基于LabVIEW的轴系振动蓝牙采集系统设计

方军强，周凡皓，周新聪，陈　凯，赵　璇，王　雄

(武汉理工大学 a.高性能舰船技术教育部重点实验室；b.能源与动力工程学院,可靠性工程研究所，武汉 430063)

基于LabVIEW的轴系振动蓝牙采集系统设计

方军强a,b，周凡皓a,b，周新聪a,b，陈凯a,b，赵璇a,b，王雄a,b

(武汉理工大学 a.高性能舰船技术教育部重点实验室；b.能源与动力工程学院,可靠性工程研究所，武汉 430063)

摘要：针对船舶轴系振动测量过程中传感器线路复杂引起的信号互相干扰、系统维护难度大等问题，采用蓝牙的无线数据传输方式,与传统的导线式传感器的采集结果的对比分析表明，采用蓝牙技术传感器线路简单，同时具有传输数据稳定，抗干扰性强，数据同步,以及低功耗的优点。

关键词：轴系传感器；LabVIEW；蓝牙；数据传输；故障诊断

一般轴系振动测量主要在轴系的多个重要测量点安装传感器，然后通过导线把传感器采集到的数据输送到采集电路和调理电路，通过调理把信号传给PC上位机进行分析。但是轴系测量点一多，就导致线路十分复杂，影响测量，不易于排错。如果测量结果出现问题，也需要很长时间才能排除。为此，考虑采用蓝牙技术。蓝牙技术有多种优点，比如，可以即插即用，还为传感器提供一个设备连接群即形成一个微网，通过上位机可以实时监测到每个传感器的数据情况[1-2]。

1系统原理

用LabVIEW采集轴系的振动信号，用uTekl数据采集系统作为参考，实验台原理见图1。

图1　实验台原理

其中传感器1与LabVIEW的连接架构如下：加速度传感器1采集信号，把加速度信号变成电压信号，通过AD转换之后传输到蓝牙发射装置，蓝牙接受装置接收到数据后传输给LabVIEW进行数据处理，原理见图2。

图2传感器1与LabVIEW连接架构

传感器2是通过导线与uTekl采集系统相连输入电脑，为了排除其他干扰，传感器并排放在一起，这样理论上2个传感器采集的数据基本是一样的。通过比较LabVIEW采集的数据图像和uTekl采集的数据图像，来验证系统的可行性。

2系统设计

2.1采集系统硬件设计

虚拟仪器技术是以软件为核心，以PC机为主体，采集系统的硬件主要是安装在轴系支座上加速度传感器和蓝牙发射模块[3-5]。

考虑到压电式传感器具有重量轻，抗干扰强，产生电压信号不需要外界电源的优点，因此选用压电式作为测量传感器。压电式传感器的底部具有磁性，可以稳固地贴在轴承支座上。蓝牙发射模块把传感器采集的数据传输给PC上位机软件。

2.2软件设计

采用NI公司的LabVIEW软件作为开发平台，基于LabVIEW的实时测控系统性能上完全有保证[6-7]。LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engneering Workbench)是美国国家仪器公司研制的一套主要应用在控制测量领域中的，采用G语言的图形化开发环境[8-10]。

2.2.1蓝牙数据接受模块

LabVIEW包含很多模块，比如蓝牙模块和VISA模块，同时支持USB，USART，RS232等通行协议。在LabVIEW中通过使用蓝牙模块编程可以很好地实现PC上位机与轴系传感器之间的数据通信。蓝牙模块位于数据通信/协议/蓝牙模块中。只需要根据该VI的相关提示搭建程序即可。方便简单，不需要对子VI进行改写。可靠性高，易于编程，程序稳定性好，大大节省开发程序的时间。蓝牙模块中常用的有搜索蓝牙设备，创建蓝牙侦听器，等待蓝牙侦听器，搜索蓝牙RFCOM，打开蓝牙连接，读/写蓝牙数据，关闭蓝牙连接。

使用蓝牙模块进行蓝牙主机通信编程步骤：

1) 在蓝牙范围内搜索本机蓝牙设备和其他蓝牙设备。

2) 创建蓝牙服务器的服务，并返回蓝牙通道，服务器可使用该通道侦听入站连接。

3) 等待其他设备请求连接。

4) 读取或者写入需要传输的数据。

5) 断开与蓝牙设备的连接。

2.2.2信号处理模块

LabVIEW还有一个很强大的功能就是提供了和信号处理有关的大量函数VI，包括比较常用的FFT变换，谱分析，各种数字滤波器和小波变换等。程序员只需要简单地调用VI即可以实现对信号的分析与处理。

2.2.3总体程序图和前面板图

基于蓝牙的轴系振动无线采集系统程序图见图3、前面板见图4。

图3　采集系统原理

图4　采集系统前面板

首先打开蓝牙，使用循环结构接受传输过来的数据，把接收到的数据进行实时波形显示，按停止按钮后，把数据转换为功率谱进行分析。

3实验结果分析

为了证实该轴系振动信号无线采集系统的性能，以及数据的可靠性和分析的可靠性，进行实验数据采集和分析，并与uTekl采集的数据实时波形和分析波形进行比较，见图5～8。

图5　uTekl采集的波形

图6　uTekl采集分析的功率谱密度

图7　LabVIEW采集的时域波形

图8　LabVIEW处理的功率谱密度

通过LabVIEW采集的时域波形和uTekl采集的时域波形的比较，发现两者在相同的时间点振动波形轮廓一致且振幅大小基本相等。

通过LabVIEW处理的功率谱密度图像和uTekl的功率谱图像比较，发现两者在700 Hz和1 600 Hz左右都有比较大的功率能量，且图像的轮廓走势基本一致。

因此采用蓝牙技术和LabVIEW，采集的数据基本与uTekl相同，并且性能稳定，系统的抗干扰性强，传输可靠。且解决了轴系传感器与电脑间需要导线的问题。

4结论

在干扰比较大的情况下蓝牙不仅能改善传感器多而引起的线路复杂不易维护的缺点，而且能继续稳定工作。之前的研究都是针对传感器与上位机之间的有线连接，未见尝试在轴系振动测量系统中使用蓝牙的短距离无线数据通信。

在研究中仍发现以下几点不足：通过上位机能实时监测到每个传感器的数据情况，但是能够监测的传感器数量有限。蓝牙可以在10 m范围内进行短距离数据传输，超过10 m信号不稳定。

总的来说，LabVIEW编写数据采集与控制方面的程序时间短，而且设计出来的程序界面优美，如果使用VB等文本编程语言编写蓝牙通信需要大量时间，但是LabVIEW能很快地完成。此外，LabVIEW程序通俗易懂，便于维护和升级。且通过与专业的数据采集系统uTekl比较分析发现蓝牙与LabVIEW共同搭建的采集系统数据的可靠性高，具有实用价值。

参考文献

[1] 徐峰,刁节涛.蓝牙技术标准的发展与未来[J].电脑知识与技术.2010(15):4057-4059.

[2] 赵霄.基于单片机的蓝牙接口设计及数据传输的实现[D].北京:北京交通大学,2008.

[3] 陈建民,蔡淳鹏,刘彦武.基于虚拟仪器技术的海上实时自动调平系统设计[J].船海工程，2009(2):125-128.

[4] 陈远玲,李中山,黄炳琼,等.基于LabVIEW的液压实验测试台[J].流体传动与控制,2008(2):38-39.

[5] 赵志强.基于LabVIEW的多任务测控系统及数据库的应用研究[D].重庆:重庆大学,2006.

[6] 杨絮,朱一峰,于林韬.基于LabVIEW的多进制数字调制仿真[N].科技创新导报,2013-11-01(31).

[7] 于文波.基于LabVIEW的电工实验辅助教学考试系统设计与应用[J].沈阳工程学院学报(社会科学版),2011(1):122-125.

Design of Bluetooth Acquisition System for Shaft System Vibration Based on LabVIEW

FANG Jun-qianga,b, ZHOU Fan-haoa,b, ZHOU Xin-chonga,b, CHEN Kaia,b, ZHAO Xuana,b, WANG Xionga,b

(a. Key Laboratory of High Performance Ship Technology of Ministry of Education;b. Reliability Engineering Institute, School of Energy and Power Engineering,Wuhan University of Technology , Wuhan 430063, China)

Abstract:The Bluetooth wireless data transmission mode is used to measure the shafting vibration to solve the problems of signal interference and difficulty of maintenance caused by complex circuit of the shaft sensor. The comparison of the results with the acquisition results with the conventional wire sensor shows that using Bluetooth technology can not only solve the problems caused by the sensor, but also has the advantages of stable transmission, strong anti-interference and data synchronization.

Key words:shaft sensor; LabVIEW; blue-tooth; communication; fault diagnosis

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.016

收稿日期：2015-12-10

基金项目：交通运输部应用基础研究项目(2013-329-811-360)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(NO.2014-yb-018)

第一作者简介：方军强(1992—)，男，硕士生 E-mail:987059120@qq.com

中图分类号：U664.21

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)03-0070-03

修回日期：2016-01-18

研究方向:故障诊断