基于PCI-9846和LabVIEW數據采集分析系統設計

?應用領(lǐng)域

噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度NVH（Noise、VibrATion、Harshness），是衡量汽車(chē)制造質(zhì)量的一個(gè)綜合性問(wèn)題，它給汽車(chē)用戶(hù)的感受是最直接和最表面的。它是國際汽車(chē)業(yè)各大整車(chē)制 造企業(yè)和零部件企業(yè)關(guān)注的問(wèn)題之一。有統計資料顯示，整車(chē)約有1/3的故障問(wèn)題是和車(chē)輛的NVH問(wèn)題有關(guān)系，而各大公司有近20%的研發(fā)費用消耗在解決車(chē)輛的NVH問(wèn)題上。對于汽車(chē)而言，NVH問(wèn)題是處處存在的。研究設計噪聲振動(dòng)信號分析系統，對于解決相應的NVH問(wèn)題具有一定意義。

?挑戰

利用凌華科技生產(chǎn)高性能數據采集卡PCI9846和美國國家儀器（NI）LabVIEW8.6設計數據采集分析系統，實(shí)現信號的采集，并能對信號進(jìn)行分析處理。由于在離散頻譜分析的過(guò)程中不可避免的存在各種誤差，如何提高頻譜分析的精度，對信號進(jìn)行頻譜校正，是系統需要解決的問(wèn)題。

?使用產(chǎn)品

數據采集分析系統采用凌華科技PCI9846，軟件采用美國國家儀器（NI）LabVIEW8.6，操作系統為Windows XP

?解決方案

基于虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)，利用凌華科技生產(chǎn)的具有4通道，16為采樣精度，最高采樣率達到40MS/s的高性能數據采集卡PCI9846和美國國家儀器（NI）LabVIEW8.6設計數據采集分析系統，在系統中采用比值校正法、能量重心校正法、FFT+FT連續細化分析傅立葉變換法和相位差法等離散頻譜校正方法對信號進(jìn)行頻譜校正分析，提高信號分析精度。

一個(gè)完整的信號分析系統通常由3部分組成：信號的獲取與采集、信號的分析與處理和結果的輸出與顯示。傳統的測試儀器基本上是以硬件或固化的軟件形式存在，儀器由生產(chǎn)廠(chǎng)家來(lái)定義、制造。傳統儀器的設計較復雜，靈活性差，沒(méi)有擺脫獨立使用，手工操作的模式，整個(gè)測試過(guò)程幾乎僅限于簡(jiǎn)單的模仿人工測試的步驟，不適于一些較為復雜及測試參數較多的場(chǎng)合。與傳統儀器相比，虛擬儀器（Virtual Instrument）具有高效、開(kāi)放、易用靈活、功能強大、性?xún)r(jià)比高、可操作性好等明顯優(yōu)點(diǎn)，具體表現為：智能化程度高，處理能力強，復用性強，系統費用低，可操作性強等?；谔摂M儀器的優(yōu)點(diǎn)，利用PCI9846和LabVIEW設計數據采集分析系統，用于汽車(chē)NVH分析。

1 系統組成

虛擬儀器正在成為當今世界流行的一種儀器構成方案。虛擬儀器以計算機為基礎，結合相應的硬件和軟件，完成數據的采集和處理。其結構是開(kāi)放式的，它把計算機平臺與具有標準接口的硬件模塊以及與開(kāi)發(fā)測試軟件結合起來(lái)構成儀器系統，這種系統具有通用性、靈活性，便于開(kāi)發(fā)測試應用。

1.1 硬件構成

硬件系統以計算機為主體，以插入其中的數據采集卡為主要功能部件。被測信號由數據采集卡接收后，傳入計算機內部，由相應的軟件進(jìn)行后續的分析處理工作，因此數據采集卡是虛擬儀器能否成功設計的關(guān)鍵所在。

本系統采用的數據采集卡是凌華科技生產(chǎn)的PCI9846。PCI9846是凌華科技的一款具有4通道，采樣精度達到16位，采樣頻率達到40MS/s的高速數字化儀，提供高精度、低噪音及高動(dòng)態(tài)范圍性能，高密度且高精準度，專(zhuān)為輸入信號頻率高達20MHz的高頻和高動(dòng)態(tài)范圍的信號而設計。模擬輸入范圍可以通過(guò)編程設置為±1V/±0.2V或±5V/±0.4V。配備了容量高達512MB的板載內存的PCI9846，擺脫了PCI總線(xiàn)的約束，使之能儲存更長(cháng)時(shí)間的波形。

1.2 軟件平臺

軟件部分是虛擬儀器的心臟，目前，應用較廣泛的基于虛擬儀器的圖形化編程軟件開(kāi)發(fā)平臺主要是美國國家儀器公司NI （National Instrument）開(kāi)發(fā)的LabVIEW （Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實(shí)驗室虛擬儀器工程平臺）。LabVIEW是一種基于G（Graphic）語(yǔ)言的圖形編程開(kāi)發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗室所接受，用作開(kāi)發(fā)數據采集系統、儀器控制軟件和分析軟件的標準語(yǔ)言，使用這種語(yǔ)言編程時(shí)，基本上不寫(xiě)程序代碼，對于科學(xué)研究和工程應用來(lái)說(shuō)是很理想的語(yǔ)言。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語(yǔ)、圖標和概念，因此，LabVIEW是一個(gè)面向最終用戶(hù)的工具。LabVIEW集成了與滿(mǎn)足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數據采集卡通訊的全部功能。它還內置了便于應用TCP/IP、ActiveX等軟件標準的庫函數。這是一個(gè)功能強大且靈活的軟件，利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過(guò)程都生動(dòng)有趣。它可以增強構建使用者的科學(xué)和工程系統的能力，提供了實(shí)現儀器編程和數據采集系統的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設計、測試并實(shí)現儀器系統時(shí)，可以大大提高工作效率。

LabVIEW含有種類(lèi)豐富的函數庫，在很大程度上縮短了開(kāi)發(fā)周期，而且開(kāi)發(fā)的應用程序易于維護和擴展功能。應用LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行數據采集與分析應用軟件的開(kāi)發(fā)，將數據采集卡PCI9846和靈活方便的應用軟件開(kāi)發(fā)平臺LabVIEW結合起來(lái)，可以降低開(kāi)發(fā)成本，又可以縮短開(kāi)發(fā)周期，使開(kāi)發(fā)變得方便高效。

1.3 LabVIEW控制采集卡

PCI9846提供了LabVIEW驅動(dòng)，安裝驅動(dòng)時(shí)會(huì )自動(dòng)查找LabVIEW目錄，然后將必要的文件復制到相應的文件夾中去，如果系統中沒(méi)有安裝LabVIEW或者其版本低于6.0，驅動(dòng)安裝程序會(huì )彈出一個(gè)對話(huà)框提示更新LabVIEW的版本。LabVIEW驅動(dòng)程序安裝完成后，在就可以在LabVIEW中使用PCI9846來(lái)進(jìn)行數據采集了。

LabVIEW驅動(dòng)安裝完成后，在函數選板會(huì )增加如圖1所示相應的項，在本文中直接使用其中的“DAQPilotExpressVI”，根據提示完成相應設置后即可實(shí)現數據采集（圖2）。

圖1 LabVIEW函數選板新增項

圖2 配置向導

2 信號分析

數據采集完成后，必須對數據進(jìn)行分析，以從中提取相應信息。本系統數據分析主要集中在頻域。信號分析處理是LabVIEW的一個(gè)重要組成部分，它提供了大量的專(zhuān)業(yè)性很強的信號分析處理函數，對于信號的常見(jiàn)分析直接利用LabVIEW現成函數即可滿(mǎn)足要求，但用來(lái)對信號進(jìn)行較復雜處理時(shí)需自行編寫(xiě)函數。

諧波信號離散傅立葉變換和頻譜分析的頻率、幅值和相位都可能存在較大誤差，從理論上分析單頻率諧波信號加矩形窗時(shí)離散頻譜分析的幅值最大誤差可達36.4%；即使加其它窗時(shí)，也不能完全消除此誤差，加Hanning窗并只進(jìn)行幅值恢復時(shí)的最大幅值誤差仍高達15.3%；不論加何種窗函數，離散頻譜分析的相位最大誤差高達±90度，頻率最大誤差為±0.5個(gè)頻率分辨率。因此，頻譜分析的結果在許多領(lǐng)域只能定性而不能精確地定量分析和解決問(wèn)題，大大限制了該技術(shù)的工程應用，特別是在機械振動(dòng)和故障診斷中的應用受到極大限制。所以要對離散頻譜分析得到的各頻率成分參數進(jìn)行校正，以得到較為精確的頻率、幅值和相位估計值。所以需要研究離散頻譜的校正理論和技術(shù)以消除或大幅度減小這個(gè)誤差，提高分析精度。對于單頻率成分或間隔較遠的多頻率成分的離散頻譜進(jìn)行校正。

目前國內外有四種對幅值譜或功率譜進(jìn)行校正的方法：比值校正法（內插法），能量重心校正法，FFT+FT連續細化分析傅立葉變換法和相位差法；相位差法又分為時(shí)移法、改變窗長(cháng)法和綜合法。從理論上分析，在信號不含噪聲的情況下比值法和相位差法是精確的校正方法，而能量重心法和FFT+FT譜連續細化分析傅立葉變換法是精度很高的近似方法。

隨著(zhù)離散頻譜校正技術(shù)的發(fā)展和不斷完善，越來(lái)越廣泛地被應用于分析各種實(shí)際問(wèn)題和各類(lèi)動(dòng)態(tài)信號分析系統中。離散頻譜校正理論已在或將在下列領(lǐng)域得到廣泛的應用：

（1） 各類(lèi)動(dòng)態(tài)信號分析儀及計算機輔助測試系統；

（2） 旋轉機械振動(dòng)信號，具有滑動(dòng)軸承的旋轉機械，工作轉速大多很穩定，且需要相位作為分析參數，此時(shí)采用比值校正法最佳；

（3） 發(fā)動(dòng)機等扭振信號，對于穩態(tài)扭振信號，只需要精確求出各諧次幅值，由于三點(diǎn)卷積校正法不受轉速有小波動(dòng)的影響，是穩態(tài)扭振信號的最佳選擇；

（4） 儀器儀表領(lǐng)域中的應用，已經(jīng)應用到渦街流量計和電力系統電參量等需要精密頻率測量計算出物理量的儀器儀表中；

（5） 電力系統諧波分析；

（6） 激光多普勒測速中提高精度；

（7） 高精度的頻率與幅值校準系統，目前國內在精確標定動(dòng)態(tài)信號的頻率和幅值的儀器方面還是空白，利用比值校正法配合高精度A/D板可以研制出標定儀器，填補這方面的空白；

（8） 精密分析各類(lèi)振動(dòng)信號頻譜；

（9） 循環(huán)平穩解調分析，采用離散頻譜來(lái)校正解調后的調制頻率和幅值，大幅度提高分析精度，能夠更準確的提取故障信息；

（10） 雷達精密測距和電子對抗的軍事領(lǐng)域。

2.1 比值校正法（內插法）

這種方法利用頻率歸一化后差值為1的主瓣峰頂附近二條譜線(xiàn)的窗譜函數比值，建立一個(gè)以歸一化校正頻率為變量的方程，解出歸一化校正頻率，進(jìn)而進(jìn)行頻率、幅值和相位校正；這種方法適用于已知所加對稱(chēng)窗函數傅立葉變換的理論表達式情況下的離散頻譜校正。

校正頻率為：

（1）

式中，k（k=0，1，2，…，N/2-1）為譜線(xiàn)號，N為分析點(diǎn)數，為采樣頻率。設窗函數的頻譜模函數為，則幅值校正為：

（2）

由頻譜校正得到譜線(xiàn)校正量后，相位校正量為：

（3）

當實(shí)部為，虛部為時(shí)，真實(shí)相位角為：

（4）

比值校正法的特點(diǎn)：

（1）適用于已知歸一化窗函數頻譜解析表達式的一種通用離散頻譜校正方法；可以精確校正單頻率諧波信號離散頻譜的頻率、幅值和相位，大大提高離散譜分析的精度；

（2）從理論和實(shí)踐上系統地解決了間隔較大（5個(gè)頻率分辨率以上）的多頻率成分的參數（頻率、幅值和相位）精確求解的問(wèn)題；

（3）算法簡(jiǎn)單，計算速度快；

（4）不考慮信號中噪聲的影響，比值法是一種精確的校正方法，校正后頻率、幅值和相位為理論值，但會(huì )在數字計算中受到數字截斷誤差的影響而產(chǎn)生很小的誤差；

（5）不適用于頻率成分過(guò)于密集的信號和連續頻率成分信號離散頻譜分析的校正。

2.2 能量重心校正法

該方法是根據對稱(chēng)窗函數離散頻譜的能量重心無(wú)窮逼近坐標原點(diǎn)或在原點(diǎn)附近的這一特性推導出的一種離散頻譜校正方法，是一種適用于加各種對稱(chēng)窗的通用離散頻譜校正方法。以Hanning窗為例，由于其窗旁瓣的功率譜值很小，根據其能量重心的特性，若令X為［-0.5，0.5］范圍內，就可以用主瓣內功率譜值較大的幾條譜線(xiàn)精確地求得主瓣的中心坐標。設采樣頻率為，作譜點(diǎn)數為N，主瓣內峰值的譜線(xiàn)號為m，Yi為功率譜第i條譜線(xiàn)值，x0為主瓣中心，其頻率校正公式為：

（5）

設能量恢復系數為，則校正后的幅值為：

（6）

歸一化頻率的校正量為，則有：

（7）

結合式（3）、式（4）即可求出校正相位。

能量重心校正法的特點(diǎn)：

（1） 適用于任何加對稱(chēng)窗函數頻譜的一種通用離散頻譜校正方法，可大幅度提高離散頻譜的分析精度；

（2） 與其它校正方法相比，其能對多段平均功率譜直接進(jìn)行校正；

（3） 算法簡(jiǎn)單，計算速度快；

（4） 負頻率成分和間隔較近的多頻率成分產(chǎn)生的干涉現象所帶來(lái)的誤差對精度的影響??；

（5） 校正精度與窗函數有關(guān)，加Hanning窗時(shí)具有較高的校正精度；

（6） 校正精度與參與校正的點(diǎn)數有關(guān)，點(diǎn)數越多，對單頻率成分的校正精度越高，但要求相鄰兩個(gè)譜峰的頻率間隔越大；

（7） 不考慮信號中噪聲的影響，能量重心法是一種精度較高的近似校正方法，校正后頻率、幅值和相位不是理論值，但誤差很??；

（8） 不適用于頻率成分過(guò)于密集的信號和連續頻率成分信號離散頻譜分析的校正。

2.3 FFT+FT連續細化分析傅立葉變換法

該方法實(shí)質(zhì)是用FFT作全景譜，針對要細化的局部再用改進(jìn)的連續傅立葉變換FT進(jìn)行運算，以得到局部細化精度極高的頻譜。對采樣信號作FFT后，在指定的一個(gè)頻率區間［，］，包含在區間［0，］內，進(jìn)行L點(diǎn)等間隔譜分析。

（8）

（9）

確定頻率分辨率后，計算頻率序列｛，，，…，｝，依據式（8）、式（9）進(jìn)行L+1點(diǎn)實(shí)部和虛部計算，并合成幅值譜和相位譜，從而校正出頻率、幅值和相位。

FFT+FT連續細化分析傅立葉變換法的特點(diǎn)：

（1）適用于任何加對稱(chēng)窗函數頻譜的一種通用離散頻譜校正方法，可大幅度提高離散頻譜的分析精度；可以在不增加采樣長(cháng)度的前提下，大大提高頻率分辨率以及幅值和相位的計算精度；

（2）計算速度比其它方法慢得多，不適合用作實(shí)時(shí)頻譜分析與校正；

（3）與復調制細化選帶頻譜分析方法不同，由于沒(méi)有加大窗的長(cháng)度，所以?xún)H能對信號局部頻率的幅值和相位進(jìn)行細化運算，而不能將已經(jīng)非常密集、發(fā)生主瓣重疊和干涉的多頻率信號分離成沒(méi)有發(fā)生主瓣重疊和干涉的多個(gè)單頻率成分信號，所以也不適用于頻率成分過(guò)于密集的信號和連續頻率成分信號離散頻譜分析的校正。

2.4 相位差法

相位差法分為時(shí)移法、改變窗長(cháng)法和綜合法。其實(shí)質(zhì)是對同一信號進(jìn)行連續采樣得到兩段時(shí)間序列，其中第二段時(shí)域序列比第一段滯后一定的點(diǎn)數，對這兩段時(shí)域加相同或不同的窗函數，分別進(jìn)行兩次不同或相同點(diǎn)數的FFT（或DFT）分析，利用對應峰值譜線(xiàn)的相位差進(jìn)行離散頻譜校正，該方法適用于加各種對稱(chēng)窗情況下的離散頻譜校正。相位差校正法有三種方法：第一種方法是改變窗長(cháng)法，第二種方法是時(shí)域平移法，第三種方法是綜合校正法，即時(shí)域平移+改變窗長(cháng)＋加不同窗函數法，該方法適用于加各種對稱(chēng)窗情況下的離散頻譜校正。

這種方法是用兩段時(shí)間序列FFT后的相位之差進(jìn)行頻譜校正，原始單頻率成分信號采連續兩段樣本，然后對這兩段作傅利葉變換，利用其對應離散譜線(xiàn)的相位差校正出譜峰處的準確頻率和相位的校正方法。對兩段信號都是加相同的窗函數后再進(jìn)行離散傅里葉變換，變換后的相頻函數在窗函數主瓣內不但都具有線(xiàn)性關(guān)系，而且斜率相同，則有：

（10）

（11）

相位差為：

（12）

歸一化后的頻率校正量：

（13）

校正頻率為：

（14）

校正幅值為：

（15）

相位差校正法的特點(diǎn)：

（1） 通用性好，其校正方法不受所加窗函數不同的影響，是適用于加任何對稱(chēng)窗函數的一種通用離散頻譜校正方法；

（2） 算法簡(jiǎn)單，計算速度快；

（3） 抗噪聲干擾的能力較強；

（4） 不考慮信號中噪聲的影響，相位差法是一種精確的校正方法，校正后頻率、幅值和相位為理論值，但會(huì )在數字計算中受到數字截斷誤差的影響產(chǎn)生很小的誤差；

（5） 不適用于頻率成分過(guò)于密集的信號和連續頻率成分信號離散頻譜分析的校正。

在本系統中，為了提高數據分析精度，根據比值校正法、能量重心校正法、FFT+FT連續細化分析傅立葉變換法和相位差法四種常用頻譜校正方法原理，在LabVIEW8.6中編寫(xiě)相應函數，對數據進(jìn)行頻譜校正處理。

3 總結

利用凌華科技高性能數據采集卡PCI9846和LabVIEW，結合四種最新頻譜校正方法，設計數據采集與分析系統，用于汽車(chē)振動(dòng)數據分析。