（机械设计及理论专业论文）工程测试虚拟仪器实验室的研究与开发.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 工程测试虚拟仪器实验室的研究与开发 摘要 虚拟仪器( v i r t u ai n s t r u m e n t ) 的概念是美国国家仪器公司( n i ) 于8 0 年代中期提出 来的。这一概念的核心是以计算机作为仪器的硬件支撑，充分利用计算机的运算、存 储、回放、调用、显示以及文件管理等智能式的功能，把传统仪器的专业化功能软件 化，使之与p c 机结合起来融为一体，这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统 硬件仪器相同，同时又充分享用了p c 机智能资源的全新的仪器系统。 将虚拟仪器技术引入实验教学，由虚拟仪器代替传统仪器构建的虚拟仪器实验室 具有资金投入少，开发周期短，仪器功能自定义等优势，可以改变目前工程测试实验 教学中仪器设备落后，功能缺乏，资金短缺，实验内容陈旧，难以调动学生主动性和 创造性的局面，已经成为了2 1 世纪理工科实验室建设和改造的新方向。本课题结合工 程测试实验室现状，采用虚拟仪器技术对工程测试虚拟仪器实验室的建立进行了研究 和开发。 本课题开发了三种工程测试虚拟仪器系统，即转子虚拟式振动信号特征分析仪， 虚拟实时噪声倍频程分析仪和虚拟转子动平衡实验仪，设计了基于所开发工程测试虚 拟仪器的实验，并且初步组建了工程测试虚拟仪器实验室。其中，转子虚拟式振动信 号特征分析仪实现了数据采集，数据存储，时频域分析，轴心轨迹分析，轴心位置分 析，起停过程分析，相位差分析和全息谱分析；虚拟实时噪声倍频程分析仪实现了数 据采集，数据存储，倍频程分析，1 3 倍频程分析和柱状图显示；虚拟转子动平衡实 验仪实现了数据采集和三点加重法动平衡。 本课题中系统软件的开发结合l a b v i e w 语言的开发特点，采用了总分式模块化 的开发方法，所开发的系统和实验具有独立性强，用户界面友好，数据采集处理精度 高，稳定性好等传统实验室无法比拟的优势。 关键词：虚拟仪器；l a b v i e w ；转子；动平衡；噪声测量 一 查! ! 垄兰翌主篓堡垒墨 一塑! 苎生 r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no ft e s t i n g l a b o r a t o r y b a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t a b s t r a c t 1 1 1 ec o n c e p to ft h ev u t u a li n s t r u m e n tw a sp u tf o r w a r di nt h em i d d l ep e r i o do ft h e e i g h t i e sb yt h en a t i o n a li n s t n a n e n tc o m p a n y ( n do fa m e r i c a t h ec o r eo ft h i sc o n c e p ti s t h a tt h eh a r d w a r ew h i c hr e g a r d sc o m p u t e ra st h ei n s t r u m e n ti ss u p p o r t e d ，f u l l yu t i l i z e i n t e l l e c t u a lf u n c t i o n s ，s u c ha sc o m p u t e ru n i q u eo p e r a t i o n ，m e m o r y , p l a y b a c k ，t r a n s f e r r i n g ， s h o w i n ga n df i l em a n a g e m e n t , e r e ，m a k ei tc o m b i n ew i t ht h ep ct o g e t h e ra n dc o m b i n e t r a d i t i o n a ls p e c i a l i z e df u n c t i o ns o r w a r eo fi n s t r u m e n t i ti st o t a l l yt h es a m ea st r a d i t i o n a l h a r d w a r ei n s t r u m e n tf r o ma p p e a r a n c et of u n c t i o nt of o r mo n el i k et h i s ，c a l le n j o y b r a n d - n e wi n s t r u m e n ts y s t e mo fr e s o u r c e sp cq u i c k - w i t t e df u l l ya tt h es a l n et i m e t h e l a b o r a t o r yb a s e do nv i t t u a li n s t r u m e n t sh a ss u p e r i o r i t yt h a tt h et r a d i t i o n a le x p e r i m e n ta n d i n s t r u m e n td o n th a v e ，a n db e c o m en e wd e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft e s t i n gl a b o r a t o r yi n2 1 c e n t u r y t h et h e s i s s t u d i e sa n de s t a b l i s h e s t h e l a b o r a t o r yb a s e d o nv i r t u a lt e s t i n g i n s t r u m e n t i nt h i st h e s i sd e s i g na n dr e s e a r c ht h i n ev i r t u a li n s t r u m e n t sf o re n g i n e e r i n gt e s t , v i r t u a l v i b r a t i o ns i g n a lc h a r a c t e r i s t i ca n a l y z e ro fr o t a t i n gm a c h i n e r y , v i r t u a lr e a l - t i m en o i s eo c t a v e a n a l y z e ra n dv i r t u a lr o t o rd y n a m i cb a l a n c i n gt e s t e r , d e s i g nt h r e ee x p e r i m e n t sw 矧hv i r t u a l i n s t r u m e n t sd e s i g n e da n db u i l dap r i m a le n g i n e e r i n gt e s t i n gl a b o r a t o r yb a s e do nv i r t u a l i n s t r u m e n t s t h ef u n c t i o n so fv i r t u a lv i b r a t i o ns i g n a lc h a r a c t e r i s t i ca n a l y z e ro fr o t a t i n g m a c h i n e r yi n c l u d ed a t aa c q u i s i t i o n , d a t as a v e ，t i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i s ，o r b i ta n a l y s i so f r o t o rc e n t e r l i n e ，p o s i t i o na n a l y s i so fr o t o rc e n t e r l i n e ，s t a r t s t o pc o u r s ea n a l y s i s ，p h a s e d i f f e r e n c ea n a l y s i sa n dh o l o s p e c t r u ma n a l y s i s 。1 1 l ef u n c t i o n so fv i r t u a lr e a l - t i m en o i s e o c t a v ea n a l y z e ri n c l u d ed a t aa c q u i s i t i o n , d a ms a v e ，o c t a v eb a n da n a l y s i s ，1 3o c t a v eb a n d a n a l y s i sa n dh i s t o g r a md l s p l a 弘mf u n c t i o n so fv i r t u a lr o t o rd y n a m i cb a l a n c i n gt e s t e r i n c l u d ed a t aa c q u i s i t i o na n dd y n a m i cb a l a n c eb ya d d i n gb a l a n c ea tt h r e ep o i n t so n a s i n g l e p l a n e i - 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h i s p a p e rs e l e c t s u n i t e - d e t a c h w a yt od e s i g n s o f t w a r e s y s t e m i nv i e wo f c h a r a c t e r i s t i c so fl a b v i e ws o f t w a r el a n g u a g e a tf a s t ，d i v i d ew h o l es y s t e mi n t om a n y f u n c t i o nm o d u l e sb a s e do nd i f f e r e n tf u n e t i o i l sa n dm a k es u r ee a c hf u n c t i o nm o d u l ei s i n d e p e n d e n t l y t h e n ，p r o g r a me v e r yf u n c t i o nm o d u l e sr e s p e c t i v e l y a tl a s t ，a s s e m b l e r e l e v a n tf u n c t i o nm o d u l e si na c c o r dt of u n c t i o n se a c hs y s t e mw a n t st oa t t a i n t h et h l 屯e s y s t e m sh a v ed e s i 弘e dh a v ef r i e n d l ym a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n da r ee a s yt oo p e r a t ea n d e a c ho ff u n c t i o nm o d u l ei si n d e p e n d e n t l y , n a t u r a l i z e da n de x p a n d a b l e i nm ee n d ，t h et h e s i sg i v e st h es u m m a r yt 0t h es t u d ya n do u t l o o kt ot h ed e v e l o p m e n t d i r e c t i o no f t h ev i r t u a lt e s t i n gl a b o r a t o r ya n d a p p l i c a t i o ni nt h ec o u r s eo f t e s t i n gt e c h n i q u e k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ；l a b v i e w ；r o t o r ；d y n a m i cb a l a n c i n g ；n o i s em e a s u r e m e n t i v 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名：司磊字 日期： 加fj 竹 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即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和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北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、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章缚论 第一章绪论 1 i 课题提出的背景和意义 1 1 1 实验教学的现状及其发展 实验教学是在教师指导下学生运用一定的仪器设备进行独立作业，观察事物和过 程的发生和变化，探求事物的规律，以获得知识和技能的一种教学方法。然而，目前 各级学校电子技术实验室，现有的常规设备有的已经老化，有的技术上相对落后，有的 仪器设备在教学中只用了其中的部分功能，还有许多功能派不上用场；另一方面，某些 需要的功能又不具备，需购置新的设备。在实验教学时，实验内容的更新又会形成对仪 器新的需求，也造成一些仪器的闲置，以至于滞后的实验设备和死板的实验模式难以 调动学生的主动性和创造性，从而在很大程度上制约了实验教学的发展和人才培养质 量的提高，改革传统的实验教学势在必行【1 1 1 2 1 w 。 虚拟仪器的出现较好地解决了这个问题。虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 的概念是美 国国家仪器公司o n ) 于8 0 年代中期提出来的【4 】，这一概念的核心是以计算机作为仪器 的硬件支撑，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等 智能式功能，把传统仪器的专业化功能软件化，使之与p c 机结合起来融为一体，这 样便构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用了p c 机 智能资源的全新的仪器系统，由于仪器的旋钮、按键功能和面板、控件都是由软件形 成的，因此国际上把这种新型的仪器称为虚拟仪器【5 】嘲。 在虚拟仪器的基础上形成虚拟仪器实验室【刀【8 】【9 】。与传统的实验室相比，虚拟仪器 实验室具有以下优势： ( i ) 减少实验设备资金的投入 首先，在一台计算机上就可以实现诸如示波器、函数发生器、电压表、频谱分析 仪等多种仪器的功能，大大节约了仪器成本。其次，传统仪器维护费用高，需要耗费 大量的人力物力。虚拟仪器基于软件的体系结构大大节省了开发和维护费用。 ( 2 ) 快速更新实验内容 由于虚拟仪器具有用户自己定义功能的特点，因此，虚拟实验室可根据具体的教 学内容要求，不断开发新的面向实验用的虚拟仪器，使实验室内容迅速更新。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 便于开放式管理，扩大教学规模。 虚拟仪器实验室系统可以通过网络进行数据传送，指导老师通过计算机监控实验 过程，可以同时管理几十甚至上百个学生做实验。 1 1 2 虚拟仪器研究的背景和现状 虚拟仪器在发达国家已经十分普及。在美国，虚拟仪器系统及其图形编程语言已 作为各大学理工科学生的- - f - j 必修课程。美国斯坦福大学的机械工程系要求三、嘎年 级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制【1 0 】f 1 1 】。 然而，虚拟仪器产业在国内的发展现状和发展态势不容乐观。虚拟仪器是随着传 统电子测控技术、计算机技术和通讯技术不断发展、不断完善而产生的一项综合性结 构化电子测量与控制技术。而在我国，计算机、通信及电子产业的发展与欧美国家相 比里现相对滞后的地位，从而决定了我国的虚拟仪器产业底子薄，缺少必要的软硬件 技术支持，起步较晚，发展缓慢的特点。直到上个世纪九十年代中后期，虚拟仪器这 一概念才逐渐被引入到我国的计算机应用行业中，先天的不足使得我国的虚拟仪器技 术的应用还处在起步阶段。 从九十年代中期以来，国内已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统一清华大 学、上海复旦大学、上海交通大学、华中理工大学、哈尔滨工业大学、四川联合大学 等。近几年来这些学校在原有的基础上，又开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和 科研。其中，四川联合大学的教师基于虚拟仪器的设计思想，研制的“航空电台二线 综合测试仪”将8 台仪器集成于一体组成虚拟仪器系统，使用方便、灵活。清华大学 汽车系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检验。 此外，国内已有几家企业正在研制基于p c 的虚拟仪器。随着微型计算机的发展，虚 拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。 目前，我国正处于科学技术蓬勃发展的新时期，对仪器设备的需求将更加强劲。 虚拟仪器赖以生存的p c 计算机近几年正以迅猛的势头席卷全国，这为虚拟仪器的发 展奠定了基础。虚拟仪器作为传统仪器的替代品，市场容量巨大。据统计，1 9 9 5 年我 国进口电子测量仪器7 3 5 万台，价值3 2 亿美元。据专家预测，到本世纪初我国将 有5 0 的仪器为虚拟仪器。发达国家虽然在此领域比我国起步较早，但差距并不是很 大，我们应当充分把握时机，取长补短，学习国外先进经验，将我国的虚拟仪器产业 z k 平逐渐向先进国家靠拢。各级学校也要抓住机遇，充分利用虚拟仪器的强大功能开 创实验教学的新局耐1 2 p 3 。 东北大学硕士擘位论文 第一章绪论 1 1 3 虚拟仪器的发展趋势 通过利用i n t e m 吐资源和技术如a s p ( a c t i v es e r v e rp a g e s ，动态服务器主页) 可将i n t e m e t 与虚拟仪器和仿真实验室纺合起来，为远程教育中的实验教学提供有效 的解决方案。远程虚拟仪器技术结合了虚拟仪器技术与网络技术，将虚拟仪器的应用 范围拓展到整个i n t c r a c p i n t r a n c t 网上，使信号采集、传输和处理一体化，一方面可 以使许多昂贵的硬件资源得以共享，充分利用现有的实验室资源；另一方面还有利于 远程教育实验教学的开展，从而解决限制远程教育发展的实验教学难以进行的问题。 因此构建基于i n t b n l c t i n t a n c t 上的远程虚拟仪器实验系统已经成为促进远程教育发 展的重要途径。 1 2 本论文的主要内容 本文通过采用相关的硬件设备，结合目前流行的图形化编程语言l a b v i e w 开发 了三个面向工程测试实验的虚拟仪器，即旋转机械虚拟式振动信号特征分析仪、虚拟 实时噪声倍频程分析仪和虚拟转子动平衡实验仪。并初步建立了基于虚拟仪器的工程 测试技术实验室。 测试技术实验室。 东北大学硕士学位论文 第二章虚拟仪器技术 2 。1 虚拟仪器 第二章虚拟仪器技术 2 1 1 虚拟仪器的概念 上世纪八十年代末，随着计算机科学和微电子技术的迅速发展和普及，有力地促 进了多年来发展相对缓慢的仪器技术，并由此产生一个新型的仪器概念一虚拟仪器 ( v h l u a li n s t r u m e n t ，简称为v i ) 。虚拟仪器是将现有的计算机主流技术与革新的灵活 易用的软件和高性能模块化硬件结合在一起，建立起功能强大又灵活易交的基于计算 机的测试测量与控制系统来替代传统仪器( 价格昂贵，功能单一) 功能。它通过软件 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。 虚拟仪器本质上是利用p c 机强大的运算能力、图形环境和在线帮助功能，建立 具有良好人机交互性能的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析与显示，实现 完全由用户自己定义、适合不同应用环境和对象的各种功能。在虚拟仪器系统中，硬 件仅仅是解决信号的输入输出问题的方法和软件赖以生存、运行的物理环境，软件才 是整个仪器的核心构件。使用者通过调整或修改仪器的软件，便可方便地改变和增减 仪器的功能和规模，甚至改变仪器的性质【1 4 l 【1 5 l 。 2 。1 2 虚拟仪器的组成 虚拟仪器的构成包括硬件和软件两个基本要素。虚拟仪器中硬件的主要功能是获 取真实的被测信号；而软件的作用是控制实现数据采集、分析、处理、显示等功能， 并将其集成为仪器操作与运行的命令环境。 2 1 2 1 硬件简介 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。虚拟仪器的硬件主要是由计算机和信号采集调理部件所组成，其中计 算机包括微处理器、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。 计算机是虚拟仪器的硬件基础，对于工业自动控制、测试与测量而言，计算机是功能 强大，价格低廉的运行平台。由于虚拟仪器充分利用了计算机的图形用户界n ( o u i ) ， 东北大学硕士学位论文 第二章虚拟仪器技术 所开发的具体应用程序都基于w m d o w s 运行环境，所以计算机的硬件配置必须合适。 g u i 对计算机的c p u 运行速度、内存大小、显示卡性能等都有最基本的要求，一般 而言要使用4 8 6 以上的c p u 和1 6 m 以上内存的计算机才能获得良好的效果。 匿2 1 虚拟仪器的硬件组成 f i 9 2 i h a r d w a r es t r u c t u r eo f v i s u a li n s t r u m e n t 虚拟仪器硬件组成有多种分类方法，既可以按照应用领域来分，也可以按照测量 功能来分，但是最常用的是按照构成虚拟仪器的接口总线的不同，分为数据采集插卡 式( d a q ) 虚拟仪器、串行接口虚拟仪器、并行接口虚拟仪器、u s b 虚拟仪器、g p i b 虚拟仪器、v x i 虚拟仪器、p x i 虚拟仪器以及最新的i e e e l 3 9 4 接口虚拟仪器等， 如图2 1 所示0 6 1 17 1 。 在实际应用中虚拟仪器常用两种构成方式。一种是把带有某种接口的各种测试设 备连接到p c 上，如带有g p i b 或r s - 2 3 2 接口的测量仪表，但是，带r s 2 3 2 接口 的仪表可直接连接到p c 上，带g p i b 口的仪表还需通过p c 中内置的g p i b 接口 卡才能和p c 相连。另一种是直接把传感器的输出信号经放大调理后送到p c 内置的 专用数据采集卡，然后由软件完成数据处理。 2 1 2 1 软件简介 虚拟仪器的软件结构是虚拟仪器的关键部分。虚拟仪器的软件结构分为三部分： 输入输出( i o ) 接口软件、仪器驱动程序和应用软件开发环境。如图2 2 所示。输入 输出接口软件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，为仪器与驱 动程序提供信息传递的底层软件，是测试系统软件的基础。它是实现开放的、统一的 虚拟仪器系统的基础和核心。 查些查堂堕主茎壁垒查 苎三主些整堡堡垫查 图2 2 虚拟仪器软件组成 f i 9 2 2 s o f t w k r es ( r u c i u r eo f v i s u a li n s t r u m e n t 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 ( v i 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。到目前为止，能够用于虚拟仪器 系统开发的比较成熟的软件开发平台主要有两大类：类是通用的可视化软件编程环 境，主要有m i c r o s o f t 公司的v i s u a lc + 十和v i s u a lb a s i c 、i n s p r i s e 公司的d e l p h i 和 c + + b u i l d e r 等；使用通用编程环境时，基本编程方法和结构同开发其它应用程序完 全相同，而应用程序调用相应硬件( 模块板卡、仪器) 时需要通过硬件厂商提供的驱 动程序进行，而且驱动程序应当符合v x i 、v p p 或i v i 仪器规范。另一类是一些公 司推出的专用于虚拟仪器开发的软件环境，主要有a g i l e n t 公司的图形化编程环境 a g i l e n tv e e 、n i 公司的圈形化编程环境l a b v m w 及文本编程环境 l a b w m d o w s c v l 。其中，l 曲v i e w 以其简单、实用、功能强大和标准化等特点，特 别是面向不具有较深编程背景的工程人员所以广受工程人员所喜爱。l a b v i e w 是一 种图形编程语言，使用“所见邸所得”的可视化人机交互界面，提供测试、测量和过 程控制领域使用的大量显示和控制对象，用户可以采用流程图式的编程方法简单迅速 地编写程序，内置了高效的程序编译器，程序代码执行速度高效，调试手段多样、直 接，同时提供功能强大的数据处理和分析函数库，可支持多种系统平台，能够与多种 编程和科学计算语言交互调用，也便于实现测试网络化，是一种开放式的开发平台。 本课题正是采用了n i 公司的l a b v i e w 虚拟仪器开发平台进行虚拟仪器的开发和设 计。关于l a b v i e w 的编程特点将在2 2 节详细介绍。 2 1 3 虚拟仪器的优点 与传统仪器相比，虚拟仪器的优点在于： ( 1 ) 将信号的分析、显示、存储、打印和其它管理集中交由计算机来处理。由于 6 _ 东北大学硕士学位论文 第二章虚拟仪器技术 充分利用计算机技术，完善了数据的传输、交换等性能，使得组建系统变得更加灵活、 简单。 ( 2 ) 强调“软件就是仪器”，软件在仪器中充当了以往由硬件甚至整机实现的角 色。由于减少了许多随时间可能漂移、需要定期校准的分立式模拟硬件，加上标准化 总线的使用，使系统的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高。 ( 3 ) 仪器由用户自己定义，系统的功能、规模等均可通过软件修改、增减，可方 便地同外设、网络及其它应用连接。虚拟仪器通过提供给用户组建自己仪器的可重用 源代码库，处理模块间通讯、定时、触发等功能，强调在通用计算机平台的基础上， 通过软件和软面板，把由厂家定义的传统仪器转变为由用户自己定义、由计算机软件 和几种模块组成的专用仪器。虚拟仪器的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义、用 户无法改变的模式，给了用户一个充分发挥自已能力和想象力的空间。 ( 4 ) 用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准，使资源的可重复 利用率提高，系统组建时闯缩短，功能易于扩展，管理规范，软，硬件生产、维护和开 发的费用降低。虚拟仪器既可以作为单台数字式测试仪器使用，又可以构成较为复杂 的测试系统，甚至通过高速计算机潮络构成分布式测试系统，进行远程监控及故障诊 断。此外，利用基于软件体系结构的虚拟仪器系统代替基于硬件体系结构的传统仪器， 还可以大大节省仪器购买、维护费用。 袭2 1v i 与传统仪器的区别 t a b l e2 1t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nv ia n dt r a d i t i o n a li n s t r u m e n t 虚拟仪器传统仪器 软件使得开发与维护费用降至最低 开发与维护的费用高 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 价格低廉 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同步发展 系统封闭、功能固定 自动化、智能化、远距离传输 功能单一、操作不便 传统仪器的功能是由厂家定义、用户无法改变的；而在虚拟仪器中用户可以灵活 地根据自己的需要设计自己的仪器，利用通用的仪器硬件平台，调用不同的测试软件 就可构成不同功能的仪器。表2 1 对虚拟仪器和传统仪器的特点作了一个简单的比 较。 东北大学硕士学位论文 第二章虚拟仪器技术 2 2 基于l a b v i e w 的虚拟仪器设计 2 2 1l a b v m w 概述及特点 l a b v i e w 是实验室虚拟仪器集成环境( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n t e n g i n e e r i n g w o r k b e n c h ) 的简称，是m 公司开发的一种基于图形化编程的虚拟仪器开发语言， 是一种类似于v b 、v c 的、功能强大而又灵活的编程环境【1 8 1 。l a b v i e w 是基于图 形的开发、调试和运行程序的集成化环境。由于采用流程图的图形化编程方式，因此 也被称为g 语言( g r a p h i c a ll a n g u a g e ，图形编程语言) ，是最早出现的编译型的图形 化编程语言。与其它编程语言相同，g 语言既定义了数据类型、结构类型、语法规则 等编程语言基本要素，也提供了包括断点设置、单步调试和数据探针在内的程序调试 工具，在功能完整性上和应用灵活性上不逊于任何高级语言。l a b v i e w 最大的优势 表现在两个方面：方面是编程简单，易于理解，尤其对熟悉仪器仪表结构的和硬件 的电路的工程技术人员，编程就像设计电路圈一样，上手快、效率高；另一方面针对 数据采集、仪器控制、信号分析和数据处理等任务设计提供了丰富完善的功能图标， 用户只需要连接调用，就可以免去自己编写程序的麻烦，且提供了丰富完善的工业标 准，提供了各种接i z i 总线和常用仪器的驱动程序。l a b v i e w 还具有良好的开放性， 利用其网络工具包i n t e m e tt o o l d t 提供的网络开发功能，可为远程浏览器和本地服务 器之间提供c g i 、t c p 、i p 等接口，可以方便地将v i 程序发布到互联网上。 l a b w 的以下特点使其广泛应用于仪器仪表领域： ( 1 ) 执行顺序是依数据流的方式确定的，而不是按照代码行出现的顺序，因此可 设计出同时执行多个程序的流程图，也即l a b v i e w 是多任务系统； ( 2 ) 提供代码接口结点( c 烈) 等功能可使用户直接调用其它编程语言编写的动 态连接库( d l l ) 或共享函数库，使得l a b v i e w 编程环境具有一定的开放性； ( 3 ) 是一种具有编译器的图形化编程系统，采用编译方式运行3 2 位应用程序： 将程序最优化，使程序拥有与c 语言程序相当的执行速度，加上内置的评估器，可 以将程序中对时间要求最苛刻的那部分代码予以分析并实现最优化； ( 4 ) 除了提供常规的程序调试机制，比如单步、设置断点以外，还提供了能够更 直观、更清晰地观察程序执行流程的调试工具数据探针。 用l a b v i e w 实现对计算机可编程仪器的控制，很大程度上提高了编程效率。非 常适合于仪器控制、信号分析、信号传输等实验场合【1 9 1 。 东北走学硕士学位论更 第二章虚拟仪器技术 2 2 2l a b v i e w 虚拟仪器程序的组成 使用l a b v i e w 开发平台编制的图形化虚拟仪器程序( v i r t u a li n s t n n n e n t ) 简称 v 1 。v i 由两部分组成：前面板( f r o n tp a n e l ) 和框图程序( b l o c kp a n e l ) 。其中前面 板就是图形化用户界面，用于设置输入数值和观察输出量，模拟真实仪器的面板。框 图程序就是l a b v i e w 的程序窗，由图标( i c o n ) 及其间连线( w i r e ) 组成，与前面 板一对应，用图形化的编程语言对前面板的控制量对象和指示量对象进行控制。 l a b v i e w 支持的数据类型包括：数值型、文本型、布尔型、串和簇( 相当于c 语言 的结构) ，并支持顺序、循环、选择等结构t 2 0 1 2 。 l a b v i e w 这种特殊编程环境的程序组成一般由如下几部分组成： ( 1 ) 结点( n o d e ) ：是v i 程序的可执行部分，类似于常规程序里的语句、运算 符、函数和予程序。l a b v i e w 框图中共有六类结点：1 ) 函数结点：在f u n c t i o n s 菜 单中，以i c o n 的形式出现在框图中，执行数值或逻辑运算、文件i o 和字符串格式 化等操作。2 ) 子v i 结点( s u b v l ) ：即可以调用的予程序。除f u n c t i o n s 菜单中提供 一些现成的s u b v i 外，程序员可以很方便的编写需用的的s u b v i 。3 ) 结构结点：分为 w h i l e 循环、f o r 循环、c a s e 循环和s e q u e n c e 顺序结构和e v e n t 事件等五类。4 ) 代 码接1 2 结点( c i n ) ：能实现方框图与c 或m a t l a b 等语言程序的连接。5 ) 公式 结点：在框图中插入数学公式，完成必要的数学运算。可在公式中使用各种公式结点 函数，实现复杂的浮点运算。6 ) 属性结点：可以对各种控制单元主要属性结点来改变 它们的特性。 ( 2 ) 端子( t e r m i n a l ) ：是在方框图与面板各结点间传递数据的端口。源端子由前 台控制单元输入数据，目标端子输出数据到前台指示器或显示单元。 ( 3 ) 连线( w i r e ) ：是输入和输出端予之间的数据通道。由布线器进行连线，不同 的颜色和线型代表不同的数据结构。 2 3 本章小结 本章对虚拟仪器的概念、组成、优点及其开发工具进行简单的概述，并详细介绍 了本论文所采用的开发工具l a b v i e w 的特点及程序组成。 东北大学硕士学位论文 第三章系统软件数据采集装王的选择配置 第三章系统软件数据采集装置的选择配置 本课题利用l a b v i e w 良好的软硬件集成能力，将现实世界的物理量转换为电信 号，并最终得到理想的测试结果。测试系统硬件部分的内容包括模拟信号的输入输出 和数字信号的输入输出以及信号调理，n i 公司把这些都归于数据采集d a q d a 诅 a c q u i s i t i o n 。 3 1 数据采集的过程 基于虚拟仪器的测试系统典型的硬件结构如图3 1 所示为：传感器一信号调理器 一数据采集设备一计算机。传感器将被测量的温度、压力、位移等各种物理量转换为 电量；信号调理器对电信号进行放大、滤波、隔离等预处理：数据采集设备主要功能 是将模拟信号转换为数字信号，此外一般还有放大、采样保持、多路复用等功能。 图3 1 虚拟仪器典型硬件结构 f i 9 3 1t y p i c a lh a r d w a r es t n l c t u r eo f v i 数据采集的过程就是将来自传感器的模拟量转换为数字量的过程。模拟信号x ( f ) 经脉冲序列采样后，成为时间离散信号石( 订) ，再量化以后得到取值也是离散化的数字 信号。采样脉冲间隔为采样周期，它的倒数是采样率。 数据采集是测试系统最主要的基础环节，根据信号的特征和测试目的，模拟信号 可以分为3 类： ( 1 ) 对于随时间缓慢变化的信号，例如容器的液位、对象的温度等，通常叫做 直流信号。对直流信号一般只需要比较慢的采样频率。 ( 2 ) 对于随时间变化较快的信号，如果需要了解它的波形，则把它作为个时 域信号来处理。这时候需要比较高的采样频率。例如要检测一个快速的脉外，采样周 期必须小于脉冲周期。耍关心这个脉冲的上升时间的话，那么就应该用更高的采样率。 ( 3 ) 对于随时间变化较快的信号，如果需要了解它的频率成分，则把它作为一 个频域信号来处理。根据“奈奎斯特”理论，要得到准确的频率信息，采样率必须大 于信号最高频率成分的两倍。采样率的一半叫“奈奎斯特”频率。这实际上意味着对 于最高频率的信号成分每一个周期只采样两个数据点，这对于描述信号的波形是远远 - 1 0 - 东北大学硕士学位论文 第三章系统软件数据采集装置的选择配置 不够的。工程实际中一般使用信号最高频率成分4 l o 倍的采样率。 3 2 数据采集设备d a q 3 2 1 数据采集设备d a q 类型 一般而言，所有能够在计算机控制下完成数据采集与控制任务的板卡产品都称为 d a q 产品，这些板卡细分又可以分为内插式( p l u g - i n ) 板卡和外挂式板卡两类。内 插式d a q 板卡包括基于i s a 、p c i 、p x i c o m p a c t 、p c i 、p c m c i a 等总线的板卡。外挂 式d a q 板卡包括u s b 、i e e e l 3 9 4 、r s 2 3 2 r s 4 8 5 和并口板卡。内插式d a q 板卡速度快， 但插拔不方便；外挂式d a q 板卡使用方便，但速度相对较慢。在本课题所开发的虚拟 仪器中，采用速度较快的内插式基于p c i 总线的d a q 板卡。2 删。 3 2 2 数据采集设备的主要指标 3 2 2 1 采样率 对于数据采集设备来讲，采样率就是进行a d 转换的速率，不同的设备具有不同 的采样率，进行测试系统设计时应该根据测试信号的类型选择适当的采样率，盲目提 高采样率，会增加测试系统的成本。目前常用的n i 公司的数据采集卡，低价位的 p c i 6 0 1 3 e 采样率为2 0 0 k s s ，即每秒采样2 0 0 k 。在实际测试系统中，一般情况下会 有多个被测信号，这些信号通过独立的通道进入数据采集卡，但是大部分数据采集卡 是多个通道共用一个a d 转换器，这就是多路复用。在这种情况下，数据采集卡性能 指标给出的最高采样率，应该分配到各个通道。例如上述p c 6 0 1 3 e 数据采集卡有1 6 个通道，如果实际使用了1 0 个，那么每个通道的最高采样率为2 0 k 。但是有些数据采 集卡给出的采样率指标是单通遒的，例如2 0 0 3 年新款的p c i - - 6 1 1 5 ，数据采集卡采样 率为1 0 m s c h a n n e l ，即每个通道每秒1 0 m 采样率。这类的数据采集卡往往用于多通 道同步采样，各自使用独立的a d 转换器，价格会数倍于普通的采集卡。目前，m 产品中最高采样率可达2 7 g 。 3 2 2 2 分辨率 分辨率是数据采集设备的精度指标，用模数转换器的数字位数来表示。如果把数 据采集设备的分辨率看作尺子上的刻线，同样长度的尺子上刻线越多，测量就越精确。 同样的，数据采集设备模数转换的位数越多，把模拟信号划分的就越细，可以检测到 的信号变化量也就越小。目前工程上常用的数据采集卡分辨率最低为1 2 位，可以满足 一般应用的要求。对于有较高要求的场合，可以使用1 6 位或2 4 位的数据采集卡。 “ 垒些苎兰壁主兰堡垒查 苎兰主墨垫竺竺墼塑墨壅鉴墨箜! 缝! ! 曼 3 2 2 3 其他主要指标 数据采集设备其它主要指标还有： 通道数：目前n i 的数据采集卡一般有1 6 通道和6 4 通道，可以根据被测试信号 的数量选择，如果有更多的信号需要测试可以采用多个数据采集卡，或使用多路复用 板。 同步采样：如果要分析多个被测试信号的相位关系，则要求有多通道同步采样的 功能。 模拟输出：需要产生模拟信号时，数据采集设备应有模拟输出功能。 数字输入输出：需要对被测试系统进行控制或采集数字信号时，要求数据采集设 备有数字量输入输出功能。 触发：分模拟触发和数字触发，即在一定条件下采样的功能。 3 3 被测试信号的连接方式 3 3 1 信号的参考点 接入数据采集设备的信号根据参考点的不同可以分为接地信号和浮动信号，如图 3 2 示。 ( 1 ) 接地信号 接地信号是信号的一端直接接地的电压信号。它的参考点是系统地( 例如大地或建 筑物的地) 。最常见的接地信号源是通过墙上的电源插座接入建筑物地的设备，例如信 号发生器和电源供电设备等。 ( 2 ) 浮动信号 浮动信号是不连接到建筑物地等绝对参考点的电压信号。浮动信号源常见的例子 有电池及其供电的设备、热电偶、变压器、隔离放大器等设备。如果使用d a q 板做 信号源，它输出的也是浮动信号。 乒乒 ( a ) 接地信号( b ) 浮动信号 图3 2 信号参考点 f i 9 3 2s i g n a lr e f e r e n c ep o i n t - 1 2 - 查塑叁兰堡主壁堡垒叁 整三主墨垫竺竺墼塑叁叁茎兰塑坚坠墨 3 3 2 信号的连接方式 对于大多数模拟输入设备，可以有三种不同的信号连接方式：差分 d i f f ( d i f f e r e n t i a l ) 、参考单端r s e ( r e f e r e n e e d s i n g l e - e n d e d ) 和非参考单端 n r s e ( n o r t r e f e r e n e e ds i n g l e - e n d e d ) 。 ( 1 ) 差分测试系统 在差分测试系统中信号的正负极分别接入两个通道，所有输入信号各自有自己的 参考点。通常差分测试系统是一种比较理想的测试系统，因为它不仅抑制接地