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基于虚拟仪器的微型减速器性能测试系统开发 摘要 微型减速器是近年来出现的、广泛应用于汽车等领域的新型减速器，具有 大传动比、小体积、高机械效率以及使用寿命长等优点。对微型减速器产品的 机械性能进行测试成为企业的迫切需求。 论文分析了现有机械传动效率测试装置的组成及工作原理，对基于虚拟仪 器的数据采集技术、测试分析技术、数字化测量技术和软件开发技术进行了全 面、深入、系统的研究。在分析、综合的基础上，针对减速器的特点，提出了 基于虚拟仪器技术的测试系统方案。设计和选择了测试与控制系统的硬件部分， 设计与开发了测试系统软件部分，最后进行了误差分析和实验。 在硬件设计方面，微型减速器性能测试系统以变频电动机为动力源，利用 磁粉制动器作为系统负载。电动机、磁粉制动器和微型减速器之间分别通过联 轴器连接转矩转速传感器，用于测试输入输出减速器的转矩转速。论文对选用 合适的数据采集方式进行了深入研究。在机械结构上，设计了一体化的实验台 和控制柜。 在软件设计方面，论文遵循面向对象的编程原则，采用由上至下的设计方 法和模块化程序设计思路，编写了一组程序实现性能测试的控制、数据的采集 分析处理、在软件视窗上绘制被测对象的效率曲线图并打印等功能。 论文最后通过误差分析和大量试验表明：新型减速器性能测试系统利用虚 拟仪器和计算机控制技术，取代了传统的测试方法，提高了测试系统的性能及 其扩展性，实现了完整的测试功能，且操作界面更加直观、形象，不仪降低了 成本，而且提高了自动化水平和可靠性，值得推广应用。 关键词：虚拟仪器微型减速器性能测试传动效率测试 t h ed e v e l o p m e n to fm i c r o - r e d u c e rp e r f o r m a n c et e s t s y s t e mb a s e d o i lv i r t u a li n s t r u m e n t a b s t r a c t m i c r o r e d u c e ra san e w t y p eo fr e d u c e re m e r g e di nr e c e n ty e a r s t h e ya r ew i d e l yu s e d i na u t o m o t i v ea n do t h e rf i e l d s i th a sl a r g et r a n s m i s s i o nr a t i o ，s m a l ls i z e ，h i g hm e c h a n i c a l e f f h c i e n c y , a sw e l la st h ea d v a n t a g e so fl o n gl i f e t e s t i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sf o r m i c r o r e d u c e rp r o d u c t sb e c o m e st h eu r g e n tn e e d so fe n t e r p r i s e s t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ec o n s t i t u t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ee x i s t i n gm e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o nt e s t i n gd e v i c e s i th a sa l s od o n eac o m p r e h e n s i v e ，i n d e p t h ，s y s t e m a t i cs t u d y o nt h ed a t aa c q u i r i n gt e c h n o l o g y , t e s t i n ga n da n a l y s i s t e c h n o l o g y , d i g i t a lm e a s u r i n g t e c h n o l o g ya n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t t h ep a p e r p u tf o r w a r d st h en e wp l a nt od e s i g nt h et e s ts y s t e mb a s e do nt h ev i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g y ：f i r s t l yd e s i g n e da n ds e l e c t e dt h eh a r d w a r ec o m p o n e n t so ft h et e s t i n ga n d c o n t r o l l i n gs y s t e m ，t h e nd e s i g n e da n dd e v e l o p e dt h et e s ts o f t w a r eo f t h es y s t e m ，a n df i n a l l y c a r r i e do u te r r o ra n a l y s i sa n de x p e r i m e n t s i nh a r d w a r ed e s i g n ，m i c r o r e d u c e rp e r f o r m a n c et e s ts y s t e m su s e dv a r i a b l ef r e q u e n c y e l e c t r i cm o t o ra sp o w e rs o u r c e m a g n e t i cp a r t i c l eb r a k ew a su s e dt oa c c o m p l i s hs y s t e m l o a d i n g m o t o r s ，m a g n e t i cp o w d e rb r a k ea n dm i c r o r e d u c e rc o n n e c t e dw i t ht h et o r q u e s p e e ds e n s o rw h i c hu s e df o rm e a s u r i n gi n p u t o u t p u tt h r o u g ht h es h a f tc o u p l i n g s t h ep a p e r d i s c u s s e dh o wt oc h o o s et h es u i t a b l em e t h o df o rd a t aa c q u i s i t i o n i nt h em e c h a n i c a l s t r u c t u r ed e s i g n ，a ni n t e g r a t e de x p e r i m e n t a lt a b l ea n dt h ec o n t r o lc a b i n e tw a sd e s i g n e df o r t h et e s t i n gs y s t e m a b o u tt h es o f t w a r e ，t h ep a p e rf o l l o w e dt h ep r i n c i p l e so f o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ， i nt h et o p - d o w nd e s i g nw a ya n du n d e rm o d u l a rp r o g r a md e s i g ni d e a s ，c o m p i l i n gas e to f p r o g r a mt or e a l i z et h ec o n t r o l l i n g ，d a t aa c q u i r i n g ，a n a l y z i n ga n dp r o c e s s i n g ，d r a w i n gu p e f f i c i e n c yd i a g r a mo nt h ew i n d o w sa n dp r i n ti to u t ，e t c a tl a s t ，t h r o u g ht h ee r r o ra n a l y s i sa n dal o to fe x p e r i m e n t s ，t h ep a p e rp r o v e dt h a t ， a t t e m p t i n gt oa p p l yv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g yi n r e d u c e rp e r f o r m a n c et e s t i n gs y s t e mi ss u c c e s s f u l i tc a nr e p l a c et h et r a d i t i o n a lt e s t i n g m e t h o d st or e a l i z i n gt h ee n t i r ef u n c t i o n ，a n di m p r o v e dt h et e s tc a p a b i l i t yo ft h es y s t e ma n d i t ss c a l a b i l i t y ；i tn o to n l yr e d u c e dc o s t s ，b u ta l s oi m p r o v e dt h el e v e lo fa u t o m a t i o na n d r e l i a b i l i t y a n y w a y , i ti sag o o dp r o j e c tt h a ti sw o r t ht op o p u l a r i z i n g k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ；m i c r o - r e d u c e r ；p e r f o r m a n c et e s t i n g ；t r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c yt e s t ； 插图清单 图1 1 某企业生产的微型减速器1 图l 一2 利用杠杆体平衡力矩进行测量的原理图2 图1 3 传递法传感器分类图3 图1 4 变速箱、减速机测试系统4 图1 5 变速箱测试系统4 图2 1 测试系统原理框图一8 图2 2l a b v i e w 开发环境1 0 图2 3l a b v i e w 中的控制器、指示器一1 1 图2 4 仿真信号采集程序前面板1 1 图2 5l a b v i e w 中的节点1 2 图2 - 6 仿真信号采集程序框图1 2 图3 1 扭矩传感器1 6 图3 2 扭矩传感器原理图1 6 图3 3 传感器输出信号1 6 图3 4 扭矩传感器结构简图1 7 图3 5 应变片电桥1 7 图3 - 6 检测装置组成框图2 0 图3 7 微型减速器性能测试系统硬件构成示意图( 方案一) 2 1 图3 8 微型减速器性能测试系统硬件构成示意图( 方案二) 2 1 图3 - 9 转矩仪结构框图2 2 图4 1 变频调速2 6 图4 2 磁粉制动器结构图2 7 图4 3 激磁电流与传递转矩之关系2 8 图4 4 测试台结构图2 9 图4 5 测试台实物图2 9 图4 6 控制柜台架结构图3 0 图4 7 控制柜台架实物图3 0 图4 8 控制柜电路图3 1 图4 9 控制柜电路3 2 图4 1 0 系统模块图3 2 图4 1 1 微型减速器性能测试流程图3 4 图4 1 2 用户登录界面3 5 图4 1 3 测试主界面3 5 图4 1 4 微型减速器性能测试系统程序框图3 6 图4 1 5 采集框图3 6 图4 一1 6 混叠现象3 7 图4 1 7 接口框图3 8 图4 18 测试系统总体程序框图3 8 图4 1 9 串口采集程序框图3 9 图4 2 0 打印报表程序界面4 0 图5 1 测试流程4 5 图5 2 定转矩转速试验截图4 6 图5 3 定转速变转矩试验截图4 6 表格清单 表2 1n i 公司虚拟仪器技术发展历程8 表4 1 机械效率检测报告4 1 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 金日巴王些厶堂 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已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：p 6 哆年钥f 髟日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月曼王些太堂有关保留、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。本人授权金胆互些太堂可 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) 学位论文作者签名舞咿 签字日期：p f 年午月i 甲日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 蛩杉 年妙，归 v v 哕 名 期 签 日 师 字 导 签 致谢 首先衷心地感谢我的导师吕新生教授，感谢恩师在学业上的悉心指导，在 生活上无微不至的关怀。恩师朴实的为人、宽广的胸襟、渊博的学识、敏捷的 思路、严谨的治学态度、务实的作风以及对事业的执着，总是让学牛仰慕不已。 吕老师在我学习、选题、课题进行期间，给予了充分的关心和指导。他严谨的 治学态度，不怕网难勇于探索的精神、严格要求的工作作风都是我受益匪浅。 恩师的“厚德”、“博学 ，永远是我学人和学业上的榜样。再次向吕老师致以最 崇高的敬意和最诚挚的感谢! 我衷心感谢李志远教授。李老师是动态测试方面的专家，李老师在论文完 成过程中，给予我很多的帮助和关心，为我能顺利完成论文提供了先进的实验 设施和学习条件。李老师平易近人的谦逊品质、为人师表的道德修养，严谨认 真的治学作风、勤奋的工作作风、严谨的治学态度、宽以待人的品格将是我永 远学习的榜样。李老师对我今天课题和论文的顺利完成至关重要。在此，我向 尊敬的李志远教授表示衷心的感谢，感谢他对我的培养、教育、关怀和支持! 我还要特别感谢c a d c a m 研究中心的张晔老师。张老师一直非常热情的 帮助我们解决生活、学习遇到的问题，在此向张老师表示我的谢意! 。 在短短的硕士研究生学习牛涯中，我得到了师兄、师弟热情的帮助。另外， 在论文的完成过程中，与噪声振动测试中心的陈品老师、黄国兴老师、魏浩征 博士进行了有益的讨论，并得到了许多技术支持。同时得到了石作维、刘亚东、 韩艳、王敬芝、乔依男、武立胜等同学的大力帮助，在此一并表示诚挚的感谢。 最后，特别感谢我的父母家人，感谢他们一直以来无私的支持和关爱。 再次感谢所有关心、帮助过我的老师、同学、朋友和亲人! 作者：蔡振 2 0 0 9 年4 月 第一章绪论 1 1 课题来源和意义 微型减速器是近年来出现的、广泛应用于汽车等领域的新型减速器。它具 有大传动比、小体积、高机械效率以及使用寿命长等优点，是一种不可缺少的 机械传动装置。机械效率是微型减速器的一个重要参数。 某企业生产的微型减速器( 见图1 1 ) 过去采用传统的二次仪表测试方法进 行传动效率测试：分别用不同的二次仪表测量减速器输入、输出端的转矩、转 速再通过专用的数据处理卡进行处理或者直接手工计算【t + 3 1 ，由于难以同步处 理各组数据，测试系统可靠性差、测试的数据误差大、测量精度低。且这种方 法测试功能单一，无法实现重复定点测量及定时测量控制，需要人工进行繁琐 的调试工作，人工加负载，有的还需要人工读数、记录及必要的计算处理，测 试效率低难以进行批量测试。无法随每台产品出具测试报告，因此不能满足 很多要求较高的客户，给企业带来损失。 图1 1 某企业生产的微型减速器 针对现有检测装置的不足，克服技术上的难点，本课题采用l a b v i e w8 0 虚拟仪器图形编程语言开发了一个微型减速器机械效率测试系统，它精度高 系统由计算机同时进行数据的采集和处理，保证了测试数据的准确性，消除了 人为操作的误差；效率高，每台减速器在线测试时间仪为1 5 秒，实现了生产线 减速器的批量测试；成本低，由于采用虚拟仪器技术，降低了设各成术，减少 了购置二次仪表的费用；功能强，系统可以完成减速器各项性能指标的测试、 统计和报表输出工作，且可根据用广i 需求方便的添加测试功能模块：可靠性高， 考虑到操作者的技术水平和工厂的环境，系统操作简单方便，稳定可靠，适合 在工厂中长期使用。 灌瀑茹 1 2 研究现状 国内目前尚没有专门针对微型减速器产品的实验台。但随着市场对机械产 品性能测试需求的增多，对其它机械产品性能测试的研究越来越多。 1 2 1常用测试方法 传统的减速器机械性能测试方法是二次仪表测试法，该法分别采用平衡力 法、能量转化法、传递法或者其它方法测出减速器输入、输出端扭矩、转速等 信息，再分别记录求出结果【4 】。它们具体实现如下介绍： 1 、平衡力法，它是利用平衡转矩m o 去平衡被测转矩m ，从而求得m 的方法。 对于任何均匀工作的动力机械或制动机械，当它的主轴受转矩作用时，它必然 同时受着方向相反的平衡力矩( 即支座反力矩) ，因此测量出机体上的平衡力矩 就可得知被测转矩的大小。即m = m o = ，宰f( 1 1 ) 其中，转轴与力作用点的距离，即力臂； f 力。 在按平衡力法测量转矩的装置中，被测物整体安装在摩擦力矩很小的平衡 支承上，这时机体整体将被看作只通过转轴和机壳与外界有力矩的联系。下图 为利用杠杆体平衡力矩进行测量的力矩进行测量的力矩仪原理图。 _ 图1 - 2 利用杠杆体平衡力矩进行测量的原理图 以重力为w 的砝码及臂长为，的杠杆去平衡被测力矩m ，选择不同重力的砝 码，使其达到平衡，根据式m = m o = ，木w ，即可由砝码重力获得被测的力矩值。 按照安装在平衡支架上的机种可分为电力测功机、水力测功机、电偶测功机等。 其中只有电力测功机即可作为原动力又可作为制动器，其他只能作制动器。原 动机可用于测量各种工作机械，而制动器只能用于测量动力机械。 采用平衡力法测量转矩，没有从旋转件到静止件的转矩信号的传输问题。 力臂上的平衡力f ，可以用测力机构测得。只是平衡式力矩仪仅能测量匀速工 作情况下的转矩，不能测量动态转矩。 2 、能量转换法，它是根据其它能量参数( 如电能参数) 测量机械能参数及 2 ， 磁弹镪辘的j 簸力褒化哆f 起拯黜铭料磁戳的 l 转缀佟感器 受化 r 转鬟霪寨器 l 转鬈薏羹嚣 1 22国内测试台的现状 微型减速器作为近年来发展起来的一种新型减速器，国家并没有相关的检 测方法或标准可供查阅，国内也没有微型减速器测试产品可阻直接购买使用。 目前国内所使用的机械传动性能试验台主要有两种形式：一种是各种机械运转 试验台架上配置转矩转速传感器及其测量仪或微机数据采集系统，这种测试系 统功能单一，需要人工进行繁琐调试工作，人工加负载，有的还需要人工读数， 记录及必要的计算处理，从而影响测试的效率及精度，并且无法实现双路同时 测量记录、重复定点测量及定时测量控制等。如下图所示海安兰菱机电科技有 限公司的变速箱、减速机测试系统就是此类产品。 创1 4 变速箱、减速机测试系统 另一种是针对某种特殊机械传动性能试验台架，专门设计综合性的测试 控制系统，尽管这种试验台测试控制分析系统功能很强，可以实现按载荷谱自 动程序加载等。但系统价格昂贵，通用性和可扩展性较差，因而少有人问津， 目前只有少数企业和科研机构拥有的这种测试设备【”。如下图所示为南通诚成 机电设备有限公司的变速箱测试系统就是此类产品。 图卜5 变速箱测试系统 综上，现在国内并没有一种专门针对微型减速器产品的性能测试台，开发 出来一套微型减速器测试平台对于企业来说很有必要。 1 3 研究内容 课冠丰要了解各种现存传动性能测试系统，并针对他们的优缺点，采用虚 拟仪器技术开发出一套微型减速器性能测试系统，使之能够满足企业要求并具 有一定的扩展空间。课题中的主要工作内容如下： l 、深入了解目前减速器性能测试系统的现状和原理，深入学习虚拟仪器、 信号分析处理技术和测试系统各组成部分的工作原理；深入分析微型减速器有 关性能参数测试方法及工作情况，从中概括出各项性能的定量和定性测试方法。 2 、针对现有测量方法的优缺点，分析各种测量原理，通过研究和论证提出 总体设计方案。包括方法选择、硬件系统组成和软件程序规划。 3 、完成微型减速器性能测试系统的硬件设计，完成零件的选型，包括信号 调理元器件和对应的传感器、数据采集卡、工控机、各种控制电路元器件、测 试系统中的动力源与负载。 4 、设计微型减速器性能测试系统试验台架、配套微型减速器的夹具的机械 结构并加工；设计实现测试柜控制电图。 5 、完成测试系统软件编制。用l a b v i e w 作为软件开发平台，遵循软件工 程的思想实现系统的总体设计。编制用户管理模块、测试模块、数据存储及打 印模块软件。 6 、误差分析。从器具误差、方法误差、调整误差、观测误差、环境误差五 方面对开发出来的系统进行分析，尽量减小测试过程中的误差，并为后续改进 的提供依据。 7 、实验验证。完成微型减速器机械性能试验台的装配，在实际中分别多次 进行各种类型的试验。结合微型减速器试验台、工控机采集的有关数据，应用 虚拟仪器技术，在计算机中进行统计、处理、验证目前微型减速器性能参数测 试数据，验证系统工作的可靠性。 5 第二章虚拟仪器技术简介 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 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，诞生 出的颠覆传统的新技术。它得到了数百家高科技公司的支持，如n i 公司、h p 公 司、t e k t r o n i x 公司、r a c a l 公司相继推出了多种总线系统多达数百个品种的虚拟 式仪器。从9 0 年代中期以来，国内的一批重点高校和高科技公司，也陆续开始 在虚拟仪器技术方面作了一些研究。 2 1虚拟仪器技术发展历史与现状 数据采集、仪器控制、过程监控和自动测试是实验室研究和工业自动化 领域广泛存在的实际任务。在2 0 世纪8 0 年代初个人计算机出现之前，几乎所 有拥有程控仪器的实验室都采用贵重的仪器控制器来控制测试系统，这些功能 单一、价格昂贵的仪器控制器通过一个集成通信口来控制i e e e 一4 8 8 总线仪器 ( 也称为g p i b 程控仪器) 。后来，p c 的出现推动了各种测试仪器的飞速发展， 工程测试趋向数字化、智能化、自动化和系统工程化。各种数字化、智能化的 测试仪器和系统种类繁多，这既给测试工作带来了便利，同时又因为需要连接 各种仪器而使测试工作繁杂，并造成了大量的硬件和软件的浪费。因此，工程 师和科学家们想找一种通过性能价格比高的通用p c 控制台式仪器的方法。在 此形势下，虚拟仪器应运而生【6 j 。 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 是指在通用计算机平台上加上一 组软件和硬件或接通其他仪器，用户根据自己的需要定义和设计仪器的测试功 能，以实现对被测对象的数据采集、信号分析、数据处理、数据存储、可视化 显示等功能，完成测试、测量、控制等任务。 虚拟仪器的系统一般由计算机、仪器硬件、应用软件三要素构成。计算机 是共用平台。仪器硬件用于信号的输入、输出，一般包括数据采集、信号调理、 机器视觉、运动控制、分布式i o 、工业通讯、仪器控制等多样的硬件，同时， 多样的虚拟仪器硬件也支持不同的总线接口，如p x ie x p r e s s 、p x i 、v x i 、p c i 、 g p i b 等一起控制总线、u s b 、e t h e r n e t 、w i r e l e s s 等数据传输总线，以及c a n 、 d e v i c e n e t 、f o u n d a t i o nf i e l d b u s 等工业通讯总线。应用软件决定仪器的功 能和构成用户接口，虚拟仪器的关键是软件。 随着软件技术的不断进步，新的可视化仪器开发工具不断出现，功能也越 来越强大和完善，供用户开发不同的应用软件。n i 公司、h p 公司、t e c h t r o n i x 等公司都开发了虚拟仪器设计软件平台，其中最具代表性的是n i 的l a b v i e w 和 6 h p 的h p v e e 。n i 的l a b v i e w 被称为“科学家与工程师的语言 ，是直观的前 面板与流程图式编程方法的结合，是构建虚拟仪器的理想工具。l a b v i e w 不仅 为测试和过程控制领域提供了大量仪器面板对象，而且用户还可以通过控制编 程器，将现有的对象改成适合自己工作领域的对象。l a b v i e w 基于数据流编译 型图形编程环境，解决了其它按解释方式工作的图形编程环境速度慢的问题。 最新版本的l a b v i e w 提供了基于w e b 的应用程序开发，提高了程序的开发能力。 h pv e e ( h e w l e t t p a c k a r dv i r t u a le n g i n e e r i n gi n s t r u m e n t ) 是h p 公司推出的 功能强大的可视化虚拟仪器编程语言。h p v e e 通过系统集成、调试、结构化的 程序设计和文档功能的增强，简化了测试程序的开发。它采用流线式的仪器控 制方式，通过仪器管理器对总线设备进行扫描，并自动控制接口的诸要素。 h p v e e 可以加载和运行任何a c t i v e x 控制，如条码读出器、文件加密器、压缩 实用程序等，都可添加到h p v e e 程序中，从而使用户能很快地为特定的应用程 序编制专门的程序。h pv e e 内置的w e b 服务器，可以使用户在公司的i n t r a n e t 上用标准h t t p 协议远地控制和访问测试系统，可在i n t r a n e t 或w o r l dw i d ew e b 上访问h p v e e 的控制面板，因而用户能进行远地系统排错，恢复h p v e e 信息和 监控测试系统。h p v e e 程序可调用任何c c + + 程序，也可与v b ，h p b a s i c ，f o r t r a n ， l a b v i e w 和p a s c a l 组合运行h p v e e 程序l ，j 。 n i 公司开发的面向仪器和测控过程的图形化开发平台l a b v i e w 和交互式 c c + + 开发平台l a b w i n d o w s c v l 是两种比较普及的商品化开发环境。几种测 试系统的原理框图如图2 1 所示【8 1 。 - 信号调理h 鬻卡卜- g p i b 接口仪器 测 控 对 串行口仪器p l c 计算机 象 v x i 仪器 现场总线( f i e l d b u s ) 设备 7 图2 i 测试系统原理框图 虚拟仪器技术的特点是仪器控制面板由计算机软件界面代替，由计算机通 过各种接口控制仪器硬件。在虚拟仪器发展的2 0 年间，虚拟仪器的内涵也不断 扩充。最初，n i 公司根据虚拟仪器的特点提出“软件就是仪器 这一口号。这 一提法突出了虚拟仪器最大的优点即用软件代替了昂贵的仪器。现在，随着虚 拟仪器技术的快速发展，人们给出了更准确的定义，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、测试测量和模块化的应 用。可以说虚拟仪器技术就是将现有的计算机主流技术结合在一起，建立起功 能强大又灵活易变基于计算机的测试测量和控制系统来代替传统仪器( 价格昂 贵、功能单一) 。 n i 公司开发的虚拟仪器技术发展历程可以用下表来表示【9 】： 表2 1n i 公司虚拟仪器技术发展历程 时间事件 2 0t 日= 纪7 0 1 在美国应用研究实验室产生v i 概念的雏形 年代末期 21 9 8 6 年 发布m a c i n t o s h 平台下的l a b v i e w l 0 319 8 8 年 发布m a c i n t o s h 平台下的l a b v i e w 2 0 41 9 9 0 年 虚拟仪器面板和结构化数据流图获两项美国专利 5 1 9 9 4 年发布l a b v i e w 3 0 带有附加工具包 发布l a b v i e w 4 0 增加自定义界面和a p p l i c a t i o nb u i l d e r 发布 61 9 9 6 年 l a b v i e w 5 0 支持多线程 72 0 0 0 年 发布l a b v i e w 6 i 集成冈特网功能 8 2 0 0 1 年发布l a b v i e w 6 1 实现远程控制和增加事件结构等重要功能 92 0 0 3 年 发布l a b v i e w t m 7e x p r e s s 增加e x p r e s sv i 1 0 2 0 0 4 年发布l a b v i e w t m 7 1e x p r e s s 增加许多全新的功能 1 12 0 0 5 年 发布l a b v i e w t m 8 0 增加许多全新的功能 1 2 2 0 0 6 年发布l a b v i e w t m 8 2 有了第一个中文版的开发环境 1 32 0 0 7 年 发布l a b v i e w t m 8 5 8 虚拟仪器的出现和兴起，改变了传统仪器的概念、模式和结构，改变了人 们的仪器观。虚拟技术、计算机通讯技术与网络技术是信息技术最重要的组成 部分，它们被称为2 1 世纪科学技术中的三大核心技术。虚拟技术蕴含的巨大潜力， 使发达国家趋之若鹜，在这一领域的研究上投入了巨资，希望有朝一日能在它的 带动下率先进入信息时代，而把工业时代远远地抛在后面。据“世界仪表与自动 化 杂志报导，2 1 世纪初叶，虚拟仪器的生产厂家将超过千家，品种将达到数 千种，市场占有率将占到电测控仪器的5 0 。这一预测对整个仪器仪表领域不 啻是一次强烈的震撼。使从事电测仪器、分析仪器等技术研究与开发的科学家 和工程师们都看清了虚拟仪器对传统仪器的巨大挑战，认识到在2 l 世纪虚拟仪 器不仅不容争议的将成为仪器的发展方向，而且必将逐步一一取代传统硬件化 仪器，使成千上万种传统的硬件化的电测与分析仪器都演变成计算机软件，成 为一系列文件融入计算机中【l0 1 。 2 2虚拟仪器开发工具l a b v i e w 简介【l 卜1 6 j 1 9 8 3 年，n i 的工程师们受到了电子制表软件为金融领域带来巨大便利的 启发，同时，苹果公司推出的m a c i n t o s h 计算机的一系列图形化特性也为他们 提供了崭新的思路。他们也决定着手发明一种同样高效的工具，帮助工程师和 科学家们简化测试测量自动化项目的开发过程。他们发现，相对于输入一串串 的命令行进行操作，人们使用鼠标和图形化界面时所发挥的创造力和高效率是 前所未有的，因此“图形化”编程理念成为了l a b v i e w 最根本的核心。以此为起 点虚拟仪器一直保持高速发展，今天l a b v i e w 已经成为了工程师和科学家们 的标准图形化设计平台，为工程创新不断提供源动力。 l a b v i e w 是实验室虚拟仪器集成环境( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n t e n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 的简称，是美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s t m ，简称n i ) 的创新软件产品，也是目前应用最广、发展最快、 功能最强的图形化软件开发集成环境。l a b v i e w 是真正3 2 位的编译器，利用 l a b v i e w 可以产生独立运行的可执行文件。其编译环境如下图所示。 9 幽2 - 2l a b v i e w 开发环境 作为一个使用图形符号编程的集成开发环境，l a b v l e w 不同于c ，c + + ， 或者i a v a 这些基于文本的编程语言，它是一种图形编程语言一一通常称为g 编 程语言，其编程过程就是通过图形符号描述程序的行为。l a b v i e w 使用的是科 学家和工程师们所熟悉的术语，还使用了易于识别的构造g 语言的图形符号。 即使具有很少编程经验的人也能学会使用l a b v i e w ，并能够发现和了解一些有 用的基本编程原则。 l a b v i e w 的运行机制从宏观上讲已经不再是传统上的冯诺依曼计算机体 系结构的执行方式了。传统的计算机语言( 如c 语言) 中的顺序执行结构在 l a b v i e w 中被并行机制所代替；从本质 讲，它是一种带有图形控制流结构的 数据流模式( d a t af l o wm o d e ) ，这种方式确保了程序中的函数节点( f u n c t i o n n o d e ) 只有在获得它的全部数据后才能够被执行。也就是说，在这种数据流程 序的概念中，程序的执行是数据驱动的，它不受操作系统、计算机等因素的影 响。 l a b v i e w 程序称为虚拟仪器程序( v i s u a li n s t r u m e n t ) ，简称为v l 。一个v i 程序包括三个丰要部分：前面板、框图程序、图标连接器。 前面板( f r o n tp a n e l ) 是l a b v i e w 程序的交互式用户界面，用于设置输入数值 和观察输出量，模拟真实仪表的前面板。它是用户与程序代码发生联系得窗口， 决定丁程序的“外观”。前面板由三部分构成： 1 ) 用于用户设置和修改v i 输入量的接口称为“控制器”( c o n t r 0 1 ) ： 2 ) 用丁显示v i 输出数据或图形的控件称为“指示器”( i n d i c a t o r ) ； 控制嚣、指示器包括测试领域常用的各种旋钮、开关、显示屏及数据和图 标显示对象等等l a b v i e w 提供了非常丰富的控制器、指示器控件如下图所示： 图2 - 3l a b v i e w 中的控制器、指示器 3 ) 修饰( d e c o r a t i o n ) 用来对前面板进行美化、装饰。 l a b v i e w 本身提供了功能强大的面板设计素材，通过这些控件可以很容易 的完成面板设计，设计出的前面板可接收用户的控制信号和显示输出结果，蚓 时它也自动的实现了与框图程序的接口。另外，l a b v i e w 实现了开放性设计， 允许用户自行设计面板素材。下面是一个仿真信号采集程序的前面板，如下图 所示。 每一个程序前面板都对应着一段框图程序( b l o c kd i a g r a m ) 。框图程序用 l a b v i e w 图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。l a b v i e w 框 图程序是基于数据流的处理方案，传统的文本式编程是基于一种顺序的设计思 路，编程设计人员必须写出一行一行执行的语句。与传统的文本式编程不同， 框图程序与我们所熟悉的程序流程图思想非常相似。 框图程序由节点( n o d e ) 和连线( w i r e ) 两部分构成。 1 ) 节点是v i 程序中的执行元素 子v i ，类似于文本编程语言中的语句 大量的函数、子v i 和结构供编程调用 包括功能函数、结构、代码接口节点和 函数和子程序，l a b v i e w 为我们提供了 图2 - 5l a b v i e w 中的节点 2 ) 连线是端口、节点间的数据通道，定义了框图内的数据流动方向。 一个框图程序由多个节点通过连线连接而成。上述仿真信号采集程序的框 图如f 图所示 ”】。 图2 - 6 仿真信号采集程序框幽 每个节点只有当所有输入信号都有效的条件下，才会输出情号。这种设计 思想的优点主要体现在以下两方面： 1 ) 类似流程图的设计思想很容易被工程人员接受和掌握，特别是那些没 有很多程序设计经验的工程人员。 2 ) 设计的思路和运行过程清晰而且直观。如通过使用数据探针、高亮执行、 单步执行等多种调试方法，程序以较慢的速度运行，使没有执行的代码显示灰 色，执行后的代码会高亮显示，同时在线显示数据流线上的数据值，完全跟踪 数据流的运行。这些都为程序的调试和参数的设定带来了诸多的方便。 图标连接器( i c o n c o n n e c t o r ) 指定了数据流入流出v i 的路径。在框图中图标 是v i 的图形符号，而连接器则定义了输入和输出，所有的v i 都有图标和连接器。 图标连接器主要用于把l a b v i e w 程序定义成一个子v i ，以便在其它v i 中加以调 用。子v i 是层次化和模块化v i 的关键组件。在软件工程中，如果顺序地完成一 个复杂系统的设计几乎是不可能的。设计者往往会把程序分成几个模块，分别 实现，最后由顶层的程序来调用它。 这样设计的优点体现在如下三个方面： 1 ) 把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，程序设计思路清晰，给设计 者调试程序带来了诸多的方便。同时也对于将来系统的维护提供了便利。 2 ) 一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个系统都是一个完整的功 能程序，这样把测试功能细节化，便于实现软件复用，大大节省软件研发周期， 提高系统设计的可靠性。 3 ) 便于实现“测试集成 和虚拟仪器库的思想同时为实现虚拟仪器设计的 灵活性提供了前提。 2 3开发工具的选择 在开发过程中选择合适的开发工具能够提高开发效率，并有助于得到完善 的开发结果。因此，如何选择一个适合于项目的开发工具是开发人员要解决的 首要问题。目前，测量领域常用的开发工具有c ，v c + + ，v b 和l a b v i e w 。在 测试系统程序编写之前，通过比较，l a b v i e w 以其巨大的优点胜出。 1 、l a b v i e w 是由c ，c + + 编写出来的集成开发环境，相对于c ，v c + + 等语 言l a b v i e w 本身易学易用、即学即用。l a b v i e w 提供了一个图形化的开发环境， 编程过程很直观易懂，就像在画电路图，因此工程技术人员及测试技术人员学 习l a b v l e w 驾轻就熟，在很短的时间内就能够学会并应用l a b v i e w ，也不必去 记忆那眼花缭乱的文本式程序代码，使得复杂系统的开发变得简单，易于上手。 2 、l a b v i e w 是一种跨平台的开发环境：l a b v i e w 支持w i n d o w s 、m a co s 、 l i n u x 等多种计算机操作系统，这增强了开发出来的软件的可移植性，扩展了软 件的