【正文】 學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）題 目：基于虛擬儀器的風(fēng)扇故障檢測(cè)系統(tǒng)學(xué)生姓名：****學(xué) 號(hào)：*****專 業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器班 級(jí)：測(cè)控***班指導(dǎo)教師：**** 副教授基于虛擬儀器的風(fēng)扇故障檢測(cè)系統(tǒng)摘要風(fēng)扇故障檢測(cè)在風(fēng)扇出廠過程中得到廣泛應(yīng)用，目前廣泛采用的方法有振動(dòng)診斷技術(shù)和聲頻診斷技術(shù)，但振動(dòng)診斷技術(shù)是接觸式測(cè)量，需克服測(cè)試線線體振動(dòng)的影響，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，速度慢。本文采用基于虛擬儀器的音頻故障診斷系統(tǒng)，構(gòu)建高精度，低成本，功能靈活的故障診斷系統(tǒng)。首先在保證系統(tǒng)可靠性和可行性的前提下，用計(jì)算機(jī)本身的聲卡代替專用的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn) ，16 位采樣深度，對(duì)風(fēng)扇聲信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。系統(tǒng)經(jīng)過測(cè)試，滿足了風(fēng)扇故障檢測(cè)的需求，具有成本低廉，檢測(cè)方便，性能穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，可以推廣到聲音識(shí)別、環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量等多種領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。 virtual instrument。 fault diagnosis。早期的檢測(cè)方法是讓檢測(cè)線經(jīng)過消音室，富有經(jīng)驗(yàn)的工人在室內(nèi)用人耳聽辨別故障風(fēng)扇。而且檢測(cè)速度慢，勞動(dòng)強(qiáng)度大。因此風(fēng)扇廠家迫切需要改造現(xiàn)有的出廠檢測(cè)技術(shù)。在傳感器技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，虛擬儀器技術(shù)在數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析等方面都成為了領(lǐng)先的開發(fā)平臺(tái)。 為此本文提出利用虛擬儀器技術(shù) LabVIEW 作為開發(fā)平臺(tái)，來實(shí)現(xiàn)電廠風(fēng)機(jī)出廠狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。在LabVIEW 環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)的采集分析及數(shù)據(jù)處理。 目前該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀目前在風(fēng)扇故障檢測(cè)領(lǐng)域廣泛采用的方法有振動(dòng)診斷技術(shù)和聲頻診斷技術(shù)，但振動(dòng)診斷技術(shù)是接觸式測(cè)量，需克服測(cè)試線線體振動(dòng)的影響，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，速度慢；而音頻診斷技術(shù)為非接觸式測(cè)量，設(shè)備簡(jiǎn)單、速度快。 運(yùn)行環(huán)境 本設(shè)計(jì)以虛擬儀器作為運(yùn)行環(huán)境。利用 PC 計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能，實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析、處理，由 I/0 接口設(shè)備完成信號(hào)的采集、測(cè)量與調(diào)理，從而完成各種測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。，而不是事先由廠家定義好的。虛擬儀器簡(jiǎn)介 由于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度發(fā)展及其在電子測(cè)量技術(shù)與儀器上的應(yīng)用，新的測(cè)試?yán)碚?、新的測(cè)試方法、新的測(cè)試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，在許多方面已經(jīng)突破了傳統(tǒng)儀器的概念，使電子測(cè)量?jī)x器的功能和作用發(fā)生了質(zhì)的飛躍。虛擬儀器的發(fā)展標(biāo)志著自動(dòng)測(cè)試與電子測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個(gè)嶄新方向。使用者用鼠標(biāo)點(diǎn)擊虛擬面板，就可以操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件平臺(tái)，就如同使用一臺(tái)專用電測(cè)量?jī)x器。 虛擬儀器是由計(jì)算機(jī)硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通訊及圖形化用戶界面的軟件組成的測(cè)控系統(tǒng)，也是一種由計(jì)算機(jī)操控的模塊化儀器系統(tǒng)。在國(guó)外，以 NI 公司、HP 公司、Tektronix 公司、Racal 公司等為代表的著名儀器生產(chǎn)廠家都對(duì)虛擬儀器技術(shù)投入了大量的人力物力，研制出了不少優(yōu)秀的硬件模塊與軟件產(chǎn)品。LabVIEW 是一種用圖標(biāo)代碼來代替編程語言創(chuàng)建應(yīng)用程序的開發(fā)工具。LabVIEW 用圖形語言（G 語言） 、圖標(biāo)和連線代替文本的形式編寫程序。LabVIEW 的庫函數(shù)包括數(shù)據(jù)采集、通用接口總線和串口儀器控制、數(shù)據(jù)顯示、分析與存儲(chǔ)等。 LabVIEW 是一個(gè)通用編程系統(tǒng)，它不但能夠完成一般的數(shù)學(xué)運(yùn)算與邏輯運(yùn)算和輸入輸出功能，它還帶有專門的用于數(shù)據(jù)采集和儀器控制的庫函數(shù)和開發(fā)工具以及專門的數(shù)學(xué)分析程序包，基本上可以滿足復(fù)雜的工程計(jì)算和分析要求。實(shí)際上，VI 類似于傳統(tǒng)編程語言的函數(shù)或子程序。 程序使用圖標(biāo)連線端口來替代文本編程的函數(shù)參數(shù)表，每個(gè)輸入和輸出的參數(shù)都有自己的連接端口，其它的 VI 可以由此向 SubVI（即 VI 子程序）傳遞數(shù)據(jù)。 LabVIEW 簡(jiǎn)化了科學(xué)計(jì)算、過程監(jiān)控和測(cè)試軟件的開發(fā)，已經(jīng)在航空、航天、通信、汽車、半導(dǎo)體、電子、機(jī)械等世界范圍領(lǐng)域的眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。如挪威的 CARDIAC 公司的基于LabVIEW 平臺(tái)的測(cè)試北海油田石油、大氣、水流的 MPFM 系統(tǒng)等。 我國(guó)傳統(tǒng)儀器技術(shù)還比較落后，與國(guó)外相比，測(cè)量精度和可靠性均較低，且自動(dòng)化程度較低。虛擬儀器在我國(guó)的研究和開發(fā)有著十分現(xiàn)實(shí)的意義，廣泛采用虛擬儀器技術(shù)有助于提高我國(guó)儀器的整體水平，節(jié)省儀器開發(fā)的人力和費(fèi)用。第二章 設(shè)計(jì)需求分析價(jià)格昂貴， PC 機(jī)自帶的聲 DMA（直接內(nèi)存讀?。┓绞絺魉蛿?shù)據(jù)，極大地降低了 CPU 占用率，而且其具有 16 位的 A/D 轉(zhuǎn)化精度，比通常 12 位 A/D 卡的精度高，對(duì)于許多工程測(cè)量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)來說都是足夠高的，其價(jià)格卻比后者便宜得多， LabVIEW 軟件自帶的聲音處理模塊配合其它常用功能模塊完成. 硬件實(shí)現(xiàn)聲卡一般有 Line In 和 Mic In 兩個(gè)信號(hào)輸入插孔，聲音傳感器（本文采用通用的麥克風(fēng)）信號(hào)可通過這兩個(gè)插孔連接到聲卡。聲卡測(cè)量信號(hào)的引入應(yīng)采用音頻電纜或屏蔽電纜以降低噪聲干擾。此外，將聲卡的 Line Out 端口接到耳機(jī)上還可以實(shí)時(shí)的監(jiān)聽聲音信號(hào)。圖 聲卡的工作流程目前市售的數(shù)據(jù)采集卡都包含了完整的數(shù)據(jù)采集電路和與計(jì)算機(jī)的接口電路，但其價(jià)格與性能基本成正比，一般比較昂貴。ISA 總線向 PCI 總線的過渡，解決了以往聲卡與系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的瓶頸問題，同時(shí)也充分發(fā)揮了 DSP 芯片的性能。一般聲卡 16 位的 A/D 轉(zhuǎn)換精度，比通常 12 位 A/D 卡的精度高，對(duì)于許多工程測(cè)量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)來說都是足夠高的，其價(jià)格卻比后者便宜得多。當(dāng)然，它只適合采集音頻域的信號(hào)，即輸入信號(hào)頻率必須處于 20~20220Hz 的音頻范圍內(nèi)。聲卡工作原理及性能指標(biāo) 聲音的本質(zhì)是一種波，表現(xiàn)為振幅、頻率、相位等物理量的連續(xù)性變化。聲卡的基本工作流程為：輸入時(shí)，麥克風(fēng)或線路輸入（Line In）獲取的音頻信號(hào)通過 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行播放、錄音等各種處理；輸出時(shí)，計(jì)算機(jī)通過總線將數(shù)字化的聲音信號(hào)以 PCM（脈沖編碼調(diào)制）方式送到 D/A 轉(zhuǎn)換器，變成模擬的音頻信號(hào)，進(jìn)而通過功率放大器或線路輸出（Line Out）送到音箱等設(shè)備轉(zhuǎn)換為聲波，人耳偵測(cè)到環(huán)境空氣壓力的改變，大腦將其解釋為聲音。a） 復(fù)音數(shù)量：復(fù)音數(shù)不是聲卡的 DAC（DigitaltoAnalog Conversion，數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器）或 ADC（AnalogtoDigital Conversion，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器）的轉(zhuǎn)換位數(shù)，而是代表聲卡能同時(shí)發(fā)出多少種聲音。如果一首 MIDI 樂曲中的復(fù)音數(shù)超過了聲卡的復(fù)音數(shù)，則將丟失某些聲部，但一般不會(huì)丟失主旋律。b） 采樣位數(shù)：將聲音從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的二進(jìn)制位數(shù)，即進(jìn)行 A/D、D/A 轉(zhuǎn)換的精度。位數(shù)越高，采樣精度就越高。在計(jì)算機(jī)中一般的聲卡是 16 位的，信噪比可達(dá) 96dB。d） 聲道數(shù)：聲道數(shù)是衡量聲卡檔次的重要指標(biāo)之一，可以分為單聲道（早期聲卡采用） 、準(zhǔn)立體聲（錄音時(shí)采用單聲道，放音時(shí)用立體聲） 、立體聲（錄音和放音都是立體聲） 、四聲道環(huán)繞（中高檔聲卡采用）和 聲道（用于各類傳統(tǒng)影院和家庭影院中）等。若用單聲道采樣，左右聲道信號(hào)都相同，且幅值為原信號(hào)的 1/2；用立體聲采樣，左右聲道互不干擾，可以采集兩路不同的信號(hào)，而且幅值與原信號(hào)相同。e） 信噪比：以 dB（Decibel，分貝）計(jì)算的信號(hào)最大保真輸出與不可避免的電子噪音的比率。f） 總諧波失真：英文全稱為 Total Harmonic Distortion，簡(jiǎn)稱 THD，是指用信號(hào)源輸入信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)（諧波及其倍頻成分）比輸入信號(hào)多出的額外諧波成分，通常用百分?jǐn)?shù)來表示。所以測(cè)試總諧波失真時(shí)，是發(fā)出 1000Hz 的聲音來檢測(cè)，這個(gè)值越小越好。一般聲卡的緩沖區(qū)是 8KB（8192） 。LabVIEW 對(duì)聲音采集的設(shè)置默認(rèn)于其所處的操作系統(tǒng)，本文使用的是最普通的聲卡，對(duì)于高級(jí)的聲卡采集信號(hào)時(shí)，要注意關(guān)閉如混響之類的一些特效，避免影響測(cè)量結(jié)果的真實(shí)性。聲卡測(cè)量信號(hào)的引入采用音頻電纜或屏蔽電纜以降低噪聲干，可能在采集時(shí)帶來部分噪聲信號(hào)，但對(duì)一般的實(shí)驗(yàn)性研究不會(huì)帶來太多影響，在后面可以通過軟件濾波消噪達(dá)到良好的效果。眾所周知，計(jì)算機(jī)內(nèi)部參與運(yùn)算的信號(hào)是二進(jìn)制的離散數(shù)字信號(hào)，而被采集的物理量一般是連續(xù)的模擬信號(hào)。連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)歷兩個(gè)斷續(xù)過程：1）時(shí)間斷續(xù)對(duì)連續(xù)的模擬信號(hào) x（t） ，按一定的時(shí)間間隔 Ts，抽取相應(yīng)的瞬時(shí)值（也就是通常所說的離散化） ，這個(gè)過程稱為采樣。2）數(shù)值斷續(xù)把采樣信號(hào) xs（nTs ）以某個(gè)最小數(shù)量單位的整數(shù)倍來度量，這個(gè)過程稱為量化。在實(shí)際工作中，信號(hào)的抽樣是通過 A/D 芯片來實(shí)現(xiàn)的。模擬信號(hào)經(jīng)過（A/D）變換轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過程稱之為采樣，信號(hào)采樣后其頻譜產(chǎn)生了周期延拓，每隔一個(gè)采樣頻率 fs，重復(fù)出現(xiàn)一次。這稱之為采樣定理。圖 信號(hào)正常采樣和欠采樣 聲卡的可行性分析數(shù)據(jù)采集卡的功能是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。然而，其性能與價(jià)格基本成正比，少則幾百、多則上萬元的價(jià)格使得系統(tǒng)開發(fā)成本大大增加，系統(tǒng)性價(jià)比（性能/價(jià)格）大大減小。隨著 DSP 技術(shù)的成熟，現(xiàn)在的 PC 聲卡本身就是一個(gè)優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。聲卡通常被用來作為音頻輸入、輸出設(shè)備，用于記錄、合成和回放語言、音樂和歌曲。它在音頻范圍內(nèi)有很平滑的頻率響應(yīng)，采樣頻率可達(dá) 192KHz，采樣深度可達(dá) 24 位，存儲(chǔ)深度極大，可完全利用計(jì)算機(jī)自身的內(nèi)存。測(cè)量的準(zhǔn)確度由聲卡的質(zhì)量決定。從價(jià)格上講，即使是專業(yè)級(jí)聲卡，其價(jià)格也遠(yuǎn)低于同類的 A/D 或 D/A 卡（通常是有數(shù)倍到數(shù)十倍之差） 。聲卡的時(shí)基精度通常為 %。一個(gè)好的聲卡，其噪聲電平可低于100dB， 總和諧波失真 THD 低于 %，對(duì)于工程測(cè)量、教學(xué)實(shí)驗(yàn)等用途而言，其各項(xiàng)指標(biāo)均可以滿足要求。聲卡可以較準(zhǔn)確地測(cè)量音頻范圍內(nèi)的信號(hào)，例如：振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、心肺聽診、心電圖、地震波，聲音，電源諧波等，根據(jù)所用傳感器的不同而不同，當(dāng)然還要看所用的軟件。此外，LabVIEW 提供的多線程技術(shù)可以使開發(fā)出來的系統(tǒng)流暢地運(yùn)行，并且模塊之間互不干擾，通過設(shè)計(jì)降噪模塊可以降低聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡的輸入噪聲。因此，用聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡是可行的。1） 第一個(gè)方案是用美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)、用 LabVIEW 進(jìn)行軟件編程。NI 公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡有多種總線類型（可選擇） ，模擬輸入有多通道（4 個(gè)通道以上） ，傳輸帶寬比較大，采樣精度高、延時(shí)少，而其價(jià)格（官方網(wǎng)站報(bào)價(jià)為 RMB 8，010～89，090 ）卻不是普通用戶能夠承受的。這與第一個(gè)方案的不同之處依然是數(shù)據(jù)采集卡。當(dāng)然，也有一些便宜的國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)采集卡，但這些數(shù)據(jù)采集卡良莠不齊，讓用戶很難分辨其性能的好壞，且驅(qū)動(dòng)更新很困難、測(cè)量精度也不高、傳輸速率比較慢等。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是充分發(fā)揮聲卡的數(shù)據(jù)采集性能，系統(tǒng)造價(jià)低、開發(fā)方便、系統(tǒng)移植能力強(qiáng)；缺點(diǎn)是對(duì)低于 20Hz 的信號(hào)采集效果不理想，采樣精度不夠高、通道數(shù)量比較少（當(dāng)然，可以通過配置多塊聲卡來解決這個(gè)問題） ；LabVIEW 的多線程技術(shù)允許進(jìn)行多線程通信，程序運(yùn)行開銷小、運(yùn)行更流暢。該系統(tǒng)除了前面介紹的功能和優(yōu)點(diǎn)外，還具有良好的移植性。許多程序太長(zhǎng)或太復(fù)雜，很難寫在一個(gè)單元中。模塊化程序一般比單塊程序容易編寫、調(diào)試修改。器件或程序在邏輯上被分為多個(gè)“黑箱子” ，這些黑箱子都有指定的輸入和輸出，只要把各個(gè)單元之間的接口定好，各個(gè)單元的詳細(xì)設(shè)計(jì)就可以獨(dú)立進(jìn)行了。定義好模塊的輸入和輸出之后，程序員可以給模塊提供需要的輸入，通過檢測(cè)輸出來判斷模塊的正確性。最后，測(cè)試整個(gè)模塊。在模塊化編程中，可以把這些部分保存起來，以備將來使用。而在單塊程序編程中，這樣的部分深埋在整個(gè)程序中，不易被其它的程序使用。因?yàn)榫亩x了程序的模塊接口，很容易把問題定位到特定的模塊。模塊化編程可以簡(jiǎn)化程序修改的工作。LabVIEW 內(nèi)置有基于軟件的測(cè)量函數(shù)和復(fù)雜的分析功能。此外，使用模塊化儀器建立的系統(tǒng)比傳統(tǒng)的儀器具有更高的靈活性、測(cè)量精度、數(shù)據(jù)吞吐量和同步特性?？傊K化編程不但可以提高編程效率、重復(fù)利用子程序、便于程序調(diào)試和修改，而且便于模塊的集成開發(fā)、程序的擴(kuò)展和系統(tǒng)功能的完善。因此，在此次風(fēng)扇故障檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)中，始終堅(jiān)持模塊化編程思想，這樣可以少做許多無用功，從而取得更大的效益。聲音信號(hào)處理平臺(tái)的設(shè)計(jì)聲音采集 分析處理模塊時(shí)域分析 頻域分析諧波失真分析 傅里葉變換時(shí)域縮放處理自功率譜信號(hào)檢測(cè)模塊圖 風(fēng)扇故障檢測(cè)信號(hào)處理平臺(tái)的系統(tǒng)功能模塊圖風(fēng)扇故障檢測(cè)信號(hào)處理平臺(tái)的系統(tǒng)流程圖，如圖 所示。整個(gè)程序可以分為：樣本聲音采樣子系統(tǒng)，待檢聲音采樣子系統(tǒng)，聲音檢測(cè)子系統(tǒng)等等。圖 揚(yáng)聲器采樣頻率和深度I/O 設(shè)備： 鍵盤、鼠標(biāo)、耳機(jī)（或音響）、麥克風(fēng)。另外本設(shè)計(jì)使用的是筆記本計(jì)算機(jī)，經(jīng)過測(cè)試表明：輸入信號(hào)頻率在 時(shí)，筆記本虛擬儀器采集的信號(hào)頻譜與理論信號(hào)的頻譜基本一致，誤差小于 2%，而小于 3Hz 或大于 48kHz 后采集信號(hào)的頻譜誤差著增大，信號(hào)失真；輸入信號(hào)幅值衰減為3dB 時(shí)的頻率為