基于虚拟仪器的平面机构创意组合实验台测控系统设计

　　2．1 系统硬件设计

　　本系统采用PXI-1024组合式机箱，为系统提供了坚固的模块化封装结构，其具有8个PXI／Compact PCI插槽，第一槽是系统控制器，其余7个插槽是外围扩展槽，可用于安装数据采集卡，示波器等；机箱还具有高性能PXI背板，可以独立地向每个外围扩展槽提供PXI10 MHz(PXI-CLKl0)系统时钟信号，用于多模块的同步测量或是系统控制。

　　同时选取了PXI-6251型多功能数据采集卡，插入机箱的左端第三个插槽。

　　物理信号的获得通过传感器实现，其中编码器采集转角信号，角位移传感器采集摆角信号，直线位移传感器采集线位移信号。

　　对于数据采集系统来说，由于来自于电力线或机器的影响，会产生噪声信号，对于这种情况，采用低通滤波器来实现最大程度的抑制。另外，由于采样率低而产生信号混叠，奈奎斯特定理指出，如果对一种模拟信号进行采样，所有频率超过1／2采样率的信号都会以一种低频率信号的方式出现。只有在采样前把所有频率超过 1／2采样率的信号消除才能避免这种失真。基于以上两种可能出现噪声信号的原因，本系统采用模拟低通滤波器、数字滤波器两者的结合。模拟滤波器通常放在 A／D转换器的前面，用来消除信号通道位于A／D转换之间的高频噪声和干扰。数字滤波器被放在A／D转换器的后面，通过采用平均技术来减少通带内频率上的噪声。

　　本系统采用双二阶环滤波电路，利用两个以上的加法器、积分器等组成的运算放大电路，根据要求的传递函数，引入适当的反馈，构成滤波电路。其突出特点是电路灵敏度低，特性非常稳定，并可实现多种滤波功能，这里使用低通滤波抑制部分噪声信号。具体电路如图4所示。

　　构成低频滤波器时，电路固有频率(单位：Hz)和通带增益如下：

　　2．2 软件实现

　　软件是检测系统的灵魂。本实验台测控系统应用虚拟仪器图形化软件LabVIEW，该软件具有运算速度快、界面友好、人机交换便捷、操作直观方便等特点。该测试系统的主程序界面如图5所示：实现对所测试的不同项目进行有效选择，并在选择好输入项目的基础上，从主程序界面中选择所要测试的项目，点击，则系统进入所要进行的性能测试系统的功能模块仪器软件面板。

　　其中，每一个功能模块又分别调用其子模块，主要包括数据采集模块、传感器标定模块、误差处理模块、数据分析处理模块、数据波形输出模块、输出数据保存模块和数据恢复模块。

　　2．2．1 数据采集

　　数据采集模块将各种硬件仪器的驱动程序模块封装在组件中，当测试要求改变需要更换新的仪器硬件时，只需更新相应参数，并且保证它对上层的接口保持不变，那么新的仪器硬件就能在原来的系统中正常运行。

　　2．2．2 传感器数据的标定

　　传感器的标定就是通过试验建立传感器输入量与输出量之间的关系。利用已知的标准值输入到待标定的传感器中，传感器得到相应的输出量，将输出量与输入的标准量绘制成曲线即得标定曲线，通过标定曲线可以得出输入量与输出量之间的关系式，从而可以确定标定系数。利用标定的数据作为测量数据输入提高了传感器的使用精度。

　　2．2．3 数据的分析及处理

　　数据分析与处理模块包括数据的逻辑计算、测试信号的图形显示、测量过程中特性参数的显示、误差的分析、信号的滤波等，通过该模块的工作，可以输出非常精确的数据及其对应的曲线。

　　(1)信号滤波

　　算术平均值滤波法就是连续取n个采样值进行平均。其数学表达式为：

　　算术平均滤波法用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波。这种信号的特点是围绕着一个平均值，在某一范围附近作上下波动。算术平均滤波法对信号的平滑程度完全取决于N在系统误差的情况下，当n→∞，项噪声信号趋近于零，其平均值趋向于最大期望值，但是实际上N较小时，平滑度低，但灵敏度高。应根据具体情况选取N，既保证滤波效果，又尽量减少计算时间。

　　(2)误差处理

　　回转运动误差包括传动误差和回程误差。测量传动误差，可以采用手工转动使电机的转速不超过10 r／min，当电机转动后，通过输入、输出传感器分别测量输入、输出角位移，得到的试验数据可以在计算机内进行显示和记录。瞬时传动误差=输入转角／理论传动比-输出转角，可以拟合相应的曲线。在测量回程误差时，去掉电动机、转动输入传感器，当在某一个角位移处，使输出端不动，输出端反转，所反向产生的转角为回程误差，在若干个角位移处试验，可以拟合出一条回程误差曲线。