0 引言

方波頻率信號(hào)具有工作穩(wěn)定、精度高、抗干擾能力強(qiáng)，便于與計(jì)算機(jī)接口等一系列優(yōu)點(diǎn)， 因此在現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)中得到廣泛地應(yīng)用。但是在一些高電壓、大電流、高頻電磁場(chǎng)的工業(yè)現(xiàn) 場(chǎng)環(huán)境中，方波頻率信號(hào)也往往受到高頻電磁干擾的影響，疊加一些尖峰脈沖干擾信號(hào)。這 類(lèi)干擾具有干擾力強(qiáng)、無(wú)規(guī)律的特點(diǎn)，嚴(yán)重影響測(cè)量信號(hào)的準(zhǔn)確性。

實(shí)際應(yīng)用中，一般采用隔離技術(shù)來(lái)消除方波頻率信號(hào)中的傳導(dǎo)干擾，但當(dāng)空間的電磁輻 射干擾較為強(qiáng)烈時(shí)，單純的隔離技術(shù)難以達(dá)到有效降噪的目的。通過(guò)增加硬件脈寬數(shù)字濾波 電路可以達(dá)到抑制或消除高頻信號(hào)中的尖峰干擾，但需增加設(shè)備成本、且安裝調(diào)試繁雜。

本文采用LabVIEW 進(jìn)行伺服電機(jī)位置、速度、轉(zhuǎn)矩等信息傳送的采集，以對(duì)多軸伺服 系統(tǒng)的同步/協(xié)調(diào)性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，扭矩傳感器輸出的方波頻率信號(hào)受到嚴(yán)重尖 峰脈沖的干擾，這里將光電隔離技術(shù)與基于LabVIEW 環(huán)境編譯的計(jì)數(shù)濾波器相結(jié)合，設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)了可靠、便捷的方波頻率信號(hào)濾波，工程實(shí)踐表明，該方法能有效降低傳導(dǎo)干擾和輻射 干擾對(duì)頻率測(cè)量精度的影響。

1 計(jì)數(shù)濾波原理

計(jì)數(shù)濾波器(Counter Filters)，也稱為脈沖寬度濾波器，主要采用計(jì)數(shù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn) 數(shù)字濾波。尖峰干擾的頻率往往比方波信號(hào)要高很多，因此當(dāng)脈寬小于某一設(shè)定值時(shí)，不可 能是真實(shí)的高頻方波脈沖信號(hào)，應(yīng)給以濾除，從而抑制線路上的尖峰干擾。這也就是脈寬數(shù) 字濾波電路的工作原理。

以NI 公司M 系列PCI-6221 數(shù)據(jù)采集卡為例，其輸入信號(hào)、基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)、經(jīng)濾波后 的輸入信號(hào)的脈沖波形如圖1 所示。其使用在板的振蕩器產(chǎn)生的40MHz 頻率作為濾波器的 基準(zhǔn)時(shí)鐘，預(yù)置濾波脈寬為125 ns (N = 5)，當(dāng)原始輸入信號(hào)由低變高后，基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)開(kāi) 始被計(jì)數(shù)，當(dāng)檢測(cè)到的脈沖寬度小于125ns 時(shí)，確定為尖峰干擾，不予輸出，當(dāng)輸入信號(hào)寬 度大于預(yù)置濾波寬度時(shí)，濾波器輸出方波供后序電路處理。從圖1 可以看出，短時(shí)的脈沖干 擾得到很好的濾除。

NI 公司在M 系列測(cè)試設(shè)備對(duì)Counter Filters 功能的應(yīng)用上提供了三項(xiàng)可選濾波脈沖寬 度的選擇，相應(yīng)的配置參數(shù)見(jiàn)表1。濾波脈寬的選擇是影響計(jì)數(shù)頻率濾波器濾波效果的關(guān)鍵， 脈寬太小，部分干擾信號(hào)不能與數(shù)字信號(hào)分離;太大將會(huì)使高頻數(shù)字信號(hào)失真，所以應(yīng)用中 應(yīng)根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況，選擇適當(dāng)?shù)臑V波脈寬。

2 LabVIEW計(jì)數(shù)濾波方法

2.1 LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境

基于G 語(yǔ)言的圖形化編程環(huán)境LabVIEW 是美國(guó)NI 公司的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，它是一種 功能強(qiáng)大的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，同時(shí)也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。LabVIEW 開(kāi)發(fā)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)之一就是針對(duì)數(shù)據(jù)采集、儀器控制、信號(hào)分析和 數(shù)據(jù)處理等任務(wù)設(shè)計(jì)提供了豐富完善的功能圖標(biāo)，用戶只需直接調(diào)用，就可免去自己編寫(xiě)成 的煩瑣。

針對(duì)數(shù)字信號(hào)的采集及噪聲信號(hào)的濾波， LabVIEW 提供了一套數(shù)據(jù)采集的 NI-DAQmx VI(模板)以及多功能的屬性節(jié)點(diǎn)等模板，使得計(jì)數(shù)濾波器的軟件實(shí)現(xiàn)變得更 高效且操作簡(jiǎn)單。NI-DAQmx 即數(shù)據(jù)采集測(cè)試服務(wù)軟體，是數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)軟件發(fā)展的新一 代產(chǎn)品，可幫助用戶更快速創(chuàng)建、測(cè)試并發(fā)布使用高性能的測(cè)量應(yīng)用程序，也是NI 測(cè)量服 務(wù)軟件的核心。

2.2 LabVIEW 計(jì)數(shù)濾波器的軟件實(shí)現(xiàn)

本文所設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)濾波器就是基于LabVIEW 的虛擬儀器。該計(jì)數(shù)濾波器模板包含許多 子模板(也稱子VI)，其中主要包括以下5 個(gè)子VI:

(1) DAQmx Create Virtual Channel(CI-Frequency).vi創(chuàng)建虛擬通道函數(shù)子VI;

(2) DAQmx Channel Property Node.vi 屬性節(jié)點(diǎn)子VI;

(3) DAQmx StartTask.vi 啟動(dòng)任務(wù)函數(shù)子VI;

(4) DAQmx Read(Counter DBL 1Chan 1Samp).vi 讀取函數(shù)子VI;

(5) DAQmx Clear Task.vi 清除任務(wù)函數(shù)子VI;

后面板應(yīng)用程序搭建如圖2所示。

(1)創(chuàng)建一個(gè)虛擬頻率輸入通道和一個(gè)計(jì)數(shù)沿任務(wù);

(2)建立計(jì)數(shù)器的輸入端并在輸入端上創(chuàng)建對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波的控制程序模塊。All

Functions>>NI Measurements>>DAQmx-Date Acquisition>>Active>>Counter

Input>>Frequency>>Digital Filter>>Minimum pulse width/Enable;

(3)調(diào)用DAQmx Start Task.vi 啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集功能;

(4)通過(guò)設(shè)定的Counter DBL 1Chan 1Samp 模式在While Loop 循環(huán)中讀取波形數(shù)據(jù)直至操

作者按下停止按鈕或有錯(cuò)誤產(chǎn)生時(shí)停止;

(5)設(shè)有彈出對(duì)話框提示清除錯(cuò)誤信息及舊任務(wù)等功能。

在運(yùn)行計(jì)數(shù)濾波器LabVIEW 程序?qū)夥甯蓴_信號(hào)進(jìn)行濾波前，首先在脈沖寬度設(shè)定欄 輸入所選的預(yù)置濾波脈寬值,其次在通道設(shè)定欄輸入選定的虛擬通道號(hào)，然后按下濾波矢能 按鈕，再啟動(dòng)整個(gè)程序進(jìn)入濾波狀態(tài)。相關(guān)硬件設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，執(zhí)行濾波器程序，即可得到 基本理想的頻率波形。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

3.1測(cè)試系統(tǒng)組成

該測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用于伺服電機(jī)同步/協(xié)調(diào)控制器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與性能測(cè)試上，由載荷模擬實(shí) 驗(yàn)臺(tái)架、傳感器和數(shù)據(jù)采集卡及實(shí)時(shí)采樣監(jiān)測(cè)軟件組成。

(1)載荷模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上安裝有伺服電機(jī)、磁粉制動(dòng)器、慣量盤(pán)、傳感器等。為使測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架 工作穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、便于操作，臺(tái)架的機(jī)械結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，將一級(jí)主軸與二級(jí)主軸成 對(duì)角線平行布置，且每軸均采用同步齒形帶進(jìn)行多級(jí)傳動(dòng)。伺服電機(jī)輸出軸上安裝有扭矩傳 感器和高精度編碼器，用于扭矩和位置信號(hào)的采集。通過(guò)扭矩傳感器測(cè)量軸上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈 沖信號(hào)，輸入到數(shù)據(jù)采集卡，采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)LabVIEW 處理，如對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)器 濾波等，得出測(cè)試結(jié)果。

(2)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)內(nèi)編寫(xiě)的專(zhuān)用測(cè)試軟件，可采集位置、速度、轉(zhuǎn)矩等 系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，并保證多路數(shù)據(jù)的同步性。

3.2 扭矩信號(hào)采集

LabVIEW 計(jì)數(shù)濾波器應(yīng)用于上述系統(tǒng)中由扭矩傳感器輸出的方波信號(hào)的噪聲濾除中。 根據(jù)項(xiàng)目要求，實(shí)驗(yàn)中關(guān)鍵硬件設(shè)備選擇如下：

(1) 扭矩傳感器：選用北京三晶的JN338-A100，轉(zhuǎn)矩準(zhǔn)確度>0.5%，過(guò)載能力150%F·S， 測(cè)量范圍10-100Nm，零轉(zhuǎn)矩頻率輸出10KHz，正向轉(zhuǎn)矩滿量程頻率輸出15KHz，反向轉(zhuǎn)矩 滿量程頻率輸出5KHz。該傳感器采用兩組特殊環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)能源的輸入及轉(zhuǎn)矩信 號(hào)的輸出，能夠測(cè)量穩(wěn)態(tài)扭矩，也能測(cè)量過(guò)渡過(guò)程的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩;輸出信號(hào)以頻率形式給出。

(2) 數(shù)據(jù)采集卡：選用NI 公司M 系列多功能數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221，16 路模擬量輸入，速 率250kS/s,16bit 的分辨率;24 路數(shù)字量輸入/輸出;2 路模擬量輸出，16bit 的分辨率;32 位計(jì)數(shù)器，數(shù)字觸發(fā);附帶DAQmx 驅(qū)動(dòng)。完全滿足轉(zhuǎn)矩測(cè)量和磁粉制動(dòng)器的控制需求。

4 降噪效果驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)作過(guò)程：伺服驅(qū)動(dòng)器收到上位機(jī)指令驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，與電機(jī)軸相連的扭 矩傳感器工作，輸出5KH-15KH 脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)“光隔”后輸入數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221 進(jìn)入工業(yè)控制計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。通過(guò)在LabVIEW 中創(chuàng)建的虛擬通道對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn) 行數(shù)據(jù)采集、處理。

實(shí)驗(yàn)步驟及降噪效果：

(1) 采集未應(yīng)用計(jì)數(shù)濾波器時(shí)得到信號(hào)波形。 未應(yīng)用計(jì)數(shù)濾波器時(shí)得到的工程現(xiàn)場(chǎng)采集到的信號(hào)波形如圖3 所示，零扭矩時(shí)頻率為 10KHZ，但信號(hào)中存在很多遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出最大量程的噪聲干擾。

(2) 采集啟用計(jì)數(shù)濾波器后的信號(hào)波形并進(jìn)行對(duì)比

采用計(jì)數(shù)濾波器后，設(shè)置計(jì)時(shí)濾波器的脈沖寬度為*25us，按下濾波矢能按鈕，啟動(dòng) 濾波程序，經(jīng)過(guò)濾波器的濾波后的輸出信號(hào)如圖4 所示，信號(hào)未見(jiàn)嚴(yán)重失真，尖峰干擾被有 效濾除。

5 結(jié)論

本文針對(duì)工程測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的方波頻率信號(hào)中存在大量尖峰脈沖干擾的噪聲污染問(wèn)題， 提出了采用LabVIEW 計(jì)數(shù)濾波方法的解決方案。通過(guò)測(cè)試結(jié)果證明，該濾波器對(duì)方波信號(hào) 中的尖峰干擾成分起到了很好的濾除作用，具有很強(qiáng)的可操作性和工程應(yīng)用價(jià)值并節(jié)省硬件 資源，對(duì)采用LabVIEW 軟件進(jìn)行脈寬數(shù)字濾波的工程應(yīng)用研究作出有益補(bǔ)充。