（电力电子与电力传动专业论文）虚拟仪器技术的研究与应用—电机调速检测仪.pdf

仪器虚拟化技术的研究与应用电机调速检测仪 器在测量控制领域的优越性。 关键词：虚拟仪器；p i d 控制器；信号处理；电机检测 丝苎堡垒盟 一一 一 r e s e a r c ho fv 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 ss p e c i f i ca p p l i c a t i o n m e a s u r e m e n ts y s t e mo fm o t o rt i m i n g p o w e re l e c t r o n i c sa n dd r i v e s d i r e c t e db yr u c h e n gh a na n dw e i p i n gs o n g a b s t r a c t v i r t u a li n s t r u m e n t ( v i ) ，a sc o m p u t e r i z e de q u i p m e n t ，i th a sav i r t u a l p a n e l l i k et h et r a d i t i o n a li n s t r u m e n to nt h ec o m p u t e rs c r e e n ，a n du s e s c o m p u t e rp r o c e d u r e sa sm u c h a sp o s s i b l et oc o m p l e t et h ef u n c t i o n so fs i g n a l c o n d i t i o n i n ga n dp r o c e s s i n g w h i c ht h eh a r dc i r c u i ts h o u l dc o m p l e t e o p e r a t o r su s et h ev i r t u a ii n s t r u m e n t o nt h ec o m p u t e r ss c r e e na sar e a l e q u i p m e n t ，t oc o m p l e t et h ea c q u i s i t i o n ，d i s p l a y , a n a l y s i s ，a n dp r o c e s s i n g ， s t o r a g e ，a n dd a t ag e n e r a t i o n o ft h em e a s u r e m e n t t h i sm a k e sv i r t u a l i n s t n 】m e n tt h a nt r a d i t i o n a le l e c t r o n i cd e v i c e sm o r ec o m m o n ，m o r ef l e x i b l e a n de c o n o m i c a la tt h ea s p e c to ff o r m i n ga n dc h a n g i n gi nt h ef u n c t i o na n d t e c h n i c a lp e r f o r m a n c eo fi n s t r u m e n t ，a n db e r e ra d a p tt or e q u i r e m e n t so f t h e r a p i dd e v e l o p m e n tm o d e ms c i e n c e a n dt e c h n o l o g yo nt h em e a s u r e m e n t t e c h n o l o g ya n di n s t r u m e n t t h u st h er e a s e r c ha b o u tv ih a sb e c o m e m o r ea n d m o r ei m p o r t a n t t h em a i no ft h i sp a p e ri n c l u d e st h er e s e a r c ho fv i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g y , c o n t r o la r i t h m e t i ca n ds i g n a lp r o c e s st e c h n o l o g ya sw e l l a st h e d e s i g na n dd e v e l o p m e n to f t h em e a s u r e m e n ts y s t e mo fm o t o rt i m i n g t h i sa l l i sf o rt h ep u r p o s eo fb e t t e rs t u d y i n ga n dr e a s e r c h i n ga b o u tv i ，a n dt h e n c o n s t r u c t i n gam e a s u r e m e n tc o n t r o ls y s t e mu n i f i e d t ot h em o t o rt i m i n g i n s m l l a t i o ni no u rs c h o o ll a b o r a t o r yu s i n gv it e c h n o l o g y , w h i c hc a nr e p l a c e t h et r a d i t i o n a la p p a r a t u sp r e s e n tu s e di nl a b o r a t o r y , s u c ha sv o l t m e t e r , a m p e r e m e t e r , a n do s c i l l o g r a p h t h i ss y s t e mi sa l s oa ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r m t oc a r r y o nt h ep i dc o n t r o la l g o r i t h m i ti san e wa p p l i c a t i o no fv i r t u a li n s t r u m e n ti n e l e c t r i c a l p o w e rs y s t e m ，w h i c hh a s i t so w ne n g i n e e r i n gt e a c h i n ga n d s c i e n t i f i cr e s e a r c hv a l u e f i r s t ，t h ec o n c e p t ，d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hv a l u eo fv i r t u a li n s t r u m e n t 虚拟化技术的研究与应用电机调速检测仪 w e r el l l u m i n a t e d ；a n dt h e nv a r l o u ss o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t sa n d b u ss t a n d a r d so fv i r t u a li n s t r u m e n tw e r es u m m a r i z e da n dc o m p a r e d ；a l s o ，t h e g e n e r a ld e s i g np r o c e s so ft h ev i r t u a li n s t r u m e n tw a sp r o p o s e d t h e s ea l lh a v e l a i das o l i dt h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h eb e t t e rd e v e l o p i n go nt h em e a s u r es y s t e m o fm o t o rt i m i n gu s i n gv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y s e c o n d ，o n ec o n t r o la l g o r i t h ma n dan u m b e ro ft e c h n o l o g i e sa b o u t d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g w a r er e s e a r c h e di nt h i st e x t ，w h i c hh a db e e n i n v o l v e di nt h ep r o c e s so fs y s t e md e v e l o p i n g s u c ha st h ep 1 da l g o r i t h m ， s i g n a lf r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i s ，t i m e - d o m a i na n a l y s i s ，d i g i t a lf i l t e r i n g ， w i n d o wf u n c t i o na n dt h e i rm o d u l e si nl a b v i e w t h e s ea 1 1h a v el a i das o u n d t e c h n i c a lb a s i sf o rt h eb e t t e rd e v e l o p i n go nt h em e a s u r es y s t e mo fm o t o r t i m i n g t h ee n d ，t h em e a s u r es y s t e mo fm o t o rt i m i n g ，s u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d u s i n gl a b v i e wa d v a n t e c hc a r d ，p c i - 1712 la n dc o m p u t e r ，c a na c h i e v e r e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o n ，d i s p l a y , s t o r a g ea n df u r t h e rp r o c e s s i n g ，a n dr e a l i z e s u c ht h ef u n c t i o n sl i k ep r i n c i p l es h o w i n g ，s i g n a lf r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i s ， t i m e d o m a i na n a l y s i s ，d i g i t a lf i l t e r i n g ，w i n d o wf u n c t i o n ，s y s t e mp a r a m e t e r s t e s t ，p i dr e g u l a t i o n ，r e s u l t sa n a l y s i s ，d a t ac o n s e r v a t i o n ，r e p o r tp r i n t i n ga n ds o o n t h i ss y s t e mc o n s i s t so f s i g n a la c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n ga n dr e s u l t ss h o w i n g ， i na d d i t i o nt ot h ep a r to f s i g n a la c q u i s i t i o nc a r r i e do u tb yh a r d w a r e ，t h eo t h e r s b o t hc o m ef r o ms o f t w a r e t h u s ，m u c hh a sf u r t h e ri n d i c a t e dt h ea d v a n t a g e so f v i r t u a li n s t r u m e n ti nt h ef i e l do fm e a s u r ea n dc o n t r 0 1 v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yn o wh a sb e e n u s e di nt h e m o s t l y m e a s u r e m e n tf i e l do ft h ep o w e rs y s t e m i tn o to n l yc a nc o m p l e t e l yr e p l a c e t h et r a d i t i o n a la p p a r a t u s ，b u ta l s oh a si r r e p l a c e a b l ef u n c t i o n s ，e s p e c i a l l yf o r t h er e q u i r e m e n t si ns o m en o n - s t a n d a r do ru l t r a - c o n v e n t i o n a lt e s ta n d m e a s u r e m e n t ，i nw h i c ht h em e a s u r e m e n te f f e c ti so u t s t a n d i n gu s i n gv i r t u a l i n s t r u m e n t ，af u r t h e rs u p e r i o r i t yd e m o n s t r a t i o no ft h ev i r t u a li n s t r u m e n t si n t h ef i e l do fc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：v t r t u a li n s t r u m e n t ；p i dc o n t r o l l e r ；s i g n a lp r o c e s s ；m o t o rt e s t - 承诺书承话书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下 独立完成的，学位论文的知识产权属于太原科技大 学。如果今后以其他单位名义发表与在读期间学位论 文相关的内容，将承担法律责任。除文中已经注明引 用的文献资料外，本学位论文不包括任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的成果。 学位论文作者( 签章) ：赵俊娟 2 0 0 8 年5 月3 1 日 第一章引言 第一章引言 1 1 课题背景 在科研和工业生产中，仪器仪表作为测控工具起着非常重要的作用。由于电子 技术、计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器领域中的应用， 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，电子测 量仪器的功能和作用己发生质的变化，其中计算机处于核心地位，计算机软件技术 和测试系统更紧密的结合成一个有机整体，导致仪器的结构、概念和设计观点等也 发生突破性的变化。在上述的背景下，测试领域出现了新的仪器概念虚拟仪器n 3 。 首先，我们知道，任何仪器都基本上分三部分组成，即数据采集与控制、数据 处理与分析、数据的显示。传统仪器是将这三部分放在一个仪表机箱内，而虚拟仪 器则是一种功能意义上的仪器，是具有仪器功能的软硬件组合，它并不强调物理上 的实现形式。虚拟仪器相对传统仪器的优势是显而易见的，概括起来有以下几方面： 1 传统仪器功能由仪器厂商定义；虚拟仪器功能由用户自己定义。仪器制造厂 仅需提供基本的软硬件，如信号调节器、信号转换器等硬件和仪器应用软件生成环 境等软件，真正需要什么样的仪器功能则是用户自己的事情。 2 传统仪器与其它仪器设备的连接受限制；而虚拟仪器则是面向应用的系统结 构，可方便地与网络、外设及其它应用连接。 3 传统仪器图形界面小，人工读数，信息量少；虚拟仪器则展现图形界面，计 算机直接读数、分析处理。 4 硬件是传统仪器的关键部分；而虚拟仪器中硬件仅是为了解决信号的输入输 出，软件才是整个仪器的关键部分，其测试功能均由软件来实现。 5 传统仪器系统封闭，功能固定；虚拟仪器则是基于计算机技术的开放灵活的 功能模块，可构成多种仪器。 6 传统仪器扩展性差，数据无法编辑；虚拟仪器数据可编辑、存储、打印。 7 信号每经过一次硬件处理都会引起误差；由于虚拟仪器减少了硬件的使用， 因而减少了测量误差。 8 传统仪器价格高，技术更新慢( 周期为5 1 0a ) ，开发和维护费用亦高；虚 拟仪器价格低( 是传统仪器的五至十分之一) ，而且可重复利用，技术更新也快( 周 期为1 2a ) ，基于软件的体系结构大大节省了开发和维护费用。 其次，在电力拖动中，电机调速对节约用电，提高经济效益又举足轻重的作用； 虚拟化技术的研究与应用电机调速检测仪 大量的测试实验报告表明，成功地调速过程离不开良好的检测手段。目前，在大多 数的电机调速过程中，主要使用数字万用表、示波器等电子仪器，进行数据测量观 测。这使得测量结果，不仅在精度和准确度上存在不小的误差，同时在处理速度上 也有很大的局限性，也不能使电机参数数据得到实时察看、监测及存储。采用虚拟 仪器技术，将过去仪器中许多靠硬件实现的功能用软件来代替，利用商品化的数据 采集和p c 技术，完全可以开发更高精度、更快计算速度，与调速过程更契合的测量 仪器，缩短测量时间，且不失其准确性。因此，这种虚拟调速检测仪器便有了它极 其广阔的发展空间。 最后，虚拟仪器以缩短工程师的研发时间和提高用户的使用价值为目的，强大 的功能和价格优势，使得它可广泛应用于电子测量、振动分析、声学分析、故障诊 断、工业控制、航空航天、军事工程、电力工程、机械工程、分析测试、建筑工程、 铁路交通、地质勘测、生物医疗、教学及科研等诸多方面，涉及国民经济的各个领 域。虚拟仪器的发展对科学技术发展和国防、工业、农业的生产将产生不可估量的 影响，具有十分广阔的发展前景。预计，近年来虚拟仪器将占有仪器仪表市场的5 0 ， 并有进一步上升的趋势。 因此，电测仪表虚拟化技术研究变的非常重要。 1 2 虚拟仪器概述 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 的概念最先由美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e m sc o r p o r a t i o n ，简称n i ) 在2 0 世纪8 0 年代提出，在其主导产品l a b v i e w 中将图形化语言加以实现，较完善地结合了图形的美观易用和文本语言的强大灵活， 并在此基础上提供了面向广泛测试领域的虚拟仪器解决方案，在全球虚拟仪器领域 占有垄断地位。l a b v l e w 目前在世界上已被成千上万的工程师和科学家使用，全球 著名的高等院校几乎都将l a b v i e w 等虚拟仪器开发平台引入到实验教学和科研工 作中。虚拟仪器技术已被越来越多的科学工作者所认同，它在许多方面已经突破传 统仪器的概念，仪器的功能和作用已经发生了质的变化。 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，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 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 2 第一章引言 机仪器系统。使用者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。因此虚拟仪器的出现，使测量仪器与计算机的界限模糊了。虚拟仪器由通用仪 器硬件平台( 简称硬件平台) 和应用软件两大部分构成晗划。 硬件是虚拟仪器工作的基础，它的主要功能是完成对被测信号的采集，传输和 显示测量的结果。构成虚拟仪器的硬件平台有两部分： 1 计算机：一般为一台p c 机或者工作站，它是硬件平台的核心。包括微处理 器、存储器和显示器等，它主要用来提供实时高效的数据处理性能。 2 i o 接口设备：主要完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。可根据实 际情况采用不同的i o 接口硬件设备，如数据采集卡板( d a q ) 、g p i b 总线仪器、 v x i 总线仪器模块、串口仪器等。虚拟仪器的构成方式主要有以下几种类型，如图 1 1 框图所示。 i 工业以太网、i n t e m e t l 图像、信号采集、d s pi 振动传感器 i 信号调理器t 斗数据采集卡l 测 i 力传感器 ifg p i b 仪器t 寸g p i b 接口i 虚开 拟发 控 - p x i 总线仪器 仪系 声学传感器 器统 对 温度传感器 v x i 总线仪器 象 计算机工作立 串并行接口仪器 现场总线设备 u s b 总线仪器 图1 1 虚拟仪器系统构成方式 p c d a q 系统：是以数据采集板、信号调理电路和计算机为仪器硬件平台组成 的插卡式虚拟仪器系统。采用p c i 或i s a 计算机本身的总线，故将数据采集卡板 ( d a q ) 插入计算机的空槽中即可。 g p i b 系统：以g p i b 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。 v x i 系统：以v x 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。 虚拟化技术的研究与应用电机调速榆测仪 p x i 系统：以p x 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。 串口系统：以s e r i a l 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。 软件系统作为虚拟仪器核心的具有通用性、通俗性、可视性、可扩展性和升级 性，能为用户带来极大的利益。虚拟仪器强调在通用的计算机技术中吸收仪器技术， 因此，具有传统的智能仪器所无法比拟的应用前景和市场。虚拟仪器软件由两大部 分构成： 1 应用程序。它包含两个方面的程序： ( 1 ) 实现虚拟面板功能的前面板软件程序。 ( 2 ) 定义测试功能的流程图软件程序。 2 i o 接口仪器驱动程序。这类程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱动 与通信。 开发虚拟仪器，必须有合适的软件工具。这些软件开发工具为用户设计虚拟仪 器应用软件提供了最大限度的方便条件与良好的开发环境。目前已有多种虚拟仪器 的软件开发工具。总体分为两类。 文本式编程语言：如c 、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。 虚拟仪器的特点可归纳为： 1 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。 2 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。 3 仪器性能的改进和功能扩展只需进行相关软件的设计更新，而不需购买新的 仪器。 4 研制周期较传统仪器大为缩短。 5 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：“虚拟仪器 的关键是软件”。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。只有同时拥有高效的软件、模块化加硬件 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： 1 性能高：虚拟仪器技术是在p c 技术的基础上发展起来的，所以完全 继承 4 第一章引言 了以现成即用的p c 技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能卓越的处理器和文 件i 0 ，使用户在数据高速导人磁盘的同时，就能实时进行复杂的分析。此外，不断 发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。 2 扩展性强：得益于n i 软件的灵活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以最 少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进用户的整个系统。在利用 最新科技的时候，用户还可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加 快产品上市时间。 3 开发时间少：在驱动和应用两个层面上，n i 高效的软件构架能与计算机、仪 器仪表和通信方面的最新技术结合在一起。n i 设计这一软件架构的初衷就是为了方 便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使用户轻松地配置、创建、发 布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。 4 集成：虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能 上不断趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而 连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。n i 的虚拟仪器软件平台为所有的 i 0 设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少 了任务的复杂性畸呵3 。 1 3 虚拟仪器发展及动向 1 技术开发方面： 虚拟仪器走的是一条标准化、开放性、多厂商的技术路线，经过1 0 多年的发展， 正沿着总线与驱动程序的标准化、硬软件的模块化、硬件模块的即插即用化、编程 平台的图形化、可配置能力由软件至硬件的扩展化、虚拟仪器网络化等方向发展。 对于总线技术，目前国际研究的测试仪器总线包括：r s 2 3 2 串行总线、u s b 通用 串行总线和i e e e1 3 9 4 总线、g p i b 总线、v x i 总线( 且i i e e e11 5 5 总线) 、p x i 总线、现 场总线、工业以太网、l x i 总线技术。其中国外虚拟仪器所用i e e e1 3 9 4 总线的传送 速度已经达到l o o m s 。p x i 总线的传输速率已经达至l j l 3 2 m b p s ( 最高为5 0 0 m b p s ) ，是 目前已经发布的最高传输速率。u s b 口和1 3 9 4 口由于传输速度快、可以热插拔、联 机使用方便的特点，很有发展前途，将成为未来虚拟仪器有巨大发展前景和广泛市 场的主流平台阳3 。2 0 0 5 年9 月l x i 联盟发布l x i ( l a n 的仪器扩展) 标准1 0 版本，标志着 测量仪器的新一代开放总线标准的到来m 。新的商用硬件和软件技术不断提高了虚拟 仪器技术的性能以及它们所解决的应用挑战，尤其是p c 总线处理器的不断提高。 虚拟化技术的研究与应用电机调速检测仪 对于开发环境，也主要采用图形化编程语言，亦称g 语言( g r a p h i c a ll a n g u a g e ) ， 包括：l a b v i e w ，h p v e e 、a g i l e n tv e e 、d a s y l a b 等。近几年，虚拟仪器在国内也 成为仪器仪表研究方面的热点，在总线技术和编程环境的研究上正向国际接轨，其 中v m i d s 系统，是目前重庆大学发明出一种零编程开发系统，是图形化编程语言的 一种。用户不需要任何编程知识和技能，便可获得自己需要的虚拟式仪器n0 l 。而且， 美国国家仪器有限公司烈i ) 日前宣布推出l a b v i e w 图形化开发平台的一个升级版本 一i a b v i e w 8 2 ，提高了设计、控制和测试领域工程师的效率。该版本的发布也包 括对l a b v i e w 实时模块、l a b v i e wf p g a 模块、l a b v i e wp d a 模块，以及l a b v i e w 数据记录和监控模块的升级。它将图形化编程方式扩展至测试和控制系统，从机架 式测试解决方案扩展到自动化设备网络。该版本提供了一个简化的、可扩展的界面， 用于在远程智能设备和系统( 例如实时处理器和f p g a ) r 日- j 进行通信和同步。 如今，虚拟仪器技术的功能和性能已被不断地提高，在许多应用中它已成为传 统仪器的主要替代方式。随着p c 、半导体和软件功能的进一步更新，未来虚拟仪器 技术的发展将为测试系统的设计提供一个极佳的模式，并且使工程师们在测量和控 制方面得到强大的功能和灵活性。 首先，可重复配置的计算通过软件定义了硬件性能，f p g a 的广泛使用使这种功 能成为主流的商用技术，通将可重复配置的硬件应用到一个虚拟仪器系统，可以使 用软件来开发算法并将它们应用到一个嵌入式芯片中，从而把虚拟仪器软件的可配 置能力扩展至硬件，虚拟仪器技术进一步渗透到了设计领域n 。这意味着更多的测 试和控制工程师们将有新的机会开发更加完善的实时的嵌入式系统。如n il a b v l e w r t ( 实时控制) 的软件即可以进行p c 上的开发，又可以实现实时控制的嵌入式应用 系统的开发。 其次，网际网络的潮流将资料共享带入了一个新的阶段，加速了虚拟仪器的网 络技术及远程监控技术的发展，而这些技术是传统独立仪器不可能实现的。虚拟仪 器技术可利用网际网络的功能，将来自测量或控制设备中的资料直接传送到w e b 网 页上，或是用掌上型的数字工具读取资料，甚至还可以将数据传输到手机上。使用 虚拟仪器技术，您可以使用网际网络的强大功能远距离控制仪器设备，或是与远在 其它办公地点甚至其它国家的同事合作处理一个项目。网络技术应用到虚拟仪器领 域中也是虚拟仪器发展的大趋势。 由此来看，虚拟仪器的发展方向主要有一下几个方面： ( 1 ) 功能强大灵活与开发简易直观的统一； 6 第一章引言 ( 2 ) 真实仪器外观和功能的仿真； ( 3 ) 虚拟仪器可配置能力由软件至硬件的扩展； ( 4 ) 网络化技术在虚拟仪器中的应用； ( 5 ) g 语言架构的完善，包括面向对象编程思想的应用。 总之，随着计算机网络技术、多媒体技术、分布式技术的飞速发展，融合了计 算机技术的v i 技术，其内容会更丰富。 2 实际应用方面： 虚拟仪器从概念诞生到现在，不过2 0 年的历史。国际上从1 9 8 8 年开始陆续有 虚拟产品面市，当时有五家制造商推出3 0 种产品，此后，虚拟仪器产品成倍增加， 到1 9 9 4 年底，虚拟仪器制造厂已达9 5 家，共生产1 0 0 0 多种虚拟仪器产品，销售额 达2 9 3 亿美元，占整个仪器销售额7 6 亿美元的4 。据预测，2 l 世纪前1 0 年，虚 拟仪器的生产厂家将超过千家，品种将达数千种，市场潜力巨大。同时，我们能够 看到欧美，特别是美国企业在虚拟仪器开发平台上处于垄断地位，在市场上的状况 也同样如此。 目前，国外企业在中国虚拟仪器市场占据着绝大部分的市场份额。据统计，我 国进入“2 1 1 工程”的1 0 0 所高等院校有7 0 多所选用了国外公司的产品。限于美国在 虚拟测试测量及自动化领域的垄断地位，国内引进一套相关开发软件需要5 0 0 0 美元， 引进一套虚拟仪器硬件设备需要1 0 多万元人民币，采用其软硬件系统建设虚拟仪器 研究实验室更是价格不菲。 实际上，我国虚拟仪器的发展并不晚，几乎和国外领先企业处于同一时期。但 由于众所周知的原因，整个仪器行业，包括虚拟仪器发展在过去的2 0 年中，大部分 时间处于停滞阶段。好在以g o l 为代表的国内测试测量厂商已经意识到了这个问 题。在我国仪器仪表行业整体回暖的大环境下，虚拟仪器也得到发展，特别是以计 算机加数模转换及软件应用来实现传统仪器中的示波器、频谱分析仪等，有力打破 了国外企业垄断的市场局面，促进了国内仪器行业的全面繁荣。 虚拟仪器以其创新的概念，改变了人们对仪器的传统观念，适应了现在测试系 统综合化、网络化、智能化发展趋势。因此，从工业自动化，到仪器产业改造，再 到实验室应用，国内近几年的应用需求急剧高涨，应用市场非常广泛n 幻。 电子测量仪器的主要功能都是由数据采集、数据分析和数据显示等三大部分组 成，发展至今可大体分为四代：模拟仪器、数字仪器、智能仪器和虚拟仪器。 第一代模拟仪器，如指针式万用表、晶体管电压表等。其基本结构是电磁机械 7 靡m 化$ 研究与l m 用电机月建榆潮仪 式的，借助指针来显示最终结果。 第= 代数字化仪器，这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。 这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出晟终结果。 第三代智能仪器，这娄仪器内置微处理器，既能进行自动检测又具有一定的数 据处理能力，其功能块以硬件或同化软件的形式存在。 近年来，智能化测量控制仪表的发展尤为迅速。同内市场上已经出现了多种多 样智能化测量控制仪表，例如，能够自动进行差压补偿的智能节流式流量计，能够 进行程序控温的智能多段温度控制仪，能够实现数字p i d 和各种复杂控制规律的智能 式调节器，以及能够对各种谱图进行分析和数据处理的智能色谱仪等。 第四代虚拟仪器，是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过 程通汛及图形用户界面的软件组成的检测系统，是一种由计算机操纵的模块化仪器 系统。在虚拟现实系统中，数据分析和显示完全用p c 机的软件来完成。因此，使用 同一个硬件系统，只要应用不同的软件编程，就可得到功能完全不同的测量仪器。 可见，软件系统是虚拟仪器的核心，“软件就是仪器”。 虚拟仪器与智能仪器的区别：传统的智能仪器主要是在仪器技术中用了某种计 算机技术，而虚拟仪器是智能仪器技展的新阶段( 图12 仪器的发展形态) ，它则强调 在通用的计算机技术中吸收仪器技术。作为虚拟仪器核心的软件系统具有通用性、 通俗性、可视性、可扩展性和升级性，能为用户带来极大的利益，因此，具有传统 的智能仪器所无法比拟的应用前景和市场。 ，一一 鬻 互掣 ! = 榛扭仪器糍箍收嚣 城 h 性赫 图12 仪器的发展形态 14 研究意义与内容 虚拟仪器的应用能给用户带来哪些实际利益呢? 总体来说，就是用更少的费用 完成更复杂的钡0 试任务，具体表现在以下几个方面： 1 测试成本的降低 由于虚拟仪器采用软件代替硬件，实现仪器的信号处理、结果表达和仪器控制， 构建坝4 试系统的硬件大大简化，测试成本大幅度降低。 8 擎 第一章引言 2 测试效率的提高 虚拟仪器常采用总线仪器模块构建，计算机可方便地直接通过总线控制仪器模 块，这将为实现自动测试提供很大的方便。所有的虚拟仪器系统都是自动测试系统， 所有测试工作都是在计算机控制下自动完成的，这样大大提高了测试工作的效率。 由于虚拟仪器系统采用通用的软件操作系统，例如：w i n d o w s 9 x ；w i n d o w s 2 0 0 0 ； w i n d o w sn t w i n d o w s x p 等，可利用大量的现有软件资源，为测试数据的进一步处 理、存贮和传输提供了方便。 3 测试系统更加紧凑 由于虚拟仪器大多采用总线式结构，一个机箱能插入多块仪器卡，例如：p x i 总线机箱能同时插入8 块卡，即：一个机箱能集成最多8 个仪器。这样，为了完成 某一项测试任务而组建的测试系统，体积大大缩小了，结构更加紧凑。据某项论证 研究，某型导弹技术保障车辆的计量现需要约5 0 台传统仪器，而采用虚拟仪器技术， 仅需一套p x i 总线仪器系统即可完成，这套系统可便携。这样，传统的实验室计量 模式也就转变为伴随计量或靠前计量模式。 4 远程测试 虚拟仪器充分利用了计算机技术，也包括计算机网络技术，因此，虚拟仪器能 够方便地利用互联网实现远程测试。军事装备越来越复杂，对测试工作的要求也越 来越高，为了保证作战装备的正常工作，有时，需要远程战场支援，当然也包括远 程测试，虚拟仪器与传统仪器相比，能够更方便有效地支持远程测试或网络测试。 5 仪器可以定制或自制 虚拟仪器的测试功能是用软件实现的，因此，可根据用户的不同实际需要，从系统 集成商处订制仪器，也可自制仪器。这样，面对临时性的测试任务，就能很快地组 建测试系统。 现代化生产要求电子仪器品种多、功能强、精度高、自动化程度高，而且要求 测试速度快、实时性好、具有良好的人机界面，虚拟仪器正可以实现这些要求，与 传统仪器相比，它更具优势。 本论文主要内容是研究电测仪表的虚拟化技术。在此基础上，作为虚拟仪器技 术的一种应用，作者使用目前最为流行的v i 开发软件l a b v i e w ，设计开发了电机 调速实验的测试系统电机调速检测仪，最终可实现实时数据采集、显示、存储 及进一步处理，具有实验原理显示、系统参数特性测定、p i d 调节、结果分析、数据 保存、报告打印等的功能。虚拟仪器技术目前在电力拖动中应用最多的是在测量领 9 虚拟化技术的研究与应用电机调速检测仪 域，它不仅可以完全代替传统的仪器，而且具有传统仪器不可替代的功能特别是对于 一些非标准的或超常规的测量测试要求，应用虚拟仪器技术可以起到非常显著的效 果。进一步显示了虚拟仪器在测量控制领域的优越性。 论文共分六章。 第一章引言： 阐明了仪器虚拟化技术研究的必要性及虚拟仪器的概念，参考国内外虚拟仪器 的不同发展现状，说明了虚拟仪器系统开发的意义与价值。 第二章虚拟仪器软件系统： 归纳总结了虚拟仪器目前的各类开发软件，并对其中最主流的开发平台 l a b v i e w 做了详细介绍，提出了一般虚拟仪器软件的设计流程。 第三章虚拟仪器硬件系统： 总结介绍了虚拟仪器发展过程中形成的几大硬件平台类型和相关总线标准。 第四章控制算法与信号处理： 简要介绍了本文仪器开发过程中涉及到的控制算法、数字信号处理技术及 l a b v i e w 中对应的程序模块。 第五章电机调速检测仪： 具体讲述虚拟实验仪器电机调速检测系统的设计与开发，描述了本文系统 中选择的硬件设备及安装配置。详细介绍了电机调速检测系统的各项功能实现及程 序设计。 第六章结论与展望： 对论文进行了总结。 1 0 第二章仪器的软件系统 第二章仪器的软件系统 软件在虚拟仪器v i 中的地位十分重要，它担负着对数据进行分析与处理的重任。 在很大程度上，软件决定了v i 系统能否成功地运行。应用软件为用户构造或使用 v i 提供了集成开发环境、高端的仪器硬件接口和简便的用户接口。 一般测试仪器的软件系统结构主要分四层：测试管理层、测试程序层、仪器驱 动层和i o 接口层。用户要自己制作这四层v i 软件是十分耗时费力的。v i 标准的出 现，使这些软件层的设计均以“与设备无关”为特征，极大地改善了开发环境。这 样就使用户可以把注意力集中在测试程序和测试管理两个软件层的开发上。对于这 两层，标准测试开发工具包含了大量不同类型、预先编好的程序库，用于数据分析、 显示、报表等；测试管理软件开发工具也具有强大、灵活的性能来满足用户的广泛 需求。v i 软件开发工具的另一个重要特征是用户可以使用该工具完成测试程序的开 发，包括仪器驱动程序、测试程序和用户的应用程序等，而且要求不同的开发人员、 不同的开发工具所编写的测试程序可以方便地集成在一个系统中。 虚拟仪器软件环境大致可以分为两类： 一类是基于通用编程软件进行编写的软件开发环境。常用的有属于传统文本式 的开发语言c c + + 、可视化编程工具v i s u a ls t u d i o 中的v i s u a lb a s i c 、v c + + 和v i s u a l s t u d i o n e t 及相应的软件包、j a v a 、m a t l a b 等，以及b o r l a n d 公司的d e l p h i 、 c + + b u i l d e r 、j b u i l d e r 等。用这类平台开发虚拟仪器的也有被称为中间开发平台的。 用户需要利用虚拟仪器中间开发平台经过二次开发，将外部硬件通过驱动程序连接 到计算机上，根据需要开发相应的数据分析或仪器控制功能。由于c c 抖对开发人 员的编程能力和对仪器硬件的掌握要求很高，因此使用的人已越来越少。也有用到 s y b a s e 公司的p o w e r b u i l d e r 进行开发的，但由于用到的情况不多，而且并不十分典 型，因此本文就不加以展开了。 另一类是基于图形化语言的软件开发环境。常用的有n i 公司的l a b v i e w 和l a b w i n d o w s c v i 、a g i l e n t 公司的v e e ( 原先是h p 公司产品，a g i l e n t 从h p 公司独立 出来后，成为后者命名的产品) 和h p t i g 平台软件等；此外，美国t e k t r o n i s 公司的 e z - - t e s t 和t e k t n s 软件，w a v et e s t 公司的w a v et e s tv i p ( 可视仪器编程器) ，以 及h e md a t a 公司的s n a p - - m a t t e r 等平台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开 发平台软件。 虚拟化技术的研究与应用电机调速检测仪 2 1 基于文本语言的软件开发环境 1 v i s u a lb a s i c v i s u a lb a s i c 在界面设计、文件操作、多媒体应用、数据访问、i n t e m e t 应用等方 面都提供了强大的工具，集成化开发环境和软件调试环境方便，具有易学、易用、 功能强大等优点。 然而，对于虚拟仪器开发而言，v b 在数据处理和图形显示方面却远远不如 l a b w e w 。在使用v b