（机械电子工程专业论文）运动参数的虚拟仪器的设计与仿真.pdf

华北电力人学硕+ 学位论文摘要 摘要 虚拟仪器是虚拟现实技术在仪器领域的一种应用。它由计算机、仪器模块和软 件3 部分组成。它不仅能执行传统仪器的功能，而且，还能执行传统仪器所无法实 现的许多功能。本文基于l a b v i e w 作为虚拟仪器的丌发平台，尝试数据采集和处理， 并应用m a t l a b 进行数据分析，通过对动态参数( 速度、加速度、角速度、角加速 度等) 进行测量，从而提出了一种关于运动参数设计和仿真系统，包括数据的采集， 信号的处理以及基于l a b v i e w 的虚拟仪器的界面设计。本文介绍了该系统的方案设 计、软件支撑、开发平台、体系结构以及功能设计与实现。通过对系统的动态参数 监测，可为其早期的故障诊断等做出依据。 关键字：虚拟仪器，数据采集，数据处理，虚拟仿真 a b s t r a c t t h ev i n u a li n s 仃u m e i l ti sav i r t l l a lr e a l i s t i ct e c l 蚵q u e i ti sal 【i n do fa p 口l i c a t i o ni i lt h e i n g 岫】m e n tr e a l m i ti n c l u d e sac a j c u l a t o r a nm s 仇l m e n tm o l dp i e c e 觚dt l l es o 胁a r em r e e c o i l s t i t u t e s i tc a nn o to i l l vc a r r vo u tm e 劬c t i o i l so fm e 仃a d i t i o ni n s t n l m e n t sb u ta l s oc a i l c a r r yo u tn l e 矗m c t i o n st h a t 仃a d i t i o n a li i l s 旬m l n t sc a n t t l l i sp a p e ra d o p t sl a b v i e w 鹤t l l e d e v e l o 舯e n tn a t a n dt r i e sd a t ac o l l e c t i o n sa n dd i s p o s a l s t h e ni tc a m e so u tm ed a t aa 1 1 a l v s i s b ym a t l a b f o r t l l ed y l l 锄i cp a 阳m e t e r s ( s p e e d ，a c c e l e r a t i o n ，a i l g u l a rv e l o c 埘锄d 锄g u l a r a c c e l e r a t i o n ，e t c ) ，i tp u t sf o r w a r dad e s i g na 1 1 ds i i t l u l a t i o ns y s t e mf o rt 1 1 ec o n c “n gm o t i o n p a r 锄e t e r s ，w h i c hi n c l u d e st t l ed a t ac o l l e c t i o i l t h ed i s p o s a lo ft h es i p 皿a la n dm ei n t e r f a c e d e s i 印b a s e do nl 蛆v i e wv i r t u a l i n s n l 吼e n t s t l l i sp 印e ri n 仃o d u c e st l l ed e s i 印m e t l l o d ，m e s o f t w a r es u p p o n ，m ed e v e l o p i n gn a t ，t h es y s t 锄s t r i l c t u r e s 觚dt l l e 缸n c t i o nm o d u l ed e s i 印 a n dr e a l i z a t i o n b ym o n i t o r i n gt l l em o t i o np a r a m e t e r s ，百s ti n f o n i l a t i o nc a nb eo f f 打e df o rt 1 1 e p r e m a t u r ef a u l td i a g n o s i s f u s h a o j i e ( m e c h a i l i c a la n de l e c 仃0 1 1 i ce n 西n e 甜n 曲 d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f c h e nl i x i n k e yw o r d s ：v i r t l i a li n s t r u m e n t ，d a t ac o u e c t i o n ，d a t ad i s p o s a l ，v i r t u a ls i m u l a t i o n 华北电力人学硕+ 学位论文摘要 摘要 虚拟仪器是虚拟现实技术在仪器领域的一种应用。它由计算机、仪器模块和软 件3 部分组成。它不仅能执行传统仪器的功能，而且，还能执行传统仪器所无法实 现的许多功能。本文基于l a b v i e w 作为虚拟仪器的丌发平台，尝试数据采集和处理， 并应用m a t l a b 进行数据分析，通过对动态参数( 速度、加速度、角速度、角加速 度等) 进行测量，从而提出了一种关于运动参数设计和仿真系统，包括数据的采集， 信号的处理以及基于l a b v i e w 的虚拟仪器的界面设计。本文介绍了该系统的方案设 计、软件支撑、开发平台、体系结构以及功能设计与实现。通过对系统的动态参数 监测，可为其早期的故障诊断等做出依据。 关键字：虚拟仪器，数据采集，数据处理，虚拟仿真 a b s t r a c t t h ev i n u a li n s 仃u m e i l ti sav i r t l l a lr e a l i s t i ct e c l 蚵q u e i ti sal 【i n do fa p 口l i c a t i o ni i lt h e i n g 岫】m e n tr e a l m i ti n c l u d e sac a j c u l a t o r a nm s 仇l m e n tm o l dp i e c e 觚dt l l es o 胁a r em r e e c o i l s t i t u t e s i tc a nn o to i l l vc a r r vo u tm e 劬c t i o i l so fm e 仃a d i t i o ni n s t n l m e n t sb u ta l s oc a i l c a r r yo u tn l e 矗m c t i o n st h a t 仃a d i t i o n a li i l s 旬m l n t sc a n t t l l i sp a p e ra d o p t sl a b v i e w 鹤t l l e d e v e l o 舯e n tn a t a n dt r i e sd a t ac o l l e c t i o n sa n dd i s p o s a l s t h e ni tc a m e so u tm ed a t aa 1 1 a l v s i s b ym a t l a b f o r t l l ed y l l 锄i cp a 阳m e t e r s ( s p e e d ，a c c e l e r a t i o n ，a i l g u l a rv e l o c 埘锄d 锄g u l a r a c c e l e r a t i o n ，e t c ) ，i tp u t sf o r w a r dad e s i g na 1 1 ds i i t l u l a t i o ns y s t e mf o rt 1 1 ec o n c “n gm o t i o n p a r 锄e t e r s ，w h i c hi n c l u d e st t l ed a t ac o l l e c t i o i l t h ed i s p o s a lo ft h es i p 皿a la n dm ei n t e r f a c e d e s i 印b a s e do nl 蛆v i e wv i r t u a l i n s n l 吼e n t s t l l i sp 印e ri n 仃o d u c e st l l ed e s i 印m e t l l o d ，m e s o f t w a r es u p p o n ，m ed e v e l o p i n gn a t ，t h es y s t 锄s t r i l c t u r e s 觚dt l l e 缸n c t i o nm o d u l ed e s i 印 a n dr e a l i z a t i o n b ym o n i t o r i n gt l l em o t i o np a r a m e t e r s ，百s ti n f o n i l a t i o nc a nb eo f f 打e df o rt 1 1 e p r e m a t u r ef a u l td i a g n o s i s f u s h a o j i e ( m e c h a i l i c a la n de l e c 仃0 1 1 i ce n 西n e 甜n 曲 d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f c h e nl i x i n k e yw o r d s ：v i r t l i a li n s t r u m e n t ，d a t ac o u e c t i o n ，d a t ad i s p o s a l ，v i r t u a ls i m u l a t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文运动参数的虚拟仪器的设计与仿 真，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 均已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：么 7 2 型日期：丝 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： 华北电力人学硕十学位论文 1 1 引言 第一章绪论 虚拟仪器是充分利用现有计算机资源，配以独特设计的软硬件，实现普通仪器 的全部功能以及一些在普通仪器上无法实现的功能。虚拟仪器不但功能多样、测量 准确，而且界面友好、操作简易，与其它设备集成方便灵活。虚拟仪器的发展是信息 技术的一个重要领域【1 1 。 1 2 选题的背景及依据 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是虚拟现实技术在仪器领域中的一种应用。 v i 可由用户自己设计自己定义，变换非常灵活。它由计算机、仪器模块和软件3 部 分组成。仪器模块部分的数据采集卡，g p i b 卡等仅用于信号的输入输出；仪器的功 能主要由软件实现。虚拟仪器不仅能执行传统仪器的功能，而且，还能执行传统仪 器所无法实现的许多功能。 虚拟仪器是计算机技术和数字信号处理技术发展的产物，相对于传统仪器，虚 拟仪器具有功能开放、设计灵活、对网络支持良好、低价位等显著优势，因而在近 几年获得了飞速发展和广泛应用。在现代测试领域中，新的测试需求不断涌现，信 号的种类和特征日趋多样化，针对特定信号需要使用合适的分析方法才能达到较好 的分析效果。为了满足测试工作的需求，虚拟仪器的功能越来越多，如何从组织和 调度这些功能中设计出可靠性高、使用方便的虚拟仪器软件，是每个虚拟仪器设计 人员必须面对的问题。图形化编程语言l a b v i e w 方便易用，但图形化带来一个不可 避免的缺陷，那就是难以设计结构复杂的虚拟仪器软件。 运动参数的测量包括速度、加速度、角速度、角加速度等参数的测量，这些参 数对于掌握一个系统的运行状况等可以作为一个监测对象，例如检测轴或齿轮的运 行是否正常，为其早期故障的诊断等做出依据。 本文基于l a b v i e w 作为虚拟仪器的开发平台，尝试数据采集和处理，并应用 m a t l a b 进行数据分析，l a b v i e w 对于一般信号的分析处理功能非常强大、方便，能 够胜任大多数测量任务。但是，对于虚拟仪器中的一些需要进行大量数据运算处理 的复杂应用。单用l a b v i e w 就显得有些力不从心，因此有必要通过程序接口调用专 门的数值分析软件。采用l a b v i e w 进行数据采集处理时需用m a t l a b 进行混合编程 来实现，其提出了一种关于运动参数设计系统，包括数据的采集，信号的处理以及 基于l a b v i e w 的虚拟仪器的界面设计【2 1 。 华北电力人学硕十学位论文 1 3 课题的研究动态 虚拟仪器的概念最早由美国国家仪器公司提出来的，它以透明的方式把计算机 资源( 如微处理器、内存、显示器等) 和仪器硬件( 如a d 、d a 、数字i o 、定时 器、信号调理等) 的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的分析处理。 虚拟仪器技术是在p c 技术的基础上发展起柬的，所以完全“继承”了以现成即用的 p c 技术为主导的最新技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件i o ，可以在数据 高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。它利用计算机系统的强大功能， 结合相应的硬件，大大突破传统仪器在数据处理、显示、传送、处理等方面的限制， 还提供了灵活性和强大的功能虚拟仪器软件平台为所有的i 0 设备提供了标准的 接口，将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。 目前的虚拟仪器硬件平台，已经有了标准化和通用化趋势，如v x i 联盟、p x i 规 范、p c i 规范、i v i 基金会等自发性标准化组织和措施，另一些要求，如标准化触发 方式，不同通道的共用时基。同步、延迟以及执行参数是否连续可调或断续可调等。 涉及信号及其质量和相互关系等方面，尚未形成标准化和通用化，可能将影响虚拟 仪器软件的标准化和通用化，也将影响其在不同平台上的互换性和移植性。故与软 件模块的标准化发展趋势一样。虚拟仪器硬件标准化也是其发展的一个重要方向， 伴随着计算机以及计算机网络技术的不断发展，虚拟仪器技术也会不断向前发展， 并且逐渐取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。 工程领域中存在大量的瞬态过程，如各种爆炸过程、雷电击穿过程等等。在科 学研究、技术开发和工程实践等领域，越来越多的要求对这些过程进行测量，以期 定量地、深入地了解瞬态过程中各种参数的变化规律。在传统的测试系统中，通常 只能对静态参数或极缓慢变化的参量进行测量，对动态参量，特别是快速过程或 单次猝发过程只能借助于图形记录分析仪。而对于多通道动态信号的同步测量，这 种传统的方法显得无能为力。虚拟仪器是随着军用技术对测试技术提出的需求，特 别是可复用性、高可靠性、低成本的要求而发展起来的一个新型的概念。与传统仪 器相比，虚拟仪器提高了仪器资源的可再用性、系统可靠性、测量精度和测量可重 复性。国内外有不少文献关于虚拟仪器的研究和应用，如基于d c o m 的网络化虚拟仪 器测试系统，其研究了虚拟仪器技术在光通信产品参数测量过程中的应用。关于动 态参数测试在国内外也有相关的研究，如对发动机活塞动态参数进行了实时测试。 然而对于需要同步测量多路非电量信号，且待测信号的频率成分复杂，信号的强 度变化范围大、持续时间短的系统的动态参数测量相关的报道比较少，本文针对此 种系统中动态参数的测量问题，研究了基于虚拟仪器的动态参数测试处理系统，并 给出了实现的软件设计【3 】。 2 华北电力人学硕十学位论文 1 4 课题的主要工作内容 ( 1 ) 采用l a b v i e w 图形化设计软件依靠其无与伦比的与各种仪器的连接性， 强大的数据采集功能，直观的基于数据流的图形化编程界面对采集到的动态信息参 数如速度、加速度、转速等实时的顺态信号的采集和处理，并且建立人机可相交互 的界面设计等。 ( 2 ) 采用m a t l a b 软件( 以矩阵计算为基础的程序设计语言) ，对动态参数做 数学运算处理。 ( 3 ) 对收集到的参数数据流进行信号处理，做出信号的波形分析，从而实现对 系统的在线状态监测和实时故障。可提前预防可能出现的随机故障等。 1 5 课题的研究方案 1 5 1 开发工具选型 ( 1 ) l a b v i e w 软件。l a b v i e w 是美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s n t ) 开发的基于图形编译语言( g 语言) 的实验室虚拟仪器集成环境( l a b o r a t o r yv i r t u a l i n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r kb e n c h ) ，它具有十分强大的功能，包括函数数值运 算、数据采集、数据分析、信号生成、信号处理、输入，输出控制，以及图像获取、 处理和传输等等。与传统编程采取的文本语言相比，l a b v i e w 使用图形化语言( 各种 图标、图形符号、连线等) g 语言编程，界面友好直观，都是人们熟悉的开关、旋钮、 波形图等。是一种直觉式图形程序语割4 1 。 ( 2 ) m a t l a b 软件。m a t l a b 是m a t hw o r k s 公司开发的一套高性能的数值计算和 可视化软件，是一套功能十分强大的计算机辅助和设计教学软件。m a t l a b 是m a t r i x 和l a b o r t a t y 前三个字母的缩写，意思是“矩阵实验室”，m a t l a b 具有以下的主要 功能： 数值计算功能 符号计算功能 图形处理功能及可视化功能 半可视化建模及动态仿真功能 m a t l a b 是以矩阵计算为基础的程序设计语言，其指令格式与教科书中的数学表 达式非常相近，用m a t l a b 编写程序犹如在便条上书写公式和求解一样方便。另外， m a t l a b 还具有功能丰富和完备的数学函数库及工具箱。大量繁杂的数学运算和分析 可以通过调用m a t l a b 函数直接求解，大大提高了编程效率，其程序编写和执行速度 远远超过了传统的c 和f o r t r a n 语言。而且用m a t l a b 语言编程，往往可以达到事半功 华北电力人学硕+ 学位论文 倍的效果，在图形处理方面，m a t l a b 可以给人以二维、三维甚至是四维的直观表现， 同样有很强的表现能力【5 1 。 1 5 2 系统设计的基本方案 ( 1 ) 本系统可以从虚拟硬件和软件两方面考虑 虚拟硬件设计主要是数据采集卡( d a q ) ，其包括信号调理和数据采集部分。信 号调理部分将现场信号或传感器输出信号进行隔离、放大、滤波，供数据采集部分 使用；数据采集部分将传感器信号采集到计算机中，其采用的传感器包括角度传感 器、扭矩传感器、速度传感器等及其相应的测试电路。 软件设计主要采用l a b v i e w 和m a t l a b 相结合的方式。虚拟仪器的界面开发主要 由l a b v i e w 软件完成，其实现数据的采集、处理、分析等人机交互的界面设计。而 采用m a t l a b 软件对大量的采集到的数据进行分析和处理等一些数学运算和仿真等。 ( 2 ) 工作特色 本系统主要采用四大块的设计：虚拟仪器的主界面设计、采集数据的方案及实 现、信号处理的分析设计、相关软件的接口设计。通过设计关于运动参数的虚拟仪 器，建立相关系统的监测等一些措施，做到可以利用计算机实时观察设备的运行状 况，做到早期预防故障的发生，保证生产和设备的正常运行。 ( 3 ) 本选题的难点 建立运动参数的虚拟仪器的界面设计，包括数据的接口设计、相关软件的 接口、故障分析的数据库等。 数据采集接口和方案的设计，实现对于相关的运动参数的实时采集和分析， 并给出相应的报告等。 信号的处理，主要是对采集的动态参数信号进行波形处理和分析。 1 6 小结 运动参数的虚拟仪器仿真设计，主要设计开发了基于l a b v i e w 作为虚拟仪器的 开发平台，尝试数据采集和处理，并应用m a t l a b 进行数据分析。通过对运动参数 的采集和分析处理从而掌握一个系统的运行状况等，并为监测对象早期的故障的诊 断等做出依据。 本文给出了运动参数虚拟仪器设计的选题依据、国际国内相关课题的研究动 态，以及虚拟仪器设计的设计方案和实现的难点。 4 华北电力人学硕十学位论文 2 1 引言 第二章虚拟仪器简述 由于微电子技术、计算机技术和网络技术的高度发展，以及与电子测量技术在 仪器上的应用，使新的测量理论、新的测量方法、新的测量领域以及新的测量仪器 结构不断出现。在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作 用发生了质的变化。虚拟仪器系统就是不断革新和计算机技术与仪器技术相结合的 产物。它利用目前计算机系统强大功能，结合专用的硬件( 包括数据采集卡、p x i 仪器、g p i b 卡、v x i 仪器、p l c 、串行设备、图像采集卡、运动控制卡等) ，大大 突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、存储等方面的限制，使用户可以方便地 对其进行维护、扩展和升级等。 2 2 虚拟仪器的概念 1 9 8 6 年由美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t l l l m e n t sc o r p o r a t i o n ，n i 公司) 提出 虚拟仪器( n u a li n s t m m e n t a t i o n v i ) 的概念。虚拟仪器作为一个新兴的研究领域， 始终受到各国科研人员的关注。随着科技的不断进步，特别是计算机科学的飞速发 展和计算机产品的广泛普及，虚拟仪器也有了长足的发展。它的最大特点是以软件 为仪器的主要组成部分，因此n i 提出“软件就是仪器”( t h es o r w a r ei st h e i n s t r u m e n t ) 的概念。 虚拟仪器通过应用程序将通用计算机与仪器硬件结合起来，用户可以通过友好 的图形界面( 通常叫做虚拟前面板) 操作计算机，就像在操作自己定义、自己设计 的一台传统仪器控制面板一样。虚拟仪器以透明的方式把计算机资源( 如微处理器、 内存、显示器等) 和仪器硬件( 如d 、d a 、数字i o 、定时器、信号调理等) 的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的分析处理、表达。利用p c 机资源( 处理器、存储器、显示器等) 、仪器硬件( 传感器、信号调理器、转换卡 等) 和数据采集、过程通讯、信号处理及图形用户界面的应用软件有效地结合，便 构成了一种全新的基于p c 的虚拟动态分析仪器，这种仪器从概念上改变了传统仪 器的技术模式，它可以在一台计算机上完成多种功能，多种仪器共享p c 机资源。 当用户的测试要求变化时，可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配 置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就 能简单地构造出新的v i 系统而不丢弃已有的硬件和软件资源。从而大大节省了设 备量和成本，方便操作。由此引出虚拟仪器的定义：虚拟仪器( v i ) 是由计算机硬 件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形化用户界面的软件组成 华北电力大学硕十学何论文 的测控系统，是一种由计算机操控的模块化仪器系统。虚拟仪器的构成如下图2 1 。 2 3 虚拟仪器的硬件组成 图2 1 虚拟仪器的系统构成 近些年来，总线技术得到快速发展，以可靠性高、标准开发、结构紧凑、数据 吞吐能力强、模块可重复利用等优点，在工业测控中发挥了重要作用。虚拟仪器的 硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能平台。其中计算机硬件平台可以是各 种类型的计算机，如普通台式计算机、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硬软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。计算机技术在显示、 存储能力、处理性能、网络、总线标准等方面的迅速发展，导致了虚拟仪器系统的 快速发展。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，用来进行信号采集、传输、控制。 2 3 1g pib 通用接口总线 g p i b 是计算机和仪器间的标准通讯协议。g p i b 的硬件规格和软件协议已纳入 国际工业标准一i e e e4 8 8 1 和i e e e4 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 i b 仪器有单独的地址，由计算机控制操 作，系统中的仪器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制软件作相应改动， 这种概念己被应用于仪器的内部设计。g p i b 的数据传输速度一般低于5 0 0 k b s ，不 6 华北电力入学硕十学何论文 适合于对系统速度要求较高的应用。 2 3 2v xl 总线体系规范 v x i 是由c o l o r a d od a t as y s t e m 、h e w l e t tp a c k a r d 、r a c a ld a n a 、t e k r o n i x 、w a v e t e k 等五家公司于1 9 8 7 联合推出的总线标准。在v m e 计算机总线、e u r o c a r d 标准( 机 械结构标准) 和i e e e4 8 8 等的基础上，采用模块化的方式，实现了系列化、通用化、 互换性及互操作性。其开放的体系结构和即插即用方式( p n p ) 完全符合住处产品 的要求。其装置主要由主机箱、“0 梢”控制器、具有多种功能的模块仪器和驱动软 件、系统应用软件等组成系统中各功能模块可随意更换，即插即用组成新系统。 ( 1 ) v x i 总线机械规范 v x i 总线以i e e e 1 0 1 4 v m e b u s 标准为基础，等同于采用3 2 b i t 的v m e 体系结 构，并在v m e 标准基础上增加了两种模块尺寸和一个连接器。如图2 2 所示，a 和b 尺寸模块实际上是v m e 总线单高度和双高度板，c 和d 尺寸模块是具有较宽 插槽的大“欧洲插卡 标准尺寸。p 1 连接器和p 2 连接器的中排插针严格按照v m e 规范的定义保留下来，增加了p 3 连接器并作了定义。 y x 】 t p l ( 二 3 地3 1 是 口叫 嚣e ! 至 p 2 瞪 c l 图2 2v x i 模块尺寸 ( 2 ) v x i 总线电气规范 v x i 总线的电气结构逻辑上可分为8 组总线和若干保留的引脚。总线位于v x i 总线背板，包括v m e 总线、时钟和同步总线、模块识别总线、触发总线、模拟加 法总线、局部总线、星形总线、电源总线，其中全局总线由所有v x i 总线模块共享。 ( 3 ) v x i 总线软件规范 软件是成功开发基于v x i 总线的虚拟仪器系统之关键，因而成为选择v x i 系 统时要考虑的最重要因素之一。软件的选择不仅影响系统的整体性能与功能，而且 影响系统的开发时间和效率。v p p 系统联盟( v x ip l u g & p 1 a ys y s t e m sa l l i a i l c e ) 使 7 华北电力人学硕十学位论文 工业软件在兼容性和互操作性方面前进了重要的一步。v i s a 标准由于得到包括 t e k 、h p 、和n i 在内的5 0 多家大仪器公司的支持，v i s a 事实上已成为面向仪器 工业的软件标准。 ( 4 ) v x i 系统控制方案 v x i 系统常见的配置方式有g p i b 、嵌入式和m x i 三种控制方案：( 1 ) g p i b 控 制方案通g p i b 、接口把v x i 主机箱与外部的计算机平台相连；( 2 ) 插入式摔制方 案是在v x l0 槽中放置直接与背板总线相连的嵌入式计算机；( 3 ) m x i 控制方案是 使用高速的m x i 总线连接器将外部计算机接入v x i 背板总线，使外部的计算机可 以像嵌入式计算机一样直接控制v x i 背板总线模块。 2 3 3p xi 总线体系规范 p x i 为p c i 在仪器领域的扩展，是n i 公司在1 9 9 7 年发布的一种新的开放性、 模块化仪器总线规范。其核心是c o m p a c tp c i 结构，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。 ( 1 ) p x i 总线机械规范 由c o m p a c tp c i 规范引入的e u r o c a r d 坚固封装形式和高性能的i e c 连接器被应 用于p x i 所定义的机械规范，使p x i 系统更适于在工业环境下使用，更易于进行系 统集成。p x i 的结构形状完全采用了a n s i3 1 0 c 、i e c 2 9 7 和i e e e1 1 0 1 1 等在工 业环境下具有很长应用历史的e u r o c a r d 规范。i e e e1 1 0 1 1 0 和i e e e l l 0 1 1 l 等最新 的e u r o c a r d 规范中所增加的电磁兼容性( e m c ) 、用户可定主的关键机械要素、以 及其它有关封装的条款也被移植到p x i 规范中。这些电子封装标准所定主的坚固而 紧凑的系统特性使p x i 产品可以安装在堆叠式标准机柜上，并保证在恶劣工业环境 中应用时的可靠性。 ( 2 ) p x i 总线电气规范 p x i 总线通过增加专门的l o m h z 系统参考时钟、触发总线、星形触发线和模 块间的局部总线来满足高精度定时、同步与数据通信要求，如图2 3 所示。 华北l 乜力人学硕十学何论文 iii il 万丐“1w t7 ，t t 系星控模 模 模 统型制块块块 控 触发 l2n 制 艘 m 干tt tt ttt t 工i 上i 上l 上i 上 p i c 总线 令害令令 触发总线 图2 3p x i 总线分布 ( 3 ) p x i 总线软件规范 像其它的总线标准体系一样，p x i 定义了保证多厂商产品互操作性的硬件接口 规范。另外，还在电气要求的基础上还增加了相应的软件要求，形成了p x i 的软件 接口规范。 p x i 的软件要求包括支持w i n 9 5 瓜t 这样的3 2 位标准操作系统框架，要求所有 仪器模块带有配置信息和支持标准的工业开发环境( 如n i 的l a b v i e w ： l a b w i n d o w s c v i 和m i c r o s o r 的v c c + + ，v b 和b o r l a n dc 抖等) 以及符合v i s a 规 范的设备驱动程序。 ( 4 ) p x i 系统控制方案 p x i 最初只能使用内嵌式控制方案，后来n i 公司又发布了m x i 3 接口，扩展 了p x i 的系统控制，包括直接p c 控制、多机箱扩展和更长的距离控制，扩大了p x i 的应用范围。 2 3 4d a q 数据采集 d a q 指的是基于计算机标准总线( 如i s a p c i 等) 的内置功能插卡。它更加充 分地利用计算机的资源，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( c o m p u t e r - b a s e di n s t r u m e n t s ) ，实现“一机多型 和“一机多用。在性能上，随着a d 转换技术、仪器放大技术、抗混叠滤波技术 与信号调理技术的迅速发展d a q 的采样频率最高已达到1 g b s ，精度更高达2 4 位， 通道数高达6 4 个，并能任意结合数字i 0 、模拟i o 、计数器定时器等通道。采用 计算机插入一块p c m c i a 的d a q 卡，进行信号的采集，通过软件控制采集、存储、 运算分析、显示结果等一系列功能，可根据需要对软件进行增加或改进，以满足不 o 华北电力人学硕十学位论文 同的需要。不同的测试任务对测试系统有不同的要求，一种虚拟仪器测试系统不可 能涵盖整个社会对测量的要求，对虚拟仪器测试系统的选择，尤其是对采用何种总 线应该有一个客观的认识【6 1 。 2 4 虚拟仪器的软件组成 给定计算机的运算能力和必要的仪器硬件之后，构造和使用v i 的关键在于应 用软件。这是因为应用软件为用户构造或使用v i 提供了集成开发环境、高水平的 仪器硬件接口和用户接口。美国国家仪器公司n i 的l a b v i e w 是一种功能强大的图 形化编程工具，具有十分丰富的工具库，支持数据的网络传输、i n t e m e t 发布、信号 分析、数据库访问、图形显示等各种功能，并且用它开发出来的系统具有虚拟仪器 风格，界面美观、操作简单、使用方便等特点，与v b 、v c 等传统开发语言相比可 以节省大约8 0 的开发时间，而运行速度几乎不受影响，大大缩短了开发周期，降 低了维护成本。因此，l a b v i e w 逐渐成为测控系统的主要开发平台。目前的图形化 v i 框架有n i 公司的l a b v i e w 和h p 公司的v e e 。应当指出，图形化开发环境与图 形化v i 框架是不同的，其主要区别在于用其v i 组件开发可复用原码模块的能力， 后者的这些原码模块必须具有被其它原码模块继承性调用的能力。通过应用程序提 供仪器硬件接口，用户可以以透明的方式操作仪器硬件。这样，用户不必成为 g p i b ，v x i ，d a q 或p x i 方面的专家，就可以方便、有效的使用这类硬件。控制诸如 万用表、示波器、频率计等特定仪器的软件模块就是所谓的仪器驱动程序( i n s t 九加e n t d r i v e r s ) ，它现在己经成为应用软件包的标准组成部分。这些驱动程序可以实现对特 定仪器的控制与通信，成为用户建立v i 系统的基础软件模块。而以往用户必须通 过学习各种仪器的命令集、编程选项和数据格式等才能进行仪器编程，采用标准化 的仪器驱动程序从根本上消除了这种仪器编程的复杂过程，使用户能够把精力集中 于仪器的使用而不是仪器的编程。正是由于仪器驱动程序的这些重要作用，使它成 为应用软件供应商之间的一个主要竞争领域。如购买n i 公司l a b v i e w 软件的用户 可定期得到一张免费光盘，该光盘包括世界上六十多家仪器公司的六百多种仪器的 原码驱动程序。除仪器硬件接口( 即仪器驱动程序) 是v i 应用软件的标准模块之 外，用户接口开发工具( u s e ri n t e r f a c ed e v e l o p m e n tt o o l s ) 不仅是通用语言的标准 组成部分，而且也已成为v i 应用软件的标准组成部分。导致对用户接口开发工具 的应用存在困难的直接原因是因为在传统的程序开发中，用户接口的开发一直是最 耗时的任务而且如何编写从用户接口相应输入、输出的应用程序，其复杂程度无异 于学习一种新的语言。而现在v i 软件不仅包括诸如菜单、对话框、按钮和图形这 样的通用用户接口属性，而且还应有像旋钮、开关、滑动控制条、表头、可编程光 标、纸带记录仿真窗和数字显示窗等v i 应用接口属性。这些属性即使应用像v i s u a l 1 0 华北电力人学硕十学位论文 b a s i cf o r 、矾n d o w s 和v i s u a lc + + f o rw i n d o w s 这些面向对象语言来开发v i 的用户接 口也是非常困难的。因此，图形化编程环境是科研工作者理想的程序设计语言。 2 5 虚拟仪器的应用与特点 从用户的观点来讲，今天的测试领域面临着三大主要挑战：测试成本不断增加、 测试系统越来越庞杂以及对测试投资的保护要求越来越强烈。虽然增加产品的电气 程度可以加强其功能与性能，但所增加的功能与性能都需要通过测试来保证其质 量。因此，随着产品电气程度的增加，测试成本也在不断增大。随机走访几家大专 院校、科研院所与工厂的实验室或生产车间，就会发现各种各样、互不相同的测试 系统。这些测试系统往往既不兼容，又不能共享软、硬件资源。即使在同一个单位， 这种状况也是屡见不鲜。造成这种状况的根源在于缺乏统一的测试策略其问题 不全出在用户单位的管理上，而在于传统仪器无法向用户提供统一的测试策略。面 对这些挑战，用户最可能的做法是试图在单位内选用标准化硬件平台。硬件的标准 化可以部分地降低测试成本，但作用是非常有限的。而使用v i 则可以大大缩短用 户软件的开发周期，增加程序的可复用性，从而降低测试成本。而且，由于v i 是 基于模块化软件标准的开放系统，用户可以选择他认为最适合于其应用要求的任何 测试硬件。例如：用户完全可以自己定义最适合于自己试验中用的低成本测试系统， 或为研究与开发项目设计高性能的测试系统，而这些系统的软件或硬件平台可能是 相同或兼容的。简而言之，采用基于v i 的统一测试策略将有助于用户面对当今的 测试挑战而在激烈的竞争中处于优势地位。v i 系统能更迅捷、更经济、更灵活地 解决工程测试问题。随着v i 驱动程序标准化及软件开发环境的发展，代码复用成 为仪器编程中的基础，这意味着科研工作者可以避免仪器编程过程中的大里重复劳 动，从而大大缩短复杂程序的开发时间，提高测试水平与效率；而且，还可以用各 种不同的模块构造自己的v i 系统，选择统一的测试策略，这不仅会省下一大笔开 销，而且使测试投资在未来仍能得到可靠保护。由虚拟仪器建立测试系统，使科研 工作不必成为v b 、v c 的编程高手就可以轻松地组建自己的实验室，这在以往是不 可想象的，正因为虚拟仪器具有如此巨大的优点，使它成为了建立测试与测控仪器 的最佳选择【，j 。 2 6l a b v i e w 软件简介 在本课题中，应用的是n i 公司的l a b v i e w 软件，l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a l i n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw b r k b e n c h ) 是基于图形化编程语言( gl a n g u a g e ) 的开发环 境，是一种强有力的虚拟仪器开发工具，主要用于仪器控制、数据采集、数据分析、 数据显示等领域。l a b v i e w 与传统编程语言有着诸多相似之处，如：相似的数据类 斟、数据流控制结构、程序稠试工具等，但二者最人的r 别在十：传统编程语占是 朋文本语言编程，而l a b v i e w 用图形化语言( 即各种图标、吲形符号、连线等) 编程。用l a b v i e w 编程无需太多编程经验，界面非常直观形象，都是工程师们熟 悉的旋钮、开关、图形等，因此l a b v i e w 对于没有丰富编程经验的工程师们柬说 无疑是个檄蚶的选择。阿青，l a b v i e w 也提供传统程序语言( 如c 语言) 的接口， 埘j ：其自身小易或小擅k 完成的任务( 如数捌处理) u r 通过利川其它编程语口求实 现，从而最终增强了l a b v i e w 的整体功能。另外，l a b v i e w 电拥有人量h 1n i 公 司或第二方公州提供的非常实用的支持软件，如：a p p l l c a t i o n b u l l d e r ( 用于将川户 的v i 程序隹成可执行文件) 、s o l 肋o l k t ( 用丁将l a b v l e w 程序与本地或远程数据 库相连) ，也可调用其它软什( 如ma l l a b ) 等。l a b v i e w 丌发平台分为曲部分：前 面板( f m n tp a n e l ) 和程序流程图( b l o c k d i a g r a l l l ) ，其主要特点如下所述：前面板 是v i 的图形用户接口，它集成了用户输入和输出功能，为更逼真地模拟传统仪器 的工作方式，l a b v i e w 提供了各种各样的控件，如各种旋钮、开关、按钮、波形图、 波形图表等控制与显示模块，并町根据用户实际需要定制摔件，用户可以根据自己 的需要在前面板卜放置按钮等控制模块和显示模块。而程序流程幽包含了虚拟仪器 的图形化源代码，在程序流程图中对虚拟仪器进行编程，以控制和操纵定义在前面 板上输入和输出功能。 l a b v i e w 的丰要特点如f ： ( 1 ) 罔形化的操作模板 l a b v i e w 共有鼍个图形化的操作模板，工具模扳( t 0 0 l sp a l e t t e ) 、控制模板 ( c o n “o ip a l e t t e ) 、功能模板( f u n c t l o np a l e t t e ) ，片i 于创建和运行程序。这些操作 模板可以随意在屏幕上移动，并可阻放置在屏幕的任意位置。工具模板提供了各种 川于创建、修改和调试v i 程序的工具，如下图2 4 。 图24i 具模板 控制模板和功能模板所显不的只是顼层模板