作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-11-08

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、醫療和機器人等領域。這些設備必須進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模擬和數字輸入/輸出 (I/O) 通道，以對這些設備進行測量和控制，同時還要配套像計數器/定時器和電源這樣的基本測量儀器。試驗儀器必須與集成軟件配合使用，才能提供測量、實時顯示和詳細報告。

選擇和整合執行這些試驗所必需的硬件和軟件既費時又費錢。為了幫助設計人員，我們開發了模塊化 USB 數據采集儀器，這些儀器結合了最先進的技術和廣泛的軟件試驗工具，可對最復雜的機電系統進行驗證。

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化標準機電試驗，以加快開發和部署。

機電試驗

我們先看看一個簡單的電機試驗臺，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，該控制器會根據電壓控制電機的速度。該裝置使用一個光學轉速計來測量電機的轉速，并使用三個加速計測量內軸承座上 X、Y 和 Z 方向的機械振動。

圖 1：圖中所示為電機振動試驗臺，它使用光學轉速計測量電機的轉速，并使用加速計沿內軸承座的三個正交軸測量與電機相關的振動。（圖片來源：NI）

試驗臺的目標是確定振動峰值和發生振動時的轉速。試驗程序涉及線性改變電機速度，同時監測振動水平并記錄兩者。

進行這項試驗需要各種儀器。首先，需要模擬測量通道來監控和記錄三個加速計的輸出。另一個模擬通道必須監控轉速計，以測量電機的轉速。控制電機速度需要模擬輸出電壓。數字信號輸出提醒電機控制器開啟或關閉電機。另一個數字信號輸出可用于選擇電機的旋轉方向。

因此，最簡單的電機試驗至少需要四個模擬輸入、一個模擬輸出和兩個數字輸出。較復雜的試驗可能會增加另外的振動傳感器、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，為用戶提供四種 USB DAQ 設備選擇，可以滿足這一需求（圖 2）。

| | MIODAQ 型號 | USB-6421 | USB-6423 | USB-6451 | USB-6453 |
| --------------------------- | ---------------------- | ---------------------- | ----------------------- | ------------------------ |
| 零件編號 | 789887-01 | 789882-01 | 789888-01 | 789884-01 |
| 模擬輸入通道（單端/差分） | 16/8 | 32/16 | 16/8 | 32/16 |
| 最大采樣率 | 250 kS/s（1 個通道） | 250 kS/s（1 個通道） | 1 MS/s/ch（8 個通道） | 1 MS/s/ch（16 個通道） |
| ADC 數量 | 1 | 1 | 8 | 16 |
| 同步* | 否 | 否 | 是 | 是 |
| 分辨率 | 16 位 | 16 位 | 20 位 | 20 位 |
| 模擬輸出通道 | 2 | 4 | 2 | 4 |
| 數字輸入/輸出通道 | 16 | 16 | 16 | 16 |
| 計數器 | 4 | 4 | 4 | 4 |

圖 2：本表匯總了 mioDAQ USB-6400 系列中四種設備的特征。（圖片來源：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 個單端 (SE) 或 8 或 16 個差分 (DI) 通道排列
• 兩個或四個輸出通道，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 線路和 4 個 32 位計數器/定時器。它們還使用 100 兆赫 (MHz) 板載時基，驅動所有數字電路，包括采樣時鐘、觸發器線路和計數器/定時器。每種通道類型都有一個基于板載時基的獨立定時引擎。模擬輸入和輸出通道以及數字 I/O 線路的定時可設置為不同的速率。NI mioDAQ USB 設備還包括通過控制軟件進行的自校準功能，可啟動自校準并使用多變量校準方程補償環境和系統變化，從而實現快速校準，且不會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 引腳與用戶提供的單線 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) 是最經濟的設備。它使用單個多路復用模數轉換器 (ADC) 提供 16 個 SE 或 8 個 DI 通道，采樣率最高 250 kS/s，并包括兩個模擬輸出通道。

[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 個通道。

[USB-6451] (789888-01) 將 ADC 數量增加到 8 個。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 個同步采樣通道，在多路復用模式下最多可達 16 個通道。

[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，并將同步采樣的最大通道數增加到 16 個，在多路復用采樣模式下可增加到 32 個。

所有四種型號都安裝在一個寬 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。（圖片來源：NI）

通過前面板可以連接所有模擬和數字信號。連接時使用兩個 36 位前端安裝彈簧端子連接器，接受 #26 AWG 至 #16 AWG 電線。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，說明文檔隨掃即查，永不丟失。用戶掃描模塊背面的二維碼，可快速訪問用戶手冊、規格、引腳分布以及下載控制和分析軟件及驅動程序的鏈接。

通道規格

最多可提供 32 個模擬輸入通道，最大滿量程范圍為 -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，以優化動態范圍。

模擬輸出的電壓范圍為 -10 V 至 +10 V，每個通道的時鐘頻率為 200 kS/s。它們可以產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 線路可獨立設置為輸入或輸出。它們可通過 5、3.3 或 2.5 伏的邏輯電壓閾值進行編程，并可將外部時鐘或觸發信號輸入設備或驅動內部計數器/定時器。

DAQ 軟件

mioDAQ 設備可使用多種軟件工具進行控制，包括 NI 的 LabVIEW、LabVIEW+、Python 和 NI 的 [FlexLogger] 記錄軟件。NI 的 [NI-DAQmx] 驅動程序支持使用 C/C++、C#、VB 6.0 和 VB.NET 進行自定義編程，并包含用于 DAQ 操作的編程示例和庫函數。

FlexLogger 是一個免代碼軟件工具，可讓試驗工程師控制、查看和保存來自 DAQ 設備的試驗數據。它允許對測量值設置限值，同時對超出范圍的情況發出警報，并允許使用內置處理工具對試驗數據進行詳細分析。免費的 FlexLogger Lite 用于手動數據記錄和 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。（圖片來源：Art Pini）

模擬輸入通道可配置來讀取三軸振動數據以及壓力、溫度和聲級測量值。每個輸入都按比例縮放，以便按照測量結果適合的單位讀取信號。模擬輸出可產生 5 伏和 3.3 伏功率電平，數字 I/O 可讀取兩個數字輸入。

FlexLogger 是一個功能更全面的程序，用于自動試驗和擴展數據分析。它允許通過添加圖表、數字指示器和量表來定制用戶界面可視化工具。圖 5 顯示的是電機（見插圖）試驗的數據。

圖 5：所示為電機試驗結果的 FlexLogger 視圖。（圖片來源：NI）

上部格線中顯示的是三個加速計和一個轉速計的波形。加速度數據是相對時間的標定振動水平，單位為 g。右下角刻度盤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，顯示的是振動水平與頻率的關系，并對振動數據進行了快速傅立葉變換 (FFT)（提供的一個信號處理工具可用來進行這種變換處理）。

結語

NI mioDAQ 設備融合了現代的測量技術和簡便的用戶體驗。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 之類屢獲殊榮的系統軟件，構建復雜的機電試驗系統，以滿足較復雜的試驗要求。

審核編輯 黃宇