（机械电子工程专业论文）基于虚拟仪器的喷油泵校正器测控系统的研究与应用.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 柴油机的运行质量，很大程度上取决于燃油供给系统，而喷油泵则是燃油供给系统 的核心。在柴油机运行过程中，需根据不同的负荷及转速，利用校正器来调节喷油泵的 供油量。校正器的预紧力和校正行程，决定了供油的起点转速及最大校正油量。各种型 号的校正器均有最佳预紧力和校正行程值。在此值状态下，喷油泵能满足柴油机在各种 工况下的合理供油。因此，精确测定校正器的预紧力和校正行程具有十分重要的意义。 针对柴油机喷油泵校正器的预紧力和校正行程的自动精确测量，在对虚拟仪器技术 研究和分析的基础上，对系统功能需求进行了研究和总体设计。通过对系统硬件工作原 理的大量分析和性能的对比，对机械夹具、位移传感器、力传感器、数据采集卡、步进 电机及其驱动器进行了选型设计；利用v i s u a lb a s i c 编程语言开发出一个友好的应用程 序界面，完全采用软件的方案来代替硬件电路中的放大、滤波、整形和计数等典型电路， 大大简化了硬件电路，降低了成本，提高了可靠性和可调试性。在上述工作的基础上， 设计开发了基于p c d a q p c i 插卡式数据采集系统的虚拟测控系统，代替了以往用机械 的方式及手动对喷油泵校正器各项性能指标的测量。 通过系统的应用和对本系统的性能测试以及对大量测量精度实验数据的分析证明， 本测控系统具有较高的实用价值，有助于我国油泵行业的发展，对大力推动虚拟仪器技 术的广泛应用具有重要意义。 关键词：虚拟仪器；硬件设计；软件设计；应用 基于虚拟仪器的喷油泵校正器测控系统的研究与应用 r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no ft h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e mo ff u e li n j e c t i o np u m pc o r r e c t o r b a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t a b s t r a c t t h ew o r k i n gq u a i l t yo fd i e s e la l g i m ed e p e n d so nf u e ls u p p l y i n gs y s t e m , a n dt h ef u e l h l j e c t i o np u m pi st h ec o r eo fd i e s e le n g i n ef u e ls u p p l y i n gs y s t e m w h e nd i e s e le n g i n ei s w o r k i n g , t h ef u e li i l j e c t i o np u m pc o r r e c t o rw i l lc h a n g et h ef u e lq u a n t i t yb yt h ef u e l 坷e c t i o np u m pa c c o r d i n gt od i f f e r e n tl o a da n dr o t a t i n gs p e e d 1 1 1 ep r e f i g h i e n i n gf o r c ea n d c o r r e c t i o ns t r o k ed e c i d et h ev a l u eo ft h ei n i t i a lr o t a t i n gs p e e da n dm a x i m a lc o r r e c t i n gf u e l q u a n t i t y e v e r yt y p eo fc o r r e c t o r sh a v et h eo p t i m a lv a l u eo ft h ep r e t i g h t e n i n gf o r c ea n d c o r r e c t i o ns t r o k e i nw h i c hs t a t et h ef u e li n j e c t i o np u m pc a n s u p p l yf u e lr a t i o n a lt h r o u g ha n y w o r k i n gs i t u a t i o n s oi tm a k e ss e n s ct o f i n da c c u r a t ep r e t i g h t e n i n gf o r c ea n dc o r r e c t i o n s t r o k e f o rm e a s u r i n gt h ef u e li n j e 地t i o np u m pc o r r e c t o r sp r e t i g h t e n i n gf o r c ea n dc o r r e c t i o n s t r o k ea u t o m a t i c a l l ya n dp r e c i s e l y , b a s e do nr e s e a r c ha n da n a l y s i so fv 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 , p r o c e s s i n gr e s e a r c ha n dd e t a i ld e s i g na r em a d ef o rt h er e q u i r e m e n t so f t h es y s t e m f u n c t i o n t h r o u g hal a r g ea m o u n to f a n a l y s i sa n dc o m p a r a t i v es t u d yf o ro p e r a t i n gp r i n c i p l eo f t h es y s t e mh a r d w a r e , c a r r i e do i lt h ep r o c e s sa n ds e l e c tm a i n l yt ot h em e c h a n i c a lc l a m p ，t h e d i s p l a c e m e n ts e n s o r , t h ef o r c es e n s o r , t h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r d , s t e p p i n gm o m rm a c h i n ea n d i t st h ed r i v e r b yp r o g r a m m i n gl a n g u a g eo f v i s u a lt h eb a s i c , w ed e s i g naf r i e n d l ya p p l i c a t i o n p r o g r a mw h i c hc o m p l e t e l yu s i n gs o r w a r em e t h o dt 0i n s t e a do f t h eo r i g i l l a la m p l i f y , f i l t e ra n d c o u n t e rc i r c u i t ，e t c t h ep r o g r a mh a ss i m p l yh a r d w a r ee l e c t r i cc i r c u i t ，r e d u c e dt h ec o s t , e n h a n c e dt h er e l i a b i l i t ya n de a s i e rt ot h ed e b u g g i n g o nt h eb a s i so ft h ea f o r es a i d , t h e h y p o t h e s i z e do b s e r v a t i o na n dc o n t r o ls y s t e mo f i n s e r t e dt h ec a r dt y p ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m b a s e do np c - d a q p c ih a sb e e nd e s i g n e da n dd e v e l o p e d , t h a tm e a n si ti n s t e a do ft h e m a c h i n em o d ea n dm a n u a lm o d et of i n i s ht h ei n s p e c t i o no ft h ee a c hi t e mo ft h e 删e c t i o n p u m pc o r r c o o r t h r o u g ht h es y s t e m i ca p p l i c a t i o n , t h ep e r f o n n a n c et e s t ，a n dt h ea n a l y s i so ft h em a s s i v e a c c u r a c ym e a s u r i n ge m p i r i c a ld a t u m , i th a sb e e np r o v e dt h a tt h eo b s e r v a t i o na n dc o n t r o l s y s t e mh a sg r e a tp r a c t i c a lv a l u e , w h i c hi sh e l p f u lt ot h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y so i l p u m pp r o f e s s i o na n dt 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 k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ；h a r d w a r ed e s i g n ；s o f t w a r ed e s i g n ；e x p e r i m e n t i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 醐。学 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签 导师签 年上月孚日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 虚拟仪器技术的国内外发展现状 2 0 世纪8 0 年代末，随着微电子技术、计算机技术和软件技术的高速发展及其在电 子测量技术与仪器上的应用，出现了一种全新的仪器结构，并由此产生了一个新型的仪 器概念虚拟仪器。它利用计算机显示器的显示功能模拟传统仪器的控制面板以多种 形式输出检测结果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由 i 0 接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能。其核心思想是利 用计算机的强大资源使本来需要硬件实现的技术软件化，以便最大限度地降低系统成 本，增强系统的功能与灵活性。 在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入与输出，软件才是整个系统的 关键。仪器参数设置、测试结果显示等功能都是通过软件实现，操作人员不直接和仪器 接触，从而最大限度的减少了人为误差的产生，并提高了效率。而要实现软件对硬件的 控制，关键问题在于软件与硬件之间的接口。目前，随着虚拟仪器的发展，已经出现了 p c i 、g p i b 、v x i 、p x i 和串行口等五种接口总线技术“脚。 虚拟仪器经过2 0 多年的发展，而今正沿着总线与驱动程序标准化、硬软件模块化、 编程平台的图形化和硬件模块的即插即用方向发展。虚拟仪器技术在发达国家的推广和 应用十分普及，在电子测量、过程控制领域，以及与人们生活息息相关的许多其他领域， 如电信、医学等方面都有很好的应用。 在我国，传统仪器技术还比较落后，与国外相比，测量精度与可靠性均低一个数量 级，且自动化程度较低。另外，由于加工工艺复杂，制造技术要求很高，一些高档仪器， 如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还依赖进口。采用虚拟仪器技术，可以通过 只采购通用数据采集硬件来设计自己的高性能价格比的仪器系统。当前，各种测试软件、 专用集成电路、固化软件的广泛应用，系统技术和v x i 、p x i 等模块化仪器的迅速发展 都给虚拟仪器的研究和应用创造了良好的条件，也使得我们可以进一步缩小与国际先进 水平之间的差距。 虚拟仪器在我国的研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。随着计算机技术的不断发展、各种相 关软件不断诞生，虚拟仪器将会逐步取代传统的测量仪器而成为测量仪器的主流，虚拟 仪器必将在更多更广的领域得到应用和普及m 。 基于虚拟仪器的喷油泵校正器测控系统的研究与应用 1 2 柴油机喷油泵校正器测试的内容及现状 喷油泵是柴油机燃油供给系统的核心，决定着柴油机的运行质量。在柴油机运行过 程中，需根据不同的负荷及转速，利用调速器来调节喷油泵的供油量，从而调节和控制 柴油机的转速，使其能够像汽油机那样正常工作。柴油机主要有三个不利于直接使用的 因素，目口容易飞车、扭矩太大和怠速不稳。调速器只在柴油机的怠速和高速( 额定与最 高空转转速之间) 时才起调速作用，为了更好地消除上述不利因素的影响，在调速器上 加装了校正器，以使喷油泵具有扭矩校正的能力而使柴油机获得一定的扭矩储备。 柴油机喷油泵校正器的校正弹簧具有一定的预紧力，预紧力的大小取决于预压量调 整垫片的厚度是多少，它决定了最大扭矩点的转速。校正行程是校正弹簧座与调整垫片 之间间隙的距离，校正行程决定了最大校正油量的大小。对校正器的测试主要是根据标 准件的技术参数，确定预压量调整垫片和校正行程调整垫片的多少，从而获得其最佳预 紧力和校正行程值。 合适的预紧力和校正行程，决定了供油的起点转速及最大校正油量，从而消除柴油 机低速时容易熄火和高速时容易飞车的不利因素。每一种型号的校正器均有其最佳预紧 力和校正行程值，在此值状态下，喷油泵才能满足柴油机在各种工况下的合理供油。因 此精确测定校正器的预紧力和校正行程具有重要意义“1 。 目前，国内大部分喷油泵企业对喷油泵校正器预紧力及校正行程的测量，通常是利 用压力机下压钢性块和校正器，使校正弹簧产生变形，用钢性块的位移量测出校正弹簧 的行程位移。当行程位移为零时，则压力机的压力即为校正弹簧的预紧力；当校正弹簧 达到最大变形量时，钢性块的行程位移差即为校正器的校正行程。这种采用机械和手动 的测量方式，精度只有0 1 m m ，测量误差大，而且需要对喷油泵反复实验，装拆多次， 增加了调整工时，破坏总成密封性。 国外的一些油泵企业，利用计算机控制技术，研制出相应的喷油泵校正器全自动性 能试验台，实现了自动精确测量喷油泵校正器的预紧力和校正行程。但其技术严格控制， 全自动性能试验台价格昂贵，并且对喷油泵校正器的测量有极强的针对性，不能对国内 企业各种型号的喷油泵校正器进行测量，测量通用性较差。 1 3 课题来源及意义 本系统是为中国一拖集团公司的z h by b 型喷油泵校正器研制开发的，用于自动 精确测量校正器的预紧力和校正行程的虚拟测控系统。 为了精确测定校正器的预紧力和校正行程，必须进行大量的测试。因而对于不同型 号的校正器来说，没有自动测试系统是难以想象的。而在一套自动测控系统中，为了减 一2 大连理工大学硕士学位论文 少误差、节省时间，不可能像传统测试那样人工控制仪器，对仪器的操作以及结果的显 示，都要由软件完成，实现软件对硬件的控制。 根据厂家的要求，结合生产实际，做了大量的调查研究工作，深入了解虚拟仪器技 术的发展现状，分析对比国内外柴油机喷油泵校正器的测试方法，熟悉掌握虚拟测控系 统的相关技术。通过对比分析发现，世界各发达国家的油泵行业均采用全自动性能试验 台进行喷油泵校正器的测定，相对于国内大部分油泵行业仍旧采用的人工手动测定来 说，具有测量准确、精度高，测量条件一致性好，无需人工干预，效率高等优点，但其 技术对发展中国家是严格控制的，测试设备的价格昂贵。 因此，依靠自身力量，采用现代虚拟仪器技术，开发喷油泵校正器虚拟测控系统， 有助于我国油嘴油泵行业的发展，对大力推动虚拟仪器技术的广泛应用具有重要意义。 1 4 论文完成的工作 本文的主要任务就是研究开发一套性能良好的、经济实用的、符合生产实际的喷油 泵校正器的虚拟测控系统。本系统针对最佳预紧力和校正行程值的精确测定，利用虚拟 仪器技术自动进行测量、数据处理和传输，并以适当方式显示或输出结果，具有显示直 观、操作容易、维修方便等特点。 本论文研究的关键任务是如何把从传感器得到的力和位移信号进行数据采集和计 算机处理，得到精确的力和位移值，并与给定标准值进行比较，得到力和位移的修正值。 本文针对柴油机喷油泵校正器的预紧力和校正行程的自动精确测量，在对虚拟仪器 技术研究和分析的基础上，对系统功能需求进行了研究和总体设计。通过对系统硬件工 作原理的大量分析和性能的对比，对机械夹具、位移传感器、力传感器、数据采集卡、 步进电机及其驱动器进行了选型设计；利用v i s u a lb a s i c 编程语言开发出一个友好的应 用程序界面，完全采用软件的方案来代替硬件电路中的放大、滤波、整形和计数等典型 电路，大大简化了硬件电路，降低了成本，提高了可靠性和可调试性。在上述工作的基 础上，设计开发了基于p c - d a q p c i 插卡式数据采集系统的虚拟测控系统，代替了以往 用机械的方式及手动对喷油泵校正器各项性能指标的测量。 基于虚拟仪器的喷油泵校正器测控系统的研究与应用 2 虚拟仪器技术及数字滤波技术的研究 2 1 虚拟仪器技术的研究 伴随着微电子技术、计算机技术和网络技术的迅速发展及其在电工电子测试领域的 应用，现代仪器不断进步，依次出现了数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。同时也由单 台仪器逐步发展到一机多功能的虚拟仪器系统。目前，功能单一t 自动化程度低、研制 周期长、仪器功能难以共享以及升级困难的传统测试仪器已跟不上信息时代的步伐，需 采取有效的手段对其进行更新换代。虚拟仪器这种新的仪器设计思想为提高测试效率、 降低测试成本提供了一个有效的途径和方法。使用虚拟仪器进行研究、设计和铡试，用 户可缩短系统的开发时间，节省开支。随着计算机技术的快速发展，虚拟仪器必将在更 多、更广的领域得到应用和普及。虚拟仪器技术已成为现代测控领域的一个基本方法， 是技术进步的必然结果”。 2 1 1 虚拟仪器的概念 1 9 8 6 年美国国家仪器有限公司( 简称n i ) 率先提出了虚拟仪器的概念。所谓虚拟 仪器，就是在通用计算机平台上，用户根据自己的需求定义和设计仪器的测试功能，其 实质是充分利用现有计算机硬件提供共有功能部件，将传统仪器硬件与最新计算机软件 技术结合起来，以实现并扩展传统仪器的功能。这在由供应商定义、功能固定、独立的 传统仪器上是做不到的。其本身体现的就是仪器的软件化，即软件就是仪器的概念。由 于软件成本投入相对较低，因此虚拟仪器得到快速发展这同对也是符合测试仪器发展 的本质要求且大有可为的嘲。 虚拟仪器作为新兴的仪器仪表，其优势在于可由用户自己定义自己专用的仪器系 统，且功能灵活，构建容易，升级方便，所以应用面极为广泛。尤其在科研、开发、测 量、检测、计量、测控等领域更是不可多得的好工具。 虚拟仪器和传统仪器相比有很多优势，参见表2 1 。在虚拟仪器系统中，计算机可 成为一部多功能的智能化的测控系统，除保持计算机原有的一切功能外，还可兼有数字 存储示波器、f f t 频谱分析仪、集成在线测试仪、智能信号发生器、逻辑分析仪及商精 度频率计等功能，使计算机在时域、频域、数据域、i c 测试及信号产生、信号分析方面 的功能大大扩展，其测试功能已非传统仪器所能比。 大连理工大学硕士学位论文 表2 i 虚拟仪器与传统仪器的比较 t a b 2 1c o m p a r i m nb e t w e e nv i r t u a li n s t r u m e n ta n dt r a d i t i o n a li n s l r u m e n t 虚拟仪器传统仪器 功能由用尸自己定义功能由仪器j 两定义 粤复窘曼的系统结构，可方便地与网络外与其他仪器设备的联结十分有限 设等连接 一 。 数据可编辑，存储，打印数据无法编辑 软件是关键部分硬件是关键部分 摹三瑟量机技术开放的功能模块r 可构成系统封闭，功能固定，扩展性差 多种仪器 一 萋三软件系统的结构，大大节省开发维护开发和维护费用高 费用 ”一 价格低廉价格昂贵 2 1 2 虚拟仪器的构成 “软件就是仪器”应该确切地说成：软件就是仪器的一部分，而且是越来越重要 的一部分，但软件不等于仪器。虚拟仪器之所以称为仪器，就在于它是面对信号的， 而不是面对数据的。所以，虚拟仪器同m a t l a b 等软件程序包有着本质的不同，它具 有输入输出功能，不可能只由软件组成，而是通常由计算机、仪器模块硬件( 或称i o 接口设备) 和应用软件三个部分组成。 计算机和i o 接口设备构成了虚拟仪器的硬件平台，以实现信号的输入输出功能。 计算机，一般为p c 机或工作站，是硬件平台的核心。各种仪器所必需的共有功能部件， 如键盘、显示器、电源、机箱以及处理器、存贮器、打印机等，都是利用p c 机原有的 硬件资源。而i o 接口设备主要完成被测输入信号的数据采集、通信和相应的前处理， 如各种传感器、信号调理器、模拟数字转换器( a d c ) 、数字模拟转换器( d a c ) 、 数据采集器( d a q ) 等。目前，主流的虚拟仪器根据i 0 接口设备总线标准类型的不同， 其构成方式主要有五种：它们分别为p c - d a q p c i 插卡式虚拟仪器系统、g p i b 虚拟仪 器测试系统、v x i 总线虚拟仪器测试系统、p x i 总线虚拟仅器测试系统、串口总线( 如 r s 2 3 2 ) 虚拟仪器测试系统，或者是它们的混合系统，如图2 1 。其中p c d a q p c i 插卡 式虚拟仪器系统是虚拟仪器最基本最廉价的构成形式，是完全基于p c 机的单机系统， 它充分利用了p c 机本身的资源，利用计算机软件对数据采集、存贮、分析、处理、传 基于虚拟仪器的喷油泵校正器测控系统的研究与应用 输及控制的强大功能，可在同一台p c 机上虚拟出数十台仪器，如数字电压表、电子计 数器、数字存贮示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱仪等；作为多台仪器集成的测 试系统，以虚拟仪器形式提供给用户，不仅功能强大、用途多样，而且具有极其友好的 用户界面和简化的图形化编程，受到用户普遍欢迎和各国企业界高度重视，成为当代仪 器发展的一个重要方面。这些虚拟仪器的工作方式多是直接插入计算机主机箱内或插入 各种总线式仪器机箱内，少数情况下是独立模块以接口形式接入计算机。它们多数属于 中低频范围，主要是工程应用类仪器设备”，。 p c i 总线 数据采集卡f ：= = = = = = g p i b 总线 叶g p i b 仪器卜o = = = = 接 v x i 总线 口计 i 被测信号i - iv x i 模块e o = = = = 电 ，y7算 p x i 总线 机 _ 叶p x i 模块l 路 串行总线 叫串行口仪器f ：= = 令 图2 1 虚拟仪器的构成 f i g 2 1t h ec o m p o s i n go f v i r t u a li n s t r u m e n t 软件系统是虚拟仪器的核心：虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机 地融为一体，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，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。这意味着在硬件平台确定之后， 只要按照测量原理，采用适当的信号分析技术与处理技术，编制某种测量功能的软件就 可构成该功能的测试仪器。因此对于硬件结构相对稳定的功能模块，其测试功能的体现 要通过优秀的分析软件来控制。虚拟仪器应用软件可分为三个层次：用户界面层、应用 程序层和仪器驱动层。仪器驱动是虚拟仪器实现对真实物理信号采集的基础，如果不能 获得真实的信号数据，则后面的处理和分析都是纸上谈兵，因此仪器硬件，即f o 接口 设备的驱动是虚拟仪器系统的重要环节；应用程序层主要用于对采集的数据进行处理， 用户通过编制应用程序来定义虚拟仪器的功能；用户界面层主要实现两个功能；一是为 用户提供各类测试仪器的虚拟界面，用户通过软面板上的开关和按钮来模拟传统仪器的 各种操作；二是为完成特定的测试任务，调用各个仪器，管理测试流程。 一6 大连理工大学硕士学位论文 用户可以采用各种编程软件来开发其软件系统，如v i s u a lc + + ，v i s a u lb a s i c ， l a b v i e w ，l a b w i n d o s c v i ，h p v e e 等。 2 1 3 虚拟仪器的分类 ( 1 ) p c - d a q 虚拟仪器系统 p c - d a q 系统是利用p c 机来组建成灵活的虚拟仪器，是以数据采集卡、信号调理 电路与个人计算机为硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。它是现在比较流行的一种虚 拟仪器系统。这种系统采用p c 机本身的p c i 或i s a 总线，将数据采集卡插入到计算机 的p c i 或i s a 总线插槽中，并与专用的软件相结合，完成测试任务。它充分利用了微计 算机的软、硬件资源，更好地发挥微型计算机的作用，大幅度地降低了仪器成本，并具 有研制周期短、更新改进方便的优点。 目前，各厂家已设计了多种性能和用途的数据采集卡、运动控制卡等各种仪器插卡。 按p c 机总线类型来分，有i s a 卡和p c i 卡等类型。随着计算机的发展，i s a 型插卡已 逐渐退出舞台，而p c i 总线正在广泛使用。p c i 总线的数据传输率高达1 3 2 2 6 4 m b p s ， p c i 总线技术的无限读写突发方式，可在瞬间发送大量数据。p c i 总线上的外围设备可 与c p u 并发工作，从而提高了整体性能。p c i 总线还有自动配置功能，从而使所有与 p c i 兼容的设备实现真正的“即插即用”( p l u g & p l a y ) 。 因p c 机数量非常庞大，插卡式仪器价格最便宜，因此其用途广泛，特别适合于各 种实验室条件下使用，目前仍有强大的生命力”。 ( 2 ) g p i b 虚拟仪器系统 t e e e 4 8 8 1 ( 也称g p i b ) 标准接口系统是美国h p 公司于1 9 7 2 年推出，经改进后于 1 9 7 5 年被美国电气与电子工程师学会( m e e ) 接受，并正式颁布标准文件。 g p i b 总线是一种并行方式的外总线，计算机连接的仪器数目最多不超过1 5 台，电 缆总长度不超过2 0 m ，最高数据传输速率为1 m b y t e s 。凡是符合g p i b 标准的仪器设备， 不论出自何厂，均可用此标准总线连接起来，构成自动测试系统。 g p i b 系统成功地将仪器和计算机联系起来。g p i b 系统的应用从最初的测试仪器控 制迅速普及到自动控制、电视、导航、通信、核物理和工业控制等众多领域。目前各大 公司生产的台式仪器中几乎都配有g p i b 接口，很多集成电路的制造商也生产了各种 g p i b 的接口芯片。 由于g p i b 仪器总线只是8 位并行仪器总线，传输速率和传输距离有限，已经跟不 上当今大规模测试系统的需求。但是，g p i b 总线仍然是实验室条件下，组建中等水平 的自动测试系统所欢迎的总线。 基于虚拟仪器的喷油泵校正器测控系统的研究与应用 ( 3 ) v x i 虚拟仪器系统 随着科学技术的发展，测试项目和测试范围与日俱增，测试对象也逐渐复杂，测试 的参数繁多，测试速度和测量精度的要求不断提高，这就使得用户对开放结构的模块式 仪器提出了越来越迫切的要求。在此背景下，由世界5 家著名的仪器公司( h p ，w a v c t c k ， t e k t r o n i x ，r a c a l ，c o l o r a d o d a t a 2 s y s t c m s ) 于1 9 8 7 推出了v x i 总线标准。 v x i 总线是v m e 总线( 一种高速计算机总线) 在仪器领域的扩展，即在v m e 总 线原有的基础上扩展了一些适应仪器系统所需的总线而构成的。v x i 总线具有小型、便 携、数据传输率高、组建及使用方便等优点，具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力 强，基本总线数传速度为4 0 m b y t e s ，本地总线可达i g b y t e s ，定时和同步精确、模块 可重复利用、众多仪器厂家支持以及电磁兼容性好等特点，己成为当今国际上测量仪器 总线的主体，在世界范围内得到了迅速的发展和推广，被称为2 1 世纪测试仪器系统的 优秀平台。 ( 4 ) p x i 虚拟仪器系统 p x i 总线是在v 总线技术之后出现的，它汲取了v x i 总线的技术特点和优势。 由于v x i 总线系统第一次投资成本较大，若采用v x i 总线组建小规模测试系统，其价 格偏高。为适应仪器与自动化测试系统用户日益多样化的需求，美国n i 公司基于目前 性能最先进的计算机p c i 总线，吸取v x i 总线精华，简化v x i 总线结构，提出了一种 新的测试系统总线：p x i 总线。 p x i 是英文p c ie x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t 的缩写，即p c i 总线在仪器领域的扩展。 它将c o m p a c tp c i 规范定义的p c i 总线拓展为适合于仪器与测试领域的总线规范，从而 形成了新的虚拟仪器体系结构。 p x i 总线测试系统的机箱体积和模块尺寸均较小，适于组建规模不是很大的测试系 统。目前，p x i 总线测试系统已得到较为广泛的应用。在我国，1 9 9 8 年已拥有了p x i 模块仪器系统的第一批用户。由于p x i 模块仪器系统其卓越的性能价格比，使得越来 越多的的工程技术人员开始关注p x i 的发展。尤其是在某些要求测试系统体积小的使用 场合。另外，由于p x i 测试系统的数据传输速度更高，在某些高频段的测试，已经采用 了p x i 测试系统。 ( 5 ) 串行总线虚拟仪器 r s 2 3 2 总线是p c 机早期采用的通用串行总线，至今仍然适用于要求较低的虚拟仪 器系统中。 一8 大连理工大学硕士学位论文 2 1 4 虚拟仪器的软件技术 虚拟仪器系统的另一大核心技术是软件技术，从美国n i 公司提出的著名口号：软 件就是仪器( t h es o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ) ，可看出软件对于虚拟仪器的重要性。 虚拟仪器的软件技术，主要包含两方面，第一是软件标准化问题，第二是如何利用 各种软件开发平台，编制出符合标准的自动测试应用软件。 ( 1 ) 虚拟仪器的软件标准化 在虚拟仪器系统的软件标准化方面，人们一直做着不懈的努力。i e e e 4 8 8 1 标准极 大地推动了自动测试系统的发展。但该标准对命令代码、格式、通信协议等未作规定。 使设计者除必须知道各种仪器本身的测量功能外，还必须了解系统中每一个仪器的接口 功能及各仪器制造商规定的数据格式和通讯协议，否则系统将不能正常运行，给系统设 计者带来了很大不便。由于用户对标准化提出更高的要求，因此必须制定相应的软件标 准。1 9 8 7 年，i e e e 4 8 8 2 标准i e e e 标准代码、格式、协议和公用命令的颁布，解 决了砸e f a 8 8 1 的一些问题。 i e e f a 8 8 2 标准及s c p i i e e e 4 8 8 2 标准在很大的程度上解决了使用e e e 4 8 8 1 时所遇到的闯题，使软件标 准化的程度得到很大提高，但该标准主要涉及仪器的内务管理功能，并不涉及器件消息 本身。 由于可程控仪器品种浩瀚，功能繁多，长期以来，对器件消息未能做到标准化。尤 其是程控命令集通常由仪器制造商自行设定，兼容性差，这给仪器使用者和系统设计人 员在编程上造成很大困难。因此编程人员在编写应用软件时，要逐个查询命令手册，而 且由于兼容性差，更换仪器就必须修改程序，程控命令之间还可能出现混淆和矛盾。为 解决这一问题，1 9 8 8 年l i p 公司提出了它的系统语言h p s l 。作为一种通用语言，它的 通用命令可以超越仪器而实现标准化。 1 9 9 0 年4 月，这一语言被工业界认可，由h p 、t e k 等9 家知名的仪器制造商组成 的联合体将其改名为s c p i ( s t a n d a r dc o m m a n df o rp r o g r a m m a b l ei n s t r u m e n t ，可编程仪 器的标准命令) ，并公布了它的第一个标准文本s c p ir e v 1 9 9 0 0 。 目前，s c p i 已得到了广泛支持和应用，虽然它是建立在i e e e 4 8 8 2 的基础上，但 它除了应用在i e e e 4 8 8 总线系统中外，还用于r s 2 3 2 、v x i 总线等系统中，它使程控命 令和响应消息标准化，提高了仪器的互换性，还能保护用户的软件投资不轻易因测试程 序被淘汰而遭受损失。 总之，s c p i 的问世对虚拟仪器系统的软件标准化起到了很大的推动作用，已广泛 地应用到虚拟仪器的应用程序设计中。 基于虚拟仪器的喷油泵校正器测控系统的研究与应用 v p p 规范 s c p i 是基于i e e e 4 8 8 仪器设备开发出来的，虽已用于v x i 总线系统中，但由于 v x i 总线模块仪器不同于独立的i e e e 4 8 8 仪器设备，不能独立工作，对软件的依赖性更 强，仅有s c p i 是远远不够的。在v x i 总线系统中，各仪器模块通常用相应的驱动程序 驱动。由于厂家各自编写自己的v x i 模块驱动程序，造成不同厂家的驱动程序不兼容。 因此，如何保证多厂商的软件产品在系统级上的兼容性和很好的互换性，即解决( i 系统软件的标准化问题，已成为关键问题。 1 9 9 3 年美国n i 等著名仪器公司成立了v x ip l u g & p l a y 联盟并制定了v x ip l u g & p l j 巧规范，简称v p p 规范。v p p 规范是对v x i 总线规范的补充和发展，主要解决了v x i 总线系统的软件级标准问题。它制定了标准的系统软件结构框架，对操作系统、编程语 言、i o 程序库、仪器驱动程序和高级应用软件工具作了原则性规定。 v p p 规范颁布后，已经得到世界各大测试仪器生产厂商和用户的广泛认可，不支持 v p p 规范的v x i 总线产品已基本被淘汰。 在v p p 规范中，“v i s a 库”子规范是v p p 规范的核心。它是v p p 联盟制定的【，o 接口软件标准，即标准的函数库。凡是加入v p f 联盟的v x i 总线产品开发商都将以此 标准开发v x i 模块的驱动程序。更为重要的是，符合v p p 规范的系统控制器或接口必 须提供v i s a 库，这样才可能使整个系统得以在统一的软件平台上协调工作。当更换不 同公司、厂家生产的符合v p p 规范的g p i b 控制卡、m x i 组 牛、1 3 9 4 控制卡、g p i b v x l 零槽控制器时，对于按照v i s a 规范编写的仪器驱动程序，无须作任何改动即可应用。 同时，利用v i s a 可以用其他公司生产的符合v p p 规范的仪器模块替代系统中的同类型 仪器模块，而无须修改软件。这就给用户带来了极大的方便，而且对于程序开发和设计 者来说，软件的编制无须针对某个具体公司的具体模块，可以避免大量重复性工作。 1 v i 规范 i v i ( i n t e r c h a n g e a b l ev i r t u a li n s m n n c n t s ，可互换式虚拟仪器) 规范是由1 9 9 8 年8 月成立的m 基金会所提出的，它是在v p p 规范的基础上发展起来的，主要研究为各釉 虚拟仪器测试系统建立一种可互换式的仪器驱动程序框架结构。 v p p 规范通过v i s a 解决了仪器驱动程序与硬件接口的无关性，例如v x i 测试设备 的g p i b 零槽更换为1 3 9 4 零槽，只需要重新安装新零槽的驱动程序，而不必改变仪器驱 动程序的代码。而m 要解决测试应用软件和仪器驱动程序的无关性，比如v x i 测试设 备中的多用表模块由h p l 4 1 i a 更换为r a e a l 4 1 5 2 a ，只需要改变计算机上的一些设置， 而不必改变测试应用程序的代码。 大连理工大学硕士学位论文 m 的仪器互换性在众多应用领域中是非常重要的，如果系统中使用的仪器有很好 的可互换性，那么当仪器升级或者失效的时候，开发人员就可以很容易地将测试程序代 码应用于新仪器。另外，各大公司也可以在各部门之间共享程序代码而不必要求使用同 样的仪器。i 是建立在v p p 规范基础之上，比v p p 更高一个层次。 ( 2 ) 虚拟仪器的应用软件开发平台 在虚拟仪器系统的组建和开发中，研究、开发适于广大测试技术人员使用的测试软 件开发平台( 也称软件开发工具或软件开发环境) ，提高编程效率、节省调试时间和编 程费用，一直是测试领域人们关心的重要技术问题。 许多公司已经开发出一些使用方便、功能强大的专用的虚拟仪器软件开发平台。目 前，世界上具代表性的3 个专用的虚拟仪器软件开发平台是美国n i 公司的l a b w i n d o w s c v i 、l a b v i e w 和h p 公司的h pv e e 。其中l a b w i n d o 粥自文，i 属于可视化的 文本型开发平台，而l a b v i e w 与a g i l e n t v e e 属于图形化的软件开发平台。 l a b w i n d o w s c v l 中的c v i ( cf o rv i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ) 的含义就是“用于虚拟 仪器的c 语言”的英文缩写。m w i n d o w 栅将源代码编辑、3 2 位a n s i c 编辑、链 接、调试以及标准a n s l c 库等集成在一个交互式开发环境中，用户可以快速方便地编 写、调试和修改应用程序。该平台尤其适合于粗通c 语言，但没有w i n d o w s 底层编程 经验的测控软件开发人员使用。l a b w i n d o w s c v i 主要适用于各种测试、控制、故障分 析及信息处理软件的开发，既适用于一般的测试软件开发，也适用于大型、复杂的测试 软件的开发。【嗣b w i i l d o w s ，c 最早用于航空、航天的飞行器测试，现已广泛地用于工 业技术的各个领域，成为虚拟仪器测试领域最受欢迎的软件开发平台之一。 图形化软件开发平台呦e w 与h pv e e 为用户提供了简单、直观、易学的图形 编程方式，把复杂繁琐、费时的文本编程简化成“画流程图”的方法。与通用的文本编 程语言相比，可以节省大约7 0 8 0 的程序开发时间。编程工作是由开发平台本身完 成的，省去用户大量的编程工作。图形化软件开发平台只需用鼠标将屏幕上的各个功能 图标按一定的顺序连接起来，即采用，就能方便迅速地完成程序的编写。 该类软件开发平台同时支持与多种总线接口系统的通信连接，提供数据采集、仪器 控制、数据分析和数据显示等与虚拟仪器系统相关的多种功能，是面向测试领域的优秀 软件开发平台，受到了从事虚拟仪器系统的软件开发的广大工程技术人员的欢迎。 2 1 5 虚拟仪器技术的发展趋势 随着科学技术的不断进步，虚拟仪器将向以下几个方向发展： ( 1 ) 新的总线技术的应用 基丁二虚拟仪器的喷油泵校正器测控系统的研究与应用 从虚拟仪器构成看，总线是连接计算机与仪器的纽带。总线的能力直接影响测试系 统的总体水平。虚拟仪器的发展很大程度上是由于总线技术的不断升级换代的结果。 目前，某些从事虚拟仪器开发的厂家和公司，已经开始进行u s b 通用串行总线和 i e e e l 3 9 4 串行总线虚拟仪器的开发，这是因为虚拟仪器系统主控计算机常采用p c 机， 这两种串行总线已被集成到p c 机主板上。 目前，u s b 总线能以雏菊链方式连接1 2 7 个装置。u s b 2 0 标准的数据传输率能达 到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。现已有带有u s b 总线接口的仪器问世。 当今，i e e e l 3 9 4 串行总线已引起人们的注意。i e e e l 3 9 4 总线是由苹果公司于1 9 8 9 年设计的高性能串口总线，目前传输速率已达4 0 0 m b p s ，将来可达3 2 g b p s 。可以用任 意方式连接6 3 个装置。由于1 3 9 4 总线的高速数传率，有希望成为虚拟仪器发展最有前 途的总线。目前国际上虚拟