基于PXI总线的振动信号测试系统研究与设计

【摘要】 工程技术领域中，振动信号的测试、处理以及分析是非常重要的组成部分。随着电子科学技术的高速发展，测试仪器也在迅速发展，代替传统仪器的虚拟仪器，正在逐渐成为测试领域的发展方向，采用虚拟仪器实现振动测试与分析也成为了振动测试的发展趋势。本课题研究开发的振动测试系统是基于PXI数据采集卡和LabVIEW作为开发平台来完成系统的设计。

【关键词】 振动信号 虚拟仪器 PXI总线 LabVIEW

一、测试系统总体方案设计

本课题设计的测试系统选择PXI总线作为整个系统的硬件采集平台和LabVIEW作为系统的开发软件。系统的构成方案如图1所示。

根据上述的系统设计方案，通过利用加速度传感器对振动信号的加速度信号进行采集，然后将调理过的信号输送给PXI数据采集卡实现数据的采集，使用LabVIEW虚拟仪器开发平台，根据设计的软件处理模块，可以实现对振动信号进行信号的预处理，包括信号采样、零均值化、消除趋势项、平滑处理；信号的时域分析；信号的频域分析；信号的积分这些分析与处理功能。

二、硬件设计

2.1 加速度传感器

传感器（Sensor）作为一种检测装置，它不但能感受到被测量的信息，还能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出 [1]。

由于本课题研究的是振动信号的测试，所以选取的是加速度传感器，它是利用了加速度传感器可以拾取设备的振动加速度信号，并且通过积分的方式，在一定的频率范围内，可以由加速度测得速度信号或位移信号[2]。

2.2 PXI的总线

PXI（PCI eXtensions for Instrument）总线是PCIfalse总线在仪器领域的扩展，它是在1997年，由NI公司推出的一种全新的开放式、模块化仪器总线规范，它将CompactPCI（坚固PCI）规范定义的PCI（Peripheral Component Interconnect，外部组件互联）总线技术扩展为适合于测量、试验以及数据采集场合的电气、机械和软件规范[3]。

要组建一个PXI的总线测试系统，需要根据测试系统的测试类型、测试环境、测试要求等去选择相应的数据采集卡、PXIe-PCIe转换卡、接线盒和机箱。

PXI硬件配置过程为，首先将选取的数据采集卡PXIe―6356和PXIe8361模块安装到NI PXIe-1073机箱相对应的插槽中，然后将PCIe8361模块安装到控制主计算机的对应插槽中，最后用高性能屏蔽电缆连接PXIe―6356和PCIe8361模块，构成PXI总线的硬件平台。

三、软件设计

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器集成环境）作为一种图形化的编程语言（又称G语言），它是由美国NI公司推出的虚拟仪器开发平台，是现在发展速度最快、功能性最强、应用最广泛的图形化软件集成开发环境[5]。

LabVIEW作为一款虚拟仪器设计平台的软件，它的函数模块包括了所有传统仪器的测试内容。振动信号的处理，其实就是从实际测量的振动信号中提取、放大所需的信息，消弱干扰和过滤掉非必要的信息的过程。振动加速度信号处理的常用的方法是：通过数学方法，首先对振动信号进行预处理，滤除掉杂乱的振动趋势项，并进行平滑处理来去除毛刺；来获取振动加速度信号的时域、频域、相关性特征等；接下来对振动加速度信号进行滤波、加窗、积分处理，来获取振动速度信号；由于积分产生新的趋势项，对速度信号需要再次进行趋势项消除，继而可获取速度信号相关特征；然后对算得的速度信号再次进行积分，最终得到位移信号。

四、系统测试与结果分析

构建的测试平台包括提供振动源的电机电路，加速度传感器的工作电路，振动信号的调理电路；接线盒NI SCB-68A、数据采集卡NI PXLe-6356、机箱NI PXIe-1073、PXIe-PCIe8361转接模块和68针高性能屏蔽电缆；以及实验所需的测量仪器，如数字示波器、函数信号发生器、万用表、直流电源等，外加主控计算机。

现对课}中测试系统采集到的振动信号进行分析。测试系统的振动源是由电机来提供的，此电机的额定转速是3000转/分钟，则频率应该在50Hz左右。那么利用论文中设计的振动信号采集模块，采集到的振动加速度信号的时域和频域图如图2所示。

通过对比图2中的波形图分析可知：在振动加速度时域波 形图中无法直接得到信号的频率信息，而通过观察振动加速度频域波形图，可发现主频在48Hz左右。该测试结果在允许误差5%范围以内，则说明设计的测试模块准确性和数据处理方案的可行性。

现对振动信号积分处理，经处理后得到的积分后的速度和位移波形如图3所示。

五、结论

本课题的任务是基于PXI总线对振动信号测试系统研究与设计，通过设计加速度信号采集硬件系统，PXI数据采集系统，最后使用LabVIEW软件编写处理模块，最后得到振动信号分析的结果。这种设计方案具有良好的扩展性和较高的性价比，且易于开发和维护，更适合现代社会的机械化工业生产，提高了经济效益。

参 考 文 献

[1] 栾桂冬、张金铎、金欢阳.传感器及其应用（第二版） [M]. 西安：西安电子科技大学出版社，2012.

[2] 陈福森，高坤江.振动加速度信号处理探讨[J].城市建设理论研究：电子版，2013（36）：50-52.

[3] 张重雄.虚拟仪器技术分析与设计（第2版） [M].北京：电子工业出版社，2012.

[4] NATIONAL INSTRUMENTS. NI PXI White Papers[J].2016.

[5] 张重雄.现代测试技术与系统（第2版） [M].北京：电子工业出版社，2014.