三種數(shù)據(jù)采集卡在軸承試驗測控系統(tǒng)中的應(yīng)用

李靳東，王義平，王 芳

(1.洛陽軸研科技股份有限公司 試驗技術(shù)開發(fā)部，河南 洛陽 471039；2.洛陽拖拉機研究所有限公司，河南 洛陽 471003)

隨著軸承行業(yè)對軸承試驗的日益重視，軸承試驗設(shè)備近年來呈現(xiàn)出模擬性增強、試驗譜復(fù)雜性增加的特點，而且要求針對軸承試驗形式開發(fā)出基于Windows操作系統(tǒng)的測控軟件以滿足試驗需求。其中，對于現(xiàn)場信號的數(shù)據(jù)采集也有不同的要求，下面主要介紹不同形式采樣板卡在軸承試驗設(shè)備測控系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 低速多功能數(shù)據(jù)采集卡

1.1 采集卡特性

此類數(shù)據(jù)采集卡具備多功能性，板卡一般提供16路以上單端或者8路以上雙端信號輸入(A/D功能)；可編程指定增益為0.5～1 000；16路以上數(shù)字輸出(DO)和數(shù)字輸入(DI)；2路模擬輸出(D/A功能)以及3個可編程的8254定時器/計數(shù)器；采用ISA總線形式[1]。

板卡提供12位或者14位數(shù)據(jù)采集，采樣觸發(fā)分軟件觸發(fā)、內(nèi)部脈沖觸發(fā)以及外部信號觸發(fā)3種方式；板卡可提供單路100 K以上的的采樣頻率，自帶驅(qū)動可以調(diào)用函數(shù)使用所有功能或者由使用者嵌入?yún)R編語言訪問指定寄存器使用板卡各項功能。

1.2 適用的軸承試驗類型

此類板卡為一種多功能數(shù)據(jù)采集卡，除了16路的數(shù)據(jù)采集功能以外，還有D/A，DO，DI等功能，非常適合于普通軸承的壽命試驗和不需要高速采樣的試驗環(huán)境。其中，軸承壽命試驗中需要測試2～4套軸承的溫度信號，軸向、徑向載荷信號，設(shè)備主體以及軸承本身的振動信號等多種信號(一般在10個以上)，試驗設(shè)備在信號進入板卡的前段進行了完善的濾波和接地處理，保證信號的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，可以采用板卡的16路單端輸入進行數(shù)據(jù)采集。如果信號間互相影響較大且前置濾波效果不佳，可以使用雙端信號輸入的方法，減少信號誤差[2]。軸承壽命試驗所需的軸向、徑向載荷，可以使用板卡的2路模擬輸出功能，輸出一定的電壓值到液壓比例閥放大器，推動比例閥的閥芯，實現(xiàn)自動控制載荷。再配合板卡的DO功能，配置一定的驅(qū)動電路，實現(xiàn)軸承試驗機試驗工況的模擬。

通過數(shù)字輸入功能，測控系統(tǒng)可以監(jiān)視電動機及現(xiàn)場儀器的工作情況；由數(shù)字輸出功能，系統(tǒng)可以在無人值守下試驗，還設(shè)有自動報警裝置，可自動切斷所有電動機電源，保護設(shè)備安全。

12位的采樣數(shù)據(jù)位可以表示的數(shù)據(jù)精度為0.02%，一般軸承試驗設(shè)備的信號采集精度要求在0.2%左右，所以板卡精度完全能夠滿足要求。但在一些大型試驗設(shè)備關(guān)鍵部位的信號采集精度要求較高，一般要求誤差在0.05%左右[3]，此時就必須選擇數(shù)據(jù)位為14位的采集卡(數(shù)據(jù)精度為0.006%)，才能滿足試驗的精度要求。

1.3 采集卡特點

此類采集卡僅用一塊板卡即可完成從控制到采樣的全部功能，價格相對低廉；使用同一類型的板卡，提高了整個工控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。不足之處在于板卡的采集頻率較低，單通道只有100 K，全速采集下，掃描一遍16個采樣通道，每通道采集1 000個數(shù)據(jù)，在主流配置的工控計算機上需要1 s以上的時間。此采樣頻率針對快速變化的信號(比如振動信號)，只能得到振動信號的平均值，瞬時值的信號丟失較多，不能進行更進一步的振動頻譜分析。板卡采用ISA總線模式，數(shù)據(jù)采樣效率較低。板卡沒有緩存，無法進行高速無斷點連續(xù)采集。

2 高速采樣板卡

2.1 采集卡特性

此類采樣板卡支持2路以上同步或者異步信號輸入，同步采樣頻率為0.5～5 M/s，板載1 K以上緩存；提供2路12位的模擬輸出，輸出頻率為1 M/s以上，板載2 K以上緩存；16路以上數(shù)字輸出(DO)和數(shù)字輸入(DI)以及2路可編程的定時/計數(shù)器[1]。

板卡提供14位或者16位的數(shù)據(jù)采集精度，采樣觸發(fā)源有軟件觸發(fā)、外部數(shù)字/模擬觸發(fā)以及多板卡互聯(lián)后的系統(tǒng)同步接口總線觸發(fā)；觸發(fā)的方式有前觸發(fā)、后觸發(fā)、中間觸發(fā)以及延遲觸發(fā)等；采樣部分具備板載緩存，利用雙緩存輪換采樣處理數(shù)據(jù)方式可以達到高速連續(xù)采樣。

2.2 采集卡適用的軸承試驗類型

高速采樣板卡適用于需要高速連續(xù)采樣的軸承試驗環(huán)境，如保持架動態(tài)運動軌跡的測試。試驗中要求保持架的軸徑方向固定4～8個位移傳感器，保持架旋轉(zhuǎn)一周每點要記錄1 024個數(shù)據(jù)，在轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時，4～8個采樣點每點都要求100 K的采樣頻率，并且同步連續(xù)無斷點[4]。高速采樣板卡的采樣頻率可達幾兆每秒，完全能夠滿足指標(biāo)要求，高速的采樣頻率結(jié)合板載緩存可保證連續(xù)不間斷采樣，為軸承振動的頻譜分析提供精確完整的數(shù)據(jù)和判斷軸承的試驗效果提供數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。另外，此類板卡提供2路1 M/s的模擬輸出，有2 K以上的緩存支持，還可以用于高頻沖擊試驗。

2.3 采集卡特點

此類采集卡采用PCI總線形式，與ISA總線設(shè)備不同，ISA采集的動態(tài)指針操作是一種軟件化的同步；而PCI則完全由硬件和驅(qū)動程序來完成，可保證連續(xù)數(shù)據(jù)采集的軟件實現(xiàn)[5]。板載數(shù)K緩存可采用雙緩存輪換采樣處理數(shù)據(jù)方式或建立緩存隊列方式來實現(xiàn)高速采樣下的數(shù)據(jù)連續(xù)性。不足之處在于板載緩存較小，采樣子線程的程序編制必須計算所有程序的開銷時間，給出除采樣部分外足夠的處理時間，以免遺漏采樣數(shù)據(jù)。采樣通道較少，若需要更多通道必須級聯(lián)板卡，支出增加。

3 超高速采樣板卡

3.1 采集卡特性

此類板卡一般提供2路以上同步信號輸入，采樣頻率為10 M/s以上，板載最多512 M緩存；提供12位以上的數(shù)據(jù)采集精度，部分板卡提供數(shù)字IO和定時/計數(shù)器[1]。板卡的采樣工作完全由硬件完成，測控系統(tǒng)只需完成板卡的初始化設(shè)置，提供采樣觸發(fā)信號，板卡便可按照指定頻率進行數(shù)據(jù)采集，采集完畢將數(shù)據(jù)放入板載緩存，測控系統(tǒng)軟件檢查采樣完畢信號，將緩存內(nèi)數(shù)據(jù)一次性或者分批次放入計算機內(nèi)存進行數(shù)據(jù)的運算。由于采樣存儲都由板卡硬件完成，不需要頻繁地轉(zhuǎn)換緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，減少了測試時間，保證了采樣數(shù)據(jù)的完全精確。

3.2 采集卡適用的軸承試驗類型

此類板卡可用于輪轂軸承輪轂單元ABS傳感器的測試試驗，試驗中，依據(jù)要求在ABS傳感器兩端加入直流穩(wěn)壓電源，接入高精度電阻，以一定速度恒速旋轉(zhuǎn)，ABS傳感器感應(yīng)到發(fā)號片，產(chǎn)生方波波峰，否則產(chǎn)生波谷。需要測試的參數(shù)有波峰、波谷值、占空比等，其中，波峰與波谷之間的轉(zhuǎn)換時間(上升、下降時間)為微秒級，必須使用10 M以上采樣頻率的板卡才可以實現(xiàn)[6]。測試中，只需采集完整一周的數(shù)據(jù)即可，因此要根據(jù)實際轉(zhuǎn)速的測試要求來選擇合適的采樣頻率和板載緩存。

3.3 采集卡特點

此類采集卡采用PCI或者PXI總線形式，板載緩存為32～512 M，可以在10 M/s以上頻率下采集一定時間內(nèi)的數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入計算機內(nèi)存進行數(shù)據(jù)處理，減少了測控軟件，提升了高速采樣情況下軟件的穩(wěn)定性和精確性，但采樣頻率和板載緩存較大時，板卡造價也較高。

4 結(jié)束語

介紹的3類采樣板卡可應(yīng)用在不同類型軸承試驗設(shè)備測控系統(tǒng)中，使用者可以根據(jù)設(shè)備的不同要求選擇合適的板卡來完成試驗設(shè)備的測控功能。