（机械电子工程专业论文）基于虚拟仪器的自动测试系统开发方法的研究.pdf

生苎塑至基于虚拟仪器的自动测试系统开发方法的研究机械电子工程专业研究生王璨瑞指导教师郭祚达虚拟仪器是计算机技术与传统的仪器仪表技术结合的产物，是对传统仪器概念的重大突破，必将成为测试仪器的主流。虚拟仪器必须与i t 相关技术同步才具有生命力，正如计算机技术的出现和发展促进了虚拟技术的产生和推广应用，引发了测试技术领域的一场革命。传统的机械测试技术也正日益向着速度化、自动化、智能化、集成化等方向发展。因此基于虚拟仪器技术的面向工程技术领域的自动测试分析系统的研究和开发日益增多，本文正是基于这一前提，分析研究了基于虚拟仪器技术、以l a b v i e w 软件为开发平台的自动测试分析系统的开发思想，开发方法，和开发过程，提出了一套基于多功能数据采集卡和图形化编程语言l a b v i e w 的虚拟仪器构建方案：即建立自顶向下的程序结构，将系统划分为若干独立的功能模块，对每一个功能模块都编制一个独立的子v i ，当需要运行该模块的功能时，由上级模块( 上级v i ) 调用该模块对应的子v i ，实现该模块对应的功能。本文以一个虚拟振动测试分析系统的开发为例，具体说明了从硬件系统到软件系统各功能模块的设计思想和设计过程：其中详细的介绍了l a b v i e w 对通用数据采集卡的驱动方法，并详细介绍了信号发生模块，时域分析模块等子模块的设计思想和设计方法并对各模块的功能进行了试验测试。本文分析了虚拟仪器技术未来发展的方向，即向网络化，集成化方向发展；实现多台虚拟测试系统依托局域网，i n t e r n e t 构建成网络环境下的虚拟测试系统群；在网上实现数据共享，数据传输功能，利用网络进行远程测试和控制。虚拟四川大学硕士毕业论文基于虚拟仪器钓自动铡试系统开发方法的研究仪器必将在未来的工程测试领域逐渐代替传统仪器的地位，实现测试技术领域内的彻底革命。关键词虚拟仪器自动测试系统数据采集信号处理i i茎苎塑墨一一t h ed e s i g no f a u t o m a t i cm e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do i lt h ev i r t u a li n s t r u m e n tm a j o r ：m c c h a t r o n i c sc a n d i d a t e ：w a n gj m g r u is u p e r v i s o r ：g u oz u o d aa sar e s u l to ft h ec o m b i n a t i o no fc o m p m e rt e c h n o l o g ya n di n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o nt e c h n o l o g yh a sb r o k e nt h r o u g ho l dc o n c e p to fi n s t r u m e n ta n dw i l lb e c o m ea r t e r yo fm e a s u r i n gs y s t e m t h ef u t u r eo fv i r t u a li n s t n m a e n th a v et ob o n dt or e l a t e di tt e c h n o l o g y , j u s tl i k et h ep r e s e n c ea n dd 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 yi n c r e a s e st h ei n v e n t i o na n da p p l i c a t i o no fv i r t u a lt e c h n o l o g y , w h i c he x p l o d e dat e c h n i c a lr e v o l u t i o ni nt h em e a s u r i n gt e c h n o l o g ya r e a t r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lm e a s u r i n gt e c h n o l o g yi ss t e p p i n gi n t or a p i d i t y ,a u t o m a t i z a t i o n ，i n t e l l i g e n t i z a t i o na n di n t e g r a t i o n s ot h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tf o rt h ea u t o m a t i cm e a s u r i n ga n da n a l y z i n gs y s t e m ，w h i c hi sb a s e do nt 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 ya n da p p l i e di nt h ee n g i n e e r i n ga l c a ，o r ei n c r e a s i n gs h a r p l y a c c o r d i n gt ot h i ss i t u a t i o n ，t h i st h e s i sd o e ss o m er e s e a r c hw o r ka b o u tt h ed e v e l o p i n gt h i n k i n g ，d e v e l o p i n gs o l u t i o n sa n dd e v e l o p i n gp r o c e s so ft h ea u t o m a t i cm e a s u r i n ga n da n a l y z i n gs 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 tt e c h n o l o g yo nt h es o f t w a r ep l a t f o r m l a b v i e w t h i st h e s i sp r e s e n t sas e to fs c h e m e sf o rt h ev i r t u a li n s t r u m e n tc o n s t r u c t i o n ，w h i c hi sb a s e do nt h em u l t i f u n c t i o nd a t a - a c q u i s i t i o nc a r da n dg r a p h i cp r o g r a m m i n gl a n g u a g el a b v i e w ：t ob u i l dt h ep r o g r a mw i t hat o p t o b o t t o ms t r u c t u r e ，w h i c hd i v i d e st h es y s t e mi n t os e v e r a li n d e p e n d e n tf u n c t i o nm o d u l e sa n dd e s i g n sai n d e p e n d e n ts u b v if o re a c hs i n g l em o d u l e ，w h e nt h es u p e r i o rm o d u l ec a l l sac e r t a i ns u b m o d u l e ，t h e nr u nt h es u b v ir e l a t e dt ot h es u b m o d u l e ，i no r d e rt oc a r r yo u tt h em o d u l e sf o n a t i o n i i i四川大学硕士毕业论文基于虚拟仪器的自动测试系统开发方法的研究t h i st h e s i si l l u s t r a t e st h et h i n k i n ga n dp r o c e s so ft h ed e s i g nf o rt h ef u n c t i o nm o d u l e si nt h eh a r d w a r es y s t e ma n dt h es o f t w a r es y s t e ms p e c i f i c l yw i t ht h ee x a m p l e ，t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fam e a s u r i n ga n da n a l y z i n gs y s t e mf o rv i a u a lv i b r a t i o n t h ef o l l o w i n gc o n t e n t sa r ei l l u s t r a t i n gp a r t i c u l a r l y ：t h ew a yf o rd r i v i n gt h eg e n e r a ld a t a - a c q u i s i t i o nc a r dw i t hl a b v i e w ：i l l u s t r a t i n gt h ed e s i g nt l l i l l ka n dt h es o l u t i o n sf o rt h es i g n a lg e n e r a t i n gm o d u l ea n dt h et i m i n ga n a l y z i n gm o d u l e ，a n dt h ee x a m i n a t i o na p p l i c a t i o nt ot e s tt h es y s t e m a d d i t i o n a l l y , t h i st h e s i sa n a l y z e st h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o nf o rt 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 ；w h i c hc o n s i s t so ft h ef o l l o w i n g ：w o r k i n gi nn e t w o r k ，i n t e g r a t i o n ，c o n s t r u c t i n gt h ev i r t u a lm e a s u r i n gs y s t e mg r o u p sb a s e d0 1 1t h el a na n di n t e r n e t ；i m p r o v i n gt h ef u n c t i o no fd a t as h a r i n ga n dt r a n s f e ri nn e t w o r k ，a n dt h ef u n c t i o no fr e m o t em e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1 v i r t u a li n s t r u m e n tw i l lr e p l a c et i l et r a d i t i o n a ld e v i c e sg r a d u a l l yi nt h ef u t u r e ，a n dt h em e a s u r e m e n tr e v o l u t i o nw i l lb e c o m er e a l i t yt h r o u g h l y k e y w o r d sv i r t u a li n s t r u m e n t ，a u t o m a t i cm e a s u r i n gs y s t e m ，d a t aa c q u i s i t i o n ，s i g n a lp r o c e s s i n g1 绪论1 绪论越来越复杂的测试条件、高度自动化的工业化大生产迫切需要功能更强大、成本更低廉、系统更灵活的新一代测试仪器。从模拟技术向数字技术的过渡、从单台仪器向多种功能仪器组合过渡、从完全由硬件实现仪器功能向软硬件结合方向过渡、从简单的功能组合向以个人计算机为核心的通用虚拟测试平台过渡、从硬件模块向软件包形式过渡，代表了今后电子测试仪器的发展方向。1 1 工程技术领域的测试技术概论1 1 1 测试技术的重要意义测试是人们认识客观事物的方法。测试的任务是获取有用的信息。测试的过程是从客观事物中摄取有关信息的认识过程。首先检测出被测对象的有关信息，然后加以处理，最后将其结果提供给观察者或输入到其它信息处理装置，控制系统。在工程技术领域中，工程研究、产品开发、生产监督、质量控制和性能试验等都离不开测试技术。特别是在近代工程技术中广泛应用的自动控制技术已经越来越多地运用测试技术，测试装置已经成为控制系统的重要组成部分1 1 1 。1 ，1 2 测试过程和测试系统的一般组成信息总是蕴涵在某些物理量之中，并依靠他们来传输的。这些物理量就是信号。就其具体物理性质而言，信号有电信号，光信号，力信号等。其中，电信号在转换、处理、传输和应用等方面都有明显的优点，因而成为目前应用中最为广泛的信号。各种非电信号也常常被转换为电信号，而后传输、处理和应用【3 j 。一般来说，测试工作的全过程包涵着许多环节，以适当的方式激励被测对象、信号的检测和转换、信号的调理、分析与处理、显示与记录、以及必要时以电量形式输出测量结果。因此，测试系统的流程构成大致可用图1 一l 表示。客观事物时多样的。测试工作所希望获取的信息有可能已经载于某种可检测的信号中，也有可能尚未载于可检测的信号中。对于后者，测试工作就包涵四川大学硕士毕业论文基于虚拟仪器的自动测试系统开发方法的研究着选用合适的方式激励被检测对象，使其产生既能充分地表征其有关信息又方便检测的信号。事实上，许多系统的特性参量在系统的某些状态下，可能充分显示出来；而在另一种状态下却可能没有显示出来，或者显示的不很明显，以至于难以检测出来。因此，在后一种情况下，要测量这些特性参数时，就需要对该系统激励。图1 - 1 测试系统框图传感器直接作用于被测量。并能按照一定规律将被测量转换成同一种或者其它类型的量值输出。这种输出通常是电信号。信号调理环节把来自传感器的信号转换成更适台于进一步传输和处理的形式。这时的信号转换，在大多数情况下是电信号之间的转换，例如：将幅值放大，将阻抗的变化转换成电压的变化，或将阻抗的变化转换成频率的变化，等等。信号处理环节接受来自调节环节的信号，并进行各种运算，滤波，分析，将结果输出至显示，记录，或控制系统。信号显示，记录环节以观察者易于认识的形式来显示测量的结果，或者将21 绪论测量结果存储，供必要时使用。在所有这些环节中，必须遵循的基本规则是各环节的输出量与输入量之间应保持一一对应和尽量不失真的关系，并必须尽可能减少或消除各种干扰。1 2 虚拟仪器为测试技术发展提供的支持测试仪器作为科学技术发展中必不可少的组成部分，对科技水平的提高和发展起到了很大的推动作用。人们正是通过测试获得了客观事物的概念，掌握了其运动规律。随着科技的发展，特别是电子技术水平的提高，极大的推动了测试技术的进步。随着信息科学的不断发展，对信号采集、数据处理、控制操作等的技术要求越来越高，传统的测试仪器已经越来越不能满足时代的要求，特别是在较为复杂、测试参数较多的场合，其多方面的局限性也就更为突出。电子技术的迅速发展从客观上要求测试仪器向自动化、智能化和柔性化方向发展，同时也为测试仪器的发展提供了技术支持i “ 。虚拟仪器就是在通用计算机上配备必要的硬件和软件而组成，操作人员通过操作与现实仪器面板相似的虚拟按键、旋钮等实现信号的采集、处理，控制整个测试过程。虚拟技术的出现，改变了过去测试仪器必须由厂家制造、用户必须按照规定程序操作而不能改变其功能的模式，用户可以充分发挥自己的才能、想象力，按自己的意愿随心所欲地设计自己的仪器系统，满足用户各种不同的应用需求。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个测试仪器系统的关键。当用户的测试要求发生变化或者需要增加或减少测试项目时，用户只需要适当的更改软件程序，即可生成满足测试要求全新的测试仪器系统。1 ，3 本论文的主要内容本课题在查阅大量文献基础上设计基于虚拟仪器自动测控系统，该系统的设计主要是为今后工程与教学服务作一定的技术储备。在l a b v i e w 软件平台展开论文工作，基于该自动测控系统，对组成该系统几个重要部分进行设计与研究，研究主要内容包括：堕型查堂翌主兰些堡兰兰三皇型堡矍竺皇翌型苎至竺茎茎查鲨竺竺至第一章：绪论。本章简要介绍了工程技术领域测试系统的一般组成和主要问题，介绍了引入虚拟技术的必要性。第二章：基于虚拟仪器测试系统的功能和硬件结构。本章引入了虚拟仪器的概念，介绍了虚拟仪器的一般结构，和相对于传统仪器的优点；分析了构成虚拟仪器硬件平台的基础以及各种软件开发平台的特点：从功能分析的角度入手，提出了基于虚拟仪器测试系统的一般硬件构成和总体软件结构。第三章：虚拟仪器图形化软件开发工具l a b v i e w 及其应用。本章简要介绍了l a b v i e w6 i 的功能特点，和工作方式。第四章：系统软件功能模块设计。本章深入系统的介绍了基于虚拟仪器测试分析系统的一般功能模块，以及主要功能模块的设计思想和设计方法。第五章：基于虚拟仪器的振动测试分析系统的开发与研究。本章给出了虚拟仪器测试系统的开发实例，虚拟振动测试分析系统的开发思想和开发过程；并对其中主要模块的开发过程做了详尽的介绍。第六章：虚拟仪器网络化的研究。本章对虚拟仪器网络化的概念，前景，以及实现方法做了简要的介绍。第七章：结论与展望。本章总结了本文主要的研究工作，并对虚拟仪器测试系统的未来发展做了简单的预测。42 基于虚拟仪器测试系统的功能和软硬件结构2 基于虚拟仪器测试系统的功能和软硬件结构2 ，1 虚拟仪器概述虚拟仪器是计算机技术和仪器技术结合的产物。它把计算机、仪器硬件、圆件与计算机软件结合起来。除继承传统仪器的已有功能外，还增加了许多传统仪器所不能及的先进功能。虚拟仪器的最大特点是其灵活性。用户在使用过程中可以根据需要添加或删除仪器功能，以满足各种需求和各种环境，并且能充分利用计算机丰富的软硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、表达、传送、存储方面的限制。2 1 1 虚拟仪器的概念2 】【1 6 1什么是虚拟仪器，国外专家从不同角度描述了虚拟仪器，总的来说，虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是指通过应用程序将计算机与功能化模块硬件结合起来，用户可以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、数据存储等。因为虚拟仪器是以计算机为核心、在w i n d o w s 等操作系统平台上运行的，所以它具有一机多功能的特点，可以同时运行多个软件，当作多种仪器使用，此类具有多功能的仪器系统称之为虚拟集成仪器系统。2 1 2 虚拟仪器的结构虚拟仪器的组成与传统仪器样，如图2 1 所示的数据采集与控制、数据分析和处理、结果显示三部分组成。对于传统仪器，三个部分几乎均由硬件完成；对于虚拟仪器，后两部分主要由软件实现。与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化，设计工作量、复杂性大大减小。虚拟仪器从硬件构成上讲，己经完全脱离了原有的单个仪器的概念，并不是在计算机上实现某一台仪器的功能，而是形成了一个虚拟仪器系统的概念。它是几种仪器的综合，是在计算机上实现多种不同仪器的协同工作的整体。虚拟仪器的硬件结构如图2 2 所示，它主要以计算机为核心，在其基础上扩展了不同类型的硬件设备，构成不同类型的虚拟仪器系统。目前较为常用的虚拟仪四川i 大学硕士毕业论文基于虚拟仪器的自动测试系统开发方法的研究器系统是数据采集系统、g p i b 仪器控制系统、v x i p x i 仪器系统、串行接口仪器系统以及它们四者之间的任意组合。匡习匪习插入式数据数字信号处理网络通信采集板g p i b 仪器八数字滤波，l 八硬盘拷贝输出叫叫文件| ，ov xj p x l 仪器统计分析r s 2 3 2 仪器数值分析用户图形接口图2 - 1 虚拟仪器的内部功能划分竹匦垂卜匦垂寸叫匦蔓匿卜匦矸l 。卜叫妻塑堡! 壁墅竺 一。广_ 1 一、ir 。1i 竺! 竺塑。! j叶蕊琦塾缝帅# ，e 州j 设墨卜匦蔓亘卜叫一匿亟因一图2 - 2 虚拟仪器的系统构成从图2 - - 2 中可以看出，支持虚拟仪器的硬件种类很多，这大大丰富了虚拟仪器的功能a 无论哪种虚拟仪器系统，都是将硬件仪器搭载到p d a 、笔记本电脑、台式计算机或工作站等计算机平台上，再加上相应的应用软件而构成。因而，虚拟仪器技术与计算机技术达到同步发展。62 基于虚拟仪器测试系统的功能和软硬件结构虚拟仪器技术的核心是软件，其软件基本结构如图2 3 所示。用户可以采用各种编程软件来开发自己所需要的应用软件。以美国n i 公司的软件产品l a b v i e w 和l a b w i n d o w c v i 为代表的虚拟仪器专用开发平台是当前流行的集成开发工具。这些软件开发平台提供了强大的仪器软面板设计工具和各种数据处理工具，再加上虚拟仪器硬件厂商提供的各种硬件的驱动程序模块，大大简化了虚拟仪器的设计工作。随着软件技术的迅速发展，软件开发的模块化、复用化，对各种硬件仪器的驱动软件的模块化、标准化，将使虚拟仪器软件开发变得更加方便。图2 - 3 虚拟仪器软件结构表2 - 1 虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器传统仪器仪器功能由用户自己定义仪器功能由仪器厂商定义面向应用的系统结构，可方便地与网络外设等与其它仪器设备的联结十分有限连接友好的图形界面，计算机读数、分析处理图形界面小，人工读数，信息量小数据可编辑、存储、打印数据无法编辑关键是软件关键是硬件价格低廉，可复用与可重置性能强价格昂贵基于计算机技术开放的功能模块，可构成多种系统封闭，功能固定，可扩展性低仪器基于软件系统的结构。大大节省开发维护费用开发和维护费用高技术更新周期短( i 一2 年)技术更新周期长( 5 1 0 年)个人可拥有个实验室多为实验室等部门所拥有由表中可以看出，虚拟仪器捅有传统仪器无法比拟的强大优势，因而将成为仪器发展的未来趋势。堕型奎兰堡主兰些堡苎苎王壅垫堡墨竺! 塾型苎至竺茎茎塑鲨塑! 壅2 13 虚拟仪器的硬件系统构成方案口”1 ，g p i b 仪器控制的虚拟仪器系统组建方案g p i b 即通用接口总线，是一种国际通用的可编程仪器的数字接口标准。典型的g p i b 测试系统由一台p c 机，一块g p i b 接口板和几台g p i b 仪器通过标准g p i b 电缆连接起来，组成大型的自动化仪器测量系统。2 v x i 仪器控制的虚拟仪器系统组建方案v x i ( v e m b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线是一种高速计算机总线( v m e 总线) 在仪器领域的扩展。它具有标准开发、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器商支持等优点，使它应用越来越广。尤其在组建大中型规模自动测量控制系统，以及对速度、精度要求非常高的场合，有其它仪器无法比拟的优点。基于v x i 总线的组建方案功能最为强大、组建的系统最为稳定。但v x i 总线实现强大功能的同时，价格也是十分昂贵的。3 p x i c o m p a c tp c i 模型系统组建方案美国国家仪器公司1 9 9 7 年最新推出了p x i ( p c i b u se x t e n t i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 控制方案，基于p c i 总线的虚拟仪器系统构架，p x i 将主流p c i 计算技术和控制器采用现在流行的奔腾处理器，带有标准g p i b 接口、串并口、以太网络接口及显示器接口，为用户组建速度高、成本低、结构紧凑的测试系统提供了可行性。目前在构建工业自动化测试系统时，基于g p l b 总线的最多并逐步采用v x i技术。基于v x i 总线的虚拟仪器系统系统虽然功能强大，但对许多场合而言仍然造价昂贵，且通用性差，一般用户难以掌握。对于一些速度精度要求不高的场合，v x i 并不一定是考虑性价比的最佳方案。很多情况下采用当前广为使用的p c 机作为虚拟仪器的软硬件基础，建立基于p c 的虚拟仪器系统。虚拟仪器的数据获取和控制处理能力优于传统仪器，且对于硬件要求大为降低。2 1 4 虚拟仪器的软件开发平台应用软件开发平台是设计虚拟仪器所必须的软件工具。在确定的硬件基础条件下，构造和使用虚拟仪器的关键就是应用不同的软件实现不同的功能。虚2 基于虚拟仪器测试系统的功能和软硬件结构拟仪器的应用软件主要包括：集成的开发环境、与仪器硬件的高级接口和虚拟仪器的用户界面。应用软件开发平台的选择，可困开发人员的喜好不同而不同，但最终都必须提供给用户一个界面友好，功能强大的应用程序。目前较流行的虚拟仪器软件开发平台大致可以分为两类：一类是图形化的编程语言，代表性的有惠普的h p v e e ，n i 公司的l a b v i e w 等；另一类是文本式的编程语言，如c ，l a b w i n d o w s c v i 。v c 等。文本式编程语言和图形化编程语言相比，语言灵活性较好，用户可以灵活的添加功能；而图形化编程语言具有编程简单、直观、开发效率高的特点。近年来，基于p c 机和工作站基础上的图形接口标准和计算机计算能力的提高，促进了图形开发软件包和图形开发环境的迅速普及。图形开发方式为每一个虚拟仪器提供了可重用的代码模块，并允许用户从其它代码模块中分级调用。这些重用部分是一些封装良好的、原子性的程序代码；理想情况下，重用部分应与硬件i c 一样，可以不经过任何修改而被直接“插接到其它程序中去。典型的重用部分包括函数库、过程程序包、宏、类、库等，它们通过各自的接口被组装在起，每一部分完成特定的功能。在虚拟仪器图形软件开发平台研究方面，近年来国际上许多公司都做了大量的工作，其中n i 公司的l a b v i e w和惠普公司的v e e 虚拟仪器软件开发平台最具代表性。下面简单的介绍些常用的虚拟仪器软件开发平台各自具备的特点 1 4 1 ：1 m i c r o s o f tv i s u a lc + + b o r l a n dc + + b u i l d e r , b o r l a n dd e l p h i ；易学、使用简单；面向对象可视化编程软件；它的图形控件工具能生成复杂的多窗口用户界面不必编写复杂的代码；可创建自己a c t i v e x 控件或组件，以及多线程和安全的a c t i v e x 控件。2 d a t at r a n s l a t i o n ，h pv e ew i t hd tv 只d t ) ( e z t m ；用于w i n d o w s 操作系统的数据采集和产品开发的可视化编程语言；灵活，便于应用编程，以及和用户程序接口；a c t i v e x 控件系列，v b 和v c + + 下，可以设计和配置d a t a t r a n s l a t i o n 数据采集扳；可以和其他a c t i v e x 控件组合创建测试应用程序。3 h e w l e t t - - p a c k e dh pv e e ；不必编写代码就可以进行数据采集与分析；提供数据、处理控制：提供测量过程和测试报告。四川大学硕士毕业论文基于虚拟仪器的自动钡0 试系统开发方法的研究4 n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，l a b v i e w ，l a b w i n d o w s c v i ：具有用于数据采集、仪器、网络和分析的完全集成化的库的图形化环境；可编译性能强；w i n ) ( n t 、m a c o s 、s u n 、h p u x 和并行p o w e r m a x 中应用，具有交叉平台兼容性；自动化的测试对接软件；s q l 数据库连接性s p c分析工具。用于仪器控制、数据采集和分析的交互式基编译软件包：用于g u i 的拖拉用户界面编程器：用于快速样机开发的代码产生工具和内部编译器；用于g p i b 、v x i 、串行、d a q 、t c p 和用户控制界面的集成库；可用于w i n x n t 、s u ns o l a r i s1 x 2 x 和h p u x 。2 ，2 虚拟仪器自动测试系统分析2 2 1 基于虚拟仪器构建的自动测试系统的优点根据以上对于虚拟仪器主要功能特点的介绍，不难看出基于虚拟仪器构建的自动测试系统具备以下突出优点：1 采用虚拟仪器，计算机与硬件测试设备之间的数据传输非常方便、直接、快速。在传统的测试仪器设备中，测试人员以手工的方式现场记录测试数据，在测试数据量比较大的情况h ，这种数据记录方式不能很好的按时完成记录任务，测试过程也就变的复杂、缓慢，而且很容易引起测试误差。对于有些常用的测试仪器，对于被测对象只能进行定性分析，如果需要精确的物理数据，就需要有额外的辅助措施。在应用虚拟仪器技术的测试设备中，充分利用计算机的存储能力，让测试数据经由计算机总线，传输至计算机内存或硬盘，数据传输率可以满足测试的实时性要求，也加快了测试过程，这样就很好解决了数据的传输、保存问题。2 在某些情况下，需要根据工程的实际需要实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理，如进行p i d 控制、模糊逻辑控制、联合时频分析、f f t 、d f t 运算、数字信号处理，数学分析和数据库联接、统计分析参数调整、单位转换等工作，这在传统仪器中很难做到。在虚拟仪器中，开发人员可以使用现有的分析软件包或通过自行编制相应软件来满足这一功能要求。3 为了使测试过程直观、明了，有时需要多秘方式显示测试数据、控制过程和分析结果，虚拟仪器中，就可以利用计算机的图形用户界面实现这一目标。2 基于虚拟仪器测试系统的功能和软硬件结构2 2 ，2 基于虚拟仪器的自动测试系统的功能分析在确定系统软硬件结构之前，必须先确定虚拟仪器测试平台系统的预想功能，对该系统的具体功能和要求描述如下：1 系统适用于工程技术领域的各种测量工作。例如在机械加工领域中涉及到的位移测量，加工表面测量；机械振动领域的振动速度测量，振动加速度测量；化工工艺领域的温度测量等等。2 系统通过一定的引导方式帮助开发者构建具体仪器，这种方式必须直观形象。3 对于开发者构建的仪器能够长期保存，在下次开机时能再次运行该仪器。4 当用户有特殊硬件或数据处理要求时，允许他自己加入自己设计的硬件驱动元件或处理元件，并能长期保存之。所谓元件是指能完成一定测试或处理功能的可执行程序。5 建立的仪器能从硬件处采集信号，产生激励信号。硬件包括：传感器及调理电路，采集卡，微机。6 仪器能将采集到的数据进行分析处理，保存。7 仪器向操作者通知测试结果和处理结果有多种形式：实时数据形式：数据表格形式；图形形式等。8 操作者可以对仪器进行下述控制：参数设置测试命令；分析处理命令：保存命令。9 系统对操作者和开发者的误操作有相应的预防和解决措施。1 0 系统允许多仪器并发运行。1 1 系统对操作者和开发者提供帮助，帮助的内容包括：系统使用方法，指定项目的功用解释，注意事项。2 ，2 3 系统的硬件部分概述基于上一小节对基于虚拟仪器的自动测试系统的主要功能的详细分析，不难总结出该系统为一典型的数据采集与处理系统，其总体结构框图如图2 4 所示：系统由信号调理电路( 包括输入调理和输出调理) ，模拟多路开关( m u x ) ，测量放大器( i a ) ，采样保持放大器( s h a ) ，a d 转换器，d a 转换器，计算四川大学硕士毕业论文基于虚拟仪器的自动浸4 试系统开发方法的研究机软硬件系统及相应的接口电路组成。工作时，传感器先把各个待_ j 受| l 物理量，如：温度，压力，位移。位置等非电量信号转换为微弱模拟电信号，经过信号调理电路，模拟多路开关，采样保持放大器，测量放大器和模拟数字转换器转换成计算机可以接收的数字信号。计算机对测试数据进行计算、分析、处理和保存后，在外围设备上显示测试结果。图2 - 4 通用自动测试系统框图对于系统硬件部分的规划，选定为使用p c 卡式虚拟仪器结构。基于p c 总线的虚拟仪器是虚拟仪器的一个重要发展方向。特别是近年来微型计算机迅猛发展，计算机硬件性能戏倍增长，而价格却是稳中有降，这给p c 卡式虚拟仪器提供了良好的硬件基础；同时，计算机软件也发展很快，从操作系统、应用软件到开发软件，都给用户提供了广阔的使用空间，也造就了一大批可熟练操作计算机的用户。这样p c 卡式虚拟仪器就拥有了强大而廉价的硬件基础、广泛的软件支持和熟练的用户，这使得p c 卡式虚拟仪器产业有着很大的发展潜力，硬件设备是基于计算机的虚拟仪器的运行基础，为虚拟仪器提供功能支持。p c 卡式虚拟仪器的硬件设备般由两部分组成，分别是基础硬件平台和外围硬件设备。基础硬件平台目前可以选择各种类型的计算机，计算机是虚拟仪器的硬件基础，对于工业自动化和测试与测量来说，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 u i ) ，所开发的具体应用程序都是基于w i n d o w s 运行环境。所以计算机的配置必须合适。2 基于虚拟仪器测试系统的功能和软硬件结构从工程技术领域的要求出发，图形用户界面( g u i ) 对计算机的c p u 速度、内存大小、显示卡性能等都有最基本的要求，通常要使用4 8 6 以上的计算机才能获得良好的效果。采用w i n d o w s 2 0 0 0 9 x 操作系统时，至少需要1 6 m 以上的内存( 建议3z m 内存) 。当今的p c 机的一般硬件条件可以轻松满足这些条件。在有了计算机硬件平台的基础上，虚拟仪器还必须配备外围硬件设备，即各种计算机内置插卡和外嚣测试设备，才能构成完整的硬件体系。系统的硬件部分包括：传感器，信号调理电路，数据采集卡，机箱。1 传感器。传感器的选择一般基于测试系统所应用的具体的领域，选择的通用原则一般要求传感器测量范围大，灵敏度高，结构简单，同时可以很好的满足动静态信号测试的要求。例如应用于机械加工领域的测试系统一般习惯选用电涡式传感器，该传感器可以很好的适用于机械零件的加工精度，主轴跳动，轴变形等的测量。2 信号调理电路。传感器的输出通常需要处理后才能被数据采集设备精确、可靠的采集，这种前端的处理就是所谓的信号调理( s i g n a lc o n d i t i o n i n g ，简称s c ) 。s c 的作用包括放大、滤波、隔离、多路复用以及给传感器提供激励( 电压或者电流) 、桥路平衡和线性化等。因此非电量的测试系统一般都要有前端调理部分。由于传统测试仪器的功能单一，通常针对其具体的测量要求在仪器内部做好了s c 部分。而对于基于虚拟仪器的自动测试系统，特别式p c - - d a q 体系结构的自动测试系统，一般需要通用性、开放性的信号调理模块，才能够满足虚拟仪器的需要。3 仪器箱。仪器箱的作用是将传感器、变换器和精密电源集中放置。在仪器箱的面板上般都又可以实时控制仪器运行的按钮。当这些按钮被按下的时候，将产生一个数字信号经数字信号输入口( d i g i t a ls i g n a li n p u t ) 进入数据采集卡，继而进入计算机，经程序处理后干预整个仪器的运行。4 数据采集卡。数据采集卡连接虚拟仪器软件平台和测试系统各硬件的关键，将在第四章中进行重点介绍。2 24 系统的软件结构概述软件是虚拟仪器测试系统的重要组成部分。虚拟仪器软件开发必须采取分层设计，以便于代码复用。该软件一般分为四个层次：测试管理层、虚拟仪器四川大学硕上毕业论文基于虚拟仪器的自动测试系统开发方法的研究功能层、仪器驱动层和i o 接口驱动层。1 i o 接口驱动层。直接控制硬件的软件层，它和硬件、计算机操作系统密切相关，现在个人计算机普遍使用的是w i n d o w s 操作系统，而w i n d o w s 为保证其系统的稳定性，不允许应用程序直接对i 0 端口操作，必须编写符合w i n d o w s 标准的驱动程序。2 仪器驱动层。该层按仪器功能分类的函数库，它完成i 0 接口驱动层与虚拟仪器功能层的连接，是实现高层软件与硬件无关的重要保证。翻斌管理虚撼仗器动魏模块屠捩嚣驱动接口驱动便器硬件图2 5 虚拟仪器自动测试系统软件结构3 虚拟仪器功能层采用计算机组件技术( a c t i v e x 控件、对象链接与嵌入即o l e ) ，通过将组件技术和虚拟仪器技术相结合，极大地方便了虚拟仪器的组建并提高了可重用性，可以完成虚拟仪器前面板设计以及仪器功能，利用组件技术还可以将应用程序与其它基于w i n d o w s 的系统集成起来，允许用户添加不同的测量功能：采用软件定时采样、硬件中断与w i n d o w s 多线程结合、d m a 数据传输解决不同速率采集；采用w i n d o w s 多线程技术可以实现数据处理、数据显示同时进行。2 基于虚拟仪器测试系统的功能和软硬件结构4 测试管理层。采用动态连接库( d l l ) 技术实现测试管理层的功能，动态连接库是w i n d o w s 下允许在应用程序运行时调用的函数库，把数据采集控制、信号的分析与处理、数据的管理、自动调节、自动校准、测试报告生成等软件功能模块都放在d l l 中，供应用程序即用即调。2 3 本章小结本章引入了虚拟仪器的概念，简要介绍了虚拟仪器的硬件结构，分析了构成虚拟仪器硬件平台的基础以及各种软件开发平台的特点：从功能分析的角度入手，提出了基于虚拟仪器测试系统的一般硬件构成和总体软件结构。3 虚拟仪器图形化软件开发工具l a b v i e w 及其应用3 虚拟仪器图形化软件开发工具l a b v i e w 及其应用本章将全面介绍n i 公司的虚拟仪器图形化软件开发平台l a b v i e w ，其中主要介绍l a b v i e w 的工作方式，l a b v i e w 语言是一种带有图形控伟0 流结构的数据流模式虚拟仪器开发语言，采用的是一种基于模块化程序设计思想，非常适合于进行测试仪器的开发，因而成为本论文的首选开发平台。本章还阐述了l a b v l e w 新版本的一些特点。3 1l a b v i e w 概述在虚拟仪器图形化软件开发平台研究方面，近年来国际上许多公司都做了大量的工作，其中最具代表性的是美国n l 公司的l a b v i e w 和惠普公司的v e 。下面具体介绍l a b v l e w 语言。l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是美国国家仪器公司推出的。作为一种图形化程序设计语言，其最大特点就是：采用图形化编程，在计算机屏幕上利用其内含的功能库和开发工具库产生一个软面板，用来为测试系统提供输入值并接受其输出值；该面板在外观和操作上模仿实际有形器件，在功能上则与一般常用的语言程序相同。l a b v i e w 内部集成了大量的生成图形界面的模板，如各种开关、旋钮、表头、刻度条、指示灯等，包含了组成一个仪器所需的主要部件，而且用户也可以非常方便地设计库中所没有的仪器。凹孥声。图3 - 1 控件面板图图3 - 2l a b v i e w 的程序框图实例四川大学硕士毕业论文基于虚拟仪器的自动测试系统开发方法的研究图3 1 【2 9 】1 3 0 即为l a b v i e w 的控件面板，使用非常方便。l a b v i e w 还以块图方式继承了语言编程中结构化、模块化的编程特点，并可通过d l l 、共享库、o l e 等与外部代码( 如c 语言等) 连接。l a b v i e w 是一个带有扩展功能库和子程序库的通用程序设计系统，其开发环境下提供的应用程序有1 8 0 多种，除了具备其他语言所提供的常规函数功能和上述的生成图形界面的大量模板外，内部还包括了许多特殊的功能库函数和开发工具库，例如象f f t 这样的运算，只需选取一个图标即可实现；此外，还提供了多种硬件如：g p i b 、v x i 、r s - - 2 3 2 、r s - - 4 8 5 标准设备及数据采集卡、网络设备的驱动功能，通过n i 提供的众多常用仪器的源码级驱动程序，可轻而易举地与外部设备进行通讯和控制。通过l a b v i e w 的a p p l i c a t i o nb u i l d e r 工具箱，还可创建单独运行的应用程序，脱离l a b v i e w 平台使用，可移植性强。l a b v i e w 采用数据流编程方案，控制虚拟仪器程序的运行方式称为“数据流”。对一个节点而言，只有当它的所有输入端口上的数据都成为有效数据时，它才能被执行。当节点程序运行完毕后，它把结果数据送给所有的输出端口，使之成为有效数据。而这些数据会很快从源端口送到目的端口。l a b v i e w 的基本编程单元是方框图，方框图以图形软件绘制，用e l 标来表示程序设计，虚拟仪器则接收来自方框图的指令。l a b v i e w 编写的过程就是将多个目标用数据流连接起来的过程，被连接的目标之间的数据流控制着执行次序，并允许有多个数据通路同步运行。这是一种完全不同于文本程序语言线性结构的新型程序设计概念。因此，l a b v i e w 在绘制方框图时只需从软件菜单中调用相应的功能方块并用导线( w i r e s ) 连接即可，不必受常规程序设计语法细节的限制。图3 - - 2 3 0 】为程序框图实侈0 。当虚拟仪器建立起来并运行以后，用户即可通过软面板来控制自己的仪器，如按下开关、移动滑块、旋转旋钮或从键盘上输入一个数值等：同时，该软面板立刻响应来自