基于LabVIEW的振动信号测试系统设计 - 图文

西南科技大学城市学院本科生毕业论文 I

基于LabVIEW的振动信号测试系统设计

摘要：虚拟仪器是现代计算机技术同仪器技术深层次结合的全新概念仪器，实质是利用计算机的显示器的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出测量结果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理，完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。

本次设计利用了基于LabVIEW的虚拟仪器技术设计了一套振动测试系统，下位机采用AT89C52单片机进行数据采样，并通过RS-232串口与上位机通信实现信号数据的传输，上位机软件开发基于LabVIEW平台。其具有信号采集，波形显示，数据处理，数据保存，信号参数检测等功能，具有操作简单，界面直观，适用性强等特点。通过设计，能够对数据进行时域显示和频域分析处理。

关键词：虚拟仪器；振动测试；LabVIEW；单片机

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Vibration Testing System Based on LabVIEW Signal

Design

Abstract: Virtual instrumentation is modern computer technology combined with the deep-seated instrument technology new concept instrument , in essence, the use of the computer monitor 's display traditional analog instrument control panel to output measurement results of various forms of expression , the use of powerful computer software functions the operation data for signal analysis and processing is completed for all test functions of a computer system apparatus .

The design takes advantage of LabVIEW -based virtual instrument technology designed a vibration test systems, next-bit machine using AT89C52 microcontroller for data sampling , and to achieve data transmission signal via RS-232 serial communication with the PC , PC software development based on LabVIEW platform. Which has a signal acquisition, waveform display , data processing, data storage , signal parameter detection and other functions, with a simple, intuitive interface, applicability, and other characteristics. By design, the data can be displayed in time domain and frequency domain analysis.

Keywords: Virtual Instrument, vibration test, LabVIEW, SCM

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目 录

第1章 绪论 ....................................................................................................................... 1

1.1 课题研究的背景和意义 ........................................................................................ 1 1.3 论文主要设计内容 ................................................................................................ 1 第2章 虚拟仪器和LabVIEW.......................................................................................... 4

2.1 虚拟仪器 ................................................................................................................ 4

2.1.1 虚拟仪器的概念 ......................................................................................... 4 2.1.2 虚拟仪器的组成 ......................................................................................... 4 2.1.3 虚拟仪器的特点及优势 ............................................................................. 5 2.2 LabVIEW................................................................................................................. 6

2.2.1 LabVIEW简介 ............................................................................................ 6 2.2.2 LabVIEW的基本特点 ................................................................................ 6

第3章 振动测试分析系统 ............................................................................................... 8

3.1 振动测试分析系统的组成 .................................................................................... 8 3.2 信号测试与分析 .................................................................................................... 8 3.3 振动测试系统总体设计 ........................................................................................ 9 第4章 硬件设计 ............................................................................................................. 10

4.1 系统总体设计方案 .............................................................................................. 10 4.2 压电加速度传感器 .............................................................................................. 10 4.3 电荷放大器 ...........................................................................................................11 4.4 A/D转换器TLC2543性能介绍 ...........................................................................11 4.5 单片机模块 .......................................................................................................... 13

4.5.1 AT89C52性能介绍 .................................................................................... 13 4.5.2 A/D转换电路 ............................................................................................ 16 4.6 基于AT89C52单片机的串口硬件采集接口电路设计 ..................................... 17

4.6.1 串口简述 ................................................................................................... 17 4.6.2 串口硬件采集接口电路设计 ................................................................... 19 4.7 单片机数据采集软件程序设计 .......................................................................... 20

西南科技大学城市学院本科生毕业论文 V 第5章 LabVIEW软件设计 ........................................................................................... 21

5.1 LabVIEW软件总体设计方案 ............................................................................. 21

5.1.1系统主界面设计 ........................................................................................ 22 5.2 LabVIEW程序设计 ............................................................................................. 23 5.3 数据采集模块设计 .............................................................................................. 23 5.4 信号预处理模块设计 .......................................................................................... 24 5.5 时域分析模块设计 .............................................................................................. 24

5.5.1信号的时域统计分析 ................................................................................ 24 5.5.2 时域程序框图 ........................................................................................... 26 5.6 频域分析模块设计 .............................................................................................. 26

5.6.1 幅值谱和相位谱分析 ............................................................................... 27 5.6.2 功率谱分析 ............................................................................................... 28 5.6.3 频域分析程序框图 ................................................................................... 29

第6章 系统仿真调试 ..................................................................................................... 30

6.1 仿真系统运行原理 .............................................................................................. 30 6.2 时域分析模块测试 .............................................................................................. 30 6.3 频域分析模块测试 .............................................................................................. 31

6.3.1 幅度与相位谱显示 ................................................................................... 31 6.3.2 功率谱显示 ............................................................................................... 31

总 结 ................................................................................................................................... 33 致 谢 ................................................................................................................................... 34 参考文献 ............................................................................................................................. 35 附录1 .................................................................................................................................. 36 附录2 .................................................................................................................................. 37 附录3 .................................................................................................................................. 38

西南科技大学城市学院本科生毕业论文 第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

随着计算机和软件技术的发展，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振动测试的发展趋势。所谓振动，就是物体或某种状态随着时间往复变化的现象，这类现象有的源于系统内部相互作用，有的是外界干扰引起的。在现代工程技术领域，存在着大量的振动问题。例如：电厂中汽轮发电机组及其它辅机设备运行时产生的振动，车辆在凸凹不平的路面上行驶所引起的振动；旋转机械由于质量不平衡在运行中的振动；建筑物受地面和阵风扰动所产生的振动等。在极大多数场合，振动都是有害的，它将影响设备的正常工作和机械的加工精度，引起机器构件的加速磨损，甚至导致急剧断裂而破坏。为了解决工程振动问题，出现了一门集数学、力学、电子技术、计算机技术、信息处理、人工智能等多种现代技术于一体的新兴交叉学科——振动测试与分析。

1.3 论文主要设计内容

本文从虚拟仪器开发的角度，首先确定系统的总体方案和硬件配置，然后从整体

上确定系统的模块组成，在论文的主体部分，分别论述了以AT89C52单片机为核心的数据采集卡及相应硬件设计电路，基于LabVIEW平台下开发一个完整的虚拟振动测试系统，对软件的各个模块进行具体设计与实现，对开发过程中普遍存在的问题做了一定的探讨与论述。为了实现振动测试分析系统的开发，全文主要内容如下： 1、振动虚拟仪器的应用研究

虚拟仪器是最近发展起来的一门崭新的学科，是仪器产业发展的一个重要方向。本文从虚拟仪器的基本概念出发，分别介绍组成、功能及特点以及与传统仪器相比所具备的优点等几个方面。虚拟仪器用软件编程替代传统测量仪器的硬件电路，因此成本大大降低，介绍了用于虚拟仪器开发的集成软件包LabVIEW并重点介绍了LabVIEW在信号处理与分析方面的优势。 2、振动测试与分析应用开发

了解了虚拟仪器的概念和优势后，便开始了振动测试分析应用系统的开发。重点介绍了以AT89C52单片机为核心的串口通讯的数据采集模块的硬件设计。 3、虚拟振动测试分析系统的软件设计

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 确定了系统的硬件平台之后，就开始了应用软件系统的开发。通过比较多种虚拟

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 仪器开发平台，选定了以图形化编程软件LabVIEW。然后便通过编程，将振动测试的理论算法转换成为LabVIEW的框图程序。应用软件的主要功能包括: (1)数据采集:LabVIEW与单片机串口的软件设计。 (2)文件管理:存储和读取振动信号以及采样参数数据。

(3)信号预处理:包括数字滤波(低通、高通、带通、带阻)和加窗(可选用多种窗函数，如矩形窗、哈宁窗、海明窗等)。

(4)时域分析:对信号统计特征的计算(峰值、均值、方差、均方根值等)。 (5)频域分析:对采集得到的数据作频谱分析包括FFT分析、功率谱分析。

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 第2章 虚拟仪器和LabVIEW

2.1 虚拟仪器

2.1.1 虚拟仪器的概念

虚拟仪器(Virtual Instrument ,VI)的概念是由美国国家仪器公司(NI)最先提出的。所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统之中；可自由构建成专有仪器系统。虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器。

虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器”。该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分。虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器(包括 GPIB, RS-232 等传统仪器以及新型的 VXI 模块化仪器)为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件(处理器、存储器、显示器)和测量仪器(频率计、示波器、信号源)等硬件资源与计算机软件资源(包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及图形用户界面)有机的结合起来。

如图2-1反映了常见的虚拟仪器方案。

被测对象信号测量数据采集卡数据处理虚拟仪器面板

图2-1 虚拟仪器方案

2.1.2 虚拟仪器的组成

虚拟仪器由软件和硬件两部分组成，突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式用具有测试软件的计算机实现传统电子仪器的功能。

虚拟仪器的硬件是计算机和为其配置的各种传感器互感器信号调理器数据采集器等计算机及其配置的电子测量仪器硬件模块组成了虚拟仪器测试硬件平台的基础。 软件是虚拟仪器的灵魂。NI 公司在提出虚拟仪器概念时用“软件就是仪器（Software is Instrument ）”的口号来表达虚拟仪器的特征，强调了软件在虚拟仪器中极为重要的位置。虚拟仪器的软件包括：虚拟仪器的前面板、信号采集模块、信号处理模块和数据存储模块等。

因此测量信号是在软件的控制下，经由电子测量硬件平台的采集，再经电子计算机的处理，得到最终的测试结果，并以数据、曲线、图形等显示在电子计算机的终端显示屏上。

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 2.1.3 虚拟仪器的特点及优势

虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心。其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。虚拟仪器中应用程序将可选硬件(如 GPIB, VXI, RS-232, DAQ 板) 和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。原码库函数为用户构造自己的虚拟仪器(VI)系统提供了基本的软件模块。由于VI 的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。

这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的 VI系统而不丢失己有的硬件和软件资源。虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。尤其在科研、开发、测量、检测、计量、测控等领域更是不可多得的好工具。虚拟仪器技术先进，十分符合国际上流行的”硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器“。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程；它集成方便，不但可以和高速数据采集设备构成自动测量系统，而且可以和控制设备构成自动控制系统。

表 2-1 虚拟仪器与传统仪器的比较

特性 兼容性 系统升级 虚拟仪器 算机技术保持同步发展 传统仪器 较差 开放性、灵活性，可与计封闭性，仪器间相互配合关键是软件，系统升级方关键是硬件，升级成本高，便，可通过网络下载升级而且要上门进行升级服务 程序 价格 体积 价格低廉，仪器间资源可价格昂贵，仪器间一般无重复利用率高 外工作 法共享资源 体积较小，便于携带和野体积较大，不便于运输

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 开发和维护 用户可以定义仪器功能可功能由生产商预先定义功以与网络及周边设备方便能单一，只能连接有限立连接开发与维护费用较低 设备开发与维护开销高 技术更新周期 技术更新周期短(1-2 年) 技术更新周期长(5-10 年) 由表 2-1可见，与传统仪器相比，虚拟仪器在各方面都具有明显的优势，能够满足科技高速发展对电子测量技术提出的新要求，必然会成为电子测量仪器发展的趋势。

2.2 LabVIEW

2.2.1 LabVIEW简介

LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境（Laboratory Virtual instrument Engineering）的简称，它是美国国家仪器公司(简称NI)的创新软件产品。

LabVIEW为用户构造自己的仪器系统提供了完美的解决途径。虚拟仪器软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一个整体，这就把计算机中含有的强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本、体积和开发时间。虚拟仪器随着与计算机的发展而发展，它还与网络及其他周边设备进行互联，我们只需改变软件程序就可以不断扩展增强虚拟仪器的测量功能，并且十分简单。

LabVIEW也是一直通用的编程系统，它具有各种各样、功能强大、简单易用的函数库，这些函数库里包含着包括数据采集、网络传输、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储等功能。LabVIEW也有完善的仿真、调试工具，如设置断点、单步等，十分方便用户调试。此外LabVIEW有动态连续的跟踪方式，利用此功能可以动态、连续地观察程序中的数据及其变化情况，这比其他语言的开发环境更加方便、更加有效。

LabVIEW采用图形化编程语言——G语言，它所产生的程序是框图的形式，这种形式易学易用，因为G语言可在很短时间内掌握并应用到实践中去。图形化的程序设计编程比传统的编程语言简单直观，并且开发效率高。随着虚拟仪器技术的不断发展，这种图形化的编程语言一定会通行的标准。 2.2.2 LabVIEW的基本特点

1、具有良好的图形用户界面。用LabVIEW可以在计算机屏幕上产生出类似于传统仪器的面板，包括按钮、旋钮、开关、图形显示组件、控制组件等等。这些组件都具有高仿真度。

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 2、比起其他的语言来说编程简单、由于采用图形化的语言——G语言，用图形化的方式编写程序。

3、具有良好的模块化和层次结构的特点。用LabVIEW编写的VI既可以作为顶层程序使用，还可以作为其他大型程序的子程序进行调用。

4、LabVIEW软件提供功能强大程序调试工具。程序调试工具可以在源代码中设置断点，可以单步执行，也可以启动。

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 第3章 振动测试分析系统

3.1 振动测试分析系统的组成

一般来说，振动测试与分析系统由两大部分组成。一部分为传感器测量系统， 它包括各种振动传感器、压力传感器以及其有关测量部分，其左右是拾取表征机器状态的各种信号或参数，并使之变成标准的电压或电流信号；另一部分即为测量数据采集、显示、处理及分析系统，其作用是获得信号并进行具体振动值显示，同时进行进一步的各种分析、处理。

激振力发生器 激振对象

图3-1 振动测试系统结构框图

振动测试分析系统 实际的振动测试系统可归纳为图3-1所示的框图，激励力发生器产生具有某种特定的大小和变化规律的力，作用于激振对象，构成它的给定输入。激振对象在此激振力的作用下产生相应的振动输出响应。振动测试系统则对激振对象的输出响应进行测量。

一个振动系统，从外界输入一定形式的激励就呈现一定形式的输出，输入通常称为激励，输出称为响应；输出特性不仅取决于输入特性，还取决于振动系统的振动特性。输入、输出和系统的振动特性这三者之间的关系如图 3-2所示。

激振 响应 系统振动特性

图 3-2振动系统原理图

3.2 信号测试与分析

对于绝大多数数据采集和控制系统来说，传感器在连接到数据设备之前的信号必须被转换为设备所能够识别的信号，所以信号调理非常重要。典型的系统一般都需要信号调理硬件，用于将原始信号以及传感器输出接到数据采集卡上通过信号调理的功能，如信号的放大、隔离、滤波、线性化处理等，提高了数据系统的可靠性等性能。

信号分析是振动测试中的一种重要方法，也是近年来测试技术的发展方向。数字

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 信号的测试与模拟信号的测试一样，也是由传感器来完成得。然后将模拟信号进行转化成数字信号，在利用数字信号处理技术进行分析与处理。信号处理的基本步骤如图3-3所示。

振动信号

图 3-3信号处理基本步骤

预处理 A/D 转换 信号处理器 结果显示 3.3 振动测试系统总体设计

本次设计是基于LabVIEW和单片机的测试系统设计，其主要工作就是在机械振动过程中通过加速度传感器把机械振动数据实时的记录下来，然后把记录下来的振动数据送入TLC2543数据采集系统进行特殊转换处理，将带有干扰的模拟信号经过滤波等干扰消除过程转换成单片机易于接收的数字信号，之后传送给AT89C52单片机再经过进一步的特殊处理，将接收到的数字信号通过MAX232电平转换使单片机与PC机的串行口电平匹配，把处理后的振动数据送入PC机。PC机接收单片机传送来的振动数据通过LabVIEW应用软件以波形的方式显示出来以便分析振动变化情况。系统整体框图如图3-4所示。

振动传感器 AT89C52 TLC2543

图3-4 系统整体框图

上位机 RS-232 MAX232

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 第4章 硬件设计

4.1 系统总体设计方案

具体的采集系统的总体构成如图4-1所示。

压电加速度传感器 信号调理电路 计算机 RS-232 电平转换

图 4-1 采集系统的总体构成

单片机 A/D转换电路 在进行数据采集过程中，我们采集的一般为时域信号，而计算机是对数字信号进行处理的，所以需要将信号经过各种调理器和转换器来转变成数字信号。具体转换过程从图4-1中能看出；压电加速度传感器输出的为电荷信号，因为信号非常小，所以需要经过信号调理电路（本次设计选择为电荷放大器）放大且滤波，转换成可以测量的电压信号，并将一部分干扰信号滤波过滤，再经由A/D转换器，将模拟信号转换成计算机可以处理的数字信号。再由单片机及通讯电路送至上位机通过LabVIEW软件对信号进行读取、转换和显示等。

4.2 压电加速度传感器

传感器是能够感受物体运动并将物体的运动转换成模拟电信号的一种敏感的换能元件。传感器的种类很多，且有不同的分类方法，按参考坐标的不同可分为绝对式与相对式传感器；按工作方式的不同可分为接触式和非接触式传感器；按工作原理的不同可分为惯性式和参数式传感器；按测量参数的不同又可分为位移、速度和加速度传感器等。本次设计采用的是机械振动测量中常用的压电式加速度传感器。

加速度传感器主要是用于测量振动物体的振动加速度。压电式加速度传感器，由于体积小，重量轻，灵敏度高和频率范围宽等优点，在实际测量中应用最为普遍。

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 4.3 电荷放大器

压电式加速度传感器输出的是电荷信号，而且比较微弱，不能直接被数据采集卡采集，所以需要用信号放大器来把较弱的电荷信号转化成较强的能被数据采集卡采集的电压信号。根据所用的压电式加速度传感器压电材料连接方法的不同，与之配套的前置放大器分为电压放大器或电荷放大器。并联压电材料的压电传感器，适于选用电荷放大器，其电路特点是放大器输出电压只与传感器产生的电荷输入量及放大器反电容有关，而与构成电路的电缆所形成的分布电容和信号频率无关，这一特性使电荷放大器对传输线路的分布电容不敏感，传输距离可达数百米，因此受到普遍使用。对采用串联压电材料的压电传感器，则需要使用电压放大器，当改变连接传感器与电压放大器的电缆长度时，由于分布电容发生变化会引起测量误差，需通过重新校正放大器灵敏度加以消除，给测试带来不便。

电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的放大器，它的核心是一 个具有电容负反馈、且输入阻抗极高的高增益运算放大器。

4.4 A/D转换器TLC2543性能介绍

TLC2543是德州仪器公司生产的12位开关电容型逐次逼近模数转换器，它具有三个控制输入端，采用简单的3线SPI串行接口可方便地与微机进行连接，是12位数据采集系统的最佳选择器件之一。TLC2543与外围电路的连线简单，三个控制输入端为CS(片选)、输入/输出时钟(I/O CLOCK)以及串行数据输入端(DATA INPUT)。片内的14通道多路器可以选择11个输入中的任何一个或3个内部自测试电压中的一个，采样－保持是自动的，转换结束，EOC输出变高。TLC2543的主要特性如下： 11个模拟输入通道； 66ksps的采样速率； 最大转换时间为10μs； SPI串行接口；

线性度误差最大为±1LSB； 低供电电流(1mA典型值)； 掉电模式电流为4μA。

TLC2543的引脚排列如图4-2所示。

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图 4-2TLC2543芯片

引脚功能说明如下：

AIN0～AIN10：模拟输入端，由内部多路器选择。对4.1MHz的I/O CLOCK，驱动源阻抗必须小于或等于50Ω；

CS：片选端，CS由高到低变化将复位内部计数器，并控制和使能DATA OUT、DATA INPUT和I/O CLOCK。CS由低到高的变化将在一个设置时间内禁止DATA INPUT和I/O CLOCK；

DATA INPUT：串行数据输入端，串行数据以MSB为前导并在I/O CLOCK的前4个上升沿移入4位地址，用来选择下一个要转换的模拟输入信号或测试电压，之后I/O CLOCK将余下的几位依次输入；

DATA OUT：A/D转换结果三态输出端，在CS为高时，该引脚处于高阻状态；当CS为低时，该引脚由前一次转换结果的MSB值置成相应的逻辑电平；EOC：转换结束端。在最后的I/O CLOCK下降沿之后，EOC由高电平变为低电平并保持到转换完成及数据准备传输；

VCC、GND：电源正端、地；

REF＋、REF－：正、负基准电压端。通常REF＋接VCC，REF－接GND。最大输入电压范围取决于两端电压差； I/O CLOCK：时钟输入/输出端。

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 4.5 单片机模块

4.5.1 AT89C52性能介绍

AT89C52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和12B的随机存取AT89C52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型，与Intel公司的80C52在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。AT89C52单片机芯片如图4-3所示。

图 4-3AT89C52芯片

其主要工作特性是：

? 片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器，可擦写寿命为1000次； ? 片内数据存储器内含256字节的RAM； ? 具有32根可编程I/O口线； ? 具有3个可编程定时器；

? 中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个级优先权的中断结构； ? 串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 ? 具有一个数据指针DPTR；

? 低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式； ? 具有可编程的3级程序锁定位；

? AT89C52工作电源电压为5（1+0.2）V，且典型值为5V； ? AT89C52最高工作频率为24MHz。

主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0~P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（32~39 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。 ? P0 口

P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8 个TTL逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 ? P1 口

P1 是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。

与AT89C51 不同之处是，P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。

Flash 编程和程序校验期间，P1 接收低8 位地址。 ? P2 口

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。

在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX @DPTR 指令）时，P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器（如执行MOVX @RI 指令）时，P2 口输出P2 锁存器的内容。 Flash 编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。 ? P3 口

P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流（IIL）。 P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能 P3 口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 ? RST

复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 ? ALE/PROG

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。对Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX 和MOVC指令才能将ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 禁止位无效。 ? PSEN

程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 ? EA/VPP

外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU 则执行内部程序存储器中的指令。Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V 编程电压Vpp。 ? XTAL1

振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 ? XTAL2

振荡器反相放大器的输出端。 4.5.2 A/D转换电路

本部分是整个系统的核心部分，如图4-4采用单片机AT89C52与A/D转换芯片TLC2543相接。单片机是整个电路的核心，其外围电路包括复位电路、时钟电路。复位电路采用上电自动复位电路，高电平有效。时钟电路使用外部独立时钟振荡器所产生的时钟信号，本设计采用11.0592MHz晶振。TLC2543对输入的模拟信号进行采集，转换结果由单片机接收。

图4-4 A/D转换电路

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 4.6 基于AT89C52单片机的串口硬件采集接口电路设计

4.6.1 串口简述

串行接口简称串口，也是串行通信接口（通常指COM接口），是采用串行通信方式的扩展接口。

串行接口是指数据一位一位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信，从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信。一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串口通讯。串口通讯的特点是：数据位的传送，按位顺序进行，最少只需要一根传输线即可完成；成本低但传送速度慢。串口通讯的距离可以从几米到几千米；根据信息的传送方向，串口通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。

串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通信的端口，这些参数必须匹配：

(1)波特率：这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的bit的个数。例如200波特表示每秒钟发送200个bit。每当我们提到时钟周期时，我们指的就是波特率。例如，如果协议需要4800波特率，那么时钟就是4800Hz。这意味着串口通信在数据线上的采样率为4800Hz。

(2)数据位：这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据不会是8位的，标准的值是5、7和8位。如何设置取决于你想传送的信息。比如，标准的ASCII码是0～127（7位）。扩展的ASCII码是0～255（8位）。如果数据使用简单的文本（标准ASCII码），那么每个数据包使用7位数据。每个包是指一个字节，包括开始/停止位，数据位和奇偶校验位。由于实际数据位取决于通信协议的选取，术语“包”指任何通信的情况。

(3)停止位：用于表示单个包的最后一位。典型的值为1，1.5和2位。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。

(4)奇偶校验位：在串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式：偶、奇、高和低。当然没有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位（数据位后面的一位），用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如，如果

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 数据是011，那么对于偶校验，校验位为0，保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验，校验位为1，这样就有3个逻辑高位。高位和低位不真正的检查数据，简单置位逻辑高或者逻辑低校验。这样使得接收设备能够知道一个位的状态，有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步。

RS-232（ANSI/EIA-232标准）是IBM-PC及其兼容机上的串行连接标准。可用于许多用途，比如连接鼠标、打印机或者Modem，同时也可以接工业仪器仪表。用于驱动和连线的改进，实际应用中RS-232的传输长度或者速度常常超过标准的值。RS-232只限于PC串口和设备间点对点的通信。RS-232串口通信最远距离是50英尺。

图 4-5 DB-9针连接头

RS-232针脚的功能： 数据：

TXD（pin 3）：串口数据输出(Transmit Data) RXD（pin 2）：串口数据输入(Receive Data) 握手：

RTS（pin 7）：发送数据请求(Request to Send) CTS（pin 8）：清除发送(Clear to Send) DSR（pin 6）：数据发送就绪(Data Send Ready) DCD（pin 1）：数据载波检测(Data Carrier Detect) DTR（pin 4）：数据终端就绪(Data Terminal Ready) 地线：

GND（pin 5）：地线 其他

RI（pin 9）：铃声指示

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 4.6.2 串口硬件采集接口电路设计

该硬件接口电路由振动传感器、AT89C52单片机、晶振电路、复位电路、A/D转换电路、串行接口电路组成。如图4-6所示。

图4-6硬件采集接口电路

该数据采集硬件电路设计以单片机AT89C52为控制核心，通过RS-232与PC机通讯，实现整个数据采集系统的数据采集控制以及数据处理和存储。单片机通过指令来控制启动TLC2543，配置TLC2543的控制字，按位读取数据，完成数据转换，并将读来的数据通过自身的全双工串口发送出去。由RS-232串口送给计算机处理。上位机用PC机，软件采用LabVIEW，通过它读串口的数据并分析、显示。由于单片机输出的TTL电平与串口发送的电平不一致。因此，需要一个电平转换器，这里选用MAX232，完成TTL电平到RS232电平的转换。通过串口下位机与计算机建立了通信。

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 4.7 单片机数据采集软件程序设计

系统软件由主程序和部分子程序构成，有A/D转换子程序、串口通讯程序组成。程序流程框图如图4-7所示。

开始 采集信号 A/D转换 单片机 结束

实时显示 串口通信 图4-7程序流程框图

本次设计是硬件电路和软件编程结合的设计方案，选择合适的编程语言是一个重

要的环节。在单片机的应用系统程序设计时，常用的是汇编和C语言。汇编语言的特点是占用内存单元少，执行效率高，执行速度快。但它依赖于计算机硬件，程序可读行和可移植性比较差。而C语言虽然执行效率没有汇编语言高，但语言简洁，使用方便，灵活，运算丰富，表达化类型多样化，数据结构类型丰富，具有结构化的控制语句，程序设计自由度大，有很好的可用性和可移植性等特点。

由于单片机的发展已达到很多高的水平，内部的各种资源相当的丰富，CPU的处理速度非常快。用C语言控制单片机是最理想的选择。所以本次设计采用C语言编写软件程序。

系统开机后，首先执行主程序，完成系统初始化工作，然后调用A/D转换子程序，调用中断子程序，将单片机的数据传输到PC机上，然后循环执行。

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 第5章 LabVIEW软件设计

5.1 LabVIEW软件总体设计方案

本次设计的主要任务是在LabVIEW平台上设计一套振动信号采集分析虚拟仪器系统。其主要功能有：数据采集、数据读取和存储、信号分析和处理。由于LabVIEW是基于模块化程序设计思想，因此在设计过程中也是基本遵循这一基本思想，在总体的方案确定后，根据所需的不同功能分别组建各种功能模块，最后在进行调试。根据振动测试的需要，本文把整个系统分为以下模块：数据采集、信号预处理、时域分析、频域分析等模块。总体方案如图5-1所示。

振动测试系统 数据采集模块信号预处理模块

时域分析模块频域分析模块 图 5-1 软件设计总体方案

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 5.1.1系统主界面设计

系统的主界面如图5-2所示。主界面的左侧为系统参数设置区域，包括串口通信设置、数字滤波器设置、窗函数选择以及数据存储。右侧为数据采集信号分析区域，主要包括信号的时域分析和频域分析。

图 5-2 系统主界面设计

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 5.2 LabVIEW程序设计

在设计中，LabVIEW作为上位机数据处理系统，完成对单片机采集的数据信号进行一系列的变换处理。首先，LabVIEW创建串口对象并初始化，然后向单片机命令并接收处理单片机发回的相应数据。程序流程框图如图5-3所示。

主程序开始 创建串口对象并初始化 写串口（发送命令） 接收单片机发出的数据 对数据进行处理 关闭串口

图5-3 程序流程框图

5.3 数据采集模块设计

数据采集提供了整个测试分析系统的数据来源，是虚拟仪器的基本组成部分。数据采集部分主要以单片机控制A/D芯片来完成对传感器数据的读取，然后数据通过串口传到PC机。PC机利用LabVIEW软件对收到的数据进行转换处理、分析、显示等。LabVIEW数据采集程序如图5-4所示。

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文

图5-4 数据采集程序

在采集开始之前需要先对VISA模块串口进行初始化设置，串口初始化设置可以对串行端口、波特率、数据位、校验位和停止位进行设置，根据本系统上位机和下位机的通讯协议，波特率设为9600，数据位设为8，校验位设为none，停止位设为1。

5.4 信号预处理模块设计

经数据采集卡采集的原始信号常常包含着不利于分析的成分，其中之一是在取得数据时混入各种噪声，这些高频干扰成分可能对最终的分析结果产生很大的影响。因此，在信号处理分析之前需要进行预处理，以提高数据的可靠性和真实性。信号预处理设计主要采用预滤波或抗混叠滤波技术。根据需要选择信号的最高频率，而对高于此频率以上的部分用低通滤波器滤掉，从而降低了信号中的最高频率。 本设计采用了巴特沃斯低通滤波器。这种滤波器的特点是通频带内的频率 响应曲线最大限度平坦，没有起伏;振幅对角频率单调下降，并且是唯一的无论阶数，振幅对角频率曲线都保持同样的形状的滤波器。

5.5 时域分析模块设计

所谓信号的时域分析就是求取信号在时域中的特征参数包括峰值、峰-峰值、均值、方差、均方值、有效值等)及信号波形在不同时刻的相似性和关联性(如自相关函数、互相关函数)。 5.5.1信号的时域统计分析

对信号进行时域统计分析，可以求得信号的均值、方差、均方根值等参数。 1、峰值

峰值指波形上与零线的最大偏离量，其表达式为

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xp?x(t)ma x （5-1）

在振动测试分析系统中，采用时域振动信号的数字序列峰值作为其峰值的估计。

?p?max{x(n)} （5-2） x意义:考核机器强度时，尤其是低频段，结构的破坏直接与峰值有关。 2、均值

均值E[x(t)]表示集合平均值或数学期望值，用ux表示。基于随机过程的各态历经性，可用时间间隔T内的幅值平均值表示，其表达式为

1ux?limT??TN?1n?0?T0x(t)dt （5-3）

在振动测试分析系统中，采用时域振动信号的数字序列均值作为其均值的估计

1? ux?N?x(n) （5-4）

意义:均值描述了振动信号的静态分量。

3、方差

信号X(t)的方差表示信号偏离均值平方的均值，其表达式为

1 ?2?limxT??T2T?0[x(t)?ux]dt （5-5）

在振动测试分析系统中，采用时域振动信号的数字序列方差作为其方差的估计

1?? ?N

?]?[x(n)?uxn?0N?12 （5-6）

意义:方差描述随机信号在其均值附近的分布情况，反映信号的波动分量。

4、均方根值

均方根值也称为信号的有效值，是信号平均能量的一种表示，如振动测量中位移信号的有效值代表了振动系统的势能含量，速度的有效值体现了振动系统的动能含量，而加速度的有效值则是振动系统功率的反映，其表达式为

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1T2 x?lim?0x(t)dt （5-7）

TT?? 在振动测试分析系统中，采用时域振动信号的数字序列均方根值作为其有效值的估计

?? x

1N2x?(n) （5-8） n?0N?1意义:均方根值用来表达振动的实际强度。

本文设计的虚拟振动测试分析系统通过软件实现了时域统计信息的计算。其中，峰值X，描述了信号的最大值，对应振动的最大幅值;均值ux描述了信号的静态量，对应振动信号的直流成分;方差?x描述了信号的波动量，对应电信号中交流成分的功率;均方根值X描述了信号平均功率平方根的大小，对应电信号中的有效值. 5.5.2 时域程序框图

时域统计分析就是对信号统计特征的计算，包括峰值、均值、方差、均方根值等，如图5-5所示。

2

图 5-5 时域统计分析

5.6 频域分析模块设计

在动态测试技术中，光有振动信号的时域特征往往很难对信号的特征做出有效判

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 断，所以就需要将信号从时间域变换到频率域上来加以分析，从频率的角度反映和揭示信号的变化规律，即对信号进行频谱分析。通过对振动信号进行频谱分析，可以获得更多的有用信息，如求得动态信号的各个频率成分和频率分布范围，求出各个频率成分的幅值分布和能量分布，从而得到主要幅度和能量分布的频率值。频谱分析方法有FFT分析、功率谱分析。设计原理框图如图5-6所示。

幅值谱显示 相位谱显示 图 5-6频域分析原理框图 FFT变换 Power测量 频域分析 功率谱显示 5.6.1 幅值谱和相位谱分析 1、幅值谱和相位谱分析的原理

在虚拟频谱分析仪中，不仅要测量信号基波的频率还需要测量基波的幅值和相位，更重要的是还要测量信号各次谐波的幅值和相位。而计算信号基波和谐波的幅值和相位首先应计算信号的幅值谱和相位谱。在测量信号的幅值和相位时，主要利用快速傅里叶变换，得出信号的FFT谱，然后根据FFT谱计算出幅值谱和相位谱。 幅值谱的计算公式为 ：A(k)?[a(k)]2?[b(k)]2 （5-9） 相位谱的计算公式为：?(k)?arctgb(k) （5-10） a(k)其中，a(k)、b(k)分别表示FFT谱中复数的实部和虚部。在求出信号的幅值谱和相位谱后，根据基波频率的测量可以找出基波信号对应的谱线号，然后找出该谱线号对应的幅值和相位即为信号基波的幅值和相位。

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 2、LabVIEW中的FFT频谱（幅度-相位）函数

在LabVIEW程序框图中，执行“函数—信号处理—波形测量—FFT频谱（幅度-相位）”选板，如图5-7所示。

图 5-7 FFT频谱（幅度-相位）函数选板

重新开始平均指定VI是否重新启动所选平均过程。如重新开始平均的值为TRUE，VI将重新启动所选平均过程。 时间信号是输入的时域波形。

窗是用于时间信号的时域窗。LabVIEW8.5中的窗函数重要有以下几种：

表 5-1 LabVIEW8.5中的窗函数

0 1 矩形 Hanning 2 3 三角 高斯

5.6.2 功率谱分析 1、功率谱分析的原理

功率谱表示随机信号频域的统计特性，有明显的物理意义。功率谱密度函数的计算方法有两种：一是根据平稳随机信号的自相关函数和功率谱是一对傅里叶变换对的关系，通过相关函数做傅里叶变换求得，称为间接法；二是对原始数据直接进行快速傅里叶变换，求得DFT谱后再求功率谱密度，称为直接法。 先介绍直接法计算功率谱密度，功率谱密度函数为：

P(f)?[X(f)] （5-11）

N24 5 Hamming Blackman 式中P（f）—输出序列功率谱；X（f）—输入序列的傅里叶变换；N—信号序列的点数。

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 2、LabVIEW中的FFT功率谱函数

在LabVIEW程序框图中，执行“函数—信号处理—波形测量—FFT功率谱”选板，如图5-8所示。

图5-8 FFT功率谱函数选板

5.6.3 频域分析程序框图

将采集到的波形经过FFT变换即可得到幅频谱和相频谱；将采集到得数据先加Hanning窗在FFT变换即可得到加窗后的幅频谱；将采集到得数据经过功率谱分析即可得到对应的功率谱。如图5-9所示。

图5-9 频域分析程序框图

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 第6章 系统仿真调试

6.1 仿真系统运行原理

因为加速传感器在检测振动信号时输出来的信号是电压信号，而本次设计在仿真时使用的是Proteus ISIS软件，所以在仿真时振动信号由30Hz的正弦波代替，单片机采集到电压信号后，将数据发送至串口。

运行虚拟串口软件VPSD，在软件中创造一对串口如COM1和COM2。其中，COM1指定给单片机串口，COM2指定给上位机。

打开上位机软件，选择COM2，运行软件，采集到信号，在LABVIEW软件中分析显示和存储。

6.2 时域分析模块测试

时域分析功能主要对采集到的信号进行基本直流-均方根的计算和波形显示，以及特征值如最大值、最小值、峰峰值、平均值和均方根的计算和显示等。

图6-1 时域统计分析结果显示

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 6.3 频域分析模块测试

6.3.1 幅度与相位谱显示

图6-2 频谱分析显示

在FFT幅频图中，频率在30Hz时线谱最高，其振动幅值越大，由此可得系统的主要的主要振动频率为30Hz。 6.3.2 功率谱显示

图6-3 功率谱显示

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 图中在频率30Hz是出现了峰值线谱，由此可得振动频率为30Hz，这与FFT分析基本一致。

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 总 结

本文对振动的测试和分析技术做了分析和探讨，又分析了虚拟仪器在振动测试领域的应用。在此基础上，完成了一套振动测试的虚拟分析系统。论文主要具有以下几个特点：

1、设计了一套振动测试的虚拟仪器系统。系统采用虚拟仪器的方式，用软件编程替代传统测量仪器的硬件电路，大大降低了成本。系统硬件平台采用PC机为硬件核心，自主研发了以单片机为核心的串口通讯的数据采集卡作为振动信号采集、转换设备。该数据采集卡取代了美国NI公司提供的价格昂贵专用数据采集卡，具有价格低廉、便于携带、即插即用等优点。本文的硬件配置，使系统携带方便，可以用于工程振动测试。软件是虚拟仪器的关键，仪器的功能是由软件算法定义的。在分析了振动测试和分析技术理论的基础上，本文将振动分析算法转换成为虚拟仪器应用程序。 2、采用了一种新的开发平台LabVIEW图形化的编程语言，为虚拟仪器的设计提供了一个便捷的设计环境。它以图形化的框图程序取代了传统的文本格式代码，使编程更为简单、方便。独具特色的动画式调试手段，更有利于设计者观察程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷。同时，LabVIEW还提供了大量美观的前面板控件，使虚拟仪器界面更加友好和便于操作。

3、系统采用模块化设计，这使得系统的扩充十分方便。主要的功能包括:数据采集、文件管理、信号预处理、时域分析、频域分析等。

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文 致 谢

经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，这次毕业设计就不会如此的顺利进行。 在这里首先要感谢我的导师胡丹老师。胡丹老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料到设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，毕业论文如何编写等整个过程中都给予了我悉心的指导。其次要感谢一起设计的同学们，大家互相帮助，互相探讨，互相交流学习经验以及仪器使用方法，营造了一个很好的学习氛围，让我置身其中，激发了我的学习乐趣和潜能，正因为如此我才能顺利的完成毕业设计。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/rn97.html