基于GPIB模擬故障信號的自動采集與定位

高 健 鄧 崢 張保平 戴路紅 陳毅煌

[摘 要]本文利用AFG310任意函數信號發生器的隨機軟件Wavewriter編寫模擬故障信號,由GPIB下載到AFG310任意函數信號發生器中,接著依靠Sony Tektronix TDS210存儲式數字示波器對信號數字化,再憑借GPIB總線由計算機在Matlab環境下完成采集、調制函數信號,最后用Matlab對采集到的信號進行小波分析,從而實現對故障信號的自動診斷與定位。

[關鍵詞]可編程波形發生器 Wave writer GPIB 小波分析

[中圖分類號]TN[文獻標識碼]A [文章編號]1007-9416(2009)12-0014-03

Diagnose and Orient malfunction Based on GPIB

GAO Jian,DENG Zheng,Zhang BaoPing, DAI Luhong,CHEN Yihuang

(Department of Electronic Science and Engineering Nanjing University,Nanjing 210093,China)

[Abstract] This article will make use of the software Wavewriter provided with arbitrary function generate AFG310 together to programmalfunction signals,and then the signals will be downloaded to AFG310 by GPIB. Afterward,the Sony Tektronix TDS210 digital storage oscillograph will process the signal digitally. Finally,the computer running on Matlab environment achieves data acquisition and modulation, then wecan use wavelet analysis to diagnose and orient malfunction signals.

[Key words] diagnose and orient malfunction signals; GPIB; Matlab; wavelet analysis

1 引言

GPIB是一種智能化儀器接口,可以作為橋梁把一系列儀器設備和計算機聯系起來,形成大規模系統,被廣泛用于自動測量和智能控制等多個方面。自80年代以來推出的各種新型電子測量儀器,都幾乎無一例外的配備了GPIB接口,提供了對其進行編程控制和組成自動測量系統的可能性[1]。

我校受世行貸款項目資助引進了如任意函數信號發生器Sony Tektronix AFG310,示波器TDS210,GPIB卡等一批用于教研的先進儀器,但在教學和科研活動中對儀器的使用提出了更高的要求,基于此,本文在充分研究基于GPIB的可編程及自動化測量的思想基礎上提出了以下方案來實現基于GPIB的故障信號診斷與定位,作為任意波形發生器AFG310功能拓展的一個例子。首先通過GPIB實現Sony Tektronix AFG310和計算機的互聯,由隨機軟件Wavewriter在計算機上對故障信號進行產生,處理和下載,再通過示波器對信號數字化,最后由GPIB總線將信號返回給計算機,通過Matlab進行小波分析實現故障信號的診斷和定位。

2 故障信號產生、采集和分析方案

方案如圖(1)所示

2.1 GPIB

GPIB(General Purpose Interface Bus)被稱為通用接口總線,是一個24腳的通用并行總線,包括8條數據線,5條控制線,3條握手線和8條地線。GPIB使用8位并列,字節串行異步通訊方式,數據一般采用ACSⅡ碼字符串方式傳送,可連接15個或更多的設備進行通信,采用IEEE488標準[2]。

GPIB一般設有控者、講者和聽者三種角色,控者用來控制總線,保證通信的暢通和準確。講者用來產生發送數據,而聽者則負責接受數據。同一個設備可以在不同時刻作為不同的角色存在。在這里GPIB卡被設置成控者,當計算機與任意波形發生器AFG310通信時計算機被設置成講者,AFG310被設置成聽者。但是當計算機與示波器TDS210通信時計算機被設置成聽者,TDS210被設置成講者。

2.2 任意函數信號發生器AFG310(Arbitrary Function Generator AFG310)

Sony Tektronix AFG310是同時具有任意波形編輯功能和標準波形發生器功能的便攜式函數信號發生器[4],支持正弦波,方波,三角波,鋸齒波,脈沖,直流和噪聲7種標準函數波形,最大輸出頻率16MHz,50Ω阻抗浮點輸出,具有4個用戶波形儲存器,20個設置存儲器,可選擇連續、觸發和脈沖三種操作模式,擁有掃頻函數,頻率調制(FM),頻移鍵控(FSK)和幅度調制(AM)4種調制函數,并配備有標準GPIB接口,支持三個GPIB構建設置:說/聽,聯接DOS和脫離總線,通過GPIB接口可以實現計算機的遠程控制[3]。

2.3 Wavewriter

wavewriter是和Sony Tektronix AFG310配套的隨機軟件,具有強大的信號產生和編輯功能。Wavewriter界面如圖(2)所示。

在Wavewriter中,通過Create選項下的相關子菜單下可以直接調用正弦波,三角波,沖擊函數和方波四種基本數學函數信號,并可在軟件中根據需要設置和修改函數信號的頻率、幅度、占空比,直流分量等相關參數,也可以直接書寫數學函數表達式,再通過Wavewriter生成與所寫表達式相對應的函數信號,Wavewriter支持對數,指數,絕對值,random,正弦余弦正切余切,正割余割,雙曲等基本數學函數。由replace選項可以隨時修改現有波形的屬性。通過SigProc選項下相關子菜單可以在函數信號之間進行加減乘除等基本數學運算,從而生成更加復雜的函數信號。當函數信號特別復雜甚至不可以用基本數學函數表示時,還可以通過Draw選項下的相關子菜單進行手工繪制。通過Edit選項下相關的子菜單能夠完成對已有任意函數信號的基本編輯,包括剪切、復制、粘貼、刪除和在任意位置插入等。圖(2)中的兩根豎線為marker,用于選擇和定位,Wavewriter可以專門對任意函數信號在marker內的部分進行單獨編輯而不影響marker外的部分,再結合Wavewriter的局部放大功能就能夠對任意函數信號進行非常細致的局部觀察和處理。

總之,在Wavewriter上進行一些基本操作就可以很方便的得到所需要的信號,再利用Transfer下的send選項就可以通過GPIB進行信號的下載。

3 GPIB的地址設置

系統連接需要在各個儀器和程序中分配GPIB地址。一個地址只能歸一個設備所使用。GPIB的地址設置范圍為0-30,其中規定控者的地址為0,其它的地址可以任意分配給聽者和講者,按以下步驟對各儀器分配GPIB地址:

首先在Sony Tektronix AFG310上設置GPIB地址,按SYSTEM鈕選擇系統菜單,在液晶顯示器的第二行顯示系統菜單項和數值或該項的選擇,將GPIB ADDRESS設為所需要的地址(比如為1),GPIB CONFIG下選擇T/L,將AFG310設置為T/L狀態,即將AFG310與其它設備的操作方式設為說/聽。

接著對Tektronix TDS210設置GPIB地址,按UTILITY鍵,在屏幕右側找到“選件”,按對應的鍵,找到“GPIB設置”并按對應鍵,在“地址”中輸入地址,并將“總線連接”設置為“講--聽”。

最后在計算機上設置GPIB卡地址,運行GPIB軟件CBCONF32,選擇GPIB0 Board Options,設置第三項為PCI-GPIB,設置GPIB地址為0,第二GPIB地址設為NONE。這樣GPIB卡就被設置成為了控者。

4 數據采集與分析

通過Wavewriter產生所需要的信號,單擊Wavewriter系統菜單中的Transfer,選擇send,通過GPIB將該信號的數據下載并保存到AFG310中,再通過示波器對函數信號進行數字化,最后我們再次利用GPIB,將任意函數信號從示波器傳輸到計算機中,通過Matlab軟件對信號進行接收。進而借助Matlab的強大分析處理能力對數據進行分析和處理?；贗EEE488.2標準,Matlab中的 Instrument Control Toolbox提供了對GPIB總線的支持,支持二進制和文本(ASCII)數據,利用該工具箱的gpib等相關函數可以建立GPIB對象,通過對GPIB對象的讀寫操作實現Matlab與GPIB設備之間的數據交換。如圖(3)所示是通過Matlab采集的故障信號。

當信號比較復雜是多個頻率信號的疊加時,單單依靠時域圖像是很難判斷是否出現了故障,這時可以將信號進行多尺度分解,在不同的頻率級上進行觀察判斷。我們采用了小波分析的方法。小波分析具有多分辨率分析的特點,是一種時間窗和頻率窗都可改變的時頻局部化分析方法,對信號有自適應性,被廣泛用于信號處理和故障診斷和監控等領域。所以我們利用小波分解將信號進行分解和重構來進行故障信號診斷和定位[4]。

故障信號診斷與定位是一個檢測突變點(或不連續點)的問題,首先對信號進行多尺度分析,在信號出現突變時,其小波變換后的系數具有模量極大值,因而可以通過對模量極大值點的檢測來確定故障發生的時間點,實現定位。

我們使用matlab中的wavedec函數對該信號進行db3小波的6尺度分解,分別提取第六層從低頻到高頻7個頻率成份對應的小波分解系數,然后使用wrcoef函數對一維小波分解系數進行單支重構,得到各頻帶范圍內的信號,結果如圖(4)所示。

從圖(4)中的小波分解的層系數可以明顯看出,在t=500之前的某時刻系統出現了異常情況,在t=1000之前某時刻,系統工作又恢復了正常。具體時間通過實際數據得到?？梢钥闯鲂〔ǚ治鲈跈z測信號突變點(奇異點)上具有傅立葉變換無法比擬的優越性,利用小波分析可以精確地實現故障信號的診斷和定位。

5 結語

通過利用GPIB,實現軟硬件結合,可以完成對故障信號的診斷和定位,具有一定的應用價值和背景,可以更好地適應實際應用和平常教學科研的需要。從依靠Wavewriter產生任意函數信號到GPIB下載和傳輸再到Matlab進行故障信號診斷與定位,沒有經過任何中間環節,全部都是自動化實現,實現了一種自動化和智能化相結合的動態系統故障信號診斷與定位。

[參考文獻]

[1] 羅德揚.GPIB接口通用總線初探——用微機擴充現有設備功能的嘗試,昆明理工大學學報,1996年21卷第4期115-121頁.

[2] 陳溯.用GPIB接口編程控制泰克數字示波器,微電子學與計算機,1998年第5期,17-19頁.

[3] 泰克電子(中國)有限公司產品資料.

[4] 胡昌華.基于MATLAB的系統分析與設計——小波分析西安電子科技大學出版社.

[項目資助]

本文使用的儀器受世行貸款項目資助.