（机械电子工程专业论文）基于labview的振动测试系统设计.pdf

西华大学硕一l ：学位论文 基于l a b v i e w 的振动测试系统设计 机械电子工程专业 研究生朱岩指导教师余愚 在现代机械工业和机械工程中，振动测试、信号处理以及振动分析是十分 重要的环节。但是在机械振动测试中，所需的测试仪器繁多复杂，导致测试工 作需要大量的人力、物力。 随着计算机和软件技术的发展，虚拟仪器正在逐渐成为测试领域的发展方 向，采用虚拟仪器实现振动测试与分析也成为振动测试的发展趋势。 为此，本课题研究开发了以p c 为硬件平台、以美国国家仪器( n i ) 公司 开发的l a b v i e w 软件为开发平台，配合必要的传感器、信号调理器和数据采 集卡组成的振动测试分析系统。采用虚拟仪器图形化编程语言l a b v i e w 组建 的振动测试分析系统，减少了测试过程中的硬件设备，同样实现了对振动信号 的采集、处理和分析的目的，大大降低了硬件成本。 论文首先对虚拟仪器以及l a b v i e w 软件作了简要介绍，然后分析了振动 信号分析与处理技术理论和振动测试分析系统的组成，最后对系统的硬件和软 件编程进行了设计。 系统硬件部分设计了一个以单片机为核心的数据采集卡，通过串口通信实 现计算机和数据采集卡的数据传输。软件部分采用了自上而下的模块化程序设 计思想，用户可以在计算机上实现对振动信号的采集、分析处理以及显示分析 结果等操作。软件的处理功能主要有信号预处理、时域分析、频域分析、时频 联合分析四大模块组成。具体内容包括：数字滤波与加窗、时域统计分析、自 相关分析、快速傅立叶变换( f f t ) 、自功率谱分析、短时傅立叶变换( s t f t ) 等。 本系统集中了振动分析的主要功能，操作简单，具有良好的可扩充性和较 两华大学硕十学位论文 高的性价比，可以在教学科研或在工程应用中作为分析工具使用。 关键词：振动测试，虚拟仪器，数据采集，信号分析，l a b v i e w d e s i g no f v i b r a t i o nt e s ts y s t e mb a s e do n l a b v i e w m a j o rm e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e z h uy a n s u p e r v i s o r y uy u i nm o d e r nm e c h a n i c a li n d u s t r y a n dm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，v i b r a t i o n m e a s u r e m e n ta n da n a l y s i si sa ni m p o r t a n tp a r t b u tt h em e c h a n i c a lv i b r a t i o nt e s t s n e e dm a n ye l a b o r a t et e s ti n s t r u m e n t s ，w h i c hl e a dt ot h er e q u i r e m e nt op l e n t yo f m a l l p o w e ra n d m a t e r i a lr e s o u r eo nt e s t i n gw o r k w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n ds o f t w a r et e c h n i q u e ，v i r t u a li n s t r u m e n t b e c o m e sd e v e l o p m e n td i r e c t i o ni nm e a s u r e m e n tf i e l d ，v i b r a t i o nm e a s u r e m e n ta n d a n a l y s i sb a s e do nv i r t u a li n s t r m e n th a sb e c o m et h et r e n do fv i b r a t i o nt e s t s ot h e s v s t e mf o rv i b r a t i o nt e s ta n da n a l y s i si sd e v e l o p e di nt h i st h e s i s ，w h i c hb a s e do np c 嬲h a r d w a r e p l a t f o r m , l a b o r a t o r y v i r t u a li n s t r u m e n tw o r k b e n c h ( l a b v i e w ) d e v e l o p e db yn a t i o n a li n s t r u m e n t s a l ss o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m , e s s e n t i a l s e n s o t , s i g n a lr e g u l a t i o nc i r c u i t a n dd a t aa c q u i s i t i o nc a r d d a t aa c q u i s i t i o na n d a n a l y s i sc a nb ea c h i e v e db yt h ev i r t u a lv i b r a t i o nt e s ta n da n a l y s i ss y s t e mw i t ht h e g r a p h i cp r o g r a m m e rl a n g u a g el a b v i e w , a tt h es a m et i m et h ee q u i p m e n tw i l l b e r e d u c e da n dt h ec o s tw i l lb ed e e p l yd e c r e a s e d f i r s t s i m p l ei n t r o d u c t i o no l lv i r t u a li n s t r u m e n ti sm a d e i nm yt h e s i s s e c o n d ， t h et h e o r yo fv i b r a t i o ns i g n a la n a l y s i sa n dt h ec o m p o s i t i o no f v i b r a t i o nm e a s u r e m e n t s y s t e m a r e a n a l y z e d l a s t ，h a r d w a r e a n ds o f t w a r ep r o g r a m m i n go fv i b r a t i o n m e a s u r e m e n ts y s t e ma r ed e s i g n e d d e s i g nad a t aa c q u i s i t i o nb a s e do nm i c r o c o n t r o l l e ri nt h eh a r d w a r es y s t e m c o m p l e t ed a t at a m s o f o r m b e t w e e nc o m p u t e ra n dd a t aa c q u i s i t i o nc a r do v e rs c r i m p o r t t h es u p e r i n c u m b e n tm o d u l a rd e s i g ni s e x h i b i t e d e v i d e n t l yi nt h es o 疗w a r e s y s t e m t h ev 1 0 r a t i o ns i g n a ls a m p l i n ga n dd a t a a n a l y s i sa r eo p e r a t e d b vs v s t e m m t e 砌c e ，a l sw e l la st h er e s u l ta r e d i s p l a y e do nt h ec o m p u t e rs c r e e n n em a i n a 1 1 a l y s l sp r o c e d u r ei sm a d eu po fs i g n a l p r e p r o c e s s i n g ，t i m e d o m a i n ，舶q u e n c y d o i i l a ma 1 1 dj o i n tt i m ea n d 奇e q u e n e yd o m a i n t h ec o n t e n ti n v o l v e s d i g i t a lf i l t e r ， w m d o w m g ，t l m e d o m a i ns t a t i s t i c a l a n a l y s i s ，a u t o c o 玎e l a t i o n a n a l y s i s ，a sw e l l 嬲 f a s tf l o u r i e rt r a n s f e r , a u t op o w e r s p e c t r u m t h es h o a t i m ef 1 0 u r i e rt r a n s f e ra r e i n c l u d e di nt h ea n a l y s i sp r o g r a m k e yw 。r d s ：v i b m t i 。nt e s t ，n u a li n s t r u m e n t ，d a t aa c q u i s i t i o n ，s i g n a l a 1 1 a l y s i s ， l a b v i e w i v 删 呜 哆眦 三 n 1 r m 峪 ： a 翱训 僦 吼 a d雎耐 冲 吾 e“ 曲 o 盯 耋圣 舒 跎 代 蛳略 a u | 詈 删 n k硫 所 沿 址 璐 f 玎刚岛；兮k - l l嘶妇 m 瞄 n m 缸托 的蚕趣 r 洽 s 岫 m m 至薹 = 一 n 嘣 h 厦 g p蚴删 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文的成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：尔岩 导师签名： 6 9 两华大学硕上学位论文 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密囱，适用本授权书。 ( 请在以上口内划4 ) 学位论文作者签名：能 日期：如口，f c 指导教师签名： 日期： ， 会如 哆2 l 7 西华大学硕上学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的背景及意义 所谓振动，就是物体或某种状态随着时间往复变化的现象，这类现象有的 源于系统内部相互作用，有的是外界干扰引起的。在现代工程技术领域，存在 着大量的振动问题。例如：电厂中汽轮发电机组及其它辅机设备运行时产生的 振动，车辆自凸凹不平的路面上行驶所引起的振动；旋转机械由于质量不平衡 在运行中的振动；建筑物受地面和阵风扰动所产生的振动等。在极大多数场合， 振动都是有害的，它将影响设备的正常工作和机械的加工精度，引起机器构件 的加速磨损，甚至导致急剧断裂而破坏。 为了解决工程振动问题，出现了一门集数学、力学、电子技术、计算机技 术、信息处理、人工智能等多种现代技术于一体的新兴交叉学科【l 】振动测 试与分析。振动测试有以下主要应用： ( 1 ) 各种工程机械、建筑结构、车辆船舶、飞机导弹、能源设备、仪器仪 表等系统由于在自身运转过程中质量不平衡等原因而产生振动( 自振) ；或者受 到周围环境的激励而产生受迫振动。对正在设计或大批生产的产品进行各种振 动试验以考核产品承受振动能力己成为很多工厂的常规任务。测试了解机器运 转时振动大小以确定其性能优劣己成为验收往复式、旋转式机械的一个重要环 节。 ( 2 ) 各种利用振动工作的机械如振动给料机、振动打夯机、振动压路机、 振动筛、振动输送机、动平衡机和各种激振设备因其高效率低能耗在国民经济 各部门得到日益广泛的应用。为了研究其工作机理以提高生产效率，必须进行 大量的振动测试。 ( 3 ) 实际系统往往零部件繁多，结合面形状复杂，理论计算( 如有限元) 要做大量简化假设，只能建立粗略的力学模型，某些重要参数( 如阻尼系数) 至今仍无完善的计算方法。用振动测试可以求得系统的动态特性参数，进而建 立或修正力学模型，为今后的“响应预估”或“环境预估( 载荷识别) 创造先 决条件。这就是结构动力学中所谓“系统识别 或“参数识别”问题。 ( 4 ) 效益巨大但造价昂贵的现代化大型系统( 如海上平台、大型汽轮发电 机组、航天飞机等) 经常在高转速、大负荷、高温、高压或高真空等恶劣条件 西华大学硕j ：学位论文 下工作，他们的破坏会造成十分严重的后果。国外统计重要产品的故障中有百 分之六十以上来自环境因素( 包括温度、振动、冲击、沙尘等) ，而在各环境因 素中振动引起的故障几乎占百分之三十，利用振动测试手段对运行设备进行在 线的状态监控或故障诊断是保证机组安全、及时消除隐患的重要措施之一。 ( 5 ) 在一些情况下，振动是一种公害，它能损伤人体器官、损害健康、降 低劳动效率，甚至产生“振动病或“运动病，如常见的晕车、晕船现象就是 由于小于1 h z 的极低频振动引起的。研究人体各器官的振动传递特性，设计能 减振隔振的座椅、驾驶舱、手持工具的把手等也必须依赖于振动测试。目前市 场上已有用于人体振动测量的传感器和测试仪出售。 ( 6 ) 任何机械振动系统往往同时又是声波辐射源。噪声中很大一部分来自 振动物体。减少振动的同时往往也意味着降低噪声( 相反地也可从噪声分析中 找到振源) 。只要有声电传感器( 如话筒) 和适调放大器，振动分析和声学分析 就可以共用同一分析仪器。 振动测试分析仪器则将振动测试与分析技术转化为生产力，它随着振动测 试技术理论的发展和生产中对测试需求的与日俱增。从最初的机械式测振仪， 发展到今天，各种应用物理学原理制成的传感器、f f t 分析仪、结构动力学分 析软件己在广泛使用。 本论文顺应测试仪器的发展趋势，将虚拟仪器技术、计算机技术及数字信 号处理技术结合为一体，构建了以计算机为核心的虚拟仪器系统。系统针对振 动的测试问题，力求克服现行机械振动中所采用的传统测试系统所存在地不足， 以期能推动虚拟仪器技术在振动测试领域中的普及应用。 1 2 国内外研究现状与发展趋势 1 2 1 虚拟技术及虚拟仪器的应用与发展现状 虚拟技术、计算机通讯与网络是信息技术最重要的组成部分，他们被称为 2 l 世纪科学技术的三大核心技术【2 1 。虚拟技术包括虚拟加工、虚拟测试、虚拟 控制等，它是将各种信息如声、光、电同现代计算机技术有机结合，实现各种 环境的模拟、仿真。虚拟技术的出现大大改变了人类现有的思维模式、工作模 式和生活模式。目前，发达国家纷纷斥巨资对它进行研究，期望以后在它的带 动下在信息时代中保持技术上优势。 2 西华大学硕士学位论文 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是虚拟技术的重要组成部分，也是许多发达 国家所重点研究的对象。其中，以美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，简 称n i ) ，惠普公司( h e w l e t tp a c k a r d ，简称h p ) 、t e k t r o n i x 和r a c a l 等公司的虚 拟仪器比较有影响，他们在近十多年时间里，就占有了世界仪器仪表市场的1 0 左右的份额，充分显示了虚拟仪器的强大生命力。其中，以美国国家仪器公司 ( n i ) 的图形化编程语言l a b v i e w t 3 1 ，和惠普公司( h p ) 的v e e 最具有代表 性。 虚拟仪器技术实现了计算机技术和仪器完美的结合，开辟了现代仪器技术 的新天地。它诞生虽然只有十几年的历史，但它的发展速度是惊人的。目前虚 拟仪器技术己广泛应用与科研生产的许多领域：声学测试、音波测试、汽车测 试、生物医学测试、光纤校准、光学测定及度量、半导体测试、电信测试、振 动测试、工业自动化、实验室自动化、机械监控、石油和天然气处理、药品加 工、过程自动化、统计、过程控制等等。 目前在美国，许多大学都有自己的虚拟仪器实验室，不但进行虚拟仪器的 研究与开发，而且还将虚拟仪器作为一门课程向学生传授，为学生提供实验条 件，让学生亲自动手，学习建立自己的虚拟仪器系统。美国国家仪器公司( n i ) 每年在美国各高校的大学生中举办虚拟仪器设计大赛，鼓励和推广虚拟仪器的 使用。据美国权威杂志统计，美国国家仪器公司( n i ) 的l a b v i e w 已占有测 试系统软件市场份额的3 9 ，而惠普( h p ) 公司的v e e ( 与l a b v i e w 相似的 一种图形化编程语言) 也占有市场的1 1 。 由于虚拟仪器具有如此巨大的优越性，国内外已经有许多厂家在使用虚拟 仪器进行测试方面作了一系列有益工作，已开发了一些虚拟测试仪器。挪威 c a r d i a c 公司的基与l a b v i e w 平台的测试北海油田石油、大气、水流的 m p f m 系统等，清华大学应用虚拟技术构建的用于检侧汽车发动机性能的出厂 检测系统，哈尔滨工业大学也推出自己的“仪器王”虚拟仪器系统，另外上海 仪器仪表所、浙江大学、成都电子科技大学、上海同济大学、上海交通大学等 单位也正在不断进行虚拟仪器的研究和应用。 我国传统仪器技术还比较落后，与国外相比，测量精度和可靠性均较低， 且自动化程度较低。当前，各种测试软件、专用集成电路、固化软件的广泛应 两华大学硕十学位论文 用，系统技术和模块式仪器的迅速发展，都给虚拟仪器的研究和应用创造了良 好条件，也为我们提供了一个缩小与国际先进水平差距的机会。虚拟仪器在我 国的研究和开发有着十分现实的意义，广泛采用虚拟仪器技术有助于提高我国 仪器的整体水平，节省仪器开发的人力和费用。我们有理由相信，随着软件业 和测试技术的发展，虚拟仪器技术必将在更多、更广的领域得到应用和普及。 1 2 2 振动测试分析仪器的发展 振动测试技术从2 0 世纪初发展到今天，经几代科学工作者的探索工作，正 逐步走向完善，而测试分析仪器也在不断发展和成熟。振动测量通常包括振动 的位移、速度、加速度，噪声的声压、声强，以及激振力的测量，这些参数通 常称为动态参数。动态测量是指由传感器测得这些非电物理量并转换为电信号， 然后经过放大、滤波等适调环节，对信号进行适当调节，并对测量结果进行记 录、分析、显示的全过程。因此振动测量属于动态测量范围，如图1 1 所示。 振动 仕目- _ _ - _ r - - - 。- _ _ _ 1r _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 1r _ _ _ _ - _ _ - - 1r _ _ - - - _ _ _ _ _ _ 1 卫叫传感器h 信号适调器卜叫信号采集h 分析处理h 结果显示l f i g1 1t h eb l o c kd i a g r a mo fv i b r a t i o nt e s t 图1 1 振动测试框图 随着振动测试技术理论的发展和生产中对测试需求的与日俱增，高质量的 测试仪器、设备和现代化的测试方法不断出现。2 0 世纪2 0 年代，由于汽轮发 电机组等设备的发展，机械式测振仪已不能满足要求，于是磁电式传感器应运 而生，实现非电量信号向电信号转换的电测量。二次大战后出现了压电式传感 器，由于它具有体积小、重量轻、频率范围、动态量程大等特点，且既可测量 振动，又可用于冲击测量，直到今天仍在广泛应用。近些年随着微电子技术的 发展，又出现了可在各种恶劣环境下使用的压电传感器和内装阻抗变换器、放 大器、滤波器的集成电路式压电传感器【4 】，简化了测试系统，大大地拓宽了这 种传感器的应用范围，提高了抗干扰能力和测量的精度。而压阻传感器的出现 和使用进一步拓宽了低频率的测量范围，与此同时，还陆续发展了各种换能原 理的传感器和配套仪器，如变电容传感器、光纤传感器【5 】、电涡流传感器等， 4 西华大学硕十学位论文 以便用于不同的场合。 测试的核心内容是对信号的分析，主要是频谱分析，最初是以带通滤波器 为核心的模拟式分析仪器，并通过不断改变其分析精度，至今有些仍在使用中。 但由于振动信号的变化快、频带宽，对信号分析的精度和速度的要求不断提高， 模拟式分析仪已不能满足要求。现代动态信号分析仪的出现改变了这一缺陷， 它采用数字化方式实现谱分析，其核心是离散傅立叶变换( d f t ) ，2 0 世纪6 0 年代中期美国的库列( j w c o o l e y ) 和图基( j w t u k e y ) 提出了离散傅立叶变 换的快速算法快速傅立叶变换( f f t ) 6 - 8 】，开辟了动态信号分析的新纪元。 随着f f t 算法的提出和应用，以f f t 硬件为核心的双通道乃至多通道分析仪的 广泛使用，大大提高了分析速度，被广泛的应用于数据处理和振动控制中。最 先出现的多是专用的硬件式数字处理机，具有代表性的主要有：日本三荣公司 的7 t 0 8 s 、7 t 1 7 s ，h p 公司的h p 5 4 5 1 c 、h p 5 4 2 3 a 等。 目前信号分析技术的发展目标是：在线实时能力的进一步提高：分辨能力 和精度的提高；专用机结构小型化、性能标准化、价格低廉化；在微机上采用 软、硬件结合的形式构成“虚拟仪器 。近些年来，计算机技术和计算机软件技 术迅速发展，带动了以计算机和软件技术为核心的虚拟仪器( v i ) 的发展，虚 拟仪器技术是把计算机技术与仪器技术有机地结合起来，通过数据采集板对信 号进行数字离散化采样，再通过采集板与计算机的接口传送到计算机上，充分 利用计算机的资源由软件完成信号的存储、计算分析、结果显示等功能【9 】，不 同的分析只需通过不同的分析软件来实现，真正实现一机多用，而不须重复购 置多种硬件设备，由于主要部分是软件组成，因此具有开发周期短、投入少而 功能又可随意选择的特点，在近十多年来成为测试领域的热点，被誉为2 1 世纪 的测试仪器，成为测试仪器发展的趋势。 1 3 课题主要研究内容 随着社会进步，要求振动测量技术向速度化、自动化、微型化、智能化、 集成化方向发展。虚拟仪器的设计思想为提高测试效率、降低测试成本，提供 了有效的途径和方法。但是纵观国内外虚拟仪器技术研究开发状况，目前对振 动测量的虚拟测试系统的研究，并对其测试系统的开发过程进行较为全面分析 的测试仪器并不多见。本文基于振动测试的这种需要，提出了研制低成本、高 两华大学硕i l 学位论文 精度、便携式的虚拟振动测试分析系统。 本文从虚拟仪器开发的角度，首先确定系统的总统方案和硬件配置，然后 从整体上确定系统的模块组成，在论文的主体部分，分别论述了以s t c 8 9 c 5 2 单片机为核心的数据采集卡及相应硬件设计电路，基于l a b v i e w 平台下开发 一个完整的虚拟振动测试系统软件的各个模块的具体设计与实现，对开发过程 中普遍存在的问题做了一定的探讨与论述。为了实现振动测试分析系统的开发， 全文主要内容如下： 1 振动虚拟仪器的应用研究 虚拟仪器是最近发展起来的一门崭新的学科，是仪器产业发展的一个重要 方向。本文从虚拟仪器的基本概念出发，分别介绍组成、功能及特点以及与传 统仪器相比所具备的优点等几个方面。虚拟仪器用软件编程替代传统测量仪器 的硬件电路，因此成本大大降低，介绍了用于虚拟仪器开发的集成软件包 l a b v i e w ，并重点介绍了l a b v i e w 在信号处理与分析方面的优势。 2 振动测试与分析系统的开发 了解了虚拟仪器的概念和优势之后，便开始了振动测试分析应用系统的开 发。重点介绍了自主研发的以s t c 8 9 c 5 2 单片机为核心的串口通讯的数据采集 模块的硬件设计。 、3 虚拟振动测试分析系统的软件设计 确定了系统的硬件平台之后，就开始了应用软件系统的开发。通过比较多 种虚拟仪器开发平台，选定了以图形化编程软件l a b v i e w 。然后便通过编程， 将振动测试的理论算法转换成为l a b v i e w 的框图程序。应用软件的主要功能 包括： ( 1 ) 数据采集：l a b v i e w 与单片机串口的软件设计。 ( 2 ) 文件管理：存储和读取振动信号以及采样参数数据。 ( 3 ) 信号预处理，包括数字滤波( 低通、高通、带通、带阻) 和加窗( 可 选用多种窗函数，如矩形窗、哈宁窗、海明窗等) 。 ( 4 ) 时域分析：包括统计特征的计算( 峰值、均值、方差、均方根值等) 以及振动信号的相关分析。 ( 5 ) 频域分析：对采集得到的数据作频谱分析包括f f t 分析、功率谱分 6 两华大学硕十学位论文 析等。 ( 6 ) 时频联合分析：短时傅立叶变换( s t f t ) ，可进行信号的时频联合分 析显示。 ( 7 ) 其他功能：系统是开放的，用户可以在这部分方便地扩展所需功能。 西华大学硕一 ：学位论文 2 虚拟仪器及l a b v i e w 2 1 虚拟仪器 2 1 1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器本质上是利用p c 机强大的运算能力、图形环境和在线帮助功能， 建立具有良好人机交互性能的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析与 显示，实现完全由用户自己定义、适合不同应用环境和对象的各种功能。在虚 拟仪器系统中，硬件仅仅是解决信号的输入输出问题的方法和软件赖以生存、 运行的物理环境，软件才是整个仪器的核心构件。使用者通过调整或修改仪器 的软件，便可方便地改变和增减仪器的功能和规模，甚至改变仪器的性质【1 0 1 。 传统的测量仪器主要由三个功能块组成：信号的采集与控制单元、信号的 分析与处理单元、结果的表达与输出单元。由于这些功能块基本上是由硬件或 固化的软件形式存在，仪器只能由生产厂家来定义、制造，因此传统仪器设计 复杂、灵活性差，没有摆脱独立使用、手动操作的模式，整个测试过程几乎仅 限于简单地模仿人工测试的步骤，在一些较为复杂和测试参数较多的场合下， 使用起来很不方便【1 1 1 。 上世纪八十年代末，随着计算机科学和微电子技术的迅速发展和普及，有 力地促进了多年来发展相对缓慢的仪器技术，并由此产生一个新型的仪器概念 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称为v i ) 。虚拟仪器是将现有的计算机 主流技术与革新的灵活易用的软件和高性能模块化硬件结合在一起，建立起功 能强大又灵活易变的基于计算机的测试测量与控制系统来替代传统仪器功能。 它通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强 大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器 硬件的成本和体积。 2 1 2 虚拟仪器的组成 虚拟仪器的构成包括硬件和软件两个基本要素。虚拟仪器中硬件的主要功 能是获取真实的被测信号；而软件的作用是控制实现数据采集、分析、处理、 显示等功能，并将其集成为仪器操作与运行的命令环境。 两华大学硕十学位论文 l 硬件简介 硬件是虚拟仪器工作的基础，它的主要功能是完成对被测信号的采集、传 输和显示测量的结果。虚拟仪器的硬件主要是计算机和信号采集调理部件所组 成，其中计算机包括微处理器、存储器和显示器等，它主要用来提供实时高效 的数据处理性能。计算机是虚拟仪器的硬件基础，对于工业自动控制、测试与 测量而言，计算机是功能强大、价格低廉的运行平台。由于虚拟仪器充分利用 了计算机的图形用户界面( g l ) ，所开发的具体应用程序都基于w i n d o w s 运 行环境，所以计算机的硬件配置必须合适。g u i 对计算机的c p u 运行速度、内 存大小、显示卡性能等都有最基本的要求，一般而言要使用4 8 6 以上的c p u 和 1 6 m 以上内存的计算机才能获得良好的效果。 j唐旦；罾珈驱1 - l 蚶，榍嘲盎币佑l 。 h幅丐婀理葡r 卜1 1 裂据、图豕笊集r 7 + 叫g p 田接口仪器卜叫 g p i b 接口卡 串行口仪器p l c 被计算机( 装 测 。，。l 有虚拟仪器 对 v a l l k 俯 r 7 开发软件) 象 _ - ip x i 仪器l - 现场总线( f i e l dc a n b u s ) 设备 。i 苴官计管加撕仕桁士 1 7 l 丹巳。畀咿“忧t 伙卜 f i g2 1t h ec o m p o s i n go fv i r t u a li n s t r u m e n th a r d w a r e 图2 1 虚拟仪器的硬件组成 虚拟仪器硬件组成有多种分类方法，既可以按照应用领域来分，也可以按 照测量功能来分，但是最常用的是按照构成虚拟仪器的接口总线的不同，分为 插卡式数据采集卡( d a q ) 虚拟仪器、串行接口虚拟仪器、并行接口虚拟仪器、 9 西华大学硕十学位论文 u s b 虚拟仪器、g p i b 虚拟仪器、v x i 虚拟仪器、p x i 虚拟仪器、现场总线虚 拟仪器等，如图2 1 所示l 圮j 。 ( 1 ) 插卡式数据采集卡( d a q ) 虚拟仪器 它是以信号调理电路、数据采集卡及p c 机为仪器硬件平台，采用p c i 或i s a 计算机本身的总线，将d a q 直接插i x p c 机的相应标准的总线扩展插槽即可，因 此这种虚拟仪器又f l q p c - - d a q p c i 插卡式虚拟仪器。 ( 2 ) 串行接口虚拟仪器 串行接口虚拟仪器是由s e r i a l 标准总线仪器及p c 机为仪器硬件平台，它包 括符合r s - - 2 3 2 r s 4 2 2 标准的p l c 和单片机系统。 ( 3 ) 并行接口虚拟仪器 并行接口虚拟仪器把仪器硬件集成到一个采集盒内，完成各种测量测试仪 器的功能。它可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形 发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采 集器。如美国l i n k 公司的d s 州x ) ( x 系列虚拟仪器。 ( 4 ) u s b 虚拟仪器 u s b 通用串行总线是被p c 机广泛采用的一种总线，它已被集成到计算机主 板。u s b 总线能连接1 2 7 个装置，需要一对信号线及电源线。u s b 2 0 标准的数 据传输率能达至l j 4 8 0 m b p s 。该总线具有轻巧简便、价格便宜、连接方便快捷的 特点，现在已被广泛用于宽带数字摄像机、扫描仪、打印机及存储设备。基于 u s b 总线，n i 公司推出了u s b - - 6 0 0 8 和u s b - - 6 0 0 9 等几款数据采集卡系列的虚 拟仪器【l 川。 ( 5 ) g p i b 虚拟仪器 g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 是一种国际通用的可编程仪器接口 标准，可用于可编程仪器装置之间的互连，仪器与计算机的接口，而且可广泛 用作p c 机与外设的接口。g p i b 总线即i e e e 叫4 8 总线在测量仪器的自动化过程 中起了重要的作用，其前身是h p i b 总线，后来，i e c 对它给予承认，又；i ：j ：i e c i b 总线。g p i b 提供了l o 种接口功能，数据的最高速率可达1 m b y t e 以上，传 输距离通常不超过1 0 m ，连接设备最多不超过1 5 台。采用3 线通信联络( d a v 、 n r f d 、n d a c ) 的形式，保证信息准确可靠的传递【1 2 】。 l o 西华大学硕j ：学伉论文 ( 6 ) v x i 虚拟仪器 v x i ( v m e b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t i o n ) 是v m e 总线在仪器领域的扩展， 它不仅继承了g p i b 、v m e 总线的优点，集测量、计算、通信于一体，还具有高 速、模块化的优点。与g p i b 仪器相比，v x i 模块没有前操作面板。因此，应用 v x i 总线组建测试系统必须编制虚拟的软前面板以完成对仪器系统的操作控 制，实现测试控制、数据分析、结果显示等功能，从而设计出各种操作方便的 基于图形用户界面( g u i ) 的集成测试系统。v x i 系统的组建和使用越来越方 便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合【】4 】。 ( 7 ) p x i 虚拟仪器 p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t i o n ) 是p c i 在仪器领域的发展，是n i 公司 于发布的一种新的开放性、模块化的仪器总线规范。p x i 总线方式是在p c i 总线 内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的 参考时钟，用于精确定时的星形触发总线，以使用于相邻模块的高速通讯的局 部总线。p x i 具有高度可扩展性，可扩展至u 2 5 6 个扩展槽。把台式p c 的性能价格 比和p c i 总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来主流的虚拟仪器 平台之一【15 1 。 ( 8 ) 现场总线虚拟仪器 以f i e l d b u s 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系 统。现场总线是一种工业数据总线，在智能现场设备、自动化系统之间提供了 一个全数字化的、双向的、多节点的通信链接，常用于构建测控网络。 在实际应用中虚拟仪器常用两种构成方式。一种是把带有某种接口的各种 测试设备连接到p c 上，如带有g p i b 或r s - 2 3 2 接口的测量仪表。但是，带 r s 2 3 2 接口的仪表可直接连接到p c 上，带g p i b 口的仪表还需通过p c 中内 置的g p i b 接口卡才能和p c 相连。另一种是直接把传感器的输出信号经放大调 理后送到p c 内置的专用数据采集卡，然后由软件完成数据处理。 2 软件简介 虚拟仪器技术的核心思想，就是利用计算机的软、硬件资源，使本来需要 硬件实现的技术软件化( 虚拟化) ，以便最大限度地降低系统成本，增强系统 的功能与灵活性。基于软件在v i 系统中的重要作用，n i 提出了“软件就是仪 西华大学硕上学位论文 器( t h es o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ) 的口掣1 6 1 ，并逐步提出了系统框架、驱动 程序、v i s a 、软面板、部件库等一系列软件标准，推动了虚拟仪器软件标准化 的进程。 2 1 3 虚拟仪器的优点 与传统仪器相比，虚拟仪器的优点在于： 1 将信号的分析、显示、存储、打印和其它管理集中交由计算机来处理。 由于充分利用计算机技术，完善了数据的传输、交换等性能，使得组建系统变 得更加灵活、简单。 2 强调“软件就是仪器 ，软件在仪器中充当了以往由硬件甚至整机实现 的角色。由于减少了许多随时间可能漂移、需要定期校准的分立式模拟硬件， 加上标准化总线的使用，使系统的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高。 3 仪器由用户自己定义，系统的功能、规模等均可通过软件修改、增减， 可方便地同外设、网络及其它应用连接。虚拟仪器通过提供给用户组建自己仪 器的可重用源代码库，处理模块间通讯、定时、触发等功能，强调在通用计算 机平台的基础上，通过软件和软面板，把由厂家定义的传统仪器转变为由用户 自己定义、由计算机软件和几种模块组成的专用仪器。虚拟仪器的出现，彻底 打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式，给了用户一个充分发挥自 己能力和想象力的空间。 4 用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准，使资源的可 重复利用率提高，系统组建时间缩短，功能易于扩展，管理规范，软硬件生产、 维护和开发的费用降低。虚拟仪器既可以作为单台数字式测试仪器使用，又可 以构成较为复杂的测试系统，甚至通过高速计算机网络构成分布式测试系统， 进行远程监控及故障诊断。此外，利用基于软件体系结构的虚拟仪器系统代替 基于硬件体系结构的传统仪器，还可以大大节省仪器购买、维护费用。 传统仪器的功能是由厂家定义、用户无法改变的；而在虚拟仪器中用户可 以灵活地根据自己的需要设计自己的仪器，利用通用的仪器硬件平台，调用不 同的测试软件就可构成不同功能的仪器。表2 1 对虚拟仪器和传统仪器的特点 作了一个简单的比较【1 7 】【18 1 。 西华大学硕1 二学位论文 表2 1 虚拟仪器与传统仪器 t h b l e2 1v i r t u a li n s t r u m e n ta n dt r a n d i t i o n a li n s t r u m e n t t r a n d i t i o n a li n s t r u m e n tv i r t u a li n s t r u m e n t f u n c t i o nd e f i n e db y i n s t r u m e n tm e r c h a n t f u n c t i o nd e f m e db yu s e r c o n n e c t e dw i t ho t h e ri n s t r u m e n t a t i o nc o n n e c t e dw i t hp e r i p h e r a le q u i p m e n ta n d e q u i p m e n tl i m i t e dm a n y k i n d so fi n s t r u m e n t sc o n v e n i e n t l y g r a p h i c a li n t e r f a c ea n di n f o r m a t i o n i n t e r f a c ei sg r a p h i c a l ，t h ec o m p u t e r c o n t e n ti ss m a l l ，d a t ai sr e a d d i r e c t l yr e a dt h ed a t aa n dp r o c e s s b ym a n - p o w e r t h ed a t aa r eu n a b l et oe d i tt h ed a mc a nb ee d i t e d ，s t o r e d , p r i n t e d t h eh a r d w a r ei sak e yp a r tt h es o f t w a r ei sak e yp a r t c h e a p i ti so n l y1 5t o1 1 0o f e x p e n s i v e t h et r a d i t i o n a l i n s t r u m e n t t h em o d u l eo ff u n c t i o nb a s e do n t h es y s t e mi sc l o s e d ，t h ef u n c t i o ni s f i x e d ，t h ee x p a n s i b i l i t yi sb a d c o m p u t e rt e c h n o l o g yc a nf o r m m a n yk i n d so fi n s t r u m e n t s t e c h n o l o g yi n n o v a t i o ni ss l o w t e c h n o l o g yi n n o v a t i o ni sq u i c k d e v e l o pa n ds a f e g u a r dc o s t t h es t r u c t u r eb a s e do ns o f t w a r es y s t e mc a n i se x p e m s i v es a v et h ed e v e l o p m e n tc o s tg r e a t l y 2 2l a b v i e w 开发平台介绍 l a b v i e w 是一个开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，它为设计者提供了 一个便捷、轻松的设计环境，利用它设计者可以象搭积木一样，轻松组建一个 测量系统或数据采集系统，并任意构造自己的仪器面板，而无需进行任何繁琐 的计算机程序代码的编写，从而可以大大简化程序的设计。l a b v i e w 与 v i s u a l c + + 、v i s u a lb a s i c 、l a b w i n d o w s c v i 等编程语言不同，后者采用的是基 于文本语言的程序代码，而l a b v i e w 则是使用图形化程序设计语言g