三种数据采集卡在轴承试验测控系统中的应用

2010-04-03李靳东王义平

轴承 2010年3期

李靳东，王义平，王芳

(1.洛阳轴研科技股份有限公司试验技术开发部，河南洛阳 471039；2.洛阳拖拉机研究所有限公司，河南洛阳 471003)

随着轴承行业对轴承试验的日益重视，轴承试验设备近年来呈现出模拟性增强、试验谱复杂性增加的特点，而且要求针对轴承试验形式开发出基于Windows操作系统的测控软件以满足试验需求。其中，对于现场信号的数据采集也有不同的要求，下面主要介绍不同形式采样板卡在轴承试验设备测控系统中的应用。

1 低速多功能数据采集卡

1.1 采集卡特性

此类数据采集卡具备多功能性，板卡一般提供16路以上单端或者8路以上双端信号输入(A/D功能)；可编程指定增益为0.5～1 000；16路以上数字输出(DO)和数字输入(DI)；2路模拟输出(D/A功能)以及3个可编程的8254定时器/计数器；采用ISA总线形式[1]。

板卡提供12位或者14位数据采集，采样触发分软件触发、内部脉冲触发以及外部信号触发3种方式；板卡可提供单路100 K以上的的采样频率，自带驱动可以调用函数使用所有功能或者由使用者嵌入汇编语言访问指定寄存器使用板卡各项功能。

1.2 适用的轴承试验类型

此类板卡为一种多功能数据采集卡，除了16路的数据采集功能以外，还有D/A，DO，DI等功能，非常适合于普通轴承的寿命试验和不需要高速采样的试验环境。其中，轴承寿命试验中需要测试2～4套轴承的温度信号，轴向、径向载荷信号，设备主体以及轴承本身的振动信号等多种信号(一般在10个以上)，试验设备在信号进入板卡的前段进行了完善的滤波和接地处理，保证信号的准确性和稳定性，可以采用板卡的16路单端输入进行数据采集。如果信号间互相影响较大且前置滤波效果不佳，可以使用双端信号输入的方法，减少信号误差[2]。轴承寿命试验所需的轴向、径向载荷，可以使用板卡的2路模拟输出功能，输出一定的电压值到液压比例阀放大器，推动比例阀的阀芯，实现自动控制载荷。再配合板卡的DO功能，配置一定的驱动电路，实现轴承试验机试验工况的模拟。

通过数字输入功能，测控系统可以监视电动机及现场仪器的工作情况；由数字输出功能，系统可以在无人值守下试验，还设有自动报警装置，可自动切断所有电动机电源，保护设备安全。

12位的采样数据位可以表示的数据精度为0.02%，一般轴承试验设备的信号采集精度要求在0.2%左右，所以板卡精度完全能够满足要求。但在一些大型试验设备关键部位的信号采集精度要求较高，一般要求误差在0.05%左右[3]，此时就必须选择数据位为14位的采集卡(数据精度为0.006%)，才能满足试验的精度要求。

1.3 采集卡特点

此类采集卡仅用一块板卡即可完成从控制到采样的全部功能，价格相对低廉；使用同一类型的板卡，提高了整个工控系统的稳定性。不足之处在于板卡的采集频率较低，单通道只有100 K，全速采集下，扫描一遍16个采样通道，每通道采集1 000个数据，在主流配置的工控计算机上需要1 s以上的时间。此采样频率针对快速变化的信号(比如振动信号)，只能得到振动信号的平均值，瞬时值的信号丢失较多，不能进行更进一步的振动频谱分析。板卡采用ISA总线模式，数据采样效率较低。板卡没有缓存，无法进行高速无断点连续采集。

2 高速采样板卡

2.1 采集卡特性

此类采样板卡支持2路以上同步或者异步信号输入，同步采样频率为0.5～5 M/s，板载1 K以上缓存；提供2路12位的模拟输出，输出频率为1 M/s以上，板载2 K以上缓存；16路以上数字输出(DO)和数字输入(DI)以及2路可编程的定时/计数器[1]。

板卡提供14位或者16位的数据采集精度，采样触发源有软件触发、外部数字/模拟触发以及多板卡互联后的系统同步接口总线触发；触发的方式有前触发、后触发、中间触发以及延迟触发等；采样部分具备板载缓存，利用双缓存轮换采样处理数据方式可以达到高速连续采样。

2.2 采集卡适用的轴承试验类型

高速采样板卡适用于需要高速连续采样的轴承试验环境，如保持架动态运动轨迹的测试。试验中要求保持架的轴径方向固定4～8个位移传感器，保持架旋转一周每点要记录1 024个数据，在转速为6 000 r/min时，4～8个采样点每点都要求100 K的采样频率，并且同步连续无断点[4]。高速采样板卡的采样频率可达几兆每秒，完全能够满足指标要求，高速的采样频率结合板载缓存可保证连续不间断采样，为轴承振动的频谱分析提供精确完整的数据和判断轴承的试验效果提供数据分析基础。另外，此类板卡提供2路1 M/s的模拟输出，有2 K以上的缓存支持，还可以用于高频冲击试验。

2.3 采集卡特点

此类采集卡采用PCI总线形式，与ISA总线设备不同，ISA采集的动态指针操作是一种软件化的同步；而PCI则完全由硬件和驱动程序来完成，可保证连续数据采集的软件实现[5]。板载数K缓存可采用双缓存轮换采样处理数据方式或建立缓存队列方式来实现高速采样下的数据连续性。不足之处在于板载缓存较小，采样子线程的程序编制必须计算所有程序的开销时间，给出除采样部分外足够的处理时间，以免遗漏采样数据。采样通道较少，若需要更多通道必须级联板卡，支出增加。

3 超高速采样板卡

3.1 采集卡特性

此类板卡一般提供2路以上同步信号输入，采样频率为10 M/s以上，板载最多512 M缓存；提供12位以上的数据采集精度，部分板卡提供数字IO和定时/计数器[1]。板卡的采样工作完全由硬件完成，测控系统只需完成板卡的初始化设置，提供采样触发信号，板卡便可按照指定频率进行数据采集，采集完毕将数据放入板载缓存，测控系统软件检查采样完毕信号，将缓存内数据一次性或者分批次放入计算机内存进行数据的运算。由于采样存储都由板卡硬件完成，不需要频繁地转换缓冲区数据，减少了测试时间，保证了采样数据的完全精确。

3.2 采集卡适用的轴承试验类型

此类板卡可用于轮毂轴承轮毂单元ABS传感器的测试试验，试验中，依据要求在ABS传感器两端加入直流稳压电源，接入高精度电阻，以一定速度恒速旋转，ABS传感器感应到发号片，产生方波波峰，否则产生波谷。需要测试的参数有波峰、波谷值、占空比等，其中，波峰与波谷之间的转换时间(上升、下降时间)为微秒级，必须使用10 M以上采样频率的板卡才可以实现[6]。测试中，只需采集完整一周的数据即可，因此要根据实际转速的测试要求来选择合适的采样频率和板载缓存。