（机械电子工程专业论文）机械零件加工精度测量与分析的虚拟仪器设计.pdf

积 二， 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文首先分析了当前企业的加工精度测量分析方法和高校实验教学的现状，并针 对目前企业和高校需要解决的问题，提出了加工精度测量与分析的虚拟仪器设计思 想。详细介绍了系统的硬件及软件系统的构成方案，并对加工精度的分析方法进行了 理论研究，依据这些理论对测量所得的精度值进行了系统的分析。文中介绍系统所 涉及的数据采集和虚拟仪器等关键技术以及所用l a b v i e w 开发平台与数据库管理技 术，并详细说明了本系统所实现的数据采集与数据分析以及高校实验等主要模块的 功能。 关键词：虚拟仪器，l a b v i e w ，加工精度，统计分析 a b s t r a c t t h i st e x tf i r s t l ya n a l y z e st h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h em e a s u r ea n da n a l y t i c a lm e t h o di n s o m ee n t e r p r i s e sa n dt h ee x p e r i m e n tt e a c h i n gi ns o m eu n i v e r s i t i e s ，a i m sa tt h ee n t e r p r i s e a n du n i v e r s i t i e st on e e dt h ep r o b l e mf o rr e s o l v ec u r r e n t l y , p u t t i n gf o r w a r dt ot h ed e s i g n t h o u g h t s a b o u tt h em e a s u r ea n da n a l y s i so fw o r k i n gp r e c i s i o nb a s e do nv i r t u a l i n s t r u m e n t i n t r o d u c e st h ec o m p o s i n gp r o je c to ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e m ，a n d r e s e a r c h e st h et h e o r ya b o u ta n a l y z i n gp r e c i s i o n ，a n da n a l y z e st h ed a t ao fp r e c i s i o nb yu s i n g t h e s et h e o r y , w h i c hi s g a i n e db ym e a s u r e m e n t i nt h et e x t ，s o m ek e yt e c h n o l o g i e sa r e i n t r o d u c e d ，s u c h a st h ec o l l e c t i o no fd a t a ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，l a b v i e wa n dd a t a b a s e f u n c t i o n so fs o m em a i nm o d u l e sa r ee l a b o r a t e da l s o ，f o re x a m p l e ，t h ec o l l e c t i o no fd a t a ，t h e d a t ap r o c e s s i n ga n de x p e r i m e n ti nu n i v e r s i t y w a n gm e i y i n g ( m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f k a n gw e n l i k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，l a b v i e w , w o r k i n gp r e c i s i o n ，s t a t i s t i c a la n a l y s e 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文机械零件加工精度测量与分析的 虚拟仪器设计，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 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了谢意。 学位论文作者签名： 趑燕 日期：迦! 6 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日 期： 型坠 塑：! ： 导师签名： 日 期： _七一墼避 华北电力大学硕士学位论文 7 第一章绪论 1 1 引言 机械产品的质量取决于机械零件的质量和产品的装配质量，而零件的质量是装 配质量的基础，机械零件的质量既与材料的性能有关，也与机械加工精度以及加工 表面质量有关，加工精度的高低是评定零件质量好坏的一项重要指标。由于加工过 程中的种种原因，实际加工后的零件与理想要求的零件总会产生些偏离，这种偏 离被称为加工误差。j j 口- v _ 精度和加工误差实际上是以两种观点来对零件质量的好坏 这同一个问题进行评定的。加工精度的高或低，可以通过加工误差的小或大来表示。 生产实际中，常常从降低加工误差的观点出发，达到提高零件加工质量的目的。 加工精度的测量与统计分析对于分析工艺过程的稳定性、确定机床的调整精 度、确保产品的加工质量具有非常重要的作用。传统的分析方法通过人工进行，工 作量大、计算繁琐、检测精度不高。因此，统计分析的准确性受到影响。现代科学 技术的发展要求机器零件必须具有很高的精度，这就要求减少加工误差，保证工艺 过程的稳定，以确保零件的加工精度，那么对加工精度统计分析的准确性和适时性 要求也越来越高。传统的分析方法已不能满足现代加工业发展的需要j 。 随着虚拟仪器技术的提出和发展，给计算机辅助加工精度分析的课题带来了新 的科研生命力，虚拟仪器有较大的编程方便性、较强的功能和灵活性，尤其是综合 测量、数据处理和图形化显示方面。基于此设计了零件加工精度测量与统计分析的 虚拟仪器系统，该系统用以对机械零件的加工误差等进行测量和统计分析，系统能 及时、准确地对工件进行检测和误差分析。大幅度缩短测量工件和统计分析的时间， 使操作者能够及时了解工艺系统的工作状态、加工误差的变化趋势及加工误差的影 响因素，以便及时调整工艺系统，使加工误差的在线测量、实时分析得以实现。 1 2 课题背景与现实意义 人类社会的发展与进步，与测量技术密不可分，可以这样说，我们通过测量技 术认识世界，大到宇宙天体，小到我们的生产、生活、学习的各个方面，无不与测 量设备发生联系，在制造领域，测量技术的发展推动了制造业日新月异的变革，现 代的测量技术，不是用简单的尺子，而是将“计算机作为仪器、软件作为仪器”， 并紧紧依托网络传递信息的智能测量方式，这种测量为生产效率及产品质量的提高 创造了先决条件，更为现代制造业的发展插上了腾飞的翅膀。测量技术不仅是产品 品质评定的技术手段，而且是引导人们由宏观向微观，由粗略到精细，贯穿人类进 步全过程的关键技术，更是全球经济迅猛发展的催化剂和核心推动力之一。 目前存在于大部分企业中的测量现状是：测量方式还是人工用游标卡尺或电子 1 华北电力大学硕士学位论文 检测仪逐个对工件进行测量。前种用游标卡尺测量时由于人工读数所带来的误差 比较大、效率非常低，而且只能进行抽样检测无法实现产品质量全部合格；采用电 子检测仪虽然读数精确而且方便，可以减少人为误差，但是不便于大量数据的统计 处理，不能及时的误差分析。所以企业急需一种更有效的新型测量方式的出现。而 在机械制造业的质检部门，对一批零件的统计分析也尚处于手工或半手工阶段。即 在传统的加工误差统计分析中，首先要测量整批零件的尺寸并记录，然后用人工的 方法根据其尺寸分布，划分成若干个相同长度的区间，分别统计每个区间内的零件 个数，再以区间中点为横坐标，以该区间内零件数占所有零件的百分比为纵坐标， 画出系列离散的点，经过光滑可以得到尺寸的正态分布图。这种手工处理的方法 烦琐、费时，人为误差大，绘制的曲线不精确，尤其不适合大批零件的检验及统计 分析，所以很有必要对传统的检测统计方法进行改进。堙。 目前大部分高校的机械制造实验教学存在以下问题：1 ) 受实验场地和设备仪 器数量的限制，使得实验耗时长、花费大、学生实验时间很难安排，2 ) 采用游标卡 尺测量，由于人工读数所带来的误差比较大，检测精度相对不高；3 ) 分析数据时计 算繁琐，统计分析的准确性受到影响。由于上述原因目前实验教学的手段已不能满 足现有的实验教学要求。如果不对实验教学进行改革，采用新的实验教学模式和技 术，将严重地影响到教学质量。 本课题所研究的主要目的是：针对企业和高校中现存的测量状况，提出有效的 测量方案和数据分析方法，在这种背景下，本课题的研究具有了重要的现实意义。 1 3 本文研究的主要内容 计算机技术的发展日新月异，要想让自己的测试系统设计跟上时代，不断满足 实际测试工作和测试用户的需求，只有不断将最新的计算机技术应用于测试系统， 并让测试系统具有开放性、兼容性和不断更新的可能。 虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，其核心是在最少量的硬件模块支持下，用 软件实现传统仪器数据采集、存储、分析、显示的功能。它不强调仪器物理上的实 现形式，打破了生产厂家定义仪器机箱的约束，用显示在c r t 上的软面板代替原来 的仪器面板，用键盘、鼠标对测量的参数及进程进行控制。虚拟仪器给用户一个充 分发挥自己的刁能、想象力的空间。用户可以根据自己的需求，设计自己的仪器系 统，满足多种多样的应用需求。我们所需要的只是一些必要的硬件加上通用计算机， 利用丰富的软硬件资源，可以大大突破传统仪器在数据的处理、表示、传递、存储 等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。因此，利用虚拟仪器的概念组建本 系统不失为一种好的选择。n 1 在本虚拟仪器系统中，要完成的主要内容有： 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 建立虚拟测试操作平台：完成系统初始化、数据采集与处理和创建数据 库。 ( 2 ) 建立具体的功能模块： 零件加工精度测量模块：完成零件加工尺寸数据的采集 零件加工精度分析模块：对机械零件的加工误差进行统计分析，绘出直方图、 理论正态分布曲线以及质量控制图。 数据库功能模块：创建数据库，实现对零件加工尺寸的数据存储与调用，并实 现数据库与虚拟仪器、与网络的连接。 虚拟实验室模块：针对高校用户，建立虚拟实验室平台，并完成机械零件加 工精度的统计分析课程实验。 ( 3 ) 实现虚拟仪器系统的网络化：通过l a b v i e w 中远程面板发布的功能可实 现远程操作。 1 4 国内外发展现状 自从n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司率先提出虚拟仪器概念至今已有十几年。在 这十几年里，n i 逐步改革了全世界工程师和科学家们测量的方法。今天，全世界的 工程师和科学家们正在成千上万个应用系统中使用“虚拟仪器”，从而达到了缩短 开发时间、提高产品品质并降低生产成本的共同目的。同时，虚拟仪器技术也正在 趋于成熟和完善。其应用领域也越来越广泛。 在国内机械行业无论是生产还是教学，基于l a b v l e w 的虚拟仪器在测量系统 中的开发和应用也逐步发展起来。因为虚拟仪器技术正在帮助人们更容易了解并掌 握测量系统。例如，以往工程师们总是使用几台单独的仪器设备分别进行各种量的 测量，然后用手进行初步运算和分析，而现在，利用分析软件与简单的测量硬件设 备，他们就可以毫不费力地创建一套具有各种仪器功能的系统，且整个系统成本低 廉。 华南理工大学机械工程学院开发了基于l a b v i e w 的圆度误差测量仪，能根据测 得的信号直接计算出圆度误差，并将结果显示出来：在加工表面的粗糙度的测量方 面，设计者利用现有的触针式轮廓仪与虚拟仪器技术相结合，在计算机上用l a b v i e w 开发了新型的虚拟仪器表面粗糙度测量系统，实现了粗糙度测量评定一体化，并能 实时记录表面粗糙度轮廓曲线、存储测量数据，具有良好的性能价格比；浙江大学 对”面向机械制造工艺系统的虚拟仪器平台”系统进行了深入的研究，能以简单的硬 件加平台软件系统灵活地完成多种不同的测试项目、进行复杂的数据处理、具有持 久的数据保存功能。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 系统方案的选择【3 】 第二章系统的方案选择 从信息论的角度看，不论测试系统的形式如何变化，都必须具有以下几个基本的信 息处理功能：获取、处理、显示表达、存储和传递，其功能模块框图如图2 1 所示： i 测试对象l 一传感单元l ， 信号分析及处理 数据存储 信号调理及变换 结果显示 图2 一i 测试系统功能模块图 随着科技的进步，现代的测试系统在实现形式上较以前有了很大的改变，传统测试 的系统由传感器或仪表获得信号，由专门的测试分析仪进行分析处理，现代测试系统以 计算机为中心，用传感器和数据采集器为通道获取信号，计算机分析处理信号，并可控 制被测对象的动作。 现代测试系统可以分为3 种类型： 1 基本型 如图2 ，所示，系统由最基本的功能模块所示，模块间通过自定义的导线相连系， 简单的测试系统多采用这种形式。 参量 参量 参量 1 传感器1h 信号调理l - 数 ill 据 + 传感器2 ， 信号调理 输出绘图 采 计算机 斗 显示打印 集 1 传感器nh 宿号调理i - 卡 图2 - 2 基本型的现代测试系统 2 标准通用接口型 如图2 3 所示，在比较复杂、实现功能较多的测试系统中，将若干功能模块分别处 理，通过标准通用的总线联系各个模块，一个或多个主控模块( c p u ) 控制系统的运行。 3 闭环控制系统中的测试系统闭环控制型 这种测试系统是一个闭环控制系统的一部分，实际上，任何一个控制系统都不能缺 少测试部分，所以这也是测试系统的一种很重要的形式。如图2 4 所示为一个生产工艺 4 华北电力大学硕士学位论文 过程闭环控制系统的测试系统。 总线 g p i b 止_ 兰些i i i - i一岛趣燮 接口卡 十 计尊机 = = = = 一f 二二= 耳艘婴世 图2 3 具有g p i b 总线接口的现代测试系统 羧翻臻 裁终戆潞 图2 4 闭环控制系统中的测试系统 在上述3 种测试系统理性中，根据测试任务的不同，测试系统的基本功能模块选择 了不同的实现方式。本系统测试的任务是测量零件的加工精度，由基本型即可实现模块 的功能，所以本系统将采用第一种基本型的现代测试系统。 2 2 硬件系统的分析与设计 硬件系统为软件系统提供可靠的平台。虚拟仪器的硬件平台包括信号调理电 路、数据采集电路和计算机资源( 处理器、存储器、显示器等等) ，它是组成虚拟 仪器不可缺少的一部分。它与用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件有效 结合起来形成完整的虚拟仪器设备。 2 2 1 硬件系统总体方案的确定。 组建一个最简单的基于l a b vj e w 的测试系统，传感器、信号调理和数据采集模 块是最基本的硬件。其中，传感器是将被测试的物理量转换成电量的最基础的环节， 数据采集则将模拟信号转换成数字信号供计算机进行分析处理，而信号调理往往是 两者之间的桥梁，负责将传感器的输出信号和数据采集模块可以接受的信号类型联 系起来。 华北电力大学硕士学位论文 数据采集系统的主要任务是测量或生成物理信号并完成信号的转换。如图2 5 所示是构成数据采集系统的两种方案。在方案a 中，插入式d a q 卡安装在计算机中。 该计算机带有相对应插槽的计算机、桌面机或笔记本电脑。在b 方案中，d a q 卡在 计算机的外部，在该方案中可以使用没有插槽的计算机( 如某些笔记本电脑) 来构 建数据采集系统，计算机和d a q 模块之间可以通过各种总线，比如并行端口进行通 信。当用户需要将d a q 系统带入工作现场，进行远程数据采集和控制应用时，方案 b 就显得更为可行。 b 图2 5 构成数据采集系统的两种方案 在本系统中数据采集卡是基于i s a 总线的数据采集卡，插入式数据采集卡，所 以选择方案a 2 2 2 硬件系统的组成及功能设计 、 在本系统中硬件系统由传感器、信号处理电路、微机接口电路、数据采集卡组 成。如图2 - 6 所示。 传感器 工程上通常把直接作用于被测量，能按一定规律将其换成同种或别种量值输出 的器件，称为传感器。它把被测量，如力、位移、温度等，转换为易测信号，传送 给测量系统的信号调理环节。 图2 - 6 测量系统硬件系统总框图 传感器处于测试装置的输入端，按一定规律将被检测数据转换成便于进一步处 理的物理量( 一般为电压、电流、电脉冲) ，其性能将直接影响整个测试装置的工 6 华北电力大学硕士学位论文 够将各种被检测量转换为高输出电平的电量，能够提 具有良好的线性与重现性。 按被测量分类，可分为位移传感器、力传感器、温度 可分机械式、电气式、光学式、流体式等；按输出信 号分类，可分为模拟式和数字式；按信号变换特征也可概括为物理型和结构型；等 等。 本系统使用的是电涡流传感器。在进行测量时将被测零件依次推过测台与测杆 测头之间的空间，尺寸大小的变化将引起传感器与圆盘端面的间隙变化，传感器将 间隙的变化量转变为电压的变化，这个电压信号经放大器之后再经数据采集卡转变 为数字量输送到计算机中，数据采集结果在虚拟仪器面板上显示，并存入数据库。 信号处理电路 被测量经传感器换成的电信号，通常需要进行某些调理和处理，把信号转换成 更便于处理、接收和显示的形式。本系统的信号处理电路是放大器，将信号按要求 进行放大。系统中数据采集板卡为a c l 一8 1 l l 及其辅助连接板卡a c l d 一9 1 8 8 ，以及 i s a 扩展槽。其连接如图2 7 所示。 a cl - 8 1 图2 - 8 低成本多功能数据采集卡 从放大器输出的信号由a c l d 一91 8 8 输入数据采集卡，同时可以连接通道进行数 据采集。 工作时先把由传感器变换来的电信号，输人仪器的信号调理电路，经调理电路 进行放大、整形，然后再经数据采集电路存入内存。整个过程由软件控制，采集到 华北电力大学硕士学位论文 的数据由软件进行分析和处理。 、 本系统中选用的数据采集卡 在本系统中本着能满足要求，节省开支的原则，选择了凌华公司生产的基于i s a 总线技术的a c l - 8 1 1 1 d a q 板卡。如图2 8 所示。1 1 特性 8 个单端1 2 位模拟量输入通道 软件编程选择输入范围：+ 5 v ，+ 2 5 v ，+ 1 2 5 v ，+ 0 6 2 5 v ，与+ 0 3 1 2 5 v 最高3 0k h z 采样频率( 带有采样保持) 一个1 2 位模拟量输出通道 1 6 个t t l 兼容数字量输出通道 3 种可编程a d 触发模式 在板8 2 5 4 定时器芯片 可编程i r q 级别 紧凑型d b 一3 7 连接器 2 规格 模拟量输入( a d ) 转换器与分辨率：1 2 位a d s 5 7 4 或其它等效的转换器 通道数：8 路单端通道 最高采样频率：3 0k h z 输入信号范围：+ 5 v ，+ 2 5 v ，+ 1 2 5 v ，+ 0 6 2 5 v ，+ 0 3 1 2 5 v ( 软件编程选择) 最大输入过载电压：+ 3 5 v 输入阻抗： i o mq 触发模式：软件、在板可编程定时器或外触发 模拟量输出( d a ) d a 转换分辨率：1 2 位，7 5 4 1 a 工业标准 通道数：l 电压输出范围：0 5 v 或0 l o v 参考电压：一5 v 或一1 0 v 建立时间：3 0u s e c 输出驱动能力：最大+ 5 m a 数字量输入输出( d i o ) 通道数：1 6 路数字量输入与1 6 路数字量输出 信号类型：t t l 兼容 可编程定时器 器件：8 2 c 5 4 r 华北电力大学硕士学位论文 a d 触发定速：带有2m h z 时间基准的3 2 位定时器 一般特点 i o 基地址：1 6 个连续地址空间 i o 接口：一个d b 一3 7 孔式连接器与两个2 0 一p i n 扁平电缆连接器 端子板 a c l d 一9 1 3 7 a c l d 一9 1 8 8 d i n - 3 7 d 在本系统中采用的是a c l d 一9 1 8 8 图2 - 9 采集卡硬件分布图 3 针对于本系统所选用的主要功能指标 a d 转换器最高采样频率3 0 k h z 通道数：8 路单端通道 输入信号范围：+ 5 v 触发模式：软件触发 可编程i r q 级别 数据采集卡参数设置 a c l 一8 11 1 是一种多功能通用型数据采集卡，可以满足不同用户的不同要求。因 此a c l 一8 11 1 上有三个连接器( c n l c n 3 ) ，一个开关( s w l ) ，一个跳线器( j p l ) 和5 个变量寄存器( v r l v r 5 ) ( 具体位置可参见说明书) ，可由用户进行设置，以满足不 同的需要。 华北电力大学硕士学位论文 2 3 软件系统的分析与设计 2 3 1 软件系统的分析与设计 本系统软件根据其功能分为五个层次，具体结构如图2 1 0 所示。 图2 1 0 系统软件结构 1 测试管理层 测试管理层是一个带有易用操作界面、用于管理和执行某- - n 试任务、与设备 无关的测试管理环境，它为测试系统与操作者交互、被测器件分析、处理等提供一 个专门的测试运行程序。高层测试管理软件还能为用户提供企业范围内的联系，将 用户的测试程序与其余部分集成在一起，包括生成测试记录和测试报告、数据库访 问、数据通信以及对结果数据分析处理等。测试管理层是一个与设备无关的软件， 它采用开放式的设计结构，能提供更好的性能和灵活性。 2 虚拟仪器功能模块层 纵观不同测试系统的组成模块可以发现，针对某一产品而开发的功能测试模块 是一个有其特殊性的软件组件，但其大多数的基本元素，如数据采集与仪器控制、 结果表达、仪器的界面( 如按钮、实时绘图曲线等) 等功能对所有的测试系统来说 又都是通用的。正因为如此，可以建立通用、与设备无关的功能模块库。当设计好 了这样的模块库后，供用户即调即用。用户只需在开发平台上以图形方式( 称作对 象) 调出相应的仪器功能模块和数据处理模块，进行连接组合，即可构成一个具体 华北电力大学硕士学位论文 的仪器对象，节省了用户大量的开发时间。 3 仪器驱动层 仪器驱动软件是测试系统中最重要的组成部分之一，是真正对仪器硬件执行通 讯与控制的软件层。在过去，这部分都是由测试开发人员编写，对每一个仪器硬件 编制特殊的驱动代码，使一个测试系统的开发周期变得很长。今天，仪器驱动程序 都是按模块化、与设备无关的方式向用户释放，供使用者迅速将仪器嵌入自己的测 试系统。而且，由于仪器驱动程序是以源代码的方式提供给用户，用户可以很容易 地优化和增强这些驱动程序，使之满足他们的特殊要求。另外，标准化的驱动程序 还可以在不同的系统和配置中重复使用，节省了大量的开发费用。 驱动程序通常都采取动态连接库( d l l ) 形式。d l l 实际上是一个函数库。只有在 应用程序运行期间，d l l 中的函数才被随时调用和连接。和静态连接库相比，动态 连接库可以和其它的应用程序共享库中函数和资源，减少了因重复拷贝而造成的应 用程序的冗长以及计算机资源的占用。使用动态连接库有以下主要优点：多个应用 程序可以共享d l l 代码，以节省程序执行时占用的内存空间；应用程序具有结构化 特点，一般只需改变d l l ，而应用程序保持不变，即可使软件升级。 在本系统中应用的驱动程序为a c l s l v i e w ，它是应用于w i n d o w s2 0 0 0 环境下以 l a b v i e w 为平台的驱动。在安装完该驱动后在w i n d o w s2 0 0 0 环境下进行资源设置， 通过设备管理器的设置使采集卡的驱动开始运行，通过初始化文件对中断等级及基 地址进行初始化，将更改的信息直接写入数据采集卡内改变卡内的注册信息。 4 i o 接口驱动程序 i 0 接口软件是测试系统软件的基础，用于处理计算机与仪器硬件问连接的低 层通讯协议。当今优秀的虚拟仪器测试软件都应建立在一个标准化i o 接口软件的 通讯内核之上：为用户提供一个一致的、跨计算机平台的应用编程接口( a p i ) ， 使用户能够灵活地使用计算机平台和仪器硬件。i 0 接口驱动层和硬件、计机操作 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i 0 端口驱动程序。仪器驱动层是按仪器功能分类的函数库，它完成i 0 接口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。虚拟仪 器功能层可以实现虚拟仪器前面板设计以及部分仪器功能，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试功能；结合软件定时采 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、数据处理、 数据显示等功能。3 2 3 2 开发工具选择 软件是虚拟仪器系统的关键，构造一个虚拟仪器系统时，在基本硬件确定以后， l l 华北电力大学硕士学位论文 就可以通过不向的软件实现不同的功能。虚拟仪器系统的软件主要分为4 层：系统 管理层、测控程序层、仪器驱动层和i o 接口层。作为开发虚拟仪器软件的工具平 台，必须使设计出的软件层具有鲜明的“即调即用”特征，并且确保用户能完成整 个系统中所有软件部分的开发工作。目前比较流行的软件开发技术是面向对象的编 程技术和图形编程技术，两者在虚拟仪器开发中都有应用。他们包括工业自动化软 件( w o r k ，l o c k o u t ，b r i d g ev i e w ) ：测量与分析软件( l a b v i e w ，l a b w i n d o w s c v i ， c o m p o n e n tw o r k sh i q ) ：和传统编程语言( v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c ，c + + b u i l d e r ， d e l p h i 等) 。 2 3 2 1 开发平台 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 ) 是一种 面向科学家和工程师( 而不是编程专家) 的编程语言，它提供了简单、直观的图形 编程方式，把复杂、繁琐、费时的文本语言编程简化为工程师最熟悉的功能结构图 的编程方式，并且嵌入了非常丰富的工程应用函数。例如，针对测试技术和仪器应 用，l a b v ie w 提供了多种仿真信号产生、测试信号分析和处理、数据采集函数。和 传统的编程语言相比，l a b v i e w 图形编程方式可以节省大量的程序开发时间，但其 运行速度却几乎不受影响。 l a b v l e w 的交互式用户接口与真实的物理仪器面板相似，前面板和流程图的编 程模式，使人机界面形象生动，编程更加简单；前面板具有表盘、温度计、旋钮、 指示灯、示波器等诸多控制和显示模板共调用，流程图编程模式将源代码和函数以 图标的形式展现于编程者，简单明了，不需要用键盘编辑程序文件而考虑语法细节； l a b v i e w 提供了大量供用户直接调用的函数库，从基本的数字函数、字符串处理函 数、数字运算函数、文件i o 函数到高级分析库，涵盖了经典数字信号处理和数学 分析的各种算法。 1 l a b v l e w 开发平台的特点 l a b v l e w 使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面。 l a b v i e w 的基本编程单元是图标，不同的图标表示不同的功能模块。l a b v i e w 编写程序的过程也就是将多个图标用连线连接起来的过程，连线表示各功 能模块间传递的数据。其编程过程近似于思维过程，容易为多数工程师和 技术人员所接受。 l a b v l 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，可以帮助 用户迅速组建自己的应用系统。 l a b v i e w 的查错、调试功能也非常强大。程序查错无须先编译，大大减少了 程序的调试时间。 l a b v i e w 支持多种系统平台。在w i n d o w sn t 9 5 3 1 、p o w e rm a c i n t o s h 、 华北电力大学硕士学位论文 h p u x 、s u ns p a r c 、c o n c u r r e n tc o m p u t e rc o r p o r a t i o n 的实时u n i x 系 统平台上，n 工公司都提供了相应版本的l a b v i e w ，并且在任何一个平台上 开发的l a b v i e w 应用程序都可以移植到其它平台上。 l a b v l e w 是一个开放式的开发平台。它提供d l l 库接口和c i n 接口，使用 户能够在l a b v i e w 平台上调用其他软件平台编译的模块，从而在l a b v i e w 环境下可以控制用户自己开发的专用仪器硬件；l a b v i e w 提供了与 l a b w i n d o w s c v l 源代码相互调用的接口，提供对o l e 的支持，可与其他应 用软件一起构成功能更为强大的应用程序开发环境。 l a b v i e w 支持t c p i p 、动态数据交换( d d e ) 、i a c 等网络功能。 使用l a b v i e w 开发系统效率高，可维护性强，还可以节省很多的开发时间。 基于l a b v i e w 的上述特点，本系统选用该软件来实现数据采集的显示和加工精 度数据的分析处理。 2 l a b v i e w 与数据库的接口口1 现有的l a b v i e w 版本中还没有提供与通用数据库直接接口的方法。这一问题可 以采用以下几种方法解决： ( 1 ) 其他语言如v i s u a lc + + 编写d l l 程序访问数据库，l a b v i e w 所带得d l l 接口访问该程序，可以实现间接的访问数据库。用这种方法实现需要的工作量比较 大。 ( 2 ) 利用中间文件存取数据，先将数据存入文件之中，在一定的时刻或者是 需要的时候再将数据导入数据库之中。用这种方法的实现比较简单。但是需要单独 的软件对数据文件导入导出，不能对数据进行实时的存取。 ( 3 ) l a b v l e w 中包含了大量的a c t i v e x 对象，其中包含了a d o 接口的各种对 象。可以利用a d o 接口在l a b v i e w 中进行数据库访问。这种方法工作量小，操作相 对简单，可以对数据进行实时的存取。 本系统中选用第三种方法，即利用a d o 接口在l a b v i e w 中进行数据库访问。 2 3 2 2 数据库 m i c r o s o f ts q ls e r v e r 是高性能、客户n 务器关系数据库管理系统r d b m s ： ( r e l a t i o n a ld a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ) 。s q ls e r v e r 的事务处理量大，响应 速度快，能支持数百或更多的用户。m i c r o s o f ts q ls e r v e r 具有以下优点： 图形化管理工具，使系统管理更为直观方便。s q ls e r v e re n t e r p r i s em a n a g e r ( s q ls e r v e r 企业管理器) 是一个基于图形用户界面( g u i ) 的集成管理工具，利 用它可以配置s q ls e r v e r 服务器、管理数据库和数据库对象、备份和恢复数据、 调度任务和管理警报、实现数据复制和数据转换等。 隐含的并发控制能力。s q ls e r v e r 利用动态锁定功能防止用户在查询和更新并 华北电力大学硕士学位论文 发操作时相互间发生冲突，动态锁定是隐含的，用户不必关心锁定过程。 丰富的编程接口工具。s q ls e r v e r 提供了t r a n s a c t s q l 、 d b l i b r a r yf o r c 和d bl i b r a r yf o rv i s u a l b a s i c 、嵌入式s q l 等开发工具，t r a n s a c t s q l 与工 业标准s o l 语言兼容，并在其基础上加以扩充，使它更适合事务处理方面的需要。 此外，它还支持o d b c 和o l ed b 规范，可以使用o d b c 、o l ed b 接口函数访问s o l s e r v e r 数据库。 多线程体系结构。s q ls e r v e r 支持多线程操作，在多用户并发访问时，系统 在产生较小额外负担的情况下能够进行并行处理，从而减少内存需求，提高系统的 吞吐量。在用户数量增加时， s o ls e r v e r 的运行速度也不会明显变慢。 s q ls e r v e r 是m i c r o s o f t 服务器套件b a c ko f f i c e 的成员之一，它与其他软件 ( w i n d o w sn t 、i n t e r n e ti n f o r m a t i o ns e r v e r 、e x c h a n g es e r v e r 等) 有机结合， 并充分利用它们所提供的服务或功能( 如安全管理、事件日志、性能监视器、内存 管理和异步u o 等) ，从而增加了s q ls e r v e r 数据库系统的功能，且仅占用较少的 系统资源。 具有很好的伸缩性。s q ls e r v e r 既能运行在w i n d o w s9 5 9 8 操作系统下，又 可运行在w i n d o wn tw o r k s t a t i o n 、w i n d o w sn ts e r v e r 等操作系统下。并且能够 实现自身动态管理，自动调整对内存、锁定等资源的使用和配置。所以，它可以满 足从桌面应用到大型企业的分布应用等不同层次的需求。阳1 基于s q ls e r v e r 数据库以上的特点，本系统选用s q ls e r v e r2 0 0 0 作为数据 库的开发工具。 2 3 2 3 网络开发工具 d r e a m w e a v e r 是美国m a c r o m e d i a 公司推出的一套专业可视化网页开发工具，它 与该公司的另外两个网页制作软件一一f l a s h 和f i r e w o r k s 并称为“网页三剑客”。 其中f l a s h 用来生成矢量动画；f i r e w o r k s 用于w e b 图像制作；而d r e a m w e a v e r 则 用于各类素材的集成和发布，由于d r e a m w e a v e r 支持多种浏览器，可跨平台开发网 页，实现了可视化动态h t m l 编程，方便地继承了f l a s h 、s h o c k w a v e 、a c t i v e x 等 众多外部媒体；加上使用简单，可扩展性强，到目前为止，全世界范围超过6 0 的 专业网页设计师都在使用d r e a m w e a v e r 开发网页，编织他们的梦想 d r e a m w e a v e r 是集网页制作和管理网站于一身的所见即所得网页编辑器，利用 它可以轻而易举的制作出跨越平台限制和跨越浏览器限制的充满动感的网页。用户 不必编写复杂的h t m l 源代码，就可以生成跨平台、跨浏览器的网页。同时， d r e a m w e a v e r 支持动态h t m l ，并采用了r o u n d t r i ph t m l 技术，从而奠定了在网页 高级设计功能方面的领先地位。在进行网页设计过程中，动态h t m l 技术能够让用 户轻松设计复杂的交互式网页，产生动态效果；而r o u n d t r i ph t m l 技术则可以支 1 4 华北电力大学硕士学位论文 持h t m l 源编辑模式，不会产生冗余代码，使网页渲染速度加快。因此，d r e a m w e a v e r 是一款可以满足多层次需求，功能强大的可视化专业级网页设计和制作工具。阳1 d r e a m w e a v e rm x2 0 0 4 是一款专业的h t m l 编辑器，用于对w e b 站点、w e b 页和 w e b 应用程序进行设计、编码和开发。而本系统之所以选用它是因为在相对于其他 的可视化网页编程软件，d r e a m w e a v e r 由它突出的优势： 1 灵活的编写方式 d r e a m w e a v e r 具有灵活编写网页的特点，不但将世界一流水平的“设计”和代 码编辑器合二为一，而且在设计窗口中还精化了源代码，能帮助用户按工作需要定 制自己的用户界面，浮动窗口使得设计人员可以采用鼠标单击的方式插入图像、表 格、表单、脚本语言等各种对象，同时进行代码的编辑，包括样式表和j a v a s c r i p t 脚本。 2 可视化编程界面 d r e a m w e a v e r 是一种所见即所得h t m l 编辑器，可实现页面元素的插入和生成。 3 工程更多的c s s 支持一c s s 可视化设计、c s s 检查工具 在设计窗口中运用重新设计的t a g 检查工具来检测哪个c s s 规则应用于当前的 选择，在c s s 中创建版面设计配置是非常容易的，而且即时编辑功能可让用户在编 辑c s s 的同时实时察看设计窗口中的变化。 4 动态跨浏览器验证 当保存时自动地检查当前文档的跨浏览器有效性( 兼容) ，- 可以指定何种浏览 器为测试浏览器，同时自动的检验以确定页面有没有目标浏览器不支持的t a g s 或 c s s 结构。动态跨浏览器有效性检查功能可以自动核对其是否适应目前的主浏览器。 5 强大的w e b 站点管理功能 用户自定义控制不仅可以迅速完成个人页面以及站点的设计，而且 d r e a m w e a v e r 的r o u n d t r i ph t m l j a v a s c r i p t 行为库以及模版和标签功能也非常适 合大型网站的合作开发，通过与其它群组产品的配合使用以及众多第三方支持可轻 松完成动态发布电子商务网站的构建。f t p 安全保障，是d r e a m w e a v e rm x 2 0 0 4 新增 功能之一，所有传输的文件完全加密，并组织越权存储信息、文件内容、用户名和 口令。 6 内建的图形编辑引擎 修剪、改变大小、尺寸、选转角度、调节明暗度都不需要离开d r e a m w e a v e r 环 境，因为它本身集成了f i r e w o r k s 的基本图形编辑技术，这是以往版本所没有的功 能。 7 d r e a m w e a v e r 的集成特性 d r e a m w e a v e rm x 2 0 0 4 继承了f i r e w o r k s ，f l a s h 和s h o c k w a v e 的集成特性，可 以在这些w e b 创作工具之间自由地切换，轻松地创建美观实用的网页。 ， 1 气 华北电力大学硕士学位论文 第三方插件，任何人都可以根据自己的需要扩展它的功 能，并且可以发布这些插件。 9 丰富的媒体支持能力 可以方便地加入j a v a ，f l a s h ，s h o c k w a v e ，a c t i r e 以及其他p l u g i n 媒体， d r e a m w e a v e r 具有强大的多媒体处理能力，在设计d h t m l 和c s s 方面表现得既为出 色，它利用j a v a s c r i p t 和d h t m l 语言代码轻松地实现网页元素的动作和交互操作。 d r e a m w e a v e r 还提供行为和时间线两种控件来产生交互式响应和进行动画处理。n 们 基于d r e a m w e a v e r 的上述优点，本系统用它来实现系统的总体界面及用户管理 和实验介绍等。 2 3 2 4 三个软件之间的互相调用 l a b v i e w 调用数据库信息 图2 1 1l a b v i e w 中的数据库接口工具包 利用n 工公司的a d d o n s 附加模块中专门的数据库接i z l 工具包 ( d a t a b a s e t o o l s ) 。这也就是一种利用a d o 接口访问数据库的方法。用其中的s q l 模块通过o d b c 和数据库通信。这种方法简单，减少了