基于虚拟仪器的风扇故障检测系统 (2).doc

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1、内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 基于虚拟仪器的风扇故障检测系统摘要风扇故障检测在风扇出厂过程中得到广泛应用，目前广泛采用的方法有振动诊断技术和声频诊断技术，但振动诊断技术是接触式测量，需克服测试线线体振动的影响，设备结构复杂，速度慢。本文采用基于虚拟仪器的音频故障诊断系统，构建高精度，低成本，功能灵活的故障诊断系统。在系统设计上，结合故障诊断的功能和虚拟仪器的设计方法，从硬件和软件方面张开系统设计。首先在保证系统可靠性和可行性的前提下，用计算机本身的声卡代替专用的数据采集卡进行数据采集，实现44.1kHz采样频率，16位采样深度，对风扇声信号进行实时采集。然后，在LabVIEW平台下

2、完成信号显示，信号分析，信号输入输出，数据保存与处理等应用程序和人机交互界面设计，完成音频信号的实时采集与显示，谐波失真分析，短时加窗处理等多种功能于一体的故障检测系统设计。系统经过测试，满足了风扇故障检测的需求，具有成本低廉，检测方便，性能稳定可靠等特点，可以推广到声音识别、环境噪声监测和实验室测量等多种领域，应用前景广阔。 关键词：音频信号；虚拟仪器；LabVIEW；故障检测；声音数据采集Fan Fault Detection System based on the Virtual Instrument AbstractFan fault detection is widely used

3、in the fan production process. At present, the methods used widely are vibration diagnosis technology and audio diagnosis technology, but vibration diagnosis technology is non-contact measurement so we need to overcome test line of body vibration influence.This paper adopted the audio fault diagnosi

4、s system based on virtual instrument, and constructed a flexible function of fault diagnosis system with high precision and low cost.It can be applied from the two sides of hardware and application software design to complete the system design based on the function fault diagnosis and virtual instru

5、ment design method. First ,on the premise to ensure system reliability and feasibility ,the special data acquisition card for data acquisition was instead by the owe sound card of computer ,to achieve an sampling accuracy of 44.1 kHz ,depth of sampling 16 bit ,to acquire the fan acoustic signal the

6、real-time data.Then, several applications programs, such as signal analysis, signal input-output, data storage and processing act. And human machine interface were complete in LabVIEW platform. .And it implemented the real-time data acquisition and display, harmonic distortion analysis, short and wi

7、ndow handle, and other function in one of the fault detection system design.It has been tested that the system could meet the needs of the fault detection system, with the feature of low cost, detection convenient, stable and reliable of performance. With broad application prospect, it can be applie

8、d to voice recognition, environmental noise monitoring, laboratory measurement research field etc.Key words：audio signal; virtual instrument; LabVIEW; fault diagnosis; sound card data acquisition目 录摘要IABSTRACTII第一章 引言11.1课题背景11.2研究内容11.3目前该领域的研究现状11.4运行环境1第二章 设计需求分析52.1 硬件实现52.2信号分析理论82.3声卡的可行性分析92.

9、4信号分析系统设计方案比较102.5模块化编程思想11第三章 系统设计方案133.1程序设计流程图133.2系统功能介绍143.2.1基本参数设定153.2.2前面板设计163.2.3软件程序设计173.3信号分析处理233.3.1时域分析233.3.2频域分析25第四章 风扇故障检测设计调试与运行284.1 运行VI284.2 调试VI284.3 实验测试结果304.2 试验结果分析38第五章 总结395.1总结395.2展望未来39参考文献41附录43致 谢44 44第一章 引言1.1课题背景为了确保产品的高质量，每台风扇出厂前都要进行参数检测，在规模化生产的今天，风扇检测线是目前大部分风

10、扇生产厂家采用的出厂检测方式。早期的检测方法是让检测线经过消音室，富有经验的工人在室内用人耳听辨别故障风扇。这种方式对操作人员要求高，缺乏客观性，不能保证质量的稳定性。而且检测速度慢，劳动强度大。严重影响了风扇出厂试验的速度与准确率。因此风扇厂家迫切需要改造现有的出厂检测技术。 但存在的一个问题是由于检测方法大部分是从底层进行开发，因而系统开发周期较长、开发成本较高。在传感器技术、测试技术、计算机技术和网络技术发展的推动下，虚拟仪器技术在数据采集、状态监测和数据分析等方面都成为了领先的开发平台。利用虚拟仪器技术进行故障诊断系统的开发，可以极大地缩短开发周期，节约开发成本，利用虚拟仪器强大的数据

11、分析和数据处理功能的支撑，可以使系统功能更加完善，并且具备较强的稳定性。 为此本文提出利用虚拟仪器技术LabVIEW作为开发平台，来实现电厂风机出厂状态监测和故障诊断。1.2研究内容利用声卡DSP技术和LabVIEW多线程技术，提出了一种基于声卡的采集声音信号与分析的廉价方案，具有实现简单、界面友好、性能稳定可靠等诸多优点。在LabVIEW环境中实现了音频信号的采集分析及数据处理。可以推广到声音识别、环境噪声监测和实验室测量等多种领域，应用前景广阔。1.3目前该领域的研究现状目前在风扇故障检测领域广泛采用的方法有振动诊断技术和声频诊断技术，但振动诊断技术是接触式测量，需克服测试线线体振动的影响

12、，设备结构复杂，速度慢；而音频诊断技术为非接触式测量，设备简单、速度快。因此，我们研制基于美国NI公司软件平台Lab view的风扇故障声测系统。1.4运行环境 本设计以虚拟仪器作为运行环境。虚拟仪器利用PC计算机显示器C（RT）的显示功能，模拟传统仪器的控制面板，并且输出检测结果。利用PC计算机强大的软件功能，实现信号数据的运算、分析、处理，由I/0接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下几个性能特点：1.在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。2.仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事

13、先由厂家定义好的。3.仪器性能的改进和功能扩展只需进行相关软件的设计更新，而不需购买新的仪器。4.研制周期较传统仪器大为缩短。5.虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，可与网络及其周边设备互联。虚拟仪器简介 由于微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经突破了传统仪器的概念，使电子测量仪器的功能和作用发生了质的飞跃。在这种背景下，20世纪80年代末美国率先研制成功虚拟仪器（Virtuallnstrument）。虚拟仪器的发展标志着自动测试与电子测量仪器领域技术发展的一个

14、崭新方向。所谓虚拟仪器（VirtualInsrtmunet），简称vi）就是在通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标点击虚拟面板，就可以操作这台计算机系统硬件平台，就如同使用一台专用电测量仪器。虚拟仪器的出现，使测量仪器与个人计算机的界线更融为一体了。 虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形化用户界面的软件组成的测控系统，也是一种由计算机操控的模块化仪器系统。虚拟仪器技术作为一门新兴的技术具有强大的生命力和发展潜力，在航天航空、国防军工、工业监测等一系列自动化测试领域中得到了广泛的应

15、用，也是目前仪器领域研究的热点与重点。在国外，以NI公司、HP公司、Tektronix公司、Racal公司等为代表的著名仪器生产厂家都对虚拟仪器技术投入了大量的人力物力，研制出了不少优秀的硬件模块与软件产品。 比较典型的如NI公司的LabVIEW，它是一种采用图形化编程的32位面向计算机测控领域的软件开发平台公司。LabVIEW是一种用图标代码来代替编程语言创建应用程序的开发工具。在基于文本的编程语言中，程序的执行依赖于文本所描述的指令，而LabVIEW使用数据流编程方法来描述程序的执行。LabVIEW用图形语言（G语言）、图标和连线代替文本的形式编写程序。像VB、VC等高级语言一样，LabV

16、IEW也是一种带有扩展库函数程序开发系统。LabVIEW的库函数包括数据采集、通用接口总线和串口仪器控制、数据显示、分析与存储等。为了便于程序调试，LabVIEW还带有传统的程序开发调试工具，例如可以设置断点，可以单步执行，也可以激活程序的,执行过程，以动画方式查看数据在程序中的流动。 LabVIEW是一个通用编程系统，它不但能够完成一般的数学运算与逻辑运算和输入输出功能，它还带有专门的用于数据采集和仪器控制的库函数和开发工具以及专门的数学分析程序包，基本上可以满足复杂的工程计算和分析要求。在LabVIEW环境下开发的程序成为虚拟仪器VI，因为它的外型与操作方式可以模拟实际的仪器。实际上，VI

17、类似于传统编程语言的函数或子程序。VI由前面板、框图程序和图标/连线端口组成1.前面板就是图形化用户界面，类似于仪器的面板包括旋钮、按钮、图形和其它控制元件与显示元件，以完成用鼠标、键盘向程序输入数据或从计算机显示器上观察结果。2.每一个前面板都有一个框图程序与之对应。框图程序用图形化编程语言编写，框图程序是对具体编程问题的图形解决方案，即VI的源代码。3.VI程序使用图标连线端口来替代文本编程的函数参数表，每个输入和输出的参数都有自己的连接端口，其它的VI可以由此向SubVI（即VI子程序）传递数据。LabVIEW的强大功能归因于它的层次化结构，用户可以把创建的VI程序当作SubVI来调用以

18、创建更加复杂的V工，并且这种调用的递阶次数是无限制的。 LabVIEW简化了科学计算、过程监控和测试软件的开发，已经在航空、航天、通信、汽车、半导体、电子、机械等世界范围领域的众多领域得到了广泛的应用。由于虚拟仪器的巨大优越性，国内外已经在使用虚拟仪器进行测试方面作了一系列有益工作，目前己开发了一些成功的虚拟测试系统。如挪威的CARDIAC公司的基于LabVIEW平台的测试北海油田石油、大气、水流的MPFM系统等。在国内，许多高等院校、研究所等也都开展了虚拟仪器技术的研究，如清华大学应用虚拟仪器技术构建的用于检测汽车发动机性能的出厂检测系统，哈尔滨工业大学的“仪器王”虚拟仪器系统等。 我国传统

19、仪器技术还比较落后，与国外相比，测量精度和可靠性均较低，且自动化程度较低。当前，各种测试软件、专用集成电路和固化软件的广泛应用，使系统技术和模块式仪器得以迅速发展，这些都给虚拟仪器的研究和应用创造了良好条件，同时也为我们提供了一个缩小与国际先进水平差距的机会。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。随着软件业和测试技术的发展，虚拟仪器技术必将在更多、更广泛的领域中得到应用和普及。第二章 设计需求分析系统的功能设计包括硬件设计和软件设计两部分.考虑到市场上销售的数据采集卡价格昂贵，本系统仅对音频信号进行采集处理.本

20、系统的硬件设计采用PC机自带的声卡作为声音信号采集设备.由于声卡采用DMA（直接内存读取）方式传送数据，极大地降低了CPU占用率，而且其具有16位的A/D转化精度，比通常12位A/D卡的精度高，对于许多工程测量和科学实验来说都是足够高的，其价格却比后者便宜得多，完全符合本系统设计要求.软件设计部分利用LabVIEW软件自带的声音处理模块配合其它常用功能模块完成.2.1 硬件实现声卡一般有Line In和Mic In两个信号输入插孔，声音传感器（本文采用通用的麦克风）信号可通过这两个插孔连接到声卡。若由Mic In输入，由于有前置放大器，容易引入噪声且会导致信号过负荷，故推荐使用Line In，

21、其噪声干扰小且动态特性良好。声卡测量信号的引入应采用音频电缆或屏蔽电缆以降低噪声干扰。若输入信号电平高于声卡所规定的最大输入电平，则应在声卡输入插孔和被测信号之间配置一个衰减器，将被测信号衰减至不大于声卡最大允许输入电平。此外，将声卡的Line Out端口接到耳机上还可以实时的监听声音信号。声卡的工作流程如图2.1所示。图2.1声卡的工作流程目前市售的数据采集卡都包含了完整的数据采集电路和与计算机的接口电路，但其价格与性能基本成正比，一般比较昂贵。随着DSP（数字信号处理）技术走向成熟，PC声卡本身就成为一个优秀的数据采集系统，它同时具有A/D和D/A转换功能，不仅价格低廉，而且兼容性好、性能

22、稳定、灵活通用，软件特别是驱动程序升级方便。ISA总线向PCI总线的过渡，解决了以往声卡与系统交换数据的瓶颈问题，同时也充分发挥了DSP芯片的性能。而且声卡用DMA（直接内存读取）方式传送数据，极大地降低了CPU占用率。一般声卡16位的A/D转换精度，比通常12位A/D卡的精度高，对于许多工程测量和科学实验来说都是足够高的，其价格却比后者便宜得多。 如果利用声卡作为数据采集设备，可以组成一个低成本高性能的数据采集与分析系统。当然，它只适合采集音频域的信号，即输入信号频率必须处于2020000Hz的音频范围内。如果需要处理直流或缓变信号，则需要其他技术的配合。声卡工作原理及性能指标 声音的本质是

23、一种波，表现为振幅、频率、相位等物理量的连续性变化。声卡作为声音信号与计算机的通用接口，其主要功能就是将所获取的模拟音频信号转换为数字信号，经过DSP音效芯片的处理，将该数字信号转换为模拟信号输出。声卡的基本工作流程为：输入时，麦克风或线路输入（Line In）获取的音频信号通过A/D转换器转换成数字信号，送到计算机进行播放、录音等各种处理；输出时，计算机通过总线将数字化的声音信号以PCM（脉冲编码调制）方式送到D/A转换器，变成模拟的音频信号，进而通过功率放大器或线路输出（Line Out）送到音箱等设备转换为声波，人耳侦测到环境空气压力的改变，大脑将其解释为声音。 衡量声卡性能的主要技术指

24、标有复音数量、采样位数、采样频率、波表合成方式和波表库容量、声道数、信噪比、总谐波失真和缓冲区等。a） 复音数量：复音数不是声卡的 DAC（Digital-to-Analog Conversion，数字/模拟转换器）或 ADC（Analog-to-Digital Conversion，模拟/数字转换器）的转换位数，而是代表声卡能同时发出多少种声音。复音数越大，音色就越好，播放 MIDI（Musical Instrument Digital Interface，音乐设备数字接口）时可以听到的声部越多、越细腻。如果一首 MIDI 乐曲中的复音数超过了声卡的复音数，则将丢失某些声部，但一般不会丢失主

25、旋律。目前声卡的硬件复音数都不超过 64 位。b） 采样位数：将声音从模拟信号转化为数字信号的二进制位数，即进行 A/D、D/A 转换的精度。目前有 8 位、12 位和 16 位三种，将来还有 24 位的 DVD（Digital VideoDisk，数字视频光盘）音频采样标准。位数越高，采样精度就越高。例如，16 位声卡把音频信号的大小分为 21665536 个量化等级来实施上述转换。在计算机中一般的声卡是 16 位的，信噪比可达 96dB。c） 波表合成方式和波表库容量：现在的PCI 声卡大量采用先进的DSL（Downloadable Sample，可下载音色库）波表合成方式，其波表库容量通

26、常是 2MB、4MB、8MB，而像 SB Live 品牌声卡甚至可以扩展到 32MB。d） 声道数：声道数是衡量声卡档次的重要指标之一，可以分为单声道（早期声卡采用）、准立体声（录音时采用单声道，放音时用立体声）、立体声（录音和放音都是立体声）、四声道环绕（中高档声卡采用）和 5.1 声道（用于各类传统影院和家庭影院中）等。LabVIEW 把声卡的声道分为单声道（mono）和立体声（stereo）两种。若用单声道采样，左右声道信号都相同，且幅值为原信号的 1/2；用立体声采样，左右声道互不干扰，可以采集两路不同的信号，而且幅值与原信号相同。一般声道数为 2，需要时还可选用多路输入的高档声卡或配

27、置多块声卡。e） 信噪比：以 dB（Decibel，分贝）计算的信号最大保真输出与不可避免的电子噪音的比率。该值越大越好，低于 75dB，噪音在寂静时有可能被发现。f） 总谐波失真：英文全称为 Total Harmonic Distortion，简称 THD，是指用信号源输入信号时，输出信号（谐波及其倍频成分）比输入信号多出的额外谐波成分，通常用百分数来表示。一般来说，1000H 频率处的总谐波失真最小，因此不少产品均以该频率的失真作为它的指标。所以测试总谐波失真时，是发出 1000Hz 的声音来检测，这个值越小越好。g） 缓冲区：与一般 DAQ 卡不同，声卡的 D/A 功能是连续状态的，为了

28、节省资源，声卡的 D/A 或 A/D 都对某一缓冲区进行操作，待缓冲区数据操作完毕时产生中断，CPU响应中断信号进行处理。一般声卡的缓冲区是 8KB（8192）。用户可以通过测试声卡的性能指标来评价声卡的好坏，声卡性能指标的测试主要有 3D（Three-Dimensional，三维图形）定位精度测试、波形回放与录音测试、多音频流播放测试、全双工通讯模式测试、MIDI 音效测试和 CPU 占用率测试等。LabVIEW对声音采集的设置默认于其所处的操作系统，本文使用的是最普通的声卡，对于高级的声卡采集信号时，要注意关闭如混响之类的一些特效，避免影响测量结果的真实性。前置放大器，容易引入噪声且会导致

29、信号过负荷，故本系统使用，噪声干扰小且动态特性良好的Line In。声卡测量信号的引入采用音频电缆或屏蔽电缆以降低噪声干扰.由于该传感器没有前置滤波去噪功能，可能在采集时带来部分噪声信号，但对一般的实验性研究不会带来太多影响，在后面可以通过软件滤波消噪达到良好的效果。2.2信号分析理论声卡数据采集理论基础数据采集系统中以计算机作为处理机。众所周知，计算机内部参与运算的信号是二进制的离散数字信号，而被采集的物理量一般是连续的模拟信号。因此，在数据采集系统中同时存在两种不同形式的信号：连续模拟信号和离散数字信号。连续的模拟信号转换为离散的数字信号，经历两个断续过程：1）时间断续对连续的模拟信号x（

30、t），按一定的时间间隔Ts，抽取相应的瞬时值（也就是通常所说的离散化），这个过程称为采样。连续的模拟信号x（t）经过采样过程后转为时间上离散的模拟信号xs（nTs）（即幅值仍是连续的模拟信号）， 简称为采样信号。2）数值断续把采样信号xs（nTs ）以某个最小数量单位的整数倍来度量，这个过程称为量化。采样信号xs（nTs ）经量化后变换为量化信号xq（nTs ），再经过编码，转换为离散的数字信号x（n）（即时间和幅值是离散的信号），简称为数字信号。在实际工作中，信号的抽样是通过A/D芯片来实现的。图2.2 A/D转换原理通过A/D，将连续信号x（t）变成数字信号x（nTs），x（t）的傅立叶变

31、换X（j）变成X（ejw）。模拟信号经过（A/D）变换转换为数字信号的过程称之为采样，信号采样后其频谱产生了周期延拓，每隔一个采样频率fs，重复出现一次。为保证采样后信号的频谱形状不失真，采样频率必须大于信号中最高频率成份的两倍。这称之为采样定理。如图2.3所示。图2.3 信号正常采样和欠采样2.3声卡的可行性分析数据采集卡的功能是对数据进行采集，把模拟信号转换成数字信号，便于对数据进行分析。目前市场上出售的数据采集卡一般包含了完整的数据采集电路、与计算机的接口电路和驱动程序，并且功能强大，性能良好。然而，其性能与价格基本成正比，少则几百、多则上万元的价格使得系统开发成本大大增加，系统性价比（

32、性能/价格）大大减小。此外，数据采集卡种类繁多、良莠不齐，普通用户在选择的时候会无所适从。随着DSP技术的成熟，现在的PC声卡本身就是一个优秀的数据采集系统。几乎每台计算机都有一个内置声卡。声卡通常被用来作为音频输入、输出设备，用于记录、合成和回放语言、音乐和歌曲。然而，声卡其实可以做得更多，从测控的角度来看，声卡是一个具有双通道A/D和双通道D/A的信号采集和输出设备。它在音频范围内有很平滑的频率响应，采样频率可达192KHz，采样深度可达24位，存储深度极大，可完全利用计算机自身的内存。由于声卡内部都带有增益控制（例如话筒音量控制、话筒提升控制、线路输入音量控制），即使在不外加信号衰减电路

33、的情况下，它也可以测量从1微伏到1伏左右的信号。测量的准确度由声卡的质量决定。通常是外置声卡最好，其次是内置独立声卡，最后是板载声卡，专业级声卡优于消费级声卡。从价格上讲，即使是专业级声卡，其价格也远低于同类的A/D或D/A卡（通常是有数倍到数十倍之差）。但是不能因为便宜就小看了声卡，因为便宜只是大批量生产的结果，正是因为大批量生产，所以性能相当稳定。声卡的时基精度通常为0.00x%。例如，一个时基精度为0.003%的声卡，在采样频率为44100Hz时，频率误差在1.3Hz内。一个好的声卡，其噪声电平可低于-100dB， 总和谐波失真THD低于0.001%，对于工程测量、教学实验等用途而言，其

34、各项指标均可以满足要求。此外，声卡不仅价格低廉（大多数是PC主板集成）、性能稳定，而且兼容性好、灵活通用，软件特别是驱动程序升级方便；ISA（Industry Standard Architecture，工业标准结构）总线向PCI总线的过渡，解决了以往声卡与系统交换数据的瓶颈问题，同时也充分发挥了DSP芯片的性能。声卡可以较准确地测量音频范围内的信号，例如：振动、转速、心肺听诊、心电图、地震波，声音，电源谐波等，根据所用传感器的不同而不同，当然还要看所用的软件。LabVIEW具有Express VIs技术，可以方便地调用声卡VI来控制声卡数据的输入与输出。此外，LabVIEW提供的多线程技术可

35、以使开发出来的系统流畅地运行，并且模块之间互不干扰，通过设计降噪模块可以降低声卡作为数据采集卡的输入噪声。从上面的分析可以知道，用声卡作为数据采集卡，结合 LabVIEW 编程可以组成一个低成本高性能的数据采集系统。因此，用声卡作为数据采集卡是可行的。2.4信号分析系统设计方案比较信号分析系统的设计方案有很多，并且各有各的优点与不足，下面探讨系统的一些开发方案，比较各个方案的优势与劣势。1） 第一个方案是用美国国家仪器（NI）有限公司生产的数据采集卡采集数据、用LabVIEW 进行软件编程。这与第一个方案的不同之处在于数据采集卡，因此在这里重点比较数据采集卡的优势与劣势。NI 公司生产的数据采

36、集卡有多种总线类型（可选择），模拟输入有多通道（4 个通道以上），传输带宽比较大，采样精度高、延时少，而其价格（官方网站报价为 RMB 8，01089，090）却不是普通用户能够承受的。2） 第二个方案是用国产的普通数据采集卡采集数据、用 LabVIEW 进行软件编程。这与第一个方案的不同之处依然是数据采集卡。虽然说国产的数据采集卡比较便宜，但这只是相对国外品牌的数据采集卡而言的，对普通用户来说，价钱依然昂贵，如中泰的数据采集卡要 3000 多元人民币，凌华的 DAQ-2006（250k 四通道同步采样，16 位分辨率）要 13000 多元人民币。当然，也有一些便宜的国产数据采集卡，但这些数据

37、采集卡良莠不齐，让用户很难分辨其性能的好坏，且驱动更新很困难、测量精度也不高、传输速率比较慢等。 3） 第三个方案是本次系统开发所采用的方案，就是用声卡作数据采集卡、用LabVIEW 进行软件编程。这个方案的优点是充分发挥声卡的数据采集性能，系统造价低、开发方便、系统移植能力强；缺点是对低于 20Hz 的信号采集效果不理想，采样精度不够高、通道数量比较少（当然，可以通过配置多块声卡来解决这个问题）；LabVIEW 的多线程技术允许进行多线程通信，程序运行开销小、运行更流畅。至此，系统的设计方案已经确定，那就是用声卡作数据采集卡采集数据，用LabVIEW 进行软件编程，开发基于 LabVIEW

38、的风扇故障检测系统。该系统除了前面介绍的功能和优点外，还具有良好的移植性。2.5模块化编程思想所谓的模块化，就是在对一定范围内的不同产品进行功能分析和分解的基础上，划分并设计、生产出一系列通用模块或标准模块，然后，从这些模块中选取相应的模块并补充新设计的专用模块和零部件一起进行相应的组合，以构成满足各种不同需要的产品的一种标准化形式。许多程序太长或太复杂，很难写在一个单元中。如果把代码分为较小的功能单元，将大大简化编程过程。模块化程序一般比单块程序容易编写、调试修改。模块化编程方法类似于包含大量电路的硬件设计。器件或程序在逻辑上被分为多个“黑箱子”，这些黑箱子都有指定的输入和输出，只要把各个单

39、元之间的接口定好，各个单元的详细设计就可以独立进行了。模块化编程有如下优点：1） 高效率的程序开发：使用模块化编程可以更快地开发程序，因为较小的子程序比大程序更容易理解、设计和测试。定义好模块的输入和输出之后，程序员可以给模块提供需要的输入，通过检测输出来判断模块的正确性。然后由连接器把分立的模块连接、定位，生成一个有唯一绝对地址的可执行模块。最后，测试整个模块。2） 子程序可以重用：为一个程序编写的代码经常可以用于其它的程序。在模块化编程中，可以把这些部分保存起来，以备将来使用。因为代码可以被重定位，所以模块可以连接到满足其输入和输出要求的任意程序中。而在单块程序编程中，这样的部分深埋在整个

40、程序中，不易被其它的程序使用。3） 便于调试和修改：模块化程序一般比单块程序易于调试和修改。因为精心定义了程序的模块接口，很容易把问题定位到特定的模块。一旦找到有问题的模块，程序修改就相当容易了。模块化编程可以简化程序修改的工作。我们可以很方便地把新的或调试过的模块连接一个已有的程序，而不用更改程序的其余部分。LabVIEW内置有基于软件的测量函数和复杂的分析功能。用户可以采用模块化仪器创建完全自定义的测量系统：通过选择合适的硬件模块并在工业标准的软件环境中定制测量应用程序，即可满足各种独特的应用要求。此外，使用模块化仪器建立的系统比传统的仪器具有更高的灵活性、测量精度、数据吞吐量和同步特性。

41、采用模块化编程不但有上述优点，而且便于模块的集成、程序的扩展和系统功能的完善。总之，模块化编程不但可以提高编程效率、重复利用子程序、便于程序调试和修改，而且便于模块的集成开发、程序的扩展和系统功能的完善。在LabVIEW中使用模块化仪器建立的系统比传统的仪器具有更高的灵活性、测量精度、数据吞吐量和同步特性。因此，在此次风扇故障检测系统的开发中，始终坚持模块化编程思想，这样可以少做许多无用功，从而取得更大的效益。第三章 系统设计方案3.1程序设计流程图程序设计流程图，如图3.1所示。声音信号处理平台的设计声音采集分析处理模块时域分析频域分析谐波失真分析傅里叶变换时域缩放处理自功率谱信号检测模块图

42、 3.1 风扇故障检测信号处理平台的系统功能模块图风扇故障检测信号处理平台的系统流程图，如图3.2所示。开 始声音信号的采集判断频率大小是否超出设定阈值未超出绿灯亮返回声音信号处理超出则红灯亮时域缩放处理谐波失真分析提取基波频率傅里叶变换自功率谱分析图 3.2 风扇故障检测信号处理平台的系统流程图 3.2系统功能介绍整个系统包括声音的采集，A/D转换，音频数字信号的分析和处理，存储、现场采集到的声音采集过的声音模板进行精确的匹配等等。整个程序可以分为：样本声音采样子系统，待检声音采样子系统，声音检测子系统等等。1.声音输入模块：风扇正常运行声音基波频率输入系统；2.声音识别模块：检测时只需将风

43、扇运行声音输入，系统将对其进行识别，并对无故障基波频率进行响应；3.采集声音频率是否正常将由测试声音正常频域决定，本文设置频域范围为（-1，+1）Hz；3.2.1基本参数设定扬声器采样频率和深度如图3.3所示。图3.3扬声器采样频率和深度I/O设备：键盘、鼠标、耳机（或音响）、麦克风。基本参数设定人耳可以感觉的频率范围在20Hz到20kHz之间，并且声卡一般的工作频率在10Hz到20kHz之间，对低于10Hz的信号可能出现失真，并且几乎所有的声卡都是交流偶合的，因而它将过滤掉信号中所有的直流分量，在使用中需要注意。另外本设计使用的是笔记本计算机，经过测试表明：输入信号频率在0.003-48kH

44、z时，笔记本虚拟仪器采集的信号频谱与理论信号的频谱基本一致，误差小于2%，而小于3Hz或大于48kHz后采集信号的频谱误差著增大，信号失真；输入信号幅值衰减为-3dB时的频率为0.00344kHz。声卡虚拟仪器的这种宽频带特性，给基于声卡的声波测深、振动信号测试、实验室教学用虚拟仪器的研究与开发提供了一个高性能的采集平台。声卡初始化设置：声卡初始化设置参数（通道形式、声卡采样频率、每采样位数）由“sound format”子VI输入“声音输入配置”子VI，并将设置参数中的“声卡采样频率”输出作为后面程序参数，根据声卡的性能指标以及本设计的需要，将声卡采样频率设为441000Hz，采样位数为16

45、位，采样参数为单声道。缓冲大小设置由于用户缓存的大小受计算机内存空间大小的限制，不可能无限大，在使用过程中，只能尽量设得比较大，一般可以设为内存的十分之一左右。在保持一定的数据采样率并且用户缓存确定的情况下，如果存储过程中，单批量写入硬盘的数据过少，会出现不能及时将数据从用户缓存中读出，从而导致用户缓存溢出的错误。而当单批量写入硬盘的数据过多时，又会出现从用户缓存读取数据过快，可能会读出空数据的错误，所以这几个参数必须互相配合设定才能使采集卡获得良好的采集和数据存储的性能。 3.2.2前面板设计添加布尔型控件采音/检测，用于选择采集声音还是检测故障，下面的stop控件用于停止录音。开始控件用于

46、显示是否准备好录音（当变为绿色时，可以录音）。buffer size 用于输入缓存大小，一般为默认。显件用于显示检测的结果，正常为绿色，不正常为红色。中间的五个波形显示器用于显示实时波形，最终数组捆绑波形，幅度谱及经过快速傅立叶分析的幅频与相频信号波形。前面板设计如图3.4所示。图3.4 前面板设计3.2.3软件程序设计首先添加顺序结构，第一帧用于录音前的等待，大约5秒钟，然后进入第二帧。使用Loop循环采集声音样本。为了防止信号干扰，程序首先进入有效音频等待阶段，此时程序通过“SI READ”子VI读取声卡采集的信号，并捆绑为一个波形，通过“提取单频信息”模块提取该声音信号的主频率的幅值输出

47、显示。 采集部分应用的主要VI(1)配置声音输入子VISI Config.vi的是对声音输入参数的一些设置，参数设置如图所示3.5所示。图3.5 配置声音输入子VI的后面板程序在运行时首先对设计中应用到的软件采集模块进行初始化，进行输入信号是否错误的判断，若输入信号无错误，配置声音格式参数，如果参数配置错误，库函数会发送生成错误调用链；若无错误，完成声音输入配置，通过声卡采集数据，把采集到的信号送入LabVIEW模块中，在LabVIEW程序运行下，把采集到的信号用波形显示出来。通过波形的显示，最后把波形的其他参数以数字的形式都显示出来。这里可利用笔记本电脑内置的麦克风，line，录入音频信号。

48、在配置声音输入完成后，可在程序运行中通过启动声音输入采集子vi，停止声音输入采集子vi，来控制声音信号的采集，停止。(2)声音输入采集子vi SI Start.VI为启动声音输入进行参数设置，程序见图3.6所示。图3.6 启动声音输入前面板该函数模块是完成信号的读取，当收到输入信号时，该函数将缓冲区的内容读取到函数程序中的数组里，生成一个数据的采样单元集合。当计算机的运行速度比较缓慢时，使得缓冲区的数据被覆盖后，会报告产生一个错误信息，在这个时候，程序开发人员或者系统使用人员应该重新设置采样频率，尽可能在在数据存储和读取之间找到一个合格的兼容。 (3)读取声音输入SI Read.vi，如图3.7所示。图3.7读取声音输入前面板(4)声音输入清零子VISI Cl