基于虛擬儀器的平面機構創意組合實驗臺測控系統設計

　　2．1 系統硬件設計

　　本系統采用PXI-1024組合式機箱，為系統提供了堅固的模塊化封裝結構，其具有8個PXI／Compact PCI插槽，第一槽是系統控制器，其余7個插槽是外圍擴展槽，可用于安裝數據采集卡，示波器等；機箱還具有高性能PXI背板，可以獨立地向每個外圍擴展槽提供PXI10 MHz(PXI-CLKl0)系統時鐘信號，用于多模塊的同步測量或是系統控制。

　　同時選取了PXI-6251型多功能數據采集卡，插入機箱的左端第三個插槽。

　　物理信號的獲得通過傳感器實現，其中編碼器采集轉角信號，角位移傳感器采集擺角信號，直線位移傳感器采集線位移信號。

　　對于數據采集系統來說，由于來自于電力線或機器的影響，會產生噪聲信號，對于這種情況，采用低通濾波器來實現最大程度的抑制。另外，由于采樣率低而產生信號混疊，奈奎斯特定理指出，如果對一種模擬信號進行采樣，所有頻率超過1／2采樣率的信號都會以一種低頻率信號的方式出現。只有在采樣前把所有頻率超過 1／2采樣率的信號消除才能避免這種失真。基于以上兩種可能出現噪聲信號的原因，本系統采用模擬低通濾波器、數字濾波器兩者的結合。模擬濾波器通常放在 A／D轉換器的前面，用來消除信號通道位于A／D轉換之間的高頻噪聲和干擾。數字濾波器被放在A／D轉換器的后面，通過采用平均技術來減少通帶內頻率上的噪聲。

　　本系統采用雙二階環濾波電路，利用兩個以上的加法器、積分器等組成的運算放大電路，根據要求的傳遞函數，引入適當的反饋，構成濾波電路。其突出特點是電路靈敏度低，特性非常穩定，并可實現多種濾波功能，這里使用低通濾波抑制部分噪聲信號。具體電路如圖4所示。

　　構成低頻濾波器時，電路固有頻率(單位：Hz)和通帶增益如下：

　　2．2 軟件實現

　　軟件是檢測系統的靈魂。本實驗臺測控系統應用虛擬儀器圖形化軟件LabVIEW，該軟件具有運算速度快、界面友好、人機交換便捷、操作直觀方便等特點。該測試系統的主程序界面如圖5所示：實現對所測試的不同項目進行有效選擇，并在選擇好輸入項目的基礎上，從主程序界面中選擇所要測試的項目，點擊，則系統進入所要進行的性能測試系統的功能模塊儀器軟件面板。

　　其中，每一個功能模塊又分別調用其子模塊，主要包括數據采集模塊、傳感器標定模塊、誤差處理模塊、數據分析處理模塊、數據波形輸出模塊、輸出數據保存模塊和數據恢復模塊。

　　2．2．1 數據采集

　　數據采集模塊將各種硬件儀器的驅動程序模塊封裝在組件中，當測試要求改變需要更換新的儀器硬件時，只需更新相應參數，并且保證它對上層的接口保持不變，那么新的儀器硬件就能在原來的系統中正常運行。

　　2．2．2 傳感器數據的標定

　　傳感器的標定就是通過試驗建立傳感器輸入量與輸出量之間的關系。利用已知的標準值輸入到待標定的傳感器中，傳感器得到相應的輸出量，將輸出量與輸入的標準量繪制成曲線即得標定曲線，通過標定曲線可以得出輸入量與輸出量之間的關系式，從而可以確定標定系數。利用標定的數據作為測量數據輸入提高了傳感器的使用精度。

　　2．2．3 數據的分析及處理

　　數據分析與處理模塊包括數據的邏輯計算、測試信號的圖形顯示、測量過程中特性參數的顯示、誤差的分析、信號的濾波等，通過該模塊的工作，可以輸出非常精確的數據及其對應的曲線。

　　(1)信號濾波

　　算術平均值濾波法就是連續取n個采樣值進行平均。其數學表達式為：

　　算術平均濾波法用于對一般具有隨機干擾的信號進行濾波。這種信號的特點是圍繞著一個平均值，在某一范圍附近作上下波動。算術平均濾波法對信號的平滑程度完全取決于N在系統誤差的情況下，當n→∞，項噪聲信號趨近于零，其平均值趨向于最大期望值，但是實際上N較小時，平滑度低，但靈敏度高。應根據具體情況選取N，既保證濾波效果，又盡量減少計算時間。

　　(2)誤差處理

　　回轉運動誤差包括傳動誤差和回程誤差。測量傳動誤差，可以采用手工轉動使電機的轉速不超過10 r／min，當電機轉動后，通過輸入、輸出傳感器分別測量輸入、輸出角位移，得到的試驗數據可以在計算機內進行顯示和記錄。瞬時傳動誤差=輸入轉角／理論傳動比-輸出轉角，可以擬合相應的曲線。在測量回程誤差時，去掉電動機、轉動輸入傳感器，當在某一個角位移處，使輸出端不動，輸出端反轉，所反向產生的轉角為回程誤差，在若干個角位移處試驗，可以擬合出一條回程誤差曲線。