（交通信息工程及控制专业论文）基于虚拟仪器的远程路面结构性能测试系统的研究.pdf

摘要 在我国高速公路建设中，半刚性沥青结构在路面上的大量使用，使得对其性能的研 究成为必然。对半刚性沥青路面结构性能的研究，通过在室内以小尺寸结构试件模拟实 际路面、在结构内部埋设传感器、采用虚拟仪器测试技术采集实验数据实现。 本文采用基于p x i 总线的虚拟仪器，以嵌入式控制器和p x i 多功能数据采集卡为基 本的仪器硬件平台，l a b v i e w 作为软件开发平台，搭配上s c x i 信号调理电路，组建一 个多功能虚拟仪器测试系统。论文首先概述了虚拟仪器的概念、特点、系统组成、发展 趋势及l a b v i e w 开发环境。接着针对本测试系统的需求，分析讨论测试中采用的传感 器的测量原理及传感器选用和埋设。重点从软硬件两个方面研究构建该测试系统。硬件 平台的搭建包括传感器电路、信号调理模块、数据采集模块三部分，其中数据采集模块 选用p x i 6 0 7 0 e 多功能数据采集卡；软件采用模块化设计，把系统的各个功能细分到每 个功能模块，包括初始化参数、调平衡、滤波、时域频域分析、信号保存、数据回放、 生成试验报告，通过对不同模块的调用来实现测试中的系统运行、信号采集、数据处理、 数据分析及结果显示等。最后针对现在测试技术朝网络化方向发展的趋势，分别就 t c p 加p 、w e bs e r v e r 、d a t a s o c k e t 技术分析在局域网中实现测试的远程化，通过对三 种技术的性能比较，选择d a t a s o c k e t 技术实现本测试系统的远程操作。 利用该系统对不同厚度的沥青路面结构进行试验，从温度与荷载因素分析实验数 据，得到半刚性基层沥青路面的力学响应规律。 关键词：虚拟仪器，l a b v i e w ，数据采集，局域网，半刚性沥青路面 a b s t r a c t i nc h i n a , t h e s e m i r i g i da s p h a l ts t m c t u r e i s f r e q u e n t l ya n dw i d e l yu s e d i nt h e c o n s t r u c t i o no fh i g h w a yp a v e m e n t , w h i c hm a k e si ti n e v i t a b l et ol e a r ni t sp e r f o r m a n c e t h e s t u d ya b o u tt h ep e r f o r m a n c eo ft h es e m i - r i g i da s p h a l tp a v e m e n ts t r u c t u r ei sm a d eb y s i m u l a t i n gt h er e a lp a v e m e n tt h r o u g has m a l l s i z e ds t r u c t u r es p e c i m e n ，e m b e d d i n gs e n s o r si n t h ei n t e r n a ls t m c t u r ea n dc o l l e c t i n gt h ee x p e r i m e n td a t ab yu s i n gv i r t u a li n s t r u m e n tt e s t i n g t e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , t h ev i r t u a li n s t r u m e n ti sb a s e do np x ib u s am u l t i - f u n c t i o n a lv i r t u a l t e s t i n gs y s t e mi sb u i l t ，i nw h i c ht h ee m b e d d e dc o n t r o l l e ra n dp x im u l t i - f u n c t i o n a l d a t a c o l l e c t i o nc a r di st h ei n s t r u m e n th a r d w a r e p l a t f o r m ，t h e l a b v i e wi st h es o f t w a r e d e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n ds c x ii st h es i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t f i r s t l y , t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h ed e f i n i t i o n , c h a r a c t e r i s t i c s ，c o m p o n e n t s ，a n dt h ed e v e l o p i n gt e n d e n c yo fv i r t u a l i n s t n m a e n ta n dt h e nt h ed e v e l o p i n ge n r i c h m e n to fl a b v i e w s e c o n d l y , i na c c o r d a n c e 、 ，i n l t h er e q u i r e m e n t so ft h et e s t i n gs y s t e m ，i td i s c u s s e st h e t e s t i n gt h e o r y , t h es e l e c t i o na n d e m b e d m e n to ft h es e n s o ri nt e s t i n gs y s t e m t h ef o c u so ft h ep a p e ri st os t u d yt h et e s t i n g s y s t e mf r o mt h et w oa s p e c t so fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e b u i l d i n gt h eh a r d w a r ep l a t f o r mf r o m t h et h r e ep a r t so fs e n s o rc i r c u i t ，s i g n a lc o n d i t i o n i n gm o d u l e s ，d a t am o d u l e ，t h ec o r eo fd a t a a c q u i s i t i o ni sp x i 一6 0 7 0 em u l t i f u n c t i o nd a t aa c q u i s i t i o nc a r d ；t h es o f t w a r eu s e sm o d u l a r d e s i g na n d t h ef u n c t i o n so ft h es y s t e ma r es u b d i v i d e di n t od i f f e r e n tf u n c t i o nm o d u l e s ， i n c l u d i n gp a r a m e t e ri n i t i a l i z a t i o n ，b r i d g eb a l a n c e ，f i l t e r i n g ，t i m ea n df r e q u e n c yd o m a i n a n a l y s i s ，d a t as t o r a g e ，s i g n a lr e p l a y , e x p e r i m e n tr e p o r tg e n e r a t i o n ，s y s t e mo p e r a t i o nb y c a l l i n gd i f f e r e n tf u n c t i o nm o d u l e s ，s i g n a la c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g ，d a t aa n a l y s i sa n d r e s u l t sd i s p l a y f i n a l l y , b a s e do nt h et e n d e n c yo ft h en e t w o r k i n gt e s t i n gt e c h n o l o g yn o w , t h e p a p e ra n a l y s e st h er e m o t et e s t i n gr e a l i z a t i o no f t c p u d p 、w e bs e r v e r 、d a t a s o c k e t t e c h n o l o g yi nt h el o c a la r e an e t w o r k ( l a n ) t h r o u g hc o m p a r i n gt h ep e r f o r m a n c e so ft h e s e t h r e et e c h n o l o g i e s ，d a t a s o c k e ta r ec h o s e nt or e a l i z et h er e m o t eo p e r a t i o no ft h et e s t u s i n gt h i ss y s t e mt ot e s t i n gd i f f e r e n tt h i c k n e s sa s p h a l tp a v e m e n ts t r u c t u r e ，o b t a i n st h e s e m i r i g i dt y p eb a s ea s p h a l tp a v e m e n tm e c h a n i c sr e s p o n s e r u l ef r o mt h ee m p i r i c a ld a t a a n a l y s i sw i t ht e m p e r a t u r ea n d t h el o a df a c t o r k e yw 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 ；d a t aa c q u i s i t i o n ；m u l t i c h a n n e l ； s e m i r i g i da s p h a l tp a v e m e n t 长安大学硕士学位论文 1 1 选题的背景及研究意义 第一章绪论 随着我国经济社会的快速发展，对交通的需求也日益提高，公路交通压力日益增大， 表现为交通运输量大，汽车轴数、轴重增加，车速加快。伴随着这些现象，一方面提高 了运输效率、降低了运输成本，另一方面却加速了路面的破坏，大大地降低了路面的使 用寿命。 半刚性基层沥青路面所具有的强度高、板体性好的特点，使其成为我国高等级公路 建设的首选路面结构形式。因此，对其使用性能进行研究是必要的。过去我国对半刚性 基层沥青路面的研究多停留在材料试验的层面，而对半刚性沥青路面的结构性能研究不 多，尤其是对于路面结构内部的力学理论研究更为不足，现有研究也只停留在理论分析 层面，试验研究很少。 加速加载试验( a c c e l e r a t e dp a v e m e n tt e s t 简称a p t ) 是目前国际上众多对沥青路面 性能测试的一种最为有效地方法。众所周知，往复循环作用在沥青路面上的移动载荷是 造成沥青路面破坏的主要原因，在车辆载荷的往复循环作用下，沥青路面会产生车辙、 裂纹、坑槽、网裂等不同形式的破坏。加速加载试验就是通过改变作用在路面上移动载 荷的大小与速度来测试沥青路面的性能参数与抗破坏能力。目前国际上较为著名道路结 构试验有美国的w a h s o ( w e s t e r na s s o c i a t i o no fs t a t eh i g h w a yo f f i c i a l s ) 道路试验、 a a s h t o 试验路、明尼苏达试验路( t h em i n n e s o t ar o a dr e s e a r c hp r o j e c t ) 、弗吉尼亚试 验路( t h ev i r g i n i as m a r tr o a d ) 以及n c a t ( n a t i o n a lc e n t e rf o ra s p h a l tt e c h n o l o g y ) 试验 路【l 】。然而，要想更好的了解路面结构在现实环境中的受力和使用情况，较好的方法还 是通过在路面结构中埋设大量传感器来完成，尽管这种方法耗资耗时较大。道路结构试 验也有一定得缺陷，就是投资大，费时费力，容易受客观条件限制，而且目前国内对依 靠传感器的路面结构试验研究甚少，更没有大量开展使用传感器的路面结构试验，本文 在前人研究的基础上进行室内小型道路结构试验，以小尺寸结构试件模拟实际路面结 构，在结构内部埋设应变传感器，利用目前最流行的测试技术虚拟仪器技术，开发 出多通道的道路结构试验测试系统，测量试验参数，分析道路结构的力学性能，为路面 结构设计理论的完善提供一个有力的工具，为推动国内道路工程的进一步发展做出贡 献。 第一章绪论 虚拟仪器技术开始于上世纪八十年代，已经发展二十多年。我国的虚拟仪器技术起 步较晚，近几年也得到了迅速发展，并且在越来越广的领域见到它的影子。它顺应了现 代测试仪器微小化、智能化、集成化的要求，所以进行基于虚拟仪器的测试系统的研究 势在必行，将它引入道路的测试中，促进到道路测试技术的发展。 1 2 自动测试技术的发展 测试技术作为获取信息的手段之一，是一门与计量科学和产品质量紧密相关的科 学，是仪器仪表和测试手段的结合，是人们认识和改造自然的一种不可或缺的手段。 仪器设备的不断精密和复杂化对测试系统提出了更高的要求，促进了测试系统的不 断发展。目前，自动化测试系统发展经历了以下几个阶段：专业型、积木型、集成型的 模块化仪器【2 ，3 一。 1 ) 第一代自动测试系统 2 0 世纪4 0 年代兴起的扫频测试技术，是自动化电子测量技术的开端。第一代自动 测试系统大多为针对具体测试任务而研制的专业系统，主要用于重复工作量大的测试， 或用于测试员难以进入的恶劣环境。第一代自动测试系统是从人工向自动化测试迈出的 重要一步，是本质上的进步，在测试功能、性能、速度及效率方面明显优越于人工测试， 可以完成一些人工测试无法完成的任务。但是设备功能单一，重复性和互换性比较差。 2 ) 第二代自动测试系统 第二代自动测试系统是在标准总线接口基础上，以积木方式组建的系统，系统中的 各种设置均为台式设备，每台设备都配有标准接口的接口电路。这种系统组建方便，而 且设备资源的复用性好，但是这种系统总的传输速度不够高，而且各设备互相独立，导 致系统的体积过大。 前两代自动测试系统均采用传统的测试设备，各设备间自成体系，用户无法改变其 内容，且难以升级换代。 3 ) 第三代自动测试系统 随着微处理器和计算机技术的发展，微处理器和计算机被嵌入到测量仪器中构成了 所谓的智能仪器，即第三代自动测试系统。由于微计算机技术引进，测量过程改用软件 控制，简化了硬件结构、提高了可靠性、增加了灵活性，增加了对测量结果的存储和运 算，实现了一机多用的多功能，使仪器自动化程度更高。但是智能仪器的硬件生产没有 统一规范、测试系统体积过大，开发软件和底层驱动程序缺乏统一标准，总线速度越来 2 长安大学硕士学位论文 越跟不上科技发展需求。 4 ) 第四代自动测试系统 随着电子技术、计算机技术，通信技术，软件技术等的发展，新的测量理论、测量 方法、测量领域和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。尤 其是以计算机为核心的仪器系统与计算机软件技术的紧密结合，导致了仪器的概念发生 了突破性的变化，出现了一种全新的仪器概念虚拟仪器。以虚拟仪器技术为代表的 第四代自动测试系统是现代仪器技术与计算机技术结合的产物，计算机已经成为整个测 试系统的核心，软件成为测试系统的灵魂。虚拟仪器利用计算机软件代替传统仪器的硬 件来实现采集、控制、分析处理和显示等许多功能，突破了传统仪器由厂家定义功能、 用户无法改的固定模式，使现代测控系统组建更灵活、结构更紧凑、更经济、研制周期 短、扩展方便、功能更强。 虚拟仪器技术自从上世纪八十年代提出来之后，经过二十多年的发展，这种计算机 操作的模块化仪器系统在世界范围内得到了广泛的认同与应用。我国对虚拟仪器的接触 较晚，但近几年来对虚拟仪器的应用呈现急剧增长，应用范围也在不断扩大，所以进行 基于虚拟仪器技术的测试系统的开发研究势在必行。 1 3 本文研究的主要内容 基于虚拟仪器技术的测试系统设计是本文的重点，主要内容是利用虚拟仪器设备及 软件平台，组建功能强大测试系统。虚拟仪器平台提供给程序员设计所需的丰富功能控 件及函数，针对实际的测试任务可在很短的时间内完成测试系统的设计。本文对半刚性 基层路面结构试验测试系统采用虚拟仪器平台设计，充分发挥了虚拟仪器的优势，通过 软件和硬件技术的结合，实现利用虚拟仪器平台的功能控件构建一个集信号采集、存储、 分析和处理为一体的测试系统，该系统可以满足仪器测试任务多样化的需求。本论文针 对电阻应变片传感器特性测试等为实例研究对象，讨论了测试系统的体系结构，并进行 了软件模块的开发及软硬件的调试。对虚拟仪器系统应用软件的模块化、系统化、通用 化以及软件的合成作了一定的工作。 论文共分为七章： 第一章为绪论，概略介绍半刚性沥青路面结构试验以及测试技术及其发展，提出本 项目及本论文的主要工作。 第二章主要为虚拟仪器技术及软件开发环境l a b v i e w 简介。 3 第一章绪论 第三章为该试验系统所需要的传感器技术的介绍，针对测试对象提出传感器的埋设 方法。 第四章为虚拟仪器硬件系统的设计，对传感器检测电路设置、信号调理模块和数据 采集模块的选择及所采用的模块都详细说明。 第五章针对该测试系统的功能，通过l a b v i e w 软件平台对系统进行模块化设计。 第六章提出了基于网络通信的测试系统，并就基于d a t a s o c k e t 技术的局域网远程 测试系统提出了解决方法。 第七章针对半刚性基层路面试验用该系统进行数据采集，并对数据进行简单的分 析。 最后对论文进行了总结与展望。 4 长安大学硕士学位论文 第二章虚拟仪器及l a b v i e w 软件开发平台 虚拟仪器是现代仪器技术与计算机技术相结合的产物，它把计算机、仪器硬件、固 件与计算机软件结合起来。除继承传统仪器的已有功能外，还增加了许多传统仪器所不 能及的先进功能。它推动着传统仪器朝着数字化、模块化、虚拟化、网络化的方向发展。 2 _ 1 虚拟仪器的概念及特点 2 1 1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器( v l r t u a li n s t r u m e n t ) 是继智能仪器之后的第四代仪器系统，早在2 0 世纪 7 0 年代就已提出概念，但真正得以实现则是在p c i 、g p i b 、v x i 、p x i 等总线标准出现 之后才变为可能，并随着v x i 总线仪器、p x i 总线仪器等的推出而得到迅速发展。所谓 的虚拟仪器，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 拟的操作面板，其测试功能由测试软件来实现的一种计算机仪器系统f 5 】。虚拟仪器利用 计算机强大的软硬件资源来实现信号的采集、调理、分析处理以及存储显示，使原本由 外围硬件实现的技术软件化，最大限度的降低系统成本，增加系统的功能和灵活性。 虚拟仪器之中“虚拟”的含义表现在两个方面。一是指虚拟仪器面板，虚拟仪器面 板上各种“控件 与传统仪器面板上的各种“控件 所完成的功能是相同的，传统仪器 面板上的控件都是实物，并且通过手动和触摸进行操作；而虚拟仪器面板上的控件是外 形与实物相像的图标，其操作对应着相应的软件程序，使用者通过鼠标或键盘操作虚拟 面板，就如同使用一台专业的测量仪器。二是指虚拟仪器的测控功能是通过软件编程来 实现的；而传统仪器，特别是早期的仪器，它们的功能是通过硬件来实现的。 2 1 2 虚拟仪器的特点 虚拟仪器主要具有如下特点 6 1 ： 1 ) 软件是虚拟仪器的核心。虚拟仪器的硬件确立之后，它的功能主要是通过软件 实现的，软件是虚拟仪器设计中最重要、最关键的部分。 2 ) 虚拟仪器的性价比高。一方面虚拟仪器能同时对多个参数进行实时高效的测量， 同时由于信号的传送与数据处理基本是靠数字信号或软件实现的，所以能大大的降低环 境干扰和系统误差的影响；另一方面采用虚拟仪器还可以减少测试系统的硬件环节，从 而降低系统的开发成本和维护成本。 3 ) 虚拟仪器的出现，缩小了仪器厂商与用户之间的距离。虚拟仪器是的用户能根 第二章虚拟仪器及l a b v i e w 软件开发平台 据自己需求定义仪器的功能，可以组建具有更好性能和更具灵活性的测试系统，并且可 以很快捷的升级系统的性能。 4 ) 虚拟仪器具有良好的人机界面。虚拟仪器中人机交互界面的各种功能都是通过 图形界面软面板实现的，因此用户可根据自己喜好，通过编制软件来定义面板的形式。 5 ) 基于p c 机网络技术和接口，虚拟仪器系统具有很方便、灵活的互联特性。利用 v i 技术可方便地构建自动测试系统，实现测量、控制过程的智能化，还可以将虚拟仪器 接入网络，以实现对现场生产的监控和管理。 6 ) 虚拟仪器可靠性高。虚拟仪器的硬件平台是p c 机或工控机，p c 机在稳定、可 靠等方面达到相当高度，质量可靠。因此虚拟仪器的整体系统质量主要取决于软件的稳 定度和模块的质量，而控制两对象的质量比控制一台仪器整机容易。 传统的测试仪器是以硬件为核心，它们大多自称体系，自我包容。传统测试仪器主 要用三个功能模块组成：信号的采集与控制单元，信号的分析与处理单元，结果的表达 与输出单元。这些功能都固定在仪器的机箱内，由制造商来制定它的功能，用户只能使 用，不能改变。由这些组成的测试系统也相互独立，互不兼容，不能共享硬件、软件资 源，从而造成资源的浪费。 虚拟仪器是以软件为核心，其本质是“软件即仪器 。虚拟仪器技术综合运用了计 算机技术、智能测试技术、数字信号处理技术、图形处理技术、模块及总线的标准化技 术和高速专用电路制造技术等。它是建立在标准化，系列化，模块化，积木化的硬件和 软件平台上的一个完全开放的系统。 方案设计技术设计 一、 仪器制造仪器成品 - - - j 、 - 一、 - - - - - w - - - - v- - - - - v ( 仪器逻辑框图)( 仪器电路图)( 制版装配调试) 传统测试仪器的制作过程 仪 器 建模 - 一、 模型算法程序编制仪器成品 _ _ _ - 。v 一、 _ 一、 - _ - - - v - - - - - - w ( 方案设计)( 技术设计)( 仪器制造) 虚拟仪器的制作过程 图2 1 传统测试仪器和虚拟仪器制造过程对比 由图2 1 可知，传统的测试仪器制造过程是：首先完成仪器逻辑框图的方案设计和 仪器电路的技术设计，然后进行仪器的制造( 制版、装配、调试) ，最后对仪器进行性 能测试，完毕后对仪器存储。但是虚拟仪器的制造打破了这传统，它将仪器的方案设计、 6 长安大学硕士学位论文 技术设计、仪器制造、仪器性能测试和存储全部集中到计算机上来完成。 如表2 1 所示，虚拟仪器与传统仪器对比可见，虚拟仪器作为新兴仪器的代表，在 工程应用和社会经济效益方面具有突出的优势。 表2 1 传统仪器与虚拟仪器的区别 虚拟仪器传统仪器 仪器的核心是软件 仪器的核心是硬件 功能由用户自己定义，功能强 功能由制造商定义，功能较弱 可方便与网络外的其他设备联接灵活性差，与外围设备联接有限 开放的系统，可扩展性强封闭的系统，可扩展性弱 具有较强的数据存储能力数据存储能力弱，大部分仪器没有 界面逼真，信息量大，人机交互能力好界面小，信息量小，人机交互能力差 数据分析处理能力强 数据分析处理能力弱 集成度高集成度低 性价比高性价比低 基于软件的构架，开发维护费用低基于硬件的构架，开发维护费用高 市场响应快 市场响应慢 2 1 3 虚拟仪器的发展趋势 虚拟仪器的概念从提出至今，虚拟仪器的发展大约经历了三个阶段： 第一阶段：利用计算机增强仪器的功能。通过r s 2 3 2 总线和g p i b 总线把传统仪 器和计算机连接起来以实现计算机对测试仪器的控制，从测试仪器获得数据，完成测试 任务。 第二阶段：开放式的仪器结构。随着微处理器和d s p 技术水平和性价比的提高，仪 器硬件上出现了两大技术进步，即插入式的计算机数据采集卡的出现和v x i 总线标准的 确立。这些技术的出现，消除了第一阶段用户定义和供应商定义仪器功能的区别，取代 了传统测试仪器完成的测试任务。 第三阶段：虚拟仪器框架得到广泛认可和采用。以面向对象技术构建的虚拟仪器软 件成为标准虚拟仪器开发的平台，许多虚拟仪器平台得到广泛认可并逐渐成为虚拟仪器 行业的标准工具。 虚拟仪器技术的不断发展主要得益于计算机的发展、软件技术的发展、采集与调理 7 第二章虚拟仪器及l a b v i e w 软件开发平台 技术以及传感器技术的不断发展。它的发展路线始终沿着标准化、模块化、图形化、系 列化的方向发展。即总线与仪器驱动程序的标准化、软硬件的模块化、编程平台的图形 化、采集产品的系列化。 随着微电子技术、计算机软硬件技术、通信技术和网络技术的不断发展，它们也将 影响着虚拟仪器的发展趋势，尤其是网络技术应用到虚拟仪器中，可形成基于网络化的 虚拟仪器。虚拟仪器把传统仪器的前面板移植到普通计算机上，利用计算机的资源处理 相关的测试需求；把前面板移植到w e b 页面上，通过w e b 服务器处理相关的测试需求， 则形成网络化的虚拟仪器。网络化的虚拟仪器是将虚拟仪器、外围设备、被测试点和数 据库等资源纳入网络，实现资源共享，共同完成测试任务。网络化的虚拟仪器可实现人 们从任何地点、在任意时刻都能获取到测量信息的愿望。与以p c 为核心的虚拟仪器相 比，这将是一个质的飞跃，将是仪器发展史上的一次革命t t l 。 更远的发展，虚拟仪器工具将能够快速方便的与蓝牙、无线以太网等标准的网络技 术相融，“网络即仪器”将成为新的概念。 2 2 虚拟仪器的系统组成 2 2 1 虚拟仪器的硬件结构 虚拟仪器的硬件结构如图2 2 所示。硬件是虚拟仪器的工作基础，主要完成被测信 号的采集、传输、存储处理和输入输出等工作。它由计算机和测控功能硬件组成【8 ，9 1 。 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，包括微处理器、 存储器、输入输出设备设备等。计算机管理着虚拟仪器的软硬件资源，是虚拟仪器的 硬件基础，具有数据采集、数据存储、信号的分析与处理、结果的表示与输出及控制等 功能。 2 ) 测控功能硬件。测控功能硬件主要完成被测信号的采集、放大和模数转换。 8 长安大学硕士学位论文 计 算 i o 接口软件 彳 j 多 上上上上土上土上土 p c d ag p i bv x ip x i串口 现场总 q 模块模块模块模块线仪器 t 丁t 丁彳丁丁丁彳丁丁丁 7 信号调理 王 测控对象 测 控 功 能 硬 件 图2 2 虚拟仪器组成的基本框图 根据测控功能硬件接口总线的不同，虚拟仪器可分为p c 总线式( p c d a q ) 、g p i b 总线式、v x i 总线式、p x i 总线式、串口总线式和现场总线式等几种体系结构。 1 ) 基于数据采集卡( p c d a q ) 的虚拟仪器 这种主要用于以p c 为基础的虚拟仪器中。其功能是能将现场数据采集到计算机中， 或者将计算机中数据输出给受控对象。它充分利用微型计算机的软硬件资源，大幅度地 降低仪器成本，具有研制周期短、更新改进方便的有点。 2 ) 基于g p i b 总线方式的虚拟仪器 典型的基于g p i b 总线方式的虚拟仪器系统由一台p c ，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。通过g p i b 技术可以实现计算机对仪器的操 作和控制，来替代传统的人工操作方式，提高测试测量效率。 3 ) 基于v x i 总线方式的虚拟仪器 9 第二章虚拟仪器及l a b v i e w 软件开发平台 v x i 总线为虚拟仪器系统提供了一个更为广阔的发展空间。v x i 总线是高速计算 机总线v m e 总线在仪器领域的扩展。由于v x i 总线具有标准开放、结构紧凑、数据吞 吐能力强、传输速率高、定时和同步精确等有点，得到了广泛的应用。尤其是在组建中、 大规模的自动测试系统中具有其它仪器无法比拟的优势。 4 ) 基于p x i 总线方式的虚拟仪器 p x i 总线是p c i 总线面向仪器领域的扩展。p x i 模块仪器系统具有良好的性价比， 尤其适用于某些要求测试系统体积较小的场合。把台式p c 的性价比和p c i 总线面向仪 器领域的扩展优势结合起来，将形成未来主流的虚拟仪器平台之一。 2 2 2 虚拟仪器的软件结构 “软件即仪器 最本质的刻画出虚拟仪器的特征。在建立起虚拟仪器的硬件平台之 后，要使虚拟仪器能按用户要求定义功能，就必须有功能强大的软件平台来支撑。软件 是虚拟仪器的关键，通过运行计算机上的软件，一方面实现虚拟仪器图形化界面，给用 户提供一个可操作和实现仪器功能的人机接口；另一方面是计算机直接参与测试信号的 产生和分析，完成数据的输入、分析、存储和输出等功能。 虚拟仪器的软件框架采用层次化的结构，其优点是通用性、可维护性及可扩充性较 好。从底层到高层，包括三个部分：输入输出( i o ) 接口软件、仪器驱动程序、应用软 件。 1 ) i o 接口软件 i o 接口软件存在于仪器与仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器内部寄存器单元 进行直接存取数据操作、为仪器驱动程序提供信息传递的底层软件，是实现开放的、统 一的虚拟仪器的基础和核心。它主要有三个功能：实现速度匹配、信息格式的变换、提 供主机和外设之间数据所必需的状态和控制信息。i o 接口软件的特点、组成、内部结 构与实现规范在v p p ( v x ip l u g & p l a y ) 系统规范中都有明确规定，被定义为v i s a ( v i r t u a l i n s t r u m e n ts o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 。 2 ) 仪器驱动程序 仪器驱动程序是为用户提供用于仪器操作的较抽象的操作函数集，是种将硬件与 操作系统相互连接的软件，是连接顶层应用软件和底层i o 软件的纽带和桥梁。各模块 都有各自的仪器驱动程序，通常仪器厂商会以源代码形式提供给用户。 3 ) 应用软件 1 0 长安大学硕士学位论文 顶层应用软件主要包括仪器面板控制软件和数据分析处理软件，它是建立在仪器驱 动程序之上，直接面对操作用户。它利用计算机强大的图形功能实现虚拟仪器面板，给 用户提供操作仪器、显示数据的人机接口，以及数据采集、分析处理、显示和存储等功 能。 2 3 虚拟仪器的开发环境 2 3 1 软件平台的选择 构造一个虚拟仪器，基本硬件确定后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。虚 拟仪器对应用软件平台有如下要求： 实时性：实时性要求虚拟仪器系统具有实时采集数据和分析处理数据的能力，特别 是在需要及时掌握测控对象的信息及现状。 针对性：虚拟仪器需要根据具体的系统特征和测控要求来设计针对不同的测控对象 的应用程序。 可靠性：计算机测控系统中，软件的可靠性同样很重要。应用程序要能检查、发现 错误并能及时的处理错误，排除问题。 有效性：有效性即要求能提高系统对资源的利用效率。 可维护性：可维护性是指软件能被理解、校正、适应和改进的程度。软件中要采用 模块化、结构化设计。并充分考虑系统的可扩展性和可移植性。 虚拟仪器的应用软件需要具集成的开发环境、与仪器硬件接口的驱动程序、虚拟仪 器的用户界面等功能。仪器的应用软件由用户编制，可采用各种编程语言，目前比较流 行的虚拟仪器软件开发环境有两类：一类是通用的文本时编程语言，有v b 、v c 、c 、 c + + 、l a b w i n d o w s c v i 等；另一类是专用软件，专门面向用户的图形化编程语言，有 l a b v i e w 、a g i l e n t 、v e e 等。其中以l a b v i e w 在虚拟仪器软件开发中最流行7 , 1 0 l 。 l a b v i e w ( 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 ，实验室虚拟仪器 集成环境) 是由美国n i 公司推出的虚拟仪器开发软件。主要包括数据采集、信号调理 控制、数据分析、信号传输存储等功能。另外，l a b v i e w 还集成了g p i b 、v x i 、r s 2 3 2 c 、 u s b 的硬件和数据采集卡通信的全部功能，并且还内置了便于t c p i p ，a c t i v e x 等软件 标准的库函数。因此可以很方便利用l a b v i e w 组件自己的虚拟仪器。 利用l a b v i e w 进行虚拟仪器开发，简化了开发的过程，提高了编程效率，缩短了 仪器开发和调试的周期，让用户从繁琐的计算机代码中解脱出来，把大部分经历投入仪 第二章虚拟仪器及l a b v i e w 软件开发平台 器设计和分析中f 】。 2 3 2l a b v i e w 的特点 l a b v i e w 是一种图形化的编程语言，又称为g 语言，是目前应用最广、发展最快、 功能最强的图形化软件集成开发环境。自1 9 8 6 年n i 公司正式发布l a b v i e w1 0 以来的 二十多年中，l a b v i e w 不断完善。由最初简单的图形编程，支持单一平台的开发软件， 发展到现在以l a b v i e w 为核心，包括数字信号处理，过程控制，模糊运算等众多软件 开发包，运行于主流平台的工业软件开发环境。 l a b v i e w 开发环境具有如下特点 1 2 , 1 3 1 ： 1 ) 开放式的开发平台。l a b v i e w 提供了d l l ( ( d y n a m i cl i n kl i b r a r y ，动态链 接库) 接口和c i n ( ( c o d ei n t e r f a c en o d e ，接1 2 1 代码节点) 接口，用户可以在平台内调 用其他语言编写的程序模块。此外，l a b v i e w 还提供对o l e ( ( o b j e c tl i n k i n ga n d e m b e d d i n g ，对象的链接和嵌入) 的支持，与其他软件构成强大的应用程序开发环境。 2 ) 使用可视化技术建立人机界面，提供丰富的数据显示方式。针对测量控制领域， l a b v i e w 提供了大量的形象的显示控制对象，如表盘，按钮、。图表等以及多种形式的 数据显示方式，如数字仪表显示、数字显示、图形显示、坐标显示等。用户可根据需要 进行个性化的配置。 3 ) 提供了多种数据类型和库函数。不但提供通用数据类型如整型、字符串、数组、 簇等类型。还提供用于某些特定场合的特殊数据类型如复数类型、极坐标类型、时域数 据类型、频域数据类型等。用户在编程时通常不用考虑数据类型的转换，大部分控件都 能自动识别和转换。 4 ) 强大的数据分析处理能力。l a b v i e w 提供了大部分的通用数学运算函数和信号 处理函数，也提供了某些专业领域的运算函数，甚至用户还可以创建运算函数或者连接 到其他应用软件以实现部分非常复杂的数学运算。此外。l a b v i e w 还可以以数据文件 形式存储测试与分析结果或者将数据输出到e x c e l 等软件中完成报表生成等工作。 5 ) 具有强大的查错、调用功能。程序查错无需先编译，只要出现语法错误，l a b v i e w 就会自动显示，并给出错误的类型、原因和准确的位置。进行程序调试运行时，可以在 任何位置插入数据探针，通过探针可以观察数据流的变化，程序运行的逻辑状态，方便 发现错误，减少调试时间。 6 ) l a b v i e w 支持多种系统平台。在w i n d o w sn t 9 5 3 1 、p o w e rm a c i n t o s h 、h p u x 、 1 2 长安大学硕士学位论文 s u ns p a r c 、c o n c u r r e n tc o m p u t e rc o r p o r a t i o n 的实时u n i x 系统平台上，n i 公司均提供 了相应的l a b v i e w 版本，并且l a b v i e w 应用程序可以在任意两个平台上移植。 7 ) l a b v i e w 内置了程序编译器。它采用编译方式运行3 2 位的应用程序，这就能 解决其他按解释方式工作的图形化编程平台运行速度慢的问题，其运行速度与编译c 的 速度相当。 8 ) l a b v i e w 支持t c p i p 、d d e 、l a c 等网络功能，方便虚拟仪器与网络技术的 衔接，使“网络即仪器”的概念有望成为现实。 9 ) 性价比高，可以一机多用，同时运行实现同一对象不同类型及不同对象的测试 工作。 2 3 3l a b v i e w 的组成 l a b v i e w 程序称为v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) ，并以v i 作为扩展。v i 由三部分构成： 前面板、程序框图、图标和连接线。 1 ) 前面板：即用户界面。前面板有输入控制和输出显示两类对象，用于模拟真实 仪表的前面板。控制和显示对象以各种各样的图形形式出现在前面板，具体表现为旋钮、 按钮、指示灯等。这些控制和显示对象统称为控件，构成人机交互界面。 2 ) 程序框图，即图形化源代码的集合。程序框图由接线端、节点、连线和结构等 构成。接线端用来表示控件的数据类型，是前面板和程序框图之间交换信息的端口；节 点是程序框图上的对象，相当于文本编程语言中的语句、运算符、函数和子程序等；连 线用以定义程序框图中的数据流动方向，实现对象之间的数据传输。 3 ) 图标和连接线。图标和连接线相当于文本编程语言中的函数原型，可以将一个 v i 变成一个子v i ，然后被其它程序调用。图标作为子v i 的直观标记，代表着该子v i 所有的程序和控件；连线板用于描述该v i 与其他v i 进行数据交换的输入输出端口，以 便将该v i 作为子v i 调用。 2 3 4l a b v i e w 程序设计特点 l a b v i e w 的程序设计特点主要包括l a b v i e w 的面向测试测量应用的程序基本框 架和面向数据流的图形化编程方式。 1 ) 应用程序的基本框架 l a b v i e w 程序设计语言，从被建立开始就是面向测量和控制应用的，并且大多数 采用l a b v i e w 开发的应用程序都同测控仪器等硬件设备紧密结合。因此，从测量和控 第二章虚拟仪器及l a b v i e w 软件开发平台 制过程的基本步骤来看，l a b v i e w 程序设计的基本框架具有一定的模式特征。大多数 测量系统的应用程序框架基本可以分为8 部分，如图2 3 。 图2 3 测量系统l a b v i e w 程序基本框架 各部分的功能如下： a 初始化：对系统的软硬件初始化，如控件中的值清空、进行仪器自检工作、系 统复位等。 b 打开会话：与仪器建立通信，准备获取数据，也可清空寄存器及释放因异常而 未释放的资源。 c 获取数据：实现通过数据采集设备获得测量数据。 d 分析数据：对采集到的数据进行分析处理。 e 显示数据：向用户提供简单直观的测量数据。 数据存储：实现采集数据的存储，便于以后查看与分析。 g 关闭会话：释放使用完的系统资源。 h 退出程序：退出应用程序并释放系统资源。 2 ) 图形化数据流编程 l a b v i e w 是通过图形符号来描述程序的行为，在形式上是一种数据流驱动的语言。 l a b v i e w 的数据流编程模式类似于传统的面向过程编程模式，通过程序执行控制结构 和子程序等组件来构成整个程序框架。但面向过程编程模式是以程序命令的执行过程为 主线，而数据流编程模式是以程序数据的处理过程为主线。且与文本程序的顺序执行不 同，l a b v i e w 程序框图中节点间的数据流确定了代码的执行次序，使得互不关联的代 码可以简单的建立并行程序。 1 4 长安大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章主要对虚拟仪器技术的一个简介，包括虚拟仪器的概念、特点、发展趋势及软 硬件组成，虚拟仪器的软件开发平台。虚拟仪器技术是目前测控领域最为流行的技术之 一；l a b v i e w 是应用于工业测试测量的集成开发环境，也是工业上广泛应用的一种功 能强大的图形化编程软件。基于l a b v i e w 的虚拟仪器测试技术是以l a b v i e w 核心技 术数据采集为主，结合测量分析与数据显示的功能，配合数据采集硬件，很方便的实现 世界中各种物理量采集到计算机，拓展计算机在测控领域的作用。 第三章路面结构试验传感器 第三章路面结构试验传感器 传感器是一种感受和传递信息的元件，是一种获得信息的手段。传感器一般由敏感 元件、传感元件和转换电路三部分组成1 1 4 1 ，如图3 1 所示。其中敏感元件直接感知被测 非电量并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其它量；转换元件则是将敏感元件感 受到得非