（机械电子工程专业论文）基于labview的汽车nvh测试分析系统设计.pdf

基于l a b v i e w 的汽车n v i ：i 测试分析系统设计 摘要 汽车的n v h 特性反映了汽车的制造水平，随着汽车工业的发展和激烈的市 场竞争，对汽车n v h 的试验研究逐步引起重视。同时，随着计算机和软件技术 的快速发展，虚拟仪器正在逐渐成为测试领域的发展方向。在充分利用虚拟仪 器技术优势的基础上，本课题开发了用于汽车n v h 测试分析的虚拟仪器系统。 论文首先分析了汽车n v h 研究对人们生产生活的重要意义，然后对测试仪 器的发展、虚拟仪器技术以及l a b v e i w 软件进行了简要的介绍。在梳理了噪声 和振动信号测试分析知识的基础上，阐述了汽车n v h 测试分析系统的开发过 程，并对部分软件功能的实现做了详细的分析。结合汽车n v h 测试数据介绍了 系统的数据采集功能、时域分析和频域分析功能，并特别对阶次分析功能在汽 车n v h 测试中的应用进行了探索。 论文最后针对某型号汽车开展实验研究，验证开发的虚拟仪器系统数据采 集和部分分析功能，并在总结当前工作的基础上对未来工作做了展望。 关键词：虚拟仪器，n v h ，阶次分析，l a b i w t h ed e s i g no ft h ev e h i c l en v hm e a s u r e m e n ta n d a n a l y s i s s y s t e mb a s e do nl a b v i e w a b s t r a c t t h ev e h i c l en v hc h a r a c t e r i s t i ch a dr e t i e c t e di t sm a n u f a c t u r e1 e v e l t h ev e h i c l e n v he x p e r i m e n t a ls t u d yg r a d u a l l yw a sr e g a r d e da l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e v e h i c l ei n d u s t r ya n dt h ei n t e n s em a r k c tc o m p e t i t i o n a tt h es a n l et i m e ，w i t hf a s t d e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e ra n dt h es o f t w a r et e c h n o l o g y , t h ev i r t u a li n s t r u m e n t 豇a d u a l l yi sb e c o m i n gt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fm e a s u r e m e n td o m a i n i nt h ef u l l u s eo ft h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , t h i st o p i cd e v e l o p e dt h ev i r t u a li n s t r u m e n t s y s t e mt h a ti su s e di nt h ev e h i c l en v ht e s ta n a l y s i s t h ep a d e rf i r s ta n a l y z e dv i t a ls i g n i f i c a n c eo ft h ev e h i e l en v hr e s e a r c ht o p e o p l e t h e nt oi n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n to ft 1 1 em e a s u r i n gi n s t r u m e n t t h ev i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g y 嬲w e l la st h el a b v e i ws o f t w a r e b f i e t i y h a v i n gc o m b e dt h e t e s ta n a l y s i sk n o w l e d g eo f t h en o i s ea n dt h ev i b r a t i o ns i g n a l ，t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s o ft h ev e h i c l en v ht e s t i n ga n da n a l y s i ss y s t e mw a se l a b o r a t e d ，a n ds o m es o f t w a r e f u n c t i o nw a sc o n s t r u e d 。d e t a i l e d l y w k l e 也ed a t aa c q u i s i t i o nf u n c t i o n t h et i m e d o m a i na n a l y s i sa n df r e q u e n c yd o m a l na n a l y s i sf u n c t i o nw a si n t r o d u t e d ，t h et e s td a t a w a su s e d a n dt h ee x p l o r a t i o no f t h eo r d e ra n a l y s i sw a sc a r r i e do ni nt h ev e h i c l en v h t e s ta p p l i c a t i o n f i n a l l y , t h ep a p e rc a r r i e do u tt h ee x p e r i m e n t a ls t u d ya i m e da ts o m ev e h i c l e ，t o v a l i d a t et h ed a t aa c q u i s i t i o na n ds o m ea n a l y s i sf u n c t i o n so ft h ed e v e l o p e dv i r t u a l i n s t r u m e n ts y s t e m a n dt h e nf u r t h e rc o n s i d e r a t i o ni sg i v e nb a s e do ns u m m a r i z i n g c u r r e n tw o r ki nt h ee n do f t h ep a d e l - k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，n v h ，o r d e ra n a l y s i s ，l a b v i e w 图2 - 1 测试系统结构框图 插图清单 图2 - 2 虚拟仪器的内部功能划分 图2 - 3 虚拟仪器与传统仪器的构成元素比较 图2 4 虚拟仪器构成图 图2 - 5p c - d a q 型结构的虚拟仪器系统 图2 - 6 软件系统结构 。4 6 7 图3 - 1 信号分类 图3 - 2 位移、速度和加速度关系 图4 - l 信号采样过程 图4 - 2 信号采样过程时域频域示意图 图牟3 频率混淆现象示意图 l o 1 3 1 6 图4 4a d 转换器分辨率比较示意图。 图4 - 5 信号的触发采集 图4 - 6 系统硬件原理图 2 9 图4 - 7 压电式加速度传感器结构图。 图4 - 8 电容式传声器结构示意图 图4 - 9 定时和触发总线示意图 2 9 3 0 3 2 3 2 3 4 图4 1 0 系统总体结构图 图4 - 1 1 主程序界面的程序框图 图4 1 2v is e r v e r 技术实例3 9 图4 1 3 参数设定前面板图4 0 图4 - 1 4 测量加速度信号的多虚拟通道配置的程序框图。4 2 图4 - 1 5 创建虚拟通道。4 2 图4 - 1 6 采样任务定时设置函数4 3 图4 - 1 7 触发参数设置函数。4 3 图4 1 8 开始采集任务函数 图4 - 1 9 读取采样数据函数 图4 - 2 0 停止任务函数 图4 - 2 1 清除任务函数 4 3 4 3 图4 - 2 2 多触发数据采集存储流程 图4 - 2 3 文件列表显示选择一个 图4 2 4 添加属性到波形数据 图5 1 图5 - 2 4 4 4 4 4 5 两个通道数据选择面板。4 8 划分波形数据为许多个数组y 的大小相同的波形数据4 9 图5 3 各种计权和平均方式选择的声级计算程序框图 图5 - 4 波形数据合并程序框图。 图5 - 51 3 倍频程分析 5 0 5 l 图5 - 6b a s e b a n df f t 分析前面板5 2 图5 7b a s e b a n ds u b s e t 分析前面板5 2 图5 - 8z o o m f f t 分析前面板 图5 - 9 基带f r f 分析的部分程序框图5 4 图5 1 0 测试系统示意图。 i 图5 1 l 多次触发数据采集程序框图。 图5 1 2 激励信号时域波形 图5 1 3 响应信号时域波形 图5 1 4 激励信号的自功率谱图 图5 - 1 5 测试结果的频率响应函数 图6 - l 等时间采样与等回转角采样时域和频域对比。 图6 - 2 速度轮廓图 5 5 5 5 5 6 5 6 5 7 5 9 印 图6 - 3 时间一频率分析图 图6 - 4 频率一转速分析图 图6 - 5 转速一阶比分析图 6 l 图6 - 8 左悬置z 向车身侧2 阶振动的时间一振幅曲线 6 4 6 4 图6 - 9 左悬置z 向发动机侧2 阶振动的时间一振幅曲线6 5 图6 - 1 0 左悬置z 向车身侧e x t r a c t i n g o r d e r w a v e f o r m s 分析 i i 表格清单 表2 - l 传统测量仪器与虚拟测量仪器比较 表3 1 位移、速度和加速度关系。 表4 - 1a d t l 4 1 0 0 加速度传感器性能指标参数 i 8 2 7 3 5 独创性声明 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。据我所知，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 佥月b 王些盔堂 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己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 丽撙 期：z 晰对月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥筵工业太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金艘 王些太堂可以将学位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 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：甲兵矗7 孕 蝴眦0 0 7 年j 月率 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：北京东方噪声与振动技术研究所 通讯地址：北京市海淀区上地科贸大厦5 1 6 号 导师签名 签字嗍2 0 0 7 呼瑶 电话： 邮编：1 0 0 0 8 5 致谢 本论文完成之际，首先要衷心地感谢我的导师陈剑教授、东方所应怀樵教授 在我的研究生学习阶段所给予我的关心和耐心细致的指导。导师渊博的知识、严 谨的治学态度、精辟的学术见解、高尚的师德以及和蔼可亲的为人一直深深地影 响着我和激励着我，成为我人生路上最宝贵的财富之一。导师不仅在学术上给予 我悉心的指导和帮助，而且在生活上也给予我许多关怀和帮助，在今后的学习、 工作和生活中我将切实铭记导师的教诲，在这里再一次向他们表示最真诚的感谢 和最崇高的敬意。 衷心感谢毕传兴老师和徐小军老师对我的关心和帮助，与他们的交流对于我 的研究方向的确立和试验的开展有着重要的作用。 衷心地感谢东方所应明所长对我的指导和关怀；感谢东方所刘进明工程师、 赵增欣工程师、刘维瑾工程师、谭静工程师、董书伟工程师、王亚涛工程师等同 事的帮助，感谢沈松师兄、博士生李磊、张占一以及张彬同学的指导和帮助。 在三年的硕士研究生的学习和工作中，我与钟秤平、汪念平、李令兵、吴赵 生、范习民、高煜等同学之间互相交流、互相关心、互相帮助。在论文的撰写期 间也得到他们的帮助，在此表示感谢。 在系统开发的过程中，董斌、韩晓峰师弟对我的工作也给予了极大的支持。 在开发遇到困难时，和他们的讨论使我受益匪浅。在此，向他们表示由衷的感谢l 同时，感谢全体n v h 研究室的老师和同学在学习和生活中给予的支持和帮助。 当然，还要感谢我的家人和朋友对我的支持和鼓励，我取得的每一点进步都 离不开他们的关心和帮助；特别感谢我的女朋友文燕对我学业的支持。 最后，向所有关心和支持我完成学业的老师、亲人、同学和朋友表示感谢l 作者：陈辉 2 0 0 7 年4 月 第一章绪论 1 1 开发基于l 曲e w 的汽车n v h 测试分析系统的意义 随着经济的发展和生活水平的提高，人们对汽车的要求不仅仅是代步而且对 其乘坐舒适性也有了更高的要求。而影响车辆乘坐舒适性的主要因素是汽车的 n v h 特性，n v h i i 是指n o i s e ( 噪声) 、v i b r a t i o n ( 振动) 和h a r s h n e s s ( 声振粗糙度) 。 世界汽车市场竞争十分激烈，在每个市场层次上都充斥着各生产商推出的功能上 大同小异的类似车型。消费者挑选汽车时往往首先感受的除了外观之外，就是驾 驶或乘坐汽车时的振动和噪声状态及汽车的平顺性，或者说是在有意无意地比较 其n v h 特性控制水平。汽车n v h 水平已经成为评价汽车性能的一个重要指标。 同时，汽车噪声对环境的污染和人们健康的影响已经被社会广泛关注，世界许多 国家都制定了一系列的标准与法规对车内外噪声进行了严格的限制。早在上个世 纪6 0 年代发达国家就制定了限制汽车噪声的法规，而且每6 年左右修改一次， 每修改一次限值下降2 3 d b ( a ) 1 2 。2 0 0 2 年我国也出台了新的汽车加速通过噪声 限制法规【3 】，把我国汽车噪声水平与国外的差距缩小到8 年左右。此外，车辆在 行驶或怠速时强烈的整车振动，使车上零部件磨损加快、甚至易发生松动脱落的 危险，严重威胁到车辆的使用寿命、可靠性和安全性。可以说，汽车的n v h 水 平已经成为影响汽车设计、制造与销售的一个极其重要的因素。 在世界范围内，汽车n v h 特性控制作为汽车设计、制造方面的一个重要课 题，正逐渐受到各个汽车制造商的广泛重视【4 】。汽车n v h 特性的研究主要是从 两个方面着手：即汽车n v h 设计流程和测试实验验证。它根据客户需求，结合 现有开发资源和手段，进行整车车身模型设计与测试实验验证、车身空气动力学 特性设计与目标值测试实验验证、车内振动和噪声目标值水平设计与测试实验验 证以及车内舒适性目标值设计与测试实验验证。可以说测试试验验证起到两方面 的作用，一是n v h 设计目标值的检验；二是n v h 治理结果的检验。而从本质 上讲，汽车n v h 特性研究的就是汽车的振动和噪声问题【5 】。因此，汽车的车内 外振动和噪声测试则成为了汽车n v h 特性研究的基础。 因此，开发方便灵活的测试分析系统，为汽车振动和噪声的研究和治理提供 准确的测量数据和分析结果，对于提高汽车产品质量、保护城市环境、满足消费 者和市场需求等方面有着重大意义。 1 2 测试技术与测试仪器的发展与现状 测试的基本任务是获取有用的信息；而仪器是人类认识世界的基本工具，也 是信息社会人们获取信息的主要手段之一【6 】。因此，测试技术的发展是通过测试 仪器的发展体现出来的。而科学技术的发展往往是和测试技术的发展紧密联系在 一起的，许多重大科学成果是靠新的试验手段获得的，拥有先进的科学实验手段 是科学技术现代化的一个重要标志，对于汽车工业同样如此。随着科学技术的发 展，汽车结构不断完善，性能不断提高，现代汽车性能在满足了使用者日益提高 的要求的同时，还在不断被改进，各方面的功能和性能都日趋完善。相应地，对 汽车领域的测试技术和测试仪器的要求也是不断提高。而测试仪器与测试技术的 发展，反过来又会促进汽车技术的发展。 随着r r 产业和信息化技术的迅猛发展，测试技术和测试仪器也有了巨大的 变革。测试仪器发展至今，经历了模拟仪器、分立元件仪器、数字化仪器、智能 化仪器四代发展历程 7 1 。 第一代模拟仪器是以电磁感应基本定律为基础的模拟指针式仪表，如指 针式万用表、指针式电压表、指针式电流表等，这类指针式仪器借助指针来显示 最终结果。 2 0 世纪5 0 年代出现电子管，6 0 年代出现晶体管，便产生了以电子管或 晶体管为基础的测试仪器一分立元件式仪表。 2 0 世纪7 0 年代集成电路的出现，产生了以集成电路芯片为基础的数字式 仪器。这类仪器目前相当普及如数字电压表、数字频率计等。这类仪器将模拟信 号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和 较高标准的测量。 2 0 世纪8 0 年代随着微电子技术的发展和微处理器的普及，出现了智能式 仪器。这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试，又具有一定的数据处理功能， 可代替部分脑力劳动。其缺点是它的功能块全部以硬件( 或固化的软件) 的形式存 在，无论开发还是应用都缺乏灵活性。 其间，微电子学和计算机技术对仪器技术的发展起了巨大的推动作用罔。目 前，由测试技术与计算机深层次的结合正在引起测试仪器领域里一场新的革命， 一种全新的仪器结构概念导致新一代仪器虚拟仪器的出现。虚拟仪器的出 现，不但可以有效降低测试、测量系统的成本，共享测试系统的硬件和软件资源， 而且可以提高开发效率；虚拟仪器逐渐成为测试系统和测量仪器的发展方向【9 】。 1 3 本文的来源和主要内容 本课题是某公司汽车n v h 正向设计流程和实施规范的一部分。该项目通过 对某车型存在的n v h 问题进行测试和分析，发现存在的主要问题并提出相应的 整改措施，提高整车的n v h 性能。对汽车n v h 整体水平的认识则主要依靠测 试测量仪器和相关的分析。如果所测量的数据误差较大，或者对数据的分析方法 不正确，那就不能真实地反映汽车n v h 水平的真实状况。因此，作者尝试将发 展十分迅速的虚拟仪器技术应用到汽车测试领域当中，将虚拟仪器与测试技术相 结合，研究虚拟测试分析系统。目前，l a b v i e w 是最流行的虚拟仪器开发平台 1 0 1 。本文主要研究用l a b v i e w 来开发虚拟测试分析系统，该系统能够用于汽车 n v h 水平设计目标值的测试实验验证以及整改效果的试验验证。 本文是对虚拟仪器技术在汽车测试领域应用的一次探索。论文在介绍了测试 2 技术和虚拟仪器技术的基础上，阐述了利用虚拟仪器在汽车n v h 测试分析领域 开发基于l a b v i e w 的汽车n v h 测试分析系统的过程文章分别对测试系统的 硬件系统和软件系统开发做了介绍，着重对测试分析软件开发过程中关于数据采 集、数据存储以及数据的分析与显示等几个重要环节作了详细的阐述，并介绍了 在软件开发过程中采用的一些关键技术，以及阶次分析在汽车n v h 测试领域应 用的探索。根据以上内容，本文的主要结构安排如下： 第一章：介绍了将虚拟仪器技术引入汽车n v h 测试领域的重要意义，并介 绍了测试技术与测试仪器的发展与现状。 第二章：介绍了虚拟仪器技术，主要包括虚拟仪器的概念、特点以及虚拟仪 器的国内外现状和发展趋势。同时，本章还介绍了虚拟仪器的硬件构成以及软件 开发平台l a b v m w ；这些都是应用虚拟仪器开发汽车测试分析系统的优势 所在。 第三章：介绍了n v - 测试分析方法原理。从最基本的信号分类和信号的分 析与处理引入噪声和振动信号的测试测量与分析。主要讲述了汽车噪声的概况， 噪声的物理度量，汽车噪声测量方法以及振动测量的原理、方法和内容等。 第四章：介绍了虚拟测试分析系统的设计开发，主要从硬件设计和软件设计 两个方面进行了介绍。重点讲述了软件设计部分，包括系统的总体设计、主要功 能模块的设计与实现。 第五章：详细介绍了系统的数据分析模块的实现、分析时的注意事项；并结 合实测的实验数据用分析模块进行分析。最后用锤击实验验证了数据采集模块和 有关分析模块的功能，得到较为满意的结果。 第六章：在简要介绍了阶次分析理论的基础上，结合某汽车的定置匀加速扫 描振动噪声测试实验数据，详细阐述了阶次分析的四种分析方法以及它们的功 能，并对它们在汽车n v h 测试分析中的相互搭配使用进行了探讨。 第七章：对论文工作进行总结，提出存在的不足，对下一步能够开展的工作 计划进行展望。 3 第二章虚拟仪器技术 随着计算机技术的高速发展，传统仪器开始向计算机化方向发展。以计算机 为核心，计算机软件技术与测试系统的有机结合，产生了新的仪器概念即虚拟仪 器。 2 1 测试系统介绍 一般情况下，个测试系统的组成可用下图所示的框图来表示。测试系统的 组成与研究任务有关，并不一定都包含图2 1 所示的所有环节，其中虚线部分表 示可选。 图2 1 测试系统结构框图 下面对系统得每个组成部分作介绍【n 1 ： 1 、激励源 向被测对象输入能量，激发出能充分表征有关信息又便于检测的信号。有些 试验，被测对象在适当的工作状态下可产生所需的信号。而某些试验，则需用外 部激励装置对被测对象进行激励。如机床振动模态试验，需用专门的激振器对机 床激振。 2 、传感器【1 e l 能感受规定的被测量的量并按一定规律转换成同一种或另一种输出信号的 器件或装置。传感器通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件直接感受被测量， 转换元件将敏感元件的输出转换为适于传输和测量的信号。许多传感器中这二者 是合为一体的。 3 、信号的中间变换 将传感器输出信号转换成便于传输和处理的规范信号。因为传感器输出信号 一般是微弱且混有噪音的信号，不便于处理、传输或记录，所以一般要经过调制， 放大、解调和滤波等调理，或作进一步的变换，如将阻抗的变化转换为电压或频 率的变化，将模拟信号转换为数字信号等。 一些重要测试项目，需要将变换后的信号记录下来，作原始资料保存，或显 示出来供测试者观察。 4 4 、信号处理 将中间变换的输出信号作进一步处理、分析，提取被测对象的有用信息。 5 、显示记录或运用 将处理结果显示或记录下来，供测试者作进一步分析。若该测试系统就是某 一控制系统中的一个环节，处理结果将直接被运用。 2 2 虚拟仪器概述 虚拟仪器( v i r t u a li n s m n e n t , 简称v 1 ) 是现代计算机技术和仪器技术深层 次结合的产物，是当今计算机辅助测试( c a t ) 领域的一项重要技术【1 3 1 。虚拟仪 器是计算机硬件资源、仪器与测控系统硬件资源和虚拟仪器软件资源三者的有效 结合。 2 2 1 虚拟仪器的概念 随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子 测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、测试方法、测试领域以及仪器结构不 断涌现，在许多方面已经突破了传统仪器的概念。测量仪器的功能和作用也发生 了质的变化。在这种背景下，美国国家仪器公司n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 在 2 0 世纪8 0 年代初提出虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，v i ) 的概念，它是用一台 工业标准计算机或工作站配上功能强大的应用软件、低成本的硬件( 例如插入式 板卡) 及驱动软件，他们在一起共同完成传统仪器的功能。用户可通过友好的图 形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样， 从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示和数据存储等。虚拟仪器因此而 得名。 所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和 定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟 仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种 形式表达输出检测结果；利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析 和处理；利用i o 接口设备完成信号的采集、测量于调理，从而完成各种测试 功能的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一 台专用测量仪器一样。因此，虚拟仪器的出现，使测量仪器与计算机的界限模糊 了。 虚拟仪器一词中“虚拟”有以下两方面的含义【。 ( 1 ) 虚拟仪器的面板是虚拟的： 在使用传统仪器时，操作人员通过操纵仪器物理面板上安装的各种开关( 通 断开关、波段开关、琴键开关等) 、按键、旋钮等来实现仪器电源的通断、通道 选择、量程、放大倍数等参数的设置，并通过面板上安装的发光二极管、数码管、 液晶或c r t ( 阴极射线管) 等来辨识仪器状态和测量结果。 在虚拟仪器中，计算机显示器是惟一的交互界面，物理的开关、按键、旋钮 5 以及数码管等显示器件均由虚拟仪器面板上的与实物外观很相似的各种“图标” 来代替，其功能与传统仪器面板上的各种“器件”的功能相同；操作人员通过鼠 标或键盘操纵软件界面中这些控件来完成仪器的操控。 ( 2 ) 虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的： 在虚拟仪器系统中，仪器功能是由软件编程来实现的。测量所需的各种激励 信号可由软件产生的数字采样序列控制专门的转换电路来产生；系统硬件模块不 能实现的一些数据处理功能，如f f t 分析、小波分析、数字滤波、回归分析、 统计分析等，也可由软件编程来实现；通过不同软件模块的组合，还可以实现多 种自动测试功能。于是就有了“软件就是仪器【1 5 】”的说法。这也体现的测试技 术与计算机的深层次结合。 虚拟仪器概念是对传统仪器概念的重大突破，它代表着从传统硬件为主的测 量系统到以软件为中心的测量系统的根本性转变。以软件为主的测量系统充分利 用了常用台式计算机和工作平台的计算、显示和互联网等诸多能够提高工作效率 的强大功能。与传统仪器一样，虚拟仪器同样可以划分为数据采集、数据分析处 理、显示结果三大功能模块，如下图2 2 所示。它以透明方式把计算机资源和仪 器硬件的测试能力结合，实现仪器的功能运作。 炳八式d a c 隋信号钍蠼辫终传输 c b i p 仪器羲咎滤敬鹾复制 v x l 纹器统计 爻：f l j o r s 2 3 2 e 分橱黼形雕户僭日 采熊处理撤销分析毒寿果裘达 图2 2 虚拟仪器的内部功能划分 但与传统仪器不同的是，虚拟仪器是由通用计算机和一些功能化硬件模块组 成的仪器系统。图2 3 所示虚拟仪器与传统仪器的构成元素比较，在这种仪器系 统中，不仅仪器的操控和测量结果的显示是借助于计算机显示器以虚拟面板的形 式来实现的，而且数据的传送、分析、处理、存储都是由计算机软件来完成的， 这就大大突破了传统仪器仪表在这些方面的限制，方便了用户对仪器的使用、维 护、扩展和升级等。 6 仪器的构成元素 传统仪器硬件( 电子线路)硬件( 电子线路) 硬件( 显示嚣与旋钮) 日日到 虚拟仪器硬侔( 电子线路) 计算机系统资源 图2 3 虚拟仪器与传统仪器的构成元素比较 2 2 2 虚拟仪器的特点 现代化生产不仅要求电子仪器品种多、功能强、精度高、自动化程度高，而 且要求测试速度快、实时性好、具有良好的人机界面。虚拟仪器技术正可以实现 这些要求。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来 完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助用户创建完全自定 义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平 台能满足对同步和定时应用的需求。虚拟仪器具有如下特点【1 6 】： 1 性能高 虚拟仪器技术是在p c 技术的基础上发展起来的，所以完全“继承。了以现成 即用的p c 技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件 i ，o ，在数据高速导入磁盘的同时还能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展 的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。 2 扩展性强 虚拟仪器的软硬件工具使得测试工作者不再圈囿于当前的技术中。由于虚拟 仪器软件的灵活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少 的、甚至无需软件上的升级即可改进整个系统。在利用最新科技的时候，可以把 它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。 3 开发时间少 在驱动和应用两个层面上，虚拟仪器高效的软件构架能与计算机、仪器仪表 和通讯方面的最新技术结合在一起。虚拟仪器的软件构架设计不仅方便了用户的 操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使用户能够轻松地进行测量和控制系 统的配置、创建、发布、维护和修改。 7 4 无缝集成 虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断 地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连 接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。而虚拟仪器软件平台可以为所有 的l ，o 设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统， 减少了任务的复杂性。 为了更加清晰的说明虚拟仪器的特点，这里将虚拟测量仪器和传统测量仪器 在以下几个方面进行比较。比较结果如下所示【1 7 1 ： 表2 - 1 传统测量仪器与虚拟测量仪器比较 传统测量仪器虚拟测量仪器 技术关键：硬件技术软件技术 仪器功能：由生产厂家定义由用户定义 技术更新周期： 长短 价格： 高低 开发维护费用：高低 仪器功能扩展能力：差强 与其它设备的互联性； 困难容易 由此可见与传统的测量仪器相比，虚拟仪器在性能价格比、功能的扩展、更新 和重新设置、与其它设备的信息交换等方面都具有明显的优势。决定虚拟仪器具 有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于“软件就是仪器”。 2 2 3 虚拟仪器的国内外现状及发展趋势 虚拟仪器是日益发展的计算机硬件、软件和总线技术在向其他技术领域密集 渗透的过程中，与测试技术、仪器技术密切结合共同孕育出的一项美妙的新成果。 自2 0 世纪8 0 年代以来，n i 公司已经研制和推出了多种总线系统得虚拟仪器， 特别是它推出的l a b v i e w 图形编程环境和l a b w r m d o w s c v i 编程环境己享誉世 界，成为这类新型仪器开发系统的世界生产大户。在n i 公司之后，著名的美国 惠普( 肿) 公司紧紧跟上推出了h p v e e 编程系统可提供数十至百种虚拟仪器的组 建单元和整机，用户可用它组建或挑选自己所需的仪器。除此之外，世界上陆续 有数百家公司，如t e k t r o n i x 公司、r a c a l 公司等也相继推出了总线系统多达数百 个品种的虚拟仪器。作为仪器领域中新兴的技术，虚拟仪器的研究、开发在国内 已经过了起步阶段，其中最早引入虚拟仪器的是北京东方振动和噪声技术研究所 ( c o m r v ) 从2 0 世纪9 0 年代中期以来，国内的重庆大学、哈尔滨工业大学、西 安交通大学、西安电子科技大学、成都电子科技大学、中科泛华电子科技公司、 等院校和高科技公司，在研究和开发仪器产品和虚拟仪器设计平台以及引进消化 n i 公司、h p 公司的产品等方面做了一系列有益的工作，取得了一批瞩目的成果。 特别是北京东方所开发的d a s p 平台，它包含直接面向最终用户的虚拟仪器库， 8 可以直接使用，不需要进行编程加工，使用起来非常方便；它提出“把实验室拎 着走”的口号，致力于中国虚拟仪器事业的发展壮大 随着计算机技术、仪器技术和网络通信技术的不断完善，虚拟仪器将向以下 三个方向发剧埽】： ( 1 ) 外挂式虚拟仪器 p c d a q 式虚拟仪器是现在比较流行的虚拟仪器系统，但是，由于基于p c i 总线的虚拟仪器在插入d a q 时都需要打开机箱等，比较麻烦，而且，主机上的 p c i 插槽有限，再加上测试信号直接进入计算机，各种现场的被测信号对计算机 的安全造成很大的威胁，同时，计算机内部的强电磁干扰对被测信号也会造成很 大的影响，故以u s b 接口方式的外挂式虚拟仪器系统将成为今后廉价型虚拟仪 器测试系统的主流。 ( 2 ) p x i 型高精度集成虚拟仪器测试系统 p x i 系统高度的可扩展性和良好的兼容性，以及比v x i 系统更高的性价比， 将使它成为未来大型高精度集成测试系统的主流虚拟仪器平台。 ( 3 ) 网络化虚拟仪器 尽管i n t e m e t 技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起， 不过n i 等公司已开发了通过w e b 浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品，使人 们可以通过i n t c r n c t 操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性，我们能够方便地将虚 拟仪器组成计算机网络。利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能的测试设 备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投 资。现在，有关m c n ( m c a s u r c m c n ta n dc o n n o l n e t w o r k s ) 方面的标准正在积极进 行，并取得了一定进展。由此可见，网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。 2 3 虚拟仪器的硬件构成 图2 4 虚拟仪器构成图 9 虚拟仪器的组成主要包括硬件和软件两个基本要素。硬件的主要功能是获得 世界中的真实信号，而软件的作用则是控制实现数据的采集、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。对于虚拟仪器的硬件结构， 如上图2 - 4 所示。其结构大致有三种形式1 1 9 1 ：p c d a q 型、标准接口型和闭环控 制型。 2 3 1p c d a q 型 p c d a q 型结构的虚拟仪器系统如图2 5 所示，它由传感器获得测试信号， 经过信号调理后，进行数据a d 采样，然后存储到通用计算机中；利用计算机 中的软件完成各种分析处理。这种结构的虚拟仪器系统能够完成对多点，多种随 时间变化参量的快速、实时测量，并能排除噪声干扰，进行数据处理、信号分析， 由测得的信号求出与研究对象有关的量值或给出其状态的判别。 一 数 据 采 集 板 卡 图2 - 5p c - d q 型结构的虚拟仪器系统 2 3 2 标准通用接口型 系统的结构形式可分为专用接口型和标准通用接口型。专用接口型是将一些 具有一定功能的模块互相连接而成。但是由于各个模块千差万别，组成系统时相 互间接口十分麻烦，而且模块是系统不可分割的一部分，不能单独使用，缺乏灵 活性。标准通用接口也是由模块组合而成，所有模块的对外接口都按规定标准设 计，组建这类系统时非常方便。根据接口总线的不同，可以分为数据采集插卡式 ( d a q ) 虚拟仪器、r s 2 3 2 r s 4 2 2 虚拟仪器、并行接口虚拟仪器、u s b 接口虚拟仪 器、g p i b 接口虚拟仪器、v x i 虚拟仪器、p x i 虚拟仪器和i e e e l 3 9 4 接口虚拟仪 器。 o a q 虚拟仪器广泛应用于一般的测试系统与工业过程控制，并且正在从过 去1 6 位的标准i s a 总线发展到3 2 位的p c i 总线插卡，为设计各种测试仪器提 供了更好的数据采集和控制能力。当然，d a q 虚拟仪器需要打开主机机箱连接， 使用比较麻烦，并且容易将干扰引入计算机，因此，基于通用计算机标准配置接 口的各种外接式虚拟仪器将成为发展方向。外接式方案避免了p c 内部的噪声， 1 0 特别适合于低电平信号应用，为仪器设计提供了更大的空间、更好的隔离能力和 更方便的连接方式。 r s 2 3 2 ，r s 4 2 2 串口在各种现场过程控制仪表中应用较多，支持长线传输，抗 干扰能力强，但数据传输率低，不适合动态测试应用。并行接口也是一种比较传 统的高速接口，一般打印机都配置并行接口，目前配置有并行接口的数字示波器、 逻辑分析仪等虚拟仪器已经出现在市场上。当然，今后更有发展前途的是u s b 通用串行总线和i e e e l 3 9 4 高速串行总线。u s b 总线目前已经成为p c 的标准配 置，并且支持热插拔功能，也e e l 3 9 4 总线在一些高档台式和笔记本微机上也已 经开始流行。u s b 和e e l 3 9 4 总线最大的优点是数据传输率高，目前基于 i e e e l 3 9 4 总线的虚拟仪器已经达到1 0 0 m b s 的数据传输率，完全满足高性能动 态测试的要求。 g p i b 、v x i 和p x i 总线都是专门为程控仪器设计的计算机接口总线。其中 g p i b 总线( r p i e e f a 8 8 总线) 是一种数字式并行总线，最多可以连接1 5 个设备( 包括 作为主控器的主机) ，主要用于连接测试仪器和计算机。当其采用高速h s 4 8 8 握 手协议时，传输速率可高达8 m b p s 。v x i 总线( 即i e e e i l 5 5 总线) 是在1 9 8 7 年，由 五家测试仪器公司o e w l e t tp a c k a r d ，w a v e t e k ，t e k t r o n i x ，c o l o r a d o d a t a s y s t e m s ， r a c a l - d a n ai i l s 咖m e n t s ) 制订的仪器总线标准，其本质是一种高速计算机总线 v m e 总线在仪器领域的扩展。v x i 总线具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力 强等优点，速率最高可达4 0 m b p s ，同时它还具有定时和同步精确、模块可重复 利用、众多仪器厂家支持等特点，正因如此v 总线得到了非常广泛的应用。但 是由于价格较高，推广应用目前还受到一定限制，故主要集中在航空、航天等国 防军工领域。p x l 2 0 1 总线是于1 9 9 7 年由n i 公司提出以c o m p a c t p c i 为基础，由具有 开放性特点的p c i 总线扩展而来的。p x i 构造类似于v x i 结构，但它的设备成本更 低、运行速度更快，体积更紧凑，其符合工业标准，在机械、电气和软件特性方 面充分发挥y p c i 总线的优点。目前基于p c i 总线的软硬件均可应用p x i 系统，因 而p x i 系统具有良好的兼容性。另外，p x i 还有高度的可扩展性，它有8 个扩展槽， 通过使用p c i o p c i 桥接器，它更可扩展到2 5 6 个扩展槽。现在p x i 总线的传输速率 已经达到1 3 2 m b p s ( 最高为5 0 0 m b p s ) ，是目前已经发布的最高传输速率。可见， 基于p x i 总线的仪器将会得到越来越广泛的应用。 在机械振动和噪声测试领域，则覆盖了从u s b 接口、p c i 接口以及p x i 接 口的较齐全的硬件产品。就最典型的动态信号采集( d s a ) 硬件来说，美国n i 公 司提供了u s b 9 2 3 3 、p c i - 4 4 7 x 以及p x i - 4 4 7 x 等众多产品。 2 3 3 闭环控制型 闭环控制型是指应用于闭环控制系统中测试系统。生产工艺过程的自动控制 是人们长期探索的生产方式，但是只有在计算机技术及现代测试技术突飞猛进的 今天，才能达到高度的控制水平。通过对关键参数实时在线测试并控制这些参数 按预定的规律变化，来达到维持生产的正常进行和达到高产优质的目的，过程的 自动控制大体可归纳为三个环节；一是实时数据采集，即对采集过程中的有关物 理量的瞬时值进行扫查；二是实时判断决策，即对采集的表征过程状态的物理量 进行运算分析、判断决策，并按已定的原则决定下一步过程控制的措施；三是实 时控制，即根据决策，按照自动控制理论实时地对各个执行机构发出控制信号 2 4 虚拟仪器的开发平台i a b v i e w 虚拟仪器软件开发环境是虚拟仪器技术的重要组成部分。在给定了通用计算 机和必要的仪器硬件之后，构造和使用虚拟仪器的关键就是虚拟仪器的应用软 件。虚拟仪器应用软件主要有三个目的：提供一个集成的开发环境；一个与仪器 硬件的高级接口；一个与虚拟仪器用户的接口。 2 4 1 虚拟仪器开发平台的种类 一般而言，虚拟仪器的软件开发环境目前分为两类：第一类是目前常用的文 本式的编程语言环境，如v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 等，第二类是以n i 公司的 l a b v i e w 、惠普公司的f i p v e e 等为代表的新一代图形化编程语言