（机械电子工程专业论文）基于labview的测控技术虚拟网络实验室的研究与构建.pdf

基于l a b v le w 的测控技术虚拟网络实验室的研究与构建 摘要 随着计算机技术、多媒体技术和网络技术的发展，产生了虚拟实 验技术。本文首先介绍了虚拟仪器、虚拟实验室的发展和现状。其次， 阐述了基于l a b v i e w 的测控技术网络虚拟实验平台的构建和所用到的 关键性技术及实现。内容上，通过两条线索构建针对测控技术的虚拟 实验室。一是按知识学习顺序来安排构建了一个基于软件与个人计算 机上的基本硬件构成的可拓展式的虚拟实验平台；一是按实验项目进 行整合，通过实验室现有的硬件条件，构建的综合性实验平台。重点 阐述了网络虚拟实验平台构建中所涉及到数据采集技术、信号分析技 术、系统响应分析技术、报表技术、远程面板技术、d a t a s o c k e t 技术 等重要技术的实现方法。本文把振动模态分析实验平台作为综合性实 验中的一个典型例子重点阐述。主要包括该平台的主要构成和设计思 路、各个功能模块的设计方法与实现等。同时，对振动模态分析实验 平台在学生实验中的应用，做了一系列实例分析，并分析其测量结果。 最后，本文研究了基于a s p n e t 动态服务器主页开发工具和a d o n e t 数据存储技术。结合l a b v i e w 中的网络技术，实现了网络化虚拟实验网 站的构建。 本实验系统，针对多门机械电子与信息化的相关学科构建，合理 利用现有的实验室资源，整个实验平台的构建秉承了开放性和可拓展 性的原则，以学生教学为目的，充分调动学生的学习积极性和主观能 动性，具有较强的实用价值。 关键词：l a b v i e wm a t l a b 虚拟实验室传感器测控技术 t h es t u d yo fw e b b a s e dv i i 汀u a ll a b o r a t o r y s y s t e mo ft h en 匝a s u r e 匝n ta n dc o n t r o l t e c h n o l o g yb a s e do nl a b v i e w a bs t r a c t t h ev i r t u a le x p e r i m e n t a lt e c h n o l o g yi sg e n e r a t e d 、析t ht h e d e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y ，m u l t i m e d i aa n dn e t w o r k t e c h n o l o g y t h ef i r s to n e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n ds t a t u so ft h e t e c h n o l o g yo f t h ev i r t u a li n s t r u m e n t sa n dt h ev i r t u a le x p e r i m e n t t h es e c o n do n e ，t h i sp a p e rc o n s t r u c t sa nv i r t u a le x p e r i m e n to ft h e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g yt h r o u g ht w oc l u e s o n ei st h e k n o w l e d g el e a r n i n g o r d e rw h i c hm a k e su pa ne x p a n s i b l ev i r t u a l p l a t f o r mo f as o f t w a r ea n db a s i ch a r d w a r eo ft h ep e r s o n a lc o m p u t e r , a n d t h ea n o t h e ri sd e s i g n e db yt h ea l l a r o u n de x p e r i m e n t ，w h i c hi sb a s e db y t h el a b o r a t o r ye x i s t i n gh a r d w a r ec o n d i t i o n s t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h e n e t w o r kp l a t f o r mf o rv i r t u a le x p e r i m e n ti n v o l v e di nt h ec o n s t r u c t i o no f s o m ei m p o r t a n tt e c h n o l o g y ，s u c ha sd a t aa c q u i s i t i o n ，s i g n a la n a l y s i sa n d p r o c e s s i n g ，r e s p o n s ea n a l y s i ss y s t e m ，r e p o r tg e n e r a t i o n ，r e m o t ep a n e l a n dd a t a s o c k e t t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h ev i b r a t i o nm o d eo f i l l e x p e r i m e n t a lp l a t f o r ma sat y p i c a le x a m p l eo ft h ec o m p r e h e n s i v et e s t t h ep l a t f o r mi n c l u d e st h em a i nc o m p o n e n t sa n dd e s i g ni d e a s ，t h ev a r i o u s f u n c t i o n a lm o d u l e so ft h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n ，a n ds o o n m e a n w h i l e ，t h ev i b r a t i o nm o d eo fe x p e r i m e n t a lp l a t f o r md oas e r i e so f e x a m p l e sa n da n a l y s i so ft h e i rr e s u l t sf o r t h es t u d e n t si nt h ee x p e r i m e n t a l a p p l i c a t i o n f i n a l l y ，t h i sp a p e rs t u d i e sd y n a m i cs e r v e r sh o m ed e v e l o p m e n tt o o l s a n da d o n e td a t as t o r a g et e c h n o l o g yb a s e do nt h ea s p n e t t h i s p a p e rc o m b i n e dw i t hl a b v i e w i nn e t w o r k t e c h n o l o g y ，t oa c h i e v ea v i r t u a ln e t w o r ko ft h eb u i l d i n gs i t e t h i sp a p e rp r o p o s e dt h ec o n s t r u c t i o no ft h eb a s i ci d e a sa n d f e a s i b i l i t ys t u d y f o rt h el a t t e r ，b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no ft h eh a r d w a r e e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ea c h i e v em e t h o do f l o n g - d i s t a n c e v i r t u a l e x p e r i m e n t ，a n d f o c u s e do nh o wt oa c h i e v e l o n g r a n g ed a t aa c q u i s i t i o nb yl a b v i e w t h i se x p e r i m e n t a ls y s t e m ，c o n s t r u c t e df o rm e c h a n i c a le l e c t r o n i c s a n di n f o r m a t i o nr e l a t e dd i s c i p l i n e s ，r a t i o n a lu s e dt h ee x i s t i n gl a b o r a t o r y r e s o u r c e s ，c o n s t r u c t i o no ft h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r ma d o p tp r i n c i p l e so f o p e na n de x p a n d ，f o rt h ep u r p o s e so fs t u d e n t si n s t r u c t i o n ，f u l l y m o b i l i z et h ee n t h u s i a s mo ft h es t u d e n t st ol e a r na n ds u b j e c t i v ei n i t i a t i v e h a ss t r o n gp r a c t i c a lv a l u e i v k e yw o r d s ：l a b v i e w ；m a t l a b ；v i r t u a le x p e r i m e n t ；m e a s u r e m e n t a n dc o n t r o lt e c h n o l o g y ；s e n s o r v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明j 所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有i 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 銮喃 学位论文使用授权说明 砌彦年石月多日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，e p - 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 函p 时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：套嫡导师签名：壹耗设鼬箨易月易日 囊z 产l a b v i e 的涮控鲴科虚拟网络实验室构建问题的研究 第一章绪论 1 1 测控技术综合虚拟实验平台开发的目的和意义 测控技术是- - f - 研究测量与控制系统的综合性课程，涉及到广泛的学科类别。作为 机械电子科学实验室构建中的关键一环，包含了很多专业相关内容。在传统的实验室的 构建中，主要是以各个具体的实验项目构成，用到的测量相关仪器以传统仪器为主，如 示波器、数字信号发生器、频率计等。这样的实验方式，虽然有一定的作用，但存在着 一些弊端【l j ：学生在刚开始做实验的时候，面对复杂的实验平台，往往无从下手。对 于各种实验原理与实验方法也一知半解，更多的依赖实验老师的讲解与示范教学；对于 具体的实验硬件，不知道如何连接调试，很容易造成设备的损坏。由于学生较多，很 难同时安排实验课程，所需实验仪器设备等要求很多套数，教学成本过高，同时学生学 习的时间和地点受到限制。由于硬件条件有限，开设的实验项目受到限制，实验效果 也大大折扣。缺乏实验者相互间的交流和学习。学生往往被动接受实验，照着老师 或书本上的实验方法和原理，照葫芦画瓢的做一遍，而很少能主动自发的创造，在完成 规定的实验项目基础上，很难发挥学生的主观能动性。 为了改变这一局面，虚拟实验的概念应运而生。虚拟实验是指利用仿真技术、数学 建模技术和多媒体技术等在计算机上所营造的可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验 各操作环节的相关操作环境【2 】。它是一种创新性教学手段，借助多媒体这一现代化的教 育技术将教材中抽象的数学模型与实际结构形象的结合起来，达到理论与实际的一种虚 拟互动，形成创新性教学的理论与实践相结合的模式。测控技术是一门包含很广的综合 性的专业技术课，如果将虚拟现实技术运用到这门课中，将会给它带来新的活力。虚拟 实验室可作为传统实验的一个必要的有益补充，可辅助、部分替代甚至全部替代传统实 验各操作环节的相关操作环境。既能节约大量的教育经费，又能使实验在时间和空间上 得到有效的延伸。 另外，虚拟实验室网络化也是大势所趋。网络教育发展的关键是提高学习资源质量， 包括教学内容和教学课件的制作与开发、虚拟实验室的建立等。目前网络教育资源仍然 相对匾乏，而且内容大多以静态教材为主，动态的内容较少，而学习者如何通过网络进 行实验则是一个比较困难的问题。因此，开展网络环境下虚拟实验室的建构，丰富网络 实验资源，探究网络环境下实验模式的变化，对于推动网络教育的发展，构筑全民教育 和终身教育的体系具有重要的教育价值【3 】。 基于l a b v i e w 的测控技术虚拟网络实验室构建问题的研究 1 2 虚拟实验室的概念及其国内外研究现状 虚拟实验室概念，是由美国弗吉尼亚大学的威廉沃尔夫教授于1 9 8 9 年首先提出的， 它描述了一个计算机网络化的虚拟实验室环境，致力于构筑一个综合不同工具和技术的 信息化、网络化的集成环境在这个环境里，用户可以非常有效地利用世界上分布的各种 数据、信息、仪器设备及人力等资源【4 】。随着i n t e r n e t 无处不在的趋势越来越明显，这 种“无墙的研究中心在网络仪器，数据及资源共享，科研人员互相合作交流等方面发 挥了巨大的作用。1 9 9 9 年1 0 月1 2 日，联合国教科文组织( u n e s c o ) 将虚拟实验室定义为： 依托合适的信息通讯技术，在科研或其他以创造新成果为目标的活动中的一种超越空间 限制的联合体p j 。 目前，虚拟实验室在发达国家己十分普及。其代表性的成果主要有：美国i l l i n o i s 大学 拘n m r s c o p e 系统【6 】、印地安那州立大学的m b l 化学实验室r 丌、芝加哥伊利诺伊大学数 字化有机化学实验室、卡罗莱纳州立大学的l a a p ( l e a r na n y t i m e a n y w h e r ep h y s i c s ) 等。 在国内，虚拟实验室的建设也得到了应有的重视。目前，已有部分高校初步建立了 虚拟实验室。例如：清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统：华中理工大学机 械学院工程测试实验室将其虚拟实验室成果在网上公开展示，供远程教育使用；四川联 合大学基于虚拟仪器的设计思路，研制了“航空电台二线综合测试仪一，将8 台仪器集 成于一体，组成虚拟仪器系统嗍：复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学等一批高校， 也开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研【9 】。 1 3 虚拟仪器技术概述 虚拟仪器可以用这个定义来简要描述n ：用户自定义的基于p c 技术的仪器解决方 案。通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来，用户可通过友好的图形界面( 通 常叫做虚拟前面板) 来操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台仪器一 样，从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示和数据存储等。与传统仪器一样， 它同样划分为数据采集、数据分析处理和显示结果三大功能模块，如图1 1 所示n 。v i 以透明的方式把计算机资源( 如微处理器，内存和显示器等) 和仪器硬件( 如加，d a ， 数字i o ，定时器和信号调理等) 的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据 的分析处理、表达以及图形化用户接口 应用程序将可选的硬件( 如g p i b ，v x i ，r s 2 3 2 和d a q ) 和可重复使用的源码库 函数等软件结合起来，实现仪器模块间的通信、定时与触发、源码库函数为用户构造自 己的v i 系统提供了基本的软件模块。当用户的测试要求变化时，可以方便地由用户自 2 广西大掌硕士学位靛艺| i 于l a b v i e w 的测控参代虚拟网络实验室构建问题的研究 己来增减软件模块，或重新配置现有系统以满足系统的测试要求。当用户从一个项目转 向另一个项目时，就能简单地构造出新的v i 系统而不丢弃已有的硬件和软件资源。 a c q u i s i t i o nd m d j 呱a a n dc o n l r 0 工， 蚶a i y s i s p r e 疆n t t i o n 采集与控制 数据分析 数据表迭 或i ，g n 寸d 愆a d i g l l a ls i g n a l n 嘶0 r i 血g a c q u i s i t i o np r o c e s s 矾g网络 插入式数据采集 ， ， 数字信号处理 ， 、h a r d c o p yo u t p u t g p i b ( i e e e 4 8 8 ) 、 g p m 仪暑譬t 、 d i g l l a l f 丌承i n g 、 ， 硬拷贝输出 数字i 袁、灰 f i u ! v = 粗 s 1 ：a t i s t i c s文件f o v 仪器 统计 g r a p h i c au s e r r s - 2 3 2 。u s b n u m e k c a n 、i t 日t f a c e 串口通讯仪器 数据分析 图形用户接口 图l - i 虚拟仪器的内部功能划分 f i g l 一1i n t e r i o rf u n c t i o np a r t i t i o no f v i r t u a li n s t r u m e n t 虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。计算机硬件平台可 以是各种类型的计算机，如p c 机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。计算机 管理着虚拟仪器的软硬件资源，是虚拟仪器的硬件支撑。按照测控功能硬件的不同，虚 拟仪器可分为g p i b 、v x i 、p x i 和d a q 四种标准体系结构n 羽。 虚拟仪器的软件框架从低层到顶层，包括三部分：v i s a 库、仪器驱动程序、仪器开 发软件( 应用软件) 1 3 o 如图1 - 2 所示。 系统管理软件j 二二二三垂堕至亘重量亟口开发软件一 二二二三垂亚至垂至亟垂口 仪器驱动程序一 臼 i _ _ _ - _ _ _ - _ _ - - - - _ 一 t o 接口一 图1 - 2 虚拟仪器的软件结构 f i g l 。2t h es o f t w a r es t r u c t u r eo fv i r t u a li n s t r u m e n t 以下对软件结构作进一步说明。 3 广西大学硕士掌位论文基于la _ b v i e w 的澳i 控技术虚拟网络实验室构建问题的研究 ( 1 ) v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ns o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 虚拟仪器软件体系 结构 v i s a 体系结构是标准的i o 函数库及其相关规范的总称n 1 。一般称这个i o 函数库 为v i s a 库。它驻留于计算机系统之中执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间 的软件层连接，以实现对仪器的程序控制。它对于仪器驱动程序开发者来说是一个可调 用的操作函数集。 ( 2 ) 驱动程序 每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商以源码的形式提供给用户。 ( 3 ) 应用软件 一 应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观友好的测控 操作界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。 1 4 本文研究的主要内容 本文考虑到本科实际教学的需要，主要是针对测控技术课程，建立基于虚拟仪器软 件l a b v l e w 的虚拟实验平台，并实现其基本功能的网络化。内容上，更为充实。把测控 技术这门学科与其它学科紧密结合，构建一个综合性实验平台。涉及到的学科有：信号 分析与处理、振动分析、无损检测、设备故障检测、液压传动等。形式上，更为多样化。 有别于枯燥单一的实验内容，增加了许多趣味实验，能充分激发学生的学习积极性和创 造力。 本文的主要内容如下： 第一章介绍了虚拟实验和虚拟实验室的发展和现状，阐述了本课题研究的目的和意 义。 第二章阐述了测控技术网络虚拟实验室的总体架构，及其关键性技术的实现方法。 第三章设计与实现了振动模态分析实验平台，并对其软件的系统功能做了实验和 测试。 第四章基于l a b v i e w 的振动模态分析实验平台做了一系列实例分析，运用了简支梁 模态分析、主动隔振和被动隔振等多个学生实验中，并分析其实验结果。 第五章阐述了网络化虚拟实验平台的设计和实现方法。 第六章为总结与展望，对本次课题的研究内容和方式作一个总结概括性的结论，并 提出还需要努力完善的部分。 本实验平台的优势在于： 1 学科上的综合性。综合多门学科，构建虚拟实验平台，使学生能更为直观系统的 4 广西大掌硕士学位论文| i 于l a b v i e w 的测控量p 代曩目荻网络实验室构建问题的研究 学习。 2 实验内容上的开放性。学生可在实验平台的基础上自行设计实验，并验证结果， 能更好的调动学生的学习积极性和主动性。 3 采用虚实结合的设计方法。不再是纯粹的虚拟实验，添加了一定的硬件设备，能 更好的培养学生的动手能力。 5 基于l a b v i e w 的测控多旧虚拟网络实验室构建问题的研究 第二章基于l a b v ie w 的测控技术虚拟实验室的总体结构及其实现 的关键技术研究 2 1 基于l a b vie w 的测控技术实验室的总体设计 2 1 1 基于l a b v ie w 的测控技术实验室的构建思路 虚拟实验和传统实验各有弊益。为了扬长补短，在实验内容的设置上，本文采用虚 实相互的思路。把握真实与虚拟学习之间的知识迁移关系n 司：从真实到虚拟，指导学生 把所掌握的规则、原理等知识应用到虚拟实验中，减少学生的试误操作；从虚拟到真实， 通过虚拟实验的训练来提高学生对规则、原理的理解，引导学生将虚拟实验中所学到的 知识应用到实际操作中。从而使得虚实两者优势互补，共同促进实验教学的发展。在进 行虚实互补时，可按照以下原则来进行n 町： 1 按照知识学习顺序进行整合的原则 学生在学习新知识时应先安排一些基础的真实实验，使学生对将要用到的主要实验 仪器设备有一个真实的感觉。在进行虚拟实验时就能很好地掌握仪器的原理和性能。学 生预习实验时可选用虚拟实验，以避免因“试误而造成的人物的伤损。 2 根据实验项目进行整合 实验有以观察实验现象为主、有以验证结论为主、有以测量为主、有以理解概念和 实验原理及实验仪器使用为主的。根据实验项目的不同，教师可确定采用虚拟实验或者 真实实验。例如，对电路、电子技术、高频电路等课程的实验以虚拟现实仿真为主：课 程设计以实物实验、制作及调试为主：毕业设计则以系统设计为主综合运用虚拟现实仿 真与实物制作及调试。 本实验平台就是基于以上原则，按照知识学习顺序进行整合实验，构建了测控技术 基础教学实验平台；根据实验项目进行整合实验，构建了测控技术综合性实验平台。 2 1 2 基于l a b vie w 的测控技术基础教学综合实验平台的构建框架 本章所构建的基础教学虚拟实验平台主要针对信号分析与处理，自动控制原理，液 压原理及应用等基础课程设计开发，基于l a b v i e v 软件、m a t l a b 软件及个人计算机上的 声卡等基本硬件构成。 基础教学综合实验平台是按知识学习的顺序来安排构建的。基本的实验内容构成如 6 童i 于l a b v i e w 的测控鲴睁k 虚拟网络实验，翻勺建问题的研究 图2 - 1 所示： 图2 1 学科综合实验室的构成 f i 9 2 1t h es t r u c t u r eo fc o m p o s i t i v el a b o r a t o r y 具体内容阐述如下： l 信号的发生和分离： 包括典型信号的波形分析；多谐信号附加噪音的波形发生器；w i n d o wc o m p a r i s o n ； 多频信号发生器；公式波形信号发生器；噪声信号发生器等。 其中，典型信号的波形分析主要是通过信号类型、采样参数、频率、幅值、初始相 位、直流偏置、占空比、噪声等参数的设置，让学生观察输出波形的变化。多谐信号附 加噪音的波形发生器，主要加入了对多谐信号的设置参数，同样观测波形变化。多频信 号发生器，是在时域中发生一组频率幅值不同的波形，通过f f t 变化，观测其在频域中 的波形。公式波形信号发生器，主要针对具体的公式，发生对应的波形信号。噪声信号 发生器，通过选择不同的噪音和加窗、观测其时域频域内的波形。 2 声卡相关： 包括基于声卡的虚拟示波器；模拟输入输出；声卡示波器：s o u n dc a r da u t o p o w e r s p e c t r u m ；声卡数据采集分析系统等。 本模块把计算机声卡信号作为数据源采集，并进行一系列信号分析。其中，基于声 卡的虚拟示波器，主要是通过虚拟左右声道的数据采集、标定，显示其波形图和频谱图 等。声卡自功率谱分析，主要求波形信号的自功率谱。声卡数据采集分析系统，同样通 7 广西大掣炙士掌位论文| i 于l a b v l e w 的测控捌p 1 0 虚拟网络实验室构建问题的研究 过声卡的数据采集，对采集得来的信号进行滤波前后的f f t 幅值相位谱分析、自相关分 析、功率谱分析等。 3 谱分析： 包括典型信号的f f t 谱分析；典型信号的谱分析等。 本模块自定义函数发生器，然后对其进行不同的谱分析方法，比较结果，让学生对 谱分析的原理，图形更为熟悉。典型信号f f t 谱分析前面板，该程序主要通过用户选择 原始信号的类型，参数设置( 包括频率，幅值，初始相位，直流偏置，方波占空比，噪 声种子，噪声标准差等) ，采样信息，谱分析方法选择，加窗函数选择等，观察不同的 原始信号，其对应的实频图和虚频图。典型信号的谱分析对同样的时域信号，通过单边 自功率谱，双边自功率谱，幅相谱分析三种不同方法所得出的曲线比较。幅相谱分析函 数加入了f f t 变换后的幅相谱分析。 4 滤波： 本实验平台包括多次滤波；高通滤波器；滤波器；s i g n a lg e n e r a t i o na n d p r o c e s s i n g ；频率响应函数与数字滤波；相关滤波等。 其中，信号发生与滤波处理程序，显示了通过对不同信号的发生设置、滤波器类型 选择设置、加窗选择，观察采集到的波形、滤波后的波形及其功率谱。输入控制多次滤 波设置实验，显示了输入控制及多次滤波以后信号的时域图和频域图。叠加噪声信号后 的滤波实验，自定义不同的噪音叠加类型，观察不同滤波器的滤波效果。模拟自相关滤 波器实验，通过多路信号的参数设置，模拟其相关滤波后结果曲线图。 5 调制解调： 包括调幅解调器；调频解调器等。 “调制是使信号f ( t ) 控制载波的某一个( 或几个) 参数，使这个参数按照信号 f ( t ) 的规律变化的过程。载波可以是正弦波或脉冲序列n 订。以正弦波信号作为载波调制 叫做连续波( c w ) 调制。调制过程的逆过程叫做解调或反调制。调制过程是一个频谱搬 移过程，它是将低频信号的频谱搬移到载频位置。如果要在接收端恢复信号，就要从已 调信号的频谱中，将位于载频信号频谱再搬回来。调幅解调器程序，采用的滤波法产生 单边带信号进行调幅。 6 相关分析： 本实验平台包括典型信号的相关分析；互相关分析；自相关分析；卷积与相关分析； 相关法测周期信号；相关法测相位差等。 典型信号子相关实验，主要通过改变信号类型和一系列参数，如：频率、幅值、初 始相位、直流偏置、方波占空比等，观察其子相关函数的波形曲线。 互相关实验，主要通过设置双通道中信号的频率和相位观察其互相关函数的波形曲 3 广西大掌硕士学位论文基于l a b v i e w 的测控技术鹰擞网络实验室构建问题的研究 线。 卷积与相关分析实验，通过设定x 信号，y 信号类型、频率、幅值、初始相位、占 空比等参数，选择分析方法( 包括卷积、反卷积、相关、互相关等) ，观测其不同的结 果曲线。 同时，还有两个相关法的应用实验，分别为相关法求相位差和测周期信号。 7 液压传动虚拟实验： 包括液压泵性能实验；溢流阀性能实验：调速回路性能实验；液压基本回路实验等。 本实验平台旨在原有实验台的基础上，将先进的虚拟仪器技术引入液压实验台的实 验测试与控制中，将机一电一液融为一体，以l a b v i e w 软件为工具，开发研制基于虚拟仪 器的液压实验台的测试与控制系统，实现液压元件的性能参数测试、液压回路控制、数 据采集等方面的自动化、智能化。使改造后的液压实验平台即能更好的发挥原有的实验 功能，又能拓宽其在液压测试与控制实验中的应用，以满足学院对液压实验、教学的多 种需要。 8 控制系统的时域响应分析： 大多数系统的响应都是基于时间来观察的，将一个标准测试信号当作系统的输入， 观察系统的输出相应，比较系统实际的输出响应与期望的输出响应间的差异来决定系统 的性能。实际上，大多数的系统也用时域响应来评估其性能。 本实验主要是通过比例增益，时间常数，固有频率，阻尼比等参数的设置求一阶、 二阶系统的脉冲响应，阶跃响应，斜坡响应曲线等。 9 控制系统的频域响应分析： 采用时域响应法来观察控制系统的性能是比较直接的，它所代表的物理意义也比较 明显，但对于高阶系统，不但它的时域响应解不以求得，而且也不易分析参数对系统时 域响应的影响。 采用频率响应分析法，在一定程度上可以克服时域响应法的缺点，尤其是在分析与 设计控制系统上。从频率相应图上，可以很直观地观察控制系统的稳定性与性能，若是 系统的性能无法满足规格的要求，则可以设计控制器来修改系统的频率响应图来改进系 统的性能，对于高阶系统也是如此，因此借助频率响应图，可以简化控制系统的分析与 设计。 本实验主要通过系统的传递函数，求系统的b o d e 图，n y q u i s t 图，零极点分布图， 频率响应图，性能指标等。 1 0 控制系统的稳定性分析： 本实验主要通过系统的传递函数，求系统稳定性，零极点分布图，零极点数值显示， 阶跃响应，阶跃响应的性能指标等。 墓于l a b v i e w 的测控技术葺目义网络实验室构建问题的研究 1 1 趣味实验： 为了增加实验的趣味性，本实验平台还增加一些趣味性实验，包括信号幅值计算： 虚拟示波器；李沙育图；水箱模型；过程控制；机械手模拟；魔方等。 通过这些趣味性实验，一方面让学生在实验中可以进行一些趣味性的小游戏，寓教 于乐；另一方面可以向学生展示l a b v i e w 的强大功能，增强学生对这个软件的兴趣和 信心。 本综合学科虚拟实验室的实验流程如图2 2 所示： 图2 2 综合虚拟实验室流程图 f i 9 2 2t h ef l o vo fc o m p o s i t i v ev i r t u a ll a b o r a t o r y 由于本实验采用开放性结构，对于新的教学需求，也可以编写更多的程序放入本教 学系统。本系统平台的前面板采用层叠式，直观方便，便于选择具体的实验项目。其前 面板设计如图2 - 3 所示。每一页都能方便添加同种类型的新的实验，同时，也可以直接 添加新的页，作为新的实验项目类型。 1 0 | ；于l a b v i e w 的涮担喇氮术囊撒网络实验室构建问题的研究 虚拟实验j f 台 最抗日期j 累妩时间 ：二薹i ：= 图2 3 针对基础教学的虚拟实验平台前面板 f i 9 2 3t h ef r o n tp a n e lo fv i r t u a li n s t r u m e n tf o rb a s i ct e a c h i n g 2 1 3 基于l a b v ie w 的测控技术综合性实验平台设计的构建框架 目前开发的综合性实验平台，针对振动分析、故障诊断技术、传感器技术、无损检 测、电机控制、数控技术等多门专业课程，包含如下综合性实验： l 转子实验平台： 设计目的是让学生掌握回转机械转速，振动，轴心轨迹测量方法，了解回转机械动 平衡的概念和原理。包括磁电传感器测量转速；光电传感器测量转速；转子实验台底座 振动测量实验；单面现场动平衡的三点加重法；转子轴心轨迹测量实验等。 2 模态分析实验平台： 设计目的是让学生了解振动分析的基本原理和方法，完成一系列的振动分析实验。 3 无损检测实验平台 设计目的是让学生了解无损检测的概念和基本方法。 4 称重实验平台 通过本实验让学生了解用应变片测力环制作电子称进行物品承重，掌握对称重实验 台进行定标和测量误差修正的方法。 5 步进电机控制实验平台 控制步进电机的启停及正反转等运行情况。实验的设计目的是让学生了解电机控制 的基本原理。 6 数控机床位置检测与控制实验平台 通过本实验让学生了解光栅尺的使用原理和使用方法，了解l a b v l e w 软件中串口 通讯的基本方法。 广西大学硕士学位论文 墓于l a b v i e w 的测控技术虚拟网络实验室构建问题的研究 2 2 数据采集技术及实现 2 2 ，1 数据采集的基本原理 基于虚拟仪器的测试系统典型的硬件结构为：传感器一信号调理器一数据采集设备 一计算机。传感器将被测量的温度、压力、位移等各种物理量转换为电量；信号调理器 对电信号进行放大、滤波、隔离等预处理；数据采集设备主要功能是将模拟信号转换为 数字信号，此外一般还有放大、采样保持、多路复用等功能n 羽。 数据采集是测量系统最主要的基础环节，根据信号的特征和测量目的，模拟信号可 以分为3 类n 町： a 对于随时间缓慢变化的信号，例如容器的液位、对象的温度等，通常叫做直流 信号。对直流信号一般只需要比较慢的采样率。 b 对于随时间变化较快的信号，如果需要了解它的波形，则把它作为一个时域信号 来处理。这时候需要比较高的采样频率。例如要检测一个快速的脉冲，采样周期必须小 于脉冲周期。如果关心这个脉冲的上升时间的话，就应该用更高的采样率。 c 对于随时间变化较快的信号，如果需要了解它的频率成分，则把它作为一个频域 信号来处理。根据“奈奎斯特 理论，要得到准确的频率信息，采样率必须大于信号最 高频率成分的两倍。采样率的一半叫“奈奎斯特 频率。这实际上意味着对于最高频率 的信号成分每一个周期只采样两个数据点，这对于描述信号的波形是远远不够的。工程 实际中一般使用信号最高频率成分4 - - 1 0 倍的采样率。 数据采集设备主要指标有：采样率、分辨率、通道数、同步采样、模拟输出、数字 输入输出触发等踟。 2 2 2 通过n i - d a q m x 进行数据采集 数据采集系统一般由数据采集硬件、硬件驱动程序和数据采集函数三个部分组成 r f t o 在l a b v i e w 中，数据采集v i 主要位于n im e a s u r e m e n t s 子模板，在这个子模板中， 又分别有d a t aa c q u i s i t i o n 和d a q m x d a t aa c q u i s i t i o n 两个子模板，其中前者是传统的 数据采集v i ，后者是数据采集d a q m x 类型的数据采集。传统类型的数据采集v i 面向单个数据采集卡直接采进信号的电压值，其操作对象是单个的数据采集卡；而 d a q m x 类型的数据采集v i 可以面向多个数据采集卡，其操作对象是信号输入或输出通 道，并且采进来的电压值可以根据预先给定的规则变换成实际的物理量值，如位移、应 变等。 1 2 广西大掌硕士掌位论文基于l a b v i e w 的涮控野p k 虚拟网络实验室构建问题的研究 d a q m x 其实是n i 公司开发的测量服务软件，我们可以把测量服务软件看作是i o 驱动软件层，然而它不仅仅是一个驱动。测量服务是快速应用程序开发中最为重要的部 分之一。这个软件提供了虚拟仪器软件和硬件之间的连通性以用于测量和控制。直观的 应用程序编程接口( a p i ) 、仪器驱动、配置工具、快速加助手和其他包含在所购买的 n i 硬件中的软件是它的特色蚴。 基于d a q m x 数据采集系统总体结构如图2 _ 4 所示嘲。 图2 4 基于n i - d a q m x 的数据采集系统 f i 萨- 4t h ed a t ag a t h e rs y s t e mb a s e do nn i - d a q m x 对于快速变化的信号，为了精确测量它的波形，我们一般需要用信号最高频率成分 5 到l o 倍的采样频率进行信号采集。使用过高的采样频率会消耗大量系统资源，并增加 信号处理所用的时间。根据实际需要可以一次采集一定数量的信号然后进行分析。也可 以连续的进行数据采集，边采集边分析。根据被测试对象的多少，又分为单通道采集和 多通道采集。在数据采集中我们提到的“波形是指信号的时域表达。在简支梁模态分 析实验系统中，就是用到基于n i d a q m x 数据采集系统来采集波形信号。使用d a q m x 进行波形采集编程要远比传统d a q 快捷，因为我们可以通过m a x 或数据采集助手进 行数据采集设置，然后由l a b v i e w 自动生成代码。这里对该程序的设计方法做一个简 要介绍。 连续采集波形数据时，在d a q 助手中，t a s kt i m i n g 项里面选a c q u i r ec o n t i n u o u s l y 。 生成的程序代码略作修改可得d a q m x 连续采集波形的程序框图如下2 5 所示： 1 3 广西大学硕士掌位论文基于l a b v i e w 的渭归空技术虚拟网络实验室构建问题的研究 图2 5 连续波形采集的程序框图 f i 9 2 5t h ef i go fs e r i e sw a v eg a t h e r 在测试任务t a s k 中，可以设置一系列信息集合。包括一个或多个通道以及定时、 触发等属性。简支梁模态分析实验平台，输入通道为两路。数据采集卡的型号为n i 6 2 2 9 。 通过接入标准函数发生器a 、b 通道进行调试，调节函数发生器中的频率、幅值，波形， 观测其波形信号和其频率、幅值的变化情况。其测量前面板如图2 6 所示： j j i i j 矗泛i ；| i 矗? 溢一i 爹ij j 鬻誊j j 攀鬻； ；鬻霉j 鬻i ? ”孝薯0 i 、薯；鬻一 i 媾i m i a i 。枷1 y 蛙豫蛾鬃鬟 i 耩矿：瀵 貔理通道渡形采集 p l a y , i = i a l ；妥溢。i ； 蚕 麟 图2 - 6 波形信号采集前面板 f i 9 2 6t h ef r o n t p a n e lo fw a v esi g n a lg a t h e r 图中，两条曲线分别表示函数发生器中的a 、b 通道，通过数据采集卡的a i o 、a 1 1 口采集。其频率分别为5 0 h z 和i o o h z ，幅值( 峰峰值) 为1 v 。由图可以看出，本程序能 完成双通道数据采集的功能，误差在可允许范围内。 熬 | i 于l a b v i e w 的测控技术虚拟网络实验室构建问题的研究 2 2 3 在l a b v ie w 中调用外部数据采集卡的驱动 l a b v l e w 提供了大量的数据采集子程序，这些子程序从简单到高级，可以提供给用 户使用。但这些子程序只支持n i 的数据采集( d a q ) 卡以及少数公司开发的支持l a b v i e w 平 台的数据采集卡，而且这些卡的价格昂贵。因此，为了能在l a b v i e w 平台上使用普通数 据采集卡，我们在这里自己开发动态链接库文件( d l l ) ，通过l a b v i e w 所提供的调用库 函数功能节点( c a l ll i b r a r yf u n c t i o n ) 来实现应用普通卡采集数据的功能。 动态链接库( d l l ) 是一种应用程序在运行时与库文件连接起来的技术。动态链接库 是包含共享函数库的二进制文件，可以被多个应用程序同时使用。它是在应用程序运 行时被装入和链接的，而不是把源代码复制到应用程序中去，因此使用d l l 可以实现多 个应用程序之间代码和资源的共享。建立应用程序的可执行文件时，不必将d l l 链接到 应用程序中，而是在运行时动态装载d l l ，装载d l l 映射到调用进程的地址空间中来。 d l l 中定义有两种函数嘲：导出函数( e x p o r tf u n c t i o n ) ，可以被其他