【導(dǎo)讀】統(tǒng)儀器繁瑣的結(jié)構(gòu)，形成的一種新的儀器模式。如今的虛擬儀器技術(shù)還存在許多的弱點(diǎn)。首先，部分檢測(cè)系統(tǒng)任處于相對(duì)比較落后。的狀態(tài)，將各種示波器連接至計(jì)算機(jī)。整，有時(shí)候還需要同時(shí)顯示多個(gè)波形時(shí)，需要連接多個(gè)示波器。其工作不僅復(fù)雜，而且?？丶加寐室脖容^高。在企業(yè)中，這也大大提高了企業(yè)的運(yùn)營成本，在研究項(xiàng)目的過程。中也會(huì)出現(xiàn)各種麻煩的步驟。同時(shí)，現(xiàn)有的虛擬儀器技術(shù)也是僅僅停留在數(shù)據(jù)采集、數(shù)。據(jù)分析的單獨(dú)步驟上，沒有將兩者很好的結(jié)合在一起。立分開工作的，增加了數(shù)據(jù)分析結(jié)果的時(shí)間，對(duì)應(yīng)的工作效率也有所降低。同時(shí)在Labview軟件的顯示界。壓值，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速，以此形成了一個(gè)完整的循環(huán)過程。本設(shè)計(jì)是虛擬儀器在測(cè)控領(lǐng)域的一次成功嘗試。該系統(tǒng)將電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、數(shù)據(jù)采集、

　　

【正文】 、控制電壓范圍輸入（根據(jù)變頻器的的控制電路電壓設(shè)定，本設(shè)計(jì)設(shè)定為 0～ 5V）、電機(jī)啟動(dòng)按鈕、轉(zhuǎn)速輸入旋鈕，以及振動(dòng)頻率顯示，具體前面板如圖 所示。 該面板包含了采集的啟動(dòng)以及停止按鈕、采集通道（即傳感器輸出信號(hào)的接受通道，本系統(tǒng)設(shè)置了三個(gè)通道，即最多可以同時(shí)接收三個(gè)傳感器的信號(hào)）、采樣率輸入、每通道采樣數(shù)的設(shè)置、每通道緩沖區(qū)的設(shè)置以及實(shí)時(shí)波形顯示，具體前面板如圖 所示。 圖 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制及數(shù)據(jù)采集保存前面板 圖 南京工程學(xué)院汽車與軌道交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 在線分析用做數(shù)據(jù)的頻譜分析，在線分析是依據(jù)此次的振動(dòng)信號(hào)分析設(shè)計(jì)的單通道數(shù)據(jù)分析，具體前面板如圖 。 圖 信號(hào)分析 前面板 圖 由于身邊的資源有限，沒有型號(hào)為 和 PCI6024E采集卡，所以在設(shè)計(jì)的過程中只能有一個(gè)模擬信號(hào)來代替采集到的振動(dòng)信號(hào)。對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行了對(duì)應(yīng)頻譜的分析以后，產(chǎn)生波形圖如圖 和 所示。 正弦信號(hào)功率譜 南京工程學(xué)院汽車與軌道交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 隨機(jī)模擬信 號(hào)的自功率譜和時(shí)頻譜 南京工程學(xué)院汽車與軌道交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 第六章 振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析 頻譜分析的理論知識(shí) 首先，通過圖書館以及網(wǎng)絡(luò)資源，學(xué)習(xí)了相關(guān)頻譜分析的理論知識(shí)，由于時(shí)間有限，只摘要了幾種頻譜分析的理論知識(shí)，對(duì)其進(jìn)行簡單的數(shù)學(xué)原理解釋。 隨機(jī)信號(hào)的自功率譜密度函數(shù)是該隨機(jī)信號(hào)自相關(guān)函數(shù)的 FT變換 ，記為: 其逆變換為： （ ） 兩 個(gè) 隨機(jī)信號(hào)的互功率譜密度函數(shù)為 : 其逆變換為： 因?yàn)?S（ f）和 R（τ）是兩者之間的關(guān)系的傅立葉變換 ，兩者 是唯一相應(yīng)的 。 S (f)中包含著 R (τ)的 所有數(shù)據(jù)信號(hào) 。 由于 為實(shí)偶函數(shù)， 亦為實(shí)偶函數(shù) ， 互相關(guān)函數(shù) 并非偶函數(shù)， 因此 具有虛 的部分和實(shí)的部分 ，類似的 ， 保存 了 的 所有數(shù)據(jù)信號(hào) 。 和 的頻域描述表達(dá)成函數(shù)時(shí)時(shí)一個(gè)隨機(jī)信號(hào) 。 表示信號(hào)的功率密度沿頻率軸的分布， 故又稱 為功率譜密度函數(shù)。 和 的頻域描述表達(dá)成函數(shù)時(shí)時(shí)一個(gè)隨機(jī)信號(hào) 。 由于整 體隨機(jī)信號(hào)不收斂，不符合條件， 所以它的傅立葉變換是不存在的，是不能直接獲得譜。但均值為零的隨機(jī)信 號(hào)的相關(guān)函數(shù)在 時(shí)是收斂的，即可滿足 (FT)的 條件 ,根據(jù) FT理論，自相關(guān)函數(shù) 是絕對(duì)可積的。 對(duì)于式（ ） 當(dāng) T=0時(shí)，有 : () 根據(jù)相關(guān)函數(shù)的定義 ，當(dāng) T=0時(shí)，有 : 南京工程學(xué)院汽車與軌道交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 比較以上兩式可得 : 上式 表現(xiàn)了 弧線 下的總面積 與 弧線 下的總 體 面積相等， 在 物理意義 方面上看來 ， x2(t)是信號(hào) x(t)的能量， x2(t)/T是信號(hào) x(t)的功率， 是信號(hào) x(t)的總功率。 弧線 下 與 X軸圍成的 總面積 與總體的面積 相等，故 所得到的 總面積就是信號(hào)的功率 總和 。 不計(jì)其數(shù)的各種 頻率上的功率元組成 這一功率總和 ， 的 數(shù)值 表明總功率在不同頻率處的功率 布局 ，所以 ， 表明了 信號(hào)的功率密度沿頻率軸的分布，故又稱 為功率譜密度函數(shù)。用同樣的方法， 也可以用于詮釋 互譜密度函數(shù) 。 底下闡述 自功率譜密度函數(shù) 和幅值譜 X(f)或能譜 |X(f)|2之間的 聯(lián)系 。 根據(jù) Parseval定理型，在時(shí)間軸上的平均功率數(shù)據(jù)信息表達(dá)： () 比較式（ ） 與（ ） 可得 : 自功率譜密度函 數(shù) 的頻率范圍是 ( )，它 是 一個(gè) 偶函數(shù) ,它又稱雙邊自功率譜密度函數(shù)。 它在 ( ,0)的頻率限度內(nèi) 的函數(shù)值是其在 (0, )頻率范圍函數(shù)值的對(duì)稱 顯現(xiàn) ,所以 ,可用在 (0, )范圍內(nèi) = 來表示 數(shù)據(jù)信息 的 所有功率譜。 x(t) 被我們稱作 信號(hào)的單邊功率譜密度函數(shù)。 功率譜的計(jì)算有幾種方法。 最重要的好處是庫立 杜凱（庫勒?qǐng)D基 FFT）方法，用于測(cè)量的功率譜。 功率譜的 測(cè)算 有 下列 幾種 方式 。第一種 是 布拉克 — 杜開（ Blackman—Tukey）法。 該方法是基于原來的信號(hào)來計(jì)算相關(guān)函數(shù)，然后，傅立葉變換的功率譜； 第二種為模擬濾波器法。它是 利用 模擬分析儀 來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算的一種方法；第三種是庫立 — 杜開（ Cooley—Tukey）法，即用 FFT計(jì)算南京工程學(xué)院汽車與軌道交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 功率譜。前兩種方法是較早采用的方法。 依靠 計(jì)算機(jī)的 快速 發(fā)展， 實(shí)現(xiàn)了 用 FFT算法 對(duì)采集到的數(shù)據(jù) 進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線信號(hào) 的 處理 和分析。 FFT算法的估計(jì)式 : 模擬信號(hào)自譜的估計(jì)式為： = = 數(shù)字信號(hào)自譜的估計(jì)式為： = = 模擬信號(hào)互譜的估計(jì)式為： = = 數(shù)字信號(hào)自譜的估計(jì)式為： = = 自功率譜密度 為自相關(guān)函數(shù) 的傅里葉變換，故 包含著中的全部信息。 頻域結(jié)構(gòu) 依靠 自功率譜密度 來進(jìn)行 反映信號(hào)，這與幅值譜 相 類似 ， 可是 自功率譜密度所反映的是信號(hào)幅值的 二次方 ，因 而 其頻域結(jié)構(gòu) 特性 更 加清晰 。 對(duì)于 理想單輸入、輸出 線性系統(tǒng)，若輸入為 ，輸出為 y(t)， 檢測(cè) 系統(tǒng) 所反映的 頻率響應(yīng)函數(shù)為 H (f)則 : 式中 , , 均為 f 的復(fù)函數(shù)。如 可表示 為 : X(f)的共軛值為 : 南京工程學(xué)院汽車與軌道交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 則有： = （ ） 上式說明， 通過對(duì) 輸入、輸出間的互譜密度函數(shù)與輸入功率譜密度函數(shù) 求比可以得出 系統(tǒng)的頻響函數(shù) 。由于頻率和相位信息 包含在 中 ，故幅頻與相頻信息 也 在 中顯現(xiàn) 。此外， 還 可以得到下列式子 : 在 解析 頻響函數(shù) 之后可以求導(dǎo) 對(duì) H (f)取逆富氏變換， 就 可 解析 得 到 脈沖響應(yīng) 的 函數(shù) h(t)。但 是值得注意的地方就是 未經(jīng) 整波 或平滑 欠佳 的頻響函數(shù)中的 失真 峰值 (干擾引起 )， 虛假的正弦的分量會(huì)在脈沖響應(yīng)的函數(shù)中體現(xiàn)出來 。可以證明，自功率譜密度與系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù) 所對(duì)應(yīng) 的 輸入和輸出的 關(guān)系如下： () 通過輸入，輸出頻譜分析，可以得到對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)的幅頻特性。但由于頻譜分析的相位信息丟失，使系統(tǒng)的相頻特性是不能夠得到。 對(duì)于理想 的 線性系統(tǒng) 的單輸入、單輸出 ，由式 （ ） 可 得 () 因此，從輸入和輸出的交叉譜輸入譜，可以直接從系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。 式()與式 ()不同， 幅頻特性 和 相頻特性 都包含在 所得到的 中 ，這是因?yàn)?在互相關(guān)函數(shù) 的 中 也 包含著 對(duì)應(yīng)的 相位 信號(hào) 。 南京工程學(xué)院汽車與軌道交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 通過對(duì)頻譜分析的理論知識(shí)以及 LabVIEW 2020 自帶頻譜分析模塊的認(rèn)真學(xué)習(xí)，我通過編程進(jìn)行了一下幾種譜分析，并得出結(jié)論。 ，采集的信號(hào)波形 如圖 所示，功率譜分析如圖 所示。 圖 采集信號(hào)波形圖 圖 功率譜波形圖 480rpm 時(shí)，功率譜分析如圖 所示。 南京工程學(xué)院汽車與軌道交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 圖 功率譜波形圖（轉(zhuǎn)速 480rpm） 960rpm 時(shí)，功率譜分析如圖 所示。 圖 功率譜波形圖（轉(zhuǎn)速 960rpm） 1440rpm 時(shí)，功率譜分析如圖 所示。 南京工程學(xué)院汽車與軌道交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 36 圖 功率譜波形圖（轉(zhuǎn)速 1440rpm） 從圖 中可以看出當(dāng)理論轉(zhuǎn)速為 480rpm 時(shí)，頻率在 8Hz 左右的能量最大；從圖 中可以看當(dāng)理論轉(zhuǎn)速為 960rpm 時(shí)，頻率在 16Hz 左右的能量最大；從圖 中可以看當(dāng)理論轉(zhuǎn)速為 1440rpm 時(shí)，頻率在 16Hz 左右的能量最大。 綜上所述，轉(zhuǎn)速及振動(dòng)的頻率與產(chǎn)生的能 量大小成正比關(guān)系。因此，如果需要減小振動(dòng)影響，就必須研究產(chǎn)生振動(dòng)的頻率，通過實(shí)時(shí)的振動(dòng)頻率檢測(cè)，再使用合適的減振設(shè)備，最終達(dá)到減振的效果。 南京工程學(xué)院汽車與軌道交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 37 第七章 總 結(jié) 本設(shè)計(jì)是基于虛擬儀器技術(shù)的研究，數(shù)據(jù)庫技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集的使用，通過 TMDS 文件保存， ，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一個(gè)振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了一個(gè)從物理信號(hào)到多通道數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì) 大部分的工作是設(shè)計(jì)程序，硬件方面的準(zhǔn)備 。 但硬件的理解還必需要做的工作，尤其是對(duì) PCI6024E 數(shù)據(jù)采集卡的理解。 其中包括 數(shù)據(jù)的采集率，采集通道和 采樣方式，然后根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的 檢測(cè) 系統(tǒng)。 在數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上 構(gòu)建了 多通道數(shù)據(jù)采集 的 整個(gè)系統(tǒng) ，其中包括用戶登錄 系統(tǒng) ，采集的數(shù)據(jù)保存，歷史數(shù)據(jù)的回放以及分析。 整個(gè)系統(tǒng)從硬件到軟件的充分發(fā)展，完美的表達(dá)了一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能和實(shí)際應(yīng)用。 在設(shè)計(jì)過程中，是 先 設(shè)計(jì)的子程序， 再設(shè)計(jì) 測(cè)試其功能設(shè)計(jì) 的 子程序，所以程序調(diào)試階段是非常順利，唯一遺憾的是這個(gè)用戶登錄界面修改函數(shù)密碼無法實(shí)現(xiàn)。 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展和測(cè)試的需要，驅(qū)動(dòng)虛擬儀器 向著 網(wǎng)絡(luò)化 的 方向發(fā)展。以 PC 機(jī)或工作站為平臺(tái) ， 采用虛擬儀器技術(shù)的實(shí) 際測(cè)量與控制系統(tǒng)將成為一個(gè)重要的發(fā)展方向， 它將成為一種重要的 儀器與測(cè)量技術(shù)。 通過這樣的設(shè)計(jì)，對(duì)虛擬儀器技術(shù) 和虛擬儀器的 重要發(fā)展方向 有了一個(gè) 深刻理解。 虛擬儀器所展現(xiàn)的 新的模式和強(qiáng)大的功能贏得人 們 的 青睞 。隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展將擴(kuò)展到各個(gè)領(lǐng)域，深刻的變化所造成的測(cè)量和控制儀表 的變革 。 南京工程學(xué)院汽車與軌道交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 38 致 謝 感謝王書林老師的悉心指導(dǎo) 。在設(shè)計(jì)的過程中 ，遇到了不少的疑惑和問題，王院長都一一給我悉心解答，讓我能夠很 快速的熟悉軟件，并且一步一步地完成我的畢業(yè)設(shè)計(jì)， 謝謝！ 感謝大學(xué)四年學(xué)校里的老師 和同學(xué)們，為我提供 了好的 的學(xué)習(xí)環(huán)境。你們 在大學(xué)的四年里面給我?guī)Я藫Q了，帶來了知識(shí)，帶來了豐富的人生經(jīng)驗(yàn)，帶來了一生難忘的經(jīng)歷， 謝謝你們。 感謝學(xué)校的圖書館。 在圖書管里面，我借閱書籍，學(xué)到了很多各方面的知識(shí)。圖書館也是一個(gè)自習(xí)的好去處，想安靜學(xué)習(xí)的時(shí)候，可以呆在那里一整天。 感謝父母在物質(zhì)和精神上的支持。 感謝 那些開辟 計(jì)算機(jī)時(shí)代的 勞動(dòng)者們 。 我的設(shè)計(jì)是建立在他們的理論和技術(shù)基礎(chǔ)上的。 感謝百度、谷歌公司提供了如此優(yōu)秀的搜索引擎。 上面的很多資料庫都給我提供了不少的設(shè)計(jì)靈感，讓我能夠漸漸完善我的畢業(yè)設(shè)計(jì)。 由于 NI 的工程師，為虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)如此完美。 你們 用你們辛勤的汗水，用你們的知識(shí)給人類張?jiān)旄！? 我 的 好友 由于 LabVIEW 研究組，組中的，我知道很多朋友在一起做的設(shè)計(jì)，我們討論他們所遇到的問題，并且每個(gè)提出自己的想法， 不斷完善我們的設(shè)計(jì)。 最后感謝一下自己，因?yàn)樽约旱膱?jiān)持到底，才有了這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)，這也是我第一次成功開發(fā)的系統(tǒng)。 龔戌偉 2020 年 6月 于南京 南京工程學(xué)院汽車與軌道交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 39 參考文獻(xiàn) 1. 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