（机械电子工程专业论文）机械装置参数pc测控综合实验台的设计与研究.pdf

摘要 本文设计开发了基于p c l - 8 1 8 h g 数据采集卡的机械装置参数p c 测控综合实验台， 目的是帮助学习计算机辅助机械装置参数测控的学习者快速掌握软件的开发与调试。该 实验台的软硬件均采用了开放模式，学习者根据需要可以不断的增减机械装置参数测控 元件，进而编写对应的测控程序代码，并在该实验台上进行调试。 文中在综述计算机测控系统的原理、计算机测控系统的任务、几种常用计算机测控 系统的体系结构和计算机测控系统的发展现状及发展趋势的基础上，分析研究了基于 p c l - 8 1 8 h g 数据采集卡的机械装置参数p c 测控综合实验台设计所涉及的相关内容、软 件设计涉及的一些关键技术；设计开发了基于p c l - 8 1 8 h g 数据采集卡的机械装置参数 p c n 控综合实验台的开放式软件与硬件系统，并以j c p 5 型机构运动创新实验台的交流 电动机变速控制、a t v 车多通道应力测试为例，对实验台的测速变速、模拟量输出、外 部脉冲计数和多通道模拟信号采集功能进行了测试验证。 研究结果表明，利用本文开发的实验台软硬件系统，不仅能帮助学习者快速、方便 的掌握计算机辅助机械装置参数测控的技能，而且该实验台的开放特征使本文开发的软 件可以作为工程实用中测控软件的开发基础。本文开发的实验台是在同一平台上，通过 调用不同的测控软件完成了多种计算机测控任务，是不同功能的虚拟仪器的集成，是一 台集成仪器计算机测控实验台。另外，对实验台进行的测速变速、模拟量输出、外部脉 冲计数和多通道模拟信号采集功能的测试结果表明，本文设计的实验台软硬件系统已经 具备了变速测速、模拟量输出、外部脉冲计数和多通道参量测试功能。 关键词：p c l - 8 1 8 h g 数据采集，计算机控制，软件设计，测控实验台 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , i ti sd e s i g n e da n dd e v e l o p e dt h a tac o m p r e h e n s i v ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m b a s e do nt h ep c l - 8 1 8 h gd a t aa c q u i s i t i o nc a r df o rt e s t i n ga n dc o n t r o l l i n gp a r a m e t e r so f m e c h a n i c a li n s t a l l a t i o nw i t hp e r s o n a lc o m p u t e r , t h ea i mo fw h i c hi st oh e l pt h ep e r s o n s l e a r n i n gt e s t i n ga n dc o n t r o l l i n gp a r a m e t e r so fm e c h a n i c a ld e v i c e sq u i c k l ym a s t e rs o f t w a r e d e v e l o p m e n t a n dd e b u g g i n g a l lt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h et e s t - b e da l eo p e n ，a n dt h e l e a r n e r sn e e do n l yt oa d do rr e d u c et h et e s t i n ga n dc o n t r o l l i n gc o m p o n e n t s ，t h e nw r i t et h e c o r r e s p o n d i n gt e s t i n ga n dc o n t r o l l i n gp r o g r a m ，a n dd e b u g i nt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m o nt h eb a s i so fs u m m a r y i n gt h ec o m p u t e rt e s t - c o n t r o l i n gs y s t e mi np r i n c i p l e ，t h e m a n d a t eo ft h ec o m p u t e rt e s t c o n t r o l i n gs y s t e m ，s e v e r a lc o m n l o nc o m p u t e rt e s t i n ga n d c o n t r o l i n gs y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dt h ed e v e l o p m e n t s t a t u sq u oa n dt r e n do fc o m p u t e r t e s t c o n t r o l i n gs y s t e m ，t h et e x ts t u d i e st h er e l e v a n tc o n t e n ta n dt h ek e yt e c h n o l o g i e s o f d e s i g n i n gt h et e s t - b e d b a s e do nt h ep c l - 8 1 8 h gd a t aa c q u i s i t i o nc a r df o rt e s t i n ga n d c o n t r o l l i n gp a r a m e t e r s o fm e c h a n i c a li n s t a l l a t i o nw i t hp e r s o n a lc o m p u t e r ，d e s i g n sa n d d e v e l o p st h eo p e ns o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e m so ft h et e s t - b e d t h e nb yt h ec h a n g es p e e d c o n t r o lo ft h ej c p 一5 - t y p eb o d ym o v e m e n ti n n o v a t i v et e s t b e da n dt h em u l t i - c h a n n e ls t r e s s t e s to fa t vv e h i c l e sf o re x a m p l e ，t h ep a p e rv e r i f i e st h ec h a n g es p e e dc o n t r o l ，a n a l o go u t p u t ， t h ee x t e r n a l p u l s e c o u n ta n dm u l t i c h a n n e la n a l o gs i g n a la c q u i s i t i o nf u n c t i o n so ft h e e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m t h er e s u l t ss h o wt h a tm a k i n gu s eo ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h et e s t b e ds y s t e m d e v e l o p e di nt h i sp a p e r , i tw i l ln o to n l yh e l pl e a r n e r st oq u i c k l ya n de a s i l ym a s t e rt h et e s t i n g a n dc o n t r o ls k i l l so fm e c h a n i c a ld e v i c e sp a r a m e t e ra i d e db yc o m p u t e r ，b u ta l s ot h eo p e n c h a r a c t e r i s t i c so ft h et e s t b e dm a k e st h es o f t w a r es y s t e mm a yb e c o m et h ef o u n d a t i o no f d e v e l o p i n gt e s t i n ga n dc o n t r o ls o f t w a r eu s e di np r a c t i c e t h et e s t - b e dd e v e l o p e di nt h i sp a p e r c o m p l e t e sav a r i e t yo fc o m p u t e rt e s t i n ga n dc o n t r o lt a s kb yc a l l i n gt h ed i f f e r e n tt e s t i n ga n d c o n t r o l l i n gs o f t w a r ei nt h es a m ep l a t f o r m i ti n t e g r a t e st h ev i r t u a li n s t r u m e n tw i t hd i f f e r e n t f u n c t i o n s ，a n di sac o m p u t e rt e s t i n ga n dc o n t r o l l i n gi n t e g r a t e di n s t r u m e n t i na d d i t i o n ，t h et e s t r e s u l t sf o rt h ec h a n g es p e e dc o n t r o l ，a n a l o go u t p u t ，t h ee x t e r n a lp u l s ec o u n ta n dm u l t i c h a n n e l a n a l o gs i g n a la c q u i s i t i o nf u n c t i o no ft e s t b e ds h o wt h a tt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e mt , f t h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mh a sb e e nw i t hac h a n g es p e e dc o n g t r o l ，a n a l o go u t p u t , e x t e r n a l p u l s ec o u n tf u n c t i o n sa n dt h ec a p a b i l i t i e so ft e s t i n gm u l t i - c h a n n e lp a r a m e t e r s k e yw o r d s ：p c l - 8 1 8 h g d a t aa c q u i s i t i o n , c o m p u t e rc o n t r o l ，s o f t w a r ed e s i g n , t e s t i n ga n dc o n t r o l l i n ge x p e r i m e n t a lp l a t f o r m 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：童j 彳是圉 沙3 年月3 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 加。g 年月3e l 埘年月弓日 长安大学硕士学位论文 i i 前言 第一章绪论 计算机测控系统作为本课题设计的重点，它是应用计算机参与测控并借助一些辅助 部件与被控对象相联系，以获得一定测控目的而构成的系统。它由测控部分和被测控对 象组成，其测控部分可分为硬件部分和软件部分，这不同于模拟控制器构成的系统只由 硬件组成。其中硬件部分主要包括主机、外围设备、过程输入输出设备、人一机联系设 备等。而软件部分可分为系统软件和应用软件。系统软件一般包括操作系统、语言处理 程序和服务性程序等，它们通常由计算机制造厂为用户配套，有一定的通用性。应用软 件是为实现特定测控目的而编制的专用程序，如数据采集程序、测控决策程序、输出处 理程序和报警处理程序等【1 】o 编制应用软件涉及到被测控对象的自身特征和控制策略等， 软件要由实施测控系统的专业人员自行编制。因此一个完整的计算机测控装置的设计开 发不仅要设计现场数据的采集和执行机构驱动的硬件实施方案，还要针对机械装置自身 特征和测控策略编制相应的应用软件。 1 2 计算机测控系统的工作原理 计算机测控系统包括生产过程或机械装置参数的测量和执行机构的运动参数控制 两个部分，但从计算机测控系统的工作原理上讲，可将其归纳为以下三个过程： 1 、实时数据采集 实时数据采集就是通过传感器对表征被控参数状态的量的瞬时值进行检测，并输入 给计算机进行数据处理【2 1 。 2 、实时决策 实时决策是通过对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，按已定的控制规律， 决定下一步的控制过程【2 】。 ， 3 、实时控制 实时控制就是根据决策策略，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务【2 1 。 以上这三个过程不断重复，使整个系统能够按照一定的品质指标进行工作，并对被 控量和设备本身的异常现象及时作出处理。 一 第一章绪论 1 3 计算机测控系统的任务 生产过程控制系统比较集中地体现了计算机测控系统的各种功能，因此本文以生产 过程控制系统为例来说明计算机测控系统的任务。一般生产过程计算机控制系统的示意 图如图1 1 所示【3 j 。 外部设备( 屏幕显示器、打印机、控制台等) 计 测控 图1 1 一般生产过程控制系统不慈图 计算机测控系统借助传感器从生产过程中收集表征被控参数状态量的信息，从而监 视生产过程。计算机通过对被收集的信息在不同层次上进行分析计算，得出对生产装置 提供的调节量，完成自动控制，或者为生产管理人员、工程师和操作员提供所需要的信 息【3 1 。由此可以看出，计算机测控系统应当完成下列任务： 1 、测量 生产装置的工作状态是由传感器进行监视的，通过传感器产生与被测物理量成正比 的电信号。计算机接收这一电信号，并完成对接收电信号的转换、分析和计算，从而实 现对生产装置工作状态的监视，并为输出控制决策提供决策信息。 2 、执行机构的驱动 对生产装置的控制通常是通过对阀门或伺服机构等执行机构进行调节，对泵和马达 进行控制来达到的。计算机可以产生一串脉冲去驱动执行机构达到所需要的位置，可以 通过继电器接点闭合或产生某个电平的跳变去启动或停止某个马达，也可通过数模转 换( d a c ) 产生一个正比于某设定值的电压或电流去驱动执行机构。执行机构在收到控 制信号之后，通常还要反馈一个测量信号给计算机，以便检查控制命令是否被执行【3 1 0 3 、控制 利用计算机测控系统可以方便地实现各种控制方案。在工业过程控制系统中常用的 2 长安大学硕士学位论文 控制方案有三种类型：直接数字控制( d d c ) 、顺序控制和监督控制( s p c ) 。大多数 生产过程的控制需要其中一种或几种控制方案的组合【3 】o 4 、人胡交互 计算机测控系统必须为操作员提供关于被控过程和测控系统本身运行情况的全部 信息，为操作员直观地进行操作提供各种手段，例如改变设定值，在发生报警的情况下 进行处理，为操作员提供操作虚拟面板等。因此，它应当能显示各种信息和画面，打印 各种记录，通过虚拟键盘对被控过程进行操作等。 5 、通信 对于由多台计算机组成计算机网络，共同完成上述各种任务的工业过程控制系统， 各级计算机之间必须能按时地交换信息。因此，这种计算机网络工业过程控制系统还必 须具备通信功能。 1 4 计算机测控系统的体系结构 以计算机为中心的测控系统，采用数据采集与传感器相结合的方式，能最大限度地 完成测试工作的全过程。它既能实现对信号的检测，又能对所获信号进行分析处理求得 有用信息【3 1 。常用的计算机测控系统的体系结构大致有三种：p c d a q ( p e r s o n a l c o m p u t e r - d a t a a c q u i s i t i o n ) 型、g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 型和l ( i ( v m e b u s e x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 型。 1 4 1p c d a q 型计算机测控系统体系结构 p c d a q 型计算机测控系统框图如图1 2 所示。p c d a q 型计算机测控系统能完成 参量1 参量2 参量n 执行 元件 数 据 采 e 二芤蔓至堑j 一输出、绘图、显示、打印集 卡 ( 板) 图1 2p c d a q 型计算机测控系统 对多点、多种随时间变化参量的快速、实时测量，并能排除噪声干扰、进行数据处理、 3 第一章绪论 信号分析、由测得的信号求出与研究对象有关信息的量值或给出其状态的判别，对于具 有模拟量或数字量输出功能的数据采集卡，还可根据测得的信号和某种控制策略，完成 对机械装置运动参量的控制。p c d a q 型计算机测控系统是目前以计算机为中心的测量 与控制系统的主要形式。 1 4 2g p i b 型计算机测控系统体系结构 g p i b 测控系统是一种通用接口测控系统，其结构形式如图1 3 所示。它是由一台 p c 机、一块g p i b 接口卡和若干台g p i b 仪器子系统构成。其中每个仪器子系统是一台 带g p i b 接口的单台仪器。该接口在功能、电气上和机械接插上都按国际标准设计，内 含1 6 条信号线，每条线都有特定的意义。即使不同厂家的产品也可相互兼容并具有互 换性，组建系统时非常方便，拆散后各仪器子系统又可作为单台仪表独立使用。一块 g p i b 接口卡可带多达1 4 台仪器【3 1 。 图1 3g p i b 型计算机测控系统 1 4 3v x i 型计算机测控系统体系结构 v x i 是结合g p i b 仪器和数据采集板( d a q ) 的最先进技术而发展起来的高速、多 厂商、开放式工业标准。v x i 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。v m e 总线标准自1 9 8 1 年确立以来，在国际上得到了广泛应用。但是，基于仪器 的v m e 总线存在着一个最大的问题是缺乏配套标准。1 9 8 7 年7 月，美国五家大仪器公 司主动联合起来，在v m e 总线标准的基础上制定了开放系统结构仪器所必需的附加标 准，命名为v x i 总线【3 1 。 v x i 总线系统是机箱式结构，如图1 4 所示。一个接插模件就相当于一台仪器或特 定功能的器件，多个模块共存于一个机箱组成一个测试系统。随着v x i 总线规范的不断 完善和发展以及v x i 即插即用系统联盟的不懈努力，v x i 系统的组建和使用越来越方 便，它的高速率传输、模块式结构不仅使得仪器结构紧凑，小巧轻便，更使得集多种功 能于一体的现代集成式虚拟仪器变成现实f 3 】。 4 长安大学硕士学位论文 仪器磁盘仪器仪器r a m内部主 # 39 2g l 计算机 ( s b c ) c p uc p uc p u 仪器仪器仪器仪器仪器仪器 c p u # 1# 1# 1# 2# 2# 2 八五 命令者 从者从者 命令者从者 从者 c p uc p u 主计算机 仪器# l 仪器# 2 图1 4v x i 型计算机测控系统 在p c d a q 、g p i b 和v x i 三种计算机测控体系结构中，g p i b 是通过计算机对传 统仪器功能的扩展与延伸：p c d a q 直接利用了标准的工业计算机总线，没有仪器所 需要的总线性能：构建v x i 系统则需较大的投资强度【4 1 。采用p c d a q 型计算机测控 体系结构设计开发机械装置参数p c 测控综合实验台，在满足实验需要的情况下，其所 需成本最低，因此本课题的测控系统采用了这种p c d a q 型计算机测控体系结构。 1 5 计算机测控系统与虚拟仪器技术 计算机测控系统包括计算机辅助参数测试和控制两个部分。随着现代科学技术和生 产的不断发展，测试或控制项目日益增多，测量范围日渐扩大，对测控系统在精度、速 度及功能方面有了更高的要求，这就促使我们要不断地改进和完善测量或控制仪器及测 控方法，组建自动测控系统，使测控仪器逐步向智能化、自动化和虚拟化发展演变。而 目前的计算机技术、数字信号处理技术使测试控制仪器的虚拟化成为了可能。用软件代 替传统测试仪器的“数据处理与分析部分”和“处理结果的最终显示”部分( 传统的测试仪 器由“信号采集”、“数据处理与分析”和“处理结果的最终显示”三部分组成，而这三部分 都是用电子线路来实现，仪器的功能模块都是以硬件( 固化的软件) 的形式存在。这种框 架式的结构决定了传统仪器只能由仪器厂家来定义、制造，而用户无法随意改变其结构 和功能1 5j ) 及输出控制的决策部分，就形成了现代意义上的虚拟仪器( v i r t u mi n s t r u m e n t ， v i ) 。v 1 只有同时拥有高效的软件、模块化i o 硬件和用于集成的软硬件平台这三大组 成部分，才能充分发挥v i 技术性能高、扩展性强、开发时间少以及出色的集成这四大优 5 第一章绪论 势。在中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个系统的关键，是 的核心【4 】。使用相同的基本硬件系统，通过不同的软件就可以实现功能完全不同的 各种测量或控制仪器，打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式，降低了系统 的开发和维护费用，加快了技术更新速度，缩短了系统组建时间【4 1 1 6 虚拟仪器技术的国内外研究现状及发展趋势 虚拟仪器( ) 改变了传统的测试模式，把原来由某些硬件甚至许多硬件完成的功 能，通过软件来实现【6 1 。其基本思想是，在虚拟仪器的设计中尽可能用软件代替硬件， 即“软件就是仪器”。是计算机与仪器技术相结合的产物，代表了现代计算机测控仪 器技术的发展方向【4 1 。 1 6 1 虚拟仪器的总线技术 虚拟仪器技术的发展有两条主线：p c 插卡式r s 2 3 2 - j7 s & 一正e e l 3 9 4 串行总 线方式，主要适用构成普及型的高性能廉价测试系统；g p i b v x i _ - p x i 总线方式， 主要适用构成大型高速、高精度集成测试系统【7 j 。 p c 插卡式虚拟仪器利用p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 或i s a ( i n d u s t f i a l s t a n d a r da r c h i t e c t u r e ) 计算机本身的总线，将数据采集卡( d a t aa c q u i s i t i o n ，d a q ) 直接插 入计算机相应标准的总线扩展插槽内，利用计算机总线传递数据，完成测试任务。p c 插卡式发展已成熟，i s a 总线结构已趋淘汰，p c i 总线结构是目前的主流形式【引。因其 价格便宜，且个人计算机数量庞大，目前仍具有强大的生命力，特别适合于教学部门和 实验室使用。p c 插卡式充分利用了p c 机的性能与优点，但也存在如下问题：受计算 机插槽数量和地址、中断端口数的限制，不可能挂接很多设备，可扩展性较差；安 装麻烦，易受机箱内环境的干扰；在一些电磁干扰较强的测试现场，无法专门对其 进行电磁屏蔽，导致采集的数据失真。因此，基于通用计算机标准配置的各种外接式虚 拟仪器成为普及型虚拟仪器的主流【4 】。 基于通用计算机标准配置的各种外接式虚拟仪器包括传统的r s 一2 3 2 串行总线、 u s b 通用串行总线和i e e e1 3 9 4 高速串行总线，但当今的p c 机用的更多的是u s b 总线和 i e e e1 3 9 4 总线。r s 一2 3 2 串行总线是早期采用的通用串行总线，技术成熟，许多测量仪 器都带r s 2 3 2 串行总线接口，将带r s 一2 3 2 总线接口的仪器作为i o 接口设备，通过 r s - - 2 3 2 串行总线与计算机组成虚拟仪器系统仍然是目前虚拟仪器构成的方式之一1 4 j 。 6 长安大学硕士学位论文 它支持长距离传输，抗干扰能力强。由于r s 一2 3 2 串行总线数据传输率低，主要适用于 速度较低的测试系统。通用串行总线( u m v e r s a ls e r i a lb u s ，u s b ) 是由i n t e l 、m i c r o s o f t 、 i b m 、c o m p a q 等厂商共同制定的微机总线接口规范。u s b 总线支持多设备连接，最多可 用在一台计算机上同时连接1 2 7 种设备，避免了p c 帆上插槽数量对外设扩充的限制。但 是u s b 总线也只限于用在较简单的测试系统中。i e e e1 3 9 4 行总线( f i r e w i r e ，火线) ， 它是由a p p l e 公司f f = 1 9 8 9 年设计的高性能串行总线，目前传输速率为1 0 0 、2 0 0 、4 0 0m b i t s ， 可以用任意方式连接6 3 种设备。u s b 和i e e e1 3 9 4 总线均具有即插即有( p l u g & p l a y ) 的能 力，外设的安装变得十分简单，既不必打开机箱插入插卡，又不必考虑资源分配，并且 允许热插拔。该外接方案避免了计算机内部的噪声，特别适用于低电平信号应用，为 设计提供了更大的空间、更好的隔离能力和更方便的连接方式，其最大好处是可以与笔 记本计算机相连，方便野外作业。因此，i e e e1 3 9 4 行总线的应用前景更为广蝌引。 除了利用通用计算机或工控机总线开发虚拟仪器外，专用的仪器系统也在不断发 展，成为构建高精度、集成化仪器系统的专用平台【4 1 。1 9 8 7 年，通用仪器总线( g e n e r a l p u r p o s ei n t e r f a c eb u s ，g p i b ) 虽 i i e e e4 8 8 总线的问世，实现了将1 4 台仪器眭i g p i b 总线连 接成为一个系统。但由于其传输速度的限制，故多用于小型的测试系统，作为早期虚拟 仪器发展的产物，现已逐步退市场。1 9 7 8 年，v x i ( v m e b u se x t e n s i o n f o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 即正e e1 1 5 5 总线，由美国5 家测试仪器公司( h e w l e t t - - p a c k a r d ，c o l o r a d od a t es y s t e m s ， w a v e t e k ，t e k t r o n i x ，r a c a l - - d a n a ) $ 1 j 定的开放式、模块化仪器总线标准。但其性价比不 高，限制了不少用户。1 9 9 7 年，n i 公司推出了p x i ( p c ie x t e n s i o n s f o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总 线。p x i 将c o m p a c t p c i 规范定义的p c i 总线技术发展成适合于试验、测量与数据采集场 合应用的机械、电气和软件规范，它是在p c i 总线内核技术上增加多板同步触发总线和 参考时钟的技术规范和要求形成的【剐。p x i 将p c 机的性价比优势与p c i 总线面向仪器领域 的必要扩展完美地结合起来，形成了一种高性价比的测试平台。一些其他工业总线硬 件供应商没有软件标准，他们不能为其设备提供任何软件驱动程序，为了支持这些设备 所耗费的人力物力对用户而言是非常巨大的。而p x i 与其他规范不同，在电气要求的基 础上还增加了相应的软件要求，这些软件的要求就形成- j p x i 的系统级( 即软件) 接口标 准。p x i 规范要求硬件供应商而非用户来开发标准的设备驱动程序，使p x i 系统更容易集 成与使用，从而进一步降低最终用户的开发费用。p x i 系统构建类似于v x i 结构，但其 数据吞吐能力更强( 最大可达5 0 0m b i t s ) 、可扩展性更高( 2 5 6 个扩展槽) 和设备成本更 低，其坚固紧凑的系统特性保证了恶劣工作环境中应用时的可靠性，被认为是一种符合 7 第一章绪论 国情的体系结构。p x i 和v x i 将在既竞争又互补中共存很长一段时间，最终p x i 将取代 i ( i ，成为主流工业标准测试平台【4 1 。而在本课题的设计研究中，考虑到开发成本有限， 采用了i s a 总线的p c 插卡式结构。 1 6 2 虚拟仪器的软件技术 软件是虚拟仪器的核心，是虚拟仪器不断发展和完善的动力。使用正确的开发平台 软件并通过设计或调用特定的程序模块，可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交 互界面。可以设计应用程序以什么方式、在什么时间采集设备的数据，设置数据处理和 分析的方式，以及如何将结果输出等。近年来，世界上的公司推出了许多开发平台 软件，典型的有美国m 公司的l a b v 正w 和l a b w i n d o w s c v i ，美国h p 公司的h p v e e 和 h p t i g ，美国t e k t r o n i x 公司的e z - t e s t 和t e k t n s ，美国h e md a t a 公司的s n a p m a s t e r 等。它们都是国际上公认的优秀v i 开发平台软件，而应用最广泛的则是l a b v i e w ，l a b w - i n d o w s a ，i 【4 】。 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 ) 是一个基于g 语言 ( g r a p h i c s l 和g u a g e ) 图形化编程环境，虚拟仪器模型、图形界面和结构化数据流程图编程 是其三大核心技术1 9 1 。l a b v i e w 提供了各种测试、控制和数据分析功能模块的图标。它 把复杂、繁琐、费时的语言编程简化成根据实际需要定义或选择这些图标，并用线条把 代表各种功能模块的图标连接起来的简单图形编程方式，使不熟悉编程的工程技术人员 都可按照测试要求和任务来构建的应用程序，简化了系统开发，缩短了开发周期【1 0 】。 l a b v 正w 功能强大，为数据采集提供了p c i 、g p i b 、p x i 、v x i 、r s2 3 2 4 8 5 、u s b 等各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使不懂得总线标准的工程技术人员也能驱动 不同总线标准接口设备与仪器；为数据分析提供了各种常用的包括信号时域分析、相关 分析、曲线拟合、信号仿真、数字滤波、频谱变换、小波分析等信号分析、处理的库函 数和工具箱；为网络远程通信提供了d a t as o c k e t 、r e m o t ed e v i c ea c c e s s 、r e m o t op a n e l w e bs e r v e rv i s e r v e r 等技术，具有强大的i n t e r n e t 功能，支持常用的网络协议，方便网络、 远程测控仪器的开剔4 1 。 l a b w i n d o w s c v i 是交互式c 语言开发平台，它以标准c 语言为基础，将c 语言与测 控专业工具有机地相结合。作为交互式的集成开发环境，提供了丰富的库函数，包括数 据采集、仪器控制、网络通信、用户界面设计等，为熟悉c 语言的系统开发人员提供了 一个功能强大的软件开发环境。开发人员可以跳过枯燥繁琐的底层程序设计，而直接进 8 长安大学硕士学位论文 行程序界面和流程设计。l a b w i n d o w s c v i 集成了开发虚拟仪器所需的各类可视控件， 可通过设置其属性来满足不同用户的界面设计要求。编程主要采用事件驱动方式和回调 函数方式，通过相应的菜单操作，就可以生成c 程序框架( 包括头文件、主函数框架、回 调函数框架等) ，并在框架中加入变量声明、c v i 库函数等内容即可，编程方式简单易学， 尤其是对已具备c 语言编程经验的开发人员【4 】。 虽然以l a b v i e w 和l a b - w i n d o w s c v i 等专业开发软件为本课题的软件开发平 台，其有很大的方便性和优越性，但是购买l a b v i e w 和l a b w i n d o w s c v i 等专业开 发软件需要很大一部分投资。在本课题的设计中，采用了p c d a q 型计算机测控系统体 系结构。而数据采集卡( 板) 作为p c d a q 型计算机测控系统的关键硬件，在供应商向 用户提供采集卡时，会向用户免费提供用于开发采集卡v b 、v c 应用软件的动态连接库 函数和相关例程，这样用户就可以以v b 或v c 软件作为采集卡应用软件的开发平台，开 发p c 测控系统的应用软件，从而节省系统开发成本。在本文的设计研究中，采用v i s u a l c + + 6 0 软件作为机械装置参数p c 测控综合实验台软件系统的开发平台。 1 6 3 虚拟仪器的发展趋势 1 、网络化虚拟仪器 以i n t e r a c t 为代表的网络技术的飞速发展，为测量和仪器技术带来了前所未有的发展 和机遇，网络测量技术与虚拟仪器技术的结合产生了一种新型仪器一网络化虚拟仪器 ( n e t w o r kv i r t u a l i n s t r u m e n t ，n 、偈。n v l 突破了一般虚拟仪器将测试仪器的三大功能模块 都集中在单一的计算机上的限制，将虚拟仪器、外部设备、被测试点、数据库等资源纳 入网络，利用网络将位于不同地理位置的测试仪器的三大功能模块灵活地连接起来，实 现资源共享，共同完成测试任务【1 1 j 。利用网络化虚拟仪器，不仅可以在任何地点、任意 时刻获得测试数据信息，而且还可以进行异地或远程控制、数据采集、故障监测、报警 等。网络化虚拟仪器将虚拟仪器的应用范围扩展到整个i n t e m e t i n t r a n e t 上，使信号采集、 传输和分析处理成为一体，甚至实现实时采集、实时监测。其最大特点是可以实现资源 和信息的共享，使许多昂贵的硬件设备、软件资源在网络内得到共享，减少了设备重复 投资，降低了测试系统的成本f 1 2 l 。而且，网络化虚拟仪器还十分方便进行修改和扩展。 现在有关m c n ( m c a s u r e m e n ta n dc o n t r o ln e t w o r k s ) 方面的标准正在积极进行，并取得了 一定进展。可以预见，网络就是仪器将成为全新的概念，网络化虚拟仪器将是仪器发展 史上又一次革命，已成为当前研究的一个热点【4 1 。 9 第一章绪论 2 、虚拟仪器的标准化 虚拟仪器的标准化研究主要是在硬件平台的标准化和软件模块的标准化。目前， p c i 、v ) ( i 、p x i 等规范已基本实现了标准化，但在触发方式、同步、延时、不同通道的 共用时基等方面还未实现标准化，这将影响其在不同平台上的互换性和移植性，也将影 响虚拟仪器软件模块的标准化【1 3 】。将在一个标准化硬件平台上运行的软件按功能特点分 成一系列的软件模块，这些软件模块也需要像硬件模块那样，由专门的开发人员设计， 并形成行业标准( 如电压表模块、函数发生器模块、示波器模块等) 。使用户可以像购买 硬件模块那样购买软件模块。1 9 9 8 年成立的m ( i n t e r c h a n g e a b l e v i r t u a li n s t r u m e n t ) 基金会 是最终用户、系统集成商和仪器制造商的一个开放的联盟。i 组织把仪器分成一系列 的子类( 如示波器、数字万用表、任意波形发生器、开关及电源等) ，并按照某一子类仪 器最通用的特征和功能来为该子类仪器制定规范。r v l 制定的统一规范提升了v i 驱动 软件标准化的水平【4 】。 3 、硬件软件化 硬件软件化是通过软件编程的方法改变硬件模块的结构，以完成不同功能及性能指 标，依靠硬件的柔性来增强其适应性和灵活性。f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 和 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e ) 等器件在v i 系统中的应用【1 4 1 ，使系统开发人 员可在生产现场直接根据系统的要求定义和修改逻辑功能，具有设计灵活、制作及上市 快速的特点。如n i 公司生产的n 1 5 9 11 5 9 1 2 就是一种采用柔性精度技术的产品【4 j 。 1 7 本文研究的目的和内容 本文设计了基于p c i ，8 1 8 h g 数据采集卡的机械装置参数p c 测控综合实验台，目 的是帮助学习计算机辅助机械装置参数测控者快速掌握软件开发与调试。该实验台的软 硬件均采用开放模式，学习者根据需要可以不断的增减机械装置参数测控元件，进而编 写对应的测控程序代码，并在该实验台上进行调试。 文中首先简单介绍了计算机测控系统的原理、计算机测控系统的任务、计算机测控 系统的几种体系结构及计算机测控系统的虚拟仪器技术，并对虚拟仪器技术的国内外研 究现状和发展趋势进行了研究，在此基础上提出了本文的研究目的和内容。然后基于 p c l 8 1 8 h g 数据采集卡，对机械装置参数p c 测控综合实验台的交流电机、直流电机、 电磁阀控制方案和应力测试、转速测试、温度测试、机械部件位置检测方案进行了设计。 在第三章，笔者简要介绍了机械装置参数p c 测控综合实验台系统应用软件设计的相关 1 0 长安大学硕士学位论文 内容及涉及的一些关键技术，并编制了该实验台的开放式软件系统。第四章利用本文设 计的实验台交流电机变速控制方案，对j c p 5 型机构运动创新试验台的计算机测控系统 进行了设计实现，并利用设计的控制系统对实验台的测速变速、模拟量输出和外部脉冲 计数功能进行了测试验证。第五章利用a t v 摩托车车架的应力测试实验对实验台的多 通道模拟信号采集及分析结果显示功能进行了验证。最后，总结了本课题的研究结果， 并对课题的进一步研究提出了几点建议和意见。 本文设计的机械装置参数p c n 控综合实验台是在同一平台上，通过调用不同的测控 软件完成了多种计算机测控任务，是不同功能的虚拟仪器的集成，是一台集成仪器计算 机测控实验台。 1 1 第二章实验台测控方案设计 第二章实验台测控方案设计 本文以p c l - 8 1 8 h g 多功能数据采集卡和计算机为硬件核心，利用v i s u a lc + + 语言 设计开发了一具有多种功能的机械装置参数p c 测控综合实验台。利用此实验台不仅可 以控制交流电机、直流电机、电磁阀，还可以测试应力、应变、温度、转速和检测直线 运动机构的运动位置等。 2 1p c l 8 1 8 h g 数据采集卡的规格特性 p c l - 8 1 8 h g 数据采集卡是用于p c x t a t 的高增益、高性能多功能数据采集卡。该 卡提供了5 种理想的测量和控制函数，并有1 2 位a d 转换器和d a 转换器，最大加 采样频率可达1 0 0 k h z ，具有数字量输入、数字量输出以及可编程计时计数功能。此卡 内置一个工业标准的1 2 位连续转换器，转换模拟输入。该板卡与c a c 电路接线端子板 ( p c l d 8 1 1 5 ) 的组合，使得用户无须用外部信号调理板就可以测量低电平的热电偶信 号。板上1 k 字节的f i f o 数据缓冲器提供了在w i n d o w s 系统下高速的数据传输性能。 自动通道扫描电路和板上的s r a m 可以用d m a 或者在每个通道不同增益的情况下进行 多通道的a d 转换。该卡的数据采集可以采用查询方式、中断方式和d m a 方式。查询 方式和中断方式往往会浪费大量的c p u 时间，难以满足实时要求，只有d m a 方式采集 数据最快。在d m a 方式中采用的是双数据缓冲技术，当采集卡进行a d 数据转换时， 程序仍然可以访问采集的数据。一般来说加转换可以在后台完成，而数据可以通过 d m a 控制器传送到内存中，从而节省c p u 的时间，满足实时测控的要求。本文所设计 的系统采用的是d m a 方式。采集速度由软件设定为内部触发。通道选