（机械设计及理论专业论文）高速旋转机械动态测试虚拟仪器的研究.pdf

n 删i n gu n i v e r s i t yo f a e r c i n a u t i c sa n da s 妇r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fm e c h a n i c a l 锄de 1 e c t r i c a le n g i n e 耐n g r e s e a r c h0 nd y n a m i c t e s t i n g v i r t u a li n s t r u m e n to f h i g h s p e e dr o t a t i n g m a c h i n e r v v a1 1 l e s i si n m a c l l i n e 搿t h e o 巧a 1 1 dd e s i 朗 b y l i uy b n g m a d 讥s e d b y p r o y u el i n s u b i i l i t t e di np a n i a 】f l 】1 6 1 】m e n t o fm e i 沁( 1 u i r e m e n t s f o rm ed e g r e eo f m a s t e r0 f e n g i n e e r i n g m a 弘2 0 1 0 承诺书 本人声明所呈交的博士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：翻垂当 日期：乡，里矽 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 动态测试是研究机械设备振动的核心手段之一，机械设备大型化、复杂化和高速化的发展， 对动态测试仪器的性能提出了越来越高的要求。高速旋转机械如航空发动机的振动测试要求通 道数多、并行采集，需要实时在线显示和谱分析，采集的大容量数据不仅要及时存储还需要通 过网络传输到其他计算机进行进一步分析 本文基于商用货架产品( c o t s ) n ip c i 0 4 7 2 数据采集卡硬件和【丑b v w 软件平台开发 了一套用于高速旋转机械动态测试的虚拟仪器，仪器具备数据采集、网络传输、数据存储与回 放，数据分析与显示等功能，并且具有良好的可靠性和可扩展性。 论文进行的具体工作有， ( 1 )基于mp c i 4 4 7 2 数据采集卡，开发了数据采集软件模块，可多路并行高速采集， 触发方式有硬触发和软触发，提供友好的参数设置界面和简捷的采集控制方式； ( 2 )研究了大容量实时数据的网络传输方法，创新性地使用了双t c p 连接的数据传输 方法，实现了客户机与服务器之间的实时通信和高速数据传输；设计了高效的数据 存储与回放模块，可实现大量数据的自动备份，并支持连续回放和逐帧回放等模式； ( 3 )为了灵活定义显示和分析功能，使用x c 伽缸d l 新技术开发了具有独立分析功能的 分析单元。以分析单元为基础，设计了可由用户自定义的分析面板，使得虚拟仪器 适用于多种多样的测试和分析： ( 4 )在测试阶段，通过连续采集实验，锤击实验和偏心电机激励悬臂梁共振实验，验证 了虚拟仪器的多路并行数据采集、网络传输、数据分析等各项功能，并且使用该虚 拟仪器获得了大量测试数据供以后分析使用。 关键词：旋转机械，动态测试，虚拟仪器，数据采集 高速旋转机械动态测试虚拟仪器的研究 a b s t r a c t p 埘_ i l i c 懈d n gi 璐蚋m l e n ti s eo ft h ec o 她m e l o d st os t i i d yt h e 、，i b 枷o n o fm l l i n e 巧 c q u i p i ：吲 1 t s t h ee 驯i o n ，c 伽叩l i c a t i o n a n dc e l e 枷o ft h em e c h a i l i c a lc q u i p i ：n t s d e v e l o p 哪肋th a v ep u tf b 删莉h i g h e r 锄d1 1 i g i i e rm q i l 面即瑚他t 0t h ed y i 删ct e ：s 6 n gi i l s 臼删1 蝴吨 v i b r a t i t 皓t i i l go fl l i g hs p dm t 缸培m h i l l e 锄c h 笛扯r o 锄g i 豫q u i 托sm u l t i c l l a 咖舱l ，p 砌l e l q u i s i t i o 玑a n d0 i l l i 鹏s p c c 协珊a n a l y s i s s 伽et i i n e s ，t t l em 弱s i v ed a 恤s h 仇l dn 优0 i l l yb e 鲫d m g e d i n d m eb u ta l s ob e 船坞i 硎t oo m e r c 伽【l p u t a 瞎f o r 如n ：h e ra n a l y s i s h lt h i st l l e s i s ，a 、，i r t u a li n 鼬m m e m 1 ) f i o rl l i g h - s p e e dr o t a d l l gm a d l i n e 哆由m a i l l i ct e s d i l gw 罄 d c v e l o p e d b 缴d m e n ip c i 出7 2d a t a q u i s i t i c 莉觚dl a b v w 脚眦p l 触岫；i t l l a sm c 缸c d o i 坞o fd a t aa c 删s i t i o i l n e t w o r l 【缸a i l 锄i 豁i o 如鼢as 咖g e 孤dp l a y b a c k 批删y s i sa n d d i s p l a ye t c s a m ek e yt e c l l i l o l o 舀e si i im ep r o c e 豁o f d e v e l o p m e n tw 讹d i s c 璐e d 缸舭龇p o 缸o f 、r i e wo ft e s t i i l gs y s t e md e v e l o p 倒i n t n 圮m a i nt a s ki l u d i l l ga r e 雒f o l l o w s ： a )d e v e l o p e da d a t aa c q u i s i 缸s o f h a 地m o d u l e ，b 弱e d n ip c i 4 4 7 2d a t aa c q i l i s i 石c a r d i tc 孤l l i e v em u l t i 矗啪lp a r a l l e i 锄dh i g 卜s l p e e d q u i s i t i ；b 0 廿ll l a r dt r i g g 盱a n d f i t r i 鹊盯a 他s l l p p 0 删弱w e l i 笛邺* 衔髓d l yp a 跚e t e rs e t t i l l g 觚de a s n yc o i n r o l ； b ) s m d i e d 吐圮t r a 璐衔倒蛐o d so fi l 粥s i v e 托a l m m ed a t a h 帕v a d v e l y 啦e dd o u b kt c p c 0 姗e 甜t o h i e v e l e 砖a l 砸腓c 0 删c 撕柚dt l l et l i 曲一s p e e d 胁缸a 脚l i 鹃i b e t w 嘲t h ec i i ta n dt l l es e n 惯；d e s i 印e d 姐e 伍c i e n td a t as t c 腑g ea n dp l a y b km o d u l e ， 饥a b l e s 卸t o m a t i cb a c k u po f 珊潞i v e 他a l 莉m 纰锄dp r o 、，i d e sc 0 以肌叽sp l a y b a c ka n d 触b y 位呲p l a y b km o d e 鲫p p c 嗄t ； c ) ag r 0 i l po f 锄【a 1 ) ，s i s 硼论w e 豫d e s i 印e db y 吐圮u 辩o f x c 伽由lt e i c h 肿l o g y o nt l l i sb a s i s ，a u s e 翻e f i n e d 锄i a l y s i sp 觚e lw 弱d e s i g n e d 嬲w e u ni 眦陀弱嚣t h en 懿蚴o f 加l a l y s i s ，a n d m a k e s a p p l i c a ：b l et oa 、历d e 翔n j ，eo ft e s 血g 锄da i l a l y s i s ； d ) a tl 嘁ag 唧o f 懿p e r i 账m ti n c l u d 试gc o 而肌sa c q u i s i t i o mh a 眦n e 血g 粗df o i _ c e d 啊b 均6 帆o ft h e n t i l c v 盯w c md o n et ot e s tt h ec l l i e ff i l n c t i 伽晦o f l e r e 跚l t ss i l o wt h a l t h e i s o f 枷o n a ls t m c t i l 地，唧t o 哪圮髓毒e ，s t a ：b l e q 删觚d h 笛g o o d 删c a l i 够 k e 即o r d s ：r 她血gm 孔l l i 】姗功倒珊眈g ，r t l l a lm s t r 啪t ( v d ，d a 纽a c q i l i s i 6 n 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t 第一章绪论_ l 1 1 本文研究目的和意义l 1 2动态测试分析仪器的发展与现状2 1 3虚拟仪器技术简介3 1 4 l a b v i e w 简介7 1 5本文研究的主要内容9 第二章虚拟仪器整体设计。1 1 2 1 虚拟仪器的需求分析。1 1 2 2虚拟仪器概要设计1 4 2 3 主程序设计。1 9 2 4 虚拟仪器界面设计2 3 2 5 本章小结一2 6 第三章数据采集模块。2 7 3 1基于p c 的数据采集硬件系统2 7 3 2 n i - d a c 帅x 简介3 l 3 3数据采集模块的设计。3 4 3 4 采集任务文件3 8 3 5 本章小结3 9 第四章 网络传输模块4 0 4 1 网络传输方案选择4 0 4 2 通信协议设计4 2 4 3 服务器端程序设计。4 4 4 4 客户端程序设计4 6 4 5 本章小结4 7 第五章 数据存储与回放模块钙 5 1 数据存储程序设计。们 5 2 数据文件格式转化工具s l 5 3 数据回放程序设计5 3 5 4 本章小结s s 第六章分析与显示模块s 6 高速旋转机械动态测试虚拟仪器的研究 6 1 6 2 6 3 6 4 第七章 7 1 声振工具包与信号分析理论5 6 分析单元设计6 1 分析面板设计6 5 本章小结。6 7 虚拟仪器的测试与应用6 9 虚拟仪器功能测试6 9 7 2锤击试验。 7 3 偏心电机激励悬臂梁共振试验。7 3 7 4 本章小结。7 8 第八章总结与展望7 9 8 1本文的主要工作7 9 8 2 今后工作展望。7 9 参考文献8 1 致谢i m 在学期间的研究成果及发表的学术论文8 s 南京航空航天大学硕士学位论文 图清单 图1 1 虚拟仪器软件结构图5 图1 2l a b v m w8 5 开发环境8 图2 1 虚拟仪器软件模块结构示意图1 6 图2 2 数据采集模块接口示意图1 6 图2 3 数据传输( 客户端) 模块接口示意图17 图2 4 数据回放模块接口示意图1 7 图2 5 数据存储模块接口示意图1 7 图2 6 数据传输( 服务器) 模块接口示意图l8 图2 7 分析与显示模块接口示意图1 8 图2 8 项目管理界面。1 9 图2 9 主程序框图用户事件响应页面2 0 图2 1 0 主程序事件端口图2 0 图2 1 1 主程序事件程序框图2 1 图2 1 2 动态子路径簇常量2 2 图2 13 切换工作模式程序框图。2 3 图2 1 4 虚拟仪器主界面2 5 图2 1 5 数据采集模式下工具栏状态。2 5 图2 1 6 数据回放模式下工具栏状态2 6 图3 1 典型的基于p c 的数据采集系统2 7 图3 2 三位分辨率下正弦波的数字化3 0 图3 3d a q n 创建通道函数3 1 图3 4d a q n 触发设置函数3 2 图3 5d a q i 肽采样时钟函数3 2 图3 6d a q m x 开始任务函数3 3 图3 7d a i q n 读取函数3 3 图3 8 岫清除任务函数3 3 图3 1 0d a q m x 属性节点使用示例3 4 图3 1 1 数据采集参数设置对话框3 5 图3 1 2 生成采集任务程序框图3 6 图3 13 采集流程图3 7 v 高速旋转机械动态测试虚拟仪器的研究 图4 1 网络传输模块工作流程图4 1 图4 2 控制连接消息格式4 2 图4 3 数据发送顺序4 3 图4 4 传输服务程序框图( 控制线程) 4 4 图4 5 传输服务程序框图( 数据传输线程) 4 5 图4 6 创建连接对话框4 6 图4 7 传输( 客户端) 程序框图。4 7 图5 1r m d 格式规范示意图4 9 图5 2 存储设置对话框5 0 图5 3 存储程序框图5 0 图5 4 壬m 数据管理工具。5 2 图5 5 读取r 皿头文件5 2 图5 6i m d 文件回放操作集合5 4 图6 1x c o i l 缸i o l 控件资源管理器6 l 图6 2 兀叮单元外观6 3 图6 3 肿单元的外观功能程序框图“ 图6 4 面板编辑工具6 7 图7 1 连续采集试验设备图。6 9 图7 2 虚拟仪器功能测试实验原理图6 9 图7 3 虚拟仪器采集结果与示波器比较。7 0 图7 5 锤击试验原理图7 l 图7 6 三层框架结构模型7 l 图7 5 三层框架结构模型频响函数测试界面7 2 图7 6 偏心电机激励悬臂梁模型7 3 图7 7 悬臂梁与电机系统频响函数7 4 图7 8 低速时无明显振动7 4 图7 8 转速为1 9 5 r s 时引起2 3 4 h 2 振动加剧7 5 图7 9 转速为2 3 4 r s 时引起3 1 2 h z 振动加剧。7 5 图7 1 0 转速为3 5 4 r s 时引起3 5 4 h z 振动明显增加一7 6 图7 1 1 转速为3 9 r s 时再次引起2 3 4 h z 振动加剧7 6 图7 1 2 转速为4 7 以时引起系统共振7 6 图7 1 3 转速为6 7 眺时引起1 3 硼【z 振动加剧。7 7 南京航空航天大学硕士学位论文 图7 1 4 转速为8 5 r s 时系统输出很平稳。7 7 图7 1 5 转速为1 3 2 r s 时激起剧烈共振7 8 表清单 表1 1 虚拟仪器与传统仪器的比较6 表2 1 虚拟仪器主要功能列表1 3 表4 1 消息编号与参数说明4 3 表7 1 三层框架结构锤击试验结果比较7 3 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 本文研究目的和意义 第一章绪论 随着机械设备大型化、复杂化、高速化的发展，旋转机械的动态测试越来越被人们关注 特别是高速旋转机械，系统的动态测试是系统设计方案的可行性、合理性和运行可靠性的重要 指标，不仅对设计定型阶段，而且对运行使用阶段都有非常重要的意义【 在总体方案设计定型阶段，为了保证产品的动态性能和结构的合理性，常常需要做模型的 动态测试试验。经动态测试、识别得到系统的数学模型和性能指标，该数学模型和性能指标是 确定产品总体方案的重要的和必不可少的依据。因此，机械设备的动态性能测试是现代机械设 计理论中动态设计的重要方法【2 1 。 在设备运行阶段，尤其是一些高速旋转机械如航空发动机、汽轮机等随时可能发生故障， 给国家经济造成无法挽回的重大损失。因此利用动态测试方法监测机械动态运行参数变化，进 行状态监测和故障诊断防止事故发生，具有十分重要的意义。 动态测试分析仪器或系统是机械系统性能测试和故障诊断的一个核心手段【3 1 。高速旋转机 械如航空发动机振动测试要求采样率高、多路并行采集，需要实时在线显示和谱分析，采集的 大容量数据不仅要及时存储还需要通过网络传输到其他计算机进行进一步分析。 目前，国外动态测试分析仪器已经趋于成熟，形成了较为系统的商业化产品，如美国的 a 百l e n t ，n i c o l e t ，丹麦b & k ，比利时l m s ，奥地利d e 、e t o n 等公司都有相应的动态测试产品。 国内的拓扑测控，东方所，研华科技等在动态测试领域也着几十年的技术积累，研发了一系列 性能优异的动态测试产品。通过对国内外动态测试仪器研究现状的对比，可以发现，这些产品 用途广泛，功能强大，但是往往通用性强而专用性不足，不能很好的满足高速旋转机械动态测 试的要求，如安捷伦公司的3 5 6 7 0 系列产品，小巧便携，但是通道数少，而且难以扩展：b & k 公司的b & k 2 5 2 6 等产品，也存在通道不易扩展，功能不能由用户定义等问题，而且这些仪器 往往价格非常昂贵。 基于商用货架产品( c o t s ) 的动态测试系统，硬件通常使用现成的数据采集硬件模块， 功能强大，性能稳定，而软件系统的功能又完全可以根据用户需求来定义，可以很好的满足高 速旋转机械动态测试的要求，而且这种测试系统还具备成本低，开发周期短可扩展性强等优 点。 所以，为了系统的可靠性和可扩展性，本文所研究的高速旋转机械动态测试虚拟仪器采用 高速旋转机械动态测试虚拟仪器的研究 了基于商用货架产品的虚拟测试系统，即基于n ip c i 4 4 7 2 数据采集卡和m v 】e w 软件平台 的虚拟测试系统。本文以n ip c i _ 4 4 7 2 采集卡和i a b w 软件为基础，研究动态测试系统开发 中的若干关键技术，致力于开发一套具有较好的实用性和可扩展性的高速旋转机械动态测试分 析虚拟仪器。 1 2 动态测试分析仪器的发展与现状 动态测试是指由传感器将工程中随时间变化的物理量转变为电信号，然后经过数据采集将 连续模拟信号转变为数字信号的过程f 4 】。动态测试分析仪器是指具备动态测试与信号分析等功 能的设备或系统。 在过去的四十多年中，无论国际还是国内，动态测试技术都获得了突飞猛进的发展。各种 全新的测试和分析方法雨后春笋般涌现，并在科研、教学特别是工业上获得了广泛应用。从1 9 6 7 年世界上第一台基于f f r 的动态信号分析仪问世以来，动态测试仪器已经经历了四次飞跃【5 】。 第一次飞跃( 1 9 6 7 1 9 7 6 ) ：首台兀丌分析仪问世，并成功应用于动态信号分析和振动试验。 1 9 6 7 年1 0 月，位于美国加州硅谷地区，以开发傅立叶分析仪为目标的t i m e d a t a 公司，研究成 功了世界上第一台基于快速傅立叶变换的h 叮分析仪。1 9 7 2 年，该公司又推出了基于小型计算 机p d p i l 的耽n e 仍a t a l 9 2 3 型n 叮分析仪。与此同时，位于加州的h p 公司也于6 0 年代末推 出了基于h p 小型计算机的h p 5 4 5 0 动态分析仪，随后又于1 9 7 2 年研究成功了h p 5 4 5 1 ，并很 快用于飞机地面和飞行振动试验中。该仪器在振动台随机振动控制、振动模态分析和特征信号 分析中获得了巨大成功，由此形成了动态信号分析仪器的第一次飞跃。 第二次飞跃( 1 9 7 7 1 9 8 6 ) ：大批独立仪器式f f t 分析仪涌现，并在振动、冲击、噪声等工 程领域获得广泛应用。在这次飞跃中，不仅各种型号的r 叮分析仪大量涌现，而且性能普遍提 高。其典型指标为：分析频率范围0 5 0 k h z ，动态范围8 0 d b 。幅值精度0 2 d b 。除了常规的 信号分析之外，还形成了振动模态分析、旋转机械特征分析、声压、声强分析和振动台振动控 制等四大应用领域。 第三次飞跃( 1 9 8 7 1 9 9 6 ) ：多通道、高性能动态信号分析系统的推出，并广泛应用于航空、 航天、汽车、土木等复杂工程结构动态分析与设计，p c 仪器化使动态信号分析在工业界进一步 普及。 第四次飞跃( 1 9 9 6 以后) ：随着p c 机的发展，出现了价格较低的、p c 机加模块化前端构 成的多通道动态分析系统这类系统的特点是模块化“前端”完成数据采集和h 叮等信号分析， 通过标准总线与计算机相连，通过计算机进行测量、控制以及二次信号处理和进一步分析( 如 振动模态分析) p c 机性能的提高引发了测试仪器领域的一场革命性变化，即产生了插卡式加 2 南京航空航天大学硕士学位论文 软件的所谓“虚拟仪器”。 1 3 虚拟仪器技术简介 1 3 1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器( v h t u a lh l s 锄m 胁t ，v i ) 技术是一门新型的技术，它的概念是1 9 8 6 年由美国国 家仪器( n a t i o m lh 塔仃u m e 吣，n i ) 公司首先提出的。n i 公司对虚拟仪器的定义是：虚拟仪器 技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应 用。灵活高效的软件创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集 成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。只有同时拥有高效的软件、模块化i ，o 硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、 开发时间少，以及出色的集成这四大优势嘲。 虚拟仪器包括硬件和软件两个基本要素，硬件功能是获取被测的物理信号，提供信号传输 的通道，软件则是用于实现数据采集、分析、处理以及显示的功能。一般是由主机、根据用户 需要设计的软件以及测量所用的仪器硬件组成。它可代替传统的测量仪器，如示波器、万用表、 信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统；可自由构建成专有仪器系统。 虚拟仪器系统可以广泛地应用在通讯、自动化、半导体、航空、电子、电力、生化制药和工业 生产等各种领域。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把 计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的 成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。 1 3 2 虚拟仪器的硬件系统 构成虚拟仪器的硬件平台有两部分计算机和比i 接口设备r 刀。计算机一般为一台p c 机 或者工作站，是硬件系统的核心。的接口设备一般用于完成被测信号的采集、放大、模数或 模数转换等功能。不同的总线有其相应的i o 接口硬件设备，如p c 总线仪器、g p m 总线仪器、 v x i 总线仪器、串口总线仪器等。这些i o 接口的系统具有各自的特点，在搭建虚拟仪器硬件 系统时，要根据实际需求，兼顾性能、外观、软件开发难度、硬件价格，维护费用等各方面因 素进行选配。 p c 总线系统 p c 总线系统是以数据采集板、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 或计算机本身的i s a 总线，将数据采集卡插入计算机的空槽中即可 3 高速旋转机械动态测试虚拟仪器的研究 它充分利用了计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。 这种方式受p c 机机箱和总线限制，且存在电源功率不足、机箱内部的噪声电平较高、插 槽数目不多、插槽尺寸较小、机箱内无屏蔽等缺点。 插卡式仪器价格最便宜，因个人计算机数量非常庞大，因此其用途广泛，特别适合于教育 部门和各种实验室用。 g p m 总线系统 g p m 总线系统是以g p m 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系 统。g p m 技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很方便 地把多台仪器组合起来，形成大的自动测量系统。g p m 测量系统结构和命令简单，主要市场 在台式仪器市场。适合于精度要求高、但对计算机速率要求不高的传输场合应用。 v x i 总线系统 v = 系统是以i ( i 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。l ( i 总线是高速计算机总线虹在领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格 的啪m i 屏蔽。由于它的标准开放，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，很快得到广泛的应用。经过1 0 多年的发展，日 系统的组建和使用越来越方便，有其他仪器无法比拟的优势，尤其适用于组建大、中规模自动 测量系统以及对速度、精度要求高的场合。然而。组建v = 魁总线要求有机箱、零槽管理器及嵌 入式控制器，造价比较高。 p x i 总线系统 p 总线方式在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，增加了多板同 步触发总线的参考时钟，适合于精确定时的星形触发总线，以便用于相邻模块的高速通信的局 部总线。p 有高度的可扩展槽，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，将形成未来主流的虚拟仪器平台。 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组合。其中， p c 总线系统是构成的最基本的方式，也是最经济的方式，在本文中采用的就是这种系统。 1 3 3 虚拟仪器的软件系统 虚拟仪器概念的提出引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长 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。 “软件即是仪器”这是n i 公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。 虚拟仪器的软件结构分为3 部分：输入输出( 的) 接口软件、仪器驱动程序和应用软件开 4 南京航空航天大学硕士学位论文 发环境。如图1 1 所示 应用软件开发环境 仪器驱动程序 l输入输出( i o ) 接口软件 i 图1 1 虚拟仪器软件结构图 输入输出接口软件存在于仪器与仪器驱动程序之间，是完成对仪器内部的寄存器单元进行 直接存取数据的操作。它是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基础和核心。 仪器驱动程序为用户提供了用于仪器操作的较抽象的操作函数集。对应用程序来说，它对 仪器的操作是通过驱动程序来实现的。仪器驱动程序对仪器的操作和管理又是通过输入输出 ( i o ) 接口软件所提供的统一基础和格式的函数库即虚拟仪器软件体系结构( s a ) 来实现 的。 应用软件是用户采用各种编程软件自己编制的。目前，虚拟仪器系统应用软件的开发环境 主要有两种：一种是基于传统的文本语言的平台，如b a s i c 、c 、j a v a 等：一种是基于图形化 工程环境的平台，如n i 公司的l 丑b v m w 和h p 公司的v e e 等。前者对于开发人员来说，灵活 性更大，但是这要求他们的编程能力和硬件知识的掌握程度较高，使得软件开发周期长、成本 增加，而且软件的移植和维护、可再用性、可重新配置能力也是相当令人头疼的问题。后者是 通过创建和连接图符来创建程序，具有形象直观、便于阅读和调试的特点，图形化编程具有编 程效率高、修改灵活、功能完善、操作与显示界面形象、测试任务控制方便等特点，大大提高 了测试领域生产力，能大大缩短测试系统开发时间，是测试应用软件最流行的发展趋势。本文 选用的就是l 加v 1 e w 开发平台，在本章第4 节将会做进一步的介绍。 1 3 4 虚拟仪器的特点 虚拟仪器的主要特点可以总结为以下几剧8 1 ： 1 、高度集成 虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融为一体，从而将计算机强大的计 算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合起来，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通 过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理，给仪器的使用带来了很大的方便。传统仪器体 积相对庞大，特别对多种数据测量时常常繁复纷乱。然而在集成的虚拟测量系统中，我们见到 的是整洁的桌面，有条不紊的操作，测量人员从繁复中走了出来。 2 、更新较快 5 高速旋转机械动态测试虚拟仪器的研究 虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，计算机技术的飞速发展带来的是虚拟仪器性能 的直接提高。由于计算机性能以摩尔定律( 每1 8 个月提高一倍) 飞速发展，虚拟仪器自始至终 都能自然享用这一很高的技术更新速率，从而将传统仪器远远抛到后面。 3 、扩展性好 相对于传统仪器而言，功能扩展是虚拟仪器的一大特点。新的仪器功能对于虚拟仪器而言， 往往只是意味着软件模块的追加以及硬件插卡的扩充，而不必修改整个仪器框架。 4 、用户参与性强 传统测试仪器的功能由仪器厂商在设计时确定好，一旦仪器生产出来，用户便不可能根据 自己的需要进行修改，虚拟仪器的功能可由用户定义自行定义。 5 、操作简便 虚拟仪器采用完全图形化界面，形象逼真，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可 迅速掌握操作规程。 6 、经济实用 性能优秀的传统仪器产品开发周期长，成本高，容易过时；对于用户来说，则意味着高价 格和要求较高的日常维护和保养。由于计算机软硬件技术的发展，特别是可视化编程语言的出 现使虚拟仪器的开发更加容易，周期更短；从用户的角度来看，软件部分基本不需要什么维护， 各硬卡也和微机显卡、声卡一样，保管和使用都非常方便。 7 、适用面广 虚拟仪器设计已经成为测试与仪器技术发展的一个重要方向。随着高速a d 芯片和电路的 进一步集成化，可以设想在不远的将来，一台安装有虚拟仪器软件的标准微机成为一个多功能 的测量仪器站，一切测量式计量仪器系统，只要技术上可行，都可用这种仪器站代替，从根本 上改变目前专用仪器的研制和生产方式，具有广阔的应用前景。 为了更加清晰的说明虚拟仪器的特点，这里将虚拟测量仪器和传统测量仪器在以下几个方 面进行比较纠。比较结果如表1 1 所示： 6 表1 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 南京航空航天大学硕士学位论文 由此可见与传统的测量仪器相比，虚拟仪器在性能价格比、功能的扩展、更新和重新设置、 与其它设备的信息交换等方面都具有明显的优势。而决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的 特点的根本原因依然在于“虚拟仪器的关键是软件” 1 3 5 虚拟仪器的发展趋势 随着计算机性能的提高和网络技术的发展，虚拟仪器也呈现出更加智能化和网络化的趋势。 智能化体现了软件在虚拟仪器系统中的地位越来越重要，由于虚拟仪器的处理能力和智能 化程度主要取决于仪器软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、 人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。 网络化是虚拟仪器发展最鲜明的趋势【lo 】。随着计算机、通信、微电子技术的不断发展，以 及网络时代的到来和信息化要求的不断提高，网络技术应用到虚拟仪器领域中是虚拟仪器发展 的大趋势。在国内网络化虚拟仪器的概念目前还没有一个比较明确的提法，也没有一个被测量 界广泛接受的定义。其一般特征是将虚拟仪器、外部设备。被测试点以及数据库等资源纳入网 络，实现资源共享，共同完成测试任务。使用网络化虚拟仪器，可在任何地点、任意时刻获取 到测量数据信息的愿望成为现实。网络化虚拟仪器也适合异地或远程控制、数据采集、故障监 测、报警等。 与以p c 为核心的虚拟仪器相比，网络化将对虚拟仪器的发展产生一次革命，网络化虚拟 仪器是仪器发展史上的又一次革命。网络化虚拟仪器将由单台虚拟仪器实现的三大功能( 数据 获取、数据分析及图形化显示) 分开处理，分别使用独立的基本硬件模块实现传统仪器的三大 功能，以网线相连接，实现信息资源的共享。 1 4 l a b v i e w 简介 l a b w ( 【丑b o r a t o r y r t u a ih 缸瑚撇i te n g i n e e 血gw b r l 【b e n c h ，实验室虚拟仪器工程平台) 是n i 公司开发的一种基于g 语言( 渤p l i i c a lp m g r a m m i n gl a n g i l a g e ) 的可视化开发平台。 1 4 1 l a b v w 语言编程 l a b v w 是为替代常规的b a s i c ，c 等常规语言设计的，除了编程方式不同以外，具有 语言的所有特性，所以，l a b v w 不仅仅是一个功能比较完整的软件开发环境，而是一种真正 的编程语言，由于其独特的图形化编程方式，所以又被称为g 语割1 。 如图1 1 所示，l 加v i e w 的编程环境包括两个面板，图中左面的是前面板( p 锄e 1 ) ，用于 7 高速旋转机械动态测试虚拟仪器的研究 编制虚拟仪器的软面板；右面的为程序面板( d i a g r a m ) ，用于编写图形化的g 语言程序源代码。 与c c + + 等传统文本编程不同，i 抽v w 的g 语言是把繁琐、费时的代码编写输入，简化为 使用菜单图标提示的方法选择功能，并用线条把各种功能连接起来的简单图形编程方式。比如， 要进行h 叮运算，只需要从函数库中，调出n 叮子( 相当于c 语言的子程序) 模块，然后 用连接线与输入控制和输出显示的控件连接起来即可。降低了对编程者编程经验和熟练程度的 要求，易于学习和使用，大大提高了编程效率。被誉为“工程师和科学家的语言”。 孵船j 霹耳i 删赫萼鼍紫掰孽冤髑瞪矽翟器翼矿钎第学警飘孽要耀雹野融甄麓湖幽。渺孚耐鼍糌“撕曼时啊鼍堂嚣壤絮篓9 霹 焉跚鼍 q 譬耀蟛登吁翳辨t j l l 旧f 涵一 叵件正) 懿正) 查看凹项目屯) 毋f e 心) 工 ) 窗口瞧) 君助凹i i 瓦_立伴正 麟吧】量看0 9 厦目屯) 女夤作位) 工且旺) 窗口q 】恬肋庙目 蔫? 圄毫i i li 却e 螽程序字体， 12 口v ：品甚， 凸， 囹i 兰万图蛰同丽网丽b 旧t 赢主孬停 ，l l ：。- 带刿 辫缀露；* 趣盈蠡商澎龌删l 翰国赴互z：爱客苎 j 章粤一q 蜊 舞 磊粕j 辨 q 躲 髓 剑 劐：! 劐 i 墨】7 ：圜】| 葛 鏊撕式 磬。 ：一i ! ? 镄 i 圄圈。 o 】 l 啕：蚓霞j i 。i 目圉l 剜豳i 埕囝l l 甄司l固凹l ；囱l ； 譬“ + 濯 固要画圈 l 圆；翌。鲴j g 簦 p ：o ：覆 溪景兢 ： 。+ 疆：圈网：露i 夔竺： 岛。灞 i ；f - h 黟：矧 量i ，o 控撇计与仿鼻 l | j _ ：- - i 壤 仪i ，o ；m 与k “吐 疆觉与遥t l 附加工 包 1 稳曩 鼓掌 - ；用户控件