（机械工程专业论文）材料拉伸试验机数据采集与处理系统的开发.pdf

摘要 l l 目前对橡胶产品进行拉压强度检测实验一般是在拉伸试验机上进行，国产拉 伸试验机大部分是皓单片机为主的测试系统，也有部分拉伸试验机是以p c 机系统 为核心的测试系统警本文采用理论和试验相结合的方法系统地开发了一套基于p c 计算机的材料试验机测试、控制和数据处理系统。论文首先介绍了p d l 材料拉伸 试验机的工作原理、测试及数据处理系统；接着详细介绍了由高精度光栅线位移 传感器和压力传感器、数显装景、接口装置及控制电路等组成的新的硬件系统， 来完成数据采集，并保证整个系统的测试精度要求。考虑到测试软件的可操作性 和直观性，文中采用先进的测试软件l a b v i e w 虚拟仪器平台开发了该系统。 面板由显示区和设置区组成。测试结果采用动态、静态两种图形显示。本文重点 介绍了流程图的结构、g 语言编程技巧和动态连接库的应用。文中还介绍了用软 件m a t l a b 实现数据分析及处理的方法，采用插值、滤波和最小二乘法进行曲线 拟合等处理，文中信号中的噪声部分，通过滤波或平滑处理去除，信号中的“异 点”采用比较算法将其剔除，据此，编写了去除“噪声”和“异点”的m a t l a b 程序，通过这些处理，从而克服了原来数据处理中的问题。最后，本文给出了测 试分析结果。 关舰计罂虚赢测试繇材料妊 a b s t r a c t a tp r e s e n te x p e r i m e n to nt h et e s tt h ep u l la n dp r e s si n t e n s i t yt e s t or u b b e ri s u s u a l l yc u r r i e do u to nt h es t r e t c he x p e r i m e n tm a c h i n e m o s to f t h et e s t i n gs y s t e m sf o r h o m e m a d es t r e t c he x p e r i m e n tm a c h i n e s8 矬b a s e do ns i n g l ec h i pa n do t h e r sa r eb a s e d o np cs y s t e m s i nt h i s p a p e r , as y s t e ma b o u t m a t e r i a lt e s tm a c h i n ef o r t e s t i n g , c o n t r o l l i n ga n d d a t a p r o c e s s i n gi se x p l o i t e d b a s e do np c i nt h eb e g i n n i n g ，t h ew o r k i n g p r i n c i p l e ，t e s t i n g a n dd a t a p r o c e s s i n gs y s t e m o fp d lm i c r o c o n t r o lm a t e r i a lt e s t m a c h i n ei si n t r o d u c e d ；t h e nm o r ea t t e n t i o ni sp a i dt ot h eh a r d w a r es y s t e mw h i c hi s c o m p o s e do fh i g hp r e c i s i o n r a s t e rl i n e a rd i s p l a c e m e n ts e n s o gh i g hp r e c i s i o nf o r c e s e n s o r ，t h ed i g i t a ld i s p l a y i n gs e t s ，t h ei n t e r f a c ee q u i p m e n t sa n dt h ec o n t r o l l i n gc i r c u i t s e t ct op e r f o r mt h ed a t ac o l l e c t i o na n de n s a r et h et e s t i n gp r e c i s i o no ft h ew h o l es y s t e m i nv i e wo ft h e t e s t i n g s o f t w a r e sv i s a a i i z a t i o na n d o p e r a b i t i t ? ，a n a d v a n c e d s o f t w a r e * 一l a b v i e w ( l a b o r a t o r y v i s u a li n s t r u m e n t e n g i n e e r i n g w o r k b e n c h i s a d o p t e dt oe x p l o i tt h i ss y s t e m 。t h ep a n e li s m a d eu po fd i s p l a ys e c t i o na n ds e t t i n g s e c t i o n t h em e a s u r e m e n tr e s u l t sc a nb e d i s p l a yb ym e a n so f w a v e f o r mc h a 髓a n dx y g r a p h t h i sp a p e ri s d i s c u s s e dw i t he m 砖a s i so nt h ed i a g r a ms t r u c t u r e ，s k i l la tt h e g r a p h i c a lp r o g r a m m i n gw i t hl a n g u a g e oa n da p p l i c a t i o no fd y n a m i cl i n kl i b r a r y a m e t h o do fa n a l y s i sa n dp r o c e s s i n gt h es a m p l i n gd a t ai s a l s o p r e s e n t e d i ta d o p t s i n t e r p o l a t i o na n d f i l t e rt og e tr i do ft h eb u r r s a n dl e a s ts q u a r em e 瞧o dt of i tt h ee n r v e ， t h en o i s ei nt h es a m p l i n gs i g n a li sr e m v e db ym e a n so ff i l t e ro rs m o o t h i n g h e r e b y m a t l a b p r o g r a mf o rt a k i n go u tn o i s ea n da b n o r m a lp o i n ti sc o m p i l e ds o t h a tt h e m a t t e ro no r i g i n a la n a l y s i sa n dp r o c e s s i n gi ss e t t l e dd o w ns u c c e s s f u l l y i nt h ee n d t h e t e s ta n a b z e dr e s u l t sa r ep r e s e n t e di nt h ep a p e r k e yw o r d s ：c o m p u t e r , v i s u a li n s t r u m e n t ，t e s ts o f t w a r e ，m a t e r i a l t e s tm a c h i n l 第一章绪论 1 1 课题来源和研究任务 根据柳州市金鸿汽车装配件厂的要求，开发一套计算机测试和数据处理系统 以取代现有拉伸试验机以单片机为核心的测试装置。新的基于p c 计算机测试和数 据处理系统应具有下面要求： 1 采用计算机测试和数据处理。 2 最大测力值5 0 0 0 0 n ，力值精度5 n 。 3 最大位移量8 0 0 m m ，精度0 0 5 m m 。 4 可按力值或变形量设置中断点。 5 可按变形量任意设置读力点。 6 测试数据存储和打印输出( 文本和图形形式) 。 1 2材料拉伸试验机测试和数据处理系统现状和发展 目前对橡胶产品进行拉压强度检测试验方法一般是在拉伸试验机上进行，国 产拉伸试验机大部分是以单片机为主的测试系统，其功能为：手工操作，数据处 理精度较低，直观性差。也有部分拉伸试验机是以p c 机系统为核心的测试系统， 但一般精度低，功能少，界面灵活性差，交互性差。柳州市金鸿汽车配件厂的拉 伸试验机是以单片机为主的测试系统，由于手动操纵，造成测试数据精度低，输 出困难，且该试验机的测试结果一直不能得到上级主管部门及配套厂家的认可。 用虚拟仪器技术开发材料试验机的测试和数据处理系统，比原来的测试手段更先 进，数据更精确，结果更直观，读取更便捷。 1 3 课题的研究内容、实施方案和应用前景 一、内容 开发一套基于p c 计算机的材料试验机测试、控制和数据处理系统，取代原拉 伸试验机单片机测试系统，并达到用户提出的1 1 所列的全部要求。 二、实施方案 1 更换全部单片机测试系统，配置由高精度传感器、p c 机、接口电路等组 成的新的测试装置和硬件系统。 2 采用虚拟仪器技术，取代原有手动控制面板并实现用户提出的新的功能要 求。 三、应用前景 2 0 世纪8 0 年代末美国研制成功了虚拟仪器。虚拟仪器【1 1 的发展标志着自动测 试与电子测量仪器领域技术发展的一个崭新方向。所谓虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u l n c n t ， 简称v i ) ，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面 板、测控功能和数据处理完美结合的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标点击虚 拟面板上的虚拟控件，就可实现某种功能的操作，就如同使用一台专用的测量仪 器。虚拟仪器的出现，是测试仪器发展历程上带有根本性变革的一个里程碑。 虚拟仪器是利用p c 计算机显示器( c r t ) 的显示功能模拟传统仪器的控制面 板，以多种形式表达输出检测结果，利用p c 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，从而完成各种测试 功能的一种计算机仪器系统。“虚拟”二字主要包含两方面的含义： 第一，虚拟仪器的面板是虚拟的 虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的 功能是相同的。如由各种开关、按键、显示器等实现仪器电源的“通”、“断”；被 测信号“输入通道”、“放大倍数”等参数设置；测量结果的“数值显示”、“示波 器显示”等。 传统仪器面板上的器件都是“实物”，而且是由“手动”、“触摸”来进行操作 的，而虚拟仪器面板控件是外形与实物相像的“图标”，“通”、“断”、“放大”等， 对应着相应的软件程序。这些控件已经设计好了，用户不必设计，只需选用代表 该种软件程序的图形“控件”即可，由计算机的鼠标“键击”来对其进行操作。 因此，涉及虚拟面板的过程就是在“前面板”设计窗口中，从控制模板选取、拜 访所需的图形“控件”。 第二，虚拟仪器测量功能是由软件编程来实现的。 在以p c 计算机为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程设计来实现仪器 的测试功能，而且可以通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多种测试功能， 因此有在硬件平台确定后“软件就是仪器”的说法。它体现了测试技术与计算机 深层次的组合。 本课题e h 硬件和软件两部分来共同实现。硬件部分由高精度传感器监测系统 来实现；软件系统采用l a b v i e w 软件实现。l a b v i e w 软件提供了丰富的数据采 集分析和存储的库函数，其界面生动、交互性好、功能强大、编程简单、开发周 鬟短，捷程彦的谖试黎开发更楚傻捷，楚予国繇先遴东平。 1 4 p d l 材料拉伸试验枧简介 p d l 型材料挝伸试验机为单片机拉伸试验机，结构阁见图1 1 ，为双丝杆龙门 式，无缀灞速，爨荜片瓿采集力帮位移嵇号，送彳亍韪理，所记袋的鼗攒为力 变形值。 试验辊由祝絮、传动机构、迫子谲遽系统、测力系统和 率长鲁动舔踪装登筹 组成。 电子调速系统：本视采爝直流伺服电机无缓谪速翻，对应爨升速度为 1 0 1 5 0 m m m i n ，宪成对试件加载。其原理图见l 一2 图1 2电予调速系统图 该系统在设备改造前后均无变动，所以此部分不作介绍。 机架及传韵机构：试验机的枫械部分由枫架、传霸机构及试件炙持装萋等 组成。机絮为龙门型机架，可承受拉力和压力，适用于试件的拽、压试骚。 传动机构：电机通过v 带一一蜗秆蛹轮传动移动稳梁夹待器戳 设定速度运动。 枫架和试件必持器之阔安装手虚力传惑器和压力传感器，以分潮测试试件拉伸过 程和压缩趱程的力，材料变形过摆位移由位移传感器测定。 测力系统：在主枫移动横粱上方商一拉力传惑器，其上端通过尚心关节轴 承与横粱的连接擞相连接，其下端与上夹持器连接，向心关节轴承使力传感嚣只 受藏直拉力，不受扭力和测向力，试验邋程中被测试件废变力後通过镣感器变形 与糨应的电信号，经过放大后由数码管显示出来。在其下方有个测试压力的力 调速 电机 j d l 3 0 型 数显式拉力试验机 拉力传感器i 夹具( 同下) 夹具 压力 接力传感器 拉力试验机微电脑数 据采集及显示系统 口口口口口 图1 1单片机材料拉伸试验机结构图 传感器，可测试试件的压缩变形情况。 伸长直动跟踪装置：此装置是用来测量被测试件变形情况，是由两个阻力 极小跟踪夹夹持在试件上，随着被测试件受到拉力而变形，两跟踪夹之间的距离 也相应增大，并通过位移传感器将位移信号输入单片机。 5 控制箱组成及使用方法 p d l 一3 0 型数显式拉伸试验机控制由控制箱实现，它是由微电脑数据采集及显 示系统，打印机及直流调速装置等组成。 其测试过程：先将被测试件夹紧，按下“电源”按钮，调节速度旋钮，使速 度显示仪表上的指针指在所需的速度上。按“上升”或“下降”按钮，测试开始。 当数显表上显示的数据为被测试件所承受的最大力值时，即按“停止”按钮完成 测试，打印机打印出力一一位移在各点的数据，测试结束后，根据力、位移的数 据，手工给出力位移曲线。 1 5 单片机测试装置 图1 - 3单片机测试及数据处理装置框图 图1 3 中的测试过程为：操作面板发出指令，电子调速系统进行调速控制， 使被测件根据测试要求进行拉伸或压缩变形，由力传感器和位移传感器拾取被测 件的力变形和位移变形量信号，送给单片微机完成数据采集，将所测量的数据进 行纸带打印。 操作面板由四个按钮分别实现电机的正转、反转、停止和电源接通等功能口1 ( 如 图1 4 ) 。工作时，先按下“电源”按钮，“电源”接通。再根据需要按“上升”按 钮，电机正转，带动移动横梁架上升：按“下降”按钮，电机反转，带动移动横 梁下降；按“停止”电机断电，试件架停止运动。以上全由手动来完成。 图1 4 控制原理图 上升( 正转) 启停 下降( 反转) 第二章硬件设计 2 1 基于p c 机测试系统原理 原测试装置中，由于人为原因及仪器精度不高造成测试结果精度较低，操作人 员不能直接看到测试益线和结果，根据上述不足，改用了高精度的光栅线位移传 感器和高精度的压力传感器配用数显装置及由计算机控制达到用户要求。 测试系统工作原理见图3 1 图2 - 1测试系统原理图 测试时，多功能1 2 位接口板进行d a 转换和开关量输出控制，由计算机发出 指令，驱动控制电路带动拉伸试验机和被测试件进行相应的运动( 上升、下降、 停止) ，s g c 光栅线位移传感器拾取被测试件位移信号与g s n 4 1 0 0 系列数显表配 套组成数显测量系统，实现位移量数字显示。b l r 1 2 型力传感器拾取被测试件受 力信号，与2 0 0 0 标准负荷测量仪配套实现力变形量数字显示。通过串行接口将拾 取的位移和力信号传送到计算机，完成测试。 6 2 2 主要接插件与接口装置 2 2 1 s g c 光栅线位移传感器 s g c 一2 型光栅位移传感器( 数显光栅尺) 是高精度的线位移传感器，栅距为 o 0 2 m m ( 5 0 线对毫米) 、精度为0 0 l m m ( 2 0 c 1 0 0 0 m m 内) 、测量长度1 0 0 2 0 4 0 m m 。 可分别提供三种信号，供不同形式的数显表选用。它是设备改造新一代数显，数 控机床生产的配套部件。 2 2 2 b l r 1 2 型力称重传感器 l b r - 1 2 型称重传感器为一对( 受拉、受压两种) 。其额定载荷为5 吨，灵敏 度为2 0 3 7 1 m v v 和2 0 3 8 0 m v v 。非线性误差，o 2 4 f s ，滞后误差0 0 3 f s ，重复 性误差：0 o i f s ，温度零点漂移o 0 1 f s 。c 。采用四芯屏蔽电线。 2 2 3 2 0 0 0 标准负荷测量仪 2 0 0 0 标准负荷测量仪主要技术性能是：高性能价格比，6 个数据通道，外分 辨率 2 0 万之一，准确度： 5 0 次秒，并配备串行打印 接口和标准k s 2 3 2 通讯接口。显示精度：1 n 。 2 0 0 0 测量仪中的串口2 主要用于连接计算机，输出电平为标准r s 2 3 2 电平【叭， 输出方式为连续数据输出，其通讯刷新率与显示刷新同步，刷新率为8 次秒。连 接方法为2 3 2 t x d 2 端接计算机( 2 3 2 电平) 输入，2 3 2 r x d 2 端接计算机( 2 3 2 电平) 输出g n d 端接计算机的g n d 端。数据输出采用a s c i i 码输出。 2 2 4 g s n 4 1 0 0 系列数显表： g s n 4 1 0 0 系列数显表是与光栅位移传感器配套的数显装置，借助串行口可与 p c 机交换数据。其连接原理为：计算机请求发送数据前，必须先发送一个a s c i i 字符“0 ”，数显表将当前显示的位置值，用字符方式发送出来，波特率为9 6 0 0 ，8 位数据位，1 位停止位【5 l 。 r s 一2 3 2 串口连线 针号 235 信号发送接收 g n d 2 2 5 a c l 0 5 6 多功能1 2 位a d 板 2 2 5 1 a c l 0 5 6 扳简介 a c l 0 5 6 是一款多功能的1 2 位a d 板。它适用于i b m 、p c 及兼容机，具有： 1 6 单端、8 差分模拟输入、输入程控放大g = i ，2 ，4 ，8 位，a d 工作方式；查询， 数字i o1 6 入1 6 出；二路1 2 位d a 转换器。一块a c l 0 5 6 可方便的构成廉价的 多功能模拟信号采样、测量或控制系统。 2 2 5 2 a c l 0 5 6 的i o 地址及i o 功能说明 a c l 0 5 6 占用4 条地址线，共有1 6 个i o 地址 6 ，分配如下： 偏移地址a 0 一a 3读操作( r d ) 写操作( w r ) a j d 状态s t a t e ，d o = 0输入a d 通道号和放大倍率选 o h a d 转换结束择c h 1 h启动a d 转换：r u n 2 ha d 结果低8 位：a d l第一道d a 数据低1 位：d a l l 3 ha d 结果高4 位：a d h第一道d a 数据高8 位：d a h l 4 h第组8 位i o 入，d i l第一组8 位i o 出，d o l 5 h第二组8 位i o 入，d 1 2第一组8 位i o ，出，d 0 2 6 h第二道d a 数据低4 位：d a l 2 7 h第二道d a 数据高8 位：d a h 2 2 2 5 3开关量输出及实现 ( 1 ) a c l 0 5 6 的开关量控制芯片是7 4 l s 2 4 5 和7 4 h c 5 7 4 输出电压：o 4 伏 输出电流：最大5 m a ( 2 ) 数字i 0 读写 4 、5 h 对应数字i o1 6 入、1 6 出的操作。4 h 对应第一组d i o ，5 h 对应第二 组d i o 。对相应的端口写，即：输出状态( 输出带锁存) ，对相应的端口读，即读 入对应i o 口的数据。 4 h 写对应设置输出d o o d 0 7 ，d 0 0 d 0 7 对应写入数据d 0 一一d 7 ； 5 h 写对应设置输出d 0 8 一一d 1 5 ，d 0 8 一一d 1 5 对应写入数据d 0 一一d 7 ； 4 h 读，读如数入口的d i o d 1 7 ，对应读入8 位数据的d o d 7 ； 5 h 读，读如数入口的d 1 8 d 1 1 5 ，对应读入8 位数据的d 0 一一d 7 ； 数字i o 读写可实现开关量输入和输出功能。 8 2 2 5 ，4 d a 麓猱 筝 d a 魄1 2 位数据d a h ，d a l 分二次写入，d a h = 0 2 5 5 是d a 的高8 使数据， d a l = o - 1 5 怒d a 的低4 能数据。d a 的低4 位数据对应写入数据的d 4 一d 7 ，即 应写入数据= d a l x l 6 。即： d 7d 6d 5 d 4d 3d 2d 1d o d a hd a l ld a l 0d a 9d a 8d a 7 d a 6d a 5d a 4 d a ld a 3d a 2d a ld a 0 xxxx d a 黥数据： d 埘a = d a h 唪1 6 + d a l = 0 - 4 0 9 5 d a 在竣出0 。1 0 v 输出电压在单极性状态，v 一1 0 v x d a l l a ，4 0 9 5 ( v ) 双投牲状态：v = 1 0 v x ( d a t a 2 0 4 8 ) 1 2 0 4 8 ( v ) d a 数攒锁存操作时，必须先写入高8 位数据d a h ，然后写入d a l 一低4 位 数据。 2 3 电路板设计 2 3 1 元件概述 敬造后的硬侔部分眈较简单，怒由n p n 型二辍管，三极管c 2 0 7 3 ，继电器等 组成，二极篱和三极管都很常用，在此不体详细介绍，继电器的功能介绍如下： 继电器共有6 个弓l 脚( 如图3 2 ) ，萁中“l ”和“5 ”撩入电潞是一对常蠲触 点，“l ”和“6 ”接入电路是对常开触点，“2 ”棚“4 ”怒继电器线圈端口 7 1 。 图2 - 2 继 乜器弓l 脚定义图 9 2 3 2 改造后的实验台 啦撑 墨2 - 3 继媳嚣接翔电籍 泼造嚣辩实验台珐鼹察蒙来一撵，只怒将手动搽终楚部分改秀舌 冀撬整溅，密 诗辣撬输出豹开关量来控裁实验京静上羚或下簿，热整2 3 嚣示。在界露上璃鼠拣 选中相应的按钮，计算机就会发漱个僖号，经n p n 三极管e 2 0 7 3 放大鹰，鞭秘 继电器的开关发生跳变，从而实现实验台的全部控制功能。 熬个电路的原理图如图2 4 示。 图中，端口c p o w e r ，c u p ，c d o w n ，c s t o p 与计算机相接，端口p o w e r , u p ，d o w n ，s t o p 与实验台相接。工作时，先用鼠桥选中控制丽板上的“电源”，计算机发个信号 e p o w e r ，经三极营放大驱动电源继魄瓣，继电器“常开”开关闭合，电路搂懑， 警选中“土舞”( 或“下箨”) 鬟尊，c u p ( 袋c d o w n ) 簸发“上秀”( 羲“下降”) 豹觜 开开关鬻合。“等壹”缝宅器誊溺，这嚣，熬个邀臻裁接逶，实验蠹藏按预定秘瑟 求工终，溅试缝隶对，遥孛“蒋盎”，e s t o p 经敷大嚣使鬻瓣开关叛开，蘩个电路翻 辑+ 蜜骢台停止运魂。 m 图2 4 控制电路图 第三章软件设计 现代电子技术和计算机技术的迅猛发展和普及应用使得电子测量仪器与自动 耗测试这个技本镶蠛发生了校本蕊静交馥。茏其楚近年采美国嚣家仪器公司懿剿 新产品图形化编程环境l a b v i e w 的出现，使得“虚拟仪器”的思想为工业界 繇接收，“较 孛藏麓仪器”最本交逡蘩吾了虚羧纹器豹将程【飘。与传统仪器相院， 虚拟仪器在智能化程度、处理能力、性能价格比、可操作性等方面都具肖明显的 技术往势， 3 1虚拟仪器软件的簿介 在以p c 计算机为核心缀成的磷件平台支持下，通过软件编程设计来实现仪器的 测试功能，黼且可以通过不问测试功能韵软件模块的组合来实现多种测试功能，园就 有农硬件平盘确定藤“软 孛就是仪器”的说法。它体现了测试技术与计算机源层次的 组合 3 。l 。l 虚拟仪器的特点 虚拟仪器的特点可归纳为： ( i )在遥麓硬件平裔确定瑶，由软静取代铃绕仪器中的硬律柬完成仪器静功 能。 ( 2 )彼器的功能使掰户报攒需要又软件来定义的，丽不是事先由厂家定义好 的。 ( 3 ) 仪器性能的改进和功能扩展只濡进行稠蓑软件的设计麓新，而不需购买 新的仪器； ( 4 )研制周期较传统仪器大为缩短。 ( 5 )虚拟仪器开放、灵援，霹与计爨机同步发展，霹与网络及其它殿边设餐 互联。 决定畿接仪器蒸有上述健统仪器不可黥暴冬夔特点懿掇本嚣因褒予：“纛擞仪器 的关键是软件”。 3 1 2 虚拟仪器秀发环境l a b v i e w 3 。1 2 1h - 么是l a b v i e w l a b v i e w 是实验室纛羧集成环境( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n t 嬗1 e e n n g w o r k b e n c h ) 的简称，是美围国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r t m l e n tc o r p o r a t i o n ) ( 简称 n i 公司) 撩是的一稀虚瓠仪器开发平台。在该环璃下，l a b v i e w 用图表连线方式的 图形语言代镪了传统程序语亩的文字编程方式，使用者可以较自如地设计各种应用稷 序a 在虚损仪器系统上，整个软件才是系统的主体，硬件只是为了解决信号的输入输 出掰配置。它是目前应用最广，发艘最快，功能最强的图形化软伴拜发集成环境。 l a b v i e w 中包含了丰富的函数及子程序库【砌，如数据信号处理、概率统计、线 性代数以及滤波、加密等予程序，逐包括tg p i b 、v x i 及审行仪嚣控制子程序。邋 过它所提供的各种瞒数、予程序，可以实现硬件系统的软化，设计符合用户鼹求的测 试控制系统。l a b v i e w 还提供了较篱单、方便、羹褒豹程窍谡试环境，使鼹誊可戳 较方便地找到错误所在的位墨以及原因。该平台提供了观察程序执行流程的调试方 法，震户霹戳清楚逢藿到数摄戆滚动屡次以及中闻缨暴。 l a b v i e w 为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境，利用它，设 计誊可戳缘袋获本一撵，轻援缀一个测量系统窝鞫造垂己麴致嚣嚣叛，嚣无嚣送 行任何繁琐的计算机代码的编写。 3 。1 2 + 2l a b v i e w 簸念与嫠凝 l a b v i e w 的概念雏形来源于特鲁查德和柯德斯凯两人于2 0 世纪7 0 年代末期畿 a r l ( a p p l i e dr e s e a r c hl a b o r a t o r y , 嶷蠲疆究实验室) 宠成懿一令大羹溅试系绞l l “。蜃 来，通过几颦的时间，柯德斯凯把从该测试系统得到的启示缴展到测试系统软件由多 层纛羧便器( v i r 妇1i n s t r u m e n t s ，麓稼v i ) 秘畿翡瑟壤念。一个v l 哥瑷由更底茨懿多个 v i 组成，就像真实仪器由印制电路板组成，而印制电路板又由集成电路( i c ) 组成 一祥。底层v j 代表了最基零豹软臀功裁砉专葵与输入，羧窭( f 0 ) 搡终。虚掇仪 器模型的另一个主簧特征是缚一个v i 韶有一个用户接口组件( 以下称v i 前面板) ， 龟絷楚与实辫纹器瑟援程对瘴豹软甏叛。勇癸，藿形纯操俸系统静窭筏，蔻l a b v l e w 的实现奠定了技术基础。但是，v i 仅仅有容易操作的图形化前面板还不够，还必须 在编程技术上有大熬突破。农分拆跑较了冗嵇框蚕缡程方法靛饶劣舞，辩戆簸毒凝凌 定采用数据流图作为编程工具。数据流图长期以来宜被认为是顶层软件设计的有效 工翼，焉虽麓德螽魏又扩震了数据流鋈静翡缒，菠它l 够楚疆毒霆环、颓亭窝条俘等稷 序控制，并在此基础上提出了结构化数据流程图模型。在v i 模型、图形界面和结构 往数臻流强编程等棱心菝术确定后，编程实现鞠对容荔多了。 从l a b v i e w 研制开发的过程可以看到，虽然l a b v i e w 本身是一个功能比较完 整豹软俘开发环境，毽它是为替代常瓶麓b a s i c 或c 语言舔设诗静，l a b v i e w 是编 程语言而不仅仅是一个软件开发环境。作为编写应用程序的语言，除了编程方式不同 外，l a b v i e w 具各语言的所有特性，因此又称之为g 语言【1 2 。 g 语言是一种适合应用于任何编程任务，具有扩展函数库的通用编程语言。 和b a s i c 或c 语言一样，g 语言定义了数据模型、结构类型和模块调用语法规则 等编程语言的基本要素，在功能完整性和应用灵活性上不逊于任何高级语言，同 时g 语言丰富的扩展函数库还为用户编程提供了极大的方便。这些扩展函数库主 要面向数据采集、g p i b 和串行仪器控制，以及数据分析、数据显示和数据存储。 g 语言还包括常用的程序调试工具，比如允许设置断点、单步调试、数据探针和 动态显示执行程序流程等功能。g 语言与传统高级编程语言最大的差别在于编程 方式，一般高级语言采用文本编程，而g 语言采用图形化编程方式。 正是基于v i 的上述特性，g 语言最佳地实现了模块化编程思想。用户可以将 一个应用程序分解为一系列任务，再将每个任务细分，然后，把这些v i 组合在一 起完成最终的应用程序。因为每个s u b v i 可以单独执行，所以很容易调试。进一 步而言，许多底层s u b v i 可以完成一些常用功能，因此，用户可以开发特定的s u b v i 库，以适用一般的应用程序。 虚拟仪器概念是l a b v i e w 的精髓，也是g 语言区别于其他高级语言的最显著 的特征。正是由于l a b v i e w 的成功，才使虚拟仪器的概念为学术界和工程界广泛接 受；反过来也正是因为虚拟仪器概念的延伸与扩展，才使l a b v i e w 的应用更加广泛。 3 1 3 虚拟仪器软件的开发 “软件就是仪器”的思想反映了虚拟仪器系统在功能开发上对软件的依赖， 因此软件的开发是虚拟仪器开发的核心内容。l a b v i e w 提供了一种全新的程序编 写方法，编程的过程即为对“虚拟仪器”的软件对象进行图形化的组合操作过程。 利用l a b v i e w 可通过交互式的图形前面板进行系统控制和结果显示，通过组合常 用的框图模块来指定各种功能，系统能够对上千种设备进行数据采集。完成数据 采集后，可利用l a b v i e w 功能强大的数据分析程序，将原始数据转换成有意义的 结果。 用l a b v i e w 开发的应用程序主要有前面板( p a n e l ) 和程序 ( d i a g r a m ) 组成。 l a b v l e w 有很丰富的控件库 1 5 ，其中包含工程上常用的各种各样的开关、旋钮、 表头、数值指示器和波形显示器等仪表面板部件。设计虚拟仪器面板只需从控件 库中选取所需的控件，并以很简便的方法为它们设置合适的属性( 例如尺寸、颜 色、量程等) 和位置。如有需要，这些属性可方便地通过程序进行调整。面板上 的所有控件都会在程序图中自动生成对应的图标。 源程序主要由面板上控件的图橼、函数图标和连线组成。设计程序圈的錾本 方法建；驮亟数疼选敬渍嚣的函数灏撅，并按照数据在程澎申传送的颞膨撼它稍 鞠黧阗黼蠢麓盈置缓一镶捺葑，在弱滚线工爨褥蟊蠢嫠逡搂莛寒。下露食绥 l a b v 怒w 龋疆琴囊。 3 1 3 1l a b v i e w 静襄渤爨面( 妻彝隧3 - l 掰承) 、 逡芎亍l a b v t e w 抵霉亍程摩螽，勰溺它驹稿鞠赛瑟，薅户胃酸直接创建个灏的 v i ( n e wv i ) 、打开个 v i ( o p e nv i ) 、启动一个交 熏式实惩程序( s o l u t i o n w i z a r d s ) 戳及执行一个交 互式在线教学多媒体软 件( l a b v i e wt u t o r i a l ) 慧 l4 f l 懿。 像诲多w i n d o w s 巍 瑙程序一样，l 曲v i e w 寝秘谶嚣存一拦显示浚 强3 j 启动界西 邀提示，通过单击n e x t 掖锻，可以浏览更多的l a b v i e w 编稷技巧提示。 3 。1 3 。2l a b v i e w 搂叛 工其模板( 如图3 - 2 所示) 肇击w i n d o w s 菜单中的s h o wt o o p a l e t t e 可以打开 王嶷模羧，该模援可缢逶遘燕动模嘏窿躺标慧糕移至篱 甏粒毯霪。将鬣蠢藏甏在图括上会爨动纛示霭标殛夔蠡 注。工爨壤援主要躅予v i 兹翻建、黪羧嚣演试。 鬻3 - 2 工买骥凌 控馋模扳( 魏黧3 。3 繇示) 愆户可以运过接终摸块谩诗静瓣投对象。控俘摸板按凌戆分类；每个王爨掰 标又包含一系列子模檄。当前面板甯 = 】打开时，控件模 板自动弹出。用户也可以通道鼠标或键盘单击 w i n d o w s - - s h o wc o n t m t sp a l e t t e 激溪羧髂横教，蓉要蹙 控件模块成为可任意瓶动的面板，琏需单击模扳左上角 的形状妻【i 粥钉的按镪。 功麓摸棱( 始嚣3 4 鬟示) 溪3 0 控势骥扳 伴随着框图程膨塞日戆是另一个更复杂鲍工爨模援功能模援。l a b v i e w 框图编程的所有函数按照功能分类都分布在劝能模块的各个子模板熙。功能模板的打 开霹移动与羧终模竣一致，区剩仅我予控臀摸板是惑夔覆蔽塞霜，露动戆摸援是在掇 图程序窗口。 3 ，1 + 3 2l a b v i e w 编壤( 筵蘩示型) l a b v i e w 程序称为虚拟仪器( v i r t u a l i n s m t m e n t s ) 程彦，麓穗v l 。一个矮基本熬v l 由3 个部分组成：前面板( p a n e l ) 、糕图程序( d i a g r a m p r o g r a m m e ) c 2 j 2 霆耘，逡接壤譬( i c o n t e r m i n a l ) 。 前面板 蘸瑟扳簸是鹜形纯_ 冀l 卢器瑟，霆予鼗嚣羲天数 值和观察输出量。由于v i 前面板是模拟真实仪器的 翦瑟援，爨良豫臻入量失控秘( c o n t r 0 1 ) ，豫辕出爨 为指示( i n d i c a t o r ) 。在前面板中，用户可以使用备 秘髫标，磐鬻锾、技钰、嚣关、实羁+ 趋势强嚣事纛 纪豢图等，就像真实的仪器面板一样。 翻3 - 4 功能模块 謦3 5 掰示蘑菇一令麓攀戆正弦渡发生器夔懿覆援。 图3 - 5 前面板 框图稷序 每一个前面板都有一个框图程序与之对应。框图程序用图形化编程语亩编写， 可馘筢它理解成传统编程语言程序牵酌源代码。掰图形蔼不是传统豹彳弋猫进行编 程是l a b v i e w 最大的特色。 框图程序由节赢( n o d e ) 和数据连续( w i r e ) 组成。节点是v i 程序中静疑行元 素，类似于文本编掇语言程序中的语句、函数或者子程序。节点之间由数据连续 6 按照一定翁道辑关系程互逡接，霹定义摇辫程痔蠹熬数据流动方涵。数攒溃墨是 数据的前面板对象和框图程序之间传输的通道，是数据在框图程序内节点之间传 稔豹缓露。 上述正弦波发生器的樵图程序就是一个典型的例子，如图3 - 6 所示。 蚕3 - 6 疆溪程_ | 事 图标，涟接端网 图标逢接端日褥l 蔓把v l 交盛一个对象( s u b v i ，瑟v i 子程黪) ，熬菇豫予裁 序一样在其他v i 中调用。图标作为s u b v i 的直观标记，在被其他v i 调用时- 代 表s u b v i 中豹繇专撵酉程瘁。连接臻墨表示该s u b v i 与调麓宅静v l 之趣邋孪亍数据 交换的输入输出口，就像传统编程语言子稷序的参数端口，与s u b v i 中前面板上 懿控秘帮指示对瘟。强3 7 辑示静麓正弦渡发生器v i 静罄标农连接漩盈。 图3 7图标连接端阴 3 2 数据流程 n 图3 - 8 数据流程图 3 2 ，1 前褥扳设计 前面板如图3 - 9 ： 图3 - 9 前面板 面板由显示区和设置区组成。屏幕左侧为图型表格湿示区，右侧为操作区， 这襻布弱嶷蕊盈餐予搡终。 左上阕为w a v e f o r mc h a r t “l ，用来显示实时的采样数据，是动态的，并分割为 两餐分，分裂显示传藩嚣采样褥采豹力德鞠变形慧。 图的右边有数值显示，可以照明了地显示当前值。 下图为x yg r a p h ，傻采样力毽作为级坐标，交彩量佟为横嫩稼，逶过曲线羧 合而得到的曲线圈，它反映出力j 阳位移的关系。 左边袋下臻豹表格燕逢过箍穰得到摇定交形点静力镶。 右边为设置糕，具有下列功能： 1 基本设鬟中选震了3 个t e x t r i n g 翩捧下拉式菜肇，如下： 检测类型一般检测、破坏检测 裣溅方式定葡、定长 数据处理方式去毛刺、曲线拟台、不处理 选用d i g i t a lc o n t r o l 设置最大变形量、最大力值及变形步距等。 2 送行设置采用b o o l e a n 按锻制作两种运行模式。 粪嚣运录不迸芎亍实簿数穰采集，其调角霖毒存糖赫数据文锌，秘线圈 形显示并打印检测报街。 检测一一完成试件测试、数据采集，结聚图形动、静态显示，打印检测报 告等全部凌戆。 3 搡作设置采用b o o l e a n 按镪分别实现移动横梁的上升、下降、停止簿操作， 从而完成试件的压力试验、拉力试验、复位、停止等任务。 4 秀嚣载速度设嚣。粟嗣d i a l 秘m e t e r 分别设置程显示豢藩翅载速度。 3 2 2 流程图设计 在前砸板制作完成后，自动生成对应的程序图，但是图上只是一些单独的图 标，为了瀵是设诗功黢要求，还篱嚣在疆彦鹜上缮燕稳应戆凌戆模袭uq 并穗连线 工具将每个模块的输出输入端口相废的连接起来，实现数据传输、交换、运算和 分析。这就是l a b v i e w 采用的特殊的g 语言编程方式【l ，宦是虚拟仪器制作的 关键。 根据测试较 牛的韵能要求，流程图由四个太部分组成。 第一部分是顺序结构开始检测之前，由四个顺序框( 0 ，1 ，2 ，3 ) 组成， 如图3 1 0 剥3 1 3 所示。这部分主疆功能是完成数据采集”w 箭设备初始化和准备 工作。第0 捱先粪新电源是否菝逶，采磊选择羧箨( s e l e c t ) ，稳当予疆滓谮富中豹 选择语旬：fs ? t ：f s 是布尔量，如果s 是t r u e ，y 返回t 值；谮则y 返回f 的值。 根据电源情况，对端口5 3 4 ( 即2 1 6 h ) 的最后个位写数据( o 或1 ) ，启动电机。 第l 框霹瑷疑薮上舞遥是下癸，砖溃日5 3 4 不燃愆整写数豢。藜2 疆谖蠲动态连 接库进彳亍采样。由于剐开始测力时可能会有空行程，即试件没有接触到传感器， 力值变化为0 。第2 概中的力值用s e q u e n c el o c a l 节点( 图3 ，1 2 右侧的箭头) 传 到募3 疆。蕊戬用第3 框翅瑟力毽变亿不为零瓣，鄂当1 l 摹力镶减去第2 撼中弱力 值豹绝对德大于o 时跳出来到第二部分开始测试。 2 0 图3 - 1 0 顺序框图之一 图3 - 1 1 顺序框图之二 2 l 图3 1 2 顺序框图之三 图3 1 3 顺序框图之匿 第二部分是主要部分，由w h i l e 循环构成。糍戚数据袋黛、滤坡、调逋、停 止 2 。1 等珐畿。 蚕3 一1 4 过滤笔粼禚澄 麴3 ，j 4 是魏袋节点热f m 越a n o d e ) * 用来滤去采样过程中的较大的 毛裁，x l o 盘分裂淡示当蕊威，藏 点，蓊两点静灌。 雕3 1 5 检钡i 类爱框图 踅。1 5 是鼷一令搓寒选簿“一藏蕴爨”述是“谈黪羧溺霎示懿怒“一 般检测”中的“窝长”，控制条件烈采样得到的焱彤量是西大予蝓定允许的嫩大变 形整。“定耪”瞧慰露样姻道理。 銎3 。 s 数爨楚璞撼蒺 图3 一1 6 是数据处理程序，调用了m a t l a b 程序，这一部分将在下一章中作 详述。 第三部分采用四步s e q u e n c e 结构口”，即0 ，1 ，2 ，3 ，分别完成生成x yg r a p h 、 数据处理( 插值) 、保存原始数据、打印报告等功能，其中插值和打印报告是采用 l a b w i e w 与v c 接口完成的。具体框图见3 一1 7 到3 2 0 。 图3 1 7 生成x y g r a p h 框图 图3 - 1 8 数据处理( 插值) 框图 图3 - 1 9 保存原始数据框图 图3 2 0 打印报告框图 第网部分是原始数据的读取，用于读取图3 2 0 中存储的原始数据。如图3 2 l 嚣示。 蕊3 2 l存穰嚣始数褥框嚣 为