（测试计量技术及仪器专业论文）虚拟角位移测量仪的研制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f f 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是计算枧硬件、软传和总线技术与测试按术、仪嚣 技术稠结合豹产物，充分利用了计算机的运算、存储、调用、显示以及文件管理等功能，f 构成了一种全凝的仪器系统。嫩拟角位移测羹仪是虚拟仪器在几何量测器领域的应用。， 本文辩虚羧角往移灏蠢仪迸彳亍了深入豹i i f 究，生要包括硬件部分和软件郁分。 首先，本文设计了康拟角位移测量仪的硬件系统。选用增爨式光电编码器作为测爨 燕度豹传感器；设诗了先耄编璐器豹僖频毫路秘由8 0 c 5 1 组成豹计数器；选麓了u s b 芯片p d i u s b d l 2 作为接口芯片与p c 机进行通信；对廉拟角位移测量仪的u s b 接口电 路避瑟了淫诗耨分撰。 其次，本文对该仪嚣的软件系统进行了设计。主要瓴括计数器的中断服务稷序、u s b 葱j 垮弱搏程序、u s b 设答驱动羧彦鞋及些应瘸敬转，拜发了蠢自主凝投豹控传瘁，浚 计了虚拟角位移测量仪的虚拟面板，这矬程序究成了对测量仪器硬件的控制，测量数据 舱分掇处理， 2 盂及结果的霹援纯簸掇。 簸后，对所设计的仪器进行了实验验证和误差分析，实验内容包括准确度实验和熏 复糖魔实验。实验结果表明：在修正了部分系缝误差鲍藏握下，仪器的最大误差隽4 3 2 ， 重复性误差为毒1 0 8 俺。 与传统的螽式仪器相比，康拟角位移测羹仪去捧了仪器箨、操作巅扳以及照示电鼹 萼许多实体部件，具有强大的计算功能和图形纯功能，楚仪器锗能化、集成化、远程化 以及测拄一体他设计的典型范僦。 关键键：鑫攘仪y 角位移鬻囊 v u s b 接疆糟耋式光电编稻器 华中科技大学颁士学位论文 a b s t r a c t v i r t u a li n s t r u m e n t ( v 1 ) i san e wi n s t r u m e n t a t i o ns y s t e m ，w h i c hi sam a r r i a g eo f m a n y t e c h n o l c l g i e s ，i n c l u d i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fc o m p u t e r , b u s ，i n s t r u m e n t a t i o na n d m e a s u r e m e n t ，w h i c ht a k e sf u l la d v a n t a g eo fc o m p u t e r , s u c ha sd a t ap r o c e s s i n g ，r e s u l t d i s p l a y i n g , i n f o r m a t i o ns t o r i n ga n df i l ea d m i n i s t e r i n g , av i r t u a li n s t r u m e n tf o rm e a s u r i n g a n g u l a rd i s p l a c e m e n tw i t hu s b i n t e r f a c ei si n t r o d u c e di nt h ep a p e r , w h i c hi sa ne x a m p l eo f a p p l y i n gv ii n t om e a s u r i n gg e o m e t r i c a lq u a n t i t y a n d i ti s c o m p o s e do fh a r d w a r ea n d s o f t w a r e f i r s t ，t h ed e s i g ns c h e m ea n dc h o o s i n gr u l eo fh a r d w a r ea r ea n a l y z e di nt h i sp a p e ni nt h e s y s t e m ，ai n c r e m e n t a lo p t o e l e c t r i ce n c o d e r i sc h o s ef o r m e a s u r i n ga n g u l a rd i s p l a c e m e n t ；t h e c i r c u nf o r d i s c e r n i n g d i r e c t i o na n da8 0 c 5 1s c ma sac o u n t e ra r e a p p l i e d ；a n d a p d i u s b d l 2i su s e dt of o r mu s bi n t e r f a c ew h i c hm a k e si tp o s s i b l et oc o m m u n i c a t ew i t hp c m o r e o v e 毛t h eh a r d w a r ec i r c u i t sa r ed e s i g n e d 。 s e c o n d l y , t h er e l a t i o n a ls o f t w a r ei sd e v e l o p e d ，i n c l u d i n gi n t e r r u p ts e r v i c ep r o g r a mo f c o u n t e r , f i r m w a r eo fu s b ，d r i v e ro fu s b ，a n ds o m ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e 。ac o n t r o ll i b r a r y w h i c h p r o c e s s e sc o p y r i g h t i s d e v e l o p e d ，a n d av i r t u a l p a n e l o fv i r t u a li n s t r u m e n tf o r m e a s u r i n ga n g u l a rd i s p l a c e m e n t i s d e v e l o p e dt o o 。t h e s ep r o g r a m s a r eu s e dt oc o n t r o l h a r d w a r eo f e q u i p m e n t ，t op r o c e s sm e a s u r i n g d a t aa n dt oo u t p u tr e s u l t s f i n a l l y ，t w oe x p e r i m e n t sa r ed o n ew i t ho p t i c a ld i v i d i n gh e a d , o n ei sa c c u r a c ye x p e r i m e n t a n dt h eo t h e ri s r e p e a ta c c u r a c ye x p e r i m e n t a f t e ra n a l y z i n g d a t aa n dr e v i s i n gs o m e s y s t e m a t i cm e a s u r e m e n te r r o r , t h er e s u l to fe x p e r i m e n t sp r o v e st h a t t h ei n s t r u m e n tm e e t s r e q u e s t ，t h em a x m u m e f o ri s4 3 2 a n dr e p e a t i b i l i t ye r r o ri s 主i 0 8 7 2 c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ld e s k t o p - i n s t r u m e n t ，t h ee q u i p m e n tf o ra n g u l a rd i s p l a c e m e n t g e t s 矗do fm a n yc o m p o n e n t si nt h es h a p eo fa c t u a lo b j e c t ，f o re x a m p l ei n s t r u m e n tb o xa n d o p e r a t i o np a n e la n dd i s p l a yc i r c u i t e ta l 。t h i sa p p a r a t u sp o s s e s s i n gp o w e r f u lf u n c t i o no f c o m p u t i n ga n dg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c ew i l lb e as u c c e s s f u lm o d e lt h a tm a k e 缘ei n s t r u m e n t i n t e u i g e n t a n d i n t e g r a t e d t h e i n s t r u m e n ta l s o c a nb ea n i n d e p e n d e n t r e m o t ev i r t u a l i n s t r u m e n to nt h ei n t e r n e t 珏 毕中科技大学硕士学位论文 n l 华中科技大学_ 硕士学位论文 1 1 研制虚拟仪器的意义 1 1 1 虚拟仪器的窳义 1 绪论 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 怒日益发展的计算机硬件、软件犟珏总线搜术在内其 它技术领域赛集渗透的过程审，与测试技术、仪器毅术密切缀合、共闻孕育斑的一项新 成果，它的出现使得测试技术进入了一个新的发展阶段。虚拟仪器的核心是：以计算机 作为仪器统一静疆俸平台，兖分最滗计算辊鹃运算、存储、调度、显示殴及文件管璞等 功能，与传统仪器的测量功能和面板控件软件化结合超来，构成了一种全新的仪器系统。 虚按仪器将诗舞凝与秘戆亿援块疆磐结会起来，趸户鑫己设诗定义仪器豹兵体功麓，通 过友好的图形界面就可操作这台计算机系统硬件平台，如同使用一台专用测爨仪器，来 实瑰慰拔溅蠢赡采集、分辑等功襞1 1 删。 1 1 ，2 虚拟仪器与传统仪器的相圈点颧不藏点 传统测蠢仪器戆发震大致经历7 模羧仪器、数字纯坟爨耱餐缝纹器三个淤段”“”。 模拟仪器用可视绒可读的物理量来模拟被测量，融指示袭威模拟记录器给出测量结 果。熬揍铮式秀矮表、压交表、辍援式魄较纹等。 数字仪器将模拟倍号转化为数字信号，以数字方式输出测薰结果。如数字式万用表、 数字式频率诗、数曼游掭卡尺等。 智能仪器一般内鬻有微处理器。除了能显示测量缩果外，还应具有某些判断、推理、 童学霹、自校准等功能。如数字示波爨、逻辑分板纹、坐标溅曩饺等。 上述三代传统测薰仪器的“信号采集与控制、信号分析与处理、结果的表达与输出” 三大功能模块，只能融厂家来定义帮制造，其仪器只熊嚣对器定溅量对象，竞戏确定懿 任务，因此设计单一、灵活性麓，没宥摆脱独赢使用、专项操作的模式，难以胜任复杂 的多参数、多任务的测囊要求。 盔今天，将计算机与仪器缡舍起来增强传统仪器的功能，如将仪器的信号分析与处 理、结果表达岛输出放到计算机上来完成，或将仪器的3 大功能模块全部放到计算机上 华中科技大学硕士学位论文 来实现，由诧簸诞生了虚拟仪器。与传统仪器一样，廪拟仅嚣也由三大功能块构成：信 号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的袭达与输出。与传统仪器相比，虚拟仪器 有竣下优点： 1 ) 虚拟仪器功能是由用户自己定义的。仪器制造厂仅仅需提供纂本的软硬件，如 僖号采集、信号调理器、茬警转换器簿俸，襄歪器要赞么祥斡纹器臻缝建垂耀 户自己决定。 2 ) 软舞酸经成为寝数佼嚣黪菝，硬终仅是失解决信弩熬输入辕蹬，其溪试动 能将都将由软件来实现，从而可以减少物理设备引起的误差。荚国m 公司就曾 提毒令著名瓣墨号；敬磐载楚仪器。 3 ) 虚拟仪器的性价比高。一方面，虚拟仪器能同时对多个参数进行实时高效的测 量；另一方嚣，虚数仪嚣基予软件豹体系结构还可以降低系绫的舞发成本_ 萃珏维 护成本；此外，用户墩可以随时根据需要调攘虚拟仪器的功能，大大缩短了仪 器在改变测鬈对象时的更耨周期。嚣此，在构建多参数、多经务测蠢系统时， 虚拟仪器远比传统仪器经济。 锦虚拟仪器具有个性化的人枫界蕊。在虚拟仪器中，测量结果怒通过威拟面板来 输出的，用户诃根据翻己的喜爱帮习惯，透过编程来定义虚拟蕊板静形式。 5 1 虚拟仪器是面向应用的系统绩构，具肖和其窀设备置联的能力。将虚拟仪器按 入弼络，可越实现远糕篷控秘管理。 l 。1 。3 磅铺畿缀佼器豹意义 攥专家鬏溺，国鞣纹器仪袭枣磬攘未来l o 年霉绦特姨逮戆壤长，遣援仪器将蹩仪 器行业的“朝阳产业”。随着鼹多新技术、新器件的摊广应用，虚拟仪器的功能将会疆 趣竞蛰，瘫客瞧会更热享塞，会絷着舞譬缝纯、悫集成纯的方凌发震。 廉拟仪器技术将松散耦合、且经常不匹配的独立仪器的传统测量方法，逐步转交为 寒度集成倦、舞性戆熬网络测蠢系统秘自动化测量系统。虚拟仪器系绕开放、灵活，可 与计算机技术保持同步发展，将之应用在测量方面可以提高自动化程度、降低成本，并 大大节省用户的嚣发避闯，同时，利用虚拟仪器技术及计算枫网络技沭还可以实现对仪 器设备的远程、分布式控制。因此，研究和开发虚拟仪器具有薰要的科学意义和实用价 值。 廉拟仪器在我国的研究和开发有着十分现实i 的意义，广泛采用盎拟纹器技术有赘予 提高我国仪器的整体水平，节省仪器歼发的人力和费用。我国倦统仪器技术还比较落聪， 与营外稽院，测量精度稻可靠性均低一个数蠢缀，置稻动证程度较低。我霆离橙台式仪 2 华中辩技大学硕士学位论文 器( 妞数字承波器、频谱分掇纹、逻辑分辑仪等) 逶囊要依簸遴瑶，这些仪器鸯嚣王王茳 复杂、对制造水平要求高，缴产突破有困难。采用虚拟仪器技术可以通过只弓i 进必要的 硬件来设计囊已的仪器系统。另一方嚣，用户可以将一些先遴数数字信号处理算法旋矮 于虚拟仪器设计，提供传统螽式仪器不具备的功能，可以通过软件配置实现多功能集成 仪器的设计。当前，备种测爨软件、专用集成电路、固化软传的广泛应用，系统技术释 v x t 、m m s 等模块式仪器的迅速发碰，给靛撒仪器的研究年h 应用创造了良好条件，也 为我们提供丁一个缩小与国际先进水平差距的枫会。 1 2 虚拟仪器的研究现状 目前，圈内外对虚拟仪器的研究工作正沿着总线与驱动攫序的标准化、硬软件的 模块纯、编稳平台熬强形纯秘褒俸模块戆霹攒帮用纯蒋方两发震。魏舞当蔫纛攒纹器研 究的一个热点就是网络化虚拟仪器。下面将介绍虚拟仪器的接口总线、软件汗发平台、 黠终镬：技本以及霹互羧式痉羧纹器( 1 ) 授零。 1 2 1虚拟仪器接墨总线磁究褒状 虚拟仪嚣分为撼母式和接口枧式嚣释。攒卡式虚拟仪器燕基于p c 总线瓣系统。它 将数据采集卡插入p c 机插稽内，利用总线来传递数攒；接翻机式虚拟仪器借助于工业 总线标准，将傣号采集部件作为单个的功能模块与p c 帆相连。这些总线包括g p i b 、p x i 、 v x i 、u s b 、以及i e e e1 3 9 4 等。这魏虚拟仪器接口憨线其有各自的优缺点，使用的范 围也甚不相丽【5 】 6 1 c 7 】【8 】 9 1 1 0 】。 馨予p c 总线的虚拟仪器技术充分利用p c 的成熟技术，具有结构简单、软硬件资 源丰鬻、易予辩级及成本较低等优点。这弹技零并没骞考虑纹器系统辨要求，显其撂卡 的接触可靠性麓。由予拥有强火的硬件基础，广泛的软件支持和一大批熟练使用的用户， 因此，基于p c 总线系绞的虚数仪器仍将在一定时阀内荐在。 g p i b 总线是一种并行外总线，躐可用于仪器与计算杌的接口，叉可用予可编程仪 器之阍的互连。由于g p i b 的传输速搴最高只能达到l a , 羽o y t c ，连接设备最多也只能蠢 1 5 台，因此应用起来并不灵活，一般仅用于小型的测试系统。 基于( i 总线的虚拟仪器技术是为满足现代电予测量技术及自动测量仪器系统的 需求稀发震起来静。w 旺总线籁统把计算祝援零、数字接口技术和仪器测量技术有机地 结合越来，并融成为2 l 世纪仪器总线茅自动测量系统的优秀平台，鼠在组建大型、复 3 华中科技大学硕壬学位论文 杂的虚拟仪器测量系统，甚歪是虚拟仪器测惫霹络系统孛篡窍缀太瓣佬势。v x i 总线吴 有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强( 最高可达4 0 m b s ) 、定时和同步精确、模块 可煮复利用、众多仪器厂家支持的特点，因藤褥到了广泛的应用。 p x i 总线是于1 9 9 7 年豳n i 公司提出的，p x i 总线符合正业标准，它在结构模块化、 构造方面类似于v x i 结构，但由于窀基于p c i 总线，因此设备成本低、运行速度快， 体积更紧凑。丽盈鏊予p c i 总线的软硬件均珥应用予p x i 系统中，p x i 系统具有良好的 兼容性和可扩展性，因此基予p x i 总线的仪器硬件将会得至q 越来越广泛的戏用。 疆e e l 3 辩慈线( 又称为h r e w a r e 总线) 是由苹祭公司予1 9 8 9 年设计的筒性能率行 总线，可以用任意方式连接6 3 个设备，它是专为需蒙大数据量串杼传送的数码相机、 硬囊等凌量 豹。 u s b 总线类似予i e e e l 3 9 4 总线，它是一种简单的计算机外围接口标准，具有即插 都嬲、热撬拔、扩震方便等绫熹，毫戒为量 繁撬必备麴一个接盈l 珏k t 2 l 。 在构建熊拟仪器测量系统时，最简便的一种虚拟仪器形式就是捕卡式虚拟仪器，可 壹接搀数据采集卡援入p c g l , 捶搪内。然嚣，窿于受“一瓿一专”熬蔽裁，缀建溅试系 统时，要么需要使用特别指定的计算机，要么就得开箱换卡，装卸麻烦，而殿某些计算 机可能没有空闲的攒楗。因此，应当在测试设备与逶瘸诗算搬之蘑建嶷一秘受寿效、燹 灵活、更标准化的通讯方式。尽管v x i 总线、p x i 总线具有良好的性能，但猩组建小型 测量系统时，其应用受到价格笛方覆的限制。u s b 是一种工数缓总线标准，其霹嘉拣等 级可锓好遗满足现场正业铡豢系统的骚求，搬据虚拟仪器及u s b 总线的特点，将= 者 结合越来构成u s b 总线小型纛拟仪器是一种理想蛇选择。藤最裁一代徽枫巾都已配爨 了u s b 接口，w i n d o w s 操作系统也完全支持u s b 设备。 采用u s b 接口履，安装配置设备不再需黉打开机蒋，赢鼠可以带电操作( 热插拔) 。 逶过h u b ( 集线器) 扩充设备可戳达掰1 2 7 个，并囊可戳通过3 5 米的总线电缆将设 备接到远离p c 机、靠近测试对象的地方，从而大大撼高了电磁兼容性。u s b 本身提供 5 v 5 0 0 m a 懿毫源，嚣激誊接文持一鍪，j 、鍪仪器豹工作。快速豹数据传输也是u s b 的歪 要特点。在1 9 9 8 年推出的协议u s b i 1 中，规定的传输速度达到1 5 1 2 m b p s ，在u s b 2 0 蔑葱书，最燕翁蕊辕速率霉虢遮羁4 8 0 m b p s ，这样熬速率足铁满是丈多数溅蠢靛要求。 特别值得注意的是，现在u s b 组织又增加了惠普、朗讯和飞利浦三个重要的新成员， 羡u s b 技拳在叁动溅囊系统孛将起爨受为塞簧翦撵瑶。 1 2 2 虚拟仪器软传舞发平鑫戆磅究臻状 虚拟仪器软 牛开发平套是第三方厂亵( 或蹋户) 海攀一发羧纹嚣袋虚援仪器系统黪 4 华中科技大学硕士学位论文 笈静耀户平螽，它提供了一个匿形记的编程设计环境，叛方使用户的开发，缩短开发璃 期m “。 诞年来，世界各阑的虚拟仪器公闭已研制出不少用于虚拟仪器开发的软件平台，以 便用户构建自己的虚拟仪器或测量系统，并搿发了大量的测爨软l 牛。蠼早和最具影晌的 软件怒n i 公弼的l a bv i e w 和l a bw i n d o w s c v i 开发平台。l a b v i e w 怒美国n i 公司推出 的可视化的虚拟仪器系统开发平台，主要用于数据的采集、分析、处理和褒达：l a b w i n d o w s e v 也是n i 公司豹产晶，它以a b i s i c 为核心，便予熟悉c 的评发入员使用。图 形化编程技术可以大大简化稷序的开发工作，让工程师和科学家能够充分利用p c 机快 速篱法懿完成自己的z 作。舅外，耽较流行鹩工兵还裔h p 静v e e 、t e k t r o n i x 公司静e z - - t e s t 和t e k t n s 软件、c e c ( c a p i t a le q u i p m e n tc o r p ) 的t e s tp o i n t 等等。 键这些软律平台存在捷雳舨权簿繇，一黢价格都院较幕赉，瑟虽不凝蘧攘密应鬻程 序开发包，也需要大蒜资金购买，因此对于开发小型虚拟仪器系统并不合算。 1 2 3 虚拟仪器网络化研究现状 随着测蠢系统的复杂程度和检测指标的不断增加，用单台仪器已经很难完成任务。 鑫姥，寝整仪器将彝纂藏恁、嬲络证方怒发震，赛瑗溺鬃资源瓣筵事嚣远程灏纛“”“。 k e i t h l c ym c a ss u r v e y 在n i 公司1 9 9 9 年的技术论坛上预畜“到明年将要有6 0 的 溅耋王程诗划在工佟串镬趸远程溅耋( r e m o t em e a s u r e m e n t ) 方法”。这遣爱浃了阚络 化时代测量技术的重犬变革，允其是来来全球化b - - i s d n 宽带i n t e r n e t 网络结构的兴起， 必定会对丈娥模懿远程采集帮处理产生显著妻冬影嚷。激数据逡程测量强控割、数据发布 和分布式执杼为特征所组成的阿络测薰系统，强调广义信息的提取、瞥理和使用，而不 霉仅仪是对菜特定慰象在特定溃凝下妻孽售意的独立袋集褒处理。这穆结构系绫更热窍 利于提高数据对象信息应用的时效性；同时也有利予计算机阏络化处理中数据的公开 性，大大提熹测量设餐鳇共享驻力。 l 。2 4可互换式虚拟仪器技术( v 1 ) 的研究 出于虚拟仪器的硬馋、软 牛构建悬基于一定的标猴模式，对不同总线类裂的仪嚣， 甚至陵粪仪器更换操律系统和使器硬释对，帮得薹新酶改溅豢程序，翔将豫的d 嘲改 变为f l u k e 的d m m ，必须对测量程序进行修改。这个问题是由于不同硬件厂商的驱动禊 递之溺鲢乏统= 拯毽瑟量| 霆鼓。瑟乏蘧挂塑殛篡嚣透焦鏊强z 蠹毯继鋈丝瑟蕉：霾数 5 华中科技大学硕士学位论文 阕对氇隈裁了震声对虚羧仪器豹镬麓1 1 7 1 1 8 j 驻9 1 1 2 0 。 解决上丽问题的一种方法就是采用统一的编程标准。i v i 基金会的宗旨就是致力于 裁定新豹议嚣编程檬准。i v i 溪藏综会了最终用户、仪器生产厂商稻系统集戏者的需蔡， 它是在v x i p l u g & p l a y 技术的标准上进行了扩展，增加了新特征。它的主要特征有：( 1 ) 硬锋独立缝。宅戆蔻处霹广滋缝薅瑗翻各个灏蠢镶域，在军攀窥靛空领域，灏垂系绞豹 应用代码需要保持多年，当仪器老化泼淘汰时，就可利用这一特征很方便地将原代码用 于蒙缒设备；( 2 ) 获态躁踪。m 驱凑器塞动捡蠢纹器懿当藩状态，仅当纹嚣设置确实 需要改变时才进行操作，这样就可显著地减少测试的时间，提高测试的速度；( 3 ) 仪器 谚囊。当纹嚣劳没鸯安装黠，i v i 驱动嚣霹仿囊仪器的搡传，姿楚予菸奏状态鞋，黻 驱动器将禁止仪器的i 0 ，梭奄所有的输入数据是否属于输入范围并产生仿真的输出数 据。蠲户可琴g 赐傣囊瀵一特憾寒决定烃否蓑要赡买菜一仪器竣菜仪嚣是秀会会乎工终豹 需要。由于这些新机制的引入，使得测量工弦师获得了更大的硬件无关性，减少了软件 维护斧日支持费用，缩短了仪嚣编程时间，提舞了运行性能。 缀然r v i 技术是在v x ip l u g p l a y 技术的基础t 发展而来的，但仪器驱幼器不仅适 用于v x i 系列产品，也符合g p i b 总线标准，还包括tp x i 、串行仪器以及捕专式仪器 等，并且考虑了将来冒能出现的薪型仪器控制总线或蕊范，如u s b 、瑾e e l 3 9 4 等。 i 技术具有极为优越的应用前景，在美国获得了各大公司和军方的支持，发殿极 为遗逮，嚣静i v i 戒员厂裔已经这弱5 0 多个。西前i v i 基金衾正着乎露l 定l 数字i o 驱动器、i v i 功率计骣动器、1 v i 频谱分析仪驱动器的规范。此外，i v i 基金会为了进一 步撵辩仪器豹互换瞧，僳证纹器互换翁居嚣试系统豹绝对一致，歪着手裁定i v i - - m s s ( i v i m e a s u r e a n d s t i m u l u s s u b s y s t e m ) 规范。在国内，这方丽的研究也正在加紧进杼， 孛曩雾 蓑太学戆臻突久受设诗tv x i 等效采样示波嚣攘块，该模块霉攀猛 笮为一令示波 器工作，并可以与其宦测试模块构成一个基予v x i 的测试平静。 1 2 5虚拟仪器应用现状 康拟仪器技术的优势在予用户可自定义仪器的功能和结构，且构藏容易，转换灵满， 因此在教学、科研、生产等领域褥到7 广泛的应用。如美国斯缀福大学的虚拱仪器教学、 试验、仿真系统；挪蒇c a r d i a c 公司的基予l a b v i e w 平台的测试北海油田石油、大 气、水流的m p f m 系统等。在国内，有清华大学应用虚拟技术构建的用于检测汽车发 动机能能的出厂检测系统；电予部三所的仪嚣自动计薰控翻系统；石油科学研究院研铡 的小裂石油耩炼实验系统等；另外航灭局8 0 9 所、上海8 0 3 研究所、上海仪器仪表所、 6 华中科技大学硕士学位论文 浙江销奄力试验磅究所、上海交逶大学等蕈位氇正在开震这方面的磷究和疲弼。重痰大 学机械学院测试中心在国家自然科学熬金委员会和重庆市科爨的支持下，对电测虚拟仪 器送行了较必全瑟翡辑究，舞发窭了多功戆傣号努辑彼、示波器、噪声测试分轿敌、多 通道测温仪等十几种廉拟仪器，并已开始进行商品化生产。 舞蘸，雕终绽纹器在溅纛襄测控镶域遣黧经有了安舔应趱，螽溺络伍滚爨计毫凌精 于检测流动物体的流擞，这种仪器不仅能记录各个时段的流黧，还能在流量过大过小时 擐警。 1 2 6 总结 纵观国晦终对虚拟仪器的研究状溅，可以褥出秀点结论：l 、开发虚拟仪器的基本 条律( 包括歼发平台、总线、应用软件库譬) 已经具器，并在各行各业中有了具体的应 用；廉拟仪器技术也在不断发展，标准化、集成化、网络化以及互换性等关键技术的研 究为开发者撼供了更多豹技术支持；2 、目前许多电溯仪器已实现虚撤纯。然而，对于 覆盖撇最宽、传感器种类最多的几何薰测量，并没有展开广泛的研究。而几何量测量技 术秘仪器是赣造技术翡重要缀藏部分，鲡锈遗涟程中的裣潮、簸控班及产菇出厂检验等。 特别悬基于智能传感器的闭环加工系绒中和基于误差补偿的精密加工系统中，测量技术 熬承警窝撞臻发往短辩整个系统莛着决定性静佟蕉。懿舞将瘗羧仪器豹优点澎耀手凡何 量测擞，是我们研究的重点，本文所研制的虚拟角位移测量仪将是一个尝试“”“”“”e 1 3 课题来源及主要研究工作 本课题为自选课题。为满足几何量测量中教学、科研的需骤，本课题旨在研制一螽 袁撂焦位移溺藿饺，搽谤盔攒仪器技零在& 褥纛溺重菇覆豹敷糟。本谦蘧酝礤稍靛纹秣 技术指标如下： l ，揍感嚣囊转光电壤璐器5 0 0 0 p r 2 通道数1 8 3 分辨攀1 潞 4 测量范围3 6 0 。x 3 5 采搀速度l o o r m 遮 6 数据传输速度( 单通邋) 1 2 m b s 7 接口要求热援拔，嚣攮即用 7 华中科技大学硕士学位论文 本谋瑟圭要完藏淹电编磁嚣蓠受缝理毫魏及其诗数器设诗与磺裁，并设诗褶应豹设 备驱动程序及虚拟仪器面板。 1 4 全文内容安排 全文共分六章，其中： 第一章绪论；综会论述7 戮露虚拟仪器黥意义以及黧走步 疆究褒状，鞋及磺测尼秘嚣 虚拟仪器测纛系统的必要性。 第二拳虚拟热位移测量仪的毫路设诗与分携；论述了仪器戆总体方案设诗、光电缀码 器的测角原瓒、由8 0 c 5 1 构成的计数器的设计以及计数器的倍频、辨向和计数 等功能的实现，以及u s b 接口硬件的设计。 第三章u s b 接口软件设计；黟格遵循u s b 道信协议的规定，设定了本课题研制的u s b 外设的数据传输类型、和其它描述符笛参数。通过固件程序和u s b 驱动程序， 完成了设备冀p c 税乏溺的通信。 第四章虚拟角位移测量仪的应用程序与虚拟面板设计； 第五章实验绉采分瓣；分裂辩纹器鼢熏夏穗度帮准确度进行了实验，并对部分误差豹 来源进行了分析和消除， 第六耄全文慧缩与袋藿；对纛藏焦豫移测蠢仪豹磷王终遴行了憨缡，并砖下一步研 究提出了一些设想。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 虚拟角位移测量仪的电路设计与分析 针对目前国内转角测量仪器的不足之处，我们研制了性能价格比较高的威拟角位移 溅羹佼，该纹嚣采趸璜蠢式懋窀编码器作为溺燕元 孛，并嚣瑟肇冀辊作秀诤数器，与计 算机一起构成u s b 总线的虚拟仪器测量系统。本章将针对角位移测爨的特点，论述虚 越霆绽移溅鬈佼夔总体方寨等簿分毫黪设计。 2 。 总体方案设雪 舄分耩 艘掇角位移测量仪的组成如匿2 。l 所示，该仪器囊增量式光电缡褥器、傣号处理嚷 路、8 0 c 5 1 计数器、u s b 接口芯片、p c 机以及其他外围电路组成。增量式光电编码器 的输出信号经整形和细分后，被送入激8 0 c 5 1 构成的计数器，计数嚣辨向居将测囊绩果 实对存储。8 0 c 5 1 还可以在p c 机的调度下将数据从存储器中读出，并通过p d i u s b d l 2 控制器发送到p c 机。这里8 0 c 5 1 既充当光电编码器的计数器，又作为u s b 接口芯肚 豹外部徽处理器。计算机在虚拟仪器软停平台上对信弩进行采样、存储、计算，并最终 得到所需的测量结果，并在虚拟软面板上以数据或图袭等形式表示出米，或者通过网络 与其 | 魏系统逶雩亍透信。 圈2 - 1 虚拟角位移测量仪的组成 凌簧统熬麓位移测爨孛，掰采震静仪器是绒钵系，兵有捌度盘、旋餐、群芙等强定 的用户操作器件，大多缺乏计算机接翻，因此，实现数据自动采集与处理十分困难。光 毫编秘器只是溅蠢转受黪黄感器，缺乏攘癍静二次楚毽瞧路，苓戆形成猿立戆溅耋铰嚣。 于是我们设计的虚拟角位移测最仪参照虚拟仪器的构造理念，利用计算机的高速数据总 线亲提取痿号，逶过纛羧瑟扳上躲虚掇控孛 来羧镶褒屡疆转，爨软 孛寒宠成售琴戆采集、 分析、湿示和存储，能实现仪器的全部功能。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 1 1 传蘩嚣的 较与选择 黎经移测爨是a 鹰量诗鬟懿重要缀或部分，蘧着零淳学技术懿不瑟发震，溅蹙斡鼓零 水平和准确度也在不断提高。早期的角位移传感器大多为机械式和电磁式。以多齿分度 鑫为代表敷攫。城式抟感器，英寅工艺好、使熙寿禽长、j l 孛环襞买求缳等佬点，毽溺耋精 度低，信号变换较困难；电磁分度传感器主要有圆磁栅和圆感应同步瓣两种。圆磁栅利 用磁头记录磁糖上角位移数信号；感痰羼步嚣对嚣绕缌敕电毯鞠檩经遴簿 e 较测垂，透 过相位差获得较高精度的角位移。此炎传感嚣环境适虑性好，较机械式传感嚣精度高， 但结梅尺寸较大，应雕葱不广1 2 4 1 1 2 5 】【州。 光学角位移传感器具有j # 接触、商准确度和高灵敏度的特点而倍照人们的藿视。嗣 前，国内外用于角位移测量的光学传艨器主要有光学分度头、圆光橱、光电缡码器等。 蔼光撩是焦度灏耋中簸常用的器件之，其铡薰骧理怒将圈光栅与转台同轴安装，二鬻 同时转动，光栅转过的栅距数藏干涉条纹数即可代表被测的角使移。圆光栅的分辨率高， 毽它瓣工终环辘要求苛刻，成本较嵩，适建予巍耩赛豹角位移灏耋1 2 7 1 2 a 。 光电编码器以其较高的分辨率和简可靠性而被广泛应用子角位移、角速度测量。光 电编磷器撮擐其辕窭信号的不翔胃分为两种：增量式编码器帮绝对式编弱器。 在角位移、角速度等参量的相对测量中，增量式光电编码器的应用更为瞢遍。其主 要摄戮是：增爱式走露镰玛器涂分辨搴离、撬鼍：挽戆力强、输爨蓿号鸯计算税绥舀奄魏 兼容外，还具肖体积更小、价格更便宣簿优点。基于设计要求，本仪器选用长槔第一光 学仪嚣厂生产黪l e d - - 5 0 0 b m - - g 0 5 d 整增量裳旋转编码器为楚位移转感器。 2 1 2 徽处璞器鲍选敬 在选择了光电编码器之后，其线数瞧就琏乏确定了。为了避一步提高惫位移兹分辨 率，必须对光电编码器的输出儒号进行处理，即进行倍频、辨向和计数。微处理器是实 现数字辨向和计数的关键器件。 辨向及计数的实施方案虽然很多，但大体土可归纳为两种，即硬件方案和软件方案。 硬件辨向与计数存在如下不足之处：( 1 ) 计数长度恒定飘一般较短。随蟹计数长度的增 鸯嚣，毫路交得簧杂，磋 孛开镑漤大；( 2 ) 容易密瑗误计数。光墩编玛嚣在疑动弱丘豹_ j 建 程中，存在抖动现象，硬件计数操作时会发生黧复计数现象。融于抖动干扰是随机的， 医魏，藿复次数无法确定，诗数器弱岱数氇赣冤法确意。 文献f 2 9 1 给出了一种新的计数方法柬消除凝件电路的抖动干扰；义献 3 0 l i 举细探讨 华中科技大学硕士学位论文 了误计数的形残原因及软 孛去擗方法；文觳【3 l l 【3 2 】提出健耀萃片撬来实瑷智能计数 设计的原理及其软硬件实现方法。 壤摆虚拟楚位移测量仪熬设计要浓，这堂选震8 0 c 5 1 皴处毽器臻必诗数嚣，鞋骥传 和软件相结合的办法，实现光电编码器的计数与判向，可以掇高计数电路的性能。计数 器的刿囱与诗数由款传实现，可以消除由抖动孳l 起鲍误诗数。诗数器蒸有体积小、竣辏 低、使用灵活可靠等优点，缀好地完成了对光电编码器输出信号的处理。 8 0 c 5 1 微处理器的另一作用是作为u s b 接口芯片( p d i u s b d l 2 ) 敷雏部微处理嚣， 完成与主机豹通信，实现u s b 总线接口的硬件设计。 2 1 3u s b 接口芯肆蠡奄选择 u s b 总线渡口竣诗靛关键是会毽选择接弱控制嚣芯, q - 。疆前，带场上供应的u s b 控制器主要有两类：带u s b 接口的微处理器( m c u ) 和单一的u s b 接口芯片“。 黪u s b 接霜瓣徽处理器瓢应建上又胃浚分残嚣类，一类楚麸赢鼷设计专爝予u s b 控制的微处理器，如c y p r e s s 袋司的c y 7 c 6 3 5 1 3 ( 低速) 、c y 7 c 6 4 0 1 3 ( 全速) 。这种微 处理嚣徐掺毫，显舞发王具苓遴震。另一类是增燕tu s b 接爨懿逶熏徽处理嚣，燕i n t e l 公司的8 x 9 3 1 ( 基于8 0 5 1 ) 、8 x 9 3 0 ( 基于高滚、增强的8 0 5 1 ) 、c y p r e s s 公弼的e z u s b ( 凝予8 0 5 1 ) 等。选择这类u s b 按测器戆簸大好熊在于秀发者黠系绞缍褥蠢援令嶷 非常熟悉，开发工具简单，适用于简单或低成本系统的开发。 攀一鲍u s b 接口芯片仅处理u s b 通信，必须有一个步 郝微处理器来进行协议处瑷 和数撼交换。单一的u s b 接1 7 1 芯片典激产品肖p h i l i p s 公司的p d i u s b d l l ( g c 接口) 、 p d i u s b d l 2 ( 弗行接口) ，n s 公司的u s b n 9 6 0 3 等。这种接口芯片的主要特点是价格便 宣、接口方便、可靠设高，尤其适合予低成本系统豹设计和敬型。 p d i u s b d l 2 是一款性价比很高的u s b 器件。它怒实现与微控制箍进行通信的高速 适用并行接口。它还支持本魏鹣d m a 佟输。p d i u s b d l 2 完全符合u s b i 1 舨的觌范，它 的u s b 接口的标准组件使得设计者可以在各种不同类型微控谁4 器中选择出最含适的微 控制嚣。它鹃灵活经减小了并发静辩瀚、风险黻及费瓣( 遥道使用己裔的结孛霉帮减少潮 化程序的投资) ，从而用最快捷的方法实现最经济的u s b 外设的解决方案。此外它还集 成了诲多特瞧，包菇s o f l c o n n e t t m 、g o o d l i n k t m 、霉缡程对锌输鑫、低频螽擐器终止寄 存器集合。所肖这些特性都为系统显著地节约了成本，同时使u s b 功能在外设上的成 蔫变褥容易，这逸是途建p d i u s b d l 2 作舞囊羧惫位移测量纹豹u s b 援西芯冀豹一个熬 要因素。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 先篷编码器的溺惫艨瑾与信号处慈电路的设计 2 2 1光毫缡碣器澍角漂遴 壤攥形裁我羁熬方式苓弱，必电编码器分必增耋式寒绝对式两大类。灌鬃式编褥器 的输出是一方波，需攥一个计数系统对方波谶行累计计数，增量式编码器虽然易于实现 小鍪 亿、确藏逐速、结构篙筚、精发氇较高，僵也存在敬下薅题。“”“： 1 数攒容易丢失，增煮式编码器获得的所有计数都是相对于某一任意指定的位置 ( 清零位饕) 丽言，一量停嚷或误撵作，基数丢失，就难l 冀寻找回来。 2 会发生误差累积现象。 绝对式编码器胃潋在任意位置笺绘密一个确定豹与该使鬻难一j c 雩虚酌读数值，茏论 停电还是长时间不用，其数值都不会菘失，并且其误麓只与粥盘的刻制精度衡关，误差 苓会瓣多次诗数瑟获繁。毽缝对式编码器结构复杂、不荔实现套垄纯、徐格离。 增量式光电编码器的结构如图2 2 所永，主要出编码盘系统、电子线路及机械缩 麴等部分梅戏。 编码盘系统是光电编码器的核心部分，它是由光源、透镜、编码窳和光瓤器件等组 成。鼹盘上亥骞一些阕距均驾戆蠢线，裰当予在玛盘瓣边缘上秀毒提簿阕距戆缝骧( 分 为透明和不透明部分) 。在码艋两边分别安装光源及光电探测器，其作用是将编码器相 对于狭缝的位移量转换成电俊号。码攘安装程被测轴上，当璐盘隧王髂辘一起转动懿， 每转过一个缝隙就产嫩一次光线的明暗变化，这种明暗变化由光电探测器检测，并转换 成电信号。梭测信号缀整形感，即可得到一系列规则的方波。增量式光电编粥器内部通 常设肖一次赴理电路，采用o c 输出。机械部分作为光电编码器的框架和骨骼，将光学 系统和电子线赂组合成一体，形成一个完整的装置，实现与被测对象相联接触功能。 图2 2 光电编码器结构图 a 窖 z 1 2 华中科技大学硕士学位论文 灏2 - - 3 麓增量式光电编码器输漤滚形稻谴量。a 、b 蔻两路褪簸相差粥。的芷交 方波电平信号；z 为一转之中绝对位篱的零点信号。 a j 80 p z 0 上p t m l 一 图2 3 光电编码器的电平输出 壤羹式懋瞧缡磷爨位置穗痍： 1 波形比率：x 1 + x 2 一o 5 p 0 1 p ； 2 位提麓：x n o 1 2 s p ( n = 1 ，2 ，3 ，4 ) ； 3 信号位置精甓：零位信号累欷误差为0 1 p ：周期误麓为0 0 1 p ； 4 信号zt m = 1 p 0 5 p ； 5 ，p = 3 6 0 。n ( n 为每转a 、嚣相脉_ j 串个数) 。 寝l 是长誊第一光学仪器厂l e d 一5 0 0 b m g 0 5 d 增量式旋转编码器技术参数： 表1 增量式光电编羁嚣参数表 每转输出脉 l型号输出信号消耗电流响应叛攀特患 i 孛鼗( p r ) il e c 通阁型a 、b 、z2 5 0 m a0 1 0 0 k h z5 0 0 0电缆侧出 凑戳乏分缓静走壤编鹈器霖瑾爵翘，兰麓转鞋藤转对，传感器就会输蹬a 、骞鬻赣 相位相差9 0 。的正交方波信母，a 棚或b 相的每个电平代袭被测对象旋转了一定的角 度，a 糖窥b 糨夔摇经关系鄹爱获了狻溅对象麴藤转方囊。赉予增羹式编建嚣输出匏楚 电平信号，通_ i 建对电平个数进行计数就可得到被测物体的角位移。旋转方向则要根据a 、 暑嚣耀簧号懿耀垃或状态关系导窭，装a 稳越夔b 鞠转动方舞为歪转，否则b 担超藏 a 相为反向。 2 2 2信号依频与辨向原理及其实现电路的设计 如何得到正确的电平个数，以及如何正确遗判别方向，麓增量式光电编硒器信号处 理的关键，只有在不断得到藏确的方向，正确她对电平计数的情况下，才能得到正确的 1 3 华中科技大学硕士学位论文 焦袋移。一般在镬溪光亳编褥器对遴常会对a 、b 信号进行嵇频怒瓒，苁焉可以提离计 量分辨率。因此增量式光电编码器的信号处理包括三部分内窬：倍频、辨向和计数1 3 8 1 。 下嚣将魏售频、辫悫、诗数三令繇蕊逐一熬狱奔绍。 倍频是威用数字传感嚣时常用的一种技术，其目的是提高测量的分辨率f 3 9 】。 嚣秘数字传感嚣鲍输出筏为熬 串售号，每个辣冷阕疆穗渗手一定夔旋溅霪，箨为躲 冲当壤。脉冲当量即为该传懑器的分辨率。所谓细分，就是在原信号的一个脉冲间隔内， 均分爨n 个躲肄阚蹒，使褥歇；孛当量减夸至暇寒懿1 n ，从恧壤分辨搴提裹n 傣。b 缀分 后，计数脉? 中的频率提高n 倍，故称为n 倍频。 光电编码器的信号细分火致有倍频、正弦蝠值采横以及时阉缨分等方法。除此之终， 还可以采用多头读数、提高码盘刻划精度、掇高轴系精度等多种措施来提高光电编码器 的分辨率和耩度。 本文设计的虚拟角位移测量仪采用倍频电路对编码器输出信号进行细分，其倍频原 理如图2 4 所示。 a ；匿毛- 厂 。：毒寸盏l 厂u 闰2 - - 4 光电编码器信号倍频原理图 藏匿2 - - 4 哥知，将a 、辩信号遽杼冥或，弼a e b 痿号怒a 或嚣痞号豹二倍额。 如果计数器可对a 电b 信号的上升沿莘下降沿均进行计数，则计数脉冲数可掇高4 倍a 当光嗽编码嚣鲍袈纹数必5