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1、摘 要本文主要研究了地面运动目标地震动信号的模拟技术。针对三种典型战场地面运动目标（人员、车辆、坦克）引起的地震动信号，实现实验室振动台的波形再现。其主要内容分为三大部分，即上位机串行通信软件部分，振动台驱动电路部分，振动台数据采集电路部分。文中首先对地面运动目标引起的地震动信号和振动台的随机振动作了分析，分析表明振动台实验系统准确再现地震动信号须要求两个随机振动统计特性相同；接着，介绍了串行通信并实现了上位机串行通信软件的编制；结合上位机软件设计了下位机接收、数模转换控制的振动台驱动电路，并对功率放大器，振动台作了详细的分析；最后，基于振动台设计了数据采集系统，实现了采集与传输、过零点算法的
2、识别功能。关键词：地震动信号，振动台，串行通信，单片机AbstractThe simulation technology of the Seismic signals which by a target of military interest moving on the ground is mainly discussed in the article. In allusion to three types of representative moving targets, we realize the wave recurrence of vibration test instrument
3、 in the laboratory. It consists of three parts, which are serial communication software on PC, the drive circuit of vibration test instrument, the data acquisition system based on vibration instrument.In this article, the Seismic signals and the random vibration processes of vibration instrument, ha
4、s been analyzed firstly. On the base of this theory, we deduce that the vibration test instrument recur Seismic signals exactly in the laboratory, which need they have a similar statistical characteristic of random vibration. Secondly, we introduce serial communication and program serial communicati
5、on software. Base on the software, we design receive and digital to analogy circuit which drive vibration instrument, and analyze the structure and principle of power amplifier and vibration instrument in detail. Finally, we design data acquisition system based on vibration instrument, which realize
6、 data acquisition and transfers, and target identification based on zero-crossing arithmetic.Keywords: seismic signals, vibration instrument, serial communication, MCU 目 录1 绪论11.1 引言11.2地震动信号模拟振动台技术发展背景21.3 地震动信号模拟实验平台简介31.4 本文的主要工作4本章小结52 地震动信号与振动信号分析62.1 地面运动目标地震动信号62.1.1 地震波分类及其传播特性62.1.2 瑞雷波72.1
7、.3 地面运动目标地震动信号采集82.2 振动台振动信号92.2.1 随机振动信号统计特性分析92.2.2 随机振动控制112.2.3 随机振动信号采集13本章小节143 上位机的串行通信实现153.1 串行数据通信153.1.1 基本概念153.1.2串行通信接口153.1.3 串行通信协议163.2 串行通信软件实现163.2.1 串行通信软件的总体结构163.2.2 串行通信关键技术173.2.3 软件实现18本章小结：204振动台驱动电路软硬件设计214.1 系统设计概要214.1.1 系统设计流程214.1.2 系统设计描述224.2 PC机与下位机通信接口电路234.2.1 PC机
8、串行接口234.2.2 电平转换芯片244.2.3 AT89C51单片机244.2.4 AT89C51串行通信的时钟配置254.3 数模转换电路设计264.3.1 D/A转换器的选型264.3.2 AT89C51与MAX530接口电路274.3.3 信号的低通滤波284.4 系统外围电路设计304.4.1 系统电源设计304.4.2 系统时钟电路及复位电路304.5 电路板制作314.5.1 PCB设计314.5.2 电源线和地线设计324.6 系统软件设计334.6.1 串行通信部分334.6.2 D/A转换部分354.6.3 软件抗干扰部分374.6.4 下位机程序的总体设计384.7 功
9、率放大器384.8 振动台40本章小结：425. 基于振动台的数据采集系统的设计435.1 系统设计435.1.1 硬件部分435.1.2 软件算法部分445.2 测振传感器选型445.3 信号调理电路465.4 模数转换电路475.4.1 A/D转换器选型475.4.2 具有ISP功能的AT89S8252485.4.2.1 AT89S8252的结构功能485.4.2.2 ISP编程495.4.3 AT89S8252与MAX191接口设计495.4.4 AT89S8252与上位机接口515.5 数据采集系统的外围电路设计515.6 数据采集与传输的软件设计525.6.1 数字滤波部分535.6
10、.2 数据采集部分555.6.3 程序总体设计565.7 过零点识别算法575.7.1 过零点识别算法介绍585.7.2 人员、车辆信号的过零数分析585.7.3 过零识别算法实现60本章小结616. 课题前景展望626.1 引言626.2 上位机软件的改进626.3 反馈控制部分626.4 硬件部分636.5 系统扩展63本章小结63结 束 语64致 谢65参 考 文 献661 绪论1.1 引言现代战争已不是传统意义上的作战，而是高科技的、信息化的战争。传统的枪炮、飞机、坦克、军舰、导弹这些有形的“硬性”杀伤武器不能保证战争的胜利。而要在战争中取得主导地位，赢得战争的胜利，还必须掌握敌方的各
11、种情报这个软性杀伤武器。正如拿破仑所说那样，战争的胜负90取决于信息。现代战争中，敌对双方将紧紧围绕战场的“透明度”展开角逐，以此捕捉战机、创造战机和把握战机。从古到今，通过准确获取敌方军事情报而取得战争胜利的战例不胜枚举。如1942年中途岛大海战中，美军设在珍珠港的情报机构截收和破译了日军的两份电报。从而得知日军的意图，美军很快作了相应的兵力部署。结果，美军以极少代价，炸沉了日军的四艘航空母舰和一艘巡洋舰，而且击毁了日军海军航空队的332架飞机。战后，美国太平洋舰队的司令官说：“中途岛作战本质是情报的胜利。”由此可见，信息侦察在现代战争中所占据的重要地位。随着现代科学技术的不断发展，战场信息
12、侦察也正向立体化、精确化、实时化、综合化方向发展。从信息侦察技术的发展轨迹来看，冷兵器时代的情报是分散产生，数量有限，侦察手段少，战争取胜主要靠指挥员的应变能力。热兵器时代情报比较集中，数量大，精确度提高，侦察手段多，地面、海上、空中、太空各种侦察设备组成一个联动化的有机整体。早期的侦察手段局限于侦察兵和特工情报人员进行侦察搜索敌方情报，获取的信息量相对较少；现代高科技的信息侦察使用电子侦察设备和光电侦察设备，利用地面侦察站、海上侦察船、空中侦察飞机、太空侦察卫星等手段，全面详细地查明敌方军事电子装备和武器系统的部署位置、数量、类型、技术性能参数以及军队的部署与调动和军事企图等重要军事情报。若
13、使用侦察兵或特工人员则无法完成这些任务，而使用现代信息侦察手段，其侦察范围广泛，可覆盖敌方整个战区和后方，迅速获得可靠的军事情报，为作战计划和作战行动提供可靠的依据，在战争中会达到“知已知彼，百战不殆”的目的。在陆海空天四维空间侦察中，地面侦察是不可或缺的一维。这是因为地面侦察在复杂的地形物理条件下甚至是严密伪装的情况下仍能充分发挥其作用，而这正是光学侦察、无线电侦察和雷达侦察的盲区。人员、装备等在地面上运动时，必然会发出声响、引起地面震动、使红外辐射发生变化，携带武器的人员或装备还会引起电场、磁场的变化。地面传感器即可通过探测这些物理量的变化来发现与识别运动目标。本课题将围绕地面侦察技术进行
14、，把地面运动目标的地震动信号作为研究对象，在实验室中重现地面运动目标引起的地震动信号。该平台的研究，可加快地面运动目标探测识别技术的研究进程，可以在实验室通过以前采集到的数据随时模拟出运动目标的地震动信号情况，以供研究；同时在军事学科教学当中，为同学们提供了一个完整的、半实物的地面运动目标地震动的仿真实验平台，使得教学更加直观、生动。1.2地震动信号模拟振动台技术发展背景为了满足各种实验研究和教学需求，各行各业都设计了适合自己专业特色的实验仿真平台。其中用于地震动信号模拟的仿真实验平台国内外的研究机构也有一些相应的研究开发。地震动信号模拟实验平台的研究应用非常广。在地震工程、建筑工程、交通工程
15、等领域，地震动信号模拟振动台都是重要试验设备之一。在各种结构模型的抗震试验和重要设备的抗震性能考核试验中，地震动信号模拟振动台可以按照人们的需要，或者模拟地震波的再现，或者进行某种特定的振动，而被试验的结构和设备的反应，经相似换算后，可以作为原型在真实地震下的反应。自1966年日本建成世界上第一台正弦波振动台以来，经过30年的发展，目前世界上已经建成了不少的振动台。1971年前研制的振动台均为单自由度(单轴向)运动系统。1971年后开始研制双轴向运动的系统。1978年后，开始研制3轴向和6自由度系统。到80年代中期后，3轴6自由度地震模拟振动台系统已较为普遍，原来是单轴和双轴的系统也开始向3轴
16、6自由度系统进行改造完善。在控制方式上，1972年以前均采用位移控制，以后逐渐发展到位移、速度和加速度的三参量反馈控制系统，拓宽了系统的使用频带，提高了系统的稳定性。在国内，于1996年8月由中国地震局工程力学所研制成功的大型地震动模拟振动台，是我国自行研制的最大的三向地震模拟振动台，于1997年5月通过国家鉴定。对于振动台控制系统的研究，一般需解决的两个问题：一是使试验台响应信号尽可能地接近振动台的驱动信号；二是保证计算机能够正确记录下所有传感器及振动台在试验过程中的振动信号。在国外，这方面的研究比较多，如：美国SD公司，研制开发的美洲豹振动控制仪系列是一种多通道的数字信号处理器，它能高速获
17、得数据，高速分析和高速产生输出信号。具有振动控制程序（如随机、正弦或冲击）的美洲豹VCS提供了数字式实时闭环振动台控制，诸如产品试验、设计品质认定、可靠性试验应用、原件定义、模拟正弦的闭环控制和振动台系统的瞬间励磁。在国内，由泰司电子公司研制的ZHT-1型综合实验平台，如图1.1所示。 图1.1 ZHT-1型综合实验平台这是一套综合实验平台的产品，配有相应的应用软件，功能较强大。可以实现简谐振动振幅、频率的测量；机械振动固有频率测量；二自由度及多自由度系统的固有频率和主振频率型测量；振动信号的FFT分析等等功能。该平台由压电加速度计，程控电荷放大器，程控应变放大器，并口采集仪，低频扫频功率信号
18、源，笔记本电脑等组成。苏州东菱振动试验仪器公司开发的RVC-2随机振动控制仪，可实现振动实验、冲击实验和信号分析的仪器。该系统包括三大部分：智能接口，数据采集和低通滤波器。该系统能较好的实现正弦、随机、冲击实验控制，具有正弦+随机，随机+随机，扫频驻留以及数据分析功能。控制系统如图1.2所示。 图1.2 RVC-2 随机控制仪诸如此类的控制实验平台，功能比较齐全，有很多值得借鉴的地方，但是它们都有着自己独特的特点，限于一定领域。对于地面运动目标震动信号模拟仿真这一特定领域的研究和教学应用，并不能直接拿来所用，而且有很多功能也是冗余的。针对这种情况，本课题将紧密结合地面运动目标地震动信号的特性，
19、以及在室验室对地震动信号的一些研究需要，研究开发出一套地震动信号模拟仿真实验平台。1.3 地震动信号模拟实验平台简介随着现代电子技术，通信技术，传感技术，信号处理技术，计算机技术等先进技术的飞速发展，开发出一套完整的地震动信号模拟实验平台成为可能。低通滤波器平滑示波器已采集到的信号（存储于PC机中）串口发送D/A转换功率放大器振动台传感器信号采集及实时处理目标分类识别判断LED显示结果外场数据采集下位机接收串口发送PC机接收实现的模拟实验平台的主要功能为：通过上位机的串行通信软件的控制把实际场地中采集到的地震动数据，经计算机串口发送出来，由下位机接收，并实现数模转换、滤波等功能，通过功率放大器
20、，对信号进行放大，以达到激励振动台的目的，激励起来的振动台能够实现现场地震动情况的模拟仿真。振动台起振后，通过测振传感器、数据采集系统，将振动信号采集传输到上位机，或进行信号处理，对目标进行分类判别，并由LED显示出判别结果。系统的结构框图如图1.3所示：图1.3 地震动信号模拟实验平台结构框图1.4 本文的主要工作目前国内外虽然有很多功能非常强大的振动控制实验系统，但他们普遍价格昂贵。附加在价格上的很多功能我们也不能用到，另外所运用的场合也稍有差异，因此我们针对这种情况设计了一套适用于地震动信号模拟仿真的实验平台。本文的主要任务有：1.分析介绍了地面运动目标引起的地震波的产生及传播机理，以及
21、随机振动的一些算法理论，为实验平台的设计提供了一定的理论基础。2.设计了上位机的串行通信软件，实现了数据发送、接收、显示、保存等功能。3.设计了基于AT89C51的数模转换卡，实现了数据的接收，数字信号到模拟信号的转换，去噪等功能,并通过功率放大器，对振动台进行驱动。4.设计了基于振动台的数据采集卡，实现了信号的调理、采集、传输，以及在此基础上实现了人员、车辆的过零点算法识别。本章小结 本章首先对国内外电子侦察技术作了一些简述，引出了课题研究的大背景，接着针对本课题的研究，介绍了国内外模拟振动台和振动控制系统的一些研究情况。然后，概要的介绍了地震动信号实验平台的基本组成，以及实现的功能。在本章
22、的最后，总结了在课题研究中的主要工作。2 地震动信号与振动信号分析本课题所研究的振动台振动系统用于模拟地面运动目标行进时对地表产生的震动情况。震源是人员行走、车辆行驶、坦克行进时对地表产生的激励，该激励引起非刚体的地球介质变形，这一物理变形将在地球内部形成弹性波，并在地球介质中进行传播形成地震波；而振动台振动系统将把地面运动目标引起的地震波动在实验室中再现出来。2.1 地面运动目标地震动信号2.1.1 地震波分类及其传播特性为了较好的分析目标运动的地震动信号特征，应该清楚地震波的种类，以及其在介质层中的传播特性。当地球表面由于激励产生震动时，地球介质层中地震波的传播波型一般有四种： a) 压缩
23、波：又称纵波，P波，由压缩扰动引起。质点的振动方向与波的传播方向相同。波速为：=，其中是剪切模量，是介质的拉梅（Lame）常数，是介质密度。b) 剪切波：又称横波，S波，由剪切扰动引起。质点的振动方向垂直于波的传播方向，波速为=。其中是剪切模量，是介质密度。c) 瑞雷波：瑞雷波是由英国学者Rayleigh于1887年提出的，它是一种在介质的自由界面附近传播的，它的形成与传播，直接与介质的物理特性有关瑞雷波在二维空间传播时，其介质的质点振动图像呈逆时针椭圆形，椭圆的长轴垂直于自由界面，短轴与波的传播方向平行，长轴约为短轴的1.5倍。它的波速比横波略小，约为横波的0.92倍。乐夫面波只有当表层介质
24、的横波传播速度小于下层介质的横波传播速度时才能传播，介质质点的运动方向垂直于波的传播方向且平行于界面。d) 乐夫波：当半无限弹性介质表面上有一层均匀介质的表层时存在，质点在与波传播方向成垂直的水平方向上进行振动。乐夫波与横波速度相差不大，通常很难从地震波记录上看出。在这四种波中，纵波、横波又称体波，它们能在地球内部各方向自由传播。瑞雷波、乐夫波称为面波，面波是体波在一定的条件下形成相长干涉并叠加产生出的频率较低、能量较强的次生波，主要沿着介质的分界面传播，其能量随着深度的增加呈指数函数急剧衰减。地震勘探、工程物探中，常选用纵波、横波或瑞雷波作为有效波。这三种地震弹性波中，纵波传播速度最快，频率
25、较高；横波速度较低，能量较弱，以致来自同一界面的横波总是比纵波到达得晚而以续至波的形式出现，但它的分辨率较高；沿自由表面传播的瑞雷波频率较低，能量最强。图 2.1 各种波的频率谱与视速度这三种波的传播速度、频率之间的关系如图2.1所示。2.1.2 瑞雷波在一圆形振板上作上下激振，得到纵波、横波、瑞雷波所占的相对能量如表2.1。 表2.1 P波、S波、瑞雷波的能量比波的类型占全部能量的百分比瑞雷波67纵波7横波26可见瑞雷波占全部能量的2/3，而且，体波振幅的衰减与（r为振源到波前的距离）成正比，瑞雷波振幅的衰减与成正比，即瑞雷波的衰减要比体波慢得多。瑞雷波因为具有能量最强、衰减较慢、频率较低、
26、容易分辨，在自由表面传播且传播距离较远等特性，因而相比于纵波、横波，瑞雷波更适合用于远距离地面运动目标的探测与识别。 瑞雷波的能量主要集中在地表下的某一波长范围，其频率特性主要表现为两个方面：1. 一般来讲，瑞雷波的频率较低，其主要频率成分集中在0-150Hz范围内。2. 在均匀介质条件下，瑞雷波的频率与其传播速度无关，即瑞雷波的传播速度没有频散性。而在非均匀介质条件下，瑞雷波速度随频率变化而变化，即非均匀介质将导致瑞雷波的频散。2.1.3 地面运动目标地震动信号采集前面提到瑞雷波相对于纵波、横波能量较强、衰减较慢、频率较低、容易分辨，所以对运动目标震动信号检测采用瑞雷波检测法。瑞雷波检测方法
27、一般分为瞬态法和稳态法两种，这两种方法的区别在于震源不同瞬态法是在激震时产生一定频率范围的瑞雷波，并以复频波的形式传播；稳态法是在激震时产生单一频率的瑞雷波，并以单一频率波的形式传播。我们对地面运动目标震动信号的检测可以采用瞬态瑞雷波检测和稳态瑞雷波检测相结合的方法。人员走动时脚步施加于地面的激励为脉冲激励。地表在脉冲载荷作用下，在离震源较远处，传感器记录的基本上是瑞雷波的垂直分量。车辆行进时车轮或履带施加的激励是多频稳态激励，而且震源与传感器之间的距离随时间而变化。因此传感器测得的是各次激振各频率谐波的叠加。图2.2 脚步与车辆时域波形图我们在外场进行了人员行走、车辆行驶时的地震动信号数据采
28、集实验；人员行走时其频率数一般不超过6步/秒，而轮式车或履带式车的信号的主频都大于20Hz，虽然地质条件复杂，但这个特征还是稳定的。图2.2给出了人员和车辆的典型信号时域图形。2.2 振动台振动信号本课题是通过振动台模拟地面运动目标的地震动信号情况。在研究地表结构的响应时，通常将一定距离范围内运动引起的地震动信号近似归结为广义平稳随机信号。振动台的振动可分为确定性振动和随机振动两大类。为把平稳随机振动环境在实验室中准确的再现，须要求两个随机振动统计特性相同。2.2.1 随机振动信号统计特性分析随机振动是一种非确定性振动。当物体作随机振动时，我们预先是不能确定物体上某监测点未来某个时刻运动参量的
29、瞬时值。因此随机性振动和确定性振动有本质不同，是不能用时间的确定性函数来描述的一种振动现象。但是从总体来看，这种振动现象存在着一定的统计规律性，能用该现象的统计特性来描述。随机振动又分为平稳随机振动和非平稳随机振动。所谓平稳随机振动是指其统计特性不随时间而变化。严格地说，实际工程中一切随机过程都是非平稳的，但是从“近似”的角度出发，不少工程问题是可以看作为平稳随机过程的。 对于平稳随机过程，随机振动的统计特征参数如下：一、均值 随机过程x(t)在给定时刻t的随机变量x(t)的平均值，可以用x(t)的数学期望来计算，而对平稳随机过程，统计量不随时间而变化，有： Ex（t）= =常数 (2.1)二
30、、均方值随机过程x（t）在给定时刻t的均方值，就是x( t)的数学期望，同样对于平稳随机过程有： Ex（t）= =常数 (2.2)三、方差随机过程x（t）在给定时刻t的随机变量x(t)的方差，就是x(t)-Ex(t)的数学期望，同样对于平稳随机过程有：D x (t) = x(t) - E x(t) = x(t) 2 x(t) Ex(t)+ Ex(t) (2.3)将式（2.1）、(2.2)代入（2.3），得 Dx(t) = Ex(t)-Ex(t) = 常数 四、自相关函数、功率谱密度函数自相关函数是研究平稳随机过程的重要统计量，它描述了信号x(t)在t, t+两个时刻的相互关系。对于广义平稳随机
31、信号x(t)，自相关函数定义为 (2.4)对于平稳的随机振动信号功率谱密度函数在给出波形信息的同时，也表示了与其振动频率对应的能量分布，是一个很重要的统计量。它从频率域对随机过程作统计描述，集中显示出过程的频率结构，可用它来判别该过程中各频率成份能量的强弱。自相关函数的傅氏变换就是自功率谱密度函数，简称自谱。对于平稳随机过程，自谱密度函数为：S() = S( f ) = 由于R()是的偶函数，且S( f )是非负的，所以S( f )一定是非负的实偶函数。自功率谱密度函数是描述随机振动的一个重要参数，它使我们知道哪一些频率的功率是主要的。通过对功率谱密度函数的了解，也有助于振动模拟的设计工作。当
32、然，严格地来说，要想把地面运动目标地震动信号在模拟实验中精确地重现是不可能的，但是至少我们应该尽量做到试验结果的某些随机振动信号的统计特征与实际的统计特征是基本一致的。比如：对于高斯过程随机振动的模拟中，只要使它的功率谱密度与实际环境的相符就可以了。另外，实际的地面运动目标的地震动信号是比较复杂的，一方面，我们获得的反映地震动信号的数据不能算非常完整，实验中可利用的数据也是有限的；另一方面，为了激起振动台各点与实际情况下一样的运动，似乎应当安装许多的激振器，但是，我们的实验设备是有限的。因此，在一般情况下，我们只可能进行一定程度的近似模拟。而实际上，只用一套振动设备，一个激振器也可以获得虽然是
33、近似的但也可基本满足我们要求的模拟。2.2.2 随机振动控制 随机振动试验控制方式一般有两种：频谱再现式宽带随机振动试验，时域再现式随机振动试验。 频谱再现式控制技术是通过量化技术将模拟振动信号转换为数字信号。然后，利用快速傅立叶变换（FFT）技术，将振动时域信号转换为相应的频域信号（功率谱密度PSD），并在频域上进行均衡修正，使控制点的PSD达到预定要求。它能在较短的时间内“同时”激发具有特定谱形的宽频带的随机振动。它大致由四个部分组成：模拟信号的量化、时-频域的正向、逆向转换、频谱（PSD）均衡和激励信号的随机化，其框图表示如2.3所示。低通滤波抗混数模转换模数转换参考谱PSD计算时域随机
34、化均 衡IFFT相位随机化低通滤波平滑激振系统功放振动台电荷放大器图2.3 频谱再现式随机振动控制系统 其工作流程为：通过传感器感应振动台振动信号，经电荷放大器转换为电压信号，对该电压信号进行A/D转换后，进行时频域变换，求出其功率谱密度函数（PSD计算），并将其与预先设定好的参考PSD进行比较修正，得出新的驱动幅值谱。新的驱动谱值与一组随机相位一起进行逆傅里叶变换（IFFT），之后经过时域随机化转变为随机信号，最后通过D/A，功放驱动振动台振动。对于频谱再现式随机振动试验控制，最基本的计算是快速傅里叶变换（FFT）及逆傅里叶变换（IFFT），而最关键的计算是频谱均衡和激励信号的随机化。傅里叶
35、变换、逆变换比较熟悉，在这里只对频谱均衡、激励信号的随机化作一些介绍分析。对于振动试验系统其输入、输出的关系为：Y（f）= H（f）X（f）其中X（f）为输入的频域信号，Y（f）为输出的频域信号，H（f）为系统的传递函数。在频谱再现式随机振动控制过程中，关心的是频域的幅值特性，因此上式可变换为输入输出信号自功率谱函数的关系式，即 S（）= |H（）|S()要使振动台的输入功率谱与输出功率谱相同，需要求：H（）=1。在实际的系统是不存在的，因此需进行人为的均衡补偿。一般补偿方法有两种：第一种方法是在试验系统前放置一组滤波器，使这组滤波器的频响为H()，这样就可得到相同的功率谱了，这种方法称为传递
36、函数修正法。另一种方法，是对功率谱进行修正，使得S（）= |H（）|S()/H() =|H（）|S() = S()这相当于是修正了输入波形，这种方法称为波形修正法。对于一个确定的驱动信号谱将其在时域随机化需经过以下几个步骤：首先，需对驱动谱的离散序列进行逆傅里叶变换（IFFT），得到一个离散时间序列。其次，产生一个随机数发生单元（产生长周期随机数的方法很多），在产生的随机数序列中，取若干位的数值作为随机相位使用构成随机相位谱，将其与驱动谱的离散序列组合得到一个与复数输出谱相对应的随机时域序列x。x|S(k)| A+jB (k=0，1，. . . ，N-1)其中，S(k)为驱动功率谱，A+jB为
37、随机相位谱，因为相位的出现概率是随机的，因此这样构成的随机信号的幅值概率密度函数近似于高斯分布。通过上述两个步骤所得随机信号是以AD转换器一帧的采样时间T为循环周期的，因此还需对其进一步随机化。将上述周期为T的时间序列（假设序列长为N），取其中序列中的任一点作为起始点，顺序、倒序取N点，它们的谱是不变的，将会产生2N种时间序列，将2N种序列以随机的次序相连叠加，就可得到周期很长的时间序列，可近似为非周期的随机信号。另外在上述信号的叠加过程中，为了保证信号的连续性，将每组信号在叠加之前进行加窗处理。上面我们所讲的是关于频谱再现式随机振动试验，该方式涉及到A/D采样，快速傅里叶变换，功率谱计算、比
38、较、修正，逆傅里叶变换，相位随机，时域随机化，D/A转换等繁多的步骤，为满足其控制的实时性，对硬件的性能要求非常高，另外算法硬件实现的周期也较长。另外还有一种随机振动试验控制方式：时域再现式随机振动试验。它一般用于低频的随机振动试验，如：地震模拟、汽车道路模拟等。这种方式相对简单，对硬件的要求也不太高，开发周期相对较短。鉴于我们模拟的是低频的地震动信号，并作为我们对振动实验平台系统开发的初步探索，我们拟采用该方式来实现振动控制实验平台，后面的章节将详细讲述该系统的软硬件设计。2.2.3 随机振动信号采集在振动台实验系统中，为使振动台振动情况满足我们的需要，须通过振动采集系统准确、实时地采集振动
39、台振动响应信号，以便对随机振动的分析和控制提供真实可靠的依据。在对振动信号进行数字化处理时，首先要进行采样。采样是以固定的时间间隔（t）依次抽取连续信号不同时刻瞬时幅值的过程，f=1/t为采样频率。为使采样后的离散信号能够不丢失原有信息内容，需满足采样定理： f2f，其中f为振动信号的最高频率。在任何一种随机振动试验中，振动信号都具有一定的频率带宽，可分为工作频带内、外两个部分。如果按照低频信号来确定采样率，会使得高频成分折迭到低频成分，发生频率混淆，为此，在采样前，用一截止频率为f的抗混淆滤波器，先将信号x（t）施行低通滤波，将不感兴趣或不需要的高频成分滤掉，然后再进行采样和数据处理。经过采
40、样的信号，需要进行量化，量化是将采样得到的离散信号的幅值用最接近的有限长的二进制数字序列来表示。这个过程是由模数换器（A/D）来完成的。在量化过程中会产生量化误差，在信号处理中，量化误差是作为白噪声，叠加到x（t）上，故把信号功率与量化噪声功率之比称为信噪比，在数据采集时A/D转换器的位数是根据对信噪比的要求来选取的，它们有如下的关系：SNR = 10lg () = 6b + 10.8 + 20lg (A) (dB)其中，SNR为信噪比，及分别为信号和量化噪声的功率，A为修正系数，b为A/D转换器的位数。如果选取A的大小时考虑到溢出问题使A=2,则：SNR = 6b - 1.24 (dB)比如
41、：若要使量化信噪比为40dB，A/D转换器位数b=(40+1.24)/67，若要使量化信噪比为80dB，则A/D转换器位数b=(40+1.24)/614。因此，增加A/D位数可减少量化误差。在数据量化处理后，一般还须进行预处理工作，否则在进行计算后，就难以用一般方法来检测原始信号中混入的误差。数据预处理一般包括：奇异点剔除 一般是由于采集系统中引入了较大的外部干扰，或信号丢失传感器失灵等原因。可以通过人工鉴别的方法剔除这些奇异点，或者将某一采集数x与其相邻的数据点进行比较，判别x数值是否为合理点。消除趋势项 一般由于采集系统中的零点漂移或其它某些因素影响而产生随时间变化的趋势误差。工程上常采用
42、的消除方法是最小二乘法，它既可以消除高阶多项式的趋势项，又可消除线性趋势项，是一种精度较高的方法。此外，在进行更深入的数据分析之前，还须对被分析的数据进行数据检验，这里不再作分析介绍了。本章小节本章分为两个部分，第一个部分对地震动信号进行了一些介绍分析，第二个部分对随机振动信号进行了一些介绍分析。在第一部分首先对地震波进行了分类，分析了各种地震波的传播特性；然后通过比较三种地震波的能量比、衰减特性选择了瑞雷波作为我们的研究对像；最后给出了我们在外场测得的人员、车辆的时域波形图。在第二部分，首先根据地震动信号实验室再现的要求，介绍了随机振动的一些统计特性参数，接着对振动台随机振动控制的两种方式作
43、了分析和介绍，最后对随机振动信号的采集作了一些理论分析。3 上位机的串行通信实现 采集存储在计算机中的数据，是以文件的形式存在的，为了能够激励振动台的振动，首先需把这些十六进制或二进制表示的数据，通过计算机的串行口发送出来，由下位机接收，并由下位机的控制电路实现控制振动台的振动。3.1 串行数据通信3.1.1 基本概念数据通信是在相互连接的数字式设备间传送信息的过程，这些数据定义为不连续符号编码的信息，由一连串的二进制符号0和1 表示。计算机以及与其工作的其它设备是这些二进制符号的处理者，这些符号通常称作“位”。因而，数据通信最终是一个从一处到另一处的位传送问题。数据通信传输的几个基本问题：数
44、据通信的媒介体 数据处理设备之间的路径称作通信通道或通信线路，通信线路的媒介体一般为电缆、电话线等。信息如何传输 通过形成穿越媒介体的能量流通模式(电、无线电波、光、声音)，我们可以传输信息。信息如何理解 制定统一的通信标准，如：RS-232、RS-485、USB、PCI等。信息的流通方向 数据的流通方向为：单工、全双工、半双工和多工。3.1.2串行通信接口 PC机与下位机的数据通信一般通过RS232串行通信接口进行传输。串行通信接口所起的作用主要有以下几点：实现数据格式化 在异步通信方式下，接口自动生成有起始位、停止位式的帧数据格式。在面向字符的同步方式下，接口要在待传送的数据块前加上同步字
45、符。 进行串并转换 串行传送，数据是一位一位传送的，而计算机处理数据是并行的。因此当数据在计算机与数据收发器之间传送时，需进行串并转换。控制数据传输速率 串行通信接口电路应具有对数据传输速率波特率进行选择和控制的能力。进行错误检测 在发送时接口电路对传送的字符数据自动生成奇偶校验位或其他校验码；在接收时，接口电路检查字符的奇偶校验或其他校验码。进行TTL与EIA电平转换 CPU和终端均采用TTL电平及正逻辑，它们与EIA采用的电平及负逻辑不兼容，需在接口电路中进行转换。3.1.3 串行通信协议 通信协议是数据通信的基础，通信程序是在通信协议的基础上进行编写的。串行通信协议一般分为同步协议和异步
46、协议。同步通信 定义为“以相同的速率发生并且准确的协调”。在同步通信中，通过共享一个单时钟或定时脉冲源，发送器和接送器同步。它的特点是一次传送由若干个字符组成的数据块，而不是只传送一个字符。数据块的前后都加了几个特定的同步字符(synchronous Character)。异步通信 按字符传输，每传输一个字符，就用起始位来通知收方，以此来重新核对收发双方同步。在异步通信下，发送器和接收器都有自己独立的时钟。两个时钟不是连续锁定在同步方式下的，而是由一个“触发”信号实现主要时间的同步， 同步通信，传输效率高,但同步协议需像传送数据一样传送定时信息，因此同步通信硬件通常比异步通信硬件更复杂和昂贵一些。异步通信，一般用于传输速率较慢的场合，但异步通信传输方便，可靠性性较高。3.
