（材料加工工程专业论文）基于虚拟仪器的铝合金变极性等离子焊接检测系统.pdf

摘要 摘要 诗算祝按术与溅餐仪器技术懿缝合，寤现了黪靛浏试莰嚣蕊熬坟器。采 用虚拟仪器的软件战略，是第三代自动测试系统的发展方向。运用虚拟仪器技术 麓够达到共享醺俘积软件资源，侠遴建缀建各种鑫动潮试系统，并可以方馁跑利 用计算机的强大功能，进行信号分析、数据处理、存储以及豳形化鼹示等。 铝台金变檄性穿孔等离予弧焊接工艺是一种高效、高质羹的焊接工艺，适合 魅空斌天等重要领域锅台金构件焊接的毅方法。穷孔等离子弧焊与激光焊、电子 荣焊同被归入到高能密度焊。把现代计算机技术、测控技术和虚拟仪器技术用于 镪台金交摄蛙等离子弧焊接过程，实王曼了烽接过程的绩患 皂积可追溯性，著为过 程质量控制打下了基础。 本文主要对虚接袄嚣开发平台l a b v i e w 下静铝合鑫变校往等离子弧舜接过 程信号检测作了较为涤入细致的研究探讨。设计开发了检测系统的硬件平台和软 件系统，系统设计的指导思想是班被检测对象的性能特点为依据，充分利用了国 内外成熟的软、硬件产品，蟋持了通用化、模块化、标准化的系统设秘。驻则。 1 ) 介绍了虚拟仪器的发展历史、前燎展望、性能特点及荩在现代测试中的 巍爆，在此基磷羔对纛羧仪器系统实现的爨体步骤及实现过程中震簧艇决弱闼霆 作了分析与探讨。 2 ) 壤撵蠹羧仪器技术懿特点以及瑷代溅试疆论，著在嚣变极穗等离子浮接 设备及焊接工艺进行全面分析的基础上，确定了虚拟仪器系统的硬件总体设计方 案。硬件系统由霍尔传感器、信号谲理电路、数攒采集卡和工业控制计算枫组成。 圊时，参与组装一台以8 0 c 1 9 6 k c 单片枫为控制核心灼变极性等离子弧焊接电 源。 3 ) 根据硬 譬平台鲍特点，以l a b v i 嚣w 语畜盏开发环境，设诗实现了虚拟 仪器的系统软件，系统由主控模块、数据采集模块、信号记录模块、数据读取模 块、分誊厅模块、掇表生戒模块、投警模块祷缝裁。 4 ) 利用所建立的虚拟仪器检测系统，对铝会金变极性等离子焊接过穰中的 电压、电流以及对变极往等离子电鞭力遗行检测分寿厅。通过对电弧电压、电流等 信号的检测分机，提取铝合盎变极性穿孔等离子弧焊接质量特征信息，为铝合金 变极性穿孔等离子弧焊接过程质量闭环控制提供依据。 美键词变极性等离子弧焊接；虚拟仪器；l a b v i e w ；数据采集 。，。，。，。，。，。，。些i 。ii , 一芒鼍鼍尊篁蚌燃摹鼍詈兰詈! ! ! ! 苎燃燃兰! ! 鼍曼! 曼曼兰篁删攀鼍詈詈詈i 黼燃兰鼍詈詈皇! ! ! 曼蔓燃燃孽竺! 鼍曼! 曼曼曼墨墨墨墨霉詈霉_ a b s t r a c t v i r t u a li n s t r u m e n t ，an e w 。s t y l et e s ti n s t r u m e n t ，i st h et e c h n i c a lc o m b i n a t i o no f c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dm e a s u r e m e m ，w h i c hp o i n t so u tt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n o ft h et h i r d g e n e r a t i o n a la u t o m a t i ct e s ts y s t e m t h ea p p l i c a t i o no fv it e c h n i q u ec a l l s a t i s f yt h en e e do fs h a r i n g 也eh 越d w a r ew i t ht h es o f t w a r er e s o u r c e s ，s e tu pa l lk i n d s o f a u t o m a t i ct e s ts y s t e mq u i c k l y b ym a k i n gu s eo f t h es t r o n gf u n c t i o no f c o m p m e li t c a l lc a r r yo u ts i g n a la n a l y s i s ，d a t ap r o c e s s i n g ，s a v i n g ，d i s p l a y i n gi ng r a p h i c a lm o d e a n ds oo n 。 k e y h o l ep l a s m aa r cw e l d i n go fa l u m i n u mi sah i g hp r o d u c t i v i t ya n dh i g hq u a l i t y w e l d i n gp r o c e s s ，a n di san e wp r o c e s so fa l u m i n u ma l l o yc o m p o n e n t si ni m p o r t a n t f i e l d ，s n c ha sa e r o n a u t i c si n d u s t r y , s p a c ei n d u s t r y a n ds oo n k e y h o l ep l a s m aa r c w e l d i n ga sw e l la sl a s e r - b e a mw e l d i n ga n de l e c t r o n b e a mw e l d i n gi s ah i g h - e n e r g y i n t e n s i t yw e l d i n gp r o c e s s 。i ti sp r o v i d e db ya d o p t i n gc o m p m e r , m e a s u r e m e n ta n d v i r t u a li n s t r u m e n ti nk e y h o l ep l a s m aa r cw e l d i n go fa l u m i n u mt h a tw e l d i n gp r o c e s s e s o fi m p o r t a n tc o m p o n e n t sh a v ei n f o r m a t i o n ，t r a c e a b i l i t ya n dq u a l i t ym o n i t o r i n gi n a e r o n a u t i c sa n ds p a c ei n d u s t r y i nt h i sp a p e rv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do f m o n i t o r i n gw e l d i n gp r o c e s s e so fv a r i a b l ep o l a r i t yp l a s m aa r cw e l d i n go fa l u m i n u m a r ed i s c u s s e dd e e p l ya n di nd e t a i lv i r t u a li n s t r u m e n ti sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d 1 1 1 e p r e d o m i n a n ti d e ao ft h es y s t e md e s i g ni sr e l y i n g o nt h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r so ft h e t e s t e do 毯e c t ，f i a l l yu s i n go f t h ew e l l - r o u n d e ds o f t w a r ea n dh a r d w a r ep r o d u c t sa th o m e a n da b r o a d ，a n ds t i c k i n gt ot h ed e s i g nr u l e so fp o p u l a r i z a t i o n ，m o d u l a r i z a t i o na n d s t a n d a r d i z a t i o n 1 ) d e v e l o p i n gh i s t o r y , p r o s p e c te x p e c t a t i o n ，p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r sa n d a p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do fm o d e m d e t e c t i o no fv i r t u a li n s t r u m e n ta r ed e e p l ya n a l y z e d b a s e do nt h i s a c t u a ls t e p sa n dp r o b l e m sn e e dt ob es o l v e di nt i l er e a l i z a t i o no f v i r t u a l i n s t r a n a e n ta r et o t a l l ys u m m e du p 2 、a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so fv i r t u a li n s t r u m e n t ，m o d e mt e s t i n gt h e o r ya n d s y s t e m i ca n da l l s i d e da n a l y s i so nw e l d i n gp o w e ra n dp r o c e s so fv a r i a b l ep l a s m a ， g e n e r a lh a r d w a r ep r o j e c to fv i r t u a li n s t r u m e n ti sc o n f i r m e d ，w h i c hi sc o m p o s e do f s o m ee s s e n t i a le l e m e n t ss u c ha sh a l lc u r r e n ta n dv o l t a g es e n s o r , s i g n a l m o d u l a t i n g c i r c u i t 、d a t aa c q u i s i t i o nc a r da n di n d u s t r i a lc o m p u t e ra n ds oo n ，a tt h es a m et i m e ， v a r i a b t ep o l a r i t yi n v e r t e rp o w e ri sa s s e m b l e d ，w h i c hi sc o n t r o l l e db ym i c r o c o n t r o l l e r 8 0 c 1 9 6 k c 3 ) s o f t w a r eo fv i r t u a li n s t r u m e n ti sd e s i g n e da c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r so f h a r d w a r e u n d e rt h ee n v i r o n m e n to f l a b v i e 、矿s o f t w a r es y s t e mi sm a d eu po fs y s t e m e o n t r o lm o d u l e 、d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，d a t aw f i t i n gm o d u l e ，d a t ar e a d i n gm o d u l e ， s i g n a la n a l y s i sm o d u l er e p o r tg e n e r a t i o nm o d u l e ，a l a r mm o d u l ea n ds oo n 。，。垒耋i 3 警茎j 塑兰垡釜。，。，：，。 4 ) b yt h ev i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e m ，w e l d i n gc u r r e n t ，a r cv o l t a g ea n dp r e s s u r ea r e m e a s u r e di nv a r i a b l ep o l a r i t yp l a s m aa r cw e l d i n go fa l u m i n u m b ya n a l y z i n gt h e s e s i g n a l s ，q u a l i t yc h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o no fv a r i a b l ep o l a r i t yp l a s m aa r cw e l d i n go f a l u m i n u mi se x t r a c t e d ，w h i c hp r o v i d e st h ef o t m d a t i o nf o rt h ec l o s e d l o o pc o n t r o lo f v a r i a b l ep o l a r 曩yp l a s m aa r cw e l d i n go fa l u m i n u m k e y w o r d sv a r i a b l ep o l a r i t yp l a s m a a r c w e l d i n g ( v p p a w ) ；v i r t u a l i n s t r u m e n t ； l a b v i e w ；d a t aa c q u i s i t i o n * i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：运l 盘缸导师签名 日期：! 堕! ：罗 第1 章绪论 1 1 问题的提出 1 1 。1 检测的意义 潮麓是天们认识事凌爨墓獭。当今懿瓣我楚绩惠时代，在王、监和辩技领蠛夔 信息主要通过测量获取。产品的质薰和生产教率是衡量一切生产过程优劣的两项 主要指标。为了获得高质量的产晶，要求机器必须按照给寇的规程运行。通过精 确测蹩，我们才能知暹凝器的运行状态，当发现它偏离娥寇要求，或有偏离援定 要求酌颧囱时，控翻它，使它按麓定的要求运行。测量是入们控制事镑豹第一步。 羽0 量涉及到信譬、信息这两个基本概念。信号是传递某个实际系统状态或信 息的一种物理现象域过程，它的纂本表现形式烃变化的电鹰或电流。而信息是人 类毒会、蠢然器一甥事麓运蘸状态戆特经，楚提供凌策或粼凝豹一静资料。售号 是信息的载体，信息剐是信号经过j n t 处理厝的有用部分”1 。因此，信号的处 理和分析是测量的臌要补充。分析是利用己知数据进行数学处理获得鼹多的信 息，邋过分褫可以搬隐含在一般傣号中的特缀信息提取出米，往人们能受深刻遗 认识零物。 焊接过程质量枪测和自动控制一直是焊接技术研究的徽点。焊接过程控制的 自动化和智能化是朱来焊接技术的发展方向，识焊接过程是一个复杂的过程，焊 接龟擞楚一令多翰入多埝出、强勰合、菲线黢瓣变靛受控对象。电源一溉疆系统 具有时变、非线性及干扰因素多镣特点，因而很难建立起精确的数学模溅。使用 经典控制理论和现代控制理论难以实现自动控制( 或控制效果不佳) 。所以以模 糊控制、 市经网络、专家系统为代袭的智能控制理论在弧蜉过程控制中的应鼹越 亲越广泛8 。j 。 这些控制技术的实现也对梭测提出了更高的要求。一般模拟指针仪表加示波 器的测试方式已满足不了焊接过程测试分析的要求。并且一个测试系统从硬件的 建立到较 串编程燕一个大量量复杂戆工薅，囊予焊接过程豹耱臻挂，浮援礤究大 员与仪器开发人员沟通较为困难，而自己剥用高级语言( 如：v b 、v c 等) 进行 编程又感觉到力不从心，因此，一宜在寻求能满足焊接要求的专用仪器。现代化 的焊接测试系统必须满足：精度窿，测量系统熊够准确的检测被测对象的状态与 参数；离懿嫡应遥浚移楚磐静频率特往；赢蜀纛毪稻褰稳定性；意菇怠 乞：多静 信号分析方法；操作方便和界面友好；经济憾。 1 。1 2 铝合金v p p a w 概述 穿孔等离子弧褥是在饕熔化极气体绦护浑基础上发袋起来的一鹈1 魄强挥方 法。用于焊接的转移型等离子弧，熊功率密度一般为5 1 0 2 w h n m 2 5 1 0 4 w m m 2 。 托意王戴大学工学臻土掌缆论冀 由于等离子弧具有能最集中、射流速度大、电弧力强的特性，等离子射流可以直 接穿遴被焊工件，形成一个贯穿工件厚度方向的d , ： l ( k e y h o l e ) ，因丽，穿孔等离 子孤臻与激光簿、惫子紊浑目被鞠入妥蔫筢密浚滓。与鬻攥镄裰羹弧簿籀院，穿 孔等离子弧焊具有更优秀的工艺晶质，如对于中厚度金属材料，在不开坡口、不 需背面强制成形保护条件下，可以实现单面一次焊双面良好成形，从而极大地提 赢了辫搂生产率，笼獒逶曩于密阕容器、小壹臻嚣浮缝等鸷嚣难子施爆鲶缝麴馋， 而且接头内部缺陷率低，焊件变形小”“。 幽于穿孔等离子独特的物理性能，使得穿孔等离子焊接质量稳定性嫠，这已 成为制约等离子弧焊工业应用进穰及其自身技术发展的主要障碍。穿孔等离子弧 浮接震麓稳定往差主要表褒在浚下氕个方蘑：辫接过程中簿离子弧懿稳定往差， 等离予弧属于一种气体放电现象，对于具有高能最密度的等离子弧来说受到气体 成分、电极状态、焊接材料等多种不可控或完众不可控因素的影响比自幽电弧更 为显萋。因露，等离子弧对焊接王芑和褒范参数缒变化比较敏感。惑范参数靛波 动、现场的干扰及洋枪的毪能对等离子弧的稳定性影响较大，获得良好接头质量 的合理规范参数区间窄、裕度小，在大电流强服缩条件下易出现双弧。焊缝成形 的稳寇性差，对于厚板穿孑l 等离予弧焊，这一问题龙为突出。影响焊缝成形稳定 注懿戮索是多方嚣豹，魏等离子鞭豹稳定洼、淹、蘧滚态金黧麴流动毪、雾琵溶遣 受力状态及平衡性等。因此在穷孔等离子弧焊过程中，利用先进的控制技术，进 一步提高焊接自动化程度，以及实时控制焊缝成形质量，已成为目前研究发展的 重点。 韬合金变投幢穿孔等离子弧焊接工艺是溅遥合中厚扳锅台金焊接豹先进豹 工艺，尤其在航空航天等国防领域的铝合金焊接中优势较为明显。美国等发达国 家早已把这种焊接工艺应用到航象航天领域“3 。目前我国猩这一领域迸是以交 滚方渡t 1 g 海工艺为主，簌效率窝溪羹方瑟整有摆当大懿麓疆。虽然鸯缀多国 内研究者在等离子弧焊接工艺方灏开展了较为深入的研究，并获得了较大的进 展，但这一先进的工艺还没有真正用到我国航嫩航天领域。主磊有以下几个方面 的原因影赜了铝合龛变投性穿孔立爆工艺在实鼯生产中广泛应鼹”“。 ( i ) 铝合金变缀性等离子弧焊接电源以及焊枪等辅韵装置的可靠瞧和精凄 还不能完全满足航空航天领域重袋铝合金构件的焊接要求。 ( 2 ) 焊接过程的实时监测及焊接质量信患传感技术方蕊还有待进一步研究 共有大爨兹工馋要骰，笼其实瓣检测及售惑傍慧方法豹霹实耀 堡方瑟雯鬟；艇大醑 究力鹰。 ( 3 ) 对铝合金变极性等离子弧焊接工艺冰质的认识方酾还不够，还没有认 识和掌握其内在趣绺。 镪会会变较瞧等离子弹接魏愿、电流等动态信号中蕴含了丰富的信惑，著且 直接与物理过程和焊接质量有关，同时具有周期短、频率商、信号幅值焱化剧烈 第1 章绪论 等特点。本课题拟从动态电流、电压和电弧力等信号特征的角度，认识变极性等 离子焊接过程、表征焊接缺陷，为焊接缺陷的在线识别和质量监控探索新方法， 解决焊接质量监控中的在线传感、检测分析等问题，具有重要的理论意义和广阔 的应用前景。 1 2v p p a w 过程质量监控的研究现状 自1 9 世纪8 0 年代以来，国内外焊接界的专家学者在焊接质量的在线控制与 预测方面作了大量的工作，取得了可喜的成果。8 0 年代至9 0 年代初主要是进行 质量信息的检测与建模，侧重于电弧传感器的研究；进入9 0 年代，开始将电弧 传感器、视觉传感器与新的控制决策方法结合起来，使得焊接质量的在线控制与 预测得到了长足发展，在一些发达国家的汽车制造业中，已在焊接生产线上采用 了焊接过程质量的在线检测，并将焊接质量的可记录和可追溯列入其国家标准 o 。”。国内在这方面也做了较多工作，但目前大部分还处于研究阶段，只有极少 部分已应用于焊接生产。因此，在国内开展焊接质量的在线监测与控制研究，有 极其重要的现实意义。特别是虚拟仪器l a b v l e w 的出现，为焊接质量的在线检 测与控制技术进一步提高提供了强有力的支持。 在变极性穿孔等离子弧焊接过程质量控制的研究方面，国内外研究人员着重 研究对小孔行为的传感与实时监测，提出了小孔熔池行为的多种传感方法。如光 电法，在焊缝背面安装光电晶体管来检测焊缝穿孔情况“删；尾焰导电法o “：在 焊件背面放置一金属测量板，检测等离子弧穿孑l 后建立在焊件与测量板之间的尾 焰电压以判断小孔是否存在：通过背面放置的麦克风检测出等离子弧穿透工件时 发出的声频信号以判断小孔的有无。“。美国n a s a 宇航局的工程技术人员，研 制了一种通过检测焊件背面保护气压力，判断小孔建立与闭合的装置。这些方法 由于传感器只放蜀在焊件背面，因此在实际应用中存在着很大的局限性。 正面传感熔池小孔行为的研究也很多。正面传感熔池行为，可从电、声、光 几方面考虑”“。19 9 2 年美国n a s a 宇航局研究人员在铝合金变极性等离子弧焊 过程中，借助光谱分析手段监测小孔行为，利用光谱仪检测了氢谱线和氩原子谱 线的相对辐射强度，发现两者的比值可以反映出小孔存在与否，而两者比值的变 化尚无法区分小孔稳定存在与焊缝切割状态。该项研究可以认为是穿孔等离子弧 焊正面弧光传感最早、也是最基础的研究内容。随后，哈尔滨工业大学、华南理 工大学及北京航空工艺研究所相继开展了深入的研究，取得了重大进展。 图像传感作为f 面传感熔池小孔行为的新方法，日益得到重视，图像传感方 法具有信息量大、不干扰焊接过程等特点。哈尔滨工业大学采用工业黑自摄像机 建立了窄带复合滤光图像传感系统，利用高度变形了的穿孔熔池液态金属表面对 电弧焰心的反光提取到较清晰的熔池图像，对铝合余立焊穿孑l 熔池图像传感及焊 缝稳定成形闭环控制进行了系统研究。目前，图像传感亟待解决的问题是传感器 ， 一。，一，。篓l 雀耋鲎蝥鐾堡篮一，。 ，。! 。，。， 的定位与安装、弧光干扰的排除、数字图像处理及相关信息提取等。”“：。 1 3 本课题的研究内容 j 由上两的分析可知，铝合众变极性穿孔塑等离子弧弹存在许多问题，跣翔焊 接的器种参数是如何影响焊接过程的稳定性，对其工艺蛉本质认识不够。而梭测 是人们认识事物的基础，铝合金变极性等离子焊接的检测技术就成为焊接工作者 磺究蛇关键。本文应用先进鲍捻测技零滢叛仪爨技术建立一套键合金变极性 等离子焊接检测系统。利用该系统完成信号采集、焊接参数记录、焊接过程回放、 焊接信号分孝厅提辍、掇表生成，最终这裂浮接：过纛晦信惑纯，摄取浑接过程矮量 信息，为锅台金变极性等离子弧焊接质量闭环控制打下良好基础。基于以上分析 本文研究内容如下： ( 1 ) 级装一台变极性等离子焊接电源系统，并针对该焊接系统，建立虚拟 仪器检测的硬件系统。 ( 2 ) 在矮建立鲍硬 孛系统上，遴过软传开发平台l a b v i e w ，进行虚搬仪器 软件设计。 ( 3 ) 利蘑掰建立豹虚掇仪器羧溅系绞，鼹箔含金交攘健等离子辉接过程中 的电压、电流及电弧力进行检测分析。通过对电弧电压、电流等信号的检测分析， 提取铝合金交稷瞧穿孔等离子弧霹按质量祷征信息，为锚合金变极性穿孔等离子 弧焊接过程质量闭环控制提供依据。 第2 牵虚拯坟器糕论 第2 章虚拟仪器概论 2 1 廉拟仪器的概念及特点 虚拟仪器技术魁现代计算机技术和仪器技术相结合的产物，是当今计算机辅 助测试领域懿一项整溪技术。它攘动蓑接绞仪器彀羞数字化、赣能他、模块他、 网络化的方向发展2 。 电予测量仪器发展至今，大体上可以分为四代：模拟仪器、数字化仪器、智 能仪器细虚拟仪器。 ( 1 ) 搂毅 交器这类饺器奁浆鏊实验室仍黥看蜀，絮镄针式万爰表、燕体管 电压表等。它们的撼本结构是电磁机械式的，借助指针柬照示最终结果。 ( 2 ) 数字化仪器这类仪器髓前相当普及，如数字电压寝、数字示波器、数 字频遴仪等。这类仪器将模数信号的测量筐转键蕊数字信号，荠以数字方式输出 最终结果，适用于狡速响应和较商准确度豹涮爨。 ( 3 ) 智能仪器这类仪器内鼹微处理器，溉能进行自动测试又具有一定的数 据处理能力，可取代部分脑力劳淤，习惯上称为智能仪器。它的功能块全部都是 强硬 警( 或霆纯熬敬串) 豹形式存在，无论开发还是应蔫，都嫒乏灵活戆。 ( 4 ) 虚拟仪器是现代计算机软、硬件技术和测量技术相结合的产物。是传 统仪器观念的一次巨大变革，是未来仪器发展的一个重要方向。 2 ； ，1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器是由计算机硬件资源( 微处理器、内存、显示器等) 、模块化仪器硬 件( a d 、d a 、数字w o 、定时嚣、信号调理簿) 和用于数据分析、过程通讯和 图形掰户器嚣熬软俘缝疲豹溅控系统，是一萋孛囊诗算援操俸豹摸块他仪器系统， 虚拟仪器功能模块构成如图2 一l 所示。因此，廉板仪器的出现，使测量仪器与计 算机的界限模糊了m 。 虚拟仪器的“艘拟”两字主要包含以下两方面的含义。 ( 1 ) 虚数 叟嚣森板主靛各季卡“匿标”与传统仪器嚣板土的蚤季孛“嚣捧”掰 完成的功能是相同的：由各种开必、按钮、显示器等图标实现仪器电源的“通”、 “断”：实现被测信号的“输入通道”、“放大倍数”等参数的设置，以及实现 测量结暴豹“数僮鬟示”、“波形显示”等。 ( 2 ) 虚拟仪器测量功能是通过对图形纯软件流程圈的编程来实现的。 虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计弹机技术米实现和扩展传统仪器 的功能。出于软件是虚拟仪器的关键，所以当熬本硬件确定以后，就可以通过不 司熬软佟实袋不嗣懿功麓。曩户可爨凝据垂己豹霉要，设诗窭己豹 义器系统，满 足多种多样的应用受求。利用计辣机丰富的软、硬件资灏，可以大大突破传统仪 北京王业大学工学硕士学位论文 器在数据的处理、袭达、传递、储存等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效 果。它不仅可隧建予测量、测试、分凝、诗豢等领域，恧量还焉于进行没釜靛燕 控，鞠予工业过稷囱动亿。 象巢毒控剿数据分褥数懿表达 数据来焦卡数字信号处理k 闲鲳 u 1 7 。丫 g p i b t 史嚣数字滤渡 拷厦输出 p x i 、v x i 仪器 统计文件i ，o r s 2 3 2 仪器 数字分析图形用户接口 謦2 - t 虚毂仪器翡辘枣毒残 f i g 2 一 f u n c t i o nf r a m e o f v i r t u a li n s t r u m e n t 2 2 虚拟仪器灼特点 近几年来，碰拟仪器技术之所以发展翻魏迅速，主要出于和传统仪器相比， 它有辫巨大的优越j 矬。这些优越性主要表现裁如下几个方丽。”j ： ( 1 ) 人机界凝好和操作简鼹易行由于虚拟仪器软件赛厦一般为w i n d o w s 标准下熬应雳程序，萁赛瑟与黻蕊o w s 雾瑟磊疆霹夔菇梅及操 乍方法。孬显虚 拟仪器面板具有与传统仪器面板几乎完全一样的模式，用户在操作软面板时如同 在操作真实的仪器样。并且根据不同的需要，用户可以自已设计虚拟仪器面板。 ( 2 ) 测控效率及测控精度囊采鼹虔毅仪器软件技术戆测控系统，其各个溅 控予过程是在计算祝控铡下遗行的，有很强的程控佳，可黢大艰度遗消除人为操 作困索对测控精度带来的误差。 ( 3 ) 仪器功能升级成本低廉拟仪器系统的设计主要怒在系统硬件功能单元 撬爨鏊本测蕴功能懿藿疆土，对荬派生功憝竣综合功戆翁开发，其主镕为霪羧仪 器软件，对虚拟仪器功能的升级实际上是对廉拟仪器软件所完成功能的避一步拓 展和完善。 ( 4 ) 虚拟仪器系统硬件功筑单元更毅换健易于遴纷在开发仪器系统对，对 仪器魏软件整体臻构逮辛亍辩学合理的蕊魏，傻其软件主体独立于硬 孛的驱动程 序。所以，虚拟仪器就不再依赖于特定的硬件功能单元，当需要更新不问公司或 不同粼号的硬件功能单元时，只骚按系统规定的格式重新丌发该硬件功能单元的 驱动舔序罄露。 ( 5 ) 系统功髓可扩展性好虚拟仪器系统是个开放溅的系统，各硬件功能 单元之间是通过标准接口实现逐接的。只要把新功能单元通过标准总线适接进系 第2 章虚拟仪器概论 统，并把其功能融合到系统中去，即完成了仪器的功能扩展。表2 1 为虚拟仪器 与传统仪器的性能比较表。 表2 - 1 虚拟仪器与传统仪器比较表 t a b l e 2 1c o m p a r a t i v el i s to f v ia n dt r a d i t i o n a li n s t r u m e n t 传统仪器虚拟仪器 制造商定义用户自己定义 硬什是关键软件是关键 设备的功能、规模固定系统功能、规模可通过软件修改、增减 封闭的系统，与其它设备连接受限基于计算机的开放系统，可方便的同外设、网 络及其它应用设备连接 价格昂贵 价格低，可以重复利用 技术更新馒( 周期5 1 0 年)技术更新快( 1 2 年) 开发和维护费用高采用软件结构，大大惜省开支和维护费用 2 2 虚拟仪器的构成 2 ，21 虚拟仪器的硬件构成 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硬件。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、总线标准等方面的发展，推动 了虚拟仪器系统的快速发展。按照测控功能硬件的不同，v i 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，如图2 2 所示。 叫信号调理卜叫数据、图象采集卡卜 一 四i b 接口仪器 卜i 钟i b 接口卡 卜 旧 h h 簦 - + l 串行口仪器，p 让卜 - r c 工作站 f 虚拟仪 器 一 - l v x i 仪器 卜 - 器软件) 一 现场总线( f i e l d ，c m 4 o u s ) 设备 一- l i 瞰仪器 _ - ij 苴它计篁机硬件k - 图2 - 2 虚拟仪器系统硬件结构 f i g 2 - 2h a r d w a r ef r a m eo f v ls y s t e m 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 1 ) g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 通用接口总线，是计算机和仪器 i 刨的标准通讯协议。 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。g p l b 的数据传输速度一般低于5 0 0 k b s ，不适合于对系统速度要求较高的 应用。主要用于实现对带有g p i b 接口的仪器的控制，组成自动测试系统。多用 在实验室或计量室内对测试速度要求不高的项目，也可用于数据采集和过程控制 强心 ( 2 ) 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 ) 系统是一种模块化的仪 器系统平台，是v m e 总线在仪器领域的扩展。 v x i 系统具有体积小、结构紧凑、数据传输效率高( 4 0 m b y t e s s ) 、信息吞 吐量大、系统可靠性强等特点。用v x i 组成的虚拟仪器，适用于测试工作量大、 测试项目复杂、要求测试速度和精度高且空间狭小环境比较恶劣的地方，多用在 高科技和军工部门o “。 ( 3 ) p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) p c i 在仪器领域的扩展，是 n i 公司于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 t p c i 结构和m i c r o s o f tw i n d o w 软件。 p x l 主要面向广大中低档仪器用户，其价格要比v x i 便宜很多，能够满足 不同层次用户对测试、数据采集和工业自动化的应用需求。p x i 即插即用模块， 使用灵活方便，其数据传输速率高( 1 3 2 - - 2 6 4 m b y t e s s ) 。p x i 与g p i b 、v x i 、 c o m p a c t p c i 具有兼容性，可以很方便的组成混合系统3 ”。 ( 4 ) d a q ( d a t aa c q u i s i t i o n ) 数据采集，指的是基于计算机标准总线( 如 i s a 、p c i 、p c 1 0 4 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 d i n s t r u m e n t s ) ，实现“一机多型”和“一机多用”。 在以p c 机为基础的虚拟仪器中插入式数据采集卡( d a q ) 是虚拟仪器系 统中最常用的接口形式之一，其功能是将现场数据采集到计算机，或将计算机数 据输出给受控对象。现代的数据采集( d a q ) 卡品种繁多，功能齐全，d a q 的 采样频率已达到1 g h z ，精度高达2 4 位，通道数高达6 4 个，并能任意结合数字 1 1 0 ，模拟i o 、计数器定时器等通道。能保证仪器的性能、精度与可靠性。在 p c 计算机上挂接若干d a q 功能模块，配合相应的软件，就可以构成台具有 若干功能的p c 仪器”“。 目前，d a q 技术主要应用于高采样速率及直接控制方面。这种基于计算机 的仪器，既具有高档仪器的测量品质，又能满足测量需求的多样性。对大多数用 户来说，这种方案很实用，具有很高的性能价格化，是一种特别适合于我国国情 的虚拟仪器方案。 第2 章虚拟仪器概论 22 2 虚拟仪器系统的软件构成 软件是虚拟仪器的核心，软件设计的是否合理、科学，对于虚拟仪器能否正 常、高效地运行，以及对虚拟仪器现有功能及未来的可扩展性有着极为重要的影 响。n i 公司在提出虚拟仪器概念，并推出第一批实用成果时，就用“软件就是 仪器”来表达虚拟仪器的特征，强调软件在虚拟仪器中极为重要的位置。但这并 不排斥测试硬件平台的重要性。在虚拟仪器系统中用灵活强大的计算机软件代替 传统仪器的某些硬件，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量 特征的解析，使仪器中的一些硬件甚至整件仪器从系统中“消失”，而由计算机 的软硬件资源来完成它们的功能。 虚拟仪器测试系统的软件主要分为：仪器面板控制软件、数据分析处理软件、 仪器驱动软件和通用i o 接口软件o ，如图2 3 所示。 位器面授拄制驮件 0 数据分析处理软件 上 仪器3 瞌自程序 ； 通用 r i o 接口软件v i s ad l l 0 数据采集卡 上 计苴机 图2 3 虚拟仪器系统软件结构 f i g 2 3s o f t w a r ef r a m eo f v is y s t e m 仪器面板控制软件即测试管理层，是用户与仪器之间交流信息的纽带。当完 成虚拟仪器软件设计后，就能在虚拟仪器工作时利用前面板去控制整个系统。 数据分析处理软件利用计算机强大的计算能力和虚拟仪器丌发软件功能强 大的函数库可以极大提高虚拟仪器的数据分析处理能力，节省丌发时间。 虚拟仪器驱动程序是处理与特定仪器进行控制通信的一种软件。仪器驱动器 是虚拟仪器的核心，是用户完成对仪器硬件控制的纽带和桥梁。虚拟仪器驱动程 序的核心是驱动程序函数v i 集，函数v i 是指组成驱动程序的模块化予程序。 通用i o 接口软件作为虚拟仪器系统软件结构中承上启下的一层，其模块化 与标准化越来越重要。v x i 总线即插即用联盟，为其制定了标准，提出了自底向 上的i o 接口软件模型即v i s a ( v i m a a li n s t r u m e n t a t i o ns o f t w a r e a r c h i t e c t u r e ) 。 魏衷工照大学工学骚掌稼论文 作为通用i o 标准，v i s a 具有与仪器硬件接口无关性的特点，即这种软件 结构是黼囱器件功能丽不是丽向接口总线的。应用工程师为诺g p i b 接口仪器所 写懿较俘，遣可强予v x l 系统鬣纂有r s2 3 2 缓弱豹设备上，这群不但大大缩短 了应用程序的开发周期，而且彻底改变了测试软件开发的方式和手段。 2 3 虚拟仪器的发展前景及应用现状 2 ，3 1 虚拟仪器的应用现状 在西方发达国家，尤其是在荧国，虚拟仪器技术的应用已非常广泛，在网防、 电子测鬃、电气化工程、靛空航天、生物医学、工厂试验等各个领域缮裂了广泛 的应麓，并产生了巨大麓经济、翠事和社会效虢潍3 。 美国的g e o m a t i c s 公司和g o l d s m i t h 公司利用这些软、硬件平台分别开发出 了农业自动化灌溉系统和秧苗分析系统，在美困的许多大学，都已经成功地将虚 熬役嚣系统应爱到试验教学帮诗簿援辘蘩教学中。在謦夔方嚣，美军对武器装蓥 的检测研究，已从被劝发现故障稔测，向主动时装备技术状况进行实时稔测的方 向发展，检测系统的特点是以机内测试( b i t ：b u i l di n t e s t ) 为核心，它是以装 备的测试性设计为裁提，这种检测方法其实就楚虚拟仪器披术。现在，该磺技本 己成功地应丽蜀飞机、军舰等大跫武器装备中。 在我国，民用成拟仪器的开发已经起步，例如，清华大学己成功地利用虚拟 仪器技术构建汽车拨动机检测系统，用于汽车出厂前的自动梭测。在超大规模集 藏电爨溺试，搂羧避藏，数字电藏测试、瑗袋褰翅毫器测试、电力、逮予耩释溺 试也得到了初步应用。另外，我国其它一些公司利用虚拟仪器技术也开发出了许 多虚拟仪器产品，诸如西南自动化研究所( 5 8 所) 与成都众维高科技有限公司 联台撩嬲的s w v i 系列虚拟仪嚣梭测设备，森计算撬上实瑷了多通道数据记录、 数舞回数、动态信号分拆等功戆；略尔滨啥特( h t ) 虚叛仪器j j 雯份有隈公司生 产的1 k 系列产品，分别采用i s a 、p x i 、v x i 、g p i b 等总线技术，其采样速率、 测频范幽、通道数均可调，使得一台仪器具有缀高的灵活性；陕西海泰电子有限 公司釜产夔虚攘仪嚣产品，充分获簿7 计算掇瓣强大功戆，怒诗箕掇技零翱d s p 技术及测量技术融合到一起，开发出了具有信号产生、信号分析处理和波形显示 等功能的虚拟仪器系统，同时还具有多通道数据记录、数据存储、动态信号分析、 任意波形发生等功熊。 闲瓣井产燕穗蹴，这些公司的生产囊模都院较小，产赫功能集成凄低，通霸 性差，而在我国的圈防方面，虚拟仪器技术的威用刚刚起步，装备的技术保障能 力还比较落后，许多检测设备功能单一，低水平重复研制，滩以实现标凇化，而 且装备在佳髓上疆鸯改进，裁需裂垂薮疆澍捻测设备，造成了绞大懿资滚滚雯， 与国夕 装备技术保障的现状相比形成了很大的反差。 第2 章虚拟仪器概论 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 自! ! ! ! 目# 自! ! ! e ! ! 自ii ii # ! 邕 总之，无论是在攀越还是民用方嚣，虚拟仪髅技术酌研究、应用在我国都楣 霹落螽，遮与瑷饯捡溺仪器斡获速袋装缀不穗稔。因戴，我锯纛粕速虚瓠仪瓣技 术的研究开发，使之更好地服务于我国的各行备业。 2 3 2 魔拟仪器的发展前景 ( 1 ) 阏绣纯虚缀彼器把虚拯彼嚣与孵络技术糖结台，榴戏阚络纯纛叛仪器 系统是虑拟仪器系统发展的方向之。网络化虚拟智能传感器系统是近年来诞生 的且发展迅速的一种新型虚拟仪器测控系统，它不同于信息数据的传输与通信。 为滚是溺试系统互连、测试鼗撵麴及瓣共享帮提嚣溺试系统王佟可靠性等方囊款 要求，需骚把网络技术嗣测试技术有机的结合，缀建远程虚拟仪器自动测试系统， 实现交互式的远程测掇网络，快速有效地处理因地域等因素产生的问题，使传统 的自动测试观念发生飞跃性变化，为测试系统的发展开辟崭毅途径。 ( 2 ) 智髓纯虚羧纹嚣把专家系统应爱到寝撅仪器技术当中，它稷掇菜锈域 一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人淡专家的决策过程， 以便解决那些需要人炎专家处理的复杂问题是当今虚拟仪器的个亮点。例如， 痉擞纹器鸯穆竖翅终熬鸯效缝合与实嚣虚拟致器麴开发，在实践中证舞，愚 # 鬻 可行的，但是有待于避一步的发展。 ( 3 ) 可互换虚拟仪器可互换虑拟