基于无线网络的便携式设备数据采集与分析系统

　　1.1数据采集及无线发射和接收系统无线数据发射和接收系统由ViaSat公司的Mini DAT内含NI公司的高性能数据采集卡DAQCard－16－E－4，高增益外部天线，和CiscoSystems公司的相应的驱动软件组成。MiniDAT接受现场送来的模拟电信号或数字信号并对其进行处理，然后按LAN通在无线设备之间实现数据包的透明传送，其操作类似标准的网络产品，只不过它是通过无线连接的。另外，不需要任何特殊的无线网络功能模块，Client adapters可以完成在网络上的现有应用功能。插有PC来的信息并由处理和分析软件进行数据处理与分析。

　　1.2SCXI信号调理系统美国NI公司的SCXI信号调理系统是一种高性能、多通道的信号调理与开关平台，主要由SCXI机箱、SCXI信号调理模块、SCXI电缆线、DAQ设备和软件组成［2］。本系统使用的SCXI－1000为4插槽的机箱，可以同时插入4个信号调理模块，该机箱还可以控制SCXI总线，包括一个模拟总线，一个数字总线和一个控制总线操作的机箱控制器。信号通过可拆卸螺丝、BNC接头的接线端子或插入式热电偶传感器接到SCXI模块中。机箱中的信号调理模块可以完成对信号的放大、隔离、多路复用、滤波、传感器激励、同步采样与保持等信号调理功能。模拟总线将调理后的信号送入数据采集及无线发射设备MiniDAT，基于无线网络的便携式设备数据采集与分析系统王淑珍马利民洛阳工业高等专科学校机械系河南洛阳471003图1无线网络高速数据采集与分析系统组成为西安建筑科技大学机械电子工程硕士研究生，主要从事机械设备及自动化的教学及科研工作。

　　在现代化的工业生产过程中，设备运行的自动化水平不断提高。为了保证生产正常进行和对生产过程进行优化，需要对生产设备和生产工艺进行监控、记录及分析。但是在某些特殊的应用场合，如对大型机械设备、移动设备、人不方便在现场的场合的设备、露天及野外环境下的设备运行的监控、检测与分析，采用固定有线数据采集分析系统不仅非常困难，而且不是特别现实。随着测量仪器和无线Internet网络的发展，利用Viasat公司的基于无线Internet网络的计算机数据采集系统MiniDAT和美国NI公司生产的SCXI信号调理模板及LabVIEW虚拟仪器软件工具构成一个基于无线Internet网络多通道、高速便携式机械设备数据采集与分析系统，适用各种特殊应用领域的机械设备运行状况的监控、数据采集与分析。

　　1系统构成基于无线Internet网络的便携式高速数据采集与分析系统，由笔记本计算机、美国Viasat公司的基于Internet的TCP／IP协议的数据采集及无线发射和接收美国NI公司的SCXI信号调理模块、传感器以及美国NI公司的虚拟仪器软件系统LabVIEW和针对检测对象的分析应用软件组成。由于该系统综合了无线Internet技术和NI公司高性能的数据采集模板DAQ，同时具有携带方便，避免了由于布线而造成的困难，无论任何场合采样速率都可达200k×16bit／s.而且基于Internet的数据通讯速率可高达11Mb／s，实现远距离或异地遥测数据和分析。

　　如图1为基于无线Internet网络的便携式高速数据采集与分析系统的组成。工业生产现场的各种机械设备的信息应力、温度、振动等通过各类传感器转换为电信号，经过SCXI各调理板专用的接线端子，送入由NI公司生产的SCXI系列专用信号调理模块完成对信号的放大、隔离、多路复用、滤波、同步采样与保持等多项信号调理功能后，经专用电缆线将该信号送入ViaSat公司的MiniDAT无线遥控计算机数据采集系统，该系统内部集成有NI公司的高性能基于无线网络的便携式设备数据采集与分析系统通用图3数据采集存储模块程序MiniDAT的数据线与SCXI机箱控制器通信并控制机箱中的数据总线。

　　NI公司生产了多种使用在SCXI机箱中信号调理模块，本系统配置的信号调理模块主要包括SCXI－调理模块的功能分别为：1SCXI－1126是一个具有8个隔离频率输入通道的信号调理模块；它的每个通道到包含有一个可编程的频率电压转换电路，最高输入频率可达128 kHz，各通道间或通道与地的隔离电压为250V 2SCXI－1520是一个8通道可编程隔离放大器，本模块可处理热电偶信号及电流、电压信号，隔离电压为300V 3SCXI－1520是一个可编程8通道差分SSH同步采样与保持放大器应变输入信号调理模块，该模块可以用来测量应变和以应变为基础的传感器。可以通过软件设置桥激励电压、滤波截止频率、零点及偏置、通道增益等参数；4SCXI－1531是一个可编程8通道单端加速度计输入信号调理模块，该模块具有BNC连接器可以直接与ICP传感器或其他电流激励的加速度传感器相连。通过软件可以设置滤波器的带宽，通道增益，电流激励等。

　　1.3LabVIEW图形化编程语言LabVIEW具有功能完整的软件开发环境，同时也是一种功能强大的编程语言流程图的图形化编程方式，也称为G语言graphical language.与其他编程语言相同，G语言既定义了数据类型、结构类型、语法规则等编程语言基本要素，也提供了包括断点设置，单步调试和数据探针在内的程序调试工具，在功能完整性和应用灵活性上不逊色于任何高级语言。对测试工程师而言，LabVIEW最大的优势表现在两方面：一方面是编程简单，易于理解，尤其是对熟悉仪器结构和硬件电路的工程技术人员，编程就像设计电路图一样，上手快，效率高；另一方面LabVIEW针对数据采集、仪器控制、信号分析和数据处理等任务，设计提供了丰富完善的功能图标，用户只需直接调用，可免去了自己编写程序的烦琐。LabVIEW作为开放的工业标准，提供了各种接口总线和常用仪器的驱动程序，是一个通用的软件开发平台。

　　本系统的数据采集及处理软件用LabVIEW图形化编程语言编写，实现数据采集与控制、数据分析、以及数据表达等功能。在LabVIEW完整版的高级分析库中，提供了丰富的信号分析处理相关程序，包括波形测量、信号调理、信号监测、波形发生、信号处理和逐点分析库等虚拟仪器的软件对象进行图形化的组合操作，用户可以通过交互式的图形化面板来控制系统，并显示所得结果。

　　2数据采集与分析软件设计2.1软件的总体结构本系统的数据采集及处理软件用LabVIEW图形化编程语言编写，软件系统的构成如图2所示。

　　本系统的软件是采用模块化的思想编写的，每个功能的实现由一个模块完成，然后由事件驱动的主模块调用各个子模块，最后实现对设备运行状况的数据采集、处理、显示、记录、监控、打印及历史数据的回放、打印、分析处理及故障诊断等功能。程序主要由主模块，实时数据采集处理模块、数据记录模块、历史数据的回放及分析模块组成。

　　本文以实时数据采集及存储模块程序设计为例介绍本系统程序的设计方法和过程。

　　2.2实时数据采集及存储模块实时数据采集存储模块对8路现场信号进行实时采集、显示、分析、存储、打印。实时数据采集存储模块程序利用缓冲技术进行高速数据采集，具有良好的实时性。实时数据采集存储模块的程序如图3所示。

　　图2软件总体机构框图基于无线网络的便携式设备数据采集与分析系统通用2.3运行监控与数据采集模块运行监控模块对现场的进行实时采集、显示并分析现场数据是否超过正常值，若超过正常值则报警并以当前时间点为文件名自动存储20s的数据。

　　2.4历史数据回放与数据分析分析模块历史数据的回放及分析模块完成对存储数据进行回放、各种分析处理、故障诊断及波形和分析结果的打印。历史数据的频谱分析实现对测得的历史数据进行加窗、滤波、傅立叶变换等分析，根据分析结果与设备运行状态历史数据库比较分析，可以对设备进行故障诊断。

　　3应用举例利用该系统对某水泥厂所使用的MCD70大型磨机减速机的振动信号进行了测试和分析。该减速机的输入轴与电机用联轴器直连，电机功率为410kW，转速为机为单级传动，减速机通过边缘传动齿轮副驱动磨机工作。齿轮副的齿数为117／21，边缘传动齿轮副的齿数为减速机输入轴和输出轴回转频率分别为12.25Hz和2.2Hz；减速机齿轮副的啮合频率为281.75Hz，边缘传动齿轮副的啮合频率为46Hz.传动系统的振动测点布置如图4及表1所示。测试结果的频谱分析如图5所示据振动频谱可得出如下分析诊断结论：1测点1轴向方向y时域信号有明显的调制信号，调制频率＝1／T≈2.2Hz与减速机输出轴回转频率2.2Hz相同，减速机的低速机齿轮安装出现偏心或者轴承径向间隙过大；2频谱图上，减速机齿轮幅的啮合频率及高次谐波十分突出，二次谐波分量的峰值大于啮合频率的峰值，这说明该齿轮副磨损相当严重或齿测间隙太大并且有该故障引起的强烈振动直接影响了减速机的运行。

　　4结论由于采用NI公司高性能的DAQ和无线Internet技术MiniDAT数据采集与无线发射技术，使基于无线Internet网络的便携式机械设备状态采集与分析系统，具有技术先进、应用方便的特征，特别适用于特殊的应用场合，如对大型机械设备、移动设备、露天及野外环境下的设备运行的监控、检测与分析。

　　LabVIEW图形编程。北京：北京大学出版社，2002 5杨乐平，李海涛等编著，LabVIEW高级程序设计。北京：清华大学出版社。2003.

　　屈梁生，何正嘉，机械故障诊断学。上海：上海科学技术出版表1振动测点方向图4振动测点布置图5频谱分析图基于无线网络的便携式设备数据采集与分析系统