（机械制造及其自动化专业论文）基于labview的机械传动性能测试系统开发研究.pdf

本课题来源于国家自然科学基金资助项目，项目号为：5 0 4 7 5 1 3 9 。 论文对在机械传动性能测试领域应用虚拟仪器的数据采集技术、 测试分析技术、数字化测量技术和基于虚拟仪器的软件开发技术进行 了较全面、深入、系统的研究。先设计和选择了测试与控制系统的硬 件部分，接着设计与开发了测试系统软件部分，并进行了实验室验证。 论文介绍了虚拟仪器的概念、软硬件结构体系、工作原理、特点、 应用及其开发平台一数据流编程的图形软件l a b v l e w 。 在硬件设计方面，对选用合适的n i 的数据采集卡、运动控制卡 等系统硬件进行了研究。在软件设计方面，利用美国n i 公司的 l a b v i e w 作为测试系统软件部分的开发程序，编写了一组程序完成机 械传动性能测试的控制、数据的采集分析及后处理、屏幕显示面板控 制等。研究表明，系统采用虚拟仪器的方式，大大降低了硬件成本， 论文完成了测试试验台的自动控制和传动性能测试中通用的传动效 率测试、数据采集、振动噪声分析、频谱分析等功能。 论文最后通过采用研究与设计出的测试系统对齿轮箱的传动效 率和振动噪声进行了测试，并对结果进行了分析，测试结果表明，将 虚拟仪器技术应用于机械传动性能测试分析仪器是一次非常有意义 的尝试，以此为基础的测试仪器，具有功能强、精度高、效率高、成 本低、扩展性好的特点，而且界面友好，操作简单，值得推广应用。 处理 关键词：虚拟仪器，l a b v l e w ，机械传动性能，数据采集，信号 a b s t r a c t t h i s r e s e a r c hi ss u p p o r t e db yt h en a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ( g r a n tn o 5 0 1 7 5 11 2 ) t h i sp a p e rd o e sg e n e r a l ，t h o r o u g ha n ds y s t e m i cs t u d i e so nt h ed a t a a c q u i r i n gt e c h n o l o g y , t e s t i n g & a n a l y z i n g , d i g i t a lm e a s u r i n gt e c h n o l o g y a n dt h es o f t w a r e e x p l o i t i n gt e c h n o l o g yb a s e do nv t r t u a li n s t r u m e n t , w h i c ha r eu s e di nt h et e s t i n gf i e l d so ft h em e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n c a p a b i l i t y 。f i r s t l yt h ep a p e rd e s i g n e sa n ds e l e c t e st h eh a r d w a r eo ft h e t e s t i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m ，n e x td e s i g n sa n de x p l o i t st h es o f t w a r eo f t h es y s t e m ，f i n a l l yc a r r y i n gt h ee x p e r i m e n t a t i o nt ov e r i f y t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec o n c e p t s ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r es t r u c t u r e ， p r i n c i p l e ，c h a r a c t e r i s t i c s ，a p p l i c a t i o n so fv i r t u a li n s t r u m e n ta n di td e v e l o p l a n g u a g e - d a t af l o wp r o g r a m m i n ga n dg r a p h i c a ls o f t w a r el a b v i e w a b o u tt h eh a r d w a r e ，t h ep a p e rd i s c u s s e sh o wt oc h o o s et h ef e a t p a r t s 、d a qc a r d 、m o t i o nc o n t r o lc a r df o rt h et e s t i n gs y s t e m a b o u tt h e s o f t w a r e ，t h i sp a p e rs u g g e s t st h a tu s i n gl a b v i e w a st h eb a s i cs o f t w a r e p r o g r a m , a n dc o m p i l eas e to fp r o g r a mt or e a l i z et h ec o n t r o l l i n g ，d a t a a c q u i r i n g ，a n a l y z i n g & d i s p o s i n ga n ds c r e e nd i s p l a y i n gf u n c t i o n s t b e r e s u l to ft h er e s e a r c hi n d i c a t e dt h a ta d o p t i n gv 1w o u l dd e c r e a s et h ec o s t o fs y s t e m ，a n df i n i s h e dt h ef u n c t i o n so ft h em e c h a n i c a l d r i v i n g e f f i c i e n c yt e s t ，d a t aa c q u i s i t i o n v i b r a t i o n & n o i s ea n a l y z i n g , f r e q u e n c y c h a r tm e a s u r i n g a tl a s t , t h i sp a p e rr e c o r d st h et e s ta b o u tt h ed r i v i n ge f f i c i e n c yo f g e a rc a s ea n da n a l y s e st h er e s u l t t h et e s tp r o c e s sp r o v e st h a ta t t e m p t i n g t oa p p l yv i r t u a li n s t r u m e n ti nm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o nc a p a b i l i t yt e s t i n g s y s t e m si ss u c c e s s f u la n ds i g n i f i c a t i v e t h ev i r t u a li n s t r u m e n ti sw i t h p o w e r f u lf u n c t i o n s ，h i g hp r e c i s i o n ，h i g he f f i c i e n c y , l o wc o s lg o o d e x p a n s i b i l i t y , a n df r i e n d l yi n t e r f a c ea n dc a nb eo p e r a t e ds i m p l y i ti sa g o o dp r o j e c tt h a ti sw o r t ht op o p u l a r i z e d k e yw o r d ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，l a b v i e w ， m e c h a n i c a l d r i v e - t e s t i n gc a p a b i l i t y , d a q ，s i g n a lp r o c e s s 验室，实验室主要用于研究机械传动领域的性能以及噪声振动测试评估的研究。 本系统的主要测试对象是变速箱，课题研究也是围绕这一测试对象而展开 的。课题研究要求设计出一套能够自动测量且可以对多种多路信号进行采集分析 的自动控制与测试系统。该系统能够完成对系统测试的自动控制、对多种多路信 号相对独立的采集，对采集来的信息分类处理和综合分析的功能。 系统希望有较低的成本，功能要求比较全面，同时又有良好的可重用性。 系统要求能够采集以下信号；转速、转矩、同时能够振动信号、噪声信号， 能够对6 个通道的数据同时采集且有较高的采集速率。 1 2 国内外研究现状与水平 1 2 1 机械传动性能测试系统综述 机械传动由于其传动性能可靠、传递运动的精度高、速度响应快、传动效率 高等优点，因而在多数机械系统中仍然是主要的传动形式。机械传动的形式也有 多种，如各种齿轮传动、带( 链) 传动、摩擦传动等。 齿轮传动是机械传动中最主要的一类传动装置，它具有速比范围大、功率范 围广、传动效率高、结构紧凑可靠等一系列优点，广泛应用于各种机械设备和仪 器仪表中。现代工业生产系统中几乎无一不含有齿轮装置。齿轮传动性能的好坏 直接影响着机器性能的好坏。齿轮的技术水平在一定程度上代表了机器的技术水 平，因此，齿轮传动技术的发展在很大程度上反映了一个国家机械工业的水平。 现代生产和科技的发展，都要求齿轮传动的性能不断优化，因此对齿轮传动性能 的研究具有深远的意义i - s j 。 随着机械向高效、高速、精密、多功能方向发展，对传动机的功能和性能的 要求也越来越高，机械的工作性能、使用寿命、能源消耗、振动噪声等在很大程 硕士学位论文 第一章绪论 度上取决于传动系统的性能。尽管设计人员在设计时就注意在各个环节改善和提 高整机的机械传递性能，但经理论设计出的机械传动性能往往受到安全系数的限 制，它只能作为参考值。随着科学的发展、技术的进步，机械传动系统的传动方 式、方法、承载能力都有了迅速的发展，人们对产品性能和产品质量提出了更高 更严格的要求。为了对机械传动系统的性能、寿命进行测试和分析，为产品设计 与质量评价提供可靠的科学依据，缩短产品的开发周期和提高产品质量，适应产 品小批量、多品种的发展趋势。因此，有必要对机械传动装置的传动性能进行精 确测试，进而为设计人员提供改进的参考。 我国汽车行业标准q c t 5 6 8 1 9 9 9 适用于载货汽车，越野车，客车所使用的 机械式齿轮变速箱。其主要测试项目有：变速器传动效率试验、噪声测量、动态 刚性试验、疲劳寿命试验、同步器性能和寿命试验等。标准要求在做变速器传动 效率和寿命试验前，应对试验样品进行磨合。变速器传动效率试验设备及装置推 荐采用开式变速器试验台，试验装置有驱动电机、吸功装置( 推荐采用电涡流测 功机) 扭矩传感器、扭矩转速测量仪等。试验载荷：第一轴的输入扭矩取五种， 即分别为所匹配的发动机最大扭矩的2 0 、4 0 、6 0 、8 0 、1 0 0 。扭矩测量偏 差不大于士0 5 。试验转速：第一轴输入转速在所匹配的发动机怠速至最大功率 时的转速范围内均匀取五种转速( 其中应包括最大扭矩时的转速) 。转速测量偏差 不大于5 r m i n 。 变速器的噪声测量：测量场所要求在消声室内测量或者在无消声室情况下， 测量时应选择在本底噪声和反射声影响较小的室内进行，测量场地周围2 m 之内 不得放置障碍物，测量试验台与墙壁之间的距离不得小于2 m 。被试变速器按实 际使用条件安装，安装应有足够的刚度，变速器输入轴的轴心线距离地面的高度 不小于4 0 0 n l n 。 j b t 9 0 5 0 3 - 1 9 9 9 圆柱齿轮减速器加载试验方法，适用于渐开线齿形圆柱 齿轮减速器产品质量鉴定和科研样机的整机性能加载试验。被测试减速器的高速 轴转速不应超过1 5 0 0 r m i n ，齿轮圆周线速度不应超过2 0 m s 。全部试验装置应装 在同一( 或组合) 平台上，要求各部件找平、对中，系统运转灵活。测试项目有加 载转矩( 功率) 、转速等，测试精度不超过读数的1 。优先采用转矩转速传感器 与转矩转速测量仪，并应在被测试减速器的输入输出轴端安装一台传感器，直接 测定试件的输入输出转矩( 功率) 、转速。 j b t 5 5 5 8 - 1 9 9 1 标准规定中的试验方法，适用与蜗杆减速器的产品定型与质 量鉴定、性能评价以及科研样机的整机加载性能试验。被试减速器的蜗杆转速不 超过1 5 0 0 r m i n ，蜗杆副啮合的平均滑动速度不超过1 7 m s 。对试验台及测试装 置的要求与圆柱齿轮减速器试验要求基本相同。 2 硕士学位论文 第一章绪论 i 2 2 机械传动性能测试硬件的现状 机械传动性能测试装置品种繁多，应用广泛，是各种机械产品的动力传动部 件( 如齿轮箱、离合器、连轴器等) 以及各种动力机械( 如发动机、电动机等) 进行工况特性检测及台架磨合或跑合试验的必要设备，也是工科院校及科研院所 常用的教学科研设备。 常见的机械传动性能测试试验台硬件主要由以下几部分组成：( 交) 直流调 速电机驱动系统、传动机构( 试验机构和陪试机构) 、传感器及二次仪表、加载 器、计算机( 单片机) 控制系统等。对于某些传动装置测试系统的一些硬件可能 有不同的选择，但总体上机械传动性能测试系统硬件大致相同。试验台各个主要 零部件的分析、研究和选用请看第三章详细内容。 目前国内工厂、院校及科研机构所使用的机械传动性能试验台主要有两种形 式1 6 l ：一种是各种机械运转试验台架上配置转矩转速传感器及其测量仪或微机数 据采集系统，这种测试系统功能单一，需要人工进行繁琐调试工作，人工加负载， 有的还需要人工读数，记录及必要的计算处理，从而影响测试的效率及精度，并 且无法实现双路同时测量记录、重复定点测量及定时测量控制等。其代表产品主 要有湖南湘仪仪器有限公司生产的j c y 机械传动性能综合测试试验台如图1 1 所示，四川诚邦测控技术有限公司生产的变速器测试系统等。 图i 1j c l 机械传动性能综合测试试验台 另一种是针对某一种特殊机械传动性能试验台架，专门设计综合性的测试控 制系统，尽管这种试验台测试控制分析系统功能很强，可以实现按载荷谱自动程 序加载等，但系统价格昂贵，设计调试工作量非常大，非一般的工厂、院校及科 研机构敢于问津，目前国内只有少数科研院所及大型骨干企业拥有的这种测试设 备。其主要有：太原艾遨汽车检测设备有限公司生产的a t c - 3 型自动变速器试验 台，青岛海泰电气股份合作公司生产的q z b 系列自动变速箱试验台，重庆机床 厂生产的t b f 4 6 5 枷f 5 0 8 a 系列微型汽车变速器综合测试台等。如图1 2 1 4 所示。 3 试验，具有不需要安置耗能装置，节能等优点，而运用很广泛。在封闭系统中， 功率一端流出，又从另一端流入，形成循环封闭流，因此只要从外界输入不多的 能量便可保持系统运转，电动机供给的能量，主要是补偿。国内关于封闭电功率 流型机械传动试验台的情况见诸文献【7 瑚，图1 5 为济南汽车检测中心生产的电 封闭变速器试验台。 硕士学位论文第一章绪论 开放电功率流机械传动试验台由于存在能量消耗大，使用不经济等缺陷，限 制了其应用范围；但其具有结构及控制系统简单、配置灵活、通用性好，成本低 等优点，故在非长期运转的机械传动及变速传动的试验中仍然得到了较广泛的应 用。国内关于开放电功率流型机械传动试验台的情况见诸文献【1 8 2 3 1 传动试验台发展至今，已从最早的开放式试验台发展到机械封闭式试验台， 以及近年来又出现的电封闭式试验台瞄】比较其性能，开放式试验台试验性能 稳定，系统结构简单、适宜于性能试验，其缺点是能量由负载电阻消耗，耗能大， 不宜进行大功率负载试验；机械封闭式试验台能进行大功率负载试验，并能节省 大量能量，试验装置的结构较简单，但试验性能不够稳定，通用性较差，不宜进 行各类传动试验；电封闭式传动试验台采用电功率合流，可节省大量电能，能测 试各种传动系统，通用性强，它的控制系统采用多种保护措施，可靠性高，适宜 于耐久试验。电封闭式试验台兼有机械封闭式试验台和开放式试验台的优点。 目前，国内先后有重庆大学【2 5 御、吉林大学f 2 7 1 及西安重型机械研究所等单位 建立了各自的传动试验台。这些试验台大多建成于八十年代，这些设备基本上都 由人工操作来完成试验的全部过程，自动化程度及试验精度均较低，不能满足一 些试验的需要。为此，人们又提出了模拟控制技术，即利用微机控制试验台，使 其按照给定的转速大小运行，这样就可以在实验室内模拟出被试传动装置的真实 工作环境，并对其性能进行准确的评估 2 8 - - 3 2 1 。利用模拟控制技术可以实现试验 过程的自动控制及试验数据的自动采集处理，极大地提高了试验的技术水平 1 2 3 机械传动性能测试软件的现状 随着科学技术的发展，计算机日益深入到科学研究和生产的各个领域，尤其 是在自动测量和控制方面，计算机正在发挥着越来越重要的作用。常规的测量仪 表和控制装置正在逐渐被计算机自动测量控制系统所代替，于是出现了各种各样 的计算机自动测量控制系统，实现了各种前所未有的功能，进而使生产和科学试 验的自动化程度得以显著提高。 在计算机测试系统硬件迅速发展的同时，系统软件的发展也显得尤为重要， 因为测试系统中任务的实现，最终还是要靠程序的执行来完成。现在比较流行的 编程工具有v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 、d e l p h i 、p o w e rb u i l d 、j a v a 等。 v i s u a lb a s i c 保持了b a s i c 一贯拥有的简单、容易学习的风格，加上微软提 供了功能强大、使用方便的图形设计界面，并可通过动态数据交换( d d e ) 、动 态链接( d l l ) 技术，使v b 应用程序可以调用w m d o w s 操作系统资源，从而 使得v b 可实现超过b a s i c 语言自身的功能。 c ，c + + 几乎是业界的标准。v i s u a lc + + 是微软推出的开发基于w m d o w s 平台 5 硕士学位论文第一章绪论 的程序的开发工具，它包含了功能强大的w m d o w s 应用框架。 d e l p h i 是l n p r i s e ( 原b o r l a n d ) 出品的开发工具。d e l p h i 的强大生命力来自 p a s c a l ，它是以o b j e c tp a s c a l 为设计语言的开发工具。它为用户提供了一个快速 开发3 2 位w i n d o w s 程序的集成开发环境，强大丰富的可视化组件库( v c l ) 方 便了程序员的开发。在d e l p h i 中可以直接调用w i n d o w s a p i ，以满足用户的特殊 需求。 j a v a 是1 9 9 5 年推出的一种新型面向对象的i n t e m e t 编程语言，它具有简单、 动态、可移植、与平台无关和高性能等优点。j a v a 一推出就在业界引起轰动，迅 速成为i n t e m e t i n t r a n e t 应用开发的主要语言。j a v a 是一种纯面向对象语言，它的 语法与c 卜+ 很相似，因此很容易被c + + 程序员接受。 p o w e r b u i l d e r 是著名的数据库应用开发工具生产厂商p o w e r s o f l 公司( 现已 被s y b a 收购) 推出的产品。p o w e rb u i l d e r 不同于其它的程序开发工具，它完 全按照客户，服务器体系结构，为开发信息管理系统而研制设计的开发工具。在 客户服务器机构中，p o w e rb u i l d e r 被作为数据库应用程序的开发工具而放在客 户端。 上面所述许多计算机测控软件的功能十分相似，但由于测控系统本身的差 异，软件的控制界面，数据采集和控制算法等常常靠软件设计人员通过编程从底 层实现。这样的开发软件通常可扩展性和通用性都比较差，而且，工作量大、开 发周期长、可靠性不好。 随着快速开发工具的不断应用，程序开发不再是专业程序员的工作，非程序 设计专业的测控人员也可以快速完成一个测控系统的开发，利用虚拟仪器的测控 软件就可以迅速完成系统开发任务。 虚拟仪器的概念最早是由美国国家仪器( n a t i o n a li n s t r u m e n t s c o r p o r a t i o n ，以下简称n i ) 公司在1 9 8 6 年首先提出。所谓虚拟仪器，就是在 以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，且其 测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统嘲。虚拟仪器的实质是利用计算 机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结 果；利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理；利用i o 接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪 器系统。使用者利用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一 样。 n i 发明了业界领先的虚拟仪器软件平台一一l a b v i e w ，它是一个强大的图形 化开发环境，用于信号采集、测量分析和数据显示，无需传统开发工具的复杂性 就给予了编程语言的灵活性。 6 一 硕士学位论文 第一章绪论 l a b y l e w 将传统通用开发语言的灵活性与交互式“快速开发”技术合而为一， 包括：自动代码生成、测量助手、应用模板和可配置快速v i 技术等，这一切使 得使用者无论开发经验丰富与否，都能快速方便地完成应用开发。利用l a b v l e w 直观的图形化开发特性，可以将精力集中在如何解决测量和控制任务本身，而不 是如何解决编程困难上 对于偏爱基于文本编辑的程序开发者，也可以选用针对a n s i c 和 l a b w i n d o w s c v l 的应用程序开发环境，以及使用v i s u a ls t u d i o n e t 和 m e a s u r e m e n ts t u d i o 进行虚拟仪器开发的工具。m e a s u r e m e n ts t u d i o 开发软件 是建立在m i c r o s o f t 的v i s u a lb a s i c ，c ，和v i s u a lc + + 等通用开发工具的功能 基础上，可提供完整的综合测量解决方案。它提供内置式功能库，用于完成数据 采集、分析和显示任务；简单的拖放式用户界面编辑器，和自动代码生成工具， l a b w i n d o w s c v i 提供了为建立测量应用软件而设计的交互式a n s i c 开发环境。 但是这些工具的使用性能远不如l a b v i e w 的方便、灵活。 2 0 0 4 年美国市场调查数据显示，在基于p c 数据采集和仪器控制领域的领先 应用软件市场份额中，l a b v l d v 占4 3 7 6 ，m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c 占1 3 ，v i s u a l c + + 1 0 ，l a b w i n d o w s c v i 占4 。从这些数据可以看出，l a b v l e w 软件在测控领 域的领先地位。 近年来国内的许多传动装置生产厂家和相关的研究机构，针对人工测试所存 在的缺点开发了一些计算机辅助测试的测试平台，测试装置多采用二次仪表测试 方法，分别用不同的二次仪表测量传动装置输入、输出端的扭矩、转速，再通过 专用的数据处理卡进行处理嘶叫，系统开发语言多采用上述几种基于本文形式的 开发工具，测试系统不但操作复杂、可靠性能差、测试的数据误差大、测量精度 低，而且得到的测试数据很难正确表达效率与转速、效率与扭矩之间的关系，所 以用现代的测试技术代替传统的测试技术很有必要啪1 1 。随着科学技术的发展， 特别是计算机在各个领域的广泛应用，产生了许多新的测试技术与方法。针对传 统测试方法的不足，本文研究并开发新的测试方法，即在l a b v i e w 7 0 环境下开 发了一套机械传动性能测试系统，并在实验室进行验证。结果表明，该系统不仅 简化了仪器操作，增强了测试效果，而且能减少购置二次仪表的费用，增加了测 试系统的使用范围。 本文利用先进的测试和控制软、硬件技术对现有的机械传动性能测试平台进 行升级改造并研究出新型的自动测试系统。不仅可以实现对机械传动装置的传动 效率准确测试，而且还可以对机械传动装置的其他性能( 噪声、振动等) 进行测试 研究。 7 硕士学位论文 1 3 本论文研究的内容、意义、目的 在近代测试与控制系统研究方面，开始更多的借助计算机及软件技术，而对 传统的复杂仪器、分析方法的依赖越来越少。计算机的引入，使得测量与分析更 加方便敏捷，且误差小；配合一些专用的测量分析软件，可使测量与分析实时进 行，缩短了测量与信号处理周期，减轻了研究人员的负担。 总之，将计算机虚拟技术应用在机械传动系统性能测试、数据分析、实时数 据处理及有源噪声控制应用方面前景广阔。本文也是一次将计算机虚拟技术与现 代测试技术结合用于齿轮减速器的传动效率、振动噪声测量、信号分析的有效尝 试。 针对现有测试系统的不足，文章提出了一种新型的测试系统构造方案。即利 用虚拟仪器技术，实现对测试、控制系统的软件化，编写出集数据处理和系统控 制功能一体的应用程序：一方面，有利于对控制系统中心的功能扩展以提高设备 的适用性；另一方面，利用计算机控制技术对电动机驱动装置进行控制以提高整 个系统的自动化程度和测试精度。本文将通过利用虚拟仪器技术对现有的机械传 动效率测试台的测试系统进行研究开发，来验证以虚拟仪器技术为基础的新型测 试系统构造方案对现有的机械传动测试台整体功能的提升的可行性。 文章的主要工作是利用虚拟仪器技术和计算机控制技术对现有的机械传动 性能测试系统进行升级改造。通过对硬件系统和软件系统的分析研究，研制出能 适用于多种机械传动机构的传动性能测试系统，提高实验台的适用性和测试精 度。为此文章将对以下几个方面进行研究： 1 对目前国内、外研制的机械传动测试台进行分析研究，总结出它们的特点， 并在此基础上提出以虚拟仪器技术为基础的新型测试系统的方案； 2 以现有机械传动性能试验台为基础，对新型测试系统的硬件系统和软件 系统进行研究与开发； 3 用研制出的测试系统对齿轮减速箱传动性能的进行实验室测试，以验证 这种新型测试系统策略将对现有机械传动测试台整体功能的提升。 本文以机械传动性能试验台为原型，利用虚拟仪器技术，计算机控制技术对 试验台进行升级改造；自主研究开发出一种具有良好适用性和功能扩展能力，高 精度和自动化的测试系统。在充分利用现有硬件设备的基础上，提高了试验台的 测试精度和操作性能，对类似机械传动性能测试平台的升级改造具有良好的工程 应用价值。 8 硕士学位论文 第一章绪论 1 4 本章小结 本章介绍了本文的课题背景，对课题研究相关内容的国内外研究现状和水平 做了详细介绍，主要讲述了机械传动性能测试系统的软、硬件研究开发现状，最 后对论文的研究内容、意义与目的做了详细的描述。 9 硕士学位论文 l 第二章虚拟仪器技术 第二章虚拟仪器技术 现代电子技术和计算机技术的迅猛发展和普及应用，使得自动化测试与电子 测量仪器这个技术领域发生了革命性的变化。虚拟技术，计算机通信技术与网络 技术是信息技术最重要的组成部分，它们被称为2 l 世纪科学技术中的三大核心技 术。作为虚拟技术的重要组成部分一虚拟仪器技术是目前科技界研究的热点之 2 1 虚拟仪器概述 由于微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子 测试技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新 的仪器结构不断出现，在许多方面已经突破了传统仪器的概念，电子测量仪器的 功能和作用己经发生了质的变化。在这种背景下，美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s ) 在2 0 世纪八十年代最早提出虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 的概 念，同时推出了用于虚拟仪器开发的工程软件包l a b v i e w 。n i 公司提出的“软件 就是仪器( t h es o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ) ”最本质地刻画了虚拟仪器的特征。 它更多地强凋了软件在仪器设计中的作用。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一 场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，对科学技术的发展和工业生产的进 步将产生不可估量的影响。 所谓“虚拟仪器”就是利用p c 计算机显示器( c r t ) 的显示功能模拟传统仪器 的控制面板嘲。以多种形式表达输出检测结果，利用p c 计算机强大的软件功能实 现信号数据的运算、分析、处理。由1 o 接口设备完成信号的采集、测量与调理。 从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。“虚拟”二字主要包含两方面的 含义： 第一虚拟仪器的面板是虚拟的 虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的 功能是相同的。如由各种开关、按键、显示器等实现仪器电源的“通”、“断”， 被测信号“输入通道”、“放大倍数”等参数设置，测量结果的“数值显示”、 “波形显示”等。传统仪器面板上的器件都是“实物”，而且是由“手动”、“触 摸”来进行操作的。而虚拟仪器面板控件是外形与实物相像的“图标”，“通”、 “断”、“放大”等，对应着相应的软件程序。这些软件己经设计好了，用户不 必设计，只需选用代表该种软件程序的图形“控件”即可，由计算机的鼠标“键 l o 硕士学位论文 第二章虚拟仪器技术 击”来对其进行操作因此，设计虚拟面板的过程就是在“前面板”设计窗口中。 从控制模板选取、摆放所需的图形“控件”。尤其是l a b v i e w 图形化编程语言可 在短时间内轻松完成一个美观而又实用的“虚拟仪器前面板”的设计，整个设计 过程轻松而有趣。 第二虚拟仪器测量功能是由软件编程来实现的 在以p c 计算机为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程设计来实现仪器 的测试功能而且可以通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多种测试功能。 因此有在硬件平台确定后。软件就是仪器的说法，它体现了测试技术与计算机 深层次的结合。 2 2 虚拟仪器的特点 虚拟仪器是计算机技术在仪器仪表领域的应用所形成的一种全新的仪器设 计概念，它与传统仪器相比显示出了众多的优点溉删： 2 2 1 。测试集成”和虚拟仪器库 传统仪器功能的单一化比较突出，如示波器，频谱分析仪，信号发生器，万 用表等人们所熟悉的常规仪器都是为完成特定的一项或几项功能而设计制造的， 显然传统仪器无法满足现代仪器仪表微型化、集成化和智能化的要求。而虚拟仪 器顺应时代的发展要求，通过“测试集成”和虚拟仪器库方案，就是将多种测试 仪器的测试功能软件化，将每一种测试功能存储到一个v i 里，形成一个测试库， 这样一台以计算机为核心的虚拟仪器便具备了多种测试功能。 2 2 2 用户有更高的参与性 参与性主要体现在用户可以参与仪器的设计、制造、维修等全过程。传统仪 器中，硬件决定仪器的功能，决定了用户虽然可以提出某些意见和要求，但难以 立刻实现，更说不上参与仪器的设计与制造。从前面提到的“测试集成”的思想 可知，在虚拟仪器设计与制造过程中，用户不仅可以提出意见和要求，而且还可 以白行定义或设计制造满足自身要求的仪器。 2 2 3 充分利用计算机技术的成果 虚拟仪器开发软件一般都集成了功能强大的分析和数据处理库，而且数据的 分析和处理都是由计算机完成的，它可以充分利用计算机预算速度快，储存能力 1 1 硕士学位论文 第二章虚拟仪 强等优点，同时又可继承优秀的计算机软件成果( 例如姒t l a b 的数据处理 组建功能强大的测试系统。而且还可以把专家设计思想融于设计中，使没有经验 的仪器设计师也能很短的时间内完成复杂的测试系统设计。把现代网络技术应用 于仪器设计中，可以实现远程测控。这些方面的优点是传统仪器所无法比拟的。 虚拟仪器与传统仪器的比较见表2 一l ，其最主要的区别是虚拟仪器的功能由 用户使用时自己定义，而传统仪器的功能是由厂商事先定义好的。有人把功能确 定的计算机插卡式仪器也笼统地叫做虚拟仪器，这有背于虚拟仪器与传统仪器本 质的区别。由此可见，没有面向科学家与工程师的图形化编程平台就很难谈得上 广泛普及虚拟仪器。 表2 - l虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器传统仪器 软件使得开发与维护费用降至最低 开发与维护开销高 技术更新周期短( 1 2 年)技术更新周期长( 5 1 0 年) 关键是软件关键是硬件 价格低、可复用与可重配置性强 价格昂贵 用户定义仪器功能 厂商定义仪器功能 开放、灵活，可与计算机技术保持 封闭、固定 同步发展 与网络及其它周边设备方便互联的 功能单一、互联有限的独立设备 面向应用的仪器系统 虚拟仪器的特点可归纳为： 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功 能： 仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好 的； 仪器性能的改进和功能扩展只需要进行相关软件的设计更新，而不需要购 买新的仪器； 研制周期较传统仪器大为缩短； 虚拟仪器开放，灵活，可与计算机同步发展，可与网络及其它周边设备互 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 硕士学位论文 第二章虚拟仪器技术 器的关键是软件。 2 3 虚拟仪器测试系统的组成 1 1 1 2 1 给出了经典虚拟仪器的测试系统构成，通常虚拟仪器的测试系统硬件 组成是被测部件，传感器部件，信号调理及信号采集部件( 如外置或内置数据采 集卡、图形图像采集卡及摄像机及其用于辅助测量并能与计算机通讯的常规仪器 等) ，通用计算机等。系统软件部分通常是用专用的虚拟开发语言( 如l a b v i e w ) 编写而成的。 工业过程 图2 1 经典的虚拟仪器系统构成 图2 2 给出了通用虚拟仪器系统实现方案框图 被信 数 数 据 测 j号 - - - a 采 _ 据 对 调 处 集 象理理 卡 图2 2 虚拟仪器系统实现方案框图 ( 2 ) 并行口式虚拟仪器 最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把硬件集成在一 个采集盒里或一个探头上。软件装在计算机上，通常可以完成各种虚拟仪器的功 能，典型的有c 0 i n v 的i n v 3 0 6 系列和l i n k 公司的d s o - 2 1 x x 系列数字示波器。它们 的最大好处是机可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式p c 机相连， 实现台式和便携式两用，非常方便实用。 ( 3 ) g p i b 总线方式的虚拟仪器 g p i b 技术是i e e e 4 8 9 标准的虚拟仪器早期的发展阶段。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 机、一块g p i b 接口卡和若干台g p i b 形式的仪器通过g p i b 电缆连接而成。在标准情 况下，一块g p i b 接口卡可带多达1 4 台仪器，电缆长度可达2 0 米。 g p i b 技术可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， 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 i b 测量系统的结 构和命令简单，造价较低，适合于要求高的精确度，但不要求对计算机高速传输 状况时应用。 ( 4 ) v x i 总线方式的虚拟仪器 1 ，】( i 总线是一种高速度计算机总线v m e 总线v i 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r f i e m i 屏蔽。由于它的标准开放，结构紧凑， 数据吞吐能力强，定时和同步精确，模块可重复利用。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，有其它仪器无法比拟的优势。然而， 组建v x i 总线要求有机箱、插槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。 ( 5 ) p x i 总线方式的虚拟仪器 p x i 总线方式是在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， 1 4 宰，高质量的a d 转换卡及调理放大器与传感器是基础。 2 5 虚拟仪器开发软件 2 5 1 虚拟仪器的开发语言 虚拟仪器系统的开发语言有：标准c ，v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c 等通用 程序开发语言。但是直接由这些语言开发虚拟仪器系统，是有相当难度的。除了 要花费大量时间进行测试系统面板设计外，还要编制大量的设备驱动程序和底层 控制程序。这些工作对于那些不熟悉这方面知识的工程设计人员来说，要花费大 量的时间和精力，这样直接影响了系统开发的周期和性能。 除了通用程序开发语言以外，还有一些专用的虚拟仪器开发语言和软件，其 中有影响的开发软件有：n i 公司l a b v i e w 、l a bw i n d o w s c v l 。l a b v i e w 采用图形 化编程方案，是非常实用的开发软件。l a bw i n d o w s c v i 是为熟悉c 语言的开发人 员准备的，在w i n d o w s 环境下的标准a n s i c 开发环境。除此以外还有h p 公司的咿 - - v e e ，h p t i g 开发平台，美国t e k t r o n i x 公司的e z - - t e s t 、t e k t n s 平台软件， 这些都是国际上公认的优秀的虚拟仪器开发软件平台。 2 5 2 图形化开发平台l a b v l 明 ( 1 ) 图形化开发软件l a b v i e w l a b v i e w 是l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h 的缩写， 主要用于仪器控制、数据采集、数据分析等领域。l a b v i e w 是一种基于图形编程 语言( g 语言) 的开发环境。它与c 、b a s i c 等传统编程语言有着诸多相似之处， 如相似的数据类型、数据流控制结构、程序调试工具，以及层次化、模块化的编 程特点等。但二者最大的区别在于：传统编程语言用文本语言编程；而l a b v i e w 使用图形语言( 即，各种图标、图形符号、连线等) 以框图的形式编写程序。用 l a b v i e w 编程无需具备太多编程经验。因为l a b v i e w 使用的都是测试工程师们熟悉 的术语和图标。如各种旋钮、开关、波形图等，界面非常直观形象，因此l a b v i e w 对于没有丰富编程经验的测试工程师们来说无疑是个极好的选择。 l a b v l e w 包含丰富的函数库和子程序库，适用于w i n d o w s 3 1 、w i n d o w s 9 5 、 1 5 用于虚拟仪器的硬件模块大体上有4 类接口：g p i b ( i e e e 4 8 8 2 ) 、v x i 总线、 插入式数据图像采集板卡、串行与工业网络。a d 转换技术的发展使插入式数据 采集图像采集板卡发展很快，性能不断提高，得到广泛注意和应用。 l a b v i e w 是一个功能强大的集成开发环境，它完整地集成了与g p i b ，v x i ， r s 一2 3 2 。r s - 4 8 5 和内插式数据采集卡等硬件的通讯。l a b v l e w 还具有内置程序库。 提供了大量的连接机制，通过d l l s 、共享库、o l e 等途径实现与外部程序代码或 软件系统的连接。使用l a b v i e w 开发环境，用户可以创建3 2 位的编译程序，从而 为常规的数据采集、测试等任务提供了更快的执行速度。l a b v i e w 是真正的编译 器，用户可以创建独立的可执行程序，能够脱离开发环境而单独运行。 ( 2 ) 基于l a b v i e w 的虚拟仪器程序设计结构及特点 l a b v i e w 程序称为虚拟仪器程序( v i r t u a li n s t r u m e n t ) ，简称为v i 。一个v i 程序包括三个主要部分：前面板、框图程序、图标连接器。 前面板( f r o n tp a n e l ) 是l a b v i e w 程序的交互式图形化用户界面，用于设置 用户输入和显示程序输出( 其中，用于让用户输入数据到程序中的控件称为“控 制量”；用于显示程序输出的控件称为“指示量”) ，目的是仿真真实仪器的前 面板。 l a b v i e w 本身提供了功能强大的面板设计素材如：旋钮、开关、图形图表显 示器、数字显示器和通用的文本框等。通过这些控件可以很容易的完成面扳设计， 设计出的前面板可接收用户的控制信号和显示输出结果，同时它也自动的实现了 与框图程序的接口。另外，l a b v i e w 实现了开放性设计，允许用户自行设计面板 素材。下面是一个虚拟温度测量仪的前面板，如图2 3 所示。 图2 3 虚拟温度测量仪前面板 1 6 硕士学位论文 第二章虚拟仪器技术 框图程序( b l o c kd i a g r a m ) 是利用图形语言对前面板上的控制量和指示量 进行控制，也是l a b v l e w 作为g 语言集中体现。l a b v i e w 框图程序是基于数据流的 处理方案，传统的