基于labview振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

1、I西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 基于LabVIEW的振動(dòng)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)同儀器技術(shù)深層次結(jié)合的全新概念儀器，實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)的顯示器的顯示功能模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達(dá)輸出測(cè)量結(jié)果，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理，完成各種測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)利用了基于LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)了一套振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，下位機(jī)采用AT89C52單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，并通過(guò)RS-232串口與上位機(jī)通信實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的傳輸，上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)基于LabVIEW平臺(tái)。其具有信號(hào)采集，波形顯示，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)保存，信號(hào)參數(shù)檢測(cè)等功能，具有

2、操作簡(jiǎn)單，界面直觀，適用性強(qiáng)等特點(diǎn)。通過(guò)設(shè)計(jì)，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域顯示和頻域分析處理。關(guān)鍵詞：虛擬儀器；振動(dòng)測(cè)試；LabVIEW；單片機(jī)II西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 Vibration Testing System Based on LabVIEW Signal DesignAbstract : Virtual instrumentation is modern computer technology combined with the deep-seated instrument technology new concept instrument , in essence, the

3、use of the computer monitor 's display traditional analog instrument control panel to output measurement results of various forms of expression , the use of powerful computer software functions the operation data for signal analysis and processing is completed for all test functions of a compute

4、r system apparatus . The design takes advantage of LabVIEW -based virtual instrument technology designed a vibration test systems, next-bit machine using AT89C52 microcontroller for data sampling , and to achieve data transmission signal via RS-232 serial communication with the PC , PC software deve

5、lopment based on LabVIEW platform. Which has a signal acquisition, waveform display , data processing, data storage , signal parameter detection and other functions, with a simple, intuitive interface, applicability, and other characteristics. By design, the data can be displayed in time domain and

6、frequency domain analysis.Keywords: Virtual Instrument, vibration test, LabVIEW, SCMIII西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 目 錄第1章 緒論11.1 課題研究的背景和意義11.3 論文主要設(shè)計(jì)內(nèi)容1第2章 虛擬儀器和LabVIEW32.1 虛擬儀器32.1.1 虛擬儀器的概念32.1.2 虛擬儀器的組成32.1.3 虛擬儀器的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)42.2 LabVIEW52.2.1 LabVIEW簡(jiǎn)介52.2.2 LabVIEW的基本特點(diǎn)6第3章 振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)73.1 振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)的組成73.2 信號(hào)測(cè)試與分

7、析73.3 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)8第4章 硬件設(shè)計(jì)94.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案94.2 壓電加速度傳感器94.3 電荷放大器104.4 A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543性能介紹104.5 單片機(jī)模塊124.5.1 AT89C52性能介紹124.5.2 A/D轉(zhuǎn)換電路154.6 基于AT89C52單片機(jī)的串口硬件采集接口電路設(shè)計(jì)154.6.1 串口簡(jiǎn)述154.6.2 串口硬件采集接口電路設(shè)計(jì)174.7 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件程序設(shè)計(jì)18第5章 LabVIEW軟件設(shè)計(jì)20IV西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 5.1 LabVIEW軟件總體設(shè)計(jì)方案205.1.1系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)215.2 LabVIEW程序設(shè)計(jì)

8、225.3 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)225.4 信號(hào)預(yù)處理模塊設(shè)計(jì)235.5 時(shí)域分析模塊設(shè)計(jì)235.5.1信號(hào)的時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析245.5.2 時(shí)域程序框圖255.6 頻域分析模塊設(shè)計(jì)265.6.1 幅值譜和相位譜分析275.6.2 功率譜分析285.6.3 頻域分析程序框圖28第6章 系統(tǒng)仿真調(diào)試306.1 仿真系統(tǒng)運(yùn)行原理306.2 時(shí)域分析模塊測(cè)試306.3 頻域分析模塊測(cè)試316.3.1 幅度與相位譜顯示316.3.2 功率譜顯示31總 結(jié)33致 謝34參考文獻(xiàn)35附 錄36西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 第1章 緒論1.1 課題研究的背景和意義 隨著計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器正在逐漸

9、成為測(cè)試領(lǐng)域的發(fā)展方向，采用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)振動(dòng)測(cè)試與分析也成為振動(dòng)測(cè)試的發(fā)展趨勢(shì)。所謂振動(dòng)，就是物體或某種狀態(tài)隨著時(shí)間往復(fù)變化的現(xiàn)象，這類現(xiàn)象有的源于系統(tǒng)內(nèi)部相互作用，有的是外界干擾引起的。在現(xiàn)代工程技術(shù)領(lǐng)域，存在著大量的振動(dòng)問(wèn)題。例如：電廠中汽輪發(fā)電機(jī)組及其它輔機(jī)設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，車輛在凸凹不平的路面上行駛所引起的振動(dòng)；旋轉(zhuǎn)機(jī)械由于質(zhì)量不平衡在運(yùn)行中的振動(dòng)；建筑物受地面和陣風(fēng)擾動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)等。在極大多數(shù)場(chǎng)合，振動(dòng)都是有害的，它將影響設(shè)備的正常工作和機(jī)械的加工精度，引起機(jī)器構(gòu)件的加速磨損，甚至導(dǎo)致急劇斷裂而破壞。為了解決工程振動(dòng)問(wèn)題，出現(xiàn)了一門集數(shù)學(xué)、力學(xué)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理、

10、人工智能等多種現(xiàn)代技術(shù)于一體的新興交叉學(xué)科振動(dòng)測(cè)試與分析。1.3 論文主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 本文從虛擬儀器開(kāi)發(fā)的角度，首先確定系統(tǒng)的總體方案和硬件配置，然后從整體上確定系統(tǒng)的模塊組成，在論文的主體部分，分別論述了以AT89C51單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集卡及相應(yīng)硬件設(shè)計(jì)電路，基于LabVIEW平臺(tái)下開(kāi)發(fā)一個(gè)完整的虛擬振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)軟件的各個(gè)模塊進(jìn)行具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對(duì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中普遍存在的問(wèn)題做了一定的探討與論述。為了實(shí)現(xiàn)振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，全文主要內(nèi)容如下： 1、振動(dòng)虛擬儀器的應(yīng)用研究 虛擬儀器是最近發(fā)展起來(lái)的一門嶄新的學(xué)科，是儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。本文從虛擬儀器的基本概念出發(fā)，分別介紹組成、功

11、能及特點(diǎn)以及與傳統(tǒng)儀器相比所具備的優(yōu)點(diǎn)等幾個(gè)方面。虛擬儀器用軟件編程替代傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器的硬件電路，因此成本大大降低，介紹了用于虛擬儀器開(kāi)發(fā)的集成軟件包LabVIEW并重點(diǎn)介紹了LabVIEW在信號(hào)處理與分析方面的優(yōu)勢(shì)。 2、振動(dòng)測(cè)試與分析應(yīng)用開(kāi)發(fā) 了解了虛擬儀器的概念和優(yōu)勢(shì)后，便開(kāi)始了振動(dòng)測(cè)試分析應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。重點(diǎn)介紹了以AT89C51單片機(jī)為核心的串口通訊的數(shù)據(jù)采集模塊的硬件設(shè)計(jì)。 3、虛擬振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 確定了系統(tǒng)的硬件平臺(tái)之后，就開(kāi)始了應(yīng)用軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。通過(guò)比較多種虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，選定了以圖形化編程軟件LabVIEW。然后便通過(guò)編程，將振動(dòng)測(cè)試的理論算法轉(zhuǎn)換成為L(zhǎng)abVI

12、EW的框圖程序。應(yīng)用軟件的主要功能包括: (1)數(shù)據(jù)采集:LabVIEW與單片機(jī)串口的軟件設(shè)計(jì)。 (2)文件管理:存儲(chǔ)和讀取振動(dòng)信號(hào)以及采樣參數(shù)數(shù)據(jù)。 (3)信號(hào)預(yù)處理:包括數(shù)字濾波(低通、高通、帶通、帶阻)和加窗(可選用多種窗函數(shù)，如矩形窗、哈寧窗、海明窗等)。 (4)時(shí)域分析:對(duì)信號(hào)統(tǒng)計(jì)特征的計(jì)算(峰值、均值、方差、均方根值等)。 (5)頻域分析:對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)作頻譜分析包括FFT分析、功率譜分析。 第2章 虛擬儀器和LabVIEW2.1 虛擬儀器2.1.1 虛擬儀器的概念 虛擬儀器(Virtual Instrument ,VI)的概念是由美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)最先提出的。所謂虛擬儀器

13、是基于計(jì)算機(jī)的軟硬件測(cè)試平臺(tái)，它可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量?jī)x器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀等；可集成于自動(dòng)控制、工業(yè)控制系統(tǒng)之中；可自由構(gòu)建成專有儀器系統(tǒng)。虛擬儀器是智能儀器之后的新一代測(cè)量?jī)x器。虛擬儀器的核心技術(shù)思想就是“軟件即是儀器”。該技術(shù)把儀器分為計(jì)算機(jī)、儀器硬件和應(yīng)用軟件三部分。虛擬儀器以通用計(jì)算機(jī)和配備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口的測(cè)量?jī)x器(包括 GPIB, RS-232 等傳統(tǒng)儀器以及新型的 VXI 模塊化儀器)為基礎(chǔ)，將儀器硬件連接到各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，直接利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，將計(jì)算機(jī)硬件(處理器、存儲(chǔ)器、顯示器)和測(cè)量?jī)x器(頻率計(jì)、示波器、信號(hào)源)等硬件資源與計(jì)算機(jī)軟件資源(包

14、括數(shù)據(jù)的處理、控制、分析和表達(dá)、過(guò)程通訊以及圖形用戶界面)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。如圖2.1反映了常見(jiàn)的虛擬儀器方案。圖2.1 虛擬儀器方案2.1.2 虛擬儀器的組成虛擬儀器由軟件和硬件兩部分組成，突破了傳統(tǒng)電子儀器以硬件為主體的模式用具有測(cè)試軟件的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電子儀器的功能。 虛擬儀器的硬件是計(jì)算機(jī)和為其配置的各種傳感器互感器信號(hào)調(diào)理器數(shù)據(jù)采集器等計(jì)算機(jī)及其配置的電子測(cè)量?jī)x器硬件模塊組成了虛擬儀器測(cè)試硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)。 軟件是虛擬儀器的靈魂。NI 公司在提出虛擬儀器概念時(shí)用“軟件就是儀器（Software is Instrument ）”的口號(hào)來(lái)表達(dá)虛擬儀器的特征，強(qiáng)調(diào)了軟件在虛擬儀器中極為重要的位

15、置。虛擬儀器的軟件包括：虛擬儀器的前面板、信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等。因此測(cè)量信號(hào)是在軟件的控制下，經(jīng)由電子測(cè)量硬件平臺(tái)的采集，再經(jīng)電子計(jì)算機(jī)的處理，得到最終的測(cè)試結(jié)果，并以數(shù)據(jù)、曲線、圖形等顯示在電子計(jì)算機(jī)的終端顯示屏上。2.1.3 虛擬儀器的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的功能化硬件模塊和計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)成的電子測(cè)試儀器，而軟件是虛擬儀器的核心。其中軟件的基礎(chǔ)部分是設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件，而這些標(biāo)準(zhǔn)的儀器驅(qū)動(dòng)軟件使得系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與儀器的硬件變化無(wú)關(guān)。這是虛擬儀器最大的優(yōu)點(diǎn)之一，有了這一點(diǎn)，儀器的開(kāi)發(fā)和換代時(shí)間將大大縮短。虛擬儀器中應(yīng)用程序?qū)⒖蛇x硬件(如 GPIB, VXI, RS-232,

16、 DAQ 板) 和可重復(fù)用庫(kù)函數(shù)等軟件結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了儀器模塊間的通信、定時(shí)與觸發(fā)。原碼庫(kù)函數(shù)為用戶構(gòu)造自己的虛擬儀器(VI)系統(tǒng)提供了基本的軟件模塊。由于VI 的模塊化、開(kāi)放性和靈活性，以及軟件是關(guān)鍵的特點(diǎn)，當(dāng)用戶的測(cè)試要求變化時(shí)可以方便地由用戶自己來(lái)增減硬、軟件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足新的測(cè)試要求。這樣，當(dāng)用戶從一個(gè)項(xiàng)目轉(zhuǎn)向另一個(gè)項(xiàng)目時(shí)，就能簡(jiǎn)單地構(gòu)造出新的 VI系統(tǒng)而不丟失己有的硬件和軟件資源。虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用面極為廣泛。尤其在科研、開(kāi)發(fā)、測(cè)量、檢測(cè)、計(jì)量、測(cè)控等領(lǐng)域更是不可多得的好工具。虛擬儀器技術(shù)先進(jìn)，十分

17、符合國(guó)際上流行的”硬件軟件化”的發(fā)展趨勢(shì)，因而常被稱作“軟件儀器“。它功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號(hào)發(fā)生器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭和軟件還可檢測(cè)特定系統(tǒng)的參數(shù)，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、汽油標(biāo)號(hào)、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數(shù)等多種數(shù)據(jù)；它操作靈活，完全圖形化界面，風(fēng)格簡(jiǎn)約，符合傳統(tǒng)設(shè)備的使用習(xí)慣，用戶不經(jīng)培訓(xùn)即可迅速掌握操作規(guī)程；它集成方便，不但可以和高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備構(gòu)成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，而且可以和控制設(shè)備構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)。表 2-1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較特性虛擬儀器傳統(tǒng)儀器兼容性開(kāi)放性、靈活性，可與計(jì)算機(jī)技術(shù)保持同步發(fā)展封閉性，儀器間相互配合較差系統(tǒng)升級(jí)關(guān)鍵是軟件，系

18、統(tǒng)升級(jí)方便，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載升級(jí)程序關(guān)鍵是硬件，升級(jí)成本高，而且要上門進(jìn)行升級(jí)服務(wù)價(jià)格價(jià)格低廉，儀器間資源可重復(fù)利用率高價(jià)格昂貴，儀器間一般無(wú)法共享資源體積體積較小，便于攜帶和野外工作體積較大，不便于運(yùn)輸開(kāi)發(fā)和維護(hù)用戶可以定義儀器功能可以與網(wǎng)絡(luò)及周邊設(shè)備方便連接開(kāi)發(fā)與維護(hù)費(fèi)用較低功能由生產(chǎn)商預(yù)先定義功能單一，只能連接有限立設(shè)備開(kāi)發(fā)與維護(hù)開(kāi)銷高技術(shù)更新周期技術(shù)更新周期短(1-2 年)技術(shù)更新周期長(zhǎng)(5-10 年)由表 2-1可見(jiàn)，與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器在各方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足科技高速發(fā)展對(duì)電子測(cè)量技術(shù)提出的新要求，必然會(huì)成為電子測(cè)量?jī)x器發(fā)展的趨勢(shì)。2.2 LabVIEW2.2.1 La

19、bVIEW簡(jiǎn)介 LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境（Laboratory Virtual instrument Engineering）的簡(jiǎn)稱，它是美國(guó)國(guó)家儀器公司(簡(jiǎn)稱NI)的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品。 LabVIEW為用戶構(gòu)造自己的儀器系統(tǒng)提供了完美的解決途徑。虛擬儀器軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)的融合為一個(gè)整體，這就把計(jì)算機(jī)中含有的強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本、體積和開(kāi)發(fā)時(shí)間。虛擬儀器隨著與計(jì)算機(jī)的發(fā)展而發(fā)展，它還與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)，我們只需改變軟件程序就可以不斷擴(kuò)展增強(qiáng)虛擬儀器的測(cè)量功能，并且十分簡(jiǎn)單。 LabVIEW也是一直

20、通用的編程系統(tǒng)，它具有各種各樣、功能強(qiáng)大、簡(jiǎn)單易用的函數(shù)庫(kù)，這些函數(shù)庫(kù)里包含著包括數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、串行儀器控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。LabVIEW也有完善的仿真、調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步等，十分方便用戶調(diào)試。此外LabVIEW有動(dòng)態(tài)連續(xù)的跟蹤方式，利用此功能可以動(dòng)態(tài)、連續(xù)地觀察程序中的數(shù)據(jù)及其變化情況，這比其他語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境更加方便、更加有效。 LabVIEW采用圖形化編程語(yǔ)言G語(yǔ)言，它所產(chǎn)生的程序是框圖的形式，這種形式易學(xué)易用，因?yàn)镚語(yǔ)言可在很短時(shí)間內(nèi)掌握并應(yīng)用到實(shí)踐中去。圖形化的程序設(shè)計(jì)編程比傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單直觀，并且開(kāi)發(fā)效率高。隨著虛擬儀器技術(shù)的不斷發(fā)展，這種圖形

21、化的編程語(yǔ)言一定會(huì)通行的標(biāo)準(zhǔn)。2.2.2 LabVIEW的基本特點(diǎn)1、具有良好的圖形用戶界面。用LabVIEW可以在計(jì)算機(jī)屏幕上產(chǎn)生出類似于傳統(tǒng)儀器的面板，包括按鈕、旋鈕、開(kāi)關(guān)、圖形顯示組件、控制組件等等。這些組件都具有高仿真度。2、比起其他的語(yǔ)言來(lái)說(shuō)編程簡(jiǎn)單、由于采用圖形化的語(yǔ)言G語(yǔ)言，用圖形化的方式編寫程序。3、具有良好的模塊化和層次結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。用LabVIEW編寫的VI既可以作為頂層程序使用，還可以作為其他大型程序的子程序進(jìn)行調(diào)用。4、LabVIEW軟件提供功能強(qiáng)大程序調(diào)試工具。程序調(diào)試工具可以在源代碼中設(shè)置斷點(diǎn)，可以單步執(zhí)行，也可以啟動(dòng)。 第3章 振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)3.1 振動(dòng)測(cè)試分析系

22、統(tǒng)的組成一般來(lái)說(shuō)，振動(dòng)測(cè)試與分析系統(tǒng)由兩大部分組成。一部分為傳感器測(cè)量系統(tǒng)，它包括各種振動(dòng)傳感器、壓力傳感器以及其有關(guān)測(cè)量部分，其左右是拾取表征機(jī)器狀態(tài)的各種信號(hào)或參數(shù)，并使之變成標(biāo)準(zhǔn)的電壓或電流信號(hào)；另一部分即為測(cè)量數(shù)據(jù)采集、顯示、處理及分析系統(tǒng)，其作用是獲得信號(hào)并進(jìn)行具體振動(dòng)值顯示，同時(shí)進(jìn)行進(jìn)一步的各種分析、處理。 激振力發(fā)生器 激振對(duì)象振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng) 圖3.1 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 實(shí)際的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可歸納為圖3.1所示的框圖，激勵(lì)力發(fā)生器產(chǎn)生具有某種特定的大小和變化規(guī)律的力，作用于激振對(duì)象，構(gòu)成它的給定輸入。激振對(duì)象在此激振力的作用下產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)輸出響應(yīng)。振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)則對(duì)激振對(duì)象的

23、輸出響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量。 一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，從外界輸入一定形式的激勵(lì)就呈現(xiàn)一定形式的輸出，輸入通常稱為激勵(lì)，輸出稱為響應(yīng)；輸出特性不僅取決于輸入特性，還取決于振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)特性。輸入、輸出和系統(tǒng)的振動(dòng)特性這三者之間的關(guān)系如圖 3.2所示。 系統(tǒng)振動(dòng)特性 激振 響應(yīng) 圖 3.2振動(dòng)系統(tǒng)原理圖3.2 信號(hào)測(cè)試與分析 對(duì)于絕大多數(shù)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，傳感器在連接到數(shù)據(jù)設(shè)備之前的信號(hào)必須被轉(zhuǎn)換為設(shè)備所能夠識(shí)別的信號(hào)，所以信號(hào)調(diào)理非常重要。典型的系統(tǒng)一般都需要信號(hào)調(diào)理硬件，用于將原始信號(hào)以及傳感器輸出接到數(shù)據(jù)采集卡上通過(guò)信號(hào)調(diào)理的功能，如信號(hào)的放大、隔離、濾波、線性化處理等，提高了數(shù)據(jù)系統(tǒng)的可靠性等性能。信號(hào)

24、分析是振動(dòng)測(cè)試中的一種重要方法，也是近年來(lái)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展方向。數(shù)字信號(hào)的測(cè)試與模擬信號(hào)的測(cè)試一樣，也是由傳感器來(lái)完成得。然后將模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，在利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行分析與處理。信號(hào)處理的基本步驟如圖3.2所示。 預(yù)處理結(jié)果顯示信號(hào)處理器A/D 轉(zhuǎn)換振動(dòng)信號(hào)圖 3.2 信號(hào)處理基本步驟3.3 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)是基于LabVIEW和單片機(jī)的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其主要工作就是在機(jī)械振動(dòng)過(guò)程中通過(guò)加速度傳感器把機(jī)械振動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的記錄下來(lái)，然后把記錄下來(lái)的振動(dòng)數(shù)據(jù)送入TLC2543數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行特殊轉(zhuǎn)換處理，將帶有干擾的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波等干擾消除過(guò)程轉(zhuǎn)換成單片機(jī)易于接收的數(shù)字信號(hào)

25、，之后傳送給AT89C52單片機(jī)再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的特殊處理，將接收到的數(shù)字信號(hào)通過(guò)MAX232電平轉(zhuǎn)換使單片機(jī)與PC機(jī)的串行口電平匹配，把處理后的振動(dòng)數(shù)據(jù)送入PC機(jī)。PC機(jī)接收單片機(jī)傳送來(lái)的振動(dòng)數(shù)據(jù)通過(guò)LabVIEW應(yīng)用軟件以波形的方式顯示出來(lái)以便分析振動(dòng)變化情況。系統(tǒng)整體框圖如圖3.3所示。振動(dòng)傳感器TLC2543RS-232上位機(jī)AT89C52MAX232圖3.3 系統(tǒng)整體框圖第4章 硬件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 具體的采集系統(tǒng)的總體構(gòu)成如圖4.1所示。壓電加速度傳感器A/D轉(zhuǎn)換電路信號(hào)調(diào)理電路單片機(jī)RS-232 電平轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)圖 4.1 采集系統(tǒng)的總體構(gòu)成在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，我們采集的

26、一般為時(shí)域信號(hào)，而計(jì)算機(jī)是對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理的，所以需要將信號(hào)經(jīng)過(guò)各種調(diào)理器和轉(zhuǎn)換器來(lái)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。具體轉(zhuǎn)換過(guò)程從圖4.1中能看出；壓電加速度傳感器輸出的為電荷信號(hào)，因?yàn)樾盘?hào)非常小，所以需要經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路（本次設(shè)計(jì)選擇為電荷放大器）放大且濾波，轉(zhuǎn)換成可以測(cè)量的電壓信號(hào)，并將一部分干擾信號(hào)濾波過(guò)濾，再經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)。再由單片機(jī)及通訊電路送至上位機(jī)通過(guò)LabVIEW軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行讀取、轉(zhuǎn)換和顯示等。4.2 壓電加速度傳感器傳感器是能夠感受物體運(yùn)動(dòng)并將物體的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)的一種敏感的換能元件。傳感器的種類很多，且有不同的分類方法，按參考坐標(biāo)的不同

27、可分為絕對(duì)式與相對(duì)式傳感器；按工作方式的不同可分為接觸式和非接觸式傳感器；按工作原理的不同可分為慣性式和參數(shù)式傳感器；按測(cè)量參數(shù)的不同又可分為位移、速度和加速度傳感器等。本次設(shè)計(jì)采用的是機(jī)械振動(dòng)測(cè)量中常用的壓電式加速度傳感器。加速度傳感器主要是用于測(cè)量振動(dòng)物體的振動(dòng)加速度。壓電式加速度傳感器，由于體積小，重量輕，靈敏度高和頻率范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際測(cè)量中應(yīng)用最為普遍。4.3 電荷放大器 壓電式加速度傳感器輸出的是電荷信號(hào)，而且比較微弱，不能直接被數(shù)據(jù)采集卡采集，所以需要用信號(hào)放大器來(lái)把較弱的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化成較強(qiáng)的能被數(shù)據(jù)采集卡采集的電壓信號(hào)。根據(jù)所用的壓電式加速度傳感器壓電材料連接方法的不同，與之

28、配套的前置放大器分為電壓放大器或電荷放大器。并聯(lián)壓電材料的壓電傳感器，適于選用電荷放大器，其電路特點(diǎn)是放大器輸出電壓只與傳感器產(chǎn)生的電荷輸入量及放大器反饋電容有關(guān)，而與構(gòu)成電路的電纜所形成的分布電容和信號(hào)頻率無(wú)關(guān)，這一特性使電荷放大器對(duì)傳輸線路的分布電容不敏感，傳輸距離可達(dá)數(shù)百米，因此受到普遍使用。對(duì)采用串聯(lián)壓電材料的壓電傳感器，則需要使用電壓放大器，當(dāng)改變連接傳感器與電壓放大器的電纜長(zhǎng)度時(shí)，由于分布電容發(fā)生變化會(huì)引起測(cè)量誤差，需通過(guò)重新校正放大器靈敏度加以消除，給測(cè)試帶來(lái)不便。 電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的放大器，它的核心是一個(gè)具有電容負(fù)反饋、且輸入阻抗極高的高增益運(yùn)算放大器

29、。4.4 A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543性能介紹 TLC2543是德州儀器公司生產(chǎn)的12位開(kāi)關(guān)電容型逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它具有三個(gè)控制輸入端，采用簡(jiǎn)單的3線SPI串行接口可方便地與微機(jī)進(jìn)行連接，是12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最佳選擇器件之一。TLC2543與外圍電路的連線簡(jiǎn)單，三個(gè)控制輸入端為CS(片選)、輸入/輸出時(shí)鐘(I/O CLOCK)以及串行數(shù)據(jù)輸入端(DATA INPUT)。片內(nèi)的14通道多路器可以選擇11個(gè)輸入中的任何一個(gè)或3個(gè)內(nèi)部自測(cè)試電壓中的一個(gè)，采樣保持是自動(dòng)的，轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOC輸出變高。TLC2543的主要特性如下：11個(gè)模擬輸入通道；66ksps的采樣速率；最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為10s；SP

30、I串行接口；線性度誤差最大為±1LSB；低供電電流(1mA典型值)；掉電模式電流為4A。TLC2543的引腳排列如圖4.4 所示。圖4.4 TLC2543芯片引腳功能說(shuō)明如下：AIN0AIN10：模擬輸入端，由內(nèi)部多路器選擇。對(duì)4.1MHz的I/O CLOCK，驅(qū)動(dòng)源阻抗必須小于或等于50；CS：片選端，CS由高到低變化將復(fù)位內(nèi)部計(jì)數(shù)器，并控制和使能DATA OUT、DATA INPUT和I/O CLOCK。CS由低到高的變化將在一個(gè)設(shè)置時(shí)間內(nèi)禁止DATA INPUT和I/O CLOCK；DATA INPUT：串行數(shù)據(jù)輸入端，串行數(shù)據(jù)以MSB為前導(dǎo)并在I/O CLOCK的前4個(gè)上升沿

31、移入4位地址，用來(lái)選擇下一個(gè)要轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號(hào)或測(cè)試電壓，之后I/O CLOCK將余下的幾位依次輸入；DATA OUT：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果三態(tài)輸出端，在CS為高時(shí)，該引腳處于高阻狀態(tài)；當(dāng)CS為低時(shí)，該引腳由前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果的MSB值置成相應(yīng)的邏輯電平；EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束端。在最后的I/O CLOCK下降沿之后，EOC由高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D(zhuǎn)換完成及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳輸；VCC、GND：電源正端、地；REF、REF：正、負(fù)基準(zhǔn)電壓端。通常REF接VCC，REF接GND。最大輸入電壓范圍取決于兩端電壓差；I/O CLOCK：時(shí)鐘輸入/輸出端。4.5 單片機(jī)模塊4.5.1 AT89C52性能介紹AT89C52

32、是美國(guó)Atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8KB的可反復(fù)檫寫的程序存儲(chǔ)器和12B的隨機(jī)存取AT89C52是美國(guó)Atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8KB的可反復(fù)檫寫的程序存儲(chǔ)器和12B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)配置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C52單片機(jī)可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。AT89C52單片機(jī)屬于AT89C51單片機(jī)的增強(qiáng)型，與Intel公司的80C52在引腳排列、硬件組成、工作特點(diǎn)和指令系統(tǒng)等方面兼容。

33、AT89C52單片機(jī)芯片如圖4.5所示。圖 4.5 AT89C52芯片其主要工作特性是：l 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器內(nèi)含8KB的Flash程序存儲(chǔ)器，可擦寫壽命為1000次；l 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)含256字節(jié)的RAM；l 具有32根可編程I/O口線；l 具有3個(gè)可編程定時(shí)器；l 中斷系統(tǒng)是具有8個(gè)中斷源、6個(gè)中斷矢量、2個(gè)級(jí)優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)；l 串行口是具有一個(gè)全雙工的可編程串行通信口；l 具有一個(gè)數(shù)據(jù)指針DPTR；l 低功耗工作模式有空閑模式和掉電模式；l 具有可編程的3級(jí)程序鎖定位；l AT89C52工作電源電壓為5（1+0.2）V，且典型值為5V；l AT89C52最高工作頻率為24MHz。 主要管

34、腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù)端。P0P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計(jì)中，P0 端口（3239 腳）被定義為N1 功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接，13 腳定義為IR輸入端，10 腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12 腳、27 腳及28 腳定義為握手信號(hào)功能端口，連接主板CPU 的相應(yīng)功能端

35、，用于當(dāng)前制式的檢測(cè)及會(huì)聚調(diào)整狀態(tài)進(jìn)入的控制功能。P0 口P0 口是一組8 位漏極開(kāi)路型雙向I/O 口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8 個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)端口P0 寫“1”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash 編程時(shí)，P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。P1 口P1 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口， P1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè)TTL 邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”，通過(guò)

36、內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流(IIL)。與AT89C51 不同之處是，P1.0 和P1.1 還可分別作為定時(shí)/計(jì)數(shù)器2 的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和輸入（P1.1/T2EX）。Flash 編程和程序校驗(yàn)期間，P1 接收低8 位地址。P2 口P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè)TTL 邏輯門電路。對(duì)端口P2 寫“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)

37、輸出一個(gè)電流(IIL)。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX DPTR 指令）時(shí)，P2 口送出高8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問(wèn)8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行MOVX RI 指令）時(shí)，P2 口輸出P2 鎖存器的內(nèi)容。Flash 編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和一些控制信號(hào)。P3 口P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口。P3 口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè)TTL 邏輯門電路。對(duì)P3 口寫入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時(shí)，被外部拉低的P3 口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3 口除了作為一般的I/O 口線外，更重要的

38、用途是它的第二功能P3 口還接收一些用于Flash 閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。RST復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8 位字節(jié)。一般情況下，ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6 輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE 脈沖。對(duì)Flash 存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH 單元的D0 位置位，可禁止ALE

39、 操作。該位置位后，只有一條MOVX 和MOVC指令才能將ALE 激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE 禁止位無(wú)效。PSEN程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C52 由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN 有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過(guò)兩次PSEN信號(hào)。EA/VPP外部訪問(wèn)允許。欲使CPU 僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000HFFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU 則

40、執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V 的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V 編程電壓Vpp。XTAL1振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2振蕩器反相放大器的輸出端。4.5.2 A/D轉(zhuǎn)換電路本部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，如圖4.5采用單片機(jī)AT89C52與A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543相接。單片機(jī)是整個(gè)電路的核心，其外圍電路包括復(fù)位電路、時(shí)鐘電路。復(fù)位電路采用上電自動(dòng)復(fù)位電路，高電平有效。時(shí)鐘電路使用外部獨(dú)立時(shí)鐘振蕩器所產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)，本設(shè)計(jì)采用11.0592MHz晶振。TLC2543對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采集，轉(zhuǎn)換結(jié)果由單片機(jī)接

41、收。圖4.5 A/D轉(zhuǎn)換電路4.6 基于AT89C52單片機(jī)的串口硬件采集接口電路設(shè)計(jì)4.6.1 串口簡(jiǎn)述串行接口簡(jiǎn)稱串口，也是串行通信接口（通常指COM接口），是采用串行通信方式的擴(kuò)展接口。串行接口是指數(shù)據(jù)一位一位地順序傳送，其特點(diǎn)是通信線路簡(jiǎn)單，只要一對(duì)傳輸線就可以實(shí)現(xiàn)雙向通信，從而大大降低了成本，特別適用于遠(yuǎn)距離通信。一條信息的各位數(shù)據(jù)被逐位按順序傳送的通訊方式稱為串口通訊。串口通訊的特點(diǎn)是：數(shù)據(jù)位的傳送，按位順序進(jìn)行，最少只需要一根傳輸線即可完成；成本低但傳送速度慢。串口通訊的距離可以從幾米到幾千米；根據(jù)信息的傳送方向，串口通訊可以進(jìn)一步分為單工、半雙工和全雙工三種。串口通信最重要的參

42、數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)。對(duì)于兩個(gè)進(jìn)行通信的端口，這些參數(shù)必須匹配：（1） 波特率：這是一個(gè)衡量通信速度的參數(shù)。它表示每秒鐘傳送的bit的個(gè)數(shù)。例如200波特表示每秒鐘發(fā)送200個(gè)bit。每當(dāng)我們提到時(shí)鐘周期時(shí)，我們指的就是波特率。例如，如果協(xié)議需要4800波特率，那么時(shí)鐘就是4800Hz。這意味著串口通信在數(shù)據(jù)線上的采樣率為4800Hz。（2） 數(shù)據(jù)位：這是衡量通信中實(shí)際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)送一個(gè)信息包，實(shí)際的數(shù)據(jù)不會(huì)是8位的，標(biāo)準(zhǔn)的值是5、7和8位。如何設(shè)置取決于你想傳送的信息。比如，標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼是0127（7位）。擴(kuò)展的ASCII碼是0255（8位）。如果數(shù)據(jù)使用簡(jiǎn)

43、單的文本（標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼），那么每個(gè)數(shù)據(jù)包使用7位數(shù)據(jù)。每個(gè)包是指一個(gè)字節(jié)，包括開(kāi)始/停止位，數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位。由于實(shí)際數(shù)據(jù)位取決于通信協(xié)議的選取，術(shù)語(yǔ)“包”指任何通信的情況。（3） 停止位：用于表示單個(gè)包的最后一位。典型的值為1，1.5和2位。由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時(shí)的，并且每一個(gè)設(shè)備有其自己的時(shí)鐘，很可能在通信中兩臺(tái)設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計(jì)算機(jī)校正時(shí)鐘同步的機(jī)會(huì)。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時(shí)鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時(shí)也越慢。（4） 奇偶校驗(yàn)位：在串口通信中一種簡(jiǎn)單的檢錯(cuò)方式。有四種檢錯(cuò)方式：偶、奇、高和低。當(dāng)然沒(méi)有校驗(yàn)位也是

44、可以的。對(duì)于偶和奇校驗(yàn)的情況，串口會(huì)設(shè)置校驗(yàn)位（數(shù)據(jù)位后面的一位），用一個(gè)值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個(gè)或者奇?zhèn)€邏輯高位。例如，如果數(shù)據(jù)是011，那么對(duì)于偶校驗(yàn)，校驗(yàn)位為0，保證邏輯高的位數(shù)是偶數(shù)個(gè)。如果是奇校驗(yàn)，校驗(yàn)位為1，這樣就有3個(gè)邏輯高位。高位和低位不真正的檢查數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單置位邏輯高或者邏輯低校驗(yàn)。這樣使得接收設(shè)備能夠知道一個(gè)位的狀態(tài)，有機(jī)會(huì)判斷是否有噪聲干擾了通信或者是否傳輸和接收數(shù)據(jù)是否不同步。RS-232（ANSI/EIA-232標(biāo)準(zhǔn)）是IBM-PC及其兼容機(jī)上的串行連接標(biāo)準(zhǔn)。可用于許多用途，比如連接鼠標(biāo)、打印機(jī)或者M(jìn)odem，同時(shí)也可以接工業(yè)儀器儀表。用于驅(qū)動(dòng)和連線的改進(jìn)，實(shí)際應(yīng)用中RS

45、-232的傳輸長(zhǎng)度或者速度常常超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的值。RS-232只限于PC串口和設(shè)備間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。RS-232串口通信最遠(yuǎn)距離是50英尺。圖 4.6 DB-9針連接頭RS-232針腳的功能：數(shù)據(jù)：TXD（pin 3）：串口數(shù)據(jù)輸出(Transmit Data)RXD（pin 2）：串口數(shù)據(jù)輸入(Receive Data)握手：RTS（pin 7）：發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求(Request to Send)CTS（pin 8）：清除發(fā)送(Clear to Send)DSR（pin 6）：數(shù)據(jù)發(fā)送就緒(Data Send Ready)DCD（pin 1）：數(shù)據(jù)載波檢測(cè)(Data Carrier Detect)DTR

46、（pin 4）：數(shù)據(jù)終端就緒(Data Terminal Ready)地線：GND（pin 5）：地線其他RI（pin 9）：鈴聲指示4.6.2 串口硬件采集接口電路設(shè)計(jì)該硬件接口電路由振動(dòng)傳感器、AT89C52單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路組成。如圖4.2所示。圖4.2 硬件采集接口電路該數(shù)據(jù)采集硬件電路設(shè)計(jì)以單片機(jī)AT89C52為控制核心，通過(guò)RS-232與PC機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集控制以及數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)。單片機(jī)通過(guò)指令來(lái)控制啟動(dòng)TLC2543，配置TLC2543的控制字，按位讀取數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并將讀來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)自身的全雙工串口發(fā)送出去。由R

47、S-232串口送給計(jì)算機(jī)處理。上位機(jī)用PC機(jī)，軟件采用LabVIEW，通過(guò)它讀串口的數(shù)據(jù)并分析、顯示。由于單片機(jī)輸出的TTL電平與串口發(fā)送的電平不一致。因此，需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器，這里選用MAX232，完成TTL電平到RS232電平的轉(zhuǎn)換。通過(guò)串口下位機(jī)與計(jì)算機(jī)建立了通信。4.7 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件由主程序和部分子程序構(gòu)成，有A/D轉(zhuǎn)換子程序、串口通訊程序組成。程序流程框圖如圖所示。開(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)串口通信采集信號(hào)實(shí)時(shí)顯示結(jié)束圖4.7 程序流程框圖本次設(shè)計(jì)是硬件電路和軟件編程結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，選擇合適的編程語(yǔ)言是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，常用的是匯編和C語(yǔ)言

48、。匯編語(yǔ)言的特點(diǎn)是占用內(nèi)存單元少，執(zhí)行效率高，執(zhí)行速度快。但它依賴于計(jì)算機(jī)硬件，程序可讀行和可移植性比較差。而C語(yǔ)言雖然執(zhí)行效率沒(méi)有匯編語(yǔ)言高，但語(yǔ)言簡(jiǎn)潔，使用方便，靈活，運(yùn)算豐富，表達(dá)化類型多樣化，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型豐富，具有結(jié)構(gòu)化的控制語(yǔ)句，程序設(shè)計(jì)自由度大，有很好的可用性和可移植性等特點(diǎn)。由于單片機(jī)的發(fā)展已達(dá)到很多高的水平，內(nèi)部的各種資源相當(dāng)?shù)呢S富，CPU的處理速度非常快。用C語(yǔ)言控制單片機(jī)是最理想的選擇。所以本次設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編寫軟件程序。 系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，首先執(zhí)行主程序，完成系統(tǒng)初始化工作，然后調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序，調(diào)用中斷子程序，將單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)上，然后循環(huán)執(zhí)行。第5章 LabVI

49、EW軟件設(shè)計(jì)5.1 LabVIEW軟件總體設(shè)計(jì)方案本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是在LabVIEW平臺(tái)上設(shè)計(jì)一套振動(dòng)信號(hào)采集分析虛擬儀器系統(tǒng)。其主要功能有：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)讀取和存儲(chǔ)、信號(hào)分析和處理。由于LabVIEW是基于模塊化程序設(shè)計(jì)思想，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中也是基本遵循這一基本思想，在總體的方案確定后，根據(jù)所需的不同功能分別組建各種功能模塊，最后在進(jìn)行調(diào)試。根據(jù)振動(dòng)測(cè)試的需要，本文把整個(gè)系統(tǒng)分為以下模塊：數(shù)據(jù)采集、信號(hào)預(yù)處理、時(shí)域分析、頻域分析等模塊?？傮w方案如圖5.1所示。 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊信號(hào)預(yù)處理模塊時(shí)域分析模塊頻域分析模塊圖 5.1 軟件設(shè)計(jì)總體方案5.1.1系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主界面如圖

50、5.2所示。主界面的左側(cè)為系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置區(qū)域，包括串口通信設(shè)置、數(shù)字濾波器設(shè)置、窗函數(shù)選擇以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。右側(cè)為數(shù)據(jù)采集信號(hào)分析區(qū)域，主要包括信號(hào)的時(shí)域分析和頻域分析。圖 5.2 系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)5.2 LabVIEW程序設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)中，LabVIEW作為上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，完成對(duì)單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行一系列的變換處理。首先，LabVIEW創(chuàng)建串口對(duì)象并初始化，然后向單片機(jī)命令并接收處理單片機(jī)發(fā)回的相應(yīng)數(shù)據(jù)。程序流程框圖如圖5.3所示。主程序開(kāi)始創(chuàng)建串口對(duì)象并初始化寫串口（發(fā)送命令）接收單片機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理關(guān)閉串口圖5.3 程序流程框圖5.3 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集提供了整個(gè)測(cè)試分析系

51、統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源，是虛擬儀器的基本組成部分。數(shù)據(jù)采集部分主要以單片機(jī)控制A/D芯片來(lái)完成對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的讀取，然后數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳到PC機(jī)。PC機(jī)利用LabVIEW軟件對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理、分析、顯示等。LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序如圖5.3所示。圖5.4 數(shù)據(jù)采集程序在采集開(kāi)始之前需要先對(duì)VISA模塊串口進(jìn)行初始化設(shè)置，串口初始化設(shè)置可以對(duì)串行端口、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)本系統(tǒng)上位機(jī)和下位機(jī)的通訊協(xié)議，波特率設(shè)為9600，數(shù)據(jù)位設(shè)為8，校驗(yàn)位設(shè)為none，停止位設(shè)為1。5.4 信號(hào)預(yù)處理模塊設(shè)計(jì) 經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集的原始信號(hào)常常包含著不利于分析的成分，其中之一是在取得數(shù)據(jù)時(shí)混入

52、各種噪聲，這些高頻干擾成分可能對(duì)最終的分析結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。因此，在信號(hào)處理分析之前需要進(jìn)行預(yù)處理，以提高數(shù)據(jù)的可靠性和真實(shí)性。信號(hào)預(yù)處理設(shè)計(jì)主要采用預(yù)濾波或抗混疊濾波技術(shù)。根據(jù)需要選擇信號(hào)的最高頻率，而對(duì)高于此頻率以上的部分用低通濾波器濾掉，從而降低了信號(hào)中的最高頻率。 本設(shè)計(jì)采用了巴特沃斯低通濾波器。這種濾波器的特點(diǎn)是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒(méi)有起伏;振幅對(duì)角頻率單調(diào)下降，并且是唯一的無(wú)論階數(shù)，振幅對(duì)角頻率曲線都保持同樣的形狀的濾波器。5.5 時(shí)域分析模塊設(shè)計(jì) 所謂信號(hào)的時(shí)域分析就是求取信號(hào)在時(shí)域中的特征參數(shù)包括峰值、峰-峰值、均值、方差、均方值、有效值等)及信號(hào)波形在不同時(shí)

53、刻的相似性和關(guān)聯(lián)性(如自相關(guān)函數(shù)、互相關(guān)函數(shù))。5.5.1信號(hào)的時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析 對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析，可以求得信號(hào)的均值、方差、均方根值等參數(shù)。1峰值 峰值指波形上與零線的最大偏離量，其表達(dá)式為 （5-1） 在振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)中，采用時(shí)域振動(dòng)信號(hào)的數(shù)字序列峰值作為其峰值的估計(jì)。 （5-2）意義:考核機(jī)器強(qiáng)度時(shí)，尤其是低頻段，結(jié)構(gòu)的破壞直接與峰值有關(guān)。2 均值 均值表示集合平均值或數(shù)學(xué)期望值，用表示。基于隨機(jī)過(guò)程的各態(tài)歷經(jīng)性，可用時(shí)間間隔T內(nèi)的幅值平均值表示，其表達(dá)式為 （5-3）在振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)中，采用時(shí)域振動(dòng)信號(hào)的數(shù)字序列均值作為其均值的估計(jì) （5-4）意義:均值描述了振動(dòng)信號(hào)的靜態(tài)分量。3 方差 信號(hào)X(t)的方差表示信號(hào)偏離均值平方的均值，其表達(dá)式為 （5-5）在振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)中，采用時(shí)域振動(dòng)信號(hào)的數(shù)字序列方差作為其方差的估計(jì) （5-6）意義:方差描述隨機(jī)信號(hào)在其均值附近的分布情況，反映信號(hào)的波動(dòng)分量。4 均方根值均方根值也稱為信號(hào)的有效值，是信號(hào)平均能量的一