（通信与信息系统专业论文）燃气轮机叶片温度监测系统设计与实现.pdf

燃气轮机叶片温度监测系统设计与实现 摘要 近年来，随着燃气轮机技术的不断发展与成熟，其性能、效率及技术水平有了 很大的提高，已广泛应用于电力工业、石油工业、化工冶金行业及舰船动力等领域。 作为燃气轮机动力中最重要部分之一的涡轮叶片，由于长期工作在高温高压的恶劣 环境下，且其寿命直接影响燃气轮机的寿命使用期限，已受到广泛的关注，而叶片 温度作为评估叶片质量的重要指标也越来越受到重视。涡轮叶片由于其工作环境的 限制，无法直接对其温度进行测量，为此本课题采用非接触式的辐射测温度法。 虚拟仪器以其开发周期短、成本低、操作简便等优势在某些领域替代传统仪器 迅速的发展起来。与传统仪器相比，虚拟仪器控制面板只有一个，减少了许多识别 与操作出错的机率，提高了操作的正确性与便捷性。同时，虚拟仪器不受工业标准 与加工工艺的限制，其设计上由编程来实现，灵活性高，其在工程应用与经济效益 方面优势明显。 本文依据辐射测温的基本原理，在虚拟仪器的基础之上，基于l a b v i e w 软件和 d a q m x 硬件的平台，编写出一个实时、准确的叶片温度测量软件系统，它不仅直接反 应叶片温度的实际情况，还能准确对叶片温度数据进行分割处理，获取叶片工作状态， 分析温度分布以及变化的规律，检测温度是否出现异常现象。系统本身具备存储功能， 可以选择性的将采集到的叶片温度数据记录下来，以便对数据的分析计算，也可实时的 将多个叶片的温度趋势作对比，反映当前工作状况。 通过大量实验以及在燃气轮机上的实际测量，证明该系统不仅测温精度高、叶片特 征提取准确、稳定性好，还具有很高的抗干扰能力，可靠性高，适用于工业条件的测量。 关键字：涡轮叶片：虚拟仪器；l a b v i e w ；分割算法 燃气轮机叶片温度监测系统设计与实现 a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ， w i t ht h e g a st u r b i n e t e c l l i l i c a l p r o g r e s sa n dn l a t u r e ， a n di t s p e r f o r m a n c e ，e f 6 c i e n c ya n dl e v e lo ft e c h n o l o g yh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e d ，a n dh a s b e e nw i d e l yu s e di nt h ee l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y ，t h ep e t r o l e u mi n d u s t r y ，t h ec h e m i c a l m e t a l l u r g yi n d u s t r ya n dt h es h i pp o w e ra n do t h e rf i e l d s t h et u r b i n eb l a d e sa so n eo f t h em o s ti m p o r r t a n tp a i r to ft h eg a st u r b i n ep o w e r ，d u et ol o n g - t e r mw o r ki nt h eh a r s h e n v i r o n m e n to fh i g ht e n l p e r a t u r eh i g hp r e s s u f e ，g a st u r b i n e sd i r e c t l yi m p a c to nt h e u s i n g l i f i eo ft h e g a st u r b i n e ， h a sr e c e i v e dw i d e s p r e a da t t e n t i o n ， a n dt h eb l a d e t e m p e r a t u r e a sa ni m p o r t a n ta s s e s s m e n ti n d i c a t o r so ft h eb l a d e s q u a l i t ya r ea l s o b e c a m ei n c r e a s i n 9 1 yi m p o r t a n t b e c a u s eo ft h ec o n s t f a i n to ft h ew o r ke n v i r o i u n e n t ， t u r b i n eb l a d e st e m p e r a t u r ec a n n o tb em e a s u r e dd i r e c t l y ，f o rw h i c ht h es u b j e c tr e a l i z e s t h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fr a d i a t i o n v i n u a li n s t f u m e n th a sa d v a n t a g e so fs h o r t e rd e v e l o p m e n tc y c l e ，l o w e rc o s t ，a n d e a s i e ro p e r a l i o n ， s oi ns o m ea r e a sd e v e l o p e dr a p i d l ya n di n s t e a do ft h et r a d i t i o n a l i n s t r u m e n t s c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a li n s t f u m e n t s ，v i r t u a li n s t r u m e n th a so n l yo n e c o n t r o lp a n e l ，t h i sr e d u c e st h en u m b e ro fi d e n t i f i c a t i o na n dt h ep r o b a b i l i t yo ft h e o p e r a t i o ne r r o r ，a l s oi n c r e a s ea c c u r a c ya i l dc o n v e n i e n to fo p e r a t i o n a tt h es a m et i m e ， v i r t u a li n s t r u m e n t sd on o tr e s t r i c t i o no ni n d u s t r y - s t a n d a r da n dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ， p r o g r a m m i n go fi t sd e s i g nt oa c h i e v eh i g hn e x i b i l i t y ，a n d i ta l s oh a st h eo b v i o u s l y a d v a n t a g e so nt h ee n g i n e e r i n ga n de c o n o m i ca s p e c t s t h i ss u b je c tr e a l i z et h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tb a s e do nt h eb a s i cp r i n c i p l e so f r a d i a t i o n ，w i t ht h ev i r t u a li n s t r u m e n t ， b a s e do nl a b v i e ws o f t w a r ea n dd a q m x h a r d w a r ep l a t f o r m ，d e i g nar e a l t i m ea n da c c u r a t eb l a d e st e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t s o f t w a r es y s t e m ，i tn o to n l yc a nd i r e c t l yr e s p o n s et h ea c t u a lb l a d e st e m p e r a t u r e ，b u ta l s o c a na c c u r a t e l ys e g m e n tt h eb l a d e st e m p e r a t u r ed a t ap r o c e s s i n g ，a c c e s st ot h es t a t eo f w o r kb l a d e s ， a n a l y s i s t h ev a r i a t i o no ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dt h ed e t e c t i o n t e m p e r a t u r e sa b n o r m a lp h e n o m e n o n t h es y s t e mh a sam e m o r yf u n c t i o nt h a tc a n c o l l e c tt h es e l e c t i v e l yb l a d e st e m p e r a t u r ed a t ar e c o r d ，i no r d e rt oa n a l y s i sa n dc a l c u l a t e t h ed a t a ，a n da l s oc a nc o m p a r ew i t ht h en u m b e ro fb l a d e sr e a l 一t i m et e m p e r a t u r et r e n d s ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r e n e c t i n gt h ec u r r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s b ye x p e r i m e n ta n dt h ea c t u a lm e a s u r e m e n ti ng a st u r b i n e s ，i tp r o v e st h a tt h e s y s t e mh a sn o to n l ya c c u r a c yt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ， b l a d e sf e a t u r ee x t r a c t i o n a c c u r a t ea n ds t a b i l i t y ，a l s oh a sh i g ha n t i i n t e r f c r e n c ea b i l i t y ，r e l i a b i l i t y ，a n ds u i t a b l ef o r i n d u s t r i a lc o n d “i o n so fm e a s u r e m e n t k e y w o r d ：t u r b i n eb l a d e ；v i r t u a l i n s t m m e n t ；l a b v i e w ；s e g m e n t a t i o na l g o r i t h m 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 燃气轮机具有重量轻、体积小、起动快、建设周期短、运行维护方便、便于集中控 制、少用或不用水、适宜燃用多种燃料及污染排放量小等优点，在航空、舰船、发电、 石油化工、天然汽输送等工业交通运输部门以及国防部门得到了普遍的应用【1 2 】。相对于 传统的内燃机、蒸汽轮机来说，燃气轮机起步较晚，但自从出现以来发展迅速。从2 0 世纪5 0 年代开始到8 0 年代初，燃气轮机从最初的航空领域，取代了传统的活塞式发动 机( 内燃机) ，到应用于军用水面舰船，包括快艇、炮艇、扫雷艇等小型辅助舰艇发展 到大中型水面舰艇如护卫舰、驱逐舰等。从主战坦克上的应用，到高速客轮、高速民用 船等诸多方面。特别是近3 0 年来，在城市发电方面，由于常规燃煤蒸汽轮机电厂污染 严重，发电效率低，使得燃气轮机发电厂发展迅速，成为火电的主要动力【3 ，4 】。 燃气轮机发展过程中也存在着一些技术障碍，例如翻修期限，它是指装置出厂后第 一次翻修( 返厂大修) 或两次返厂翻修之间的实际使用小时数，现有的船舶燃气轮机的 翻修寿命一般在8 0 0 0 1 0 0 l o o 小时，比柴油机、蒸汽机的相应寿命要短得多【1 1 。一般来 说，翻修期限是由高温条件下受力条件最恶劣的部件寿命所决定的，对于燃气轮机来说， 通常受到涡轮叶片的寿命限制。影响燃机叶片寿命的因素很多，本文主要针对高温因素 对叶片产生的影响。为了提高发动机的功率和推力，提高动力装置的效率，需要尽可能 提高涡轮入口温度，炽热的燃气直接与涡轮叶片接触，为了减小高温或硫化腐蚀，一般 对在叶片表面上涂上t c b ( t h e 肌a lb a r r i e rc o a t i n g s ) 涂层。然而，由于叶片在工作环 境中，并不是完全均匀受热的，所以在叶片不同部位会发生局部涂层被烧灼脱落。因此， 在已有的材料下，除从动力方面考虑外，还应从安全角度出发，准确地测量出燃气温度 及叶片温度分布实时对燃气轮机的叶片温度进行监测5 ，6 。 通常情况，由于温度传感器的不同，温度测量的方法通常可分为两种，即接触法与 非接触法。接触法采用的原理为热平衡，即使两个物体相互接触，经过一段时间达到热 平衡后，两物体的温度相等【8 j 。这种测量方式的优点在于测温准确度较高，但是使用接 触法测温时，温度传感器要与被测物体接触，而且测温时间较长，这在燃气轮机叶片温 度测量中是无法实现的，为此只能选择非接触法。非接触法测温方式其原理是利用物体 的热辐射能随温度变化测量物体温度，优点是传感器可以不与被测物体接触，测温的响 应时间短【9 j 。目前非接触测温法应用较为广泛的是辐射测温法，以往辐射测温法的可靠 性和抗干扰性都不太高，而且对于低温段的测量准确度不理想，测温通常只用在高温测 哈尔滨工程大学硕士学位论文 量。近几年来，随着电子技术的飞速发展和半导体材料的进步及计算机技术的发展与应 用，大幅度弥补了以往辐射测温法的不足，使其得到了显著的进步和发展。同时，由于 由工艺行业水平的提高，辐射测温仪器的制造水平、性能指标也有了明显提高，在各个 领域得到了广泛的应用l l 。 由于科学技术的发展与进步，计算机水平的飞速提升，传统仪器已逐渐不能满足现 代测量系统的要求，虚拟仪器( v i r t u a li n s t n 吼e n t a t i o n ) 的概念是2 0 世纪8 0 年代由美国国 家仪器公司叫a t i o n a l i n s 饥l i l l e n t s ，简称n i ) 率先提出来的，这使得测控仪器方面发生了 一场巨大的变革【1 1 】，以往的传统仪器只能通过厂家总体定义生产，而用户无法直接提出 使用需求的模式已被打破。在电子测量仪器方面，虚拟仪器的概念中己经逐步被诸多领 域所接受，这对测控系统人性化及可变性的实现具有明显的推动作用。我国很多高档台 式仪器主要还依赖进口，由于加工工艺与制造水平上的限制，这些仪器生产的国产化突 破有困难，而如果采用虚拟仪器技术，只需要购买必要的通用虚拟仪器硬件与配套软件， 就可以根据需求来自己设计高性价比的仪器系统【1 2 1 。 1 2 课题的发展及现状 近年来虚拟仪器发展迅速，在国外，主要以美国国家仪器公司( n i 公司) 为代表的厂 商己经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的工业级仪器【13 1 。在美国许多大学，虚 拟仪器及其图形编程语言己作为一门编程语言课程。在国内，哈尔滨工业大学电气学院 和n i 公司己决定共建“虚拟仪器创新实践基地”，开展全方位合作。 虚拟仪器最早出现在2 0 世纪7 0 年代，那时的计算机测控系统已经开始应用于国防、 航天等诸多领域【1 4 j 。直到p c 机的出现，虚拟仪器与之相结合使其得到进一步发展，甚 至早在微软( m i c r o s o r ) 公司的w i n d o w s 诞生之前，n i 公司已经在m a c ( m a c i i l t o s h ) 计算机 上推出了l a b v i e w 2 o 以前的版本。m a c 系统用图形化特色对l a b v i e w 技术进行融合， 而广泛地被用于测量和仪器上，它的优势一直持续到有更多的通用操作系统开始支持 l a b v i e w 技术。而后，工程师们开始追求更高的采样率及分辨率的仪器硬件，来用于 集成统一的系统平台，这样做的目的主要是为了满足特定的自动化测试需求。随着科技 水平的快速发展，虚拟仪器技术到来解决了许多难题，在采样率和分辨率方面，电子科 技的发展促使a d 和d a 转换器的性能及精度的提高，使虚拟仪器的硬件上采用新的半 导体元件，在仪器的模块化理念上实现高性能的示波器和万用表等功能。之后n i 公司 首次提出了开发p x i 硬件平台来专用于测试任务，凭借其开放式的框架结构、开发的灵 活多变性以及在成本上的巨大优势，直到现在仍然广泛的应用于各种测试、测量及自动 第1 章绪论 化领域1 1 5 j 。2 0 0 1 年，l a b v i e w 6 1 推出了面向事件编程、l a b v i e w 远程网络控制、远 程前面板、通过红外设备( i r d a ) 通信的v i s a 支持及其他一些改进。2 0 0 3 年，l a b v i e w 7 0 为初级和高级用户推出了很多新特性。最显著的就是e x p r e s s 技术：通过提供容易配置 的、可以立即使用的子v i 和函数设计工具，使l a b v i e w 新用户入门并快速进入状态。 对于高级用户，l a b v i e w 7 0 扩展了事件结构功能，包括用户定义事件以及动态事件注 册框架。之后的l a b v i e w 8 0 提出p r o j e c te x p l o r e r 功能，主要用于开发人员在开发过程 中对虚拟仪器系统的管理，以其i d e 风格广泛的被开发人员所喜爱。l a b v i e w 的工程 包括v i 、硬件资源和配置，以及编译和使用规则。l a b v i e w 8 o 还支持p r o j e c tl i b r a r y 组件，如编辑时用到的灵巧的右击菜单和拖放功能及定制控件【1 6 1 7 l 。 目前，最新的一版l a b v i e w 2 0 1 1 ，为了大幅提高开发效率，其融合了新型工程专 用库并且能够与几乎任何硬件设备或部署目标交互，其中包括：新型多核n ic o m p a c t r i o 控制器和n ip x i e 5 5 6 5 业内性能最高的一款r f 矢量信号分析仪。借助这些优势以 及更多其他优点，h b v i e w 2 0 1 1 能帮助工程师和科学家将各款系统组件集成到单一可 重配置平台，确保它们能够更快、更好地完成工作，且成本更低。 1 3 课题的目的和意义 燃气轮机已有6 0 多年的发展历史，其得以迅速发展，主要依靠其自身的使用价值。 用户考虑的是它的适用性、经济性和可靠性，制造厂家重视的是对它的投资、赢利和市 场需求。燃气轮机的技术研发必须兼顾用户与厂家双方的追求。在我国，燃气轮机具有 广阔的应用前景，在能源开采输送、发电、舰船驱动等诸多领域，燃气轮机所占有的地 位越来越重要。从“十五”开始，我国能源政策有了重大转变，“西气东送”和“西电东输” 对燃气轮机有了新的市场需求，其中巨大的市场需求，是我国发展燃气轮机的最佳时机。 因而对于影响燃气轮机工作的最主要因素之一燃气轮机叶片温度的监测，则显得尤为重 要【2 l 】。 在过去一段时间里，辐射测温的抗干扰性和可靠性都不是很高，低温测量准确度不 够，测量的范围一般仅限于高温段。近几年来，随着科技的发展和新的探测器的出现， 已经大幅度提高了辐射测温的准确度，使测温范围向低温段得到了延伸。电子技术的发 展也为辐射测温创造了十分有利的条件，如低噪声、高阻抗元件的生产，使微弱信号检 测成了现实，集成电路的应用不但使复杂的结构简化，而且为某些电路处理提供了现实 可能性。其他工艺技术发展也促进了辐射测温的前进，如光导纤维材料。光辐射一般是 沿直线传播，但在实际应用中受到某些条件的限制，使测温仪表或棱镜来改变方向，这 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 使仪表结构复杂，并影响测试的精度【1 8 ，1 9 一。本课题中采用光导纤维，它可以改变光辐 射的任何方向，并使光能不受损失，这可大大提高测温精度，又可使仪表结构不复杂。 正是由于上述的原因及设计方式，使本课题的辐射测温计的设计有了很大进展，有了工 作波段的选择、信号处理、高复现性、高灵敏度，同时可以向高温、低温两端延伸，在 叶片温声测量方面有了明显的进展。 传统的测控系统一般要面对三个难题1 9 j ： ( 1 ) 测控系统的复杂度； ( 2 ) 测控系统的成本的增加； ( 3 ) 测控系统通对网络监控的需求。 作为上述问题的解决方案，课题中采用美国国家仪器( n i ) 公司提出的虚拟仪器概 念及其图形化v i 开发运行环境l a b v i e w ，除本身功能强大，开发及应用都是基于通用 p c 平台，在构建测控系统的可变性、降低开发应用成本及保护投资有着巨大的优势【1 1 】。 虚拟仪器与传统仪器不同的是利用计算机显示器来模拟操作面板：利用计算机上软件编 程对所采集的数据进行分析处理；利用i o 接口设备获取外部环境的信号，同时完成对 信号的一系列操作，从而进行各种测试功能的一种计算机仪器系统【2 2 ，2 3 1 。 网络技术的不断提高与进步，伴随半信息化时代的到来，虚拟仪器在网络上的应用， 已成为目前虚拟仪器发展的大趋势。在国内目前还没有一个明确的提法来定义网络虚拟 化虚拟仪器的概念，通常情况下是将包括虚拟仪器、外接设备、被测目在内的数据库进 行资源共享，或者通过网络远程监控测量仪器来完成对被测物的测量。使用网络化虚拟 仪器，可方便的在任何时间、地点获取到测量数据。网络虚拟仪器同样也适用于远程控 制、数据采集、故障监控、设备报警等方面的测量【1 1 ，2 4 1 。 1 4 论文研究内容及章节安排 本文在考虑大型燃气轮机涡轮叶片温度测量的必要性和重要意义基础之上，在 l a b v i e w 软件和d a q m x 硬件的平台上，编写出一个实时、准确的叶片温度测量软件系 统。具体章节安排如下： 第一章介绍了本课题的研究背景、课题发展及现状以及课题的意义和目的，简要说 明了课题中完成的工作内容。 第二章在简要介绍虚拟仪器的基础上，讨论h b v i e w 语言的编程思想，介绍 l a b v i e w 在当前应用状况，最后提出了课题解决问题的测量需求分析。 第三章主要介绍燃气轮机叶片温度监测系统构成，应用软件的设计与具体实现，介 第l 苹绪论 绍如何进行叶片温度处理与分析，叶片分割时所运用的算法如何实现以及对所提出的算 法进行比较，最后设计了对系统自校准所需要的模拟信源。 第四章对测量所得到的数据进行分析，造成测量误差的情况，分析由于光纤拆装对 测量结果的影响，分析对电压一温度转换函数进行修正的可行性以及修正方法，最后给 出叶片分割的误差分析。 第2 章虚拟仪器概述 第2 章虚拟仪器概述 2 1 虚拟仪器技术简介 2 1 1 虚拟仪器概述 虚拟仪器( n u a li n s t n l i i l e m ，简称v i ) 是将计算机硬件资源、仪器与测控系统硬 件资源和虚拟仪器软件资源三者的有效结合，同时也是现代计算机技术和仪器技术进行 有效的结合，在计算机辅助测试( c a t ) 领域占有重要的地位【2 4 】。通过虚拟仪器技术， 程序开发人员们可以利用图形化开发语言方便高效地解决工程中遇到的问题，以满足现 代科技多变的需求趋势一这与传统仪器的专门的、固定的功能有着本质上的差别。目 前，全球大部分领先的制造型企业已经在多方面采用了虚拟仪器技术，在很大程度上减 少自动化测试设备( a t e ) 的尺寸的同时，还使得工作效率同时提升了十倍之多，其成 本却只有以往传统仪器解决方案的很小一部分。 在此基础之上虚拟仪器技术不断发展和创新，同商业可用技术一起推动着新兴技术 的发展。例如p c ie x p r e s s 总线技术大幅度提高传输速度，p c 机可以更快的接收到更多 的数据；多核技术的实现大幅度提升了系统数据处理的性能；工程师根据不同的项目需 求通过可编程逻辑门阵列( f p g a ) 技术可以重新定制硬件的功能，能更快的实现各种 测试方案。可以预见的是，虚拟仪器技术在未来不久，通过各种商用技术，将向更多的 应用领域敞开大门【25 | 。 虚拟仪器主要包括以下方面进行了“虚拟 【2 6 1 。 ( 1 ) 虚拟控制面板 在传统仪器上，通常是通过诸如各种开关、按键、滑动控件来实现仪器上电源的开 关，被测信号的输入、滤波、信号放大等一系列的参数设置的，而虚拟仪器则是通过控 制面板的各种程序控件来实现功能及一些基本操作的。 传统仪器面板上的器件都是工业化生产的实物，需要用手来拨动或触按来完成相应 的操作，而虚拟仪器前面板是计算机显示器，所要进行的操作是点击外形与实物相像图 标，实际的功能是通过程序运行后点击相应的功能图标来完成实现的。 ( 2 ) 虚拟的测量测试与分析 传统的测量仪器是通过设计复杂的模拟或数字电路来实现各种仪器需求的测量及分 析功能。而虚拟仪器则是通过在计算机上设计不同功能软件模块进行组合来实现相应功 能，是一种基于计算机操控的模块化仪器系统1 2 7 1 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 2 虚拟仪器的特点 虚拟仪器自身在各方面有着相对于传统仪器显著的优势，其特点可归纳为以下几点 【2 8 ，2 9 ，3 0 】： ( 1 ) 虚拟仪器技术在某些方面与p c 技术类似，用户可以通过其高速的处理器对硬 盘中的数据进行处理，以完成相应的功能需求。 ( 2 ) 虚拟仪器在硬件构成方面与计算机强大的硬件资源相融合。目前，工程师和 科学家们在日益发展的软件与硬件工具下，可以不再局限于当前的技术。在很大程度上 增强了传统仪器的原有功能，而且还在显示处理等方面有了新的突破。 ( 3 ) 虚拟仪器有着很高的灵活性，使用者根据需要对虚拟仪器功能的进行设计与 改进，而不是事先由厂家定义好的。开发人员通过图形用户界面( g u i ，g r 印1 1 i c a lu s e r i m e r f a c e ) 技术进行程序编写，在一定程度上做到了界面友好、人机交互。 ( 4 ) 为了方便用户的操作，虚拟仪器与图形化开发语言相结合，为开发者在计算 机与仪表等方面提供了很大的便捷，很大程度上缩短了开发周期。 ( 5 ) 虚拟仪器的使用在节约成本方面有很大的优势，产品升级与功能扩展只需要 开发人员在软件上进行修改。 ( 6 ) 虚拟仪器模块化的构建，不仅使得其硬件实现了系列化，同时大大减小了系 统的尺寸。 ( 7 ) 在设备接口上，一般情况下，测试人员在完成一个工程项目的测试中需要多 个测量设备来辅助，这就需要有多个i o 接口，通常这些接口很难保持一致，虚拟仪器 提供了标准的工业化接口，帮助测试人员简单的将多个测试仪器进行集成，缩短了集成 设备耗费的时间。 上述虚拟仪器所具有的优势与特点，其根本原因在于虚拟仪器的关键在于软件。 2 1 3 虚拟仪器的组成 虚拟仪器的组成通常包括如图2 1 的三个部分： ( 1 ) 虚拟仪器开发软件 从上文中可以看出，虚拟仪器技术中软件是其优势所在。软件开发者可以通过灵活 的调用不同模块进行软件开发，从而满足不同的项目需求。在软件方面，n i 公司开发 的图形化软件l a b v i e w ，可以方便的实现对各种仪器硬件的操作，同时，对所采集到 的数据进行运算处理，将所得到结果通过良好的人机界面提供给用户。 第2 章虚拟仪器概述 虚拟仪器开发软件 一一1 一l o 接 口 设 备 一一一一一一j ；一一一一一一一目一一一一一一一一 广 u弋7 协肇jm 卡 a d 卡i f 仪器硬件 图2 1 虚拟仪器结构 ( 2 ) 模块化的i o 硬件 模块化是当今测量系统的一大特色，各种总线都有相应的产品与之相对，例如p c i ， p x i ，p c m c 认，u s b 以及i e e e l 3 9 4 等，产品的种类从简单数据采集到复杂的工业通 讯应有尽有。产品测试人员和开发者只需要将硬件产品与软件灵活的相结合，就可以满 足各种工程应用的需要，创建独特的测量系统【2 5 1 。 ( 3 ) 用于集成的软件和硬件平台 自从n i 公司首先提出了p x i 硬件平台，已逐渐被各领域所接受。而到今日已成为 测量及自动化应用中所不可缺少的标准测试平台。开发人员在p 平台上可以灵活的自 定义测试系统，便捷的建立工程方案，对于诸如数据采集及信号处理等问题都可自如应 对。 2 2l a b e w 软件概述 2 2 1l a b v i e w 简介 上世纪8 0 年代早期，计算机接口变得越来越精细，软件设计的虚拟仪器界面也越 来越适应于用户，苹果公司的m a c i i l t o s h 最先开发出了g 语言，即图形化编程语言，它 为后续专业虚拟仪器软件的出现提供了必要的基础。不同与传统的编程语言，如c ，c + + 或j a v a ，这些语言编程时使用的为程序代码，g 语言编程时，使用流程图来代替代码的 编写，使得程序更直观。不久，n i 公司( n a t i o n a l i n s t r u m e mc o m p a n y ) 为基于计算机 的测量和自动化开发出了l a b v i e w 软件。 l a b v i e w 开发环境可以工作运行在w i n d o w s ，m a c 或l i n u x 系统的计算机上，用 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 l a b v i e w 编写的应用程序还可以在m i c r o s o rp o c k e tp c ，m i c r o s o rw i n d o w sc e ，p a l i l l o s 以及多种嵌入式平台上，包括f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l ec m e 岫) 、d s p ( d i g i t a l s i 辨a lp r o c e s s o r ) 和微处理器【。3 1 j 。 同时，使用l a b v i e w 来进行数据采集和控制、数据分析和数据表达，工程师和科 学家能充分利用p c 的功能，快速方便地完成自己的工作。其包括了丰富、强大的实用 工具软件包，内部配有g p i b 、v x i 、串口和插入式d a q 板的库函数以及全球几百家厂 商的仪器驱动程序，依靠这些核心软件各厂商开发出了多种相关附件。l a b v i e w 本身 也拥有庞大的函数和子程序库，这些库可以帮助用户完成编程中的大部分任务，使用用 户免于被传统编程语言中的诸如指针、内存分配以及其他文本编程中的问题所困扰。 l a b v i e w 还包含特定的应用程序库代码，例如：数据采集、通用功能接口总线( g p i b ) 、 串行口仪器控制、数据分析、数据显示、数据存储、i n t e m e t 通信。分析库中包含了大 量实用的函数，包括信号产生、信号处理、滤波器、窗口、统计、回归、线性代数、矩 阵运算、循环等【1 4 ，1 5 1 。 2 2 2l a b e w 的特点与优势 使用l a b v i e w 软件开发程序所具有的主要特点和优势可以概括如下【3 2 ，3 3 】： ( 1 ) 图形化的仪器编程环境。它使用“所见即所得 的可视化技术建立人机界面， 设计者几乎无需编写任何文本形式的代码，只需使用大多数设计者所熟悉的数据流程图 式的语言编写。 ( 2 ) 内置资源丰富。在l a b v i e w 软件中，提供了丰富的数据采集、分析及存储 的库函数，同进，内置的程序编译器使运行速度更快。 ( 3 ) 调试手段灵活。在l a b v i e w 软件中，既提供了诸如断点设置，单步运行的 调试方法，而且还有图形化程序中特有的调试手段，例如“高亮执行 与“设置探针 ， 前者可以跟踪程序运行中的数据流，使程序开发者清楚的观察程序动画式运行，后者用 于在程运行中实时显示某一节点的数据值。 ( 4 ) 在程序中集成了大量的主流仪器驱动及数据采集卡的控制程序，使开发人员 可以方便的对各种设备与仪器进行调用，省去了驱动程序硬件控制程序开发的时间。 ( 5 ) 软件库中包含了多种与外部代码或软件进行连接的机制，如c l f ( c a l ll i b r a d ， f u l l c t i o n ) 、c i n ( c o d ei n t e 而c en o d e ) 、d l l ( d a t a l i l l l ( l a y e r ) 、d d e ( d ”锄i cd a 诅 e x c h a i l g e ) 等。 ( 6 ) 对常用网络协议的支持，如t c p i p 、u d p 等。同时，本身还包括了w e b 发 布功能与d a t a s o c k e t 功能，方便网络、远程测控仪器的歼发。 1 0 第2 苹虚拟仪器概述 2 2 3 基于l a b v i e w 的数据采集 数据采集是l a b v i e w 重要功能之一，程序通过构建的数据采集系统或自动测试系 统从系统外部采集数据并进行转换后传输到系统内部进行处理。对于基于计算机的数据 采集系统来说，所采集数据信号一般为电信号( 如电压、电流等) ，所能处理的信号一 般为数字信号，所以需要将外部的模拟物理量转换为以电信号表示的数字量后再交给数 据分析程序进行处理，这一转换过程称为模拟输入；而有时系统需要向外部提供激励信 号，所以有的数据采集系统也提供模拟输出功能，将内部的数字激励信号转为模拟信号 输出【1 1 ，1 2 】。虚拟仪器的一个特点就是软件即为仪器，所以数据采集系统的软件也代替了 仪器的部分功有，可以实现对硬件设备的控制以及对数据采集和分析等功能。根据应用 层次不同，基于l a b v i e w 的数据采集系统的软件部分一般可由底层驱动程序、应该程 序编程接口( a p p l i c a t i o np r o 鄹a i i 吼i n g1 1 1 妇，简称a p i ) 、l a b v i e w 开发工具三部分 组成【3 5 ，3 6 】，如图2 2 所示。 l a b v i e w 于f 发一 具 应用程序编程接口 底层驱动 图2 2 数据采集系统的软件构成示意图 利用l a b v i e w 组建数据采集系统时，常使用底层驱动程序是n i 公司所提供的数 据采集驱动程序n i d a q 。n l 公司提供了两套n i d a q 驱动程序，t r a d i t i a ln i - d a q 和n i d 舢，都可以与l a b v i e w 和n i 公司提供的硬件产品完美的结合使用。 n a d i t i 伽融n i d a q 是n i 公司在2 0 世纪9 0 年代开发的驱动，对已有的d a q 库进行了 许多改进，包括双缓冲采集、对特定传感器类型提供内置标度等，然而在9 0 年代后期， 由于科技发展迅速，设备更新速度变快，而向t r a d i t i o n a ln i d a q 中添加新特性和设备 同时又要保持a p i 与以前版本的兼容性难度越来越大。n i 公司通过开发一个全新的a p i 设计和体系结构，帮助n i d a q 的开发者们更方便地添加新特性和新设备。n l - d a q m x 的出现，解决现有的驱动问题，并且同时可以优化性能。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 3m a x 配置实用程序 在n i d a q m x 和la _ b v i e w 之间，还有一个称为m a x ( m e a l s u r e m e n t & a u t o m a t i o n e x p l o r e ) 的实用软件。m a x 是一个w m d o w s 的软件接口，用于配置和测试硬件，可以 仿问n i 公司的所有设备( 包括d a q ，g p m ，v 等) ，如图2 3 所示。对用户管 理设备、测试设备等提供了很大的方便【1 5 1 。 2 3l a b v i e w 应用及现状 2 3 1l a b w 在电路中的应用 电路在电子信息技术中的基础地位毋庸置疑，在电子、电气、电力等各种电类技 术领域内，有着不计其数的电路元件和复杂电路，虽然具体功能、作用各不相同，但都 有着相同的定理和规律，所以电路也成为了许多电类专业技术的基础。然而，电路中各 种物理量的变化却是不容易接观察到的，给直观的理解电路带来了一定难度【3 7 3 3 1 。 l a b v i e w 以其交互性好、直观的界面等优势可以为电路技术的学习、实验和相关 设计提供一个崭新的平台，例如进行电路仿真时不但可以用自定义控件模仿各种电路元 件搭建电路，还要以通过改变控件直接改变电路参数，而且电路中产生变化可以立即计 算并通过数字控件、波形图、表格等多种方式在显示器上观察，使用户直观感受电路的 变化，加深对其理解。例如，在电路的谐振现象，在具有电阻r 、电感l 和电容c 元件 的交流电路中，电路两端的电压与其中电流相位一般不同。调节电路元件( l 或c ) 的 参数或电源频率，可以使它们相位相同，整个电路呈为纯电阻性，电路达到这种状态称 第2 苹虚拟仪器概述 之为谐振。下面以串联电路为例，分析电路中的谐振现象。如图2 4 所示的r l c 串联电 1 路，当国= 编= _ 7 兰时，电流达到最大值，此时整个电路中的阻抗呈纯电阻性，电压 与电流相位相同，这时称为串联谐振现象。对于谐振电路，定义品质因数q = 等，通 过l a b v i e w 编写不品质因数q 值下的频率特性响应曲线，可以直观明显地看出品质因 数o 对谐振电路特性的影响。最终程序框图如图2 5 所示。 图2 4 r l c 串联电路 图2 5 赳串联电路程序框图 取l = 2 0 0 p h ，c = 1 0 0 p f ，u s = 1 0 v ，通过改变r 的值来改变品质因数q ，i p l 0 ，2 0 ，4 0 ， 8 0 时，所对应的q = 1 4 l ，7 l ，3 5 ，1 8 ，运行程序后，可得到不同品质因数下的电路频率 特性曲线，如图2 6 所示。 4 e + 64 s e + 6 瓢+ 65 疆+ 66 e + 66 疆+ 6t e + 6t 冠+ 6 跣+ 68 5 e + 6g l + 69 5 e + 61 e + t t i - e 图2 6 不同器质因数下的频率响应 2 3 2l a b v i e w 在模拟电子中的应用 传统方式下，模拟电子电路实验往往需要使用大量的设备仪器，如示波器、信号发 哈尔滨工程大学硕士学位论文 生器、稳压电源、万用表等，不仅成本费用很高，扩展性和灵活性受限，而且存在着设 备老化的问题。另外，在实验过程中，通常要耗费大量时间来搭建电路，对实验数据的 处理及分析的时间很少。虚拟仪器的出现，使得利用有限的设备来搭建一个通用的软、 硬件实验平台变得容易起来【4 2 ，4 3 1 。 基于虚拟仪器的模拟电子实验平台主要包括：p c 机、数据采集卡( 或声卡) 、电路 实验装置组成。数据采集卡具有模拟输入输出、数字输入输出等功能。通过采集卡可生 成实验所需的信号源，模拟出电压、电流等相关量【3 9 1 。 如图2 7 所示，为使用声卡模拟输出声音的程序框图。声波波形为正弦波，可通过 改变声音频率、声音幅值、声音格式等，输出不同的声音。 图2 7 声音模拟程序框图 在图2 8 中程序前面板中可知所生成的声音的所有参数，以及生成声音的波形图， 在虚拟示波器中，可以调节不同的波形。 2 8 声音模拟程序前面板 2 3 3l a b v i e w 在数字电子中的应用 目前，在数字电子电路中主流的电子设计自动化( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ， 1 4 第2 章虚拟仪器概述 e d a ) 软件开发平台e w b 、m a x + p l u s 、p r o t e l 等主要面向专业化设计的应用，使用技 巧软复杂，要达到熟练使用，需要较长时间的经验积累。而l a b v l e w 虽不是专门的e d a 软件，但其基于图形化的框图程序与数字电路逻辑图类似，便于用户掌握操作，非常适 用于数字电子电路的入门学习和实验。此外，如果l a b v w 搭配了数字电子设计相关 的专业工具包后，由于l a b v w 的良好扩展性、生动的交互界面、灵活的自定义功能 特点，与e d a 专业软件相比，也有着其独到之处【4 0 ，4 1 1 。 如图2 9 所示的程序框图，为简单的时钟脉冲，通过定义循环结构内部的函数，每 过一定的间隔，进入循环下一步后就将移位寄存器值反转，占空比的设置可以计算出第 一步中的等待时长。时钟脉冲可以产生不同频率和占空比的周期性电位跳变信号，能用 来同步电路中其它单元的工作时序。 嚷胗瓣陟 匿翌 2 9 时钟脉冲程序框图 在图2 1 0 中，为上述时钟脉冲的前面板，可以设置时钟频率与占空比，生成不同的 时钟脉冲，可以在波形图中显示出来。 嚣频挈匕要 i | 了 1 口o 5 0 z ：= 图2