（机械设计及理论专业论文）缓冲材料动态压缩试验虚拟测试系统.pdf

v i r t u a lt e s ts y s t e mf o rd y n a m i c c o m p r e s st r i a i ，0 nc u s h i o nm a t e r i a l a b s t r a c t c o n s t r u c t i o na n dp r a c t i c eo fp c - d a qs t v l ev i r t u a li n s t r u m e n ti sd i s c u s s e di nt h et h e s i s u s i n g t h et h e o r yo fv i r t u a li n s t r u m e n t ，w ed e v e l o pv i r t u a lt e s ts y s t e mf o rd y n a m i cc o m p r e s st r i a l o nc u s h i o nm a t e r i a l s i tb a s e so nt h ei m p a c tt r i a lm a c h i n ef o rc u s h i o nm a t e d a a n dc o n s i s t so f p i e z o e l e e t r i c i t y a c c e l e r a t i o n s e n s o r ，e l e c t r i c i t ya m p l i f i e r , a d c o n v e r s i o n u n i t p e r s o n a e l c o m p u t e r a n ds o f t w a r es y s t e m d e v e l o p e dw i t h v i s n a lc + + 砀ec o n c e p t s s t r u c t u r e s c h a r a c t e r i s t i c sa n dd e v e l o p m e n to ft h ev i r t u a li n s m u n e ma l e i n t r o d u c e d w h i c hi st h eg u i d el i n eo ft h et h e s i s f o rt h ep i e z o e l e c t r i c i t ya c c e l e r a t i o ns e n s o lw e a n a l y z ei 招t h e o r y , s t t t l c t o r e a n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s a t i e r f i n i s h i n g s o l i dm o d e 】i n p r o e n g i n e e r ，w ei m p o r ti n t oa n s y s ，a p p l ym o d a la n dh a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s ，a n dg e t t h es t r u c t u r ef r e q u e n c ya n dt h ef r e q u e n c yr e s p o n s ec u r v e t h e d i g i t a l f i l t e ri s d e s i g n e df o r f i l t e r i n gt h en o i s ei nt h ei m p a c ts i g n a l w ea l s ou s ew a v e l e tt h e o r y t od e c o m p o s ea n df i l t e rs i g n a l a n d p r a c t i c ei nm a t l a b s e v e m lw a y s a r eu s e dt of o r mt h es c a t t e r i n gd a t ad o 砬si n t oc u r v e s s o f t w a r es y s t e mc a na u t o - c a p t u r ei m p a c ts i g n a l ，s e td a t al e n g t h , a u t o - s a v ed a m f i l e s ，d e s i g n f i l t e r , i m i t a t i o n ，s h o wc t t r v e si ns e v e r a lw a y s ，g u i d et h ee x p e r i m c n t 。a u t o f o i t nt e s tr e p o r t ，a n d h a v eg o o di n t e r f a c e n l ew o r kc a ns e tt h es t o n ei np a c k a g i n gt e s tf i e l d h e l pt oa d v a n c ev i r t u a li n s t r u m e n tt h e o r y t op r a c t i c e 1 1 1 ed e v e l o p e dv i r t l 工a lt e s ts o f t w a r es y s t e mh a sb e e nt h em a i nt o o li nl a b o r a t o r y k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t , t e s t ，p i e z o e l e c t r i c i t ya c c e l e r a t i o ns e n s o r , p c d a q ，s i g n a l p r o c e s s i n g 1 1 课题背景 第一章绪论 包装是我国的一个重要行业，发展越来越快，实现有效率的包装越来越有重要意义。 要实现效率，就必须考虑包装性能和包装成本。包装性能和包装成本在一点程度上相互依 赖和制约，有效率的包装是用最小的包装成本实现最大的包装性能，而这是需要大量的试 验才能完成的，试验的成果需要测试来评价和总结。 为保护商品在流通过程中不受到冲击和振动而破坏，所实施的包装称为缓冲防振包装， 亦称缓冲包装。而将商品、缓冲衬垫材料及包装容器等构成的整体称为缓冲包装系统【”。 商品在流通过程中经历的冲击和振动是其破损的主要原因。因此对包装件及包装缓冲 材料进行冲击振动测定，定量评价其抵抗冲击和振动的性能，从而实现高效率的包装是包 装测试的重要任务。 包装工程中冲击和振动t 顶4 试包括包装件冲击振动测试、缓冲材料的冲击振动测试、产 品易损性能测试等多方面的内容。我们通过对缓冲材料的冲击振动测试，可以得到其缓冲 性能参数( 缓冲系数最大应力曲线，动态应力应变曲线等) 和防振性能参数( 振 动传递率曲线) ，为我们设计包装件系统提供材料方面的依据。类似地，我们对包装件系 统的冲击振动测试，可以了解我们的设计是否合理，是否达到了优化，从而做出性能评价。 另方面，我们可以通过测试，了解产品的脆值，从而判断其易损性能【2 】。 缓冲材料一般具有良好的弹性和恢复性，其缓冲性能实际上是表现为定的体积吸收 一定的冲击能量。 材料的缓冲性能可以通过静态压缩或动态压缩试验确定0 1 。比起静态压缩试验方法， 动态压缩试验因为更接近包装件在流通过程中受到的损害而用得最为广泛。 在国外，缓冲材料的性能测试早己形成了一系列标准化，如日本的j i s z 0 2 3 5 ，美国 的a s t md 1 5 9 6 7 8 0 ，英国的n fh o o 加3 4 等，并且开发了各种与之相适应的应用软 件。我国起步稍晚，虽然也形成了定的规模和标准化，如g b 一8 1 6 7 。但是，与之相配合 的应用软件却比较少，自动化程度低，功能有一定局限，界面不友好，试验使用很不方便。 我校自行设计了y 5 2 2 z f 型缓冲材料冲击试验机，由国营西北机器厂制造，该机的 设计制造填补了国内一项空白。该试验机功能比较齐全，操作使用方便，在国内同行业中 属于领先水平。但是针对该机的外围测试系统却是一直不能让人满意。 以往的冲击测试，或者使用冲击测量仪，或者使用通用的f f t 分析仪采集处理数据。 前者无法给出加速度的时f l | ：j 历程，只能近似给出最大冲击加速度的信息，由于信号中噪声 大小和出现位置的不确定性，会带来不可知的误差。即使后者，除去价格高，为一般的企 业、学校无法承受外，它还有两个缺点，是要求操作者耍具有较高的信号处理的专业知 识，二是因为它并不具有专门的对材科缓；孛性能进行分析的功能。操作者还必须对实验结 果进行二次处理1 4 】。 以前多次开发过与缓冲材料冲击实验机相配合的软件，但都是用c 语言基于d o s 模 式f 编程，人机交互困难，各种功能模块集成程度低，操作麻烦。且数据处理简单，不能 很好的预防各种随机干扰及减弱其对试验结果的影响。不能跟上形势的发展，从而满足试 验的要求。 为此，迫切需要开发用于材料缓冲性能测试的专用设备和仪器。 1 2 课题内容 根据实验室的条件和要求，我们的工作限定在缓冲材料冲击试验机上进行缓冲材料的 性能测试，重点在于缓冲材料动态压缩试验测试仪器。 我们所开发的试验测试仪器应该具有如下的功能： 波形显示功能、信号捕捉功能等； 信号分析和处理功能，如噪声去除、数据拟合等； 材料缓冲性能的分析功能； 试验的自动导引功能： 数据文件的自动管理功能； 实验报告自动生成功能； 另外，这种仪器要求人机交互方便，使用简单，有很强的抗随机干扰能力。 为此，我们将应用当今比较流行的仪器设计技术虚拟仪器技术，来实现测试系统 的开发。这种设计思想将软件视为仪器，在配以基本数据采集模块基础上，利用软件功能， 完全代替以往的仪器功能。软件系统采取模块化设计思想，其功能可以随时添加和扩充。 这种方法条理清晰，理论实践比较成功，显示了强大的生命力。 为了增加测试数据的精确性，充分考虑噪声出现的因素，本文对测试硬件中最重要的 元件压电加速度传感器，利用c a d 和c a e ，进行了动态仿真，求出了结构的前几阶 频率，得出了系统的频率响应曲线，从而在一定程度上对传感器的结构、动态性能以及对 测试精度的影响有了非常深入的了解。 为了剔除信号中的噪声，我们在软件系统中采用了数字滤波器设计功能，设计各种滤 波器滤除噪声，效果十分明显。同时，我们也利用了功能强大的数值计算软件m a t l a b 的小波工具箱，来进行信号噪声的滤除。小波分析方法也是非常有生命力的信号分析方法， 对信号局部特征的观察十分有用。 从试验数据点到曲线趋势的生成需要拟合方法。本课题利用最小二乘法多项式进行拟 合。同时，我们开发了手工拟合模块，用于增加拟合的精度。 1 3 开发工具 对于仪器领域来说，使用虚拟仪器思想， 是仪器”的目标，是一种必然的趋势。所以， 了。 充分利用现有的计算机资源，实现“软件就 开发仪器实际上就转向了开发功能性的软件 软件的开发工具随着计算机技术的发展日新月异，功能越来越多，使用越来越方便。 虚拟仪器思想的提出者，美国国家仪器公司( n i ) 推出了虚拟仪器开发的专用工具 l a b v i e w 和l a b w i n d o w c v t ，它们能够以其直观简便的编程方式、众多的源码级的设备 驱动程序、多种多样的分析和表达功能，为用户快捷地构筑实际生产中所需要的仪器系统 创造了基础条件。l a b v e w 提供一种像数据流一样的编程方式，用户只要连接各个逻辑框 即可构成程序。它的基本程序单位是子虚拟仪器( v i ) 。l a b v i e w 通过图形编程的方法， 建立一系列的v i ，来完成用户指定的测试任务。对于简单的测试任务，可由一个v i 完成； 对于复杂的测试任务，则可按照模块设计的概念，把一项复杂的测试任务变成一系列的子 任务。设计时，先设计各种v i 以完成每项予任务，然后把这些v i 组合起来以完成更大的 2 1 2 课题内容 根据实验室的条件和要求，我们的工作限定在缓冲材料冲击试验机上进行缓冲材料的 性能测试，重点在于缓冲材料动态压缩试验测试仪器。 我们所开发的试验测试仪器应该具有如下的功能： 波形显示功能、信号捕捉功能等； 信号分析和处理功能，如噪声去除、数据拟合等； 材料缓冲性能的分析功能； 试验的自动导引功能： 数据文件的自动管理功能； 实验报告自动生成功能； 另外，这种仪器要求人机交互方便，使用简单，有很强的抗随机干扰能力。 为此，我们将应用当今比较流行的仪器设计技术虚拟仪器技术，来实现测试系统 的开发。这种设计思想将软件视为仪器，在配以基本数据采集模块基础上，利用软件功能， 完全代替以往的仪器功能。软件系统采取模块化设计思想，其功能可以随时添加和扩充。 这种方法条理清晰，理论实践比较成功，显示了强大的生命力。 为了增加测试数据的精确性，充分考虑噪声出现的因素，本文对测试硬件中最重要的 元件压电加速度传感器，利用c a d 和c a e ，进行了动态仿真，求出了结构的前几阶 频率，得出了系统的频率响应曲线，从而在一定程度上对传感器的结构、动态性能以及对 测试精度的影响有了非常深入的了解。 为了剔除信号中的噪声，我们在软件系统中采用了数字滤波器设计功能，设计各种滤 波器滤除噪声，效果十分明显。同时，我们也利用了功能强大的数值计算软件m a t l a b 的小波工具箱，来进行信号噪声的滤除。小波分析方法也是非常有生命力的信号分析方法， 对信号局部特征的观察十分有用。 从试验数据点到曲线趋势的生成需要拟合方法。本课题利用最小二乘法多项式进行拟 合。同时，我们开发了手工拟合模块，用于增加拟合的精度。 1 3 开发工具 对于仪器领域来说，使用虚拟仪器思想， 是仪器”的目标，是一种必然的趋势。所以， 了。 充分利用现有的计算机资源，实现“软件就 开发仪器实际上就转向了开发功能性的软件 软件的开发工具随着计算机技术的发展日新月异，功能越来越多，使用越来越方便。 虚拟仪器思想的提出者，美国国家仪器公司( n i ) 推出了虚拟仪器开发的专用工具 l a b v i e w 和l a b w i n d o w c v t ，它们能够以其直观简便的编程方式、众多的源码级的设备 驱动程序、多种多样的分析和表达功能，为用户快捷地构筑实际生产中所需要的仪器系统 创造了基础条件。l a b v e w 提供一种像数据流一样的编程方式，用户只要连接各个逻辑框 即可构成程序。它的基本程序单位是子虚拟仪器( v i ) 。l a b v i e w 通过图形编程的方法， 建立一系列的v i ，来完成用户指定的测试任务。对于简单的测试任务，可由一个v i 完成； 对于复杂的测试任务，则可按照模块设计的概念，把一项复杂的测试任务变成一系列的子 任务。设计时，先设计各种v i 以完成每项予任务，然后把这些v i 组合起来以完成更大的 2 任务，最后建成的顶层虚拟仪器就成为个包括众多功能子虚拟仪器的集合。 l a b v i e w 还拥有功能超强且庞大的分析函数库，其涵盖了统计、估计、回归分析、 线性代数、信号生成、时域频域分析及数字滤波等众多科学领域。 l a b v i e w 由于能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，能够将繁琐复杂 的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省 时简便，深受用户青睬。与传统的编程语言比较，l a b v f e w 图形编裎方式能够节省9 5 以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响，体现出了极高的效率“。但是，这 些软件工具价格比较昂贵，对于实验室现有的标准来说是无法购买使用的。 使用传统的程序设计语言开发仪器系统存在许多困难。开发者不仅要关，心程序流程方 面的问题，还必须考虑用户界面、数据同步、数据表达等复杂的问题。但是，就实验室要 求来说，使用传统软件开发仪器是现实的。 我们使用虚拟仪器的通用开发软件v i s u a lc + + 。这个软件使用广泛，功能丰富，可以 采用面向对象的技术和模块化开发技术。虽然这样要做的工作非常多，但是它可以利用已 有的软件资源模块( 如数据采集、数字滤波、萄线拟合、频谱分析、数据显示等) ，从而 使效率大大提高。 1 4 论文内容分布 本文采用先陈述局部，后介绍总体的方法来阐述论文。先介绍虚拟仪器技术，这是本 文系统设计的总体思想。在此基础上，作为系统设计的硬件部分之一，本文介绍了传感器 的构成、原理和动态仿真，传感器的性能对于数据的精确性有不可低估的影响。然后着重 介绍两个理论部分：噪声去除技术和数据拟合技术，它们用于实现软件功能。噪声去除能 够增加数据精度，本文将阐述数字滤波器去除噪声的原理与实现，然后介绍了小波对噪声 的去除原理，并在数值分析软件上进行实现。数据拟合技术对于试验成果的辅助作用十分 重大，试验数据从点离散到线趋势的形成需要拟合技术来完成，这有助于通过包装测试的 试验数据形成标准。最后本文根据信号的产生、采集到处理过程，结合虚拟仪器的构成思 想，从硬件系统到软件系统，详细介绍其构成。 2 1 虚拟仪器的概念 第二章虚拟仪器技术 虚拟仪器( v i r t u a li n s t n m a e n t a t i o n ，简称v i ) 是指通过应用程序将通用计算机与功 能化硬件结合起来，采用计算枫开放体系结构取代传统的单机测量仪器，用户可通过友好 的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样，从 而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、存储数据等功能。 与传统仪器一样，它同样划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能模块( 如 图2 1 所示) 。虚拟仪器以透明方式把计算机资源和仪器硬件的测试能力结合，实现仪器的 功能运作。 应用程序将可选硬件( 如g p i b 、v x i 、r s 2 3 2 、d a q ) 和可重复使用源码库函数等 任务，最后建成的顶层虚拟仪器就成为个包括众多功能子虚拟仪器的集合。 l a b v i e w 还拥有功能超强且庞大的分析函数库，其涵盖了统计、估计、回归分析、 线性代数、信号生成、时域频域分析及数字滤波等众多科学领域。 l a b v i e w 由于能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，能够将繁琐复杂 的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省 时简便，深受用户青睬。与传统的编程语言比较，l a b v f e w 图形编裎方式能够节省9 5 以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响，体现出了极高的效率“。但是，这 些软件工具价格比较昂贵，对于实验室现有的标准来说是无法购买使用的。 使用传统的程序设计语言开发仪器系统存在许多困难。开发者不仅要关，心程序流程方 面的问题，还必须考虑用户界面、数据同步、数据表达等复杂的问题。但是，就实验室要 求来说，使用传统软件开发仪器是现实的。 我们使用虚拟仪器的通用开发软件v i s u a lc + + 。这个软件使用广泛，功能丰富，可以 采用面向对象的技术和模块化开发技术。虽然这样要做的工作非常多，但是它可以利用已 有的软件资源模块( 如数据采集、数字滤波、萄线拟合、频谱分析、数据显示等) ，从而 使效率大大提高。 1 4 论文内容分布 本文采用先陈述局部，后介绍总体的方法来阐述论文。先介绍虚拟仪器技术，这是本 文系统设计的总体思想。在此基础上，作为系统设计的硬件部分之一，本文介绍了传感器 的构成、原理和动态仿真，传感器的性能对于数据的精确性有不可低估的影响。然后着重 介绍两个理论部分：噪声去除技术和数据拟合技术，它们用于实现软件功能。噪声去除能 够增加数据精度，本文将阐述数字滤波器去除噪声的原理与实现，然后介绍了小波对噪声 的去除原理，并在数值分析软件上进行实现。数据拟合技术对于试验成果的辅助作用十分 重大，试验数据从点离散到线趋势的形成需要拟合技术来完成，这有助于通过包装测试的 试验数据形成标准。最后本文根据信号的产生、采集到处理过程，结合虚拟仪器的构成思 想，从硬件系统到软件系统，详细介绍其构成。 2 1 虚拟仪器的概念 第二章虚拟仪器技术 虚拟仪器( v i r t u a li n s t n m a e n t a t i o n ，简称v i ) 是指通过应用程序将通用计算机与功 能化硬件结合起来，采用计算枫开放体系结构取代传统的单机测量仪器，用户可通过友好 的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样，从 而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、存储数据等功能。 与传统仪器一样，它同样划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能模块( 如 图2 1 所示) 。虚拟仪器以透明方式把计算机资源和仪器硬件的测试能力结合，实现仪器的 功能运作。 应用程序将可选硬件( 如g p i b 、v x i 、r s 2 3 2 、d a q ) 和可重复使用源码库函数等 任务，最后建成的顶层虚拟仪器就成为个包括众多功能子虚拟仪器的集合。 l a b v i e w 还拥有功能超强且庞大的分析函数库，其涵盖了统计、估计、回归分析、 线性代数、信号生成、时域频域分析及数字滤波等众多科学领域。 l a b v i e w 由于能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，能够将繁琐复杂 的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省 时简便，深受用户青睬。与传统的编程语言比较，l a b v f e w 图形编裎方式能够节省9 5 以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响，体现出了极高的效率“。但是，这 些软件工具价格比较昂贵，对于实验室现有的标准来说是无法购买使用的。 使用传统的程序设计语言开发仪器系统存在许多困难。开发者不仅要关，心程序流程方 面的问题，还必须考虑用户界面、数据同步、数据表达等复杂的问题。但是，就实验室要 求来说，使用传统软件开发仪器是现实的。 我们使用虚拟仪器的通用开发软件v i s u a lc + + 。这个软件使用广泛，功能丰富，可以 采用面向对象的技术和模块化开发技术。虽然这样要做的工作非常多，但是它可以利用已 有的软件资源模块( 如数据采集、数字滤波、萄线拟合、频谱分析、数据显示等) ，从而 使效率大大提高。 1 4 论文内容分布 本文采用先陈述局部，后介绍总体的方法来阐述论文。先介绍虚拟仪器技术，这是本 文系统设计的总体思想。在此基础上，作为系统设计的硬件部分之一，本文介绍了传感器 的构成、原理和动态仿真，传感器的性能对于数据的精确性有不可低估的影响。然后着重 介绍两个理论部分：噪声去除技术和数据拟合技术，它们用于实现软件功能。噪声去除能 够增加数据精度，本文将阐述数字滤波器去除噪声的原理与实现，然后介绍了小波对噪声 的去除原理，并在数值分析软件上进行实现。数据拟合技术对于试验成果的辅助作用十分 重大，试验数据从点离散到线趋势的形成需要拟合技术来完成，这有助于通过包装测试的 试验数据形成标准。最后本文根据信号的产生、采集到处理过程，结合虚拟仪器的构成思 想，从硬件系统到软件系统，详细介绍其构成。 2 1 虚拟仪器的概念 第二章虚拟仪器技术 虚拟仪器( v i r t u a li n s t n m a e n t a t i o n ，简称v i ) 是指通过应用程序将通用计算机与功 能化硬件结合起来，采用计算枫开放体系结构取代传统的单机测量仪器，用户可通过友好 的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样，从 而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、存储数据等功能。 与传统仪器一样，它同样划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能模块( 如 图2 1 所示) 。虚拟仪器以透明方式把计算机资源和仪器硬件的测试能力结合，实现仪器的 功能运作。 应用程序将可选硬件( 如g p i b 、v x i 、r s 2 3 2 、d a q ) 和可重复使用源码库函数等 信号处理 数字滤波 统亡f 分析 数据分析 网络传输 硬复制 文件i o 图形用户接口 结果表达 图2 - i 虚把仪器的内部功能 f i g 2 - 1i n n e rf u n c t i o n o fv i r t u a li n s t r u m e n t 软件结合起来实现模块间的通信、定时与触发。源码库函数为用户构造自己的虚拟仪器系 统提供了基本的软件模块。当用户的测试要求变化时，可以方便地由用户自己来增减软件 模块，或重新配置现有系统以满足现有系统的测试要求。所以，虚拟仪器是由用户自己定 义、自由组合的计算机平台、硬件、软件以及完成系统所需的附件，面这在由供应商定义、 功能固定、独立的传统仪器上是达不到的。 独立仪器只有一块仪器面板，例如，示波器只有示波器面板，频谱仪也只有频谱仪的 面板。但是，虚拟仪器的“面板”显示在p c 的屏幕上，仪器的操作是通过鼠标选中不同 的按键和旋钮来完成的。根据实际生产的需要，采用不同的软硬件组合，用户就能在屏幕 _ 匕定义自己的仪器，生成各种不同的“仪器面板”。 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。 虚拟仪器的突出优点在于能够和计算机技术结台，从而开拓了更多的功能，具有很大 的灵活性，由于虚拟仪器的设备利用率高、维修费用低、能够获得较高的经济效益。用户 购买了这种虚拟仪器，就不必再担心仪器会永远保持出厂时既定的功能模式，用户可以根 据实际生产环境变化的需要，通过对软件的不同应用，拓展v i 功能，以便适应实际生产 的需要。虚拟仪器的另外一个突出的优点是能够和网络技术结合，能够通过网络借助o l e t o b j c o t l i n k i n g a n d e m b e d d i n g ) 、d d e ( d y n a m i c d a 诅e x c h a n g e ) 技术与企业内部网i n t r a n e t 联接，与外界进行数据通信，将虚拟仪器实时测量的数据输送到i n t r a n e t 。 美国国家仪器公司n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 提出的虚拟测量仪器( v i ) 概念，引 发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算极和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪 器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。 2 2 虚拟仪器的演变与发展 电子测量仪器经历了由模拟仪器、带通用接口总线( g p i b ) 接口的智能仪器到全部 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进步为动力。由于计算机 技术特别是计算机总线标准的发展直接导致了虚拟仪器在p x i ( p c ie x t e n s i o n s f o r i n s m t m e n t a t i o n ) 和v x i ( v m e b u se x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 两大领域中得到了快速 发展。它们成为未来仪器行业的两大主流产品。 大致说来，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段，而这三个阶段又可以说是同步进 行的。 第一阶段利用计算机增强传统仪器的功能。由于g p i b 总线标准的确立，计算机和外 界通信成为可能，只需要把传统仪器通过g p i b 和r s - 2 3 2 同计算机连接起来，用户就可以 用计算机控制仪器。随着计算机系统性能价格比的不断上升，用计算机控制测控仪器成为 一种趋势。这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进。 第二阶段开放式的仪器构成。仪器硬件上出现了两大技术进步：是插入式计算机数 巢焉 信号处理 数字滤波 统亡f 分析 数据分析 网络传输 硬复制 文件i o 图形用户接口 结果表达 图2 - i 虚把仪器的内部功能 f i g 2 - 1i n n e rf u n c t i o n o fv i r t u a li n s t r u m e n t 软件结合起来实现模块间的通信、定时与触发。源码库函数为用户构造自己的虚拟仪器系 统提供了基本的软件模块。当用户的测试要求变化时，可以方便地由用户自己来增减软件 模块，或重新配置现有系统以满足现有系统的测试要求。所以，虚拟仪器是由用户自己定 义、自由组合的计算机平台、硬件、软件以及完成系统所需的附件，面这在由供应商定义、 功能固定、独立的传统仪器上是达不到的。 独立仪器只有一块仪器面板，例如，示波器只有示波器面板，频谱仪也只有频谱仪的 面板。但是，虚拟仪器的“面板”显示在p c 的屏幕上，仪器的操作是通过鼠标选中不同 的按键和旋钮来完成的。根据实际生产的需要，采用不同的软硬件组合，用户就能在屏幕 _ 匕定义自己的仪器，生成各种不同的“仪器面板”。 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。 虚拟仪器的突出优点在于能够和计算机技术结台，从而开拓了更多的功能，具有很大 的灵活性，由于虚拟仪器的设备利用率高、维修费用低、能够获得较高的经济效益。用户 购买了这种虚拟仪器，就不必再担心仪器会永远保持出厂时既定的功能模式，用户可以根 据实际生产环境变化的需要，通过对软件的不同应用，拓展v i 功能，以便适应实际生产 的需要。虚拟仪器的另外一个突出的优点是能够和网络技术结合，能够通过网络借助o l e t o b j c o t l i n k i n g a n d e m b e d d i n g ) 、d d e ( d y n a m i c d a 诅e x c h a n g e ) 技术与企业内部网i n t r a n e t 联接，与外界进行数据通信，将虚拟仪器实时测量的数据输送到i n t r a n e t 。 美国国家仪器公司n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 提出的虚拟测量仪器( v i ) 概念，引 发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算极和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪 器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。 2 2 虚拟仪器的演变与发展 电子测量仪器经历了由模拟仪器、带通用接口总线( g p i b ) 接口的智能仪器到全部 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进步为动力。由于计算机 技术特别是计算机总线标准的发展直接导致了虚拟仪器在p x i ( p c ie x t e n s i o n s f o r i n s m t m e n t a t i o n ) 和v x i ( v m e b u se x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 两大领域中得到了快速 发展。它们成为未来仪器行业的两大主流产品。 大致说来，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段，而这三个阶段又可以说是同步进 行的。 第一阶段利用计算机增强传统仪器的功能。由于g p i b 总线标准的确立，计算机和外 界通信成为可能，只需要把传统仪器通过g p i b 和r s - 2 3 2 同计算机连接起来，用户就可以 用计算机控制仪器。随着计算机系统性能价格比的不断上升，用计算机控制测控仪器成为 一种趋势。这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进。 第二阶段开放式的仪器构成。仪器硬件上出现了两大技术进步：是插入式计算机数 巢焉 据处理卡( p l u g i np c d a q ) ；二是v x i 仪器总线标准的确立。这些新的技术使仪器的 构成得以开放，消除了第一阶段内j 在的由用户定义和供应商定义仪器功能的区别。 第三阶段虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。软件领域砸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。许多行业标准在硬件和软件领域以产生，几个虚拟 仪器平台已经得到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，人们也认 识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键。 2 3 虚拟仪器的构成 从构成要素讲，虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的。从构成方式 讲，则有以d a q 板和信号调理部分为硬件来组成的p c d a q 测试系统，以g p i b 、v x i 、 串行总线系统、现场总线系统等。虚拟仪器系统构成如图2 - 2 所示。 嘲器晶 上 图 象 采 集 卡 d s p t 一 工业自动化软件测量与分析软件传统编程语言 b r i d g ev r e l a bv i e w ( v e e )v 1 s u a lc + + l o c k o u tl a bw i n d o w s c v iv i s u a lb a s i c c o n m p o n e n tc o m p o n e n tw o r k sh i 0 c + + b u i l d e r w o r kv i r t u a l8 e n c hi v i脯i d m 等等 i 几西形钿 l 图2 - 2 虚拟仪器体系结构 f i g 2 - 2s y s t e ms t r u c t u r eo f v i r t u a l i n s t r u m e n t 无论哪种虚拟仪器系统，都是将硬件仪器搭载到笔记本电脑、台式计算机或工作站等 各种计算机平台上，再加上应软件而构成的，实现了用计算机的全数字化的采集测试分析。 因而，虚拟仪器的发展已经与计算机技术的发展步伐完全同步。显示出v i 的灵活性和强 大的生命力。 本文采用的体系结构为：p c 机一v i s u a ic + + 一数据采集卡( 加上信号调理电路) 。 从虚拟仪器采用的总线标准来分，可以细分为： ( 1 ) p c d a q 插卡式 使用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器开发软件，可以构成各种数据采集和虚拟 仪器系统。它充分利用了计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。其关键在于a d 转换 技术。这种方式因为个人计算机使用广泛，插卡式仪器价格便宜，所以特别适合于工业测 控现场、实验室和教学使用。 它的缺点是枫箱内噪声电平高、无屏蔽，电源功率不足，插槽数目少、尺寸受限制等。 另外，i s a 总线的虚拟仪器已经淘汰，p c i 总线的虚拟仪器价格比较昂贵。 据处理卡( p l u g i np c d a q ) ；二是v x i 仪器总线标准的确立。这些新的技术使仪器的 构成得以开放，消除了第一阶段内j 在的由用户定义和供应商定义仪器功能的区别。 第三阶段虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。软件领域砸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。许多行业标准在硬件和软件领域以产生，几个虚拟 仪器平台已经得到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，人们也认 识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键。 2 3 虚拟仪器的构成 从构成要素讲，虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的。从构成方式 讲，则有以d a q 板和信号调理部分为硬件来组成的p c d a q 测试系统，以g p i b 、v x i 、 串行总线系统、现场总线系统等。虚拟仪器系统构成如图2 - 2 所示。 嘲器晶 上 图 象 采 集 卡 d s p t 一 工业自动化软件测量与分析软件传统编程语言 b r i d g ev r e l a bv i e w ( v e e )v 1 s u a lc + + l o c k o u tl a bw i n d o w s c v iv i s u a lb a s i c c o n m p o n e n tc o m p o n e n tw o r k sh i 0 c + + b u i l d e r w o r kv i r t u a l8 e n c hi v i脯i d m 等等 i 几西形钿 l 图2 - 2 虚拟仪器体系结构 f i g 2 - 2s y s t e ms t r u c t u r eo f v i r t u a l i n s t r u m e n t 无论哪种虚拟仪器系统，都是将硬件仪器搭载到笔记本电脑、台式计算机或工作站等 各种计算机平台上，再加上应软件而构成的，实现了用计算机的全数字化的采集测试分析。 因而，虚拟仪器的发展已经与计算机技术的发展步伐完全同步。显示出v i 的灵活性和强 大的生命力。 本文采用的体系结构为：p c 机一v i s u a ic + + 一数据采集卡( 加上信号调理电路) 。 从虚拟仪器采用的总线标准来分，可以细分为： ( 1 ) p c d a q 插卡式 使用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器开发软件，可以构成各种数据采集和虚拟 仪器系统。它充分利用了计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。其关键在于a d 转换 技术。这种方式因为个人计算机使用广泛，插卡式仪器价格便宜，所以特别适合于工业测 控现场、实验室和教学使用。 它的缺点是枫箱内噪声电平高、无屏蔽，电源功率不足，插槽数目少、尺寸受限制等。 另外，i s a 总线的虚拟仪器已经淘汰，p c i 总线的虚拟仪器价格比较昂贵。 本课题采用的体系结构即为p c d a q 插卡式v i 。 ( 2 ) 串口系统 以s 舒a l 标准总线与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。 ( 3 ) 并行口式的v i 这是一种最新发展的可连接到计算机并行口的测试装置，其硬件集成在一个采集盒里 或探头上，软件安装在计算机上，可以完成各种v i 功能。可以组成数字存储示波器、频 谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、 数据记录仪、数据采集器。它的最大好处就是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业， 又可以与台式p c 相连，实现台式和便携式两用，非常方便。由于其价格低廉、用途广泛， 特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。 ( 4 ) g p i b 总线方式的v i g p i b 技术是i e e e 4 8 8 标准的v 1 早期的发展阶段。它的出现使电子测量由独立的单 台手工操作向大规模自动测试系统发展。典型的g p i b 系统由一台p c ，一块g p i b 接口卡 和若干台g p i b 仪器通过g p i b 电缆连接而成。在标准情况下，一块g p i b 接口卡可以带多 达1 4 台仪器，电缆长度可达2 0 m 。g p i b 技术可以用计算机实现对仪器的操作和控制，代 替传统的人工操作方式，很方便地把多台仪器组合起来，形成大的自动测试系统。g p i b 测试系统的结构和命令简单，造价较低，主要市场在台式仪器市场。适用于精确度要求高， 但是对计算机速率要求和总线控制实时性要求不高的传输场合使用。 ( 5 ) v 总线方式的v i v x i 总线是高速计算机总线v m e 在v i 领域的扩展，具有稳定的电源，强有力的冷 却能力和严格的r f i e m i 屏蔽。由于它的标准开放，而且具有结构紧凑、数据吞吐能力强、 定时和同步精确、模块可重复使用、众多仪器厂家支持的优点，得到了广泛的应用。经过 十多年的发展，v x i 系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统 以及对速度、精度要求高的场合。有其他仪器无法比拟的优势。然而，组建v x i 总线要求 有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。 ( 6 ) p 总线方式的v i p x i 是在p c i 总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，具有多板同步触 发、精确定时的星形触发、相邻模块间高速通讯的局部总线以及高度的可扩展性等优点， 适用于大型高精度集成系统。p x i 具有8 个扩展槽，而台式p c i 系统只有3 4 个扩展槽， 通过使用p c i - - p c i 桥接器，可扩展到2 5 6 个扩展槽，台式p c 的性能价格比和p c i 总线面 向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来的虚拟仪器平台。 g p i b 于1 9 7 8 年问世，v x i 于1 9 8 7 年问世，p x i 于1 9 9 7 年问世。p c 插卡式于8 0 年代初问世，并行口方式于1 9 9 5 年问世，串口u s b 方式于1 9 9 9 年间世。 v i 系统的核心部分是软件。一般而言，v i 的软件由用户应用软件、试验程序和测量 仪器驱动程序等三个部分组成。 2 。4 虚拟仪器的特点及发展趋势 把虚拟仪器和传统仪器加以比较，得出结果如下表2 1 所示。 n i 国际销售经理n o r m a ny e e 甩简明扼要的一句话，就透彻地说明了虚拟仪器与传统 仪器的根本区别，他指出：“传统的独立仪器由制造商来定义它的功能，而虚拟仪器完全 由用户定义仪器的功能”。 虚拟仪器系统已成为仪器领域的一个基本方案，是技术进步的必然结果。虚拟仪器系 6 本课题采用的体系结构即为p c d a q 插卡式v i 。 ( 2 ) 串口系统 以s 舒a l 标准总线与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。 ( 3 ) 并行口式的v i 这是一种最新发展的可连接到计算机并行口的测试装置，其硬件集成在一个采集盒里 或探头上，软件安装在计算机上，可以完成各种v i 功能。可以组成数字存储示波器、频 谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、 数据记录仪、数据采集器。它的最大好处就是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业， 又可以与台式p c 相连，实现台式和便携式两用，非常方便。由于其价格低廉、用途广泛， 特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。 ( 4 ) g p i b 总线方式的v i g p i b 技术是i e e e 4 8 8 标准的v 1 早期的发展阶段。它的出现使电子测量由独立的单 台手工操作向大规模自动测试系统发展。典型的g p i b 系统由一台p c ，一块g p i b 接口卡 和若干台g p i b 仪器通过g p