高 健 鄧 崢 張保平 戴路紅 陳毅煌

[摘 要]本文利用AFG310任意函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的隨機(jī)軟件Wavewriter編寫模擬故障信號(hào),由GPIB下載到AFG310任意函數(shù)信號(hào)發(fā)生器中,接著依靠Sony Tektronix TDS210存儲(chǔ)式數(shù)字示波器對(duì)信號(hào)數(shù)字化,再憑借GPIB總線由計(jì)算機(jī)在Matlab環(huán)境下完成采集、調(diào)制函數(shù)信號(hào),最后用Matlab對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行小波分析,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)故障信號(hào)的自動(dòng)診斷與定位。

[關(guān)鍵詞]可編程波形發(fā)生器 Wave writer GPIB 小波分析

[中圖分類號(hào)]TN[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]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(shè)備和計(jì)算機(jī)聯(lián)系起來(lái),形成大規(guī)模系統(tǒng),被廣泛用于自動(dòng)測(cè)量和智能控制等多個(gè)方面。自80年代以來(lái)推出的各種新型電子測(cè)量?jī)x器,都幾乎無(wú)一例外的配備了GPIB接口,提供了對(duì)其進(jìn)行編程控制和組成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的可能性[1]。

我校受世行貸款項(xiàng)目資助引進(jìn)了如任意函數(shù)信號(hào)發(fā)生器Sony Tektronix AFG310,示波器TDS210,GPIB卡等一批用于教研的先進(jìn)儀器,但在教學(xué)和科研活動(dòng)中對(duì)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(dòng)化測(cè)量的思想基礎(chǔ)上提出了以下方案來(lái)實(shí)現(xiàn)基于GPIB的故障信號(hào)診斷與定位,作為任意波形發(fā)生器AFG310功能拓展的一個(gè)例子。首先通過(guò)GPIB實(shí)現(xiàn)Sony Tektronix AFG310和計(jì)算機(jī)的互聯(lián),由隨機(jī)軟件Wavewriter在計(jì)算機(jī)上對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行產(chǎn)生,處理和下載,再通過(guò)示波器對(duì)信號(hào)數(shù)字化,最后由GPIB總線將信號(hào)返回給計(jì)算機(jī),通過(guò)Matlab進(jìn)行小波分析實(shí)現(xiàn)故障信號(hào)的診斷和定位。

2 故障信號(hào)產(chǎn)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(gè)24腳的通用并行總線,包括8條數(shù)據(jù)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(jié)串行異步通訊方式,數(shù)據(jù)一般采用ACSⅡ碼字符串方式傳送,可連接15個(gè)或更多的設(shè)備進(jìn)行通信,采用IEEE488標(biāo)準(zhǔn)[2]。

GPIB一般設(shè)有控者、講者和聽者三種角色,控者用來(lái)控制總線,保證通信的暢通和準(zhǔn)確。講者用來(lái)產(chǎn)生發(fā)送數(shù)據(jù),而聽者則負(fù)責(zé)接受數(shù)據(jù)。同一個(gè)設(shè)備可以在不同時(shí)刻作為不同的角色存在。在這里GPIB卡被設(shè)置成控者,當(dāng)計(jì)算機(jī)與任意波形發(fā)生器AFG310通信時(shí)計(jì)算機(jī)被設(shè)置成講者,AFG310被設(shè)置成聽者。但是當(dāng)計(jì)算機(jī)與示波器TDS210通信時(shí)計(jì)算機(jī)被設(shè)置成聽者,TDS210被設(shè)置成講者。

2.2 任意函數(shù)信號(hào)發(fā)生器AFG310(Arbitrary Function Generator AFG310)

Sony Tektronix AFG310是同時(shí)具有任意波形編輯功能和標(biāo)準(zhǔn)波形發(fā)生器功能的便攜式函數(shù)信號(hào)發(fā)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(biāo)準(zhǔn)函數(shù)波形,最大輸出頻率16MHz,50Ω阻抗浮點(diǎn)輸出,具有4個(gè)用戶波形儲(chǔ)存器,20個(gè)設(shè)置存儲(chǔ)器,可選擇連續(xù)、觸發(fā)和脈沖三種操作模式,擁有掃頻函數(shù),頻率調(diào)制(FM),頻移鍵控(FSK)和幅度調(diào)制(AM)4種調(diào)制函數(shù),并配備有標(biāo)準(zhǔn)GPIB接口,支持三個(gè)GPIB構(gòu)建設(shè)置:說(shuō)/聽,聯(lián)接DOS和脫離總線,通過(guò)GPIB接口可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程控制[3]。

2.3 Wavewriter

wavewriter是和Sony Tektronix AFG310配套的隨機(jī)軟件,具有強(qiáng)大的信號(hào)產(chǎn)生和編輯功能。Wavewriter界面如圖(2)所示。

在Wavewriter中,通過(guò)Create選項(xiàng)下的相關(guān)子菜單下可以直接調(diào)用正弦波,三角波,沖擊函數(shù)和方波四種基本數(shù)學(xué)函數(shù)信號(hào),并可在軟件中根據(jù)需要設(shè)置和修改函數(shù)信號(hào)的頻率、幅度、占空比,直流分量等相關(guān)參數(shù),也可以直接書寫數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式,再通過(guò)Wavewriter生成與所寫表達(dá)式相對(duì)應(yīng)的函數(shù)信號(hào),Wavewriter支持對(duì)數(shù),指數(shù),絕對(duì)值,random,正弦余弦正切余切,正割余割,雙曲等基本數(shù)學(xué)函數(shù)。由replace選項(xiàng)可以隨時(shí)修改現(xiàn)有波形的屬性。通過(guò)SigProc選項(xiàng)下相關(guān)子菜單可以在函數(shù)信號(hào)之間進(jìn)行加減乘除等基本數(shù)學(xué)運(yùn)算,從而生成更加復(fù)雜的函數(shù)信號(hào)。當(dāng)函數(shù)信號(hào)特別復(fù)雜甚至不可以用基本數(shù)學(xué)函數(shù)表示時(shí),還可以通過(guò)Draw選項(xiàng)下的相關(guān)子菜單進(jìn)行手工繪制。通過(guò)Edit選項(xiàng)下相關(guān)的子菜單能夠完成對(duì)已有任意函數(shù)信號(hào)的基本編輯,包括剪切、復(fù)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(duì)任意函數(shù)信號(hào)在marker內(nèi)的部分進(jìn)行單獨(dú)編輯而不影響marker外的部分,再結(jié)合Wavewriter的局部放大功能就能夠?qū)θ我夂瘮?shù)信號(hào)進(jìn)行非常細(xì)致的局部觀察和處理。

總之,在Wavewriter上進(jìn)行一些基本操作就可以很方便的得到所需要的信號(hào),再利用Transfer下的send選項(xiàng)就可以通過(guò)GPIB進(jìn)行信號(hào)的下載。

3 GPIB的地址設(shè)置

系統(tǒng)連接需要在各個(gè)儀器和程序中分配GPIB地址。一個(gè)地址只能歸一個(gè)設(shè)備所使用。GPIB的地址設(shè)置范圍為0-30,其中規(guī)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(duì)各儀器分配GPIB地址:

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

接著對(duì)Tektronix TDS210設(shè)置GPIB地址,按UTILITY鍵,在屏幕右側(cè)找到“選件”,按對(duì)應(yīng)的鍵,找到“GPIB設(shè)置”并按對(duì)應(yīng)鍵,在“地址”中輸入地址,并將“總線連接”設(shè)置為“講--聽”。

最后在計(jì)算機(jī)上設(shè)置GPIB卡地址,運(yùn)行GPIB軟件CBCONF32,選擇GPIB0 Board Options,設(shè)置第三項(xiàng)為PCI-GPIB,設(shè)置GPIB地址為0,第二GPIB地址設(shè)為NONE。這樣GPIB卡就被設(shè)置成為了控者。

4 數(shù)據(jù)采集與分析

通過(guò)Wavewriter產(chǎn)生所需要的信號(hào),單擊Wavewriter系統(tǒng)菜單中的Transfer,選擇send,通過(guò)GPIB將該信號(hào)的數(shù)據(jù)下載并保存到AFG310中,再通過(guò)示波器對(duì)函數(shù)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化,最后我們?cè)俅卫肎PIB,將任意函數(shù)信號(hào)從示波器傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中,通過(guò)Matlab軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收。進(jìn)而借助Matlab的強(qiáng)大分析處理能力對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理?；贗EEE488.2標(biāo)準(zhǔn),Matlab中的 Instrument Control Toolbox提供了對(duì)GPIB總線的支持,支持二進(jìn)制和文本(ASCII)數(shù)據(jù),利用該工具箱的gpib等相關(guān)函數(shù)可以建立GPIB對(duì)象,通過(guò)對(duì)GPIB對(duì)象的讀寫操作實(shí)現(xiàn)Matlab與GPIB設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。如圖(3)所示是通過(guò)Matlab采集的故障信號(hào)。

當(dāng)信號(hào)比較復(fù)雜是多個(gè)頻率信號(hào)的疊加時(shí),單單依靠時(shí)域圖像是很難判斷是否出現(xiàn)了故障,這時(shí)可以將信號(hào)進(jìn)行多尺度分解,在不同的頻率級(jí)上進(jìn)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(diǎn),是一種時(shí)間窗和頻率窗都可改變的時(shí)頻局部化分析方法,對(duì)信號(hào)有自適應(yīng)性,被廣泛用于信號(hào)處理和故障診斷和監(jiān)控等領(lǐng)域。所以我們利用小波分解將信號(hào)進(jìn)行分解和重構(gòu)來(lái)進(jìn)行故障信號(hào)診斷和定位[4]。

故障信號(hào)診斷與定位是一個(gè)檢測(cè)突變點(diǎn)(或不連續(xù)點(diǎn))的問(wèn)題,首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行多尺度分析,在信號(hào)出現(xiàn)突變時(shí),其小波變換后的系數(shù)具有模量極大值,因而可以通過(guò)對(duì)模量極大值點(diǎn)的檢測(cè)來(lái)確定故障發(fā)生的時(shí)間點(diǎn),實(shí)現(xiàn)定位。

我們使用matlab中的wavedec函數(shù)對(duì)該信號(hào)進(jìn)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(gè)頻率成份對(duì)應(yīng)的小波分解系數(shù),然后使用wrcoef函數(shù)對(duì)一維小波分解系數(shù)進(jìn)行單支重構(gòu),得到各頻帶范圍內(nèi)的信號(hào),結(jié)果如圖(4)所示。

從圖(4)中的小波分解的層系數(shù)可以明顯看出,在t=500之前的某時(shí)刻系統(tǒng)出現(xiàn)了異常情況,在t=1000之前某時(shí)刻,系統(tǒng)工作又恢復(fù)了正常。具體時(shí)間通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)得到。可以看出小波分析在檢測(cè)信號(hào)突變點(diǎn)(奇異點(diǎn))上具有傅立葉變換無(wú)法比擬的優(yōu)越性,利用小波分析可以精確地實(shí)現(xiàn)故障信號(hào)的診斷和定位。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)利用GPIB,實(shí)現(xiàn)軟硬件結(jié)合,可以完成對(duì)故障信號(hào)的診斷和定位,具有一定的應(yīng)用價(jià)值和背景,可以更好地適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用和平常教學(xué)科研的需要。從依靠Wavewriter產(chǎn)生任意函數(shù)信號(hào)到GPIB下載和傳輸再到Matlab進(jìn)行故障信號(hào)診斷與定位,沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何中間環(huán)節(jié),全部都是自動(dòng)化實(shí)現(xiàn),實(shí)現(xiàn)了一種自動(dòng)化和智能化相結(jié)合的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)故障信號(hào)診斷與定位。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 羅德?lián)P.GPIB接口通用總線初探——用微機(jī)擴(kuò)充現(xiàn)有設(shè)備功能的嘗試,昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào),1996年21卷第4期115-121頁(yè).

[2] 陳溯.用GPIB接口編程控制泰克數(shù)字示波器,微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),1998年第5期,17-19頁(yè).

[3] 泰克電子(中國(guó))有限公司產(chǎn)品資料.

[4] 胡昌華.基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)——小波分析西安電子科技大學(xué)出版社.

[項(xiàng)目資助]

本文使用的儀器受世行貸款項(xiàng)目資助.