基于labview振动测试系统.doc

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I

西南科技大学城市学院本科生毕业论文

基于LabVIEW的振动信号测试系统设计

摘要：

虚拟仪器是现代计算机技术同仪器技术深层次结合的全新概念仪器，实质是利用计算机的显示器的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出测量结果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理，完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。

本次设计利用了基于LabVIEW的虚拟仪器技术设计了一套振动测试系统，下位机采用AT89C52单片机进行数据采样，并通过RS-232串口与上位机通信实现信号数据的传输，上位机软件开发基于LabVIEW平台。

其具有信号采集，波形显示，数据处理，数据保存，信号参数检测等功能，具有操作简单，界面直观，适用性强等特点。

通过设计，能够对数据进行时域显示和频域分析处理。

关键词：

虚拟仪器；振动测试；LabVIEW；单片机

II

西南科技大学城市学院本科生毕业论文

VibrationTestingSystemBasedonLabVIEWSignalDesign

Abstract:

Virtualinstrumentationismoderncomputertechnologycombinedwiththedeep-seatedinstrumenttechnologynewconceptinstrument,inessence,theuseofthecomputermonitor'sdisplaytraditionalanaloginstrumentcontrolpaneltooutputmeasurementresultsofvariousformsofexpression,theuseofpowerfulcomputersoftwarefunctionstheoperationdataforsignalanalysisandprocessingiscompletedforalltestfunctionsofacomputersystemapparatus.

ThedesigntakesadvantageofLabVIEW-basedvirtualinstrumenttechnologydesignedavibrationtestsystems,next-bitmachineusingAT89C52microcontrollerfordatasampling,andtoachievedatatransmissionsignalviaRS-232serialcommunicationwiththePC,PCsoftwaredevelopmentbasedonLabVIEWplatform.Whichhasasignalacquisition,waveformdisplay,dataprocessing,datastorage,signalparameterdetectionandotherfunctions,withasimple,intuitiveinterface,applicability,andothercharacteristics.Bydesign,thedatacanbedisplayedintimedomainandfrequencydomainanalysis.

Keywords:

VirtualInstrument,vibrationtest,LabVIEW,SCM

III

西南科技大学城市学院本科生毕业论文

目录

第1章绪论 1

1.1课题研究的背景和意义 1

1.3论文主要设计内容 1

第2章虚拟仪器和LabVIEW 3

2.1虚拟仪器 3

2.1.1虚拟仪器的概念 3

2.1.2虚拟仪器的组成 3

2.1.3虚拟仪器的特点及优势 4

2.2LabVIEW 5

2.2.1LabVIEW简介 5

2.2.2LabVIEW的基本特点 6

第3章振动测试分析系统 7

3.1振动测试分析系统的组成 7

3.2信号测试与分析 7

3.3振动测试系统总体设计 8

第4章硬件设计 9

4.1系统总体设计方案 9

4.2压电加速度传感器 9

4.3电荷放大器 10

4.4A/D转换器TLC2543性能介绍 10

4.5单片机模块 12

4.5.1AT89C52性能介绍 12

4.5.2A/D转换电路 15

4.6基于AT89C52单片机的串口硬件采集接口电路设计 15

4.6.1串口简述 15

4.6.2串口硬件采集接口电路设计 17

4.7单片机数据采集软件程序设计 18

第5章LabVIEW软件设计 20

IV

西南科技大学城市学院本科生毕业论文

5.1LabVIEW软件总体设计方案 20

5.1.1系统主界面设计 21

5.2LabVIEW程序设计 22

5.3数据采集模块设计 22

5.4信号预处理模块设计 23

5.5时域分析模块设计 23

5.5.1信号的时域统计分析 24

5.5.2时域程序框图 25

5.6频域分析模块设计 26

5.6.1幅值谱和相位谱分析 27

5.6.2功率谱分析 28

5.6.3频域分析程序框图 28

第6章系统仿真调试 30

6.1仿真系统运行原理 30

6.2时域分析模块测试 30

6.3频域分析模块测试 31

6.3.1幅度与相位谱显示 31

6.3.2功率谱显示 31

总结 33

致谢 34

参考文献 35

附录 36

西南科技大学城市学院本科生毕业论文

第1章绪论

1.1课题研究的背景和意义

随着计算机和软件技术的发展，虚拟仪器正在逐渐成为测试领域的发展方向，采用虚拟仪器实现振动测试与分析也成为振动测试的发展趋势。

所谓振动，就是物体或某种状态随着时间往复变化的现象，这类现象有的源于系统内部相互作用，有的是外界干扰引起的。

在现代工程技术领域，存在着大量的振动问题。

例如：

电厂中汽轮发电机组及其它辅机设备运行时产生的振动，车辆在凸凹不平的路面上行驶所引起的振动；旋转机械由于质量不平衡在运行中的振动；建筑物受地面和阵风扰动所产生的振动等。

在极大多数场合，振动都是有害的，它将影响设备的正常工作和机械的加工精度，引起机器构件的加速磨损，甚至导致急剧断裂而破坏。

为了解决工程振动问题，出现了一门集数学、力学、电子技术、计算机技术、信息处理、人工智能等多种现代技术于一体的新兴交叉学科——振动测试与分析。

1.3论文主要设计内容

本文从虚拟仪器开发的角度，首先确定系统的总体方案和硬件配置，然后从整体上确定系统的模块组成，在论文的主体部分，分别论述了以AT89C51单片机为核心的数据采集卡及相应硬件设计电路，基于LabVIEW平台下开发一个完整的虚拟振动测试系统，对软件的各个模块进行具体设计与实现，对开发过程中普遍存在的问题做了一定的探讨与论述。

为了实现振动测试分析系统的开发，全文主要内容如下：

1、振动虚拟仪器的应用研究

虚拟仪器是最近发展起来的一门崭新的学科，是仪器产业发展的一个重要方向。

本文从虚拟仪器的基本概念出发，分别介绍组成、功能及特点以及与传统仪器相比所具备的优点等几个方面。

虚拟仪器用软件编程替代传统测量仪器的硬件电路，因此成本大大降低，介绍了用于虚拟仪器开发的集成软件包LabVIEW并重点介绍了LabVIEW在信号处理与分析方面的优势。

2、振动测试与分析应用开发

了解了虚拟仪器的概念和优势后，便开始了振动测试分析应用系统的开发。

重点介绍了以AT89C51单片机为核心的串口通讯的数据采集模块的硬件设计。

3、虚拟振动测试分析系统的软件设计

确定了系统的硬件平台之后，就开始了应用软件系统的开发。

通过比较多种虚拟仪器开发平台，选定了以图形化编程软件LabVIEW。

然后便通过编程，将振动测试的理论算法转换成为LabVIEW的框图程序。

应用软件的主要功能包括:

（1）数据采集:

LabVIEW与单片机串口的软件设计。

（2）文件管理:

存储和读取振动信号以及采样参数数据。

（3）信号预处理:

包括数字滤波（低通、高通、带通、带阻）和加窗（可选用多种窗函数，如矩形窗、哈宁窗、海明窗等）。

（4）时域分析:

对信号统计特征的计算（峰值、均值、方差、均方根值等）。

（5）频域分析:

对采集得到的数据作频谱分析包括FFT分析、功率谱分析。

第2章虚拟仪器和LabVIEW

2.1虚拟仪器

2.1.1虚拟仪器的概念

虚拟仪器（VirtualInstrument,VI）的概念是由美国国家仪器公司（NI）最先提出的。

所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统之中；可自由构建成专有仪器系统。

虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器。

虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器”。

该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分。

虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器（包括GPIB,RS-232等传统仪器以及新型的VXI模块化仪器）为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件（处理器、存储器、显示器）和测量仪器（频率计、示波器、信号源）等硬件资源与计算机软件资源（包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及图形用户界面）有机的结合起来。

如图2.1反映了常见的虚拟仪器方案。

图2.1虚拟仪器方案

2.1.2虚拟仪器的组成

虚拟仪器由软件和硬件两部分组成，突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式用具有测试软件的计算机实现传统电子仪器的功能。

虚拟仪器的硬件是计算机和为其配置的各种传感器互感器信号调理器数据采集器等计算机及其配置的电子测量仪器硬件模块组成了虚拟仪器测试硬件平台的基础。

软件是虚拟仪器的灵魂。

NI公司在提出虚拟仪器概念时用“软件就是仪器（SoftwareisInstrument）”的口号来表达虚拟仪器的特征，强调了软件在虚拟仪器中极为重要的位置。

虚拟仪器的软件包括：

虚拟仪器的前面板、信号采集模块、信号处理模块和数据存储模块等。

因此测量信号是在软件的控制下，经由电子测量硬件平台的采集，再经电子计算机的处理，得到最终的测试结果，并以数据、曲线、图形等显示在电子计算机的终端显示屏上。

2.1.3虚拟仪器的特点及优势

虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心。

其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。

这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。

虚拟仪器中应用程序将可选硬件（如GPIB,VXI,RS-232,DAQ板）和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块