基于USB的振動信號測試分析系統的設計與實現

摘 要： 針對工程測試對數據采集的實際需要，基于虛擬儀器的設計思想，采用USB 接口進行數據采集，設計完成了一套振動信號測試與分析系統。以USB2088數據采集卡為基礎，依托VS2008開發平臺，編寫了系統的采集和分析程序，實現了對數據的保存、波形顯示和頻譜分析的同步進行。最后進行了實驗測試，驗證了系統采集數據準確無誤，滿足功能要求，性能穩定，便于廣泛應用。

關鍵詞： USB； 測試分析； 振動信號； 數據采集

中圖分類號： TN919?34； TP274 TH761 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）12?0129?04

0 引 言

隨著科學技術水平的不斷提高和生產技術的高速發展，機械工程振動測試技術也隨之進入了一個嶄新的階段[1]。信號的實時采集和處理在科學研究、工業生產等領域有著廣泛的應用[2]。隨著被測系統越來越復雜，對測試儀器的速度、精度及數據處理能力的要求也越來越高。這就對設計提出了2個方面的要求：一方面，要求接口簡單靈活且有較高的數據傳輸率；另一方面，由于數據量通常都較大，要求主機能夠對實時數據做出快速響應，并及時進行分析和處理[3]。因此，對實時的、高精度的振動信號測試分析系統的研究有著現實的意義。

目前振動信號常用的數據采集方式是通過數據采集板卡， 如ISA總線，PCI總線，RS 422，RS 485等接口形式的A/D采集卡[4]。這種板卡不僅安裝麻煩， 而且易受計算機插槽數量和地址、中斷資源的限制，不可能掛接很多設備。而通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）正是順應這一要求提出的，它集PCI和RS 232C的優點于一身，具有較高的傳輸速度，實現了真正意義上的“即插即用”（Plug Play），同時一個USB主設備上最多可以連接127個外設[5]。

因此，本文將USB 技術應用于數據的實時采集。設計與實現了一種基于USB的振動信號測試分析系統。在硬件上采用USB接口，軟件上采用VC++進行開發，采用多線程編程，使系統的效率從這兩方面都得到提升。

1 系統總體方案設計

從軟件上看，該系統包括固件程序，驅動程序及應用軟件。其中固件程序是采集卡商家以寫好燒進采集卡硬件的程序，負責采集卡的采集工作。驅動程序和應用軟件則裝在計算機中，驅動程序是遵循USB協議編寫的負責應用軟件與采集卡正常通信的程序。而應用軟件是人機交互接口，是實現信號分析處理各項功能的關鍵部分[6]。

系統預期將要實現的主要功能為：

（1）0～400 kHz的可調采樣頻率，0～20 V的可調電壓范圍；

（2）可實現對單個和多個信號的實時同步采集與監視功能；

（3）能夠對信號進行分析處理：通過從數據采集模塊或存儲模塊的獲得數據，結合分析參數的設置，實現信號實時波形顯示、頻譜分析、相關分析、統計特征分析、包絡解調分析等；

（4）能實現數據的分段存儲和波形的回放查看。

2 系統的硬件設計

系統硬件設計的重點是數據采集卡選型。在測試系統中，數據采集器是必不可少的組成部分，它是外部測控對象的信息與計算機交互轉換的通道。目前現在的實時信號分析系統都是臺式的，體積較大，現場使用和攜帶不是很方便[7]。

USB的出現很好地解決了以上問題。USB不僅具有快速的傳輸性能，而且USB協議本身具有很強的糾錯能力，另外它的即插即用模式和易擴展性能都具有很強的發展前途和應用價值，很容易就能實現低成本，滿足實時信號分析系統的要求。因此，本文采用基于USB2.0接口的數據采集卡。

3 系統的軟件設計

軟件系統設計與開發是整個分析系統開發的重點和難點。采用VC++為開發平臺，進行系統軟件設計。軟件系統設計主要包括：軟件系統總體框架設計、數據采集模塊設計、信號分析與處理模塊設計、數據存儲模塊設計等。

3.1 系統總體框架設計

基于硬件系統結構，將系統軟件分為3個模塊：數據采集模塊、數據分析與處理模塊和數據存儲模塊。三個模塊之間，相互聯系，其功能分別如下：

（1）數據采集模塊：采集卡參數設置、采集設備的啟?？刂坪蛷臀?，實現數據采集功能（連續采集或單次采集）。

（2）數據分析和處理模塊：通過從數據采集模塊或存儲模塊的獲得數據，結合分析參數的設置，實現信號實時波形顯示、頻譜分析、相關分析、統計特征分析等。

（3）數據存儲模塊：實現數據的存儲和讀取，并回放顯示、分析處理的功能。

程序設計中，選用了單文檔結構來編制應用程序[8?9]。首先將客戶區分割為1行2列兩個部分：左側為電壓值數字顯示窗口，關聯的類為CA/DDigitView（派生自CScrollView）；右側為圖形顯示窗口，關聯的類為CA/DWaveView（派生自CScrollView）。

參數設置及分析控制采用2個對話欄，派生自CDialogBar，用戶可以通過其進行采集卡參數設置和信號采集、分析控制。由于程序功能較為簡單，故在界面上幾乎就可以進行全部的操作，使用上極其方便。

3.2 數據采集模塊設計

該模塊用以實現數據采集卡參數設置、采集設備的啟?？刂坪蛷臀?，最終實現數據采集功能（連續采集或單次采集），為后2個模塊提供與設備相連接的紐帶。主要包括：

（2）數據采集接口函數開發。A/D采集主要函數：創建設備對象函數、釋放設備對象所占的系統資源及設備對象、復位整個USB設備、初始化設備對象、釋放設備對象中的A/D部件、批量讀取USB設備上的A/D數據、創建內核系統事件。

（2）A/D采集的A/DBuffer緩沖區中的數據排放規則制定。如果進行連續不間斷循環采集，即只進行一次初始化設備操作，然后不停的從設備上讀取A/D數據，那么需要特別注意的是應處理好各通道數據排列和對齊問題，尤其任意通道數采集時否則，用戶無法將規則排放在緩沖區中的各通道數據正確分離出來。

3.3 信號分析與處理模塊設計

（1）信號波形顯示。通過“波形”來描述信號。通過編制算法，實現信號的實時采集，并進行波形顯示。

（2）頻譜分析。實現信號的頻譜分析，能夠正確識別各頻率分量的位置，通過頻譜幅值計算，可以得到原始信號的幅值大小。

（3）相關分析。在信號分析中，相關性是一個非常重要的概念，它表達了兩個信號（或一個信號）不同時刻之間的線性相關程度，揭示信號的結構特性，因此相關分析成為了對兩組信號的相關特性進行定量分析的一種技術，可以在噪聲背景下提取信號中的有用信息[10]。相關分析主要實現：自相關分析和互相關分析。

（4）統計特征分析。常用的幅值域參數有以下幾個：均值、均方值（均方根值）、方差，最大值、最小值；常用有量綱幅值域診斷函數：方根幅值、絕對平均幅值、歪度、峭度等；常用無量綱幅值域診斷函數：波形指標、峰值指標、脈沖指標、裕度指標、峭度指標等。

此外，還有概率密度函數和概率分布函數。

3.4 數據存儲模塊設計

5 結 語

由于USB總線具有傳輸速度塊、連接靈活、即插即用、攜帶方便等優點，非常適合于現場測試，基于USB的采集系統必將在將來的測試領域中占據重要地位。因此，基于USB接口的USB2088數據采集卡，依托VS2008開發平臺，開發設計了一套振動信號測試分析系統。

通過實驗測試，驗證了本系統所編制的數據采集分析程序功能穩定，可以滿足測試中的各種分析要求。同時，該系統可以實時對振動信號進行采集和處理，為以后機械振動方面的測試工作提供了一個有效的工具。

參考文獻

[1] 張國壘，湯寶平，戴功偉.面向機械參量的通用數據采集儀的設計[J].中國測試，2012，38（2）：69?72.

[2] JIANG Yong?hua， TANG Bao?ping， QIN Yi， et al. Feature extraction method of wind turbine based on adaptive Morlet wavelet and SVD [J]. Renewable Energy， 2011， 36（8）： 2146?2153.

[3] 冷佳鵬，劉文怡.基于USB總線的多通道數據采集系統設計[J].電子技術應用，2012，38（12）：11?16.

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[6] 鄭亮亮，張貴祥，金光.USB接口的增量式編碼器數據采集系統[J].計算機測量與控制，2012，20（7）：1999?2001.

[7] 孫重磊，胡方明.基于USB的數據采集系統設計及實現[J].現代電子技術，2004，27（1）：11?13.

[8] 孫鶴泉.實用Fourier變換及其C++實現[M].北京：科學出版社，2006.

[9] 孫鑫.VC++深入講解[M].北京：電子工業出版社，2008.

[10] 秦樹人.機械工程測試原理與技術[M].重慶：重慶大學出版社，2002.