（光学工程专业论文）虚拟仪器在光科专业实验中的应用.pdf

南京理工大学硕士学位论文虚拟仪器在光科专业实验中的应用 摘要 虚拟仪器是计算机科学与仪器科学的结合产物，是未来科学仪器的发展方向。将 虚拟仪器技术用于光科专业实验，可丰富实验手段、拓展实验内容、提高实验质量。 本文利用虚拟仪器技术分别构建了“光纤模斑测量表面应变实验”及“脉冲核磁共振 实验”的数据处理系统，在实验教学中收到了良好的效果。 应用l a b v i e w 设计了利用光纤模斑测量表面应变的实验，给出了实验原理、实 验装置、测试方法及操作软件。用c c d 采集光纤模斑图，用悬臂梁对应变灵敏度进 行定标，根据模斑图的相关系数算出应变量。整个实验装置简单、操作方便，可用于 工业测量。 用l a b v i e w 构建的脉冲核磁共振实验数据处理系统，利用计算机声卡采集共振 信号，用波形图显示实验数据，用傅里叶变换法、线性拟合法得出实验结果。克服了 以往测量精度差、测量数据多、数学处理困难的缺点。依靠l a b e w 强大的数学运 算工具，本文提出可用非线性方程方法测量纵向驰豫时间，同传统的“零点”测量法 相比，具有操作简单、实验精度高的优点。 虚拟仪器l a b v i e w 采用图形化编程环境，模块化程序设计，支持多种仪器及操 作系统，网络功能强大，开发简单高效，开放性强，是光学测试实验的首选平台。 关键词：虚拟仪器l a b v l e w 多模光纤传感器光纤模斑脉冲核磁共振驰豫时间 南京理工大学硕士学位论文虚拟仪器在光科专业实验中的应用 a b s t r a c t t h ev i r t u a li n s t r u m e n ti sc o m p u t e rs c i e n c ea n di n s t n m l e n ts c i e n c eu n i o np r o d u c t ，i t w i l lb et h ef u t u r es c i e n t i f i ci n s t r u m e n t a p p l y i n gv i r t u a li n s t r u m e n ti ns p e c i a le x p e r i m e n t o fo p t i c a l s c i e n c e ，w i l l r i c h e nt e s t s m e t h o d ，e x t e n de x p e r i m e n tc o n t e n t ，i m p r o v e e x p e r i m e n tq u a l i t y t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dh o wt oc o n s t r u c tp r o c e s s i n gs y s t e mo f t h e e x p e r i m e n to fs t r a i nm e a s u r e m e n tu s i n go p t i c a lf i b e rs p e c k l e ”a n d “t h ep u l s en u c l e a r m a g n e t i cr e s o n a n c ee x p e r i m e n t ”u s i n gv i r t u a li n s t r u m e n tt e c t m o l o g y t h es y s t e mh a s r e c e i v e d g o o de f f e c ti nt h et e a c h i n g o p t i c a lf i b e rt r a n s d u c e rh a st h eb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e d h o wt od e s i g nt h ee x p e r i m e n to fm e a s u r i n gs t r a i nw i t hf i b e r s p e c k l e i tp r o d u c e dt h e e x p e r i m e n t a lp r i n c i p l e , t h et e s ti n s t a l l a t i o n ，t h e t e s tm e t h o da n d o p e r a t i n g s o f t w a r e a c q u i r i n gt h ef i b e rs p e c k l ep i c t u r ew i 1c c d c a l i b r a t i n gt h es t r a i ns e n s i t i v i t yw i t h c a n t i l e v e rb e a m ，f i g u r i n go u tt h es t r a i nb yc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to ff i b e rs p e c k l e t h et e s t i n s t a l l a t i o ni ss i m p l e ，e a s yo fo p e r a t i n g ，m a yb eu s e di nt h ec o m m e r c i a lm e a s u r e m e n t t h ep r o c e s s i n gs y s t e mo fp u l s en u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c ee x p e r i m e n tc o n s t r u c t e d w j t l ll a b v i e w a c q u i r e dt h er e s o n a n ts i g n a lw i t hc o m p u t e rs o u n dc a r d d e m o n s t r a t e d d a t u mw i t hc h a r t , o b t a i n e dt h er e s u l tw i t hf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o na n dl i n e a rf i t i t o v e r c a m et h es h o r t c o m i n go fl o wm e a s u r i n ga c c u r a c y , t h el a r g en u m b e ro fd a t aa n dt h e m a t h e m a t i c a lp r o c e s s i n gd i f f i c u l t y d e p e n d i n go nt h el a b v i e wf o r m i d a b l em a t h e m a t i c st o o l ，t h i sa r t i c l ep r o p o s e dt ou s e n o n l i n e a re q u a t i o nt om e a s u r er e l a x a t i o nt i m e i ti s s i m p l ea n dh a sh i 【曲p r e c i s i o n c o m p a r i n g t ot h et r a d i t i o n a l “z e r ov a l u e ”m e t h o d l a b v i e wa d o p tt h eg r a p h i cp r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n ta n dt h em o d u l ed e s i g n ， s u p p o nm a n yk i n d so f i n s t r u m e n t sa n do p e r a t i n gs y s t e m s ，i ti ss i m p l ea n dh i g h e f f i c i e n tt o d e v e l o p ，t h en e t w o r ki sp o w e r f u l ，o p e n i n gi ss t r o n g i ti st h ef i r s t s e l e c t e ds o f t w a r e d e v e l o p i n gp l a t f o r mi nt h eo p t i c a lt e s tf i e l d k e yw o r d ：v i r t u a li n s t r u m e n t l a b v i e wm u l t i - m o d ef i b e rt r a n s d u c e r f i b e rs p e c k l ep u l s en u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c er e l a x a t i o nt i m e 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 、门 研究生签名：垒兰垒 一) 年夕月7 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：上丝虹 1 。7 年功 日 南京理工大学硕士学位论文虚拟仪器在光科专业实验中的应用 1 绪论 1 1 引言 2 0 世纪9 0 年代以来，随着现代科学技术和生产技术的发展与高校实验教学改革 的需要，智能型教学仪器在很多专业实验项目中得到了应用。智能型教学仪器是在传 统教学仪器中引入了计算机技术、测控技术、数字处理技术和网络通信技术而发展起 来的新一代教学仪器，它具有测量精度高、自动测量功能和操作使用方便、交互性强 的优点。合理地在实验教学中配置智能型教学仪器，可以提高实验教学的质量和拓展 实验教学的容量，使实验教学得到良好的效果。 随着高等教育的发展和改革，高等院校的办学规模不断扩大，要求实验仪器的数 量和种类大量增加，特别是那些经典的、精密的、结构复杂和昂贵的仪器设备难以满 足实验教学的要求。如何在已有的实验设备基础上，不断挖掘实验内涵，扩充实验项 目是解决上述矛盾的手段之一。虚拟仪器是新一代的智能仪器，它以计算机为核心， 采用数字信号处理、系统辩识和数学建模等现代方法来构建。在实验教学中，通过组 建虚拟仪器，可将各种简单常用设备有机组合起来，形成大型复杂的测试仪器。 光科专业实验室的建设应反映业界科学技术的发展趋势，虚拟仪器技术的引入使 传统的光电测量领域产生了新的活力。本文结合教学实践，通过两个实例项目介绍了 虚拟仪器在光信息科学专业中的应用技术。 1 2 虚拟仪器发展概况 1 2 1 虚拟仪器发展过程 传统的硬件仪器中模拟式测试仪器具有最长的历史。最早的模拟式仪器始子1 8 世纪末至2 0 世纪初，那时出现了许多描述物理现象的定律，需要相应的电测仪器、 仪表进行定量验证。因此发明了基于物理定理的模拟式仪表，这些仪表中最典型的有 伏特表、安培表、功率表、压力表和测温仪以及电桥、电位差计等磁电式模拟仪器仪 表。这些仪表虽然简单，但是解决了许多物理测量的实际问题，至今还在广泛使用。 自2 0 世纪初至5 0 年代，测量仪器仪表的材料及零部件的性能有了较大的提高， 出现了电子管、离子管这类全新的电子器件。同时，测试测量的理论和方法与新兴的 电子技术、控制技术相结台，出现了电子仪器仪表，产生了以记录仪、电子示波器、 信号发生器等为代表的模拟式电子仪器。 随着晶体管与集成电路的出现，数字技术在测试测量仪器中获得应用。2 0 世纪 南京理工大学硕士学位论文虚拟仪器在光科专业实验中的应用 5 0 6 0 年代出现的数字式仪表，如数字电压表、数字电流表、数字频率计、数显表、 存储示波器等是数字式测量仪器的典型代表。数字式仪器的特点是将模拟信号的测量 转变为对数字信号的测量并以数字形式显示和输出测量结果。这类仪器特别适用于要 求快速响应和高精度的测量领域。 在数字式仪器中置入微处理器，将计算机技术与仪器仪表技术紧密结台，使仪器 具有数据存储、数据处理( 即运算) 、逻辑判断、自动选程、自动补偿、仪器自检等功 能，这类仪器称为智能仪器。这种将计算机技术与仪器技术充分结合的智能仪器，已 成为现代仪器仪表的主流。但智能仪器的功能模块主要还是硬件和固化软件，就整体 而言，它还是硬件或以硬件为主的仪器，仍然具有一定的封闭性和缺乏灵活性等传统 仪器的缺点。因此，开发一种新的仪器模式便成为仪器仪表领域发展的必然趋势。 2 0 世纪8 0 年代中期，随着计算机技术与电子技术的飞速发展，在以计算机为平 台的测控仪器中软件和总线的作用日益突出，测试仪器的物理功能越来越多，需要计 算的功能越来越多，传统的硬件化仪器的固有缺点( 如封闭性、缺乏灵活性、响应速 度慢等) 已使它越来越不能满足测试仪器功能日益增强的要求，因此用软件取代硬件 便成为仪器仪表领域的一个迫切需要解决的问题；同时，因为被测对象的频率范围越 来越宽，要求总线具有相应的高速数据传输能力和灵活的扩展性能；另外，面对各种 各样复杂的测试要求，希望软件系统不仅能完成测试所需的功能，而且还要易于使用。 计算机总线技术、软件技术及相关技术的发展，使得微机在计算机仪器上的作用远远 超出了计算机仪器发展初期主要是用来完成控制的应用范围。特别是近1 0 年来出现 的数字信号处理器( d s p ) ，它与微机软件相结合产生强大的计算与控制能力，这使其 在一定的实时性要求下取代了许多原来由硬件完成的功能并能完成许多硬件不能胜 任的其他功能，这标志着“软件即仪器”( t h es o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ) 时代的到来。 这种全新模式的软件化仪器被称为“虚拟仪器”，它是继智能仪器之后的一类全新的 仪器模式。虚拟仪器的出现是对传统硬件仪器观念的一次变革，是2 1 世纪测控仪器 的重要发展方向。 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 ( 美国国家仪器) 公司已研制和推出了多种总线系统的虚拟仪 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 m d o w s c v i 编程环境已享誉 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( i p ) 公司紧紧跟上推出了卜珊v e e 编程系统可提供数十至数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。据世晃仪表与自动化杂志报道，虚拟仪器品种已达到数干种，市场占有 2 南京理工大学硕士学位论文虚拟仪器在光科专业实验中的应用 率达到电测仪器的5 0 以上。近年来，国内的高等院校与科技公司，在开发仪器产品 和虚拟仪器设计平台方面做了一系列有益工作，取得了相当大的成果。虚拟仪器技术 蕴含的巨大潜力，使它成为发达国家研究开发的热点之一。 1 2 2 虚拟仪器的现状 如今在测试应用中使用虚拟仪器技术已成为主流，绝大多数测试行业已接受虚拟 仪器技术的概念，或倾向于采用虚拟仪器技术。利用不断革新的l a b v i e w 软件以及 它所支持的测量硬件设备，虚拟仪器技术正逐渐扩大应用范围。现在l a b v i e w 不仅 能在p c 上开发测试程序，而且可以在嵌入式处理器和f p g a ( 现场可编程门阵列) 上设计硬件，从设计测试系统到定义硬件，虚拟仪器的功能不断扩展，在工业控制和 产品设计中得到广泛应用。 测试一直是虚拟仪器技术成熟应用的领域，现已超过2 5 0 0 0 家测试测量公司正在 使用n i 的虚拟仪器技术。现在，许多公司都采用了具有高达6 0 0 m b s 数字化性能的 产品。测试测量行业的领导者“安捷伦”公司已大量推出采用虚拟仪器技术的产品， 例如基于以太网的“综合性仪器”及兼容p x i 的任意波形发生器等。安捷伦首席运营 官b i l ls u l l i v a n 曾提出：“转向使用基于软件配置的模块化仪器，能让用户轻松地进行 重复配置和重复使用，这将是测试和测量未来的发展方向”。 在生产检测中，l e x m a r k ，m o t o r o l a 和p h i l i p s 这些行业领导者也已在关键性项目、 大规模产品检测应用中使用虚拟仪器技术的硬件和软件。在工业领域，虚拟仪器技术 已用于自动化、石油钻探和提炼、生产中的机器控制，甚至是核反应堆的控制。由于 虚拟仪器软件的灵活性和虚拟仪器硬件的模块化，虚拟仪器技术正成为产品设计中的 首选工具，它大大缩短了产品的开发周期，节省了开发测试成本。 美国国家宇航局利用l a b v i e w 测试集成激光光束在宇宙空间的特性。m i c h i g a n 大学显示技术和制造中心的研究人员用虚拟仪器技术解决了用于半导体和平板显示 器产品生产的等离子体侵蚀箱的实时控制问题。许多这样成功的设计方案都可在n i 网站上找到。 1 2 3 虚拟仪器的发展前景 随着计算机、通信、微电子技术的不断发展，以及网络时代的到来和信息化要求 的不断提高，网络技术应用到虚拟仪器领域中是虚拟仪器发展的大趋势f 1 0 1 。网络化虚 拟仪器的概念目前没有一个比较明确的提法，也没有一个被测量界广泛接受的定义。 3 南京理工大学硕士学位论文 虚拟仪器在光科专业实验中的应用 其一般特征是将虚拟仪器、外部设备、被测试点以及数据库等资源纳入网络，实现资 源共享，共同完成钡8 试任务。使用网络化虚拟仪器，可让在任何地点、任意时刻获取 到测量数据信息的愿望成为现实。网络化虚拟仪器也适合异地或远程控制、数据采集、 故障监测、报警等。 与以p c 为核心的虚拟仪器相比，网络化将对虚拟仪器的发展产生一次革命，网 络化虚拟仪器是仪器发展史上的又一高峰。网络化虚拟仪器将由单台虚拟仪器实现的 三大功能( 数据获取、数据分析及图形化显示) 分开处理，分别使用独立的基本硬件 模块来实现，它以网线相连接，实现信息资源的共享。网络化虚拟仪器将是未来发展 的方向，它将使虚拟仪器的应用更为广泛。 t 3 本文研究的意义及工作 本文将根据“光信息科学与技术专业”的需要，结合实际项目介绍如何使用虚拟 仪器技术。 “光信息科学与技术专业”是培养具备光信息科学与技术的基本理论、基本知识 和基本技能，能在应用光学、光电子学及相关的电子信息科学、计算机科学等领域从 事科学研究、教学、产品设计、生产管理工作的高级人才。为了实现这一目标，实验 课的开设起着至关重要的作用，通过实验教学，能使学生掌握基本的光学、电子学及 计算机技术，提高动手操作及设计能力。 虚拟仪器近年来在测试领域得到了长足的发展，已逐渐成为业界潮流。为使光科 专业学生能在“光机电算一体化”产业中发挥专业优势，掌握智能测试的基本技术， 我们在原有脉冲核磁共振实验仪的基础上进行了改进。利用计算机声卡采集数据，进 行计算机数字化处理，与原有实验装置相比，实验现象明显，实验数据精度得到大幅 提高，实验过程得到充分简化，原有无法测量的数据得到测定。 激光与光谱技术、光电测量技术、光电器件与检测技术是光信息科学与技术专业 实验的主要内容。设计性实验的开设，有利于培养学生的创新能力。为此，我们利用 多模光纤作为传感器，开发设计了物体表面微小应变测量系统，它利用c c d 实时采 集光纤模斑图像，用计算机分析处理数据。这一实验综合了光电图像测试的基本技术 和方法，有利于加深对光干涉测量、光散斑测量的理解。 通过将虚拟仪器引入到光科的专业实验，可提高实验的智能化水平，充分共享数 字化产业的成果。同时也可在不增加设备投资的基础上拓展实验内容，增强学科间的 联系，提高学生科研能力。 4 南京理工大学硕士学位论文虚拟仪器在光科专业实验中的应用 1 4 论文主要内容 本文选择了两个典型实验项目( 多模光纤测量应变和脉冲核磁共振实验) 作为设 计实例，对虚拟仪器在光学测试领域的使用进行了初步的研究。 本论文由五章构成： 第一章绪论介绍了虚拟仪器的发展方向及应用前景，概括了全文的研究意义及工 作。 第二章介绍了虚拟仪器的概念、原理和系统结构，总结了虚拟仪器不同于传统测 试仪器的特点。指出在虚拟仪器钡9 试软件的众多开发平台中，l a b v i e w 具有很强的 竞争优势。 第三章介绍了l a b v i e w 在利用光纤模斑测量表面应变实验中的应用。它通过在 实验中使用图像采集卡展现了l a b v i e w 调用硬件的驱动程序和动态链接库( d l l ) 的过程，同时也介绍了光纤传感器在光电测试领域的使用情况。使用c c d 是光电图 像测试的基本手段，这一实验重点介绍了如何在l a b v i e w 中显示、存储图像数据， 具有很高的实用价值。 第四章介绍了如何利用l a b v i e w 开发脉冲核磁共振实验数据处理系统。这个实 验主要包括使用数据采集卡采集数据，对数据进行数学分析，对实验结果进行显示等 内容，它介绍了l a b v i e w 强大的功能库，即算术运算、函数运算、信号采集、信号 输出、数据存取、信号分析处理等模块，涵盖了测试的各个环节。同时本章也介绍了 脉冲核磁共振的实验原理、实验装置、实验方法和应用领域，对脉冲核磁共振仪器的 设计、研发具有借鉴意义。 第五章对全文工作进行了总结及展望。 南京理工大学硕士学位论文虚拟仪器在光科专业实验中的应用 2 虚拟仪器概论 2 1 虚拟仪器的基本概念 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，v i ) 是日益发展的计算机硬、软件和总线技术在向其 他相关技术领域密集渗透的过程中，与测试技术、仪器仪表技术密切结合共同孕育出 的一项全新的成果。2 0 世纪中期，美国国家仪器公司( n a t i o n a lb s 虮吼e n tc o r p o r a t i o n ， n i ) 首先提出了虚拟仪器的概念，认为虚拟仪器是由计算机硬件资源，模块化仪器硬 件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算 机操纵的模块化仪器系统。如果再作进一步说明，那么虚拟仪器是一神以计算机作为 仪器统一硬件平台，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示以及文件 管理等基本智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计 算机结合起来融为一体，这样构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器一致， 同时又充分享用计算机智能资源的全新的仪器系统。由于仪器的专业化功能和面板控 件都是由软件形成的，因此国际上把这类新型的仪器称为“虚拟仪器”。有的资料 上甚至直接将虚拟仪器这种形式称为“软件即仪器”。 2 2 虚拟仪器的硬件系统 虚拟仪器的硬件系统【6 】一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。计算机硬件平 台可以是各种类型的计算机，如p c 机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。 计算机管理着虚拟仪器的软硬件资源，是虚拟仪器的硬件支撑。计算机技术在显示、 存储能力、处理性能、网络、总线标准等方面的发展，推动着虚拟仪器系统的发展。 按照测控功能硬件的不同，虚拟仪器可分为g p i b 、v x i 、p x i 和d a q 四种标准 体系结构，以下作一些简单介绍。 1 g p i b ( g e n e r a lp u r p o s e i n t e r f a c eb u s ) 通用接口总线 这种接口总线是计算机和仪器间的标准通信协议。g p i b 的硬件规格和软件协议 己纳入国际工业标准i e e e 4 8 8 1 和i e e e 4 8 8 2 ，它是最早的仪器总线，目前多数仪器 都配置了遵循i e e e4 8 8 的g p i b 接口。典型的g p i b 测试系统包括一台计算机、一 块g p i b 接口卡和若干台g p i b 仪器。每台g p m 仪器有单独的地址，由计算机控制 操作，系统中的仪器增加、减少或更换时，只需对计算机的控制软件作相应改动。在 价格上，g p i b 仪器有从比较便宜的到异常昂贵的仪器。但是g p i b 的数据传输速度 较低，一般低于5 0 0k b s ，不适合对系统速度要求较高的应用，因此在应用上受到了 一定程度的限制。 6 南京理工大学硕士学位论文虚拟仪器在光科专业实验中的应用 2 、) 【i ( v 髓b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t ) 总线系统 v x i 总线系统是v m e 总线在仪器领域的扩展，它是在1 9 8 7 年v m e 总线、 e u r o c a r d 标准( 机械结构标准) 和i e e e4 8 8 标准等的基础上，由主要仪器制造商共 同制订的开放性仪器总线标准。v x i 系统可包含2 5 6 个装置，由主机箱、零槽控制器、 多种功能的模块仪器、驱动软件和系统应用软件等组成。系统中各功能模块可随意更 换，即插即用( p l u g a n d p l a y ) 组成新系统。目前国际上有两个v x i 总线组织，其一 为v x i 联盟，负责制订v x i 的硬件( 仪器级) 标准规范，包括机箱背板总线、电源 分布、冷却系统、零槽模块、仪器模块的电气特性、机械特性、电磁兼容性以及系统 资源管理和通信规程等内容；其二为v x i 总线即插即用( v x ip l u ga n dp l a y ，v p p ) 系统联盟，宗旨是通过制订一系列v x i 的软件( 系统级) 标准来提供一个开放性的系统 结构，真正实现v x i 总线产品的“即插即用”。这两套标准组成了v x i 标准体系，实 现了v x i 的模块化、系列化、遥用化以及v x i 仪器的互换性和互操作性。 3 p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线系统 p 总线系统是p c i 在仪器领域的扩展。它是n i 公司于1 9 9 7 年发布的一种新的 开放性、模块化仪器总线规范。p x i 是在p c i 内核技术上增加了成熟的技术规范和要 求形成的，p x i 增加了用于多板同步的触发总线和参考时钟，用于精确定时的星形触 发总线，以及用于相邻模块间高速通信的局部总线来满足试验和测量的要求。p x 兼 容c o m p a c t p c i 机械规范，并增加了主动冷却、环境测试( 温度、湿度、振动和冲击试 验1 等要求，这样可保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性。 4 d a q ( d a t aa c q u i s i t i o n ) 数据采集系统 d a q 数据采集系统是指基于p c 计算机标准总线( 如i s a 、p c i 、u s b 等) 的数据 采集功能模块。它充分利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。 利用d a q 可方便快速地组建基于计算机的仪器，实现“一机多型”和“一机多用”。 在性能上，随着a d 转换技术、信号调理技术的迅速发展，d a q 的采样速率已达 到g b s ，精度可高达2 4 位，通道数高达6 4 个，并能任意结合数字i 0 、计数器、 定时器等通道。各种性能和功能的d a q 功能模块可供选择使用，如示波器、数字万 用表、串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等。在p c 计算机上挂接 d a q 功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有若干功能的p c 仪器。这种 基于计算机的仪器，既可享用p c 机固有的智能资源，具有高档仪器的测量品质，又 能满足测量需求的多样性。对大多数用户来说，这种方案实用性强，应用广泛，且具 有很高的性能价格比，是一种特别适合于我国国情的虚拟仪器方案。本文中的实验也 是采用这种结构。 7 南京理工大学硕士学位论文虚拟仪器在光科专业实验中的应用 2 3 虚拟仪器的软件系统 虚拟仪器的核心思想是利用计算机的硬件和软件资源，使本来由硬件实现的功能 软件化( 虚拟化) ，以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵活性。“软件 即仪器”这一口号正是基于软件在虚拟仪器系统中的重要作用而提出的。v p p 系统联 盟提出了系统框架、驱动程序、v i s a 、软面板、部件知识库等一系列v p p 软件标准， 推动了软件标准化的进程。虚拟仪器的软件框架从低层到顶层，包括三部分：v i s a 库、仪器驱动程序、仪器开发软件( 应用软件) 。 图( 2 1 ) 表示虚拟仪器软件的结构框架。以下对软件结构的主要组成部分作一 说明。 1 v i s a 虚拟仪器软件体系结构 v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ns o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 体系结构是标准的 y o 函数库及其相关规范的总称，一般称这个y o 函数库为v i s a 库。它驻留于计算 机系统之中执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，以实现对 仪器的程序控制。它对于仪器驱动程序开发者来说是一个可调用的操作函数集。 2 驱动程序 每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商以源码的形式提供给用户。 3 应用软件 应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观友好的测 控操作界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。 系统管理软件 开发软件 仪器驱动程序 图2 1 虚拟仪器的软件结构 8 南京理工大学硕士学位论文虚拟仪器在光科专业实验中的应用 2 4 虚拟仪器的硬件平台 在虚拟仪器的硬件系统中已对硬件作过简单介绍，这里从硬件平台的角度作进一 步说明。虚拟仪器的硬件平台可分为以计算机为核心的系统装置和以传感器调理器和 数据采集器构成的外围装置，一般分为计算机硬件平台和硬件接口。 1 计算机硬件平台 虚拟仪器的计算机硬4 牛- - 平台可以是各种类型的计算机，如台式计算机、便携式计 算机、工作站、嵌入式计算机等。计算机管理着虚拟仪器的软、硬件资源，是虚拟仪 器的硬件基础。计算机在显示、存储能力、处理性能、网络、总线标准等方面的发展， 导致了虚拟仪器系统的快速发展。 2 接口硬件 接口硬件根据不同的标准接口总线转换输入或输出信号，供其它系统使用，在此 基础上组成以虚拟仪器为核心的虚拟仪器系统。 3 传感器 传感器的发展经历了经典传感器时代和目前的智能传感器时代。智能传感器在经 典传感器的基础上，引入信号处理部分，扩大了经典传感器的使用和应用范围。对于 虚拟仪器而言，传感器的概念比较广，只要是能将信号或非电量信号转换为标准电信 号的装置，都可纳入传感器的范围。 传感器种类繁多，同一被测量信号可以使用不同类型的传感器，同一类传感器可 以用于多种量的测量。以下介绍两种分类方法。 一按照被测量信号的性质分类 1 ) 机械类传感器 这类传感器用于测量位移、力、速度、加速度、重量、几何尺寸等。 2 ) 热工量传感器 这类传感器用于测量温度、压力、流量、液位等。 3 ) 化学量传感器 这类传感器用于测量浓度、粘度、湿度、酸碱度、气体化学成分、液体化学成分 等。 4 ) 参量与电量传感器 这类传感器用于测量表面探伤、材料内部的裂纹或缺陷、材质判别等。 二按照输出量的性质分类 1 ) 参量型传感器 这类传感器的输出是非源的电参量( 使用时需要辅助电源) 。电参量包括电阻、 电容、电感和频率等。参量型传感器又可分为电阻式( 电位器、热敏电阻、光敏电阻、 9 南京理工大学硕士学位论文虚拟仪器在光科专业实验中的应用 压敏电阻、磁敏电阻、气敏电阻等) 、电感式( 自感、互感、压磁、涡流等) 及电容 式等。 2 ) 电量传感器 电量传感器的输出为电量( 电势或电流) 。电量传感器又可分为热电式、光电池 式、电极电位式，磁电式和压电式等。电量传感器一般不需要电源，因为它自身是有 源的，称为发电型传感器，又被称为能量控制型传感器。 4 信号调理器与数据采集器 在虚拟仪器系统的硬件平台中，信号调理与数据采集技术占有举足轻重的地位， 有必要在此作详细说明。图( 2 2 ) 表示典型的信号调理器与数据采集器原理框图。 图中振荡器提供时钟信号；量程变换电路的作用是避免放大器饱和选择不同的测量范 围；滤波器将滤除干扰信号和不满足采样条件的信号，提取代表被测物理量的有效信 号；放大器将待采集的信号放大( 或衰减) 至采样环节的量程范围内，通常放大器的增 益是可调的或具有多种不同增益倍数，用户可根据输入信号幅值的不同，选择最佳的 增益倍数；采样保持器在时钟信号的作用下，锁存某一瞬时的电压值并保持信号幅 值不变直到下一个时钟信号，采样保持器主要用于使多通道采集时各通道保持同步 或相位差比较小；多路开关将各路被测信号轮流切换到信号调理和数据采集模块，实 现多路信号的采集；a d 转换器将输入的模拟量转化为数字量输出，并完成信号幅 值的量化。目前，市场上很多a d 转换芯片中集成了多路采样保持器。除此之外， 还有阻抗匹配、定时计数器、总线接口电路以及其他一些辅助电路，它们按一定的 时序协同工作，完成对信号的调理、采集和传送等。 圈2 2 模拟信号调理器与数据采集器原理图 1 0 南京理工大学碗士学位论文虚拟仪器在光科专业实验中的应用 2 5 虚拟仪器系统的构成 图( 2 3 ) 表示虚拟仪器系统的构成。如图( 2 3 ) 所示，虚拟仪器系统由硬件装 置与软件构成。硬件装置包括计算机平台、接口硬件、调理器和数据采集器以及传感 器等。 l 振动传感器ij 信号调理器h 数据采集卡i 铡 f 力传感器l ig m 仪器h o p i b 接d l 计 算 控 i 声学传感器i iv 总线仪器 机 开 对 i 温度传感器i i 串行接口仪器 发 系 象 i 扭矩传感器i l 并行接口仪器 统 l 压力传感器l 1 现场总线设备 2 6 虚拟仪器的开发系统 图2 3 虚拟仪器系统构成图 虚拟仪器的开发系统目前主要有两大类：一类是以l a b v i e w 为代表的图形化开 发环境，亦称g 开发环境或g 语言( g r a p h i c a ll a n g u a g e ) ；另一类是以v i s u a lc + + 为代 表的面向对象的开发环境。图形化开发环境大多是针对虚拟仪器而设计的专用平台， 它除了方便的可视化界面和编程外，在测量结果的数据处理、表达模式及其变换方面 也做了许多工作，发布了各种软件，建立了数据处理的高级分析库和开发工具库，如 测量结果的谱分析、快速傅里叶变换、各种数字滤波器、卷积处理和相关函数处理、 微积分、峰值和阈值检测、波形发生、噪声发生、回归分析、数值运算、时域和频域 分析等，以至于很多人把虚拟仪器就等同于图形化开发环境。 n i 公司自2 0 世纪8 0 年代推出虚拟仪器以来，许多国外著名的仪器公司随后也 开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些开发平台软件组建自己所需 的虚拟仪器或测试系统。最早和最具影响的开发软件是n i 公司的l a b v i e w 软件( 本 文采用的开发软件) 和l a b w i n d o w s c v i 。在n i 公司之后，美国a g i l e n t 公司、k e i t h l e y 南京理工大学硕士学位论文虚拟仪器在光科专业实验中的应用 公司和h e md a t a 公司也相继推出v e e 、t e s t l o i n t 、d tm e a s u r ef o u n d r y 等开发系 统，在国内则有我国自行研制的v m d s 虚拟仪器开发系统。以下对几种典型的开发 系统作一简单介绍。 v m i d s 是一种层次消息总线零编程虚拟仪器开发系统，它包含了一个测控仪器 软件模块化功能库和一个软件模块化控件库。通过在智能虚拟仪器开发系统中以功能 库和控件库中的资源为基础进行软设计、软连接、软调试形成智能虚拟控件成品，用 户调用智能虚拟控件组装自己所需要的虚拟仪器而不需编程。v m i d s 开发系统主要 是面向非专业类的使用者，相对于美国n i 公司的l a b v i e w 系统，它降低了对用户 的要求。它力图在系统自身内部做好大量的专业性工作，留给用户的只是一些简单的 选择和一些相当轻松的任务，如调整显示面板的大小和位置、确定各旋钮的位置等。 即使是不懂测试的人员，只要他会操作计算机，通过系统的帮助，也能很快构造出所 需的仪器。 2 6 2l a b v i e w 开发系统 l a b v i e w ( 1 a b o r a t o r yv i r t l l 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 ) 是虚拟仪器集成 开发环境的总称，它是为替代常规的v i s u a lc + + ( 以下简称v c ) 或v i s u a lb a s i c ( 以下简 称v b ) 语言而设计的，和v c 或v b 一样，l a b v i e w 也定义了数据模型、结构模型、 模块调用语法规则以及设置断点、调试等编程语言的基本要素。其最大的特征就是图 形化的编程环境和使用数据流编程方法来描述程序的运行，图形化编程环境的特点是 使用图标和连线代替文本的形式编写程序。 l a b v m w 软件有以下特点： 具有图形化的编程方式，设计者无需写任何文本格式的代码，是真正的工程 师的语言。 提供丰富的数据采集、分析及存储的库函数。 提供传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供独具特色的执 行工具，使程序动画式运行，利于设计者观察到程序运行的细节，使程序的 调试和开发更为便捷。 3 2 位的编译器编译生成3 2 位的编译程序，保证用户数据采集、测试和测量 方案的高速执行。 囊括了p c i ，c p i b ，p x i ，v x i ，r s 2 3 2 ，u s b 等各种仪器通信总线标准的 所有功能函数，使得不懂总线标准的开发者也能驱动不同总线标准接口设备 南京理工大学硕士学位论文虚拟仪器在光科专业实验中的应用 与仪器。 提供大量与外部代码或软件进行链接的机制，例如d l l ( 动态链接库) 、d d e ( 共享库) 、a c t i v e x 等。 具有强大的l u t e m e t 功能，支持常用的网络协议，方便网络、远程测控仪器的 开发。 l a b v i e w 开发环境分为用户界面前面板和图标代码后面板两部分。前者是用于 人机交互的图形界面( g u i ) ，集成了旋钮、开关、显示器、指示灯等对象；后者是 程序的源代码，包括函数、结构，代表前面板对象的图标以及它们之间的连线等。除 此之外，它还内置了信号采集、测量分析与数据显示功能，包括从数据采集到仪器控 制，从图像采集到运动控制的低端插入式数据采集卡或高端成熟的信号调理系统模块 的数据采集工具，如快速傅里叶变换( f f t ) 与频率分析、数学运算、曲线拟合、数 据插补及时频分析等算法软件包，丰富的二维、三维图形图像显示等。 l a b v i e w 汇集了大量有用的知识，也摒弃了传统开发工具的复杂性，为用户开 发组建虚拟仪器系统提供了极大的便利。图( 2 4 ) 是利用l a b v l e w 开发的图像信号的 二维傅里叶变换及反变换。图c 4 a ) - - 维傅里叶变换及反变换的仪器界面，图( 2 4 b ) 是 该仪器的图标代码流程。 符合模块化程序设计的l a b v i e w 生成的一般只能完成一些简单的任务，因 此，对于一个复杂的应用程序，需要逐步划分为一系列简单的子任务，为每个子任务 创建一个，再把它们装配到另一个图标代码中完成一个复杂的任务。最终，顶层 的包含着许多v i s ，它们分别代表着应用程序的功能。为了弥补这种不足，n i 开 发了l a b w i n d o w s c v l ，它是在c 语言的基础上综合了标准化软件开发平台和图形化 软件开发平台的优点，为熟悉c 语言的开发人员提供了一个功能强大的软件开发环 境，多用于组建大型测试系统或复杂的虚拟仪器的文本式编程环境。 本文的两个实验均采用l a b v i e w 进行开发。 图2 - 4a 图像的二维傅里时变换及反变换仪器界面图 1 3 南京理工大学硕士学位论文 虚拟仪嚣在光科专业实验中的应用 图2 4b 图像的二维傅里叶交换及反交换框架流程图 2 6 3 其他开发系统 1 a g i l e n t v e e a g i l e n tv i s u a le n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t ( a g i l e n tv e e ) 是一种用于仪表优化控制 的图形语言。用户只需将对象( 指组成试验系统的仪表和操作、运算过程) 从相应的菜 单中挑选出来，然后用鼠标将代表对象的图标按流程连接起来，就可以产生程序，不 必使用键盘，而程序也只是一张数据流程图，比传统的代码方式更便于使用和理解。 用户不必有丰富的编程知识，只需了解测试的目标和顺序，然后用线把它们连接起来， 程序就可完成。 2 n il a b w i n d o w s ，c m 缅d o w s c v i 是n i 公司推出的，和l a b v i e w 相对应的虚拟仪器软件开发平 台，它完整集成式的a n s ic