（机械电子工程专业论文）基于虚拟仪器的远程测控系统设计及实现.pdf

中文摘要 虚拟仪器( v ir t u a i i s t r u m e n t s 简称v i ) 是随着计算机软件技术 发展起来的一项新型技术。它克服了传统仪器的弊端，利用计算机的 强大计算能力和灵活的软件技术，在有限的硬件的基础上实现出符合 需要的完全不同的各种仪器体系。本论文介绍了虚拟仪器的概念、特 点、原理和组成。并论述了虚拟仪器的硬件结构和常用开发软件，较 为详细地介绍了l a b w i n d o w s c v i 开发环境的特点及其开放方式，重点 阐述了一个二维精密伺服工作平台虚拟仪器网络测控系统的实现。 本论文的核心是描述在n i 公司提供的p c i7 3 4 4 运动控制卡的基础 上j 利用虚拟仪器技术建立一个对二维精密伺服工作平台的网络实时 测控系统。通过p c i7 3 4 4 运动控制卡同时控制一个步进电机驱动器和 一个交流伺服电机驱动器，这两个驱动器分别驱动精密二维平台的x 轴和y 轴运动，从而实现两轴的同步运动控制。该系统主要实现两大 功能：一个是实现圆弧运动控制，另一个是实现两轴混合顺序向量运 动控制。在圆弧运动功能模块里面，用户可以指定运动的半径、初始 角度、运动角度、运动速度和加速度。在两轴混合向量运动功能模块 里，用户除了可以指定运动的速度、加速度外，还可以定义每一段混 合运动的起始位置。两大功能模块都可以通过位置监视器实时观察二 维精密平台的运动轨迹。本系统利用d l l 技术实现两大模块的功能， 圆弧运动部分和向量运动部分都生成动态链接库，由主面板选择所需 功能后再调入相应的动态链接库执行。这样大大提高了系统的性能， 降低了系统占用，也使得系统易于扩展功能，同时生成的动态链接库 也可以供其它程序使用。系统的网络部分使用网络通信中间件 d a t a s o c k e t 技术实现，服务器程序不直接和客户机通信，而是单独地 加载一个独立的d a t a s o c k e t 服务器，服务器程序将数据发送到这个独 立的d a t a s o c k e t 服务器，客户端也从该服务器取数据。客户端可以将 数据显示在二维平台运动位置监视器上，同时也可以将数据以文件的 形式保存起来供日后分析使用。这样的结构使得服务器程序不必考虑 负载问题，由单独的d a t a s o c k e t 服务器处理客户的访问，可以适应大 用户量的要求。由于考虑到安全因素和网络速度现状，系统没有实现 客户端对二维精密平台的直接控制。) 关键词：虚拟仪器，d l l ( 动杏制弛神擎) ，d a t a s o c k e t ，l a b w i n d o w s c v i a b s t r a c t v i r t u a li n s t r u m e n t si so n eo fn e wt e c h n o l o g i e sw h i c hi se v o l v i n gw i t h t h e d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e rt e c h n o l o g y u t i l i z i n g t h e p o w e r f u l c o m p u t i n gc a p a b i l i t y o fc o m p u t e ra n df l e x i b l es o f t w a r et e c h n i q u e s ，i t o v e r c o m e st h ei i m i t a t i o n so ft r a d i t i o n a l i n s t r u m e n t sa n d i m p l e m e n t s d i f f e r e n tk i n d so fi n s t r u m e n ta r c h i t e c t u r e sd e m a n d e db a s e do nl i m i t e d h a r d w a r e s i no u r t h e s i s ，f i r s t l y ， w ei n t r o d u c et h e c o n c e p t s ， c h a r a c t e r i s t i c s ，p r i n c i p l e s a n d c o m p o n e n t s o fv i r t u a li n s t r u m e n t s s e c o n d l y ，w ed e t a i l e d l y d i s c u s st h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r ea n dc o m m o n d e v e l o p m e n ts o , w a r eo fv ia n dt h e n i n t r o d u c et h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d d e v e l o p m e n tm o d e o fl a b w i n d o w s c v id e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t a tl a s t ， w e i m p l e m e n t an e t w o r km e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e m f o ra t w o d i m e n s i o ne x a c ts e r v a n tp l a t f o r mb a s e do nt h el a b w i n d o w s c v i d e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t t h em a i np a r to ft h i st h e s i si st h ed e s c r i p t i o no far e a l t i m en e t w o r k m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo ft w o d i m e n s i o ne x a c ts e r v e ru t i l i z i n g t h ev i t e c h n o l o g y b a s e do np c i7 3 4 4m o v e m e n tc o n t r o lc a r d m a n u f a c t u r e db yn ic o m p a n y t h r o u g hp c i7 3 4 4m o v e m e n ta n dc o n t r o l c a r d sc o n c u r r e n tc o n t r o l l i n gas t e pd r i v e ra n daa cs e r v a n td r i v e r ，t h e t w od r i v e r sc a nd r i v et h em o v e m e n t a l o n g x a x i sa n dy a x i sd i r e c t i o n so f t w o d i m e n s i o ne x a c ts e r v a n t p l a t f o r m a n d f i n a l l y r e a l i z ec o n c u r r e n t m o v e m e n ta l o n gt h et o wa x i s ，o u rs y s t e mi m p l e m e n tt o wm a i nf u n c t i o n s ： c u r v em o v e m e n tc o n t r o la n dt w o - a x i sm i x e ds e q u e n t i a lv e c t o rm o v e m e n t c o n t r 0 1 i nt h ec u r v em o v e m e n tc o n t r o lf u n c t i o n a lm o d u l e ，t h eu s e rc a n d e f i n et h er a d i u s ，o r i g i n a la n g l e ，m o v e m e n ta n g l e ，s p e e da n da c c e l e r a t i o n o fm o v e m e n t i nt h et w o a x i sm i x e ds e q u e n t i a lv e c t o rm o v e m e n tc o n t r o l f u n c t i o n a lm o d u l e ，i na d d i t i o nt o d e f i n i n gt h es p e e da n da c c e l e r a t i o no f m o v e m e n t ，t h eu s e rc a na l s od e f i n et h eo r i g i n a lp o s i t i o no fe v e r ys e c t i o n o fm i x e dm o v e m e n t t h et w of u n c t i o n a lm o d u l e sb o t hc a n t i m e l yo b s e r v e t h em o v e m e n tt r a c ko ft h et w o d i m e n s i o ne x a c ts e r v a n tp l a t f o r mw i t h i i p o s l t l o nm o n i t o r u t i l i z i n gd y n a m i cl i n kl i b r a r ys o f t w a r et e c h n i q u e ，e a c ho ft h et w o f u n c t i o n a lm o d u l e s i m p l e m e n t e di n o u r s y s t e m ：c u r v e m o v e m e n ta n d v e c t o rm o v e m e n t c o r r e s p o n d st oad y n a m i cl i n kl i b r a r y a n de a c hd l li s l o a d e db ys e l e c t i n gf u n c t i o nd e m a n d e df r o mt h em a i nc o n t r o lp a n e l t h u s t h es y s t e mp e r f o r m a n c ew i l lb e g r e a t l yi m p r o v e da n ds y s t e mw o r k l o a d w i l la l s ob eg r e a t l yd e c r e a s e d a tt h es a m et i m e ，i ti sm u c hc o n v e n i e n tf o r t h ee x t e n s i o no f s y s t e mf u n c t i o na n dt h eg e n e r a t e dd l l sc a na l s ob eu s e d b yo t h e rp r o g r a m s t h es y s t e mn e t w o r kc o m p o n e n ti si m p l e m e n t e db y d a t a s o e k e t t e c h n o l o g y t h a ti s ，t h ep r o g r a mo fs e r v e re n dw i l ln o t d i r e c t l y c o m m u n i c a t ew i t ht h a to fc l i e n t e n d ，b u t s o l e l y l o a da n i n d e p e n d e n td a t a s o c k e ts e r v e r s e r v e rw i l ls e n dd a t at ot h i si n d e p e n d e n t d a t a s o c k e ts e r v e ra n dc l i e n tw i l lg e tt h ed a t af r o mt h i sd a t a s o c k e ts e r v e r c l i e n tc a ns h o wt h ed a t ao na p o s i t i o n m o n i t o ro ft h et w o d i m e n s i o n m o v e m e n tp l a t f o r ma n dm a ya l s op u tt h ed a t ai n t os o m ef i l e sw h i c hw i l l b eu s e dt o a n a l y s i s l a t e r t h i sk i n do fs t r u c t u r es e p a r a t et h ew o r k l o a d f r o mt h es e r v e re n da n dt h ei n d e p e n d e n td a t a s o c k e ts e r v e ri s r e s p o n s i b l e f o rt h ea c c e s s e sf r o mc l i e n t st oa c c o m m o d a t et o g r e a tn u m b e ro fu s e r s t a c c e s s e s a s c o n s i d e r i n gt h es e c u r i t y f a c t o ra n dt h ec u r r e n ts t a t eo f n e t w o r kc o m m u n i c a t i n g s p e e d ，o u rs y s t e md o e s n ti m p l e m e n tt h ef u n c t i o n o fc l i e n t sd i r e c t l yc o n t r o l l i n gt h et w o d i m e n s i o ne x a c ts e r v a n t p l a t f o r m k e y w o r d s ：v i r t u a l i n s t r u m e n t ，d l l ( d y n a m i c l i n kl i b r a r i e s ) d a t a s o c k e t ，l a b w i n d o w s c v l l i i 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。具我所知，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，也不包含为获得电子科技大学或其它教 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谢意。 签名日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 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。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数 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秘后应遵守此规定) 签名导师签名： 日期：年月 日 邑子科技大学硕士学位论文 引言 高校实验室的建设是高校学科建设的重要内容，它同时担负着教学 和科研两个重要的任务。在常规的实验室建设当中，实验设备的添置 无疑是一项主要项目。然而随着各专业技术的飞速发展，各种新型实 验仪器的出现，陈旧实验仪器的淘汰周期变得越来越短，加上仪器本 身的折旧，又不得不频繁的购置新设备。使之成为高校实验室建设的 一大主要障碍。另外，在常规的实验室以及实验方式下，学生只是验 证性的重复已经设计好的实验内容，不利于发挥学生的主管能动性以 及学生创新能力的培养。这已经成为高校教育和高校发展的一大障碍。 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s 简称v i ) 是随着计算机软件技术发 展起来的一项新型测控仪器技术。它克服了传统仪器的弊端，在有限 的硬件的基础上利用计算机的强大计算能力和灵活的软件技术实现出 符合需要的完全不同的各种仪器体系。国际上从1 9 8 8 年开始陆续有虚 拟产品面市，当时有5 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10 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 3 亿的 4 。美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大虚拟仪器制造国，生产 虚拟仪器的主要厂家有h p 公司，目前生产1 00 多种型号的虚拟仪器； 另外还有t e k r o n i x 公司，目前生产约8 0 多种型号的虚拟仪器。这些厂 家的产品在国际市场上有较强的竞争力，目前已开始进入中国市场， 但价格较高，因为没有中文界面，还没有广泛地被用户所接受。 随着我国加入w t o ，我国经济必将进入一个新的发展时期，经济 的快速发展势必加快企业的技术改造步伐，对先进仪器设备的需求必 然将更加强劲。虚拟仪器赖以生存的p c 计算机最近几年以极高的速度 在中国发展，每年销售量都在1 0 0 万台以上，此外p c 计算机价格在不 断下降，各种应用软件层出不穷，奔腾i i i 、奔腾4 计算机的热销，都 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产品， 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2 3 2 亿美元。据专家预测，到本世纪中期我国将有8 0 的仪器为虚 拟仪器。目前国内只有两三个企业在研制p c 虚拟仪器，有系列实用产 品面市，经市场两年以上考验，有稳定的营销渠道，并达到一定的批 量，目前国内仅哈工大仪器王电子有限公司一家。预计在未来两三年 国内将有一大批企业从事虚拟仪器生产。据专家们分析，在最近几年 国内即使再有5 0 家生产市场虚拟仪器，市场也不会饱和，只能推动虚 拟仪器更快地发展。 虚拟仪器是以计算机系统为基础发展起来的，因而它可以利用计算 第1 页共髓页 电子科技大学硕士学位论文 机内的处理器、存储器和显示器等基本资源。近年来，计算机的处理 能力是以指数级的速度增加，远远超过了传统仪器的处理能力的增长。 此外，计算机还在仪器所需的显示和存储能力方面提供了最先进的技 术：高分辨图形显示器、图形加速卡、大容量磁盘、高速半导体存储 器等都是传统仪器所无法比拟的。 虚拟仪器必不可少的部件是仪器硬件：模数转换器、数模转换器、 数字量输入输出、定时和信号处理、信号源等。其中两个快速发展的 硬件是插入式数据采集卡( d a q ) 计算机仪器总线v x i 。d a q 已经有兆 赫级的采样速度，采样精度也高达2 4 位。高性能仪表放大器、增量调 制模数转换器，高性能抗混淆滤波器和多通道全程控信号波形处理器 都是这些硬件的精华。v x i 将g p i b 技术和计算机总线相结合提供一个 高速的工业标准。目前已有1 0 0 多家制造商生产着1 0 0 0 余种v x i 产品。 虚拟仪器技术是计算机技术与仪器技术相结合的产物，这个先天优 越性决定了虚拟仪器技术必将伴随着计算机技术的发展而发展。从7 0 年代虚拟仪器诞生至今，人们已经逐渐认识到了虚拟仪器的各种优越 性，虚拟仪器的创始者，美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 提出 的“软件即仪器”的口号正被越来越多的科学家和工程师所接受。近 1 0 年来，以i n t e r n e t 为代表的网络技术的推陈出新以及它和其它的高 新技术相结合，已开始将智能互联产品带入现代生活，同时也为测量 与仪器技术带来了前所未有的发展空间和机遇，网络化测量控制技术 与具备网络功能的虚拟仪器也就应运而生。 本课题来源于电子科技大学2 1 l 建设实验室专项投资一一机械电子 工程专业实验室建设项目，试图利用虚拟仪器技术改造传统实验室的 一个二维精密伺服平台，并提供一定的网络通信能力，力图达到拓宽 教育资源和扩大学生创新能力的最终目的。 第2 页共8 8 页 电子科技大学硕士学位论文 第一章虚拟仪器的起源及发展现状 1 1 仪器技术的发展 仪器技术经历了如下两条发展主线 模拟仪器专 仪器 单台仪器专 分立元件式仪器专数字化仪器专智能仪器和虚拟 叠架式仪器系统专虚拟仪器 按照第一条主线，电子测量仪器发展至今，大体可以分为四代：模 拟仪器、分立元件仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。 2 ) 3 ) 4 ) 第一代模拟仪器：这类仪器是以电磁感应基本定律为基础的 指针式仪器，如指针式万用表、指针式电压表、指针式电流 表等，它们借助指针来显示最终结果。 第二代分立元件式仪器：2 0 世纪5 0 年代出现电子管、6 0 年 代出现晶体管时，就产生了以电子管或晶体管电子电路为基 础的第二代测试仪器一一分立元件式仪表。 第三代数字化仪器：2 0 世纪7 0 年代，随着集成电路的出现， 诞生了以集成电路芯片为基础的第三代仪器一一数字式仪 器。这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频谱计等。 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 方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量。 第四代智能仪器和虚拟仪器：随着微电子技术的发展和微处 理器的普及，以微处理器为核心的第四代仪器一一智能式仪 器和虚拟仪器迅速普及。智能仪器内置微处理器，既能进行 自动测试，又具有一定的数据处理能力，可以取代部分脑力 劳动，习惯上称为智能仪器。其缺点是它的功能模块都是以 硬件( 或者固化的软件) 的形式存在，无论是开发还是应用， 都缺乏灵活性。而虚拟仪器充分发挥计算机的强大性能，利 用软件技术来实现原来由硬件实现的功能。成本低、开发维 护容易、功能完备。 目前，微电子技术和计算机技术的飞速发展，测试技术与计算机技 术的深层次结合正引起测试仪器领域的一场新的革命，一种全新的仪 器结构概念导致了一代新型仪器一一虚拟仪器的出现，它是现代计算 机技术、通信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，是仪器产业发展的一个重要方向。它的出现使得人类的测 试技术进入了一个新的发展阶段。 第3 页共8 8 页 电子科技大学硕士学位论文 1 2 虚拟仪器的起源 虚拟仪器起源于8 0 年代末期，首先由美国国家仪器( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s ，简称n i ) 公司提出，其标志就是n i 公司的虚拟仪器软件 l a b v i e w 的推出。虚拟仪器增强了用户在标准的计算机上配以经济高 效的硬件设备构建自己的仪器系统的能力。这种以软件为核心的系统 可以充分利用计算机超强的运算、显示以及通讯能力来灵活地白定义 功能强大的仪器功能。并且可以轻易地将数据采集、仪器控制硬件以 及原有的仪器设备进行整合，从而构成完全符合需求的虚拟仪器系统。 在国外，虚拟仪器技术已经广泛应用在诸如i b m 、m o t o r o l a 、a t & t 、 k o d a k 、f o r d 等公司的生产控制和产品检测过程中。就国内而言，康佳、 华为、中兴通讯、上海贝尔、格力空调等公司也都将虚拟仪器技术引 入到了其研发和生产过程当中。 实际上，所有传统仪器从功能上都可以分为三大部分：数据采集、 数据分析和结果输出。其框图如图1 - 1 所示： 图1 1 传统仪器框图 其中数据分析和结果输出都可以在计算机上通过软件来实现。虚拟 仪器正是在这样的认识上提出来的。虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简 称v i ) 是现代计算机技术和测控仪器技术深层次结合的产物，是当今 计算机辅助测试( c a t ) 领域的一项主要技术。所谓虚拟仪器，就是在 以通过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， 测试分析功能由软件实现的一种计算机仪器系统。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。它充分体现了“仪 器即软件”的概念。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测量结果，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、测量和调理，从而完成各种测试功能的一种计 算机仪器系统。“虚拟”主要包括一下两方面的涵义： 1 、虚拟的面板：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。如各种开关、按键、显示屏等 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，而且是用手动和触摸进行操作的，与此相反，虚 第4 页共8 8 页 电子科技大学预士学位论文 拟仪器的面板控件是外形与实物相近的图标，其通、断、放大等功能 对应于相应的软件程序。这些软件已经设计好了，用户不必设计，只 需要选用各种图形控件即可，由计算机鼠标和键盘来进行操作。就设 计面板的过程来说，实际就是在面板设计窗口中摆放所需的各种控件 ，然后编写相应的程序。 2 、由软件实现的虚拟仪器测量功能：在以p c 为核心组成的硬件平 台上，虚拟仪器不仅可以通过软件编程来实现仪器测试功能，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。因此在 确定了硬件平台的前提下，就有“软件就是仪器”的说法。这也体现 了测试技术与计算机技术深层次结合的表现。 总的来讲，虚拟仪器较之传统仪器具有以下优势：1 ) 开发维护费 用低；2 ) 技术更新周期短；3 ) 性能价格比高；4 ) 开放灵活可复用； 5 ) 网络通讯能力强。在国外，虚拟仪器已经有了近2 0 年的发展，广 泛地应用到了电子测量、振动分析、声学分析、故障诊断、航天航空 、军事工程、机械电力工程、建筑业、生产过程控制和教学科研等诸 多方面。就我国来讲，虚拟仪器的发展和应用相对落后，至今还没有 自主的虚拟仪器开发软件。另外，虚拟仪器的网络化应用也刚刚起步 。近几年，虚拟仪器技术仍处在不断的发展当中，还有大量的应用有 待我们去开发，基于计算机的全数字化测控是测控技术的未来发展方 向，同时，基于计算机网络的分布式测控也是测控技术的一个重要发 展方向。 1 3 虚拟仪器的结构 传统的电子仪器是自封闭的系统，它具有信号输入、输出的能力并 有固定的用户界面。比如：输入、输出信号接插件、旋钮、按钮、显 示仪表、显示面板等。一个仪器包括传感器、信号处理器、a d 转换 器、微处理器、存储器和内部总线等专门化的电路。通过这些电路来 转换、测量、分析实际信号，并将结果以各种方式显示。然而，有时 为了构成具有一定功能的系统，配置了一套仪器，对其中的某些仪器， 只用到了其中一部分功能，而将它作其他功能使用时，却不具备或达 不到所需指标。如另配置一套仪器，效率不高且价格高。要是能将原 有的仪器稍加改动，就可以扩大其使用范围。但是传统的仪器功能是 由制造商决定的，用户不能任意更改，用户如按自己的要求定制仪器 需要昂贵的价格。 v i f 虚拟仪器) 是由用户利用一些基本硬件及软件编程技术组成的各 种各样的仪器系统，它的功能是可由用户自己定义的。自从引进了v i 的技术，这就使用户可以随心所欲地根据自己的意愿，设计自己的仪 器系统，就像温度测量计、电压表、图表记录器、数字仪和信号分析 第5 页共8 8 页 电子科技大学硕士学位论文 计等，都可在同一基本硬件上配置不同的软件而实现。v i 的另一用途 是方案论证，用于在设计方案的论证过程中。对于一种设计要求，我 们可能有各种不同的实现方法，如每个方法都用传统的仪器试验一遍 不仅花大量的人力，还要大量的财力。而用基本硬件和基本软件组合 的v i 可方便地实现各种方法，以比较各个方案的优缺点。如今，计算 机是开放的工业标准化结构，可以提供处理、存储和显示的能力，所 以可将计算机用作电子仪器的助动器，使用户自定义各种仪器功能成 为现实。现在流行的d a q ( 数据采集) 卡、g p i b ( 通用接口总线) 卡、 v x i ( 系统控制接口卡) 等可以插入计算机的槽口。v i 就是加在计算机上 的一组硬件和软件，使用者操作这台计算机，就像是在操纵一台他自 己设计的传统仪器。美国n i ( 国家仪器) 公司数字化技术的插入式d a q 卡，具有构造一系列传统测量仪器的能力。它配上该公司的l a b v i e w 、 l a b w i n d o w s c v i 等软件包( 包含有d a q 的驱动程序) 使用户方便迅 速组建自己的应用系统。 1 4 虚拟仪器和传统仪器的比较 虚拟仪器和传统仪器相比，有以下几个特点 1 )传统仪器的面板只有一个，上面布置了种类繁多的显示和操 作元件。由此导致许多识读和操作错误。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和便捷性。同时，虚拟仪器的面板 上的显示元件和操作元件的种类与形式不受标准元件和加工工 艺的限制，而是由编程来实现，设计者可以根据用户的要求和操 作需要来设计仪器面板。 2 )在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中由硬件来完 成的仪器功能。 3 )仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义的，而不是事先 由厂家定义的。 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 购买新的仪器。 5 )虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其他 周边设备互联。 6 )由于其以p c 为核心，使得许多数据处理的过程不必像过去 那样由测试仪器本身来完成，而是在软件的支持下，利用p c 机 c p u 的强大的数据处理功能来完成，使得基于虚拟仪器的测试 系统的测试精度、速度大为提高，实现自动化、智能化、多任务 测量。 7 )可方便地存贮和交换测试数据，测试结果的表达方式更加丰 第6 页共8 8 页 电了科技大学硕士学位论文 富多样。 8 )虚拟仪器可在较高性价比的条件下，降低系统开发和维护费 用，缩短技术更新周期。 9 )近年来，随着网络技术的发展，已经形成了网络虚拟仪器。 这是一种新型的基于w e b 技术的虚拟仪器，使得虚拟仪器测试 系统成为i n t e r n e t i n t r a n e t 的一部分，实现现场监控和管理。在 当前流行的c s d 网络模式下，利用嵌入式技术f 包括数据库嵌 入和网络模块的嵌入) 可以充分利用有效资源，提高测试效率。 决定虚拟仪器具有上述传统仪器不可能具有的优点的根本原因在 于：虚拟仪器的关键是软件。虚拟仪器在工程应用和社会经济效益方 面具有突出的优势。目前，我国高档台式仪器，如数字示波器、频谱 分析仪、逻辑分析仪等主要还是依赖进口，这些仪器加工工艺复杂， 对制造水平要求高，生产突破有困难，而采用虚拟仪器技术可以通过 只采购必要的通用仪器硬件来设计自己的高性能价格比的仪器系统。 虚拟仪器和传统仪器的比较可以总结在表1 - l 中： 表1 1 虚拟仪器和传统仪器的比较 仪器种类 比较项目 传统仪器虚拟仪器 开发维护费用高低 性能价格比低高 技术更新周期长短( 可以随时更新) 灵活性低高 人机界面一般友好 一般 与其它设备互联能力 强 ( 受限制) 网络通讯能力差优秀 仪器功能 盥一 复杂 第7 页共8 8 页 电子科技大学硕士学位论文 第二章虚拟仪器的硬件 虚拟仪器的硬件主要分为两部分：数据采集部分和数据分析显示部 分。其中，数据采集部分主要是指各种数据采集和仪器控制硬件。虚 拟仪器一般由传感器、信号处理器、对应的硬件和软件等部分组成。 基于虚拟仪器的虚拟测控系统基本结构框图如图2 1 所示。 掣趣睁燃集掣l + 蚓型n t秀“ i d a q i i l a b w i n d o w s c v i 、 l a b v i e ? 等软件 被测控系统 图2 1 虚拟仪器系统结构框图 可以看出其中一部分硬件是和通用仪器系统相同的，比如传感器、 信号调理硬件和数据采集硬件；另一部分则是虚拟仪器特有的，比如 p c 机以及相应的接口软件。 2 1 通用仪器硬件部分 2 1 1 传感器 传感器将感应的物理量变为d a q 系统能测量的电量信号。例如： 热电耦，电阻式热探测器，热敏电阻等温度传感器将温度转变成 a d c ( 模数转换器) 可测量的模拟信号。另外如张力测量器、流量传感器、 压力传感器可以用来相应地测量力的强度、流速、压力。在每一种测 量中，传感器产生的电信号是与所测控的物理参数相对应的。 2 1 2 信号调理器 由传感器产生的电信号必需转换成d a q 卡能接受的电信号。信号 调理器放大弱信号，然而为了得到更精确的测量，还需对信号进行隔 离和滤波。此外，有些传感器需要电压或电流激励源得到电压输出。 2 1 2 1 放大器 信号调理中主要就是放大器，将弱小的电信号放大后可提高分辨率 和减小噪声。最佳放大倍数是将信号放大使其最大电压范围等于a d c 最大输入范围。配d a q 卡的有s c x i 前置信号调理系统( 仪器的信号调 第8 页共8 8 页 电子科技大学硕士学位论文 理扩展卡) ，它具有几种放大输入信号的信号调理模块。 2 1 2 2隔离器 为了安全的目的，信号调理的另一作用是将传感器信号与计算机隔 开。被测控的系统往往可能包含有瞬间的高压，这一瞬间高压将损坏 计算机。此外需要隔离的另一个原因是保证插入式d a q 卡的读数不受 与地的电势差或共模电压的影响。因为d a q 卡的输入和获取的信号都 有一个参考“地”，当两个“地”间有一个电势差时就有问题了，这个 电势差可导致一个电势差环路，使获得的信号不精确。而且电势差太 大，可能损坏测量系统，使用信号隔离信号调理模块将去除地势环路 并保证获得准确的信号。 2 1 2 3 滤波器 滤波器的作用是去掉被测量的信号中的不想要的信号。噪声滤波器 用在像温度那样的极低频率信号上去除影响测量精度的高频噪声。例 如，s c x i 卡的许多模块具有4 h z 和10 k h z 的低通滤波器，它在信号被 数字化之前去除了其噪声。对于振动那样的低频率信号常需要一个不 同类型的滤波器，称为抗迭混滤波器。和噪声滤波器一样，抗迭混滤 波器也是一个低通滤波器，但是它有一个十分陡峭的截止频率，这可 使它去掉几乎所有高于卡的输入带宽频率的信号。如果不去掉这些信 号，它们会错误地作为信号出现在卡的输入频宽内。为测量直流级信 号而特殊设计的卡，如动态信号提取卡和s c x i 卡中都建有抗迭混滤波 器。 2 1 2 4 激励器 信号调理也为一些传感器产生激励源。如应力测量器、热敏电阻和 电阻式热探测器需要外部电压或电流激励信号，信号调理模块通常为 这类传感器提供这些信号。电阻式热探测器的测量是由一个电流源将 电阻的变化转变为测试电压来完成的。压力测量器是低内阻器件，它 用在具有电压激励源的惠斯登( 单壁) 电桥结构中。s c x i 卡配有电压或 电流的激励源，可用在压力测量器、热敏电阻和电阻式热探测器上。 2 1 2 5 线性化处理 信号调理中还有一个功能是线性化。像热电耦类等的传感器其电信 号变化和对应所测对象变化是非线性的。d a q 、l a b v i e w 、 l a b w i n d o w s c v i 都含有对热电耦、压力测量器和电阻式热探测器等的 线性化处理程序。如直接使用电信号将使测量的结果不准确，所以必 须对此信号进行相应的线性化处理。 第9 页共8 8 页 电子科技大学顾士学位论文 2 1 3 数据采集器 2 i 3 i模拟输入的基本条件 模拟输入特性说明了d a q 产品的功能和精确度。在大多数d a q 产 品中，基本特性包括通道数、采样率、分辨率和输入信号范围。模拟 输入的通道数目是由卡上两种类型的输入一一单端输入和差分输入决 定的。单端输入都有一个共同的接地点。它主要用于测量大于1 伏的 输入信号，从信号源到模拟输入硬件的导线很短( 小于15 英尺) ，所有 的输入信号共用一个接地点。如果信号不满足这些标准，就应使用差 分信号。每个差分输入都有自己的接地参考点。因消除了联线引起的 共模噪声，随之也减小了噪声误差。 2 i 3 2 采样率 这个参数决定了采样频率。高的采样率是在一定的时间内获取更多 的点，因而能更好地表现原始信号。n y q u i s t 采样定理指出，采样率必 须高于被测量信号有效成分的最高频率的两倍。例如，音响信号通过 话筒转变成电信号，常达2 0 k h z 。为了对这一信号进行数字化，必须 具有高于4 0 k s s 的采样率。 2 1 3 3多路转换 用一个a d c 测试几个信号的技术就是模拟信号的多路转换。通过 多路转换器，a d c 可对多个通道进行采样。将多路转换器置与某一通 道接通，a d c 对此采样，然后多路转换接通到下一个通道采样，再转 换到下一个通道采样。因为同一个a d c 对多个通道采样，则每一 个通道的采样率是与采样的通道数成反比的。如有1 0 个通道，以5 0 0 k s s 的采样率为例，每个通道的采样率是：5 0 0 k s s ，1 0 个通道= 5 0k s s 。 每个通道所以使用模拟多路转换可增加卡上测量的通道数。如s c x i 使用多路转换模块只通过一个卡就可将通道数扩展为3 0 7 2 个。只是采 样率也随着这个附加的多路转换功能而相应地降低了。 2 i 3 4分辨率 a d c 用位数来表示模拟信号，l s b ( 最低有效位) 就称为分辨率。 也就是所进入区域的划分数越大，检测的电压分辨率就越高。一个三 位转换器将模拟区域分为2 3 ，即8 个间隔。每个间隔由一个二进制码 0 0 0 到1 1 1 表示。显然，数字表示法不能精确地再现原来的模拟信号， 因为在转换中已经丢失了一些信息，而把分辨率增加到1 6 位，a d c 的 二进制码数也从8 到6 5 5 3 6 ，那么，如果其余的模拟输入线路设计合适， 就能获得十分精确的模拟信号数字化表示。 第1 0 页共踮页 电子科技大学硕士学位论文 2 1 3 5动态范围 动态范围，即为a d c 进行量化的最小和最大电压之间的电平。多 功能的d a q 卡提供所选的范围，使得卡能处理各种不同的电压电平。 具有这样的灵活性，就能将信号范围与a d c 的范围进行匹配，有效地 利用分辨率，得到精确测量的信号。d a q 卡上的范围、分辨率和增益 决定最小可测的电压改变。这个电压改变表示了数字值的1 l s b ( 最低 有效位) ，常被称为代码宽度。理想的代码宽度是电压范围除以增益乘 2 的位分辨率次方。例如，一个16 位多功能d a q 卡，其可选的范围 从0 到10 v ，或1 0 到10 v ，其可选增益有1 、2 、5 、1 0 、2 0 、5 0 或1 0 0 。 电压取值范围从0 到1 0 v ，增益1 0 0 ，则理想的宽度是： 10v ( 1 0 0 2 1 6 ) = 1 5uv 由此得出，数字化值中一位的分解度是1 5uv 2 1 4分析硬件 p c 机的处理能力可以完成大多数d a q 和分析应用中的大量计算。 但是，在一些高性能的应用中，p c 微处理器处理数据的速度还不够快， 不足以响应实时信号。基于高速数字信号处理器的分析硬件能够解决 该问题，它以极高的速率进行计算，并对于特定的任务具有一个专门 的处理器。数字信号处理器具有高的精确度和各种格式。最新的数字 信号处理器是3 2 位精度，并具有浮点格式。这种数字信号处理器比定 点( 整型) 格式的数字信号处理器有更大的动态范围。高性能的数字信号 处理器具有非常高的计算速度，如：n b d s p 2 3 0 5 使用德州仪器公司的 t m s 3 2 0 c 3 0 ，则计算能力为4 0m f l o p s 。分析硬件的计算能力强，可 用在许多的应用领域中。由于有了d s p 硬件，就可在p c 机上实现有 高频信号，并需要实时响应的应用。d s p 硬件常应用于声学领域( 声 纳、语音处理、助听研究等) 以及通信和仪表方面。 2 2 虚拟仪器硬件部分 虚拟仪器硬件部分主要包括计算机相关硬件和i o 接口设备。 2 2 1 计算机 一般为p c 机或者工作站，这是硬件平台的核心。p c 机的迅速发展使 其成为虚拟仪器系统的核心。快速的c p u ( 目前速度已达g h z 以上) 、 大容量的硬盘及r a m 、高速i o 接口完成虚拟仪器测试系统中的数据传 输、分析及处理、存贮等任务，也使得系统的性能比传统测量仪器大为 提高。对于网络虚拟仪器系统，则还包括网络硬件设备，如网卡、路由 器、网络服务器等等，这里不再赘述。 第1 1 页共8 8 页 电子科技大学硕士学位论文 2 2 2i o 接口设备 i o 接口设备主要完成被测信号的采集、放大、a d 转换等。根据 采用的不同总线及其相应的i o 接口硬件设备，如利用p c 机总线的数 据采集卡( d a q ) 、g p i b 总线仪器、v x i 总线仪器模块、串口总线仪 器等，虚拟仪器系统的构成方式