（材料加工工程专业论文）连续挤压机多点参数采集与分析系统的研究.pdf

摘要 摘要 c o n f o r m 连续挤压技术是1 9 7 1 年英国原子能管理局普林菲尔德实验室的科学家发 明的，由于技术原因，最初主要用于铝材的连续挤压。上世纪9 0 年代末，铜材连续挤 压技术有所突破，大连铁道学院连续挤压中心一直追踪于这一先进技术，于2 0 0 4 年在 国内率先成功研制了t l j 4 0 0 连续挤压机。 随着t l j 4 0 0 连续挤压机技术的不断改进，这就要求我们对其自动化程度的追求要 提高，特别是连续挤压机工作时腔体的温度和应力，以及主轴的转速这些重要参数的采 集。以往在数据采集与存储方面，所用的监控软件是组态王软件，该软件的缺点非常明 显，就是采集速度慢，可执行率低。 计算机技术与测量仪器技术的结合，出现了新的测试仪器一虚拟仪器。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。运用虚拟仪器技术能够达到共享硬 件和软件资源，快速地组建各种自动测试系统，并可以方便地利用计算机的强大功能， 进行信号分析、数据处理、存储以及图形化显示等。 本文使用了虚拟仪器的编程语言l a b v i e w 设计的一种新型的连续挤压机多点参数 采集系统，该系统可以将多任务集成到一台计算机上进行检测。利用虚拟仪器技术，可 以方便地实现数据采集、分析、处理、管理和报表生成等功能。同时，数字化的测量和 信号处理提高了系统的稳定性，抑制了干扰信号。 论文结合虚拟仪器的性能特点及其在现代测试中的应用；研制了检测系统的硬件； 研究虚拟仪器测试系统软件实现的各个主要环节，对数据采集、数据处理、数据分析、 数据库访问等技术问题，得出了具体实现的方法。 本文从整体的角度分析了虚拟仪器测试系统的组建，并给出了具体的设计和实现， 对企业组建基于虚拟仪器的测试系统有一定的指导意义。 关键词：连续挤压；虚拟仪器；l a b v i e w ；数据采集；数据分析 大连交通大学工学硕七学位论文 a b s t r a c t c o n f o r mt e c h n o l o g yw a si n v e n t e db yt h ee n g l i s hs p r i n g f i e l d sl a bi n19 7 1 b e c a u s eo f t h et e c h n o l o g y ；i ti sm a i nu s e dt op r o d u c ea l u m i n i u mp r o d u c t i o na tf i r s t i nt h el a t e19 9 0 s ， t h et e c h n o l o g yo fc o p p e rc o n t i n u o u se x t r u s i o nh a sab r e a k t h r o u g h 1 1 1 ec o n t i n u o u se x t r u s i o n e n g i n e e r i n gr e s e a r c hc e n t e r ( c e e r c ) o fd a l i a nr a i l w a yi n s t i t u t eh a sb e i n gt r a c ki nt h i s a d v a n c e dt e c h n i q u ec o n t i n u o u s l y ，a n di nd o m e s t i ct o o kt h el e a di n2 0 0 4s u c c e s s f u l l yt o d e v e l o pt h et l j 4 0 0c o n t i n u o u se x t e u s i o nm a c h i n e a st h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n t i n u o u se x t r u s i o nm a c h i n e st e c h n i q u e ，s ot h i sr e q u i r eu s t op u r s u em o r ea n dh i g h e ra u t o m a t i z a t i o n e s p e c i a l l yi nd a t aa c q u i s i t i o n , t h e s ei m p o r yd a m s i n c l u d e t e m p e r a t u r ea n ds t r e s s i nc a v i t y ，a n dt h ea x i s sr o t a t e s p e e d w ec o l l e c t e da n d m e m o r i z e dd a t a 谢t l lm o n i t o r i n gs o f t w a r e ，t h em o n i t o r i n gs o f t w a r ew h i c hw a sk i n g v i e w s o r w a r e 1 1 1 ek i n g v i e ws o f t w a r e sd e f e c ti s v e r yo b v i o u s ，i t ss p e e di ss l o w , a n dt h e e f f i c i e n c yo fe x e c u t i o ni sl o w 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 fc o m p u t e r t e c h n o l o g ya n dm e a s u r e m e n t ，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 no ft h e t 1 1 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 ns a t i s f yt h en e e d o fs h a r i n gt h eh a r d w a r e 嘶廿1t 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 so fa u t o m a t i ct e s ts y s t e m s q u i c k l y b ym a k i n gu s eo ft h es t r o n gf u n c t i o no fc o m p u t e r , i tc a nc 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 gg r a p h i c a lm o d ea n ds oo n t h i sp a p e rd e s i g n san e wm a n yp a r a m e t e r sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nl a b v i e w ，i t i su s e df o rc o n t i n u o u se x t r u s i o nm a c h i n e i tc a nf u l f i l l e dm a n yt e s t i n gt a s k so no n ec o m p u t e r b yu s i n gv i r t u a li n s t r u m e n t st e c h n o l o g y ，d a t aa c q u i s i t i o n ，s i g n a la n a l y s i s ，s i g n a lp r o c e s s i n g ， d a t am a n a g e m e n ta n dc a nb ee a s i l ya c h i e v e d a tt h es a n l et i m e ，d i g i t a la c q u i s i t i o na n ds i g n a l p r o c e s s i n gh a v eap e r f e c tp e r f o r m a n c e i ne n h a n c i n gt h es t a b i l i t ya n d r e d u c i n gn o i s es i g n a l so f a c q u i s i t i o ns y s t e m 砀ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r sa n da p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do fm o d e md e t e c t i o no fv i r t u a l i n s t r u m e n ta r ed e e p l ya n a l y z e d d e v e l o p i n gt e s t i n gs y s t e m sh a r d w a r es t r u c t u r e n l em a i n s o f t w a r ed e s i g nm o d u l ei sg i v e n ，s u c ha sd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t am a n a g e ，d a t aa n a l y s i s ，a n d a c c e s s i n gd a t a b a s e t h ep a p e ra n a l y s e st h ec o n s t r u c t i o no fm e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n _ t a l s og i v et h er e a ld e s i g n i tw i l lg i v ee n t e r p r i s eg r e a ts i g n i f i c a t i o nf o rb u i l dm e a s u r es y s t e m b a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n ti nt h ef a c t o r y k e yw o r d s ：c o n t i n u o u se x t r u s i o n ；v i r t u a li 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 ； d a t aa n a l y s i s i i 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整交通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太蓬銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 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应遵守此规定) 学位论文作者签名：江易 导师签名： 日期：2 0 0 8 年6 月9 日日期：2 0 0 8 年6 月9 日 学位论文作者毕业后去向：工作 工作单位：南京浦镇机车车辆有限公司电话：1 3 5 0 4 2 5 7 4 6 3 通讯地址：邮编： 电子信箱：z e r g z d a m a o s o h u c o m 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整塞通太堂或其他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谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：髟l 彩 日期： 。p 宫年 么月j 7 日 绪论 一谭题背景 ( 一) 国内外现状 连续挤压技术是1 9 7 1 年英国原子能管理局普林菲尔德实验室的科学家发明的i i 】，由 于该技术克服了传统挤压技术的缺点，并实现了真正意义上的无间断连续生产，因此得 到迅速的推广和发展。 我国在连续挤压技术理论和应用方面的研究是从8 0 年代开始。大连交通大学开始 从事这方面的研究是从宋宝韫教授领导下创办大连交通大学连续挤压工程研究中心开 始的。该中心在我国率先研制成功了连续挤压机以及连续挤压包覆机等高科技生产设 备，填补了国内空白，而且成为目前国内唯一能够提供连续挤压和包覆成套设备及技术 的单位。经过二十年的发展，其生产的成套连续挤压包覆设各已达到1 5 0 多套，现已在 国内许多厂家投入运行，并且远销欧洲、非洲、亚洲等十多个国家和地区。 ( 二) c o n f o r m 连续挤压原理 在常规的正挤压和反挤压加工中，变形是通过挤压轴和垫片将挤压力直接施加于坯 料上来实现的。由于挤压筒的工作长度有限，且施加的挤压力需要通过挤压轴和垫片作 用于坯料实施挤压，因此不可能实现不间断的连续挤压。为了实现连续挤压，通常必须 满足两个基本条件：第一个基本条件是不需通过挤压轴和挤压垫片的直接作用，即可对 坯料施加足够的挤压力，实现挤压变形。第二个基本条件是挤压筒应具有无限连续的工 作长度，以便可以加工无限长的坯料。而c o n f o r m 连续挤压法较好满足了上述条件川。 该方法主要利用变形金属与工具之间的摩擦力来实现挤压。其原理圉如图1 所示p 】， 由旋转槽轮上的矩形断面槽和固定模座组成的环行通道起到了常规挤压方法中挤压筒 的作用，挤压加工时，通过一个连续旋转的带轮槽的挤压轮，借助轮槽与坯料间的摩擦力， 不断将杆状坯料送入挤压机而实现连续挤压。 尹影 图1 连续挤压原理圈 f i g1c o n t i n u o u s e x t r m i o n p r 沁i p l e 萱 大连交通大学- t 学硕士学位论文 ( 三) c o n f o r m 连续挤压的特点h 1 ( 1 ) 由于挤压型腔与坯料间的机械摩擦大部分得到有效的利用，因此仅挤压过程本 身的能耗就可比常规挤压降低3 0 以上，因此常规挤压过程3 0 以上的能量消耗于克服 挤压筒壁上的有害摩擦。 ( 2 ) 上述机械摩擦作用不单为c o n f o r m 连续挤压提供所需的挤压力，而且由于摩 擦生热，加上塑性变形热，加上塑性变形热，二者的共同作用可使挤压坯料的温升达到 很高的值。如可使室温下喂入的铝及铝合金坯料在模孔附近的温度高达4 0 0 - 5 0 0 0c ， 铜及铜合金坯料的温度高达5 0 0 0 c 或更高一些。c o n f o r m 连续挤压过程摩擦热和变形 热的共同作用，可使铝材挤压前无需要预热，直接喂送冷坯而挤压出热态的制品。因此 对铝及铝合金的c o n f o r m 连续挤压可以省去坯料加热装置，大大降低电耗，估计比 常规挤压可省3 4 左右的热电费用。 ( 3 ) c o n f o r m 连续挤压法只要连续喂料，便可连续挤压出长达数千米，乃至万米 长的成卷制品，如薄壁铝及铝合金的盘算。这不仅大大缩短了工序和减少了非生产时间， 而且材料的利用率也很高，一般可达9 5 - 、一9 8 5 。因此，由于挤压过程稳定，制品的 组织性能的均匀性也很好。 ( 4 ) c o n f o r m 连续挤压坯料的适应性很强。它即可以是实心盘杆作坯料，也可以 使用金属颗粒或粉末直接挤压成材。 ( 5 ) 设备紧凑、轻型化、占地小，设备造价及基建费用较低。 ( 四) 连续挤压包覆原理 连续挤压包覆的基本原理是利用摩擦力作为动力进行挤压。在连续挤压工艺方法的 基础上，将靴座置于挤压轮的上部，这样允许芯线穿过型腔，从而使包覆材料直接或间接 地包覆在芯线上，并与芯线同时从模口挤出，形成包覆产品。这种工艺使金属处于热塑性 三向压应力状态，组织致密，缺陷少，依靠模具成形，尺寸精度高，被誉为有色金属成 形技术的重大突破。 金属直接挤压包覆在芯线上的工艺称为直接包覆。铜包钢线坯的生产采用的就是这 种直接包覆工艺。该工艺工艺简单，可连续生产；铜杆料无须加热，变形金属受力状态 好，组织致密；材料利用率高，包覆层厚度可在较大范围内任意调节等一系列优点【5 1 。 二课题研究的任务及其意义 ( 一) 课题的主要任务 课题主要研究的对象是t l j 4 0 0 型连续挤压包覆生产线( 主要挤压铜材) ，t l j 4 0 0 型是在t l j 3 5 0 的基础上开发的，其挤压轮的直径、所挤材料的尺寸都较前者大，是目 前国内唯一的一条集挤压包覆于一体的4 0 0 型生产线。本课题主要是针对t l j 4 0 0 型连 2 绪论 续挤压机的多点参数采集与分析系统的研究，其研究的主要对象是t l j 4 0 0 型连续挤压 机，研究的任务是自行设计一套系统来采集连续挤压机工作状态中的参数( 如温度、应 力和转速) ，并分析这些参数分布规律。 ( 二) 课题意义 随着电力电子技术在国民生产总值中的贡献越来越大，可以说现在各行各业都离不 开电，而各行各业所需要的电压又不同，有的高到上万伏，而有的低到几伏，在此变压 器的应用是必不可少的。在大多数行业中，特别是大型的重工业所要求的都是高压电， 这就需要大功率的变压器对电网网压进行提升。其中变压器的核心部分就是线圈绕组， 目前大多数线圈绕组都是用铜及其制品做的，而铜扁线主要用于线圈绕组，所以生产铜 扁线主要是满足目前市场紧需的变压器供应。 传统的铜扁线生产一般都采用先轧、后拉、再淬火的生产工艺，不仅产品质量低、 成本高，而且原材料浪费也较多。随着我国工业化进程的不断加快，尤其是电力需求逐 渐加大，变压器及输电线缆的需求量骤然增加，而由传统生产铜扁线的工艺方法所生产 的产品不仅在产品质量上，还是在成本上已经不能满足市场的需求运用连续挤压技术 后，产品长度不再受限，原材料利用率可达到9 7 。 由t l j 4 0 0 成套的设备以及相应的一些辅助设施构成的铜材连续挤压生产线可以用 来生产铜扁线、铜母线、换向器梯排、电力机车接触线及其他实心铜材，因为它具有备 料容易、工序简单、生产产品的范围广、产品质量好、节能显著等优点，因此广泛用于 变压器、大中型电机、高低压开馆电器、直流电机换向器等制造部门以及电气化铁路、 城市交通等部门。目前，该技术已应用于生产并取得了良好的效果，与传统工艺相比， 显示出了其卓越的优点和生命力，正在成为工业生产中一项重要的生产技术 6 1 。 由于铜及铜合金变形温度高、变形抗力大、高温氧化性强等特点，铜扁线连续挤压 技术在塑性变形机理、工艺参数及模具结构等方面存在许多技术难点。在连续挤压生产 的过程中腔体承受的挤压温度在4 5 0 ( 2 - 5 2 0 c 之间，最高可高达7 0 0 ，而在挤压铜时， 腔体温度在5 0 0 - 7 0 0 ，使其温度达到了回火温度，导致硬度、强度下降，因而腔体 寿命降低。同时腔体还承受着整体连续挤压力的作用，如果挤压温度偏低，腔体承受的 挤压力更大，因此腔体非常容易损坏。与挤压轮相配合的挡料块承受挤压力，在其顶端 附近挤压温度较高，可达到5 0 0 以上，而且金属在其顶端发生最为剧烈的变形，其工 作条件极为恶劣，容易因承受过高载荷而发生塑性变形。可见连续挤压机生产的过程中 腔体内的温度、应力等因素对其生产过程有着重要的影响，因此本系统所采集的数据就 是连续挤压机腔体内的温度、应力等参数，并且期望采集的过程是连续的，寄希望系统 能够实现实时数据采集功能。 大连交通大学工学硕士学位论文 数据采集( d a t aa c q u i s i t i o n ) 是所有测试测量的首要工作，实验测试产生的物理信号 通过传感器转换为电压或者电流一类的电信号，然后通过数据采集卡将电信号采集传入 计算机，借助软件控制数据采集卡进行数据分析、处理。而本系统主要采集t l j 4 0 0 型 连续挤压机腔体的温度、腔体内所受的应力以及主轴转速等参数，因为这些参数对连续 挤压的生产过程有重大影响。本系统是基于l a b v i e w 软件的数据采集系统，之所以选 择l a b v i e w 是因为它有其他软件无法比拟的优尉7 】。 三课题研究的主要内容和可行性分析 ( 一) 主要内容 本课题研究的主要内容是t l j 4 0 0 型连续挤压机多点参数的采集与分析，主要的工 作分成参数采集和参数分析两个大块。采集的参数主要包括工作状态中的t l j 4 0 0 型连 续挤压机上腔体内的温度，腔体所受的应力，主轴的转速。采集系统的设计主要包括两 个方面：系统的硬件设计和系统的软件设计。采集工作结束以后，再对所采集的数据进 行分析，找出连续挤压机几个工作参数的分布规律。 ( 二) 可行性分析 1 由于t l j 4 0 0 型铜连续挤压机已经在我校瑞尔公司组装并开始试运行，这为以后 的现场的数据采集工作、验证所编写的程序、建立硬件系统正确性提供了方便。 2 目前，由于l a b v i e w 的强大功能以及诸多优点，使之迅速成为仪器开发领域备 受欢迎的软件平台。与传统的编程方式相比，使用l a b v i e w 设计的虚拟仪器效率可以 提高4 - - 1 0 倍。同时利用其模块化和递归方式，用户可以在很短的时间内构建、设计和 更改自己的虚拟仪器系统。因此，基于l a b v i e w 的连续挤压机的数据采集系统是很有 研究意义的。 3 由于l a b v i e w 软件提供了调用库函数节点( c a l ll i b r a r yf u n c t i o nn o d e ，简称 c l f ) 和代码接口节点( c o d e i n t e r f a c e n o d e ，简称c 矾) ，使得一般的用户不需要购买 n i 公司昂贵的数据采集卡。特别是调用c l f 节点，可以在v i s a u lc + + 平台下编写自己 的d l l 模块，或对普通的数据采集卡已有w i n d o w s 下的d l l 库进行有针对性的改造， 使l a b v i e w 对普通的数据采集卡的支持性大大提高。因此即使对于连续挤压机这样的 复杂设备，用普通的数据采集卡，构建l a b v i e w 采集系统是完全可行的。 四小结 主要介绍了课题背景、c o n f o r m 连续挤压和包覆的原理和特点；简述了课题研究的 主要内容，并对其可行性进行了分析，阐述了课题研究的目的与实际意义。 4 第一章虚拟仪器技术及其软件实现环境 第一章虚拟仪器技术及其软件实现环境 虚拟仪器是技术是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 试领域的一项重要技术。它推动着传统仪器朝着数字化、智能化、模块化、网络化的方 向发展。 1 1 虚拟仪器技术 1 1 1 虚拟仪器的概念和特点 所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义具有虚拟面 板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器技术是基于计算机的 仪器及测量技术。与传统的仪器技术不同，虚拟仪器技术指在包含数据采集设备的通用 计算机平台上，根据需求可以高效率地构建起各种测量系统。因此对大多数用户而言， 主要的工作变成了软件设计。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器模拟传统仪器的控制 面板，以多种形式输出检测结果；利用计算机实现信号数据的运算、分析和处理：利用 输入输出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 仪器系统哺j 。 虚拟仪器的“虚拟 两字主要包含以下两方面的含义。 ( 1 ) 虚拟仪器的面板是虚拟的。虚拟仪器面板上的各种“图标 与传统仪器面板上 的各种“器件”所完成的功能是相同的；由各种开关、按钮、显示器等图标实现仪器电 源的“通、“断 ；被测信号的“输入通道 、“放大倍数 等放大参数的设置，及 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，而且是由手动和触摸进行操作的；虚拟仪器前面 板是外形与实物相像的图标，每个图标的“通 、“断 、“放大一等动作通过用户操 作计算机鼠标或键盘来完成。因此，设计虚拟仪器前面板就是在前面板设计窗口中摆放 所需的图标，然后对图标的属性进行设置。 ( 2 ) 虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的。虚拟仪器是在 以p c 为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器的功能的。因为可以通过 不同测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能，所以，在硬件平台确定后，就有“软 件就是仪器”的说法。这也体现了测试技术与计算机深层次的结合。 虚拟仪器和传统相比，有以下5 个特点。 ( 1 ) 传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件，易于导致 许多识别与操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比 大连交通大学工学硕士学何论文 较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化与面板布置的简洁 化，从而提高操作的正确性与便捷性。同时，虚拟仪器面板上的显示元件和操作元件的 种类与形式不受标准件和加工工艺的限制，它们是由编程来实现的，设计者可以根据用 户的认知要求和操作要求，设计仪器面板。 ( 2 ) 尽可能采用通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。 ( 3 ) 仪器的功能是用户根据需要由软件来定义，而不是事先由厂家定义好的。 ( 4 ) 仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，而不需要购买新的仪器。 ( 5 ) 充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理能力，可以创造出功能强大的仪器。 虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其周边设备互联。 虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易 构建，在科研、开发、测量、检测、计量、测控等领域得到了良好的利用。虚拟仪器功 能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能， 配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温 度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合 传统设备的使用习惯，用户不经培训既可迅速掌握操作规程；集成方便，不但可以和高 速数据采集设备构成自动测量系统，而且可以和控制设备构成自动控制系统。 1 1 2 虚拟仪器的硬件平台 虚拟仪器通常由通用仪器硬件平台和应用软件平台两大部分构成。 构成虚拟仪器的硬件平台有两部分。 ( 1 ) 计算机。它一般为一台p c 机或工作站，是硬件平台的核心。 ( 2 ) 加接口设备。i 0 接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。不 同的总线有其相应的i 0 接口硬件设备，虚拟仪器的构成方式主要有下面5 种类型。 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，是计算机和仪器间的标准通 信协议。 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 i 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f 9 】。 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。 6 第一章虚拟仪器技术及其软件实现环境 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i , - t 1 0 1 。 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 i o n ) 是p c i 在仪器领域的扩展，是n i 公司于19 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 t w i n d o w 软件。 p x i 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( 13 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【l 。 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 m 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i o ，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，就可以构成一台具有若干功能的p c 仪器【1 2 1 。 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。 1 1 3 虚拟仪器的软件构成 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。 7 大连交通大学工学硕士学位论文 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f o 接口软件【1 3 】，软件结构如图1 1 所示。 图1 1 虚拟仪器系统软件结构 f i g1 1s o f t w a r ef r a m eo fv 1s 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 仪器设计后，就能在虚拟仪器工作时间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开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，节省开发时间。 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 集是指组成驱动程序的模块化子程序。 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 0 接口软 件模型e p v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ns o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 。 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，即这种软件结构是面 向器件功能而不是面向接口总线的。应用工程师为带g p i b 接口仪器所写的软件，也可用 8 第一章虚拟仪器技术及其软件实现环境 于v x i 系统或具有r s 2 3 2 接口的设备上，这样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。 开发虚拟仪器必须有合适的软件工具，目前的虚拟仪器软件开发工具有如下两类。 文本式编程语言：如v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c ，l a b w i n d o w s c v i 等，图形化编程语言： 如l a b v i e w ，h p v e e 等。 1 2 面向仪器的图形化开发平台- l a b v i e w 1 2 1l a b v i e w 简介 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u ai 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 ，实验室虚拟仪器工 程平台) 是美国n i 公司推出的一种基于g 语言( g r a p h i c sl a n g u a g e ，图形化编程语言) 的虚拟仪器软件开发工具。n i 公司在1 9 8 6 年推出了一种革命性的图形编程语言 l a b v i e w ，开创了虚拟仪器的新纪元。它采用的编译方式是运行3 2 位应用程序，这就 解决了以解释方式运行程序的其他图形化编程平台运行程序速度慢的问题。l a b v i e w 是直观的前面板与流程图式的编程方法的结合，是构建虚拟仪器的理想工具【1 4 1 。 l a b v i e w 是一种基于图形编辑语言的开发环境。它与c 、p a s c a l 、b a s i c 等传统编程 语言有着许多类似之处，如有相似的数据类型、数据流控制结构、程序调试工具己经模 块化的编程特点等。二者的最大区别在于：传统编程语言使用文本语言编程，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) 编程。 l a b v i e w 从用户角度出发，不仅内含各种仪器驱动程序，而且提供大量实现数据处 理的函数集和用户界面编程工具。编写框图程序时，只需从功能模块中选用不同的函数 图标，然后再以线条相互连接即可，一个功能通过导线向下一个功能传送变量。作为专 业的v i 软件开发工具，它隐含了对设计v i 时所面临多种困难的考虑，并鲜明地体现着简 化设计的过程，提高了工作效率。 l a b v i e w 以严格定义的概念构成了一种易于理解和掌握的硬件和软件模块并提供 了一个理想的程序设计环境，面向的是没有编程经验的用户而不是编程专家，所有被誉 为工程师和科学家的语言。作为一种高水平的程序设计，同传统的编程语言相比，采用 l a b v i e w 图形编程方式可以节省大约8 0 的程序开发时间，而其运行速度却几乎不受影 响。 1 2 2l a b v i e w 的特点 归纳起来，l a b v i e w 具有以下特点【1 5 1 。 9 大连交通大学工学硕士学位论文 ( 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， 针对测试、测量以及过程控制等领域，l a b v i e w 提供了面板上所必需的众多诸如旋钮、 表头、图表等显示和控制对象，用户还可以方便地将现有控制对象改成适合自己需要的 控制对象。 ( 2 ) 内置的程序编译器：l a b v i e w 采用编译方式运行3 2 位应用程序，解决了其它按 解释方式工作的图形编程平台速度慢的问题，其速度大体相当于编译c 速度。 ( 3 ) 灵活的程序调试手段：用户可以在源代码中设置断点单步执行源代码，也可以 在程序运行中观察数据流的变化。 ( 4 ) 功能强大的函数库：l a b v i e w 提供了大量现成函数供用户直接调用，从底层 v x i 、g p i b 、串口及数据采集板的控制子程序到大量的仪器驱动程序，从基本的功能函 数到高级分析库，涵盖了仪器设计中几乎所有的函数。 ( 5 ) 开放式的开发平台：l a b v i e w 提供了d l l 接口和c i n 接口，使得用户在l a b v i e w 平台上能调用其它软件平台编译的模块，提供对o l e 的支持。 ( 6 ) 网络功能：l a b v i e w 支持t c p i p 、d d e 、i a c 等功能。 1 2 3l a b v i e w 程序组成 在l a b v i e w 中开发的程序都被称为v i ( 虚拟仪器) ，其扩展名默认为、，i 。所有的 v i 都包括f r o n tp a n e l ( 前面板) 、b l o c kd i a g r a m ( 框图程序) 、以及i c o na n dc o n n e c t o r p a n e ( 图标连接端1 ：3 ) 三部分【1 6 1 。 ( 1 ) 前面板( f r o mp a n e l ) 前面板是图形用户界面，也是v 工的前面板。该界面上有交互式输入和输出，显示两 类对象，分别称为控制器( c o n t r 0 1 ) 和指示器( i n d i c a t o r ) 。控制器包括开关、旋钮、按钮和 其他输入设备；指示器包括图形( g r a p h 和c h a a ) 、l e d 和其他显示输出对象。 控制器是用户设置和修改v i 程序中输入量的接口，在某种意义上相当于c 语言中的 输入语句s c a n f ；指示器则用于显示f l j v i 程序产生或输出的数据，相当于c 语言中的输出 语句p r i n t f ；修饰的作用仅是将前面板点缀得更加完美，并不能作为v i 输入和输出来使用。 图1 2 所示的就是程序g e n e r a t ea n dd i s p l a y v i 的前面板。 ( 2 ) 框图程序( b l o c kd i a g r a m ) 每一个前面板都有一个框图程序与之对应。框图程序用图形化编程语言编写，可以 把它理解成传统程序中的源代码。用图形而不是传统的代码进行编程是l a b v i e w 最大的 特色。 1 0 第一章虚拟仪器技术及其软件实现环境 框图程序由节点和数据连线组成，节点是v i 程序中的执行元素，类似于文本编程 语言程序中的语句、函数或者子程序。节点之间由数据连线按照一定的逻辑关系相互连 接，可定义框图程序内的数据流动方向旧。图1 3 就是上述g e n e r a t ea n d d i s p l a y 的框图 程序。 图12 g e n e r a t ea n d d i s p l a y 的前面板 f i 9 12p a n e lo f g e n e r a t ea n d d i s p l a y 图13g e n e r a t ea n d d i s p l a y 的框图程序 f i 9 1 3b l o c k d i a g r a mo f g e n e r a t ea n d d i s p l a y 大连交通大学丁学硕十学位论文 l a b v i e w 共有四种类型的节点，如表1 1 所示。 表1 1l a b v i e w 节点类型 t a b l e1 1n o d et y p eo fl a b v i e w 节点类型节点功能 功能函数l a b v i e w 内置节点，提供基本的数据与对象操作，例如数值计算、文件i o 操作、字符 ( f u n c t i o n s )串操作、布尔运算和比较运算等。 结构用于控制程序执行方式的节点，包括顺序结构、选择结构、循环结构以及公式节点 ( s t r u c t u r e s ) 代码节点l a b v i e w 与c 语言文本程序的接口。通用代码接口节点，可以直接调用c 语言编写源程 ( c l r 0序。 子 将一个已存在的v i 以s u b v i 的形式调用，相当于传统语言中的子程序的调用。 ( s u b v o 节点之间、节点与前面板对象之间是通过数据端口和数据连线来传递数据的。数据 端口是数据在前面板对象和框图程序之间传输的通道，是数据在框图程序内节点之间传 输的接口，它类似于文本编程语言中的参数和常量。l a b v i e w 中有多种不同类型的数据 端口：控制端1 ：3 、指示端1 2 1 、节点端1 2 1 、常数和各种结构中出现的专用端v i 等【l 引。 数据连线是数据端口之间的数据通道，可将数据从一个数据端口传送到另一个与之 相连的数据端口中，它类