（机械工程专业论文）用虚拟仪器改造yd200a型圆度仪.pdf

中文摘要 计算机技术的飞速发展使测量仪器发生了革命性的变化，产生了 虚拟仪器。虚拟仪器技术代表了二十一世纪自动测试和电子测量仪器 领域技术发展的一个重要方向。本文论述了虚拟仪器的产生和发展、 定义及特点，介绍了虚拟仪器系统的结构、组成、原理、功能及在多 领域的应用，并对虚拟仪器的前景作了展望。 在全面认识虚拟仪器的基础上，对传统的y d 2 0 0 a 型圆度仪进行 了虚拟改造的可行性分析，给出了基于p c i 总线插卡形式的虚拟仪器 系统的软硬件构建方案。详细阐述了组成虚拟仪器硬件部分的各种模 块的选择、组装及工作方式；阐述了组成虚拟仪器软件部分设计及其 实现，如：仪器操作面板，整个系统的数据采集，数据分析与处理， 结果的可视化输出等。给出了评定圆度误差的基本原则，研究了用计 算机实现圆度误差评定的四种方法及相应的算法和程序；分析了形成 测试系统误差的各种因素，指出了消除各种误差的方法。 用本文设计的虚拟仪器对轴的圆度误差进行了实际测试，结果表 明：与传统的仪器及其测量方法、数据处理方式相比，虚拟仪器不仅 构建非常容易，而且实现了检测过程的自动化、数字化、智能化及可 视化，大幅度提高了测试速度及测试精度。 关键词：虚拟仪器圆度仪圆度误差p c i 总线 a b s t r a c t t h e r a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c eh a sb r o u g h ta b o u tan e w r e v o l u t i o n a r yc h a n g ei nt h em e a s u r i n gi n s t r u m e n t ，a n db r o u g h tf o r t h v i r t u a li n s t r u m e n t s ，w h i c hr e p r e s e n t so n eo ft h ei m p o r t a n ta s p e c t so ft h e d e v e l o p m e n ti nt h ef i e l do fa u t o m a t i ct e s t i n g a n de l e c t r o n i c t e s t i n g i n s t r u m e n t si nt h e2 1 t hc e n t u r y t h ee m e r g e n c ea n dd e v e l o p m e n t ，t h ed e f i n i t i o na n dt h ef e a t u r e so f t h ev i r t u a li n s t r u m e n t sa r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r a n dt h e i rs t r u c t u r e ， c o m p o n e n t s ，w o r k i n gp r i n c i p l e ，f u n c t i o na n da p p l i c a t i o n si nav a r i e t yo f f i e l d sa r ed i s c u s s e d b e s i d e s ，s o m ep r o s p e c t so ft h ev i r t u a li n s t r u m e n t s a r ea l s op r o p o s e d b a s e do nt h eg e n e r a lk n o w l e d g eo fv i r t u a li n s t r m n e n t s ，t h ef e a s i b i l i t y a n a l y s i so ft h ev i r t u a lr e n o v a t i o nf o rt h et r a d i t i o n a ly d 2 0 0 ar o u n d n e s s t e s t e ri sm a d e ，a n dt h es t r u c t u r ep l a nf o rt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eu s e d i nt h ev i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e mb a s e do nt h ep c ib u sc a r di sp r o p o s e d t h e nt h es e l e c t i o n ，a s s e m b l i n ga n dw o r k i n gf o r mo fv a r i o u sm o d u l e s f o r m i n gt h eh a r d w a r eo ft h ev i r t u a li n s t r u m e n ta r ee x p o u n d e d a tt h e s a m et i m e ，t h em a i nw o r k si ns o f t w a r ed e v e l o p m e n ti sd i s c u s s e d ，s u c ha s t h ed e s i g no ft h ei n s t r u m e n tp a n e l ，d a t ac o l l e c t i o n ，d a t aa n a l y s i sm a d p r o c e s s i n g ，a n dv i s u a l i z a t i o no u t p u to f r e s u l ta n ds oo n i na d d i t i o n ，t h eb a s i cp r i n c i p l e so fe v a l u a t i n gr o u n d n e s se r r o ra n d f o u rs t a n d a r dm e t h o d sf o re v a l u a t i n gr o u n d n e s se r r o ra r ep r o v i d e d ，t h e a l g o r i t h m sa n dc o r r e s p o n d i n gc o m p u t e rp r o g r a m sf o rt h ef o u re v a l u a t i n g m e t h o d sa r e d e v e l o p e db ya u t h o r f u r t h e r m o r e ，v a r i o u s f a c t o r st h a t p r o d u c et h et e s t i n gs y s t e me r r o ra r ea n a l y z e d ，a n ds o m em e t h o d st o r e d u c em e a s u r ee r r o r sa r ei m p l e m e n t e d t h ep r a c t i c a lr o u n d n e s sm e a s u r e m e n tf o ra na x i si sc a r r i e do u tb y u s i n gt h ev i r t u a li n s t r u m e n td e v e l o p e di nt h ep a r i e r , a n dac o m p a r i s o n w i t ht h et r a d i t i o n a lr o u n d n e s st e s t e ri sa l s om a d e ! 。t h er e s u l t ss h o wt h a t t h et e s t i n gs p e e da n dt h em e a s u r i n ga c c u r a c ya r eg r e a t l yi n c r e a s e d ，a n d t h ea u t o m a t i o n ，d i g i t i z a t i o na n dv i s u a l i z a t i o na r er e a l i z e d k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，r o u n d n e s st e s t e r ，r o u n d n e s se r r o r ，p c ib u s i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，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，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我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。 一獬：嘲辩嗍冲加枷 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨生盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 新繇张 签字日期：年月订日 方孓 咽铡附 名 6 签 u l 懿 年 作严 姊7 沦 ， 雠 沙 学 蝴字 奎 第一章绪论 第一章绪论 1 1 测量仪器的发展与传统仪器的改造 科学仪器是科学研究、技术开发和生产质量控制的有效手段。王大珩院士曾 经指出：仪器是认识世界的工具，机器是改造世界的工具。改造世界是以认识 世界为前提的。仪器是获取信息的工具和源头，仪器性能的优劣与好坏直接决定 了信息的数量与质量。仪器性能的不断改善和提高是高效获取大量高质量和深层 次信息的必由之路。随着整个科学技术的快速发展，仪器更新换代的周期不断缩 短。今天的新仪器过几年就成为老仪器，有些质量指标要下降。我国现行使用的 科学仪器相当一部分是2 0 世纪8 0 年代装备的，己使用十多年，性能下降，故障 增多，技术落后情况日渐突出。据1 9 9 8 年统计 2 1 ，使用1 5 年以上的科学仪器设 备占2 7 6 。1 9 9 8 年与1 9 9 9 年进口的科学仪器，随着使用时间的延长，同样也 将面| 临老化问题。因此，科学仪器老化不是时的问题，是始终存在的问题，面 刘这些科学仪器的老化，有一个如何继续发挥其作用，不断应用新技术进行改造 提高及扩展其功能的问题。 我国是一个发展中的国家，国家经济实力有限，投入不足的情况仍是今后制 约科学仪器发展的一个突出的矛盾。据美国“分析仪器工业报告”统计【2 j ，届世 界分析仪器销售额之首的美国p e b i o s y s t e m s ，t h e r m o e l e c t r o n 公司每年对分析仪 器的研究投入超过其销售额的1 0 ，总额达1 亿美元以上。而我国在九五期间用 于科学公关项目的总投入不足一个大型跨国公司年投入的1 0 。在这种情况下， 充分发挥与提高现有仪器的作用就十分重要。仪器改造与功能开发是充分发挥与 提高现有仪器作用的重要途径。仪器改造与功能开发的经济效益更是显而易见的， 可以为国家节省大量的宝贵外汇与经费。如 3 】x 射线衍射仪的升级改造与该项技 术的推广，仅用了约4 0 0 万的改造费，使价值上亿元的仪器恢复了使用功能，实 现了数据处理自动化，提高了工作效率、计算速度和分析精度。改造1 3 台多种型 号的同位素质谱仪，只花费了9 0 万元改造费，使原价值为4 5 0 万美元的仪器重新 投入使用，其中一部分仪器的性能有了提高，功能得到了扩展。 仪器改造与功能开发不仅是“物尽其用”，而且在很多情况下，是“物增其用”。 新仪器常常是在原有仪器的基础上，经过技术改造与革新、新功能附件的增添、 软件功能的扩展与完善来实现的。例如，中国地质大学研制的通用电子探针自动 控制系统，改造了原来的电子探针，使改造后的仪器性能有了很大的提高，一次 第一章绪论 最多可分析的元素由1 5 个增加到2 5 个，z a f 的校正方案由一套增加到8 套，新 增了b 线系的荧光校正、自动分析高次衍射峰、重叠峰校正和峰位调整及漂移报 警等功能。其它许多改造项目也是如此。 随着仪器改造与功能的开发，提高了现有仪器的性能，拓宽了仪器的应用范 围，从而能更有效地获取大量高质量和深层次信息，提高了科研的质量与水平。 国家标准物质研究中心开发了同位素质谱仪系列技术，用于该类仪器的升级改造。 用改造后的m a t 2 6 1 仪器测定同位素，建立了锑、铕、铈、铒和镝五个元素的绝 对同位素丰度质谱测定方法，为上述元素原予量计算提供了准确的丰度值，其中 锑、铕、铈、铒的同位素丰度值与原子量已被i u p a c 的原予量与同位素丰度委员 会采纳作为新的国际标准。 从新仪器研制的角度考虑，一种新仪器的出现，大多都是科研人员出于研究 工作的需要，先组装科研样机，而后再转到工厂，经过完善、发展成为商品仪器。 科研人员有开拓性的新思想与丰富的仪器使用经验，而且，现有资讯的发达，信 息交流的快捷，为仪器改造提供了信息上的支持，为仪器的改造与功能开发提供 深厚的技术基础，通过对仪器的技术改造，全面、充分了解国外先进仪器的发展 水平、结构及技术特点，为国产新仪器的研制开发提供新的思路与经验。 从以上的分析可以看出，无论从充分发挥现有仪器的作用，扩展仪器的功能， 还是从提高科研水平、开拓新仪器研制的思路，以及为国家节省大量宝贵的外汇 与经费考虑，科学仪器的升级改造与功能开发都是一项很有意义的工作。 现代科技的进步以计算机为代表，不断创新的计算机技术正以不可逆转之势 从各个层次上影响着各行各业的技术进步。今天的测控仪器行业同样经历着一场 翻天覆地的变革。微电子技术、计算机硬件、软件技术、网络技术的高速发展， 电子测控仪器的功能和作用发生了质的变化。以往传统仪器的主要特点：单一、 专用、灵活性差等，大大制约了测控范围，有时还会造成资源的极大浪费和测量 上的失误。传统仪器越来越不能满足科技进步的要求，主要表现在： 1 功能单一 现代测控仪器要求不仅能单独测量到某个量，而更希望它们能够互相通信， 实现信息共享，从而完成对被测各系统的综合分析、评估，得出准确判断。传统 仪器在这方面显然存在严重不足，甚至不能实现对于复杂的被测系统面对各个厂 家的不同测试设备，使用者需要的知识很多也很专业。这样的仪器不仅使用频率 和利用率低，而且硬件和软件也很冗余。 2 性能低下 传统仪器对操作者要求有较高的专业知识及丰富的操作经验和熟练的操作手 法。但还有较大可能造成人为的偏差及失误，对测控结果有各种各样的直接或间 2 第一章绪论 接的影响。 鉴于以上各种原因，基于计算机的测试设备逐渐得到迅速发展，并出现了虚 拟仪器。 1 2 虚拟仪器简介 1 2 1 虚拟仪器出现的背景 科学技术和生产的发展，对测控系统提出了越来越高的要求，今天测控领域 面临的三大挑战是： 1 测试任务复杂，工作量大，测试成本不断增加，对测试系统的功能，性能 要求越来越高。 2 要求测试速度快，在现代科技和生产领域，对测控速度要求越来越高。在 传统人工测试中，一般只能先取得测量数据，再经过人工分析数据，最后才能根 据分析的结果去调整和改进过程。而这样不能满足现代生产和科研需要。 3 要求测量准确度越来越高。科技的进步很大程度上体现在逼近准确度方面。 而准确度的提高又促进了科技的进步。在高精度要求的今天，微小的误差可能带 米严重的后果。 测控领域的挑战，就是对测量仪器的挑战。为此，现代测量仪器不仅要求能 单独测量某个值，而且希望它们之间能互相通信，实现信息共享，从而完成对整 个系统综合分析，评估，得出准确判断。 对整个测控系统的研发来说，现代竞争要求测控系统有短的开发周期，低成 本和高质量。今天测试系统面临的一个难题是难以将专用测试系统在多领域扩展， 冈为这些系统彼此不兼容、不能共享硬件和软件，这便使开发效率难以提高。另 方面，现代科技日新月异，尤其电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术 的快速发展及其与测量仪器的结合，为上述挑战提供了解决途径。而且新的测试 方法，新的测试理论以及新的仪器结构不断出现，在许多方面己冲破了传统仪器 的概念。正是在这个背景下，1 9 8 6 年美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r 哪e n t n i ) 首先提出了虚拟仪器的概念。 1 2 2 虚拟仪器的概念 如前所述，科技的进步与发展，实际的需要使虚拟仪器的出现成为必然。 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 是全新概念的仪器，是对传统仪器 概念的重大突破，它的出现使测量仪器和计算机之间的界限消失，开始了测量仪 器的全新时代，是仪器领域的一次革命。一般来说，仪器、仪表大都由传感器、 信号调理、数据分析处理和显示等几部分组成。对于传统的仪器来说，这几部分 第一章绪论 的功能都是由硬件实现的。而其中数据分析处理和显示功能完全可以改成由功能 强大的计算机来完成，这就是虚拟仪器。所谓虚拟仪器，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，测试功能由软件实现的一 种计算机仪器系统。由于传感器和信号调理两部分的功能无法由软件实现，所以 虚拟仪器也必须有这两部分硬件，它通过配置以获取调理信号为主要目的i o 接 门设备( 如数据采集卡d a q 、g p i b 总线仪器、v x i 总线仪器模块、串口r s 2 3 2 4 8 5 仪器等) 以及实现不同测量功能的软件对采集的信号数据进行分析处理及显示。 以这种方式构成的虚拟仪器系统实质上是计算机仪器系统，这就意味着，当硬件 平台( 传感器、i o 接口设备与计算机) 确定后，给予系统某种功能软件，该系 统就成为某种测试仪器。如用振动传感器、电荷放大器、信号调理器、数据采集 卡和计算机系统构成一个硬件平台后，再编制一个测量滚珠轴承的软件，该系统 就成为了一台测量轴承的仪器，如果编制的是一个测量发动机汽缸振动信号的程 序，该系统就是一台测量发动机的仪器，这就是虚拟仪器的优势所在。 现代的仪器、仪表一般价格都非常昂贵( 主要贵在数据的处理分析部分) 。而 且随着测量、分析理论的不断进步，仪器本身也在不断的升级换代，其发展变化 的速度很快。旧型号的仪器不断被淘汰，而淘汰的原因一般都不在于传感器和信 号渊理部分，而是由于数据处理分析的方法已经过时。虚拟仪器的用户则不会有 这种烦恼，用户既不必购买多台不同功能或者集多种功能于一身的传统仪器，也 不必不断购买新的仪器。因为虚拟仪器可与计算机同步发展，与网络及其它周边 设备互联，用户只需改变软件程序，就可以不断赋予它或扩展、增强它的测量功 能。也就是说，仪器的设计制造不再是厂家的专利。仪器的性能不是像以往那样 只能由仪器的生产厂家事先定义且固定不可变更，而是由用户根据需要自行设计 软件来定义或扩展。虚拟仪器开创了仪器使用者可以成为仪器设计者的时代，这 将给使用者带来无尽的收益。 1 2 3 虚拟仪器的特点 虚拟仪器与传统仪器相比，有以下几个特点： 1 传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件。由此 可能导致认读与操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操 作来实现比较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化 与面板布置的简洁化，从而提高操作的正确性与便捷性。同时，虚拟仪器的面板 上的显示元件和操作元件的种类与形式不受标准件和加工工艺的限制，而由编程 来实现，设计者可以根据用户的认知要求和操作要求设计仪器面板。 2 在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的大部 分功能。 4 第一章绪论 3 仪器的功能在很大程度上可以由用户根据需要通过软件来定义，而不是事 先山厂家定义好的。 4 仪器性能的改进和功能扩展只需相关软件设计更新，而不需购买新的仪器， 大大节省开发维护费用。 5 研制周期较传统仪器大为缩短。 6 虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。 决定虚拟仪器具有上述传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于：虚拟仪 器的关键是软件。虚拟仪器在工程应用和社会经济效益方面具有突出的优势。目 前，我国高档台式仪器，如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖 进口，这些仪器加工工艺复杂，对制造水平要求高，生产突破有困难。而采用虚 拟仪器技术可以通过只采购必要的通用仪器硬件来设计自己的高性能价格比的仪 器系统。目前虚拟仪器在我国电子测量领域己得到广泛应用，但在几何量、机械 量的测量中应用还很少。因此，将虚拟仪器的概念引入到该测量领域具有重要的 意义。 1 2 4 虚拟仪器系统的构成 虚拟仪器由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分构成。 1 通用仪器硬件平台 hp c _ d a q 系统i 卜 一g p i b 系统 卜 被测信号卜一叫v 系统 卜 一 p 系统 卜 一 串口系统 卜 图1 - 1 虚拟仪器的构成方式 虚拟仪器的硬件平台由两部分构成：一是一台p c 机或工作站，它是硬件平 台的核心。另一部分是i o 接口设备，它主要完成被测输入信号的采集、放大、 模数转换。根据采用的不同总线及其相应的f o 接口硬件设备，如利用p c 机总 第一章绪论 线的数据采集板卡、g p i b 总线仪器、v x i 总线仪器模块、串口总线仪器等，虚 拟仪器的构成方式主要有五种类型，如图1 - 1 所示【4 。 1 ) p c d a q ( p e r s o n a lc o m p m e rd a t aa c q u i s i t i o n ) ( p c 机总线的数掘采集板 卡，指的是基于计算机标准总线的内置功能插卡) 系统：它是以数据采集板、信 号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。这种系统采用 p c i 或i s a 计算机本身的总线，故将数据采集卡板( d a q ) 插入计算机的空槽中 即可使用。 2 ) g p i b ( g e n e r a l p u r p o s e i n t e r f a c e b u s ) ( 通用接口总线) 系统，足计算机和 仪器间的标准通讯协议。它是以g p i b 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平 台组成的虚拟仪器测试系统。 3 ) v x i ( v m e b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) ( v m e 在仪器领域的扩展) 系统：它是以v x i 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测 试系统。 4 ) p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t n t m e n t a t i o n ) ( p c i 在仪器领域的扩展) 系统： 以p x i 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。 5 ) 串口系统：它是以s e r i a l 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成 的虚拟仪器测试系统。 无论上述哪种虚拟仪器系统，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相 结合，其中，p c d a q 测量系统是构成虚拟仪器的最基本的方式，也是最廉价的 方式。本题目用的就是p c d a q 系统。 2 软件结构 虚拟仪器技术最核心的思想，就是利用计算机的硬软件资源，使本来需要硬 件实现的技术软件化( 虚拟化) ，以最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与 灵活性。基于软件在虚拟仪器系统中的重要作用，美国国家仪器公司( n i ) 提出 了“软件就是仪器( t h es o f t w a r e i s t h es o f t w a r e ) ”的口号。 虚拟仪器软件由两大部分构成，应用程序和i o 接口程序。 应用程序含两个方面：实现虚拟面板功能的前面板软件程序和定义测试功能 的流程图软件程序。i o 接口仪器驱动程序完成特定外部硬件设备的扩展、驱动 与通信。 综上所述，从构成要素讲，虚拟仪器系统是由计算机，应用软件及仪器硬件 组成。从构成方式上讲，则有以d a q 板和信号调理为仪器硬件组成的p c - d a q 测试系统，以g p i b v x is e r i a l 和f i e l db u s 等标准总线仪器为硬件组成的g p i b 系统和v x i 系统，串口系统和现场总线系统等多种形式。无论哪种虚拟仪器系统 都足将仪器硬件搭载到计算机平台上，加上应用软件而构成的，因此虚拟仪器的 第一章绪论 发展已完全跟上计算机技术的发展步伐，同时也显示出虚拟仪器的灵活性和强大 的生命力。 1 3 虚拟仪器的发展及在我国的研究、开发现状 电子测量仪器经历了模拟仪器，带g p i b 接口的智能化仪器到全部可编程虚 拟仪器的发展历程，其中每次飞跃都是以计算机技术的发展为动力。虚拟仪器的 发展可划分为三个阶段。 第一阶段：利用计算机增强传统仪器的功能。 这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进的。由于g p i b 总线标准的确立， 计算机和外设通信成为可能，因而用户可以用计算机控制仪器，而随着计算机系 统性能价格比的不断上升，用计算机控制仪器成为一种趋势。经过十年的发展， 这些用户得到越来越多的关于计算机控制仪器的软件，并且这些软件易学易用。 最新的软件包括当前仪器驱动库，数据分析函数库，图形接口驱动库等。用户可 以利用这些强有力的软件来增强自己的仪器系统，使它能够分析和处理特定数据， 并显示结果，而不是限制于仪器固定功能上。 第二阶段：开放式的仪器构成。 为满足虚拟仪器市场不断增长的要求，这时在仪器硬件上出现了两大技术进 步：是插入式计算机数据处理卡；二是v x i 仪器总线标准的确定，这些新的技 术使仪器的构成得以开放，消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器 功能的区别。仪器设计者们和用户一样，希望尽可能地提高效率和重复使用许多 技术，仪器生产商建立他们自己的设计的内在标准，使得他们的微处理器、存储 器、数据采集、分析、显示的软件等产品有利可图。许多仪器罩的通用元器件就 是计算机罩的标准件，这样使得计算机成为一个构造虚拟仪器的理想平台。 第三阶段：虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。 软件领域面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来， 虚拟仪器将成为一种主流技术。许多行业标准在硬件和软件领域已经产生，几个 虚拟仪器平台已经得到了认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。发展到这一 阶段，人们也才认识到利用虚拟仪器软件框架是数据采集和仪器控制系统实现自 动化的关键，即“软件即仪器”。 进入到二十一世纪，虚拟仪器正沿着总线与驱动程序的标准化，硬软件的模 块化，编程平台的图形化和硬件模块的即插即用化等方向发展。为了更方便用户 使用，各仪器制造商和各仪器标准化组织不断致力于对硬件和软件的标准化。而 i n t e r n e t 等通信技术和网络技术的应用，使用户能够通过i n t e r n e t 实现远距 离通信，将信息和多维空间相连，使远距离监测和控制变得容易，虚拟仪器正朝 第一章绪论 着网络化发展。 目前，虚拟仪器在发达国家已经十分普及。在美国虚拟仪器系统及其图形编 程语言，已作为各大学理工科学生的一门必修课程。美国的斯坦福大学的机械工 程系要求三、四年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制”1 。 在国内已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，包括上海复旦大学、上海交 通大学、广州暨南大学、华中理工大学、四川i 联合大学等。近一、两年来这些学 校在原有的基础上，又开发一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。其中，华中 理工大学机械学院工程测试实验室将其开发成果在网上公开展示。四川联合大学 的教师基于虚拟仪器的设计思想，研制成功了“航空电台二线综合测试仪”，将8 台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统，使用方便、灵活【8 】。清华大学汽车系利 用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，已实际用于汽车发动机的出厂检验， 主要检测发动机的功率特性、负荷特性等。一台发动机检测完后，就可以打印出 完整的检测报告”1 。此外，国内已有几家企业在研制p c 虚拟仪器，哈工大仪器王 电子有限责任公司就是其中之一，它的产品已达到一定的批量。其主要产品有数 字存储示波器系列、任意波形发生器及频率计系列、多通道大容量波形记录仪系 列。国内专家预测：未来的几年内，我国将有5 0 的仪器为虚拟仪器”1 。国内将 有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。随着微型计 算机的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。 1 4l a b v i e w 简介 l a b v i e w 是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 m n e n t e n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 的简称，是美国国家仪器公司( n i ) 的创新软件产品， 电是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境。可实现数 据采集、仪器控制、过程监控和自动测试等实验室研究和工业自动化领域的实际 任务。 l a b v l e w 是一种程序开发环境，与现在的c 语言和b a s i c 语言很相似。但 是，l a b v i e w 在应用方面与这些语言不同，其它的语言主要以写程序行为主， l a b v i e w 则是一种图形语言，它的程序用图框来表示。同c 和b a s i c 语言一样， l a b v i e w 是一种通用语言，并带有各种功能模块库，l a b v i e w 的功能模块包括 数据采集、通用接口总线和仪表的实时控制、数据分析、数据显示以及数据的存 储。l a b v l e w 也包括常规的程序开发工具，如可以设置断点、生动的显示数据是 怎样在程序中运动，单步执行等。这些工具使开发变得更容易。 l a b v i e w 虽然是一种通用的程序丌发系统，但由于它拥有大量数据采集和 仪表控制的功能模块和开发工具，可以编出外观和功能都与真实仪器仪表很相似 第一章绪论 着网络化发展。 日前，虚拟仪器在发达国家已经十分普及。在美国虚拟仪器系统及其图形编 程语言，已作为各大学理t 科学生的一门必修课程。美国的斯坦福大学的机械工 程系要求= 、网年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验梓制0 1 。 庄同内已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，包括上海复旦大学、上海交 通大学、广州暨南大学、华中理工大学、四川联合大学等。近一、两年柬这些学 校存原有的基础上，又丌发一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。其中，华中 理工大学机械学院工程测试实验室将其开发成果在网上公开展示。四川联台人学 的教师基于虚拟仪器的设计思想，研制成功了“航空电台二线综合测试仪”，将8 台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统，使用方便、灵活”j 。清华人学汽车系利 用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，己实际用于汽车发动机的出j 检验， 主要检测发动机的功率特性、负荷特性等。一台发动机检测完后，就可以打印出 完艇的检测报告 7 1 。此外，国内已有几家企业在研制p c 虚拟仪器，哈工火仪器工 i u 了有限责仟公司就是其中之一，它的产品已达到一定的批量。其主要产晶有数 字存储示波器系列、任意波形发生器及频率计系列、多通道大容量波形记录仪系 列。国内专家预测：未来的几年内，我国将有5 0 的仪器为虚拟仪器”1 。国内将 有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。随着微型计 算机的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的土流。 1 4l a b v i e w 简介 l a b v i e w 是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 t m e n t e n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 的简称，是美国国家仪器公司( n i ) 的创新软件产品， 电是目自口应用最广、发展擐快、功能最强的图形化软件集成开发环境。町实现数 掘采集、仪器控制、过程监控和自动测试等实验室研究和工业自动化领域的实际 任务。 l a b v i e w 是一种程序开发环境，与现在的c 语言和b a s i c 语言很相似。但 是，l a b v i e w 在应用方面与这些语言小同，其它的语言主要以写程序行为主， l a b v i e w 则是- - o e 图形语言，它的程序用图框来表示。同c 和b a s i c 浯言一样， l a b v i e w 是一种通用语言，并带有各种功能模块库，l a b v i e w 的功能模块包括 数据采集、通用接口总线和仪表的实时控制、数据分析、数据显示以及数据的存 储。l a b v i e w 也包括常规的程序开发工具，如可以设置断点、生动的显示数据是 怎样舟程序中运动，单步执行等。这些工具使开发变得更容易。 l , a b v i e w 虽然是种通用的程序丌发系统，但由于它拥有大量数据采集和 仪表控制的功能模块和开发工具，可以编m 外观和功能都与真实仪器仪表很相似 仪表控制的功能模块和开发工具，可以编出外观和功能都与真实仪器仪表很相似 第一章绪论 的程序，所以l 抽v m w 程序又称为虚拟仪表( v i s ) 。 基于上述特点，l a b v i e w 坚持和发展了模块化程序设计的概念。用户可以把 一个完整的任务分解成一系列的子任务，每个子任务还可以再继续分解，直到分 解为一个个简单的功能。然后通过编程来完成各个简单功能，每个功能模块都完 成后，就可以再将这些功能模块一级一级的组织起来，最终成为一个完整的程序。 由于每一个s u b v i 都可以单独执行，而每一个完成一定功能v i 程序都可以 直接做为s u b v i 使用，所以模块的调试非常方便。用户还可以编制一些通用的功 能模块，在以后的各个任务中使用，就象l a b v i e w 模块库中提供的模块一样。 l a b v i e w 语言最突出的优点就在于此，同时由于l a b v i e w 的模块库中提供了大 量的通用功能模块，使得l a b v i e w 的编程变得非常容易。 1 4 1l a b v i e w 语言的基本概念及术语 使用l a b v i e w 开发平台编制的程序称为虚拟仪器( v i ) 1 z l 。因为它的界面 和功能与真实仪器十分相像，在l a b v i e w 环境下丌发的应用程序都被冠以v i 后缀，以表示虚拟仪器的含义。v i 包括三个部分：程序前面板、框图程序和图标 g 接器。 1 程序前面板 程序前面板用于模拟真实仪表的前面板，其主要功用是设置输入数值和观察 输出量。在程序前面板上，输入量被称为控制( c o n t r o l s ) ，输出量被称为显示 ( i n d i c a t o r s ) 。控制和显示通常以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、 按钮、图标、图形等，就像真实的仪器面板一样。图1 _ 2 所示的就是一个简单的 正弦波发生器的前面板，可见其直观、易懂、并符合人们的习惯。 图1 - 2 正弦波发生器的前面板 每一个程序前面板都对应着一段框图程序。 2 框图程序 框图程序用l a b v i e w 图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代 9 第一章绪论 码。框图程序由端口、节点、图框和连线构成。其中端口被用来同程序前面板的 控制和显示传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化 程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动 方向。上述正弦波发生器的框图程序就是一个典型的例子，如图1 3 所示 图1 3 正弦波发生器的框图程序 3 图标连接器 图标连接器是子v i 被其它v i 调用的接口。图标是子v i 在其它程序框图中 被调用的节点表现形式；而连接器则表示节点数据的输入输出口，与函数的参数 相似。用户必须指定连接器端口与前面板 的控制和显示一对应。图1 - 4 所示的是 正弦波发生器的图标和连接端口。连接器 一般情况下隐含不显示，除非用户选择打 丌观察它。在程序的编制遇到困难时，或 想更深入的了解一个例子程序时可以双击 剀标，观察其应用程序。 1 4 2l a b v i e w 的操作模板 图1 _ 4 正弦波发生器的剀标 和连接端口 l a b v i e w 具有多个图形化的操作模板，用于创建和运行程序。这些操作模板 可以随意在屏幕上移动，并可以放置在屏幕的任意位置。操作模板共有三类：工 具( t o o l s ) 模板、控件( c o n t r o l s ) 模板和功能( f u n c t i o n s ) 模板。 ( 1 ) 工具模板( t o o l s p a l e t t e ) ：工具模板为编程者提供了各种用于创建、修 改和调试v i 程序的工具。当从模板内选择了了任一种工具后，鼠标箭头就会变 成该工具相应的形状。当从w i n d o w s 菜单下选择了s h o wh e l pw i n d o w s 功能后， 1 0 第一章绪论 把工具模板内选定的任一种工具光标放在框图程序的子程序( s u bv i ) 或图标上， 就会显示相应的帮助信息。 ( 2 ) 控件模板( c o n t r o l sp a l e t t e ) ：用控件模板可以给前面板添加输入控制和 输出显示。按控件模板功能分类，每个工具图标又包含一系列子模板。该模板提 供了编制虚拟仪器前面板所需的各种功能模块。 ( 3 ) 功能模板( f u n c t i o n p a l e t t e ) ：功能模板是创建框图程序的工具。该模板 上的每一个顶层图标都表示一个子模板，提供了各种功能模块和函数。 1 4 3 程序调试技术 l a b v l e w 提供了四种程序调试的方法 1 0 ： ( 1 ) 指示语法错误 如果一个程序存在语法错误，则在面板工具条上的运行按钮将会变成一 个折断的箭头，表示程序不能被执行。这时这个按钮被称作错误列表。点击它， 则l a b v i e w 弹出错误清单窗口，点击其中任何一个所列出的错误，选用f i n d 功 能，则出错的对象或端口就会变成高亮。 ( 2 ) 设置执行程序高亮 在l a b v i e w 的工具条上有一个画着灯泡的按钮，这个按钮叫做“高亮执行” 按钮，点击这个按钮使该按钮图标变成高亮形式，再点击运行按扭，v i 程序就以 较慢的速度运行，没有被执行的代码灰色显示，执行后的代码高亮显示，并显示数 据流线上的数据值。这样，你就可以在根据数据的流动状态跟踪程序的执行。 ( 3 ) 断点与单步执行 为了查找程序中的逻辑错误，你也许希望框图程序一个节点一个节点地执行。 使用断点工具可以在程序的某一地点终止程序执行，用探针或者单步方式查看数 据。使用断点工具时，点击你希望设置或者清除断点的地方。断点的显示对于节 点或者框图表示为红框，对于连线表示为红点。当v i 程序运行到断点被设置处， 程序被暂停在将要执行的节点，以闪烁表示。按下单步执行按钮，闪烁的节点被 执 j ：，下一个将要执行的节点变为闪烁，指示它将被执行。你也可以点击暂停按 钮，这样程序将连续执行直到下一个断点。 ( 4 ) 探针 可以用探针工具来查看当框图程序流经某一根连接线时的数据值。从t o o l s 工具模板选择探针工具，再用鼠标左键点击你希望放置探针的连接线。这时显示 器上会出现一个探针显示窗口。该窗1 ：3 总是被显示在前面板窗口或框图窗口的上 面。在框图中使用选择工具或连线工具，在连线上点击鼠标右键，在连线的弹出 式菜单中选择“探针”命令，同样可以为该连线加上一个探针。 第一章绪论 1 4 4 数据采集v i 程序的调用方法 l a b v i e w 的d a q 程序包括模拟输入、模拟输出、计数器操作、或者数字输 入、输出等。用户可以在框图程序窗口下选择d a t a a c q u i s i t i o n ，在此子模板下可 以看到6 个子模板，分别是：a n a l o gi n p u t ，a n a l o go u t p u t ，d i g i t a lu o ，c o u n t e r ， c a l i b r a t i o na n dc o n f i g u r a t i o n ，s i g n a lc o n d i t i o n i n g 。 在上述6 个子模板下，每个模板又分成e a s yi ov i s ，i n t e r m e d i a t ev i s ， u t i l i t yv i s 和a d v a n c e dv i s 。下面以a n a l o gi n p u t 子模板为例进行说明。如图1 5 所示，在其顶层是简单模拟量输入v i 程序( e a s ya i ) ，中间层是中级模拟量输入 v i 程序( i n t e r m e d i a t ea i ) ，下面是两个图标，一个用于调用模拟输入应用程序 ( u t i l i t y a i ) ，另一个调用高级模拟量输入程序( a d v a n c e da i ) 。高级程序涉及到 与d a q 驱动程序的底层接口，而通用应用程序是中级程序的组合。 图1 - 5 a n a l o gi n p u t 子模板 简单y o 程序仅仅只是表面层接口程序，它能执行基本的模拟量输入、模拟 量输出、数字i o ，以及计数器定时器操作。它简单易用，并且包含一个简单的 出错处理方法。当出错时，将弹出一个对话框，显示出错信息，而用户可以选择 终止程序执行或者忽略错误。 相对于简单程序而言，中级程序具备更多的硬件设置功能和灵活性，并且可 以更有效的开发实用程序。它具有许多简单程序