面向機(jī)械參量的通用數(shù)據(jù)采集儀的設(shè)計(jì)

張國(guó)壘，湯寶平，戴功偉

（重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400030）

0 引 言

在機(jī)械工程測(cè)試中，需要經(jīng)常對(duì)一些常見(jiàn)的機(jī)械參量進(jìn)行采集與分析實(shí)驗(yàn)，如力、位移、振動(dòng)及轉(zhuǎn)速等。這些參量的頻率范圍跨度大，信號(hào)特征具有多樣性和復(fù)雜性[1]，此類(lèi)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集儀不僅需要設(shè)計(jì)多種顯示模式去表達(dá)信號(hào)的各個(gè)特征，還常常需要兼容多種數(shù)據(jù)采集卡并支持設(shè)置多種采樣方式。目前工程中應(yīng)用的大多數(shù)此類(lèi)采集儀只是面向特定范圍內(nèi)的測(cè)量對(duì)象，測(cè)試其余對(duì)象時(shí)就不得不購(gòu)買(mǎi)另一套采集軟件，用戶面臨的不僅是成本的增加，有時(shí)還有操作風(fēng)格和數(shù)據(jù)格式的改變，同時(shí)增加了對(duì)測(cè)試管理的難度[2-3]。而能采集多種機(jī)械參量的通用型數(shù)據(jù)采集儀并不多見(jiàn)，比利時(shí)LMS公司的SCADAS系列數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能強(qiáng)大，且界面友好，但價(jià)格十分昂貴；因此，開(kāi)發(fā)一套有自主產(chǎn)權(quán)的能測(cè)試多種機(jī)械參量的通用數(shù)據(jù)采集儀有著重要意義。

1 總體設(shè)計(jì)

基于面向?qū)ο蟮乃枷耄捎媚K化的設(shè)計(jì)方法，可將整個(gè)數(shù)據(jù)采集儀分為數(shù)據(jù)采集模塊、采集參數(shù)模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊及結(jié)果保存模塊4個(gè)模塊。每個(gè)模塊功能雖然不同，但在設(shè)計(jì)中都要考慮如何體現(xiàn)對(duì)機(jī)械參量的通用性，如數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)與采集卡交互并獲取原始數(shù)據(jù)，需要能夠讀采集各種機(jī)械參量，考慮到采集卡的專(zhuān)用性，就需支持采集卡的可互換性。具體每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 采集儀的構(gòu)成模塊及其設(shè)計(jì)技術(shù)路線

2 模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

2.1.1 采集卡互換性的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)讀取數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)供后續(xù)顯示和保存。工程中每種類(lèi)型的數(shù)據(jù)采集卡通常是面向特定的測(cè)試對(duì)象，如NI 9234是面向振動(dòng)噪聲的采集卡，而NI 9227則是電流的獲取模塊，固定的數(shù)據(jù)采集卡難以實(shí)現(xiàn)多種機(jī)械參量的測(cè)量要求。而數(shù)據(jù)采集儀的數(shù)據(jù)獲取需要采集卡驅(qū)動(dòng)程序的支持，一旦采集卡的型號(hào)發(fā)生變化，則相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序也要改變，數(shù)據(jù)采集儀將不能正常運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)采集卡的互換性，本采集儀借鑒現(xiàn)在較流行的儀器互換方案IVI標(biāo)準(zhǔn)的思想，通過(guò)設(shè)計(jì)儀器類(lèi)驅(qū)動(dòng)來(lái)解決這一問(wèn)題，但只有相對(duì)較少的硬件開(kāi)發(fā)商支持IVI驅(qū)動(dòng)器標(biāo)準(zhǔn)[4-5]。因此，本采集儀的設(shè)計(jì)采用了一個(gè)折中的方法，儀器類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序不完全是一組與具體設(shè)備無(wú)關(guān)的函數(shù)，當(dāng)更換采集卡時(shí)需要在儀器類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序中根據(jù)采集卡的具體控制特性做相應(yīng)的修改，但其與采集儀的接口保持不變。采集儀在工作過(guò)程中調(diào)用的是采集卡類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序，采集卡類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序再通過(guò)不同的具體采集卡驅(qū)動(dòng)程序來(lái)操作具體的采集卡，所以當(dāng)更換采集卡后，只需修改配置文件中的信息和采集卡類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序接口的具體實(shí)現(xiàn)，使程序的具體控制對(duì)象稱(chēng)指向新的采集卡和其驅(qū)動(dòng)程序，而采集儀本身不需要做任何修改。

2.1.2 低頻采集處理

為了能正確采集多種類(lèi)型的機(jī)械參量，不僅僅采集儀要獨(dú)立于硬件，還要用合適的方式去采集和處理采集到的數(shù)據(jù)。機(jī)械參量中有些是頻率較低的信號(hào)，此時(shí)采集儀需要用較低的采樣率去采集機(jī)械參量，低采樣率也許會(huì)超出采集卡所支持的采集頻率范圍，同時(shí)由于采集頻率的降低，信號(hào)信息量將較少，精度也難以提高。因此，為了拓展和利用采集卡的帶寬，以及提高被采集信號(hào)的精度，本采集儀采用算術(shù)平均濾波算法去處理數(shù)據(jù)，即用原始采樣率的N倍頻高頻去采集此信號(hào)，然后對(duì)每N個(gè)點(diǎn)進(jìn)行算術(shù)平均，將采集數(shù)據(jù)還原為低頻采集信號(hào)。此處的N與信號(hào)類(lèi)型有關(guān)，如壓力一般N取4，流量一般取12。

2.1.3 高低頻顯示處理

采樣模塊將采集的數(shù)據(jù)放在固定大小的緩沖區(qū)中，將緩沖區(qū)填滿后采集模塊會(huì)發(fā)消息給顯示模塊，讓其將數(shù)據(jù)顯示給測(cè)試者。實(shí)際工作中，在采集機(jī)械參量信號(hào)時(shí)，測(cè)試者會(huì)根據(jù)測(cè)試對(duì)象以及使用者感興趣的頻率范圍及參量信號(hào)的特征，設(shè)置相應(yīng)的采集頻率，可能為幾十赫茲也可能為幾十千赫茲。如果對(duì)所有的采集頻率都采用當(dāng)采集緩沖區(qū)滿后便發(fā)出消息以顯示數(shù)據(jù)的方法，則在采樣頻率過(guò)高時(shí)會(huì)造成系統(tǒng)負(fù)荷過(guò)大，產(chǎn)生掉點(diǎn)等問(wèn)題，而低頻時(shí)可能很長(zhǎng)時(shí)間都沒(méi)有將緩沖區(qū)采集滿，使得對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)性示波就不能很好地滿足[6]。本采集儀采取頻率分段處理的方法，將用戶輸入的采集頻率自動(dòng)分為高中低3個(gè)頻段，通過(guò)在高頻時(shí)抽樣發(fā)送消息、在低頻時(shí)滾動(dòng)發(fā)送消息、中頻時(shí)正常發(fā)送消息的方法，以求達(dá)到最好的顯示效果。

2.2 采集參數(shù)模塊

采集參數(shù)模塊管理著采集過(guò)程中所使用參數(shù)以及采集數(shù)據(jù)結(jié)果，它是一個(gè)公共數(shù)據(jù)區(qū)，是整個(gè)采集儀軟件的核心對(duì)象，其他的模塊各有分工，但都和采集參數(shù)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。其內(nèi)容包括3部分，分別是設(shè)備信息參數(shù)、采集控制參數(shù)及通道配置參數(shù)。其中設(shè)備信息參數(shù)的設(shè)計(jì)是為了讓采集儀兼容各種數(shù)據(jù)采集卡；采集控制參數(shù)中包括了各種采樣方式，為采集多種機(jī)械參量提供支持；通道配置參數(shù)中的轉(zhuǎn)換系數(shù)可適用于多種類(lèi)型的傳感器。3部分的具體設(shè)計(jì)如下：

2.2.1 設(shè)備信息參數(shù)的設(shè)計(jì)

不同采集卡的硬件參數(shù)不相同，主要體現(xiàn)在采集頻率范圍及通道數(shù)目等方面。為了能使采集儀應(yīng)用于多種采集卡，采集參數(shù)模塊中需要包含采集卡的設(shè)備參數(shù)信息。設(shè)備信息參數(shù)用于描述采集卡的特征，主要包括通道數(shù)目、采樣率范圍、采樣精度等內(nèi)容，為了提高采集儀的獨(dú)立性，把和設(shè)備相關(guān)的參數(shù)放在可方便查看和編輯的XML配置文件中[7-9]。當(dāng)采集卡更換時(shí)，用戶需要在XML配置文件中做相應(yīng)的修改。

2.2.2 采集控制參數(shù)的設(shè)計(jì)

用于控制采集過(guò)程這類(lèi)參數(shù)本文稱(chēng)為采集控制參數(shù)，主要包括采樣頻率、采樣方式、采樣長(zhǎng)度及信號(hào)形式等內(nèi)容，其中采集方式支持定長(zhǎng)采樣、循環(huán)采樣、手動(dòng)采樣、多次觸發(fā)采樣及轉(zhuǎn)速采樣等采集機(jī)械參量過(guò)程中所常用的方式。

2.2.3 通道配置參數(shù)的設(shè)計(jì)

通道配置參數(shù)主要是測(cè)點(diǎn)描述、工程單位、轉(zhuǎn)換系數(shù)k及轉(zhuǎn)換系數(shù)b、放大倍數(shù)等內(nèi)容。其中轉(zhuǎn)換系數(shù)k和b的設(shè)計(jì)是為了完成對(duì)常用傳感器的標(biāo)定。將放大倍數(shù)用A代替，則它們遵循：

式中：y——被測(cè)量的真實(shí)物理值；

x——采集的原始電壓數(shù)據(jù)。

此通用公式能適用于大多線性度較好的傳感器，即使有的傳感器在其整個(gè)量程范圍內(nèi)的線性度較差，也可將此公式用于傳感器量程的某一段區(qū)間內(nèi)。設(shè)計(jì)好的采集儀運(yùn)行后，采集控制參數(shù)與通道參數(shù)配置對(duì)話框如圖2所示。

圖2 采集控制參數(shù)與通道參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

2.3 數(shù)據(jù)顯示模塊

將采集的數(shù)據(jù)以適當(dāng)?shù)男问斤@示給用戶是數(shù)據(jù)采集儀表達(dá)數(shù)據(jù)的重要形式之一，為了從多個(gè)方面表達(dá)具有不同特征的機(jī)械參量信號(hào)，不僅需要具有豐富的顯示模式以及不同的模式間方便的切換，還要能夠自動(dòng)適應(yīng)被測(cè)對(duì)象的量程及方便體貼的用戶交互功能。

2.3.1 多種顯示模式的設(shè)計(jì)

包括波形圖、XY圖、直方圖，而根據(jù)圖中構(gòu)成元素的不同，又分為線性圖、點(diǎn)狀圖和柱狀圖，不同的顯示模式之間可方便地進(jìn)行切換。波形圖應(yīng)用最廣，通常X軸為時(shí)間，Y軸為測(cè)試數(shù)據(jù)；有時(shí)為了描述2組數(shù)據(jù)的某種關(guān)系，需要1組數(shù)據(jù)沿X軸顯示，另一組數(shù)據(jù)沿Y軸顯示，這時(shí)將需要用到XY圖顯示模式；而直方圖顯示在科學(xué)統(tǒng)計(jì)、工業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。有用戶可根據(jù)信號(hào)的特征選擇合適的顯示模式。

2.3.2 自適應(yīng)量程的設(shè)計(jì)

在實(shí)際測(cè)量工作中，當(dāng)初次測(cè)試某被測(cè)對(duì)象時(shí)，常常由于不知其數(shù)據(jù)的大小范圍而不能正確的設(shè)置數(shù)據(jù)的量程范圍，以致很難觀察到數(shù)據(jù)的完整波形。本采集儀在數(shù)據(jù)顯示之前，通過(guò)對(duì)顯示數(shù)據(jù)的分析后可將顯示量程自動(dòng)調(diào)節(jié)到合適的大小，以適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)，完整顯示出數(shù)據(jù)的波形。

2.3.3 用戶交互功能的設(shè)計(jì)

充分利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算資源和操作系統(tǒng)的GDI性能，可以用軟件實(shí)現(xiàn)豐富的顯示交互功能。具體包括縮放、光標(biāo)讀數(shù)、對(duì)數(shù)和線性坐標(biāo)切換、顯示區(qū)域各個(gè)對(duì)象及背景顏色的設(shè)置等。通過(guò)交互，用戶可以更加細(xì)致地觀察數(shù)據(jù)。

2.4 結(jié)果保存模塊

由于不同的測(cè)試者對(duì)數(shù)據(jù)的保存格式和方式要求也不同，結(jié)果保存模塊被設(shè)計(jì)為用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)實(shí)現(xiàn)，提供一個(gè)保存函數(shù)接口供采集儀主程序調(diào)用，而此函數(shù)接口的具體實(shí)現(xiàn)交付給測(cè)試者。測(cè)試者不僅可以按照想要的格式保存或按照某種算法加密數(shù)據(jù)，還可以按照想要的方式進(jìn)行保存，如文件、數(shù)據(jù)庫(kù)或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。

3 采集儀的實(shí)現(xiàn)

振動(dòng)參量是一般機(jī)械運(yùn)行時(shí)必有的信號(hào)，其中包含了機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的大量信息。本文以振動(dòng)信號(hào)為采集對(duì)象，闡述采集儀的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

采集卡選擇工程中常用的NI 9234振動(dòng)噪聲采集模塊，其最大采樣頻率可達(dá)51.2kHz，24位采樣精度，能夠滿足大多場(chǎng)合下的振動(dòng)采集要求。

相應(yīng)的設(shè)備信息參數(shù)配置XML文件內(nèi)容如下所示：

考慮到其面向?qū)ο蟮奶匦?，以及?zhí)行效率方面要求，采集儀軟件部分采用工程中較流行的VC++6.0來(lái)實(shí)現(xiàn)。程序的運(yùn)行流程如圖3所示。

圖3 采集儀運(yùn)行流程

當(dāng)程序運(yùn)行后，采集儀首先會(huì)讀取XML配置文件中的設(shè)備信息參數(shù)，然后用戶根據(jù)測(cè)試的需求設(shè)置相應(yīng)的采集控制參數(shù)及通道參數(shù)，當(dāng)采集開(kāi)始后，數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)滿后會(huì)發(fā)送消息，顯示模塊接到消息后會(huì)按相應(yīng)的顯示模式顯示出數(shù)據(jù)，然后結(jié)果保存模塊按照用戶預(yù)定義的方法將結(jié)果進(jìn)行保存。圖4是運(yùn)行后主界面。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖4 采集儀運(yùn)行主界面

本文介紹了一種面向機(jī)械參量的通用數(shù)據(jù)采集儀的設(shè)計(jì)方案，并分別從數(shù)據(jù)采集模塊、采集參數(shù)模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊及結(jié)果保存模塊4個(gè)模塊的具體設(shè)計(jì)闡述了實(shí)現(xiàn)采集儀通用性的難點(diǎn)及相應(yīng)解決方法，最后以振動(dòng)信號(hào)為對(duì)象，給出了程序的整體運(yùn)行流程并用編程工具實(shí)現(xiàn)了此方案，驗(yàn)證了此方案的可行性。經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，本采集儀能夠采集力、位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)子速度等多種常見(jiàn)機(jī)械參量，人機(jī)界面友好，有很好的應(yīng)用前景。

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