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來(lái)源：DigiKey 作者：Art Pini 機電系統將電機、壓縮機、泵、傳感器、執行器和控制電子裝置等設備的電氣和機械組件組合在一起，廣泛用于制造、航空航天、汽車(chē)、醫療和機器人等領(lǐng)域。這些設備必須進(jìn)行電氣和機械試驗和監控，才能確保正常運行。 為了獲得準確可靠的數據，所使用的必要設備必須與受試設備和試驗方法或程序兼容。試驗設備必須能處理多個(gè)模擬和數字輸入/輸出 (I/O) 通道，以對這些設備進(jìn)行測量和控制，同時(shí)還要配套像計數器/定時(shí)器和電源這樣的基本測量?jì)x器。試驗儀器必須與集成軟件配合使用，才能提供測量、實(shí)時(shí)顯示和詳細報告。 選擇和整合執行這些試驗所必需的硬件和軟件既費時(shí)又費錢(qián)。為了幫助設計人員，我們開(kāi)發(fā)了模塊化 USB 數據采集儀器，這些儀器結合了最先進(jìn)的技術(shù)和廣泛的軟件試驗工具，可對最復雜的機電系統進(jìn)行驗證。 本文首先介紹機電設備試驗設計人員所面臨的挑戰，然后介紹 NI 的 mioDAQ 儀器，并展示如何將其用于簡(jiǎn)化標準機電試驗，以加快開(kāi)發(fā)和部署。 機電試驗 我們先看看一個(gè)簡(jiǎn)單的電機試驗臺，它包括安裝在試驗夾具上的電機，電機與懸掛在兩個(gè)軸承座之間的負載相連（圖 1）。試驗臺由電機控制器控制，該控制器會(huì )根據電壓控制電機的速度。該裝置使用一個(gè)光學(xué)轉速計來(lái)測量電機的轉速，并使用三個(gè)加速計測量?jì)容S承座上 X、Y 和 Z 方向的機械振動(dòng)。 
圖 1：圖中所示為電機振動(dòng)試驗臺，它使用光學(xué)轉速計測量電機的轉速，并使用加速計沿內軸承座的三個(gè)正交軸測量與電機相關(guān)的振動(dòng)。（圖片來(lái)源：NI） 試驗臺的目標是確定振動(dòng)峰值和發(fā)生振動(dòng)時(shí)的轉速。試驗程序涉及線(xiàn)性改變電機速度，同時(shí)監測振動(dòng)水平并記錄兩者。 進(jìn)行這項試驗需要各種儀器。首先，需要模擬測量通道來(lái)監控和記錄三個(gè)加速計的輸出。另一個(gè)模擬通道必須監控轉速計，以測量電機的轉速�？刂齐姍C速度需要模擬輸出電壓。數字信號輸出提醒電機控制器開(kāi)啟或關(guān)閉電機。另一個(gè)數字信號輸出可用于選擇電機的旋轉方向。 因此，最簡(jiǎn)單的電機試驗至少需要四個(gè)模擬輸入、一個(gè)模擬輸出和兩個(gè)數字輸出。較復雜的試驗可能會(huì )增加另外的振動(dòng)傳感器、溫度傳感器（如熱電偶）和壓力傳感器等。 數據采集系統 機電試驗需要一個(gè)數據采集系統 (DAQ)，其中包括用于測量和控制的 DAQ 設備、計算機和支持軟件。NI USB-6400 系列是 NI mioDAQ USB 數據采集設備，為用戶(hù)提供四種 USB DAQ 設備選擇，可以滿(mǎn)足這一需求（圖 2）。
圖 2：本表匯總了 mioDAQ USB-6400 系列中四種設備的特征。（圖片來(lái)源：NI） mioDAQ 系列為試驗工程師提供了四種 DAQ 設備配置選擇： · 16 或 20 位振幅分辨率，最大滿(mǎn)量程輸入為 ±10 伏特 · 250 千次采樣/秒 (kS/s) 多路復用采樣率或 1 兆次采樣/秒（MS/s）采樣率 · 輸入通道按 16 或 32 個(gè)單端 (SE) 或 8 或 16 個(gè)差分 (DI) 通道排列 · 兩個(gè)或四個(gè)輸出通道，電壓范圍為 ±10，用于控制、模擬或信號生成 所有型號均由 USB-C 端口控制和供電，包括 16 條數字 I/O 線(xiàn)路和 4 個(gè) 32 位計數器/定時(shí)器。它們還使用 100 兆赫 (MHz) 板載時(shí)基，驅動(dòng)所有數字電路，包括采樣時(shí)鐘、觸發(fā)器線(xiàn)路和計數器/定時(shí)器。每種通道類(lèi)型都有一個(gè)基于板載時(shí)基的獨立定時(shí)引擎。模擬輸入和輸出通道以及數字 I/O 線(xiàn)路的定時(shí)可設置為不同的速率。NI mioDAQ USB 設備還包括通過(guò)控制軟件進(jìn)行的自校準功能，可啟動(dòng)自校準并使用多變量校準方程補償環(huán)境和系統變化，從而實(shí)現快速校準，且不會(huì )出現明顯的處理延遲。生成的數據存儲在機載 EEPROM 中。 mioDAQ 設備的另一項功能是智能 ID 引腳，可為試驗臺添加智能。智能 ID 引腳與用戶(hù)提供的單線(xiàn) EEPROM 通信，以讀取受試設備 (DUT) 的信息，并確保電纜插入正確的端口。該引腳節省了試驗臺安裝時(shí)間并減少了誤差。 具體數據采集設備有四種型號可供選擇。USB-6421 (789887-01) 是最經(jīng)濟的設備。它使用單個(gè)多路復用模數轉換器 (ADC) 提供 16 個(gè) SE 或 8 個(gè) DI 通道，采樣率最高 250 kS/s，并包括兩個(gè)模擬輸出通道。 USB-6423 (789882-01) 將多路復用通道數量增加一倍，達到 32 SE 或 16 DI，并將模擬輸出能力增加到 4 個(gè)通道。 USB-6451 (789888-01) 將 ADC 數量增加到 8 個(gè)。它還將 ADC 分辨率提高到 20 位，最大采樣率提高到 1 MS/s。它提供 8 個(gè)同步采樣通道，在多路復用模式下最多可達 16 個(gè)通道。 USB-6453 (789884-01) 提供了最重要的功能；它將 20 位 1 MS/s ADC 的數量增加了一倍，達到 16 個(gè)，并將同步采樣的最大通道數增加到 16 個(gè)，在多路復用采樣模式下可增加到 32 個(gè)。 所有四種型號都安裝在一個(gè)寬 177 mm、高 30.4 mm、深 116.7 mm 的機箱內（圖 3）。
圖 3：所示為 USB-6400 系列中的 USB-6453（左）及其前面板（右上）和后面板（右下）全貌。（圖片來(lái)源：NI） 通過(guò)前面板可以連接所有模擬和數字信號。連接時(shí)使用兩個(gè) 36 位前端安裝彈簧端子連接器，接受 #26 AWG 至 #16 AWG 電線(xiàn)。彈簧端子連接器配套提供消除應力的底殼。內置冷端補償 (CJC) ，用于熱電偶測量。 mioDAQ 設備包裝內含背面和側面的拉鏈安裝孔以及背面的 USB 鎖定螺絲，用于快速固定電纜和集成儀器。提供可選安裝套件，可用于將設備固定在 19 英寸機架或 DIN 導軌上，水平或垂直方向均可。 mioDAQ 使用二維碼，說(shuō)明文檔隨掃即查，永不丟失。用戶(hù)掃描模塊背面的二維碼，可快速訪(fǎng)問(wèn)用戶(hù)手冊、規格、引腳分布以及下載控制和分析軟件及驅動(dòng)程序的鏈接。 通道規格 最多可提供 32 個(gè)模擬輸入通道，最大滿(mǎn)量程范圍為 -10 V 至 +10 V，分辨率為 16 位或 20 位，最大采樣率為 250 kS/s 或 1 MS/s（取決于型號）。較低的 -0.2 V 至 +0.2 V、-1 V 至 +1 V 和 -5 V 至 +5 V 范圍可將輸入信號與輸入范圍相匹配，以?xún)?yōu)化動(dòng)態(tài)范圍。 模擬輸出的電壓范圍為 -10 V 至 +10 V，每個(gè)通道的時(shí)鐘頻率為 200 kS/s。它們可以產(chǎn)生非周期性或周期性波形，以生成模擬控制信號或模擬傳感器。 數字 I/O 線(xiàn)路可獨立設置為輸入或輸出。它們可通過(guò) 5、3.3 或 2.5 伏的邏輯電壓閾值進(jìn)行編程，并可將外部時(shí)鐘或觸發(fā)信號輸入設備或驅動(dòng)內部計數器/定時(shí)器。 DAQ 軟件 mioDAQ 設備可使用多種軟件工具進(jìn)行控制，包括 NI 的 LabVIEW、LabVIEW+、Python 和 NI 的 FlexLogger 記錄軟件。NI 的 NI-DAQmx 驅動(dòng)程序支持使用 C/C++、C#、VB 6.0 和 VB.NET 進(jìn)行自定義編程，并包含用于 DAQ 操作的編程示例和庫函數。 FlexLogger 是一個(gè)免代碼軟件工具，可讓試驗工程師控制、查看和保存來(lái)自 DAQ 設備的試驗數據。它允許對測量值設置限值，同時(shí)對超出范圍的情況發(fā)出警報，并允許使用內置處理工具對試驗數據進(jìn)行詳細分析。免費的 FlexLogger Lite 用于手動(dòng)數據記錄和 NI DAQ 硬件設備的基本操作。如圖 4 所示為 USB-6421 的通道設置示例。
圖 4：所示為 USB-6421 的 FlexLogger Lite 通道設置視圖，包括模擬輸入、模擬輸出和數字 I/O 設置。（圖片來(lái)源：Art Pini） 模擬輸入通道可配置來(lái)讀取三軸振動(dòng)數據以及壓力、溫度和聲級測量值。每個(gè)輸入都按比例縮放，以便按照測量結果適合的單位讀取信號。模擬輸出可產(chǎn)生 5 伏和 3.3 伏功率電平，數字 I/O 可讀取兩個(gè)數字輸入。 FlexLogger 是一個(gè)功能更全面的程序，用于自動(dòng)試驗和擴展數據分析。它允許通過(guò)添加圖表、數字指示器和量表來(lái)定制用戶(hù)界面可視化工具。圖 5 顯示的是電機（見(jiàn)插圖）試驗的數據。
圖 5：所示為電機試驗結果的 FlexLogger 視圖。（圖片來(lái)源：NI） 上部格線(xiàn)中顯示的是三個(gè)加速計和一個(gè)轉速計的波形。加速度數據是相對時(shí)間的標定振動(dòng)水平，單位為 g。右下角刻度盤(pán)中顯示的是轉速計讀數，以每分鐘轉數 (RPM) 為轉速測量單位。在下部圖表中，顯示的是振動(dòng)水平與頻率的關(guān)系，并對振動(dòng)數據進(jìn)行了快速傅立葉變換 (FFT)（提供的一個(gè)信號處理工具可用來(lái)進(jìn)行這種變換處理）。 結語(yǔ) NI mioDAQ 設備融合了現代的測量技術(shù)和簡(jiǎn)便的用戶(hù)體驗。試驗工程師可以使用 mioDAQ 設備并配套像 NI FlexLogger 這樣的免編程軟件或如 NI LabVIEW 之類(lèi)屢獲殊榮的系統軟件，構建復雜的機電試驗系統，以滿(mǎn)足較復雜的試驗要求。 |
