可以確保機器運轉的安全性，避免事故的發(fā)生，同時結合較好的維修項目管理還可以顯著降低機器的運行成本。在一些情況下，振動是一種公害，它能損傷人體器官、損害健康、降低勞動效率，甚至產生“振動病”或“運動病”，如常見的暈車、暈船現(xiàn)象就是由于小于1Hz的極低頻振動引起的。研究人體各器官的振動傳遞特性，設計能減振隔振的座椅、駕駛艙、手持工具的把手等也必須依賴于振動測試。目前市場上已有用于人體振動測量的傳

9、感器和測試儀出售。振動測試分析儀器則將振動測試與分析技術轉化為生產力，它隨著振動測試技術理論的發(fā)展和生產中對測試需求的與日俱增。從最初的機械式測振儀，發(fā)展到今天，各種應用物理學原理制成的傳感器、FFT分析儀、結構動力學分析軟件己在廣泛使用。隨著電子技術和計算機技術的快速發(fā)展,微型計算機技術,尤其是微控制器(單片機)的發(fā)展極為迅速,其應用越來越廣。單片機主要應用于控制領域,用以實現(xiàn)各種測試和控制功能。目前,單片機還廣泛應用于工業(yè)測控、計算機外圍設備、工業(yè)智能化儀表、生產過程的自動控制、軍事和航空航天等領域。AT89C51是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含4k by

10、tes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大AT89C51單片機可為您提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。而基于 MEMS微加速度計的振動測試系統(tǒng)具有尺寸小、功耗低 、靈敏度高、使用靈活等優(yōu)點。因而在振動測、試傾斜測試慣性導航、智能引信等方面被廣泛使用。在不遠的將來隨著計算機技術和軟件技術的快速發(fā)展振動測試系統(tǒng)會在越來越多的行業(yè)得到更廣泛的應用。此外,為提高測試效率，降低測試

11、成本，適應在速度、準確度、數(shù)據(jù)分析以及現(xiàn)場實用性等方面日益提高的測試要求，我們需要將虛擬儀器技術引入在振動測試領域,開發(fā)基于虛擬儀器的振動測試系統(tǒng)。1.2振動測試技術發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢到目前為止，振動數(shù)據(jù)分析儀器的發(fā)展大體可分為四代：模擬類儀器、數(shù)字類儀器、智能化儀器和虛擬儀器。第一代模擬類儀器。是最早開發(fā)的振動分析系統(tǒng)。主要是由光電矢量瓦特計和測振儀等組成,其基本結構的共同特點是電磁機械式，要借助指針或光點等來顯示測試結果；第二代數(shù)字類儀器。這類閃頻式動平衡儀可以將模擬信號的測量轉化為數(shù)字信號量，并以數(shù)字顯示方式輸出測量結果；第三代智能化儀器。這類儀器內置MCS51系列單片機,集測試、數(shù)據(jù)處

12、理、平衡計算和圖形顯示等功能于一體，具有自動化測量儀器的最初特點。但其功能主要是以硬件(或固化軟件)形式存在，不利于二次開發(fā)、功能復用和維護。而且數(shù)據(jù)存貯量小，處理速度慢，功能比較單一，精度有限；第四代虛擬儀器3。儀器主要功能可由數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)測試和分析結果輸出顯示等三大部分組成，其中數(shù)據(jù)分析和結果輸出完全可由軟件系統(tǒng)來完成，因此只要另外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件，就可構成新的測量儀器。目前的振動測量信號可以通過采用加速度傳感器采集加速度變化，經過電路處理成為頻譜，最終成為人能夠直觀的看到振動波形。一般加速度傳感器就是利用了其內部的由于加速度造成的晶體變形這個特性。由于這個變形會產生電壓，只要計算出

13、產生電壓和所施加的加速度之間的關系，就可以將加速度轉化成電壓輸出。當然，還有很多其它方法來制作加速度傳感器，比如電容效應，熱氣泡效應，光效應，但是其最基本的原理都是由于加速度產生某個介質產生變形，因為振動產生加速度，利用這個特性，通過測量其變形量并用相關電路轉化成電壓輸出前一般都采用加速度傳感器來測量振動信號。此外，虛擬儀器在我國的研究和開發(fā)有著十分現(xiàn)實的意義，廣泛采用虛擬儀器技術有助于提高我國儀器的整體水平，節(jié)省儀器開發(fā)的人力和費用。我們有理由相信，隨著軟件業(yè)和測試技術的發(fā)展，虛擬儀器技術必將在更多、更廣的領域得到應用和普及。隨著振動測試技術理論的發(fā)展和生產中對測試需求的與日俱增，高質量的測

14、試儀器、設備和現(xiàn)代化的測試方法不斷出現(xiàn)。20世紀20年代，由于汽輪發(fā)電機組等設備的發(fā)展，機械式測振儀已不能滿足要求，于是磁電式傳感器應運而生，實現(xiàn)非電量信號向電信號轉換的電測量。二次大戰(zhàn)后出現(xiàn)了壓電式傳感器，由于它具有體積小、重量輕、頻率范圍、動態(tài)量程大等特點，且既可測量振動，又可用于沖擊測量，直到今天仍在廣泛應用。近些年隨著微電子技術的發(fā)展，又出現(xiàn)了可在各種惡劣環(huán)境下使用的壓電傳感器和內裝阻抗變換器、放大器、濾波器的集成電路式壓電傳感器，簡化了測試系統(tǒng)，大大地拓寬了這種傳感器的應用范圍，提高了抗干擾能力和測量的精度。而壓阻傳感器的出現(xiàn)和使用進一步拓寬了低頻率的測量范圍，與此同時，還陸續(xù)發(fā)展了

15、各種換能原理的傳感器和配套儀器，如變電容傳感器、光纖傳感器、電渦流傳感器等。PC機性能的提高引發(fā)了測試儀器領域的一場革命性變化，即產生了插卡式加軟件的所謂虛擬儀器。虛擬儀器是當前計算機的主流技術與應用開發(fā)軟件和高性能模塊化的硬件相結合的產物，可由用戶自己設計和定義，用軟件在屏幕上生成儀器控制面板，進行信號分析和處理。而國內生產的針對振動測試的設備大多是模擬式和數(shù)字式儀表，功能比較單一，與國外設備相比，精度較差，可靠性低。這些儀器基本上屬于硬件組成的專用信號分析與處理儀器，一般不能存儲記錄。這就為國內開發(fā)高性能的動態(tài)測試分析儀提出了迫切要求，同時隨著PC機的廣泛應用，虛擬儀器技術用于動態(tài)測試領域

16、已成為發(fā)展趨勢。1.3課題主要研究內容本篇論文是以AT8C51單片機為控制核心，設計振動測試系統(tǒng)，在分析了信號分析處理的原理后，使用圖形化編程語言LabVIEW進行振動測試與分析。整個系統(tǒng)按照模塊化的思想，擬采用菜單的形式搭建如下5個功能模塊：(1)數(shù)據(jù)采集：以AT89C51為核心控制器，ADXL150作為所選擇的傳感器，包括信號放大電路、AD采集電路、雙向檢波電路、電壓比較電路、模擬輸出電路和存儲器電路。(2)信號預處理：將信號采集的信號接入電腦，數(shù)字濾波器在信號輸入后，對輸入的信號做信號預處理使用。(3)時域分析：包括能產生幾種典型信號的信號發(fā)生子模塊和對信號進行時域相關分析子模塊。(4)

17、頻域分析：包括對仿真信號和實際采集到的信號進行頻譜分析，功率譜分析，倒頻譜分析，得到信號的頻域特征。(5)時頻分析：采用諧波小波實現(xiàn)仿真信號的時頻分析及諧波小波濾波功能。2 虛擬儀器和labview2.1虛擬儀器2.1.1虛擬儀器的概述虛擬儀器概念早在 20 世紀 70 年代就已提出,但真正得以實現(xiàn)則是在 PCI、GP-IBVXI、PXI 等總線準出現(xiàn)之后才變?yōu)榭赡?并隨著卡式儀器、VXI 總線儀器、PXI總線儀器等的推出而得到迅速發(fā)展。虛儀器技術是儀器技術、通信技術、總線技術、數(shù)字化技術、計算機技術等有機結合的產物3。這是在準計算機軟硬件基礎上,加上一組軟件和硬件所構成。 虛擬儀器從本質上說

18、是一個開放式結構,用通用算機、DSP 信號處理器或其他 CPU 提供系統(tǒng)管理、信號處理、存儲以及顯示功能；用數(shù)據(jù)采集板、GP或 VXI 總線接口板提供信號獲取和控制信號輸出,從而實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器功能。 “數(shù)據(jù)采集分析處理輸顯示”結構模式為其硬件開發(fā)平臺,同時充分利用計算機強大軟件功能及有關測試開發(fā)軟件所需要試儀器方案。虛擬儀器功能完全由用戶自己設計、定義,因而可以通過改變軟件適應不同測試需要,很易與互聯(lián)網、外設以及其他儀器相聯(lián)接,真正體現(xiàn)軟件就是儀器、網絡就是儀器的概念。虛擬儀器的概念是美國NI公司(National Instrument)在20世紀80年代中期提出來的。所謂虛擬儀器就是以計算機作

19、為儀器統(tǒng)一的硬件平臺，充分利用計算機的運算、存儲、回放、調用、顯示及文件管理等智能化功能，同時把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計算機結合構成一臺從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同，同時又充分享用了計算機智能資源的全新儀器系統(tǒng)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器有許多優(yōu)點：對測試量的處理和計算可更復雜且處理速度更快，測試結果的表達方式更加豐富多樣，可以方便地存儲和交換測試數(shù)據(jù)，價格低，技術更新快。它的最大特點就是把由儀器生產廠家定義儀器功能的方式轉變?yōu)橛捎脩糇约憾x儀器功能，滿足多種多樣的應用需求。由于虛擬儀器的測試功能、面板控件都實現(xiàn)了軟件化，任何使用者都可通過修改虛擬儀器的軟件來改變它

20、的功能和規(guī)模，這充分體現(xiàn)了 軟件就是儀器的設計思想1。 虛擬儀器是一種功能意義上的儀器，其核心是在最少量的硬件模塊支持下， 用軟件實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器數(shù)據(jù)采集、存儲、分析、顯示的功能。它用顯示在PC機上的虛擬面板代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器面板，用鼠標、鍵盤對測量的參數(shù)及進程進行控制。用戶可以充分發(fā)揮自己的才能和想象力來設計滿足需求的儀器系統(tǒng)。虛擬儀器系統(tǒng)主要包括以下三個部分：安裝有強大應用軟件的計算機平臺或者是工作站：硬件部分，數(shù)據(jù)采集卡、信號調理卡、G P I B接口儀器、V XI 接口儀器等；被測單元，或前端傳感器。虛擬儀器不僅實現(xiàn)了傳統(tǒng)的儀器功能，并且有更大的性能拓展，虛擬儀器改變了傳統(tǒng)以硬件為中心的儀器架構

21、，而是利用了商用計算機及工作站的計算功能、工作效率、 顯示功能和方便的連接方法，形成了以軟件為中心的儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的技術基礎是計算機技術，核心是計算機軟件技術。其中最有代表性的圖形化編程軟件是美國NI公司推出的Labview(laboratory virtual instrument engineering workbench即實驗室虛擬儀器工作平臺)。它是世界上第一個采用圖形化編程技術的面向儀器的32位編譯型程序開發(fā)系統(tǒng)，它的目標就是簡化程序的開發(fā)工作，提高編程效率，讓科學家和工程技術人員充分利用計算機的資源和強大功能，快速簡捷地完成自己的工作任務，它被稱為科學家與工程師的語言。2.1.

22、2虛擬儀器的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和趨勢儀器的發(fā)展大體可分為四代：第一代是20世紀初發(fā)展起來的以電磁感應律為基礎的指針式儀器,如指針式萬用表；第二代是20世紀50年代以電子管或晶體管電子電路為基礎的分立元件式模擬儀器，如晶體管電壓表，其價格低廉,但測試精度和速度較低；第三代是20世紀60年代興起的以集成電路芯片為基礎的數(shù)字化儀器，如數(shù)字頻率計等，它將測試的精度、分辨力和測量速度提高了幾個數(shù)量級；第四代是20世紀70年代以微處理器為核心的智能式儀器,這類儀器不僅能自動完成某些測量任務，還能進行一些復雜的數(shù)據(jù)處理，其缺點是功能模塊全部以硬件(或固化軟件)的形式存在，無論是開發(fā)還是應用，都缺乏靈活性?，F(xiàn)代工

23、業(yè)技術的發(fā)展，除了要求各種機械具備低振動和低噪聲的性能外，需隨時對其運行過程進行監(jiān)測、診斷和對工作環(huán)境進行控制，這些技術措施都離不開振動的測量。一般振動測試大致可分為兩類：一類是測量設備和結構所存在的振動；另一類則是對設備或結構施加某種激勵，使其產生振動，然后測量其振動。此類測振的目的是研究設備或結構的力學動態(tài)性能。正是由于振動測試在近代工程領域有著極其重要的作用，所以受到普遍重視，隨著計算機技術的發(fā)展和普及，尤其是便攜式計算機的普及，虛擬儀器設計已成為當前和今后的發(fā)展趨勢。強大的系統(tǒng)資源和良好的操作界m，以及巨大的存儲容量和各種各樣的應用軟什等，提供了極好的設計甲臺和環(huán)境。因此，奉課題基r虛

24、擬儀器的思恕，采用便攜式系統(tǒng)集成方案，用LabVIEW軟什和專用的數(shù)據(jù)采集設備進行制動器振動信號和噪聲信號的檢測和分析，利用計算機豐富的軟硬件資源來完成傳統(tǒng)儀器的測試功能。這樣，不僅可以大大減少檢測的工作量，降低測試系統(tǒng)成本，還可以提高測試效率，適應在速度、準確度、數(shù)據(jù)分析以及現(xiàn)場實用性等日益提高的測試要求，同H、J使檢測設備投資少，丌發(fā)周期短，通用性強，易維護。2.1.3虛擬儀器的特點現(xiàn)代化生產要求電子儀器品種多、功能全、精度和自動化程度高，而且要求測試速度快、實時性好、具有良好的人機界面。虛擬儀器正可以實現(xiàn)這些要求。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有以下特點：（1）傳統(tǒng)儀器的面板只有一個，其上布

25、置著種類繁多的顯示與操作元件，易于導致識別與操作誤差。虛擬儀器則可以通過在幾個分面板上的操作來實現(xiàn)比較復雜的功能。（2）硬件功能軟件化，虛擬儀器使儀器的部分硬件功能軟件化，并封裝形成模塊；（3）儀器的功能是用戶根據(jù)需要由軟件來定義的，而不是事先由廠家定義好的。（4）儀器性能的改進和功能擴展只需更新相關軟件設計，而不需購買新的儀器。（5）研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短，且成本低、維護方便，易于應用新理論、新算法和新技術來實現(xiàn)儀器的換代升級。（6）虛擬儀器開放、靈活，可與計算機同步發(fā)展，也可與網絡及其他周邊設備互聯(lián)。2.1.4虛擬儀器的分類虛擬儀器的發(fā)展隨著微機的發(fā)展和采用總線方式的不同，可分為五種類

26、型： 第一類：并行口式最新發(fā)展的一系列可連接到計算機并行口的測試裝置，它們把儀器硬件集成在一個采集盒內。儀器軟件裝在計算機上，通?？梢酝瓿筛鞣N測量測試儀器的功能，可以組成數(shù)字存儲示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率計、數(shù)字萬用表、功率計、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。第二類：PXI總線方式PXI 總線方式是 PCI 總線內核技術增加了成熟的技術規(guī)范和要求形成的，增加了多板同步觸發(fā)總線的技術規(guī)范和要求形成的，以使用與相鄰模塊高速通訊的局部總線。PXI有高度可擴展性。PXI具有8個擴展槽，而臺式PCI系統(tǒng)只有3-4個擴展槽，通過使用PCIPCI橋接器，可擴展到256個擴展槽

27、，臺式 PC 的性能價格比和 PCI 總線面向儀器領域的擴展優(yōu)勢結合起來，將形成未來的虛擬儀器平臺。 第三類：GPIB 總線方式GPIB技術的出現(xiàn)使電子測量獨立的單臺手工操作向大規(guī)模自動測試系統(tǒng)發(fā)展，典型的GPIB系統(tǒng)由PC機、GPIB接口卡和若干臺 GPIB 形式的儀器通過GPIB電纜連接而成。在標準情況下，一塊GPIB接口可帶多達 14臺儀器，電纜長度可達40米。GPIB 技術可用計算機實現(xiàn)對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很方便地把多臺儀器組合起來，形成自動測量系統(tǒng)。GPIB 測量系統(tǒng)的結構和命令簡單。 第四類：PC總線插卡型這種方式借助于插入計算機內的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟

28、件如 LabVIEW 相結合。LabVIEW/CVI 是基于文本編程的程序員提供高效的編程工具，通過三種編程語言 Visual C+,Visual Basic, Labviews/cvi 構成測試系統(tǒng)。它充分利用計算機的總線、機箱、電源及軟件的便利，但是受 PC 機機箱和總線限制，且有電源功率不足，機箱內部的噪聲電平較高，插槽數(shù)目也不多，插槽尺寸比較小，機箱內無屏蔽等缺點。 第五類：VXI總線方式VXI總線是一種高速計算機總線 VME 總線在VI領域的擴展，它具有強有力的冷卻能力和嚴格的 RFI/EMI 屏蔽。由于它的標準開放、結構緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復利用、眾多儀器

29、廠家支持的優(yōu)點，很快得到廣泛的應用。經過十多年的發(fā)展，VXI 系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合。有其他儀器無法比擬的優(yōu)勢2。2.2 Labview2.2.1 Labview概述虛擬儀器的技術基礎是計算機技術，核心是計算機軟件技術。其中最有代表性的圖形化編程軟件是美國NI公司推出的Labview(laboratory virtual instrument engineering workbench即實驗室虛擬儀器工作平臺)。它是世界上第一個采用圖形化編程技術的面向儀器的32位編譯型程序開發(fā)系統(tǒng)，它的目標就是簡化程序的開發(fā)工作，提高編程效率，

30、讓科學家和工程技術人員充分利用計算機的資源和強大功能，快速簡捷地完成自己的工作任務，它被稱為科學家與工程師的語言。Labview使用了所見即所得的可視化技術建立人機界面，提供了許多儀器面板中的控制對象，如表頭、旋鈕、開關及坐標平面圖等。用戶可以通過使用編輯器將控制對象改變?yōu)檫m合自己工作領域的控制對象。Labview提供了多種強有力的工具箱和函數(shù)庫，并集成了很多儀器硬件庫。Labview支持多種操作系統(tǒng)平臺，在任何一個平臺上開發(fā)的Labview應用程序可直接移植到其它平臺上。LabVIEW也是一種通用編程系統(tǒng)，具有各種各樣、功能強大的函數(shù)庫，包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串行儀器控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯

31、示及數(shù)據(jù)存儲，甚至還有目前十分熱門的網絡功能。 LabVIEW也有完善的仿真、調試工具，如設置斷點、單步等。LabVIEW的動態(tài)連續(xù)跟蹤方式，可以連續(xù)、動態(tài)地觀察程序中的數(shù)據(jù)及其變化情況，比其它語言的開發(fā)環(huán)境更方便、更有效。而且LabVIEW與其它計算機語言相比，有一個特別重要的不同點：其它計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼行，而LabVIEW采用圖形化編程語言-G語言。LabVIEW滿足了實現(xiàn)虛擬測試儀器的條件。它充分考慮了振動測試的特點 ,與眾多的編程軟件相比，采用LabVIEW具有更強的相通性、開放性、專用性。尤其對實驗室教學領域 ,開發(fā)周期短、成本低、質量高。下面結合一臺虛擬振動

32、測試儀具體介紹虛擬儀器的組成和基于LabVIEW的虛擬儀器使用功能編程方法與實現(xiàn)技術。2.2.2 LabVIEW的應用LabVIEW強大的硬件驅動、圖形顯示能力和便捷的快速程序設計，為過程控制和工業(yè)自動化應用提供了優(yōu)秀的解決方案。對于更復雜更專業(yè)的工業(yè)自動化領域，在LabVIEW基礎上發(fā)展起來的BridgeVIEW是更好的選擇。LabVIEW為科學家和工程師提供了功能強大的高級數(shù)學分析庫，包括統(tǒng)計、估計、回歸分析、線形代數(shù)、信號生成算法、時域和頻域算法等眾多科學領域，可滿足各種計算和分析需要。即使在聯(lián)合時頻分析、小波分析和數(shù)字濾波器設計等高級或特殊分析場合，LabVIEW也為此提供了專門的附加

33、軟件包。LabVIEW已成為測試與測量領域的工業(yè)標準，通過GPIB、VXI、PLC、串行設備和插卡式數(shù)據(jù)采集板可以構成實際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它提供了工業(yè)界最大的儀器驅動程序庫，同時還支持通過Internet、Active、DDE和SQL等交互方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，它提供的眾多開發(fā)工具使復雜的測試與測量任務變得簡單易行。2.2.3 labview的特點LabVIEW軟件的特點如下：（1）具有圖形化的編程方式，設計者無需編寫任何文本格式的代碼，是真正的工程師語言。（2）提供豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲的庫函數(shù)。（3）提供傳統(tǒng)的程序調試手段，如設置斷點、單步運行，同時提供獨具特色的執(zhí)行工具，使程序動畫式運行

34、，利于設計者觀察程序運行的細節(jié)，使程序的調試和開發(fā)更為便捷。（4）32位的編譯器生成32位的編譯程序，保證用戶數(shù)據(jù)采集、測試和測量方案的高速執(zhí)行。（5）囊括了PCI、GPIB、PXI、VXI、RS一232485、USB等各種儀器通信總線標準的所有功能函數(shù)，使不懂得總線標準的開發(fā)者也能夠驅動不同總線標準接口設備與儀器。（6）提供大量與外部代碼或軟件進行鏈接的機制，諸如DLL(動態(tài)鏈接庫)、DDE(共享庫)、ActiveX等。（7）具有強大的Internet功能，支持常用的網絡協(xié)議，方便網絡、遠程測控儀器的開發(fā)3。所有的 LabVIEW 程序分為兩部分：前面板（Front Panel）和程序流程圖

35、（Block Diagram）。前面板是 VI 的圖形用戶接口， 它集成了用戶輸入和輸出功能，為更逼真地模擬傳統(tǒng)儀器的工作方式， LabVIEW提供了各種各樣的控件，如各種旋鈕、開關、按鈕、波形圖、波形圖表等控制與顯示模塊，并可根據(jù)用戶實際需要定制控件，用戶可以根據(jù)自己的需要在前面板上放置按鈕等控制模塊和顯示模塊。而程序流程圖包含了虛擬儀器的圖形化源代碼，在程序流程圖中對虛擬儀器進行編程，以控制和操縱定義在前面板上輸入和輸出功能。流程圖包括內置于 LabVIEW 庫中的函數(shù)（Function）和結構（Structures），還包括儀器面板上的控制對象、顯示對相對應的連線端子（Terminals

36、） ，LabVIEW構成的虛擬儀器是數(shù)據(jù)流驅動的，流程圖中的諸元素如結構、功能模塊等構成節(jié)點，這些節(jié)點由數(shù)據(jù)線相連接，這些線定義了程序中數(shù)據(jù)的流向，這些線在程序中按照數(shù)據(jù)類型的不同顯示出不同的顏色和類型，使得用戶能對程序中傳送的數(shù)據(jù)種類一目了然。一旦某個節(jié)點的所有輸入均為有效，該節(jié)點即可運行，運行結束后，將結果送入數(shù)據(jù)流路徑的下一個節(jié)點。3 總體方案設計3.1總體設計 本設計要求以AT89C51單片機為控制核心，設計振動采集系統(tǒng)，將ADXL150作為所選擇的傳感器，包括信號放大電路、AD采集電路、雙向檢波電路、電壓比較電路、模擬輸出電路和存儲器電路?；贛EMS加速度傳感器的振動測試系統(tǒng)結構圖

37、如圖3.1所示。振動信號由ADXL150加速度傳感器轉換為電信號,先經過放大電路將微弱的振動信號放大至符合后級電路需求，一路通過檢波、電壓比較產生中斷觸發(fā)信號， 另一路經過12位高速AD完成模數(shù)轉換。通過AT89C51單片機機實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、處理、傳輸，采用Keil C51完成控制軟件的設計，數(shù)據(jù)輸出部分采用串行通信方式上傳到PC機進行數(shù)據(jù)分析，由此構成了一個完整的振動測試系統(tǒng)。電壓比較電路單片機電路電腦D/A轉換電路存儲器電路模擬輸出電路A/D采集電路雙向檢波電路串行接口電路加速度傳感器放大電路圖3.1 系統(tǒng)結構圖3.2 總體硬件設計振動測試系統(tǒng)的整體硬件電路如圖3.2所示：系統(tǒng)以AT8

38、9C51為核心控制器，包括信號放大電路、AD采集電路、雙向檢波電路、電壓比較電路、模擬輸出電路和存儲器電路，下面就每個模塊詳細介紹：ADXL150加速度傳感器LM358放大電路ADS774LM358檢波電路LM393電壓比較P0.0P0.3P1.0P1.7P2.0P2.7AT89C51TXDRXDINTOP3.6P3.7鍵盤輸入AD7542模擬輸出RS-232C串行接口24CXX存儲器電路圖3.2 系統(tǒng)的硬件連接圖上圖管腳錯位重畫3.2.1 ADXL150加速度傳感器3.2.1.1ADXL150簡述ADXL150是美國模擬器件公司（ANALOG DEVICE）生產的低噪聲、低功耗、單軸微MEM

39、S加速度傳感器。該器件內部有時鐘源、增益放大器、同步解調系統(tǒng)、輸出緩沖運放、二階濾波器和自檢系統(tǒng)。可編程控制量程為25g或50g，80分貝的動態(tài)范圍，測量分辨率小于10mg，通過設置Vout和OFFSET NULL端口跳線可以將輸出比例系數(shù)從38mV/g調節(jié)到76mV/g。在工業(yè)級溫度范圍內0g溫漂小于0.4g。在使用時外部僅需要一個旁路電容6。3.2.1.2ADXL150的封裝形式ADXL150的管腳排列如圖3.3所示，COMMON為公共接地端；ZERO g ADJ為0g調節(jié)端；SELF-TEXT為自檢端，當其輸入為高電平時芯片進入自檢模式；Vout為信號輸出端，此端可直接連接ADC進行模數(shù)

40、轉換；Vs為電源輸入端。圖3.23ADXL150的封裝形式3.2.1.3ADXL150內部結構ADXL150內部結構圖3.4所示，主要由5部分組成：敏感元件、增益放大、時鐘源、同步解調、緩沖放大器。圖3.4 ADXL150的內部結構圖（1）敏感元件敏感元件時通過在氧化層上沉積多晶硅，然后經過蝕刻形成的。圖3.5 敏感元件結構圖圖3.5是一個簡化的敏感元件結構圖。實際傳感器由42個這樣的晶胞檢測加速度。中間橫梁由于加速度上下而移動，引起板間電容改變，最后轉換為電壓輸出。（2）ADXL150中的增益放大運放是將敏感元件輸出的信號進行放大以便測量。（3）ADXL150加速度傳感器的時鐘源主要為敏感元

41、件和同步解調電路提供100kHz的時鐘信號。（4）同步解調系統(tǒng)能夠抑制除敏感元件信號外的所有信號，能夠使傳感器不受電磁干擾和無線電頻率干擾。（5）緩沖放大器可以調節(jié)傳感器的輸出比例系數(shù)，正常情況下為38mV/g。3.2.1.4ADXL150基本電路可以采用外接電源與地之間接0.1uF去耦電容供電。通過調節(jié)R1b可以增加輸出精度，調節(jié)RT可改變直流偏置，通常將0g時的輸出調節(jié)到2.5v。圖3.6基本電路3.2.2 放大電路ADXL150雖然內部已經有放大電路、濾波電路和緩沖輸出電路，但其輸出的信號的幅值仍然很小，不利于后級電路處理和A/D轉換。所以在ADXL150輸出端連接了放大電路。放大電路中

42、使用一片LM358AN。具體電路如圖3.7所示。圖中V1為ADXL150的1信號輸出端口。LM358AN為反相放大器，電路中R1=91K、R4=4.7K所以此電路為經典反相放大電路，其增益系數(shù)為R1/R4=19.4。LM358AN構成了一個放大倍數(shù)為19.4倍的反相放大電路，將ADXL150的輸出端口的信號放大并反相，使波形與ADXL150原始輸出方向相同。圖3.7 放大電路3.2.3雙向檢波電路加速度傳感器輸出振動信號經放大電路放大后輸出為無規(guī)則信號，無法為單片機提供中斷觸發(fā)信號。所以要將放大電路輸出信號經過雙向檢波電路和電壓比較電路才能夠為單片機提供中斷觸發(fā)信號和A/D采集控制電平8。所以

43、要將放大電路輸出再經過雙向檢波電路使波形變的更加平滑，如圖3.8所示。圖3.8 雙向檢波電路V2接圖3.6中的輸出信號V2，此電路中二極管D1、D2起到檢波作用。當輸入信號V2為正極性時，D1導通，D2截止，當輸入信號V2為負極性時，D1導通，D2截止，再經過LM358構成的差動放大器輸出信號將更加平滑，差動放大器的輸入信號為兩個檢波信號的差，經LM358放大器后輸出信號與輸入信號的關系為： （式3.1）3.2.4電壓比較電路經雙向檢波電路輸出的波形還不能直接輸入AT89C51單片機，為單片機提供中斷觸發(fā)控制信號。必須要經過一個電壓比較電路，如圖3.9所示。圖3.9 電壓比較電路本電路中使用L

44、M393構成電壓比較電路，雙向檢波輸出信號由LM393的2端輸入，電位器R12調節(jié)觸發(fā)電壓輸入3端。由1端經過一個10k的上拉電阻為AT89C51單片機提供中斷觸發(fā)信號和采集控制電平。AT89C51單片機進入中斷后啟動A/D采集，采集多長時間由單片機根據(jù)振動平臺的振動頻率決定9。3.2.5 A/D轉換電路在系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集中，經常遇到數(shù)值隨時間連續(xù)變化的物理量，這種連續(xù)變化的物理量，稱為模擬量，與此相對應的電信號是模擬電信號。顯然，模擬量要輸入到計算機系統(tǒng)中，必須要經過模擬量到數(shù)字量的轉換(A/D轉換)，計算機才能接受。A/D轉換過程主要包括采樣、量化與編碼。采樣是使模擬信號在時間上離散化，

45、量化與編碼則是把采樣后所得到的離散幅值經過舍入的方法變換為與輸入量成比例的二進制數(shù)。A/D轉換電路種類很多，根據(jù)轉換原理可以分為逐次逼近式、雙積分式、并行式、跟蹤比較式、串行式、電荷平衡式等。目前使用較多的是前三種。由于傳感器輸出的是變化的電壓信號，而AT89C51單片機沒有內置A/D轉換器，所以是無法直接識別電壓信號，因此這里需要外接A/D轉換芯片進行模數(shù)轉換。振動信號頻率在1kHz左右，為了保證波形的完整性，必須要采用高速AD進行數(shù)據(jù)轉換，所以本系統(tǒng)采用12位精度，轉換時間為8.5us即轉換速率為118kHz的高速ADADS774。ADS774為12位高速并行輸出AD,基本電路如圖3.10

46、，電路連接簡單，輸入有多種模式，包括10V, 20V和2.5V三種模式，單電源供電可輸入正負電壓。其輸出方式可以設置為8位輸出和12位輸出。12位輸出狀態(tài)還可以設置為12同時輸出或先輸出高八位再輸出低四位。鑒于本系統(tǒng)中使用的單片機AT89C51為8位機和節(jié)省端口的考慮，本設計中就選擇先輸出高八位再輸出低四位的工作方式，和單片機接口電路如圖3.11所示。僅使用單片機的一個8位端口和兩個控制端口就能完成12位數(shù)據(jù)的讀取。圖3.10 ADS774雙極性工作電路圖3.11 12位輸出連接方式3.2.6 AT89C51簡介 3.2.6.1 AT89C51內部結構AT89C51內部結構主要包括累加器ACC

47、(有時也簡稱為A)、程序狀態(tài)字PSW、地址指示器DPTR、只讀存儲器RMO、隨機存取存儲器ARM、寄存器、并行I/O接口POP3、定時器/計數(shù)器、串行I/O接口以及定時控制邏輯電路等。這些部件通過內部總線聯(lián)接起來，構成一個完整的微型計算機。AT89C51內部結構圖如圖3.12所示。圖3.12 AT89C51的內部結構圖3.2.6.2 AT89C51性能簡介 （1）主要性能l 與MCS-51產品指令系統(tǒng)完全兼容；l 片內集成4kB的FLASH存儲器，可反復編程/擦除1000次；l 數(shù)據(jù)保留時間：10年；l 全靜態(tài)設計，時鐘頻率范圍為024MHz、33MHz；l 三個程序存儲器保密位；l 1288

48、字節(jié)的內部RAM；l 32條可編程的I/O口線；l 2個可工作于4種模式的16位定時/計數(shù)器；l 5個中斷源/2個中斷優(yōu)先級；l 可編程串行通道；具有4種工作模式的全雙工串行口；l 低功耗的待機工作模式和掉電工作模式；l 片內振蕩器和時鐘電路；（2）管腳說明圖3.13 AT89C51引腳圖VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8 TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫“1”時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FLASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FLASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0

49、外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4 TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給

50、出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3 口也可作為AT89C51的一些特殊功能口,P3口管腳備選功能:P3.0 RXD（串行輸入口）；P3.1 TXD（串行輸出口）；P3.2（外部中斷0）；P3.3 （外部中斷1）；P3.4 T0（計時器0外部輸入

51、）；P3.5 T1（計時器1外部輸入）；P3.6 （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）；P3.7 （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）；P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復位輸入。當振蕩器復位時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR 8EH地址上置0。此時，AL

52、E只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器讀取指令期間，每個機器周期兩次有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的信號將不出現(xiàn)。/VPP：當保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，將內部鎖定為RESET；當端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。（

53、3）振蕩器特性XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。由于輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。（4）芯片擦除整個EPROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成。在芯片擦除操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。（5）編程算法l 地址線上輸入欲編程的存儲單元地址；l 在數(shù)據(jù)線上輸入編程數(shù)據(jù)；l 加正確的控制信

54、號組合；l 在“高壓”模式下使VPP為12V；l 在ALE引腳上加一次負脈沖，可對FLASH存儲器的一個字節(jié)或保密位進行編程，編程一個字節(jié)的周期是內部自定時的，典型時間不會超過1.5ms。改變編程的存儲單元地址和編程數(shù)據(jù)重復步驟（1）（5），直到編程文件最后。此外，AT89C51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作，但RAM、定時器、計數(shù)器、串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。3.2.7 D/A轉換電路經AT89C51單片機采集的數(shù)據(jù)，可以通過D/A轉

55、換電路將采集的數(shù)據(jù)以模擬信號的形式輸出，給人提供直觀的分析結果。本電路采用一片AD7542模數(shù)轉化器和兩片OP10AY組成。 1AD7542是美國模擬器件公司設計生產的精密12位單片CMOS數(shù)字模擬變換器，它采用先進薄膜工藝制造而成，具有乘法特性、低功耗、5V工作以及易與單片機接口等特性。圖2所示是AD7542的內部原理框圖，該DA轉換器由三個4位數(shù)據(jù)寄存器、一個12位DAC寄存器、地址譯碼邏輯和一個12位CMOS乘法型DAC組成。數(shù)據(jù)以三個4位字節(jié)方式裝入數(shù)據(jù)寄存器，隨后傳送到12位DAC寄存器。全部數(shù)據(jù)的裝入或傳送操作與靜態(tài)隨機存取存儲器的寫周期操作相同，當器件通電時，清零信號輸入可使DA

56、C寄存器容易地復位到全零13。 AD7542的引腳定義如下： 圖3.14 AD7542的引腳圖及內部結構OUT1：DAC電流輸出總線，一般接在運算放大器輸入端； OUT2：DAC電流輸出總線，一般接地；D0D3：數(shù)字輸入端，D3是最高有效位（MSB），D0是最低有效位（LSB）； :片選輸入； :寫輸入端； A0、A1：地址總線輸入； VDD：5V電源輸入； VREF：參考電壓輸入； RFB：反饋電阻； AGND：模擬接地端；DGND：數(shù)字接地端。2.模擬輸出電路如圖3.15所示，該電路由一片AD7542和兩片OP10AY組成，AD7542接受由單片機發(fā)送的數(shù)字信號，轉換成模擬信號。AD754

57、2輸出信號經過第一片OP10AY完成電流電壓信號的轉化，再經過第二片OP10AY放大電壓信號，調節(jié)R30的阻值來調節(jié)直流偏置，輸出合適的模擬信號。 圖3.15 模擬輸出電路3.2.8串行通信接口AT89C51單片機有一個全雙工的串行通訊口，所以單片機和電腦之間可以方便地進行串口通訊。進行串行通訊時要滿足一定的條件，比如電腦的串口是RS232C電平的RS232串行信息格式為10位，1位起始位，1位奇偶校檢位，1位停止位，8位數(shù)據(jù)位。RS232C的機械指標規(guī)定：RS232C接口通向外部的連接器是一種“D”型25針插頭，在微機通訊中，通常使用的RS232C接口信號只有九根引腳，其引腳如圖3.16所示： 圖3.16 DB9 管腳圖RS232C電平是負邏輯電平（邏輯0：5V15V，邏輯1：15V5V），而單片機的串口是TTL電平的，TTL為正邏輯電平（帶負載時：邏輯1：+5V+1