振动测试平台

中北大学信息商务学院2012届毕业论文

振动测试平台设计

摘 要

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。

为了解决工程振动问题,机械振动测试系统随着振动测试技术理论的发展和生产对测试的需求与日俱增,并有着广泛的应用领域。在工程现场的振动测试中,迫切需要低成本、高精度、高效率,同时方便灵活的测量仪器。

振动测试试验系统是根据某些零部件振动测试的要求设计的 ,通过对被测系统施加各种波形的激励,使其产生振动,由传感器测量其振动的响应,将此信号进行调理放大,再由频谱分析仪获得系统的响应特性。

为此，本课题研究开发了以PC为硬件平台、以美国国家仪器(NI)公司开发的LabVIEW软件为开发平台，配合ADXL150传感器、和AT89C51组成的振动测试分析系统。采用虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW组建的振动测试分析系统，实现了对振动信号的采集、处理和分析的目的。

关键词：虚拟仪器，振动测试，LabVIEW，ADXL150传感器，AT89C51

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Design of vibration testing platform

Abstract

With the development of calculator and the software technology, the virtual instrument is becoming the development direction in text domains, and using virtual instrument has been a development trend to realize the text and analysis of vibration.

As the development and production of technology theory in vibration text, in order to solve the problem of vibration, the need of text in vibration text system increase with each passing day, and has extensive field of application. The vibration text in project spot, it is urgent to need measuring instruments that are low cost, high degree of accuracy, high efficiency, and at the same time convenient.

The vibration text system is desighed based on demand of some parts, to make it vibrate, all kinds of waveform stimulations are exerted to texted system.,then conditioning and enlarging the signal that transducer measures the responding of vibration in system,thenceforth obtain the responding characteristics by analyzer.

For this, the task has studyed and developed a vibration text system which take PC as hardware terrace, the labview that the United States nation instrument company opend up as software terrace, coordinate with ADXL150 transducer, signal conditioning and data collecter..Adopting the vibration text system which is made up by virtual instrument figured program language labview, realize the objective that collects,analyse and process vibration signal.

Keywords: Virtual instrument, Vibration text, Labview, ADXL150 transducer, AT89C51

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1 绪论

1.1课题研究的背景和意义

振动是自然界最普遍的现象之一。这类现象有的是由其本身固有的原因引起，有的是外界干扰引起。在运转的设备中，振动信号是最重要的信息来源。旋转机械的振动信号中包含着大量可反映设备运行状态的有用信息或称为信号特征。振动信号分析是旋转机械状态监测和故障诊断的重要组成部分，并在设备预测维修中发挥着重要作用。通过振动特征分析可以找出旋转机械设备70％的故障源，而且可以确保机器运转的安全性，避免事故的发生，同时结合较好的维修项目管理还可以显著降低机器的运行成本。

在一些情况下，振动是一种公害，它能损伤人体器官、损害健康、降低劳动效率，甚至产生“振动病”或“运动病”，如常见的晕车、晕船现象就是由于小于1Hz的极低频振动引起的。研究人体各器官的振动传递特性，设计能减振隔振的座椅、驾驶舱、手持工具的把手等也必须依赖于振动测试。目前市场上已有用于人体振动测量的传感器和测试仪出售。

振动测试分析仪器则将振动测试与分析技术转化为生产力，它随着振动测试技术理论的发展和生产中对测试需求的与日俱增。从最初的机械式测振仪，发展到今天，各种应用物理学原理制成的传感器、FFT分析仪、结构动力学分析软件己在广泛使用。

随着电子技术和计算机技术的快速发展,微型计算机技术,尤其是微控制器(单片机)的发展极为迅速,其应用越来越广。单片机主要应用于控制领域,用以实现各种测试和控制功能。目前,单片机还广泛应用于工业测控、计算机外围设备、工业智能化仪表、生产过程的自动控制、军事和航空航天等领域。

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes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，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用

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于各种控制领域。

而基于 MEMS微加速度计的振动测试系统具有尺寸小、功耗低 、灵敏度高、使用灵活等优点。因而在振动测、试倾斜测试惯性导航、智能引信等方面被广泛使用。在不远的将来随着计算机技术和软件技术的快速发展振动测试系统会在越来越多的行业得到更广泛的应用。

此外,为提高测试效率，降低测试成本，适应在速度、准确度、数据分析以及现场实用性等方面日益提高的测试要求，我们需要将虚拟仪器技术引入在振动测试领域,开发基于虚拟仪器的振动测试系统。 1.2振动测试技术发展现状和发展趋势

到目前为止，振动数据分析仪器的发展大体可分为四代：模拟类仪器、数字类仪器、智能化仪器和虚拟仪器。第一代模拟类仪器。是最早开发的振动分析系统。主要是由光电矢量瓦特计和测振仪等组成,其基本结构的共同特点是电磁机械式，要借助指针或光点等来显示测试结果；第二代数字类仪器。这类闪频式动平衡仪可以将模拟信号的测量转化为数字信号量，并以数字显示方式输出测量结果；第三代智能化仪器。这类仪器内置MCS51系列单片机,集测试、数据处理、平衡计算和图形显示等功能于一体，具有自动化测量仪器的最初特点。但其功能主要是以硬件(或固化软件)形式存在，不利于二次开发、功能复用和维护。而且数据存贮量小，处理速度慢，功能比较单一，精度有限；第四代虚拟仪器[3]。仪器主要功能可由①数据采集②数据测试和分析③结果输出显示等三大部分组成，其中数据分析和结果输出完全可由软件系统来完成，因此只要另外提供一定的数据采集硬件，就可构成新的测量仪器。

目前的振动测量信号可以通过采用加速度传感器采集加速度变化，经过电路处理成为频谱，最终成为人能够直观的看到振动波形。一般加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。当然，还有很多其它方法来制作加速度传感器，比如电容效应，热气泡效应，光效应，但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，因为振动产生加速度，利用这个特性，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出前一般都采用加速度传感器来测量振动信号。

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此外，虚拟仪器在我国的研究和开发有着十分现实的意义，广泛采用虚拟仪器技术有助于提高我国仪器的整体水平，节省仪器开发的人力和费用。我们有理由相信，随着软件业和测试技术的发展，虚拟仪器技术必将在更多、更广的领域得到应用和普及。随着振动测试技术理论的发展和生产中对测试需求的与日俱增，高质量的测试仪器、设备和现代化的测试方法不断出现。20世纪20年代，由于汽轮发电机组等设备的发展，机械式测振仪已不能满足要求，于是磁电式传感器应运而生，实现非电量信号向电信号转换的电测量。二次大战后出现了压电式传感器，由于它具有体积小、重量轻、频率范围、动态量程大等特点，且既可测量振动，又可用于冲击测量，直到今天仍在广泛应用。近些年随着微电子技术的发展，又出现了可在各种恶劣环境下使用的压电传感器和内装阻抗变换器、放大器、滤波器的集成电路式压电传感器，简化了测试系统，大大地拓宽了这种传感器的应用范围，提高了抗干扰能力和测量的精度。而压阻传感器的出现和使用进一步拓宽了低频率的测量范围，与此同时，还陆续发展了各种换能原理的传感器和配套仪器，如变电容传感器、光纤传感器、电涡流传感器等。

PC机性能的提高引发了测试仪器领域的一场革命性变化，即产生了插卡式加软件的所谓虚拟仪器。虚拟仪器是当前计算机的主流技术与应用开发软件和高性能模块化的硬件相结合的产物，可由用户自己设计和定义，用软件在屏幕上生成仪器控制面板，进行信号分析和处理。而国内生产的针对振动测试的设备大多是模拟式和数字式仪表，功能比较单一，与国外设备相比，精度较差，可靠性低。这些仪器基本上属于硬件组成的专用信号分析与处理仪器，一般不能存储记录。这就为国内开发高性能的动态测试分析仪提出了迫切要求，同时随着PC机的广泛应用，虚拟仪器技术用于动态测试领域已成为发展趋势。 1.3课题主要研究内容

本篇论文是以AT8C51单片机为控制核心，设计振动测试系统，在分析了信号分析处理的原理后，使用图形化编程语言LabVIEW进行振动测试与分析。整个系统按照模块化的思想，拟采用菜单的形式搭建如下5个功能模块：

(1)数据采集：以AT89C51为核心控制器，ADXL150作为所选择的传感器，包括信号放大电路、AD采集电路、双向检波电路、电压比较电路、模拟输出电路和存储器电路。

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尤其对实验室教学领域 ,开发周期短、成本低、质量高。下面结合一台虚拟振动测试仪具体介绍虚拟仪器的组成和基于LabVIEW的虚拟仪器使用功能编程方法与实现技术。

2.2.2 LabVIEW的应用

LabVIEW强大的硬件驱动、图形显示能力和便捷的快速程序设计，为过程控制和工业自动化应用提供了优秀的解决方案。对于更复杂更专业的工业自动化领域，在LabVIEW基础上发展起来的BridgeVIEW是更好的选择。

LabVIEW为科学家和工程师提供了功能强大的高级数学分析库，包括统计、估计、回归分析、线形代数、信号生成算法、时域和频域算法等众多科学领域，可满足各种计算和分析需要。即使在联合时频分析、小波分析和数字滤波器设计等高级或特殊分析场合，LabVIEW也为此提供了专门的附加软件包。

LabVIEW已成为测试与测量领域的工业标准，通过GPIB、VXI、PLC、串行设备和插卡式数据采集板可以构成实际的数据采集系统。它提供了工业界最大的仪器驱动程序库，同时还支持通过Internet、Active、DDE和SQL等交互方式实现数据共享，它提供的众多开发工具使复杂的测试与测量任务变得简单易行。 2.2.3 labview的特点

LabVIEW软件的特点如下：

（1）具有图形化的编程方式，设计者无需编写任何文本格式的代码，是真正的工程师语言。

（2）提供丰富的数据采集、分析及存储的库函数。

（3）提供传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供独具特色的执行工具，使程序动画式运行，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。

（4）32位的编译器生成32位的编译程序，保证用户数据采集、测试和测量方案的高速执行。

（5）囊括了PCI、GPIB、PXI、VXI、RS一232／485、USB等各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使不懂得总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备与仪器。

（6）提供大量与外部代码或软件进行链接的机制，诸如DLL(动态链接库)、 DDE(共享库)、ActiveX等。

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（7）具有强大的Internet功能，支持常用的网络协议，方便网络、远程测控仪器的开发[3]。

所有的 LabVIEW 程序分为两部分：前面板（Front Panel）和程序流程图（Block Diagram）。前面板是 VI 的图形用户接口， 它集成了用户输入和输出功能，为更逼真地模拟传统仪器的工作方式， LabVIEW提供了各种各样的控件，如各种旋钮、开关、按钮、波形图、波形图表等控制与显示模块，并可根据用户实际需要定制控件，用户可以根据自己的需要在前面板上放置按钮等控制模块和显示模块。而程序流程图包含了虚拟仪器的图形化源代码，在程序流程图中对虚拟仪器进行编程，以控制和操纵定义在前面板上输入和输出功能。流程图包括内置于 LabVIEW 库中的函数（Function）和结构（Structures），还包括仪器面板上的控制对象、显示对相对应的连线端子（Terminals） ，LabVIEW构成的虚拟仪器是数据流驱动的，流程图中的诸元素如结构、功能模块等构成节点，这些节点由数据线相连接，这些线定义了程序中数据的流向，这些线在程序中按照数据类型的不同显示出不同的颜色和类型，使得用户能对程序中传送的数据种类一目了然。一旦某个节点的所有输入均为有效，该节点即可运行，运行结束后，将结果送入数据流路径的下一个节点。

3 总体方案设计

3.1总体设计

本设计要求以AT89C51单片机为控制核心，设计振动采集系统，将ADXL150

作为所选择的传感器，包括信号放大电路、AD采集电路、双向检波电路、电压比较电路、模拟输出电路和存储器电路。基于MEMS加速度传感器的振动测试系统结构图如图3.1所示。

振动信号由ADXL150加速度传感器转换为电信号,先经过放大电路将微弱的振动信号放大至符合后级电路需求，一路通过检波、电压比较产生中断触发信号， 另一路经过12位高速AD完成模数转换。通过AT89C51单片机机实现数据采集、存储、处理、传输，采用Keil C51完成控制软件的设计，数据输出部分采用串行通信方式上传到PC机进行数据分析，由此构成了一个完整的振动测试系统。

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加速度传感器 放大电路 双向检波电路 A/D采集电路 电压比较电路 单片机电路 串行接口电路 存储器电路 D/A转换电路 电脑 模拟输出电路

图3.1 系统结构图

3.2 总体硬件设计

振动测试系统的整体硬件电路如图3.2所示：系统以AT89C51为核心控制器，包括信号放大电路、AD采集电路、双向检波电路、电压比较电路、模拟输出电路和存储器电路，下面就每个模块详细介绍：

ADXL150加速度传感器 P0.0~P0.3 P1.0~P1.7 P2.0~P2.7 AT89C51 TXD RXD INTO P3.6 P3.7 键盘输入 ADS774 LM358 放大电路 AD7542 模拟输出 RS-232C 串行接口 24CXX 存储器电路 LM358 检波电路 LM393 电压比较

图3.2 系统的硬件连接图

3.2.1 ADXL150加速度传感器 3.2.1.1 ADXL150简述

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ADXL150是美国模拟器件公司（ANALOG DEVICE）生产的低噪声、低功耗、单轴微MEMS加速度传感器。该器件内部有时钟源、增益放大器、同步解调系统、输出缓冲运放、二阶滤波器和自检系统。可编程控制量程为±25g或±50g，80分贝的动态范围，测量分辨率小于10mg，通过设置Vout和OFFSET NULL端口跳线可以将输出比例系数从38mV/g调节到76mV/g。在工业级温度范围内0g温漂小于0.4g。在使用时外部仅需要一个旁路电容[6]。 3.2.1.2 ADXL150的封装形式

ADXL150的管脚排列如图3.3所示，COMMON为公共接地端；ZERO g ADJ为0g调节端；SELF-TEXT为自检端，当其输入为高电平时芯片进入自检模式；Vout为信号输出端，此端可直接连接ADC进行模数转换；Vs为电源输入端。

图3.23ADXL150的封装形式

3.2.1.3 ADXL150内部结构

ADXL150内部结构图3.4所示，主要由5部分组成：敏感元件、增益放大、时钟源、同步解调、缓冲放大器。

图3.4 ADXL150的内部结构图

（1）敏感元件

敏感元件时通过在氧化层上沉积多晶硅，然后经过蚀刻形成的。

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图3.5 敏感元件结构图

图3.5是一个简化的敏感元件结构图。实际传感器由42个这样的晶胞检测加速度。中间横梁由于加速度上下而移动，引起板间电容改变，最后转换为电压输出。

（2）ADXL150中的增益放大运放是将敏感元件输出的信号进行放大以便测量。 （3）ADXL150加速度传感器的时钟源主要为敏感元件和同步解调电路提供100kHz的时钟信号。

（4）同步解调系统能够抑制除敏感元件信号外的所有信号，能够使传感器不受电磁干扰和无线电频率干扰。

（5）缓冲放大器可以调节传感器的输出比例系数，正常情况下为38mV/g。 3.2.1.4 ADXL150基本电路

可以采用外接电源与地之间接0.1uF去耦电容供电。通过调节R1b可以增加输出精度，调节RT可改变直流偏置，通常将0g时的输出调节到2.5v。

图3.6基本电路

3.2.2 放大电路

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ADXL150虽然内部已经有放大电路、滤波电路和缓冲输出电路，但其输出的信号的幅值仍然很小，不利于后级电路处理和A/D转换。所以在ADXL150输出端连接了放大电路。放大电路中使用一片LM358AN。具体电路如图3.7所示。

图中V1为ADXL150的Ｖ1信号输出端口。LM358AN为反相放大器，电路中R1=91K、R4=4.7K所以此电路为经典反相放大电路，其增益系数为R1/R4=19.4。LM358AN构成了一个放大倍数为19.4倍的反相放大电路，将ADXL150的输出端口的信号放大并反相，使波形与ADXL150原始输出方向相同。

图3.7 放大电路

3.2.3 双向检波电路

加速度传感器输出振动信号经放大电路放大后输出为无规则信号，无法为单片机提供中断触发信号。所以要将放大电路输出信号经过双向检波电路和电压比较电路才能够为单片机提供中断触发信号和A/D采集控制电平[8]。所以要将放大电路输出再经过双向检波电路使波形变的更加平滑，如图3.8所示。

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图3.8 双向检波电路

V2接图3.6中的输出信号V2，此电路中二极管D1、D2起到检波作用。当输入信号V2为正极性时，D1导通，D2截止，当输入信号V2为负极性时，D1导通，D2截止，再经过LM358构成的差动放大器输出信号将更加平滑，差动放大器的输入信号为两个检波信号的差，经LM358放大器后输出信号与输入信号的关系为：

U0?R2?UD1?UD2? （式3.1） R63.2.4 电压比较电路

经双向检波电路输出的波形还不能直接输入AT89C51单片机，为单片机提供中断触发控制信号。必须要经过一个电压比较电路，如图3.9所示。

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图3.9 电压比较电路

本电路中使用LM393构成电压比较电路，双向检波输出信号由LM393的2端输入，电位器R12调节触发电压输入3端。由1端经过一个10kΩ的上拉电阻为AT89C51单片机提供中断触发信号和采集控制电平。AT89C51单片机进入中断后启动A/D采集，采集多长时间由单片机根据振动平台的振动频率决定[9]。 3.2.5 A/D转换电路

在系统控制和数据采集中，经常遇到数值随时间连续变化的物理量，这种连续变化的物理量，称为模拟量，与此相对应的电信号是模拟电信号。显然，模拟量要输入到计算机系统中，必须要经过模拟量到数字量的转换(A/D转换)，计算机才能接受。

A/D转换过程主要包括采样、量化与编码。采样是使模拟信号在时间上离散 化，量化与编码则是把采样后所得到的离散幅值经过舍入的方法变换为与输入量 成比例的二进制数。A/D转换电路种类很多，根据转换原理可以分为逐次逼近式、双积分式、并行式、跟踪比较式、串行式、电荷平衡式等。目前使用较多的是前三种。

由于传感器输出的是变化的电压信号，而AT89C51单片机没有内置A/D转

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换器，所以是无法直接识别电压信号，因此这里需要外接A/D转换芯片进行模数转换。振动信号频率在1kHz左右，为了保证波形的完整性，必须要采用高速AD进行数据转换，所以本系统采用12位精度，转换时间为8.5us即转换速率为118kHz的高速AD—ADS774。

ADS774为12位高速并行输出AD,基本电路如图3.10，电路连接简单，输入有多种模式，包括±10V, ±20V和2.5V三种模式，单电源供电可输入正负电压。其输出方式可以设置为8位输出和12位输出。12位输出状态还可以设置为12同时输出或先输出高八位再输出低四位。鉴于本系统中使用的单片机AT89C51为8位机和节省端口的考虑，本设计中就选择先输出高八位再输出低四位的工作方式，和单片机接口电路如图3.11所示。仅使用单片机的一个8位端口和两个控制端口就能完成12位数据的读取。

图3.10 ADS774双极性工作电路

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图3.11 12位输出连接方式

3.2.6 AT89C51简介 3.2.6.1 AT89C51内部结构

AT89C51内部结构主要包括累加器ACC(有时也简称为A)、程序状态字PSW、地址指示器DPTR、只读存储器RMO、随机存取存储器ARM、寄存器、并行I/O接口PO～P3、定时器/计数器、串行I/O接口以及定时控制逻辑电路等。这些部件通过内部总线联接起来，构成一个完整的微型计算机。AT89C51内部结构图如图3.12所示。

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图3.12 AT89C51的内部结构图

3.2.6.2 AT89C51性能简介 （1）主要性能

? 与MCS-51产品指令系统完全兼容；

? 片内集成4kB的FLASH存储器，可反复编程/擦除1000次； ? 数据保留时间：10年；

? 全静态设计，时钟频率范围为0～24MHz、33MHz； ? 三个程序存储器保密位； ? 128×8字节的内部RAM； ? 32条可编程的I/O口线；

? 2个可工作于4种模式的16位定时/计数器； ? 5个中断源/2个中断优先级；

? 可编程串行通道；具有4种工作模式的全双工串行口；

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? 低功耗的待机工作模式和掉电工作模式； ? 片内振荡器和时钟电路； （2）管脚说明

图3.13 AT89C51引脚图

VCC：供电电压。 GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8 TTL门电流。当P1口的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4 TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行

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存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3 口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,P3口管脚备选功能: P3.0 RXD（串行输入口）； P3.1 TXD（串行输出口）； P3.2INTO（外部中断0）； P3.3 INT1（外部中断1）； P3.4 T0（计时器0外部输入）； P3.5 T1（计时器1外部输入）； P3.6 WR（外部数据存储器写选通）； P3.7 RD（外部数据存储器读选通）；

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位输入。当振荡器复位时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR 8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器读取指令期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的

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PSEN信号将不出现。

当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），EA/VPP：

不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，当EAEA将内部锁定为RESET；端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 （3）振荡器特性

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。由于输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

（4）芯片擦除

整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

（5）编程算法

? 地址线上输入欲编程的存储单元地址； ? 在数据线上输入编程数据； ? 加正确的控制信号组合；

? 在“高压”模式下使VPP为12V；

? 在ALE引脚上加一次负脉冲，可对FLASH存储器的一个字节或保密位进行编程，编程一个字节的周期是内部自定时的，典型时间不会超过1.5ms。改变编程的存储单元地址和编程数据重复步骤（1）～（5），直到编程文件最后。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作，但RAM、定时器、计数器、串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

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3.2.7 D/A转换电路

经AT89C51单片机采集的数据，可以通过D/A转换电路将采集的数据以模拟信号的形式输出，给人提供直观的分析结果。本电路采用一片AD7542模数转化器和两片OP10AY组成。

1．AD7542是美国模拟器件公司设计生产的精密12位单片CMOS数字／模拟变换器，它采用先进薄膜工艺制造而成，具有乘法特性、低功耗、＋5V工作以及易与单片机接口等特性。图2所示是AD7542的内部原理框图，该D／A转换器由三个4位数据寄存器、一个12位DAC寄存器、地址译码逻辑和一个12位CMOS乘法型DAC组成。数据以三个4位字节方式装入数据寄存器，随后传送到12位DAC寄存器。全部数据的装入或传送操作与静态随机存取存储器的写周期操作相同，当器件通电时，清零信号输入可使DAC寄存器容易地复位到全零[13]。 AD7542的引脚定义如下：

图3.14 AD7542的引脚图及内部结构 OUT1：DAC电流输出总线，一般接在运算放大器输入端； OUT2：DAC电流输出总线，一般接地；

D0～D3：数字输入端，D3是最高有效位（MSB），D0是最低有效位（LSB）； CS:片选输入； WR:写输入端； A0、A1：地址总线输入；

VDD：＋5V电源输入；

VREF：参考电压输入； RFB：反馈电阻；

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AGND：模拟接地端； DGND：数字接地端。

2.模拟输出电路如图3.15所示，该电路由一片AD7542和两片OP10AY组成，AD7542接受由单片机发送的数字信号，转换成模拟信号。AD7542输出信号经过第一片OP10AY完成电流电压信号的转化，再经过第二片OP10AY放大电压信号，调节R30的阻值来调节直流偏置，输出合适的模拟信号。

图3.15 模拟输出电路

3.2.8串行通信接口

AT89C51单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件，比如电脑的串口是RS232C电平的RS232串行信息格式为10位，1位起始位，1位奇偶校检位，1位停止位，8位数据位。RS232C的机械指标规定：RS232C接口通向外部的连接器是一种“D”型25针插头，在微机通讯中，通常使用的RS232C接口信号只有九根引脚，其引脚如图3.16所示：

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图3.16 DB9 管脚图

RS232C电平是负逻辑电平（逻辑0：＋5V～＋15V，逻辑1：－15V～－5V），而单片机的串口是TTL电平的，TTL为正逻辑电平（带负载时：逻辑1：+5V～+12V，逻辑0：-5V～-12V。不带负载时：逻辑1：2.4V，逻辑0：0.4V），所以单片机和PC机进行通信时，两者之间必须有一个电平转换电路。电平转换常用的芯片： 除了上述连接方法外可以达到电平转换的目的外，还可以用专用RS232C电平和TTL电平转换芯片MAX232。单片机与CP机串行通讯的连接图如图所示，只使用了串行输入[14]。

图3.17 串行接口电路

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4 振动测试系统的labview分析设计

在虚拟仪器的实际设计中，一般采用由上至下的设计方法，首先根据系统的总体需求，将系统划分为各个功能模块。根据振动测试的需要和层次化及面向对象的编程思想，本文把整个系统分成以下几个模块：数据采集、信号预处理、时域分析、频域分析、时频分析。软件设计总体方案示意图如图4.1所示

振动测试系统 硬件采集电路 信号预处理模块 时域分析模块 频域分析模块 时频分析模块

图4.1 振动测试系统结构图

4.1信号预处理模块

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。

数字滤波器一般用在数据采样之后，对采样后的信号做信号预处理使用。其作用是对输入信号波形进行加工处理，利用数字方法按预定要求对信号进行变换，从而达到改变信号频谱的目的。数字滤波器用于改变或消除不需要的波形，因此它是应用最广泛的信号处理工具之一。

数字滤波软件实现方法是按照差分方程式或框图所表示的输出与输入序列的关系，编制计算机程序，在计算机上实现；数字滤波器的应用除用于对信息做处理加工外，还用来做抗干扰滤波器，以及对信号限带需要的低通、高通、带通

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以及带阻滤波器。

采用软件实现的数字滤波器具有精度高、可靠性好和稳定性高，输入输出不存在阻抗匹配问题，以及改变系数就容易改善滤波器的传递函数(这种改变完全由软件来实现)等优点。因此在虚拟仪器中用到滤波器时，采用软件实现的数字滤波器就成为最受欢迎的滤波器。

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。 4.2 时域分析模块

系统的时域分析模块包括信号发生、自相关分析和互相关分析三部分。 本系统设计的信号发生模块可以产生多种数字信号，包括正弦、正弦扫频、三角波、方波和脉冲等规则波形信号，从而为系统功能的仿真实验提供信号源，用户可以根据实际需要来进行选择，并且同时还给出了各种类型信号的时域统计特征参数。不同类型的信号，其对应的参数设置也就不尽相同。通用的信号参数包括：采样点数、采样频率、信号频率、信号幅值和初始相位等。对于个别信号也有其自身特定的参数，如正弦扫频信号除了通用的信号参数外还有起始频率和截止频率[15]。

本系统可以根据所选的信号类型及其基本参数，生成相应的时域信号序列。“相关”是指变量之间的线性关系。对确定信号来说，两个变量之间可以用函数关系来描述。而两个随机变量之间不具有这样确定关系，但是，如果这两个变量之间具有某种内在的联系，那么，通过大量统计就能发现它们之间存在虽不精确但却相对应当表征其特性的相似关系。振动数据处理中，往往需要对两个时域信号进行相关分析，也称时差域分析，包括相关系数、自相关函数和互相关函数等内容的分析。相关分析是利用相关系数或相关函数描述两个信号之间的关系或相似程度，也可以描述同一信号的现在值与过去值的关系，或者根据过去值、现在值来估计未来值。相关函数的性质使它在工程应用中有极其重要的价值，尤其是互相关函数同频相关、不同频不相关的性质为在噪声背景下提取有用信息提供了一个非常有效的手段，称为相关滤波。相关分析包括相关系数、自相关函数和互相关函数等内容。

信号的相关性是描述一个时刻的取值与另一个时刻的取值之间的依赖关系，可以用来检测所测信号中是否有周期成分。相关函数一般包括自相关函数和互相

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关函数。它是分析两个信号或一个信号在一定时移前后之间关系的重要工具。

自相关函数的表达式为:

1Rx(?)?limT??T1Rx(n?t)?N?n?T0x(t)x(t??)dt (4.1)

其离散化计算公式为：

N?nr?1?x(r)x(r?n) (4.2)

式中N 表示沿时间轴的总采样数；r表示时间序列；n表示时延序列。

自相关函数Rx值且等于均方值

(?)2是以时延域τ为自变量的实值偶函数，在τ=0 时取得最大

?x。

自相关分析前面板如图4..2所示

图4.2 自相关分析前面板

互相关函数是表示两组数据之间依赖关系的统计量，其表达式为

1(?)?limRxyT??T互相关分析前面板如图4.3所示

?T0x(t)y(t??)dt (4.3)

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图4.3 互相关分析前面板

互相关函数分析主要应用于：利用两个信号的时延信息对传输通道进行分析识别；检测外界噪声中的信号：在机械设备故障诊断和振动控制中识别传递问题，包括传递路径的识别和故障源的识别，以及相关测速和定位等。互相关函数也可用来判定信号中是否含有频率相同的成分，只要将激振信号和所测得的响应信号进行互相关处理，就可以得到由激振而引起的响应幅值和相位差，消除噪声干扰的影响[16]。 4.3频域分析模块

振动信号的频域分析包括幅值谱、功率谱等。通过幅频图，可以大致了解该信号的频率成分。而自谱反映信号的频域结构，这一点与幅傻谱相似，但是自谱反映的是信号幅值的平方，因此更明显得体现频域结构的特征，具有比幅值谱更为明显得峰值。互谱密度函数有着重要的用途，频谱分析中，能用互谱的测量结果来识别动力系统的特性以及计算频响函数的幅值比和相位角。能量分布的频率值。常用到的频谱分析方法有FFT分析、功率谱、倒频谱和对数谱。 4.3.1 FFT分析

傅立叶变换是平稳信号分析和处理的一个重要工具，通过傅立叶变换可把一个时域的问题转化成频域的问题来分析研究。信号的频谱分析主要研究信号的频率结构，即求取其所含各分量的幅值、相位按频率的分布规律，并建立以频率为横轴的各种谱。傅立叶变换在数学中的定义是严格的。设x(t)为t的函数，如果

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x(t)满氏条件，则5.4式和5.5式成立：

X(f)??x(t)e????j2?ftdt (4.4)

x(t)?????X(f)ej2?ftdf (4.5)

连续傅立叶变换实现了测试信号从时域到频域的转换，在理论分析中具有很大的价值。但是它的原信号x(t)是连续的，它的变换所得的频谱X(f)也续的，连续傅立叶变换不能直接应用计算机技术，繁琐的计算限制了它的进一步发展。直到离散傅立叶变换的出现，才使得数学方法与计算机技术建立了联系，对工程实际来说它有更重要的价值。

如图4.4所示，该程序的前面板包括参数设置区、时域信号波形图及 FFT 变换图。通过观察变换结果可以看出时域信号的频率成分及分布范围。

图4.4 FFT变换前面板

4.3.2功率谱分析 4.3.2.1自功率谱密度

假定样本函数x(t)是零均值的随机过程，即那么Rx?x=0，且x(t)中没有周期分量，

?(???)=0，这样，自相关函数Rx(?)可满足傅立叶变换条件???R(?)d?x＜?，根据傅立叶变换理论，自相关函数Rx变换及其逆变换定义为

(?)是绝对可积的，则Rx(?)傅立叶

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Sx(f)?? 称Sx????Rx(?)e?j2?f?d? （4.6）

Rx(?)????Sx(f)ej2?f?df （4.7）

(f)为x(t)的自功率谱密度函数，简称自功率谱。由于Sx(f)和Rx(?)之间

是傅立叶变换对的关系，且两者是一一对应的，Sx(f)中包含着Rx(?)的信息。

傅立叶变换所得到是双边谱，变量f的取值从????，若将其改为0??，则

?S???x(f)df?2??0Sx(f)df?Gx(f) (4.8)

称Sx(f)为双边自功率谱密度函数，Gx(f)为单边自功率谱密度函数，他们之

间的关系为Gx(f)?2Sx(f)，若?=0，则根据自相关函数和自功率谱密度函数

的定义，可得到

即SxR(0)?limxT?0?1T2x(t)dt??Sx(f)df?0??T （4.9）

(f)曲线下和频率轴所包围的面积就是信号的平均功率，Sx(f)就是信号的

功率密度沿频率轴的分布。自功率谱密度表示了信号的功率随频率的分布情况。 自功率谱前面板如图4.5所示

图4.5 自功率谱模块前面板

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4.3.2.2 互功率谱密度

互相关函数的傅立叶变换称为互功率谱密度函数，简称互功率谱。随机信号x(t)和y(t)的互相关函数Rxy(?)和互谱S?j2?f?xy(f)的傅立叶变换对定义为

S

S(f)xy(f)??x???Rxy(?)ed?

R(?)??S(f)e??xxy?j2?f?df (4.10)

与Rxy(?)一样，反映了x(t)，y（t)两信号的同频分量。与自谱相互谱的

最大特点是保留了幅值、频率和相位三个基本信息。 4.3.2.3 相干函数

在振动测量中，不可避免地要有其它噪声混入，为了判断输出y(t)中，有多少成分是来自输入x(t)，有多少成分来自噪声，就要用到相干分析。相干函数是评价系统的输入信号与输出信号之间的因果性，即输出信号的功率谱中有多少是输入量引起的响应，在线性系统中，表示输出与输入之间在频域上的相关程度。相干函数的计算公式为

2?xy(f)?Gxy(f)Gx2(f)?Gy(f)20??xy(f)?1

(4.11)

如果测试信号不受噪声污染,

2?xy(f)2?xy(f)=1；如果测试信号完全被噪声淹没，

=0,所以相干函数反映了测试信号受噪声污染的情况，相干函数越大，说

明噪声污染越小[17]。

频响函数和相干函数模块前面板如图4.6所示

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图4.6 频响函数和相干函数模块前面板

4.4时频分析模块

时频分析亦称时频局域化方法，是使用时间和频率的联合函数来表示信号。典型的线性时频表示有：短时傅立叶变换、小波变换和Gabor变换。时频分析在实际信号处理过程中，尤其是振动信号处理中，可以将信号在任意时刻的频域特性都很好的表现出来。要处理非稳态信号或时变信号，必须对传统的谱分析方法进行改造，或者另觅新的途径。这类分析方法统称：IJ时频分析方法，它是在时间一频率域而不是仅在时域或频域上对信号进行分析的。

时频分析能谱如图4.7所示

图4.7 时频分析能谱图

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