（测试计量技术及仪器专业论文）基于虚拟仪器的电机反馈实验的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 电机教学实验是内燃机车电传动课程的重要组成部分。内燃机车电力传 动中的一些理论和方法是建立在实验、观察、推理的基础上，他们的正确性 还需要由实践来验证。学生通过实验，用理论来解释、分析实验结果，又以 实验结果来验证理论，从而达到巩固理论知识和学会实验方法的双重目的。 原有的电机实验，实验数据记录是由学生和指导老师手工完成，精度较低。 为了改变现状，提高实验技术水平，应用先进的虚拟仪器技术对原有的教学 实验台进行技术改造。本论文就是以此项目为研究课题，详细论述了整个实 验台改造的软硬件设计方法、技术开发、调试及实验全过程。 根据实验室的现有条件和实验台改造项目的要求，本文综合分析了实验台 的现状和当前虚拟仪器的发展状况，提出了虚拟仪器的改造方案。应用当今 测控系统中较为先进的虚拟仪器技术，使实验台成为集数据采集、数据记录、 数据显示、图形绘制、数据打印和实验教学管理等多功能为一体的自动化教 学实验系统。改造后的实验台可以自动完成教学实验的测试工作。 本论文详细分析了整个虚拟仪器实验台的功能和开发过程，介绍了v x d 驱动程序开发、l a b w i n d o w s c v i 中数据库的使用及共享、l a b w i n d o w s c v i 中w i n d o w ss d k 开发和多线程数据采集的设计过程。对于实际应用系统，可 靠性和准确性是设计的首要目的，因此在论文中从硬件和软件两个方面分析 和研究了整个系统的电磁兼容性和各种保护措施，使得系统能够安全、稳定 地运行。 该实验台已成功地用于电机教学实验。应用表明，该数据采集系统的硬 件和软件的性能均达到预期的技术目标。 关键词：电机实验；数据采集；虚拟仪器；l a b w i n d o w s c v i ；v x d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t e l e c t r o m o t o r t e a c h i n ge x p e r i m e n t i st h em a i n c o m p o s i t e o f i n t e r n a l c o m b u s t i o n1 0 c o m o t i v et r a n s m i s s i o nc o u r s et h e o r i e sa n dm e t h o d so f i n t e r n a l c o m b u s t i o nl o c o m o t i v et r a n s m i s s i o na r ef o u n do nt h e e x p e r i m e n t ， o b s e r v a t i o na n dt h er a t i o c i n a t i o n l o o k i n gi n t ot h ee x p e r i m e n td a t a ，t h es t u d e n t c a nu n d e r s t a n dt h e o r i e sa n dm a s t e rt h ee x p e r i m e n t a ls k i l la tp r e s e n t ，t h es t u d e n t a n dt h et e a c h e ro p e r a t et h el a be q u i p m e n ta n dr e c o r dt h el a bd a t ai nm a n u a lt h e p r e c i s i o no fl a b d a t ai sl o w i no r d e rt o i m p r o v et h ep r e c i s i o no fl a bd a t aa n d m a s t e rt h ea l t e r a t i o n t e c h n i q u e o ft h es a m e e q u i p m e n t ，i n t e r n a l c o m b u s t i o n l o c o m o t i v et r a n s m i s s i o ne x p e r i m e n t a le q u i p m e n ti sr e b u i l ti nt h et h e s i s ，t h ed e t a i l o f t h e o r i e sa n dm e t h o d sa r ed i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h ep r e s e n tl a b o r a t o r ye n v i r o n m e n ta n da l t e r a t i o nr e q u e s t ，t h e a u t h o rs t a t e st h e a c t u a l i t y o ft h e l a b o r a t o r y a n dt h e d e v e l o p m e n to fv i r t u a l i n s t r u m e n t ，a n dp u t sf o r w a r dt h ev i r t u a l i n s t r u m e n ta l t e r a t i o np r o j e c t u s i n gt h e a d v a n c e dv i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n i q u e i nt h ed e t e c t c o n t r o l d o m a i n ，t h el a b e q u i p m e n ti s r e b u i l ta s ai n t e g r a t e da u t o m a t i cs y s t e mo fd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t a r e c o r d ，d a t ap r i n ta n dt e a c h i n gm a n a g e m e n t t h e d r i v i n gp r o g r a m o fd a t aa c q u i s i t i o nb o a r da n dt h ed a t a b a s em a n a g e m e n t s y s t e mo f l a b w i n d o w s c v ia r es e l f - d e v e l o p e d ，i no r d e rt od e s c e n dt h ec o s to ft h e a l t e r a t i o ni nt h et h e s i s ，t h ea u t h o rs t a t e st h e d e v e l o p m e n to fv x dp r o g r a m ， d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e mo fl a b w i n d o w s c v i ，t h ed e v e l o p m e n to fw i n d o w s s d ki nl a b w i n d o w s c v i a n dt h e m u l t i t h r e a d i n gp r o g r a m a tl a s tt h e e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t ya n dt h ep r o t e c t i v em e a s u r ea r es t a t e d ，i n o r d e rt o e n h a n c et h e p r e c i s i o n a n dt h es t a b i l i z a t i o no fv i r t u a li n s t r u m e n tm e a s u r e m e n t s y s t e m n o wt h ev i r t u a li n s t r u m e n th a sg o n ei n t ot e a c h i n g ，a n di t s p e r f o r m a n c eh a s a c h i e v e dt h ed e s i g nr e q u i r e k e yw o r d s ：e l e c t r o m o t o re x p e r i m e n t ；d a t aa c q u i s i t i o n ；l a b w i n d o w s c v i v i r t u a li n s t r u m e n t ；v x d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文选题背景 现代微电子技术、计算机技术、软件技术等高度发展及其在电子测量技 术与仪器上的应用，新的测试理论、测试方法、测试领域以及新的仪器结构 不断出现，为测试仪器的发展提供了强大的推动力 1 1 。现在的虚拟仪器已经完 全摆脱了传统仪器独立使用、功能单一、精度低、用户无法改变的模式【2 】。它 采用软件实现数据处理与显示等部分。降低了仪器成本，减少了维护困难。 大学是为国家培养高素质人才的基地，它通过理论教学和实践教学来提高 学生的理论知识水平和动手实践的能力。而实验室是提高学生动手能力的主 要场所，它通过实验的形式，将课堂上的知识以生动实际的形式展现给学生。 随着科学技术的发展，高校现有的实验设备存在老龄化和落后于时代的情况， 如何将这些设备进行改造从而满足教学要求便是我们的研究方向。 内燃机车电力传动实验是内燃机车电传动课程的重要组成部分，内燃机车 电力传动中的一些理论和方法是建立在实验、观察、推理的基础上，他们的 正确性往往要由实践来验证。学生通过实验，用理论来解释、分析实验结果， 又以实验结果来验证理论，从而达到巩固理论知识和学会实验方法的双重目 的。原有实验过程的数据记录是由学生和指导老师手工完成，仪表测试精度 较低，实验过程较长。为改变现状，提高实验精度，让学生掌握先进的实验 技术及测试方法，有必要对此实验台进行了改造。 1 2 虚拟仪器现状 电子仪器发展至今，大体可以分为四代：模拟仪器、分立元件仪器、数 字化仪器、以及智能仪器和虚拟仪器。目前，随着微电子技术和计算机技术 的飞速发展，测试技术与计算机的深层次结合引起了测试仪器领域内一场新 的革命。从而产生了虚拟仪器这一种全新的测试仪器。从而给传统仪器带来 一次巨大变革，使得测试技术进入了一个新的发展纪元。 r 随着互联网的飞速发展和测试系统的不断扩大，网络化的虚拟仪器已经展 露头脚，并迅速发展。网络数据库因此成为虚拟仪器的一个发展方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 目前国内的虚拟仪器发展有两种方向，一是利用国外成熟技术，开发自 己的虚拟实验系统，这种情况有较大的局限性，开发者往往要购买国外的软 件和硬件，花费较高；另一种发展方向是，利用通用的开发工具，从基础开 发做起。这样开发的虚拟仪器虽然价格较低，但是往往功能有限。 国外的虚拟仪器技术已经相当成熟，往往是生产规模相当大的仪器公司 在自己生产测试设备的同时，开发与之配套的虚拟仪器软件。例如美国的n i 公司就是一家专门生产测试设备的公司，同时它开发生产虚拟仪器的软件 l a b w i n d o w s ，c 和l a b v i e w 。这两款软件都与n i 公司生产的设备紧密结合， 而同时又提供强大的兼容性( 他们支持几乎所有的操作系统，如： w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 、m a c 、l i n u x 等) 。代表了虚拟仪器的发展方向。但是价格 不菲，而且在系统升级、功能扩展和技术服务等方面都收取较高的费用。国 内在虚拟仪器方面发展较晚，与国外虚拟仪器技术相比在操作系统、功能扩 展和技术服务等方面存在较大的差距，但是从另外角度来看，有着广阔的发 展前景和可借鉴的经验。 1 3 本文研究的主要内容和意义 机车电传动虚拟仪器实验台是基于虚拟仪器这一一概念，利用传感器、数据 采集卡和个人计算机组成的虚拟仪器测试系统对电传动实验台进行改造。实 验数据经过传感器和数据采集卡进入到个人计算机中，由编制的虚拟实验软 件进行数据处理、数据显示、数据管理、数据发送和教学管理。 虚拟仪器技术核心之一是软件的设计。开发使用的l a b w in d o w s c v i 是美 国n l 公司专门用于虚拟仪器的基于a n s lc 交互式c 语言的开发平台。它提 供了丰富的仪器仪表的界面和控件，共带有数据分析、数字信号处理、g p i b 、 v x i 、v is a 、t o p 等库函数，同标准o c + + 兼容。利用灵活的c 语言，很容易 实现仪器控制、数据分析和显示。l a b w in d o w s o v l 中提供对于数据库进行操 作的开发包s o lt o o i k i t s 。但它不包含在l a b w in d o w s o v l 的基本开发包中， 而需要用户另外购买，这加重了用户的经济负担。我们利用l a b w i n d o w s c v i 对于w in d o w s $ d k 的开放性，利用o d b ca p l 函数对数据库中的数据进行管理， 完成了l a b w in d o w s o v i 与数据库连接，促成数据库共享，完成测试信息管理， 达到对l a b w in d o w s o v l 的二次开发。同时，为了节约费用，增强虚拟实验台 的功能，在第三方数据采集卡驱动、l a b w i n d o w s c v l 中驱动m a ti a b 引擎和早 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 期数据采集卡的w in d o w s 系统驱动程序编写等方面都进行了尝试。 本实验台是在原有实验设备的基础上改造完成的，充分利用现有设备，它 利用了实验室实现有的资源，使其充分发挥作用。改造后的实验系统它不但 满足电传动实验的要求，同时可以进行定的系统功能扩展，对多种被测量 进行测量。参加实验的学生不但可以对电传动实验有所了解，而且可以了解 虚拟仪器的基础知识，增长测试技术等方面的知识。同时，实验设计中的许 多方法能够应用于实际机车电传动虚拟仪器实验台，可以为实验台产品化打 下一定的基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章电力传动教学实验台系统分析 本文设计的实验测试系统是对机车电传动系统中的电机性能教学实验台 进行虚拟仪器化检测改造设计。电机性能教学实验台是内燃机车电力传动课 程教学实验的主要实验设备。内燃机车电传动中的一些重要理论和方法通过 实验进行验证，达到巩固理论和学会实验方法的双重目的。 2 1 直流电机的基本知识 直流电动机是一种把直流电能转化成为机械能的机电转换装置。由于直 流电动机具有调速范围广，易于平滑调节；电机启动转矩、制动转矩和过载 转矩大，易于控制且运行可靠等突出优点，因此多用于对调速要求较高的生 产机械上，如轧钢机、铁道牵引等。我国万里铁路线上运行的内燃机车和电 力机车，目前主要采用交一直流电传动形式，驱动机车运行的是直流牵引电 动机，技术成熟，运行可靠。但是，直流电动机结构复杂，具有电刷和换向 器，特别在高转速、大负载运行时，若换向不良，容易产生火花，严重时甚 至引起环火而烧损电机。因此合理设计电机，注重电机制造或修理质量、加 强定期维护致关重要。 在机车上，一般是6 台牵引电动机并联运行。装车的牵引电动机必须保 证组装质量、安全可靠。此外，为保证6 台牵引电动机的负载分配均匀，充 分发挥牵引电动机的牵引能力，既不过载也不欠载，必须选配性能基本一致 的6 台牵引电动机装于同一机车上。因此，在电机制造厂、机车大修厂及中 修机务段，对每台组装好的牵引电动机均须在电机负荷试验台上进行严格的 性能试验，检验其制造或修理质量，测试并记录其性能参数，以便提供装车 所需的电机合格参数，从而保证装车质量。 2 1 1串励电动机的特性 电动机输出的机械转矩和转速是说明电动机工作特性的两个重要物理量， 分别对应于机车牵引力和机车速度，是电动机的两个主要特性。为选用牵引 电机提供重要依据。 l 、转速特性 串励直流电动机的转速特性是指串励直流电动机的转速随电枢电流而变 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 化的特性。根据直流电动机的转速表达式：行= 兰：竽，对于直流串励电动 ，p ( 一。中 机，其主极磁通中随电枢电流i ；而变化，在忽略电机磁路饱和情况下，可近 似为中稚，母为比例系数，因此转速公式可表示为：胛2 石熹i 一石南。 由于r 。很小，上式的第二项可忽略，因此，转速n 近似与电枢电流，成反比 变化，特性曲线如图2 1 所示。 2 、转矩特性 串励直流电动机的转矩随电枢电流而变化的特性，称为串励直流电动机的 转矩特性。根据直流电动机的转矩公式：m = c 。中i 。，同理设电机磁路未饱和， 可以推导出串励直流电动机的转矩公式为：m = c 。k ，；，即转矩与电枢电流 的平方成正比，曲线如图2 2 所示。这种特性称为“软特性”。它使得串励电 机可以获得更大的启动转矩，有很高的应用价值。 0 图21 转速特性 m 0 m 3 、机械特性 当磁路未饱和时，串励直流电动机的机械特性方程式为： u = c 。 j r c 。kr ( 2 一1 ) 式中u 电动机的输入端电压； c 。电机的电势常数； c 广电机的转矩常数： t 。，i - 一电机的电磁转矩： 世，励磁系数。 从中可以看出串励电动机转速与电磁转矩平方根近似成反比。随着电磁转矩 增大电机转速下降，机械特性呈非线性关系。当电枢电流较大使磁路饱和时， 聒 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 励磁磁通接近常数，串励电机的机械特性近似呈线性。特征曲线如图2 3 所示。 串励直流电动机的机械特性是电传动机车牵引特性的主要依据它与列车 运动方程联立，可分析牵引工况稳定运行和过渡过程的工作情况 2 1 2 直流电动机的速度调节 由于机车运行条件比较复杂，经常需要按照线路情况的不同选择合适的 运行速度，这就要求牵引电机能够在宽广的范围内均匀而经济地调速。常用 的调速方法有两种：改变牵引电机的电源电压；调节牵引电机的励磁。这两 种调速方法均是实验内容。 根据转速公式，可知电动机的转速与端电压成正比。在电传动内燃机车 上，牵引电动机由牵引发电机供电，而且可以采用各种方法调节输出电压， 所以改变端电压调速是控制机车速度的主要方法。 由于受最高电压的限制，电压调节范围有限，因此为了扩大恒功率调速 范围，在机车上普遍采用了对牵引电动机进行有级磁场削弱的方法，即在串 励牵引电动机的励磁绕组两端并联一级或数级分路电阻一一称磁场削弱电 阻。由于并联电阻的分流作用，使励磁电流减小，电机磁场的磁通削弱，电 枢电流相应增加，则电动机的转速增加，从而达到调速目的。 在电传动内燃机车上常用的制动方式是电阻制动，在实行电阻制动时， 牵引电动机按发电机方式运行，将动能转变成电能消耗在制动电阻上，电机 产生制动转矩，从而达到减速目的。有关调速的详细知识参见参考书目”“。 2 2 实验要求 组装完成的牵引电动机在电机试验台上一般要进行空转试验、温升试验、 转速特性试验、换向试验及匝问耐压试验等多项试验，试验过程按规定的试 验条件进行，并记录有关的试验数据。 馈试验法。对于大功率的牵引电动机， 并减小试验设备的容量及投资。 试验方法有两种，即直接负载法和反 一般都采用反馈试验法，以节约电能， 我校机车车辆实验室结合现场实际，所研制的电机教学实验台属反馈试验 台，能完成直流电机的空载特性( 磁化特性) 实验和负荷特性实验。学生通过教 学实验，能进一步理解直流电机的工作原理及其工作特性，掌握电机的运用 方法；同时也了解电机的反馈试验方法及其测试技术。 电力传动教学实验台主要完成两大项实验，一个是直流电机的空载特性实 验，即磁化特性实验；另一个是通过电机反馈实验完成电机的负荷特性实验， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 包括电机转速特性实验、转矩特性实验及磁场削弱实验。 2 2 1 磁化特性实验 电机中电磁能与机械能的转换在磁场中完成。直流电机在工作时，首先需 要建立一个磁场，绝大多数的直流电机由直流励磁电流通过励磁绕组来产生， 并可通过调节励磁电流来控制电机磁场，从而达到控制电机特性的目的。 实际上，直流电机工作时的磁场是由电机中各个绕组包括励磁绕组、电 枢绕组、附加级绕组、补偿绕组等的总磁势所共产生的。其中励磁绕组的磁 势起着最主要的作用。电机的磁化特性曲线，即磁通量m 随励磁电流i 。的变 化关系中= ，( i 。) ，反应了电机内部最基本的电磁关系，是影响电机运行的重 要特性。 1 磁化曲线实验的原理 根据感应电势的公式：e ，= c 。西”，对于一定的电机c 。为常数，当电机转 速n 不变时，则e 。o c 中。这时磁化曲线巾= ( ，。) ，可以用e = f ( 1 。) 表示。由 于大多数的直流电机是电流励磁，通过改变励磁电流的大小可以改变磁通。 的大小，也就得到不同的感应电动势e ，因此测出e 。= f ( i 。) ，也就获得了电 机的磁化曲线：中：e 。c 。n = 厂( i l ) 。当增大励磁电流时，感生电势随之上升， 励磁电流减小时，感生电势随之减小，而磁化曲线的轨迹应该是按照增大方 向的逆方向减小，如图2 - 4 所示。但是由于铁磁材料的b h 曲线存在迟滞现 象，所以直流电机的实际磁化曲线不会按照磁化电流增大方向的逆方向减小， 而是有所滞后，形成如图2 - 5 所示磁化特性回线。 巾 图2 4 电机磁化特性曲线图2 - 5 电机磁化特性回线 2 实验线路 实验线路如图2 - 6 所示。 一 ， 、坦 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图2 - 6 磁化特性曲线试验电路图 3 、实验步骤 ( 1 ) 按图线路接线，调节直流电动机d 2 端电压和励磁电流，使d 2 的转 速r i d 2 = 5 0 0 转分； ( 2 ) 调节e 使f 2 的励磁电流分别为1 a 、2 a 、3 a 、4 a 、5 a ，并记 录a 2 和v 2 。( 注意在测磁滞回线时，i l 不能往复调节) 2 2 2 电机反馈实验 1 工作原理 电机反馈实验的原理电路如图2 7 所示。被试电动机d ：与陪试发电机f 2 是同型号的直流电机，通过联轴器将两台电机的输出轴连接，陪试机作为被 试机的负载。线路发电机鼻向被试电动机d ：提供端电压u ，并保持其恒定时， d ，即可运转。通过调节升压发电机s 的电压u ，使陪试发电机e 的端电压 砺与u ；之和大于d ：支路的端电压，从而实现五的电流向d ：反馈，达到节能 的目的。 调节升压发电机的电压u s ，则可改变陪试发电机f 2 的输出电流和被试 电动机d ：的输入电流，从而达到调节电动机转速和转矩的目的。改变线路机 f l 的输出电压u l ，也就改变了电动机d 2 的端电压，同样可调节d 2 的转速。 被试电动机d 2 的电枢电流i s 和转矩m 可由下式求得： 1 s = i 】+ 1 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 m 。：m f 。生：_ 6 0 u f i f c u冗“ 一6 0 ( u t u s ) ，2 2 z r ” 式中u ，、i ，线路机输出电压、电流： i 。陪试机反馈电流； m 。、m 厂被试机、陪试机的电磁转矩； u ，、i 厂一陪试机输出电压、电流( = 反馈电流i 。) u 。升压机输出电压； n 被试机的转速。 由此可得串励电动机的速率特性n = ，( i 。) 和转矩特性m = f ( i 。) 。 2 实验线路 反馈实验线路如图2 - 7 所示。 图2 7 反馈试验电路图 2 、实验步骤 ( 1 ) 启动电动机d ，使d 带动升压机s 旋转作发电机运行，其转速控制 在3 0 0 转分左右； ( 2 ) 给升压机励磁，使u s = 1 5 v 左右( 以防止d 2 飞速) ： ( 3 ) 启动电动机d ，使d 1 带动线路发电机f l 旋转，并给发电机f l 励 磁，使其输出电压u 1 = 3 0 0 v ，运转平稳后记录u s 、1 1 、1 2 、i s 、1 2 等数据； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 ( 4 ) 逐步提高升压机s 的输出电压，使电流i s 按1 a 、2 a 、3 a 1 0 a 逐步增长，并记录各次数据：u s 、1 1 、1 2 、i s 、n 。 ( 5 ) 回调升压机s 的输出电压，使i s 回到最小初始值，再调节线路机 f l 的励磁，使u l = 4 0 0 v ； ( 6 ) 重复第4 条的步骤，记录各次数据：u s 、i l 、1 2 、i s 、n 。 ( 7 ) 回调升压机s 的输出电压，使i s 回到最小初始值，闭合接触器触 头k ，使d 2 进入磁场削弱工况，调节线路机f 1 的励磁，仍保持u l = 4 0 0 v ； ( 8 ) 重复第4 条的步骤，记录各次数据：u s 、1 1 、1 2 、i s 、n 。 ( 9 ) 回调升压机s 的输出电压，使i 。回到最小初始值，断开电动机d 1 的交流电源，使f l 停止转动，此时1 1 = o ，观察每台电机的工作情况。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第3 章虚拟仪器软件设计分析 3 1 虚拟仪器简介 3 1 1 虚拟仪器的形式 虚拟仪器的概念是由n i 公司最先提出来、基于可编程仪器的一种综合的 测试技术。虚拟仪器是为了适应早期的p c 卡式仪器的发展而提出来的。卡式 仪器由于自身不带仪器面板，甚至没有处理器，只是完成数据的采集功能， 必须利用计算机的通信能力和数值处理功能建立图形化的虚拟仪器面板，通 过确定的算法实现对仪器的控制、数据分析和测试结果的显示。因此虚拟仪 器可以概括为：硬件+ 显示面板+ 算法软件。 虚拟仪器的发展有两条主线： g p i b v 一p x i ，适用于大型高精度集成系统。 p c 插卡式一并行口式一串口u s b 方式，适用于普及型的廉价系统。 虚拟仪器有以下特点： ( 1 1 系统结构简单，容易实现，能够满足中、小规模数据采集的要求。 ( 2 ) 微型计算机对环境的要求不是很高，能够在较为恶劣的环境下工作。 ( 3 ) 系统的价格低廉，可以降低投资。 ( 4 1 具有一定的扩展能力，可以作为集散型系统的一个基本组成部分。 虚拟仪器的发展速度与计算机技术、软件技术同步，这是因为“计算机是 虚拟仪器的核心”、“软件就是仪器”。它将传统仪器由硬件电路实现的数据分 析与显示功能改为由强大的计算机及其显示器来执行。当计算机与适当的i o 接口设备配置完成之后，虚拟仪器的硬件平台就被确定。 3 1 2 虚拟仪器设计软件 随着虚拟仪器的不断发展，用于虚拟仪器设计的软件非常丰富。常用的有 两类：其中一类是通用软件，如v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、d e l p h i 等，这 类软件的特点是 ( 1 ) 功能较为强大，这类软件通常是由大的软件开发公司设计推出，它针 对的是广大的设计人员，提供丰富的资源和控件。 ( 2 ) 专业功能弱，由于这类软件的使用对象的广泛性，针对特定领域的功 话南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 能相对较弱，在测试领域中由于要使用大量的数据运算，这样相应功能需要 进行繁杂的编程。 另一类虚拟仪器的设计软件是由专业的设备制造公司推出的。如n i 公司 推出的l a b w i n d o w s c v i 和l a b v i e w 等，这类软件的特点是： ( 1 ) 专业性强，由于这类软件是专为测试领域设计的，所以拥有完善的信 号处理、仪器开发等功能，可以通过简单的编程便实现强大的功能。 ( 2 ) 功能相对单调，由于这类软件是专为测试领域设计的，不可避免的是 其他功能相对较弱，所以必须借助其他的开发工具。 ( 3 ) 价格较高，在虚拟仪器这一领域中，由于国外公司设计的软件功能相 对较为丰富，所以为大多数设计人员采用。这类软件的价格不菲，而且一些 高级功能需要用户另外购买。 3 1 3l a b w i n d o w s c v i 简介 电机教学虚拟仪器实验台中的虚拟仪器部分使用的是专用的虚拟仪器编 程语言l a b w i n d o w s c v i 。l a b w i n d o w s c v i 是美国n i ( n a t i o n a li n s t u r a e n t s ) 公司开发的3 2 位面向计算机测控系统领域的软件开发平台，可以在多种平台 ( w i n d o w s 9 5 9 8 n t 2 0 0 0 ，m a c o s 和u n i x ) 下运行。它以a n s ic 为核心，将功 能强大、使用灵活的c 语言与数据采集、分析和表达等测试控制专业工具有 机地结合起来。它的集成化开发平台、交互式编程方法、丰富的功能面板和 库函数大大增强了c 语言的功能，为熟悉c 语言的开发人员开发检测、数据 采集、过程监控等系统提供了一个理想的软件开发环境。 3 2 电机教学虚拟仪器软件的组成 虚拟仪器测试系统除了拥有强大的数据采集处理能力之外，同样应该拥 有令用户使用方便的虚拟仪器面板，这个虚拟仪器面板是系统的人机交互界 面。这正是现代软件设计中考虑人性化的一个发展方向。随着计算机硬件制 造技术的飞速发展，操作系统发展到图形操作系统，多媒体技术和g d i ( g r a p h y d e v i c ei n t e r f a c e ) 的设备无关性，为界面编程提供了极大的方便。真正达到 了人机自由对话的阶段。 电机传动教学虚拟仪器实验台软件的整个系统使用模块化设计以及分层 管理。系统包含以下功能模块： ( 1 ) 学生成绩管理模块：为配合实验教学，这个学生管理模块提供学生成 绩的输入、查询和学生记录的更改。方便实验教师在实验结束之后，为每个 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 学生给出实验成绩。 ( 2 ) 实验主程序模块：针对电机传动教学实验台设计的虚拟仪器软件，在 这里完成实验参数的设置、数字滤波器的计算、实验数据的采集和实验数据 的保存。 ( 3 ) 扩展系统模块：为了扩展虚拟仪器的功能，增加系统的通用性。 ( 4 ) 实验数据管理模块：在这一模块中，完成实验数据的手工筛选、数据 的保存、打印和实验数据的绘图。 ( 5 ) 系统帮助模块：实验软件的使用方法，实验过程的介绍和简单的虚拟 仪器的知识。 3 3 程序中的关键技术 3 3 1 数据采集与处理 虚拟仪器的硬件平台由计算机和i o 接口设备两部分组成。i o 接口设备 主要执行信号的输入采集、放大与模数转换的任务。 对于单台虚拟仪器设备而言，l a b w i n d o w s c v i 所涉及的i o 接口设备主 要是数据采集卡。 i o 接口设备的驱动是虚拟仪器实现对真实物理信号进行采集的基础。实 现数据采集后，由l a b w i n d o w s c v i 进行数据分析和处理，进而实现某种测试 功能，显示测量结果。因此i o 设备的驱动是虚拟仪器系统的重要环节。 l a b w i n d o w s c v i 获取数据的方法是通过对i o 接口设备的驱动来实现的。 通过数据采集卡获得数据是虚拟仪器获得数据的渠道之一，也是构成虚拟仪 器的最基本方式。此方式的虚拟仪器称为p c d a q 卡式仪器。 在l a b w i n d o w s c v i 环境中，i o 接口设备数据采集卡的软件驱动分为以 下两种情况： n i 公司生产的数据采集卡 可以利用l a b w i n d o w s c v i 自带的驱动函数驱动。设计者只需正确设定参 数即可，无需进行编程。 非n i 公司生产的数据采集卡 l a b w i n d o w s c v i 环境中使用非n i 公司的数据采集卡，需要自己编写数据 采集卡的驱动程序，或者使用l a b w i n d o w s c v i 提供的有关i o 接口设备的端 口操作函数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 1 非n i 公司数据采集卡的应用 由于市场上的数据采集卡中非n i 公司的产品较多，同时由于总线技术的 不断发展，实现非n i 公司数据采集卡的驱动由很高的实用性。对于非n i 公 司数据采集卡通常有两种驱动方式，一是使用l a b w i n d o w s c v i 中提供的相应 函数，自己编写数据采集卡的驱动程序；另一种是使用c 语言等提供硬件操 作函数的编程语言，为数据采集卡开发驱动程序，然后通过l a b w i n d o w s c v i 提供的工具生成能够为l a b w i n d o w s c v i 使用的动态连接库文件，驱动数据采 集卡。 上述两种方法各有利弊，第一种情况需要开发者熟悉采集卡的构造和机 理，了解接口编程，所以对开发人员有较高的要求而且通用性差，每次使用 数据采集卡都要进行相应的编程，但是开发出的系统效率高，简单；后一种 情况下，可以由熟悉硬件的程序员为数据采集卡开发出通用的驱动文件，再 由其他开发人员利用开发好的程序和函数进行虚拟仪器的开发。这种情况下 可以开发出通用性强的驱动程序，最终方便相同型号数据采集卡。的使用。 我对以上两种情况都进行了尝试，详细的过程见论文的第7 章。下面仅对 利用l a b w i n d o w s c v i 进行数据采集卡的驱动进行介绍。 2 数据采集卡的驱动 虚拟仪器实验台使用的是一块与i b m p c x t a t 总线兼容的通用数据总线 的h y 一6 0 7 0 数据采集卡。它相对于p c i 总线数据采样卡而言比较简单。它提 供两种数据采集方式：一种是软件查询方式，这种方式通过不断查询a d 转 换位的状态来进行数据采集：另外一种是中断方式，通过利用板上提供的定 时计数器芯片，对其进行一定的参数设置，进行指定时间的数据采集。由于 本虚拟仪器实验平台所测信号频率较低，所以选用了软件查询方式1 1 ”。 l a b w i n d o w s c v i 中的端口操作包括如下函数：i n p0 、i n p w0 、i n p d0 、 o u t p ( ) 、o u t p w ( ) 、o u t p d ( ) 1 2 - 3 1 4 ”。 通过利用以上的函数可以实现数据采集卡的驱动。这里值得注意的是， l a b w i n d o w s c v i 提供的这些函数有非常好的应用性，在w i n d o w s n t 2 0 0 0 中这 些函数仍然能够使用。但是在w i n d o w s n t 2 0 0 0 中应该在使用这些函数使用前， 应该对系统是否支持低级操作进行检验，使用的函数是 c v i l o w l e v e l s u p p o r t d r i v e r l o a d e d ( ) 。l a b w i n d o w s c v i 的这一特性为程序 的多平台可移植性提供了很大的方便。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 3 3 2 多线程技术 线程是指进程内部的可以独立执行的单元，指操作系统对系统资源的调度 单位。每个进程至少有一个线程，这个线程被称为主线程。一个应用程序可 以拥有多个线程，同属于一个程序的所有线程都共享进程的虚拟地址空间。 线程之问可以共享进程的全局数据和资源。此外，每个线程都单独保存一些 数据结构、c p u 寄存器指针和堆栈，用于保存线程的执行环境。 多线程程序是指在同一个时间段内至少有两个线程在执行程序代码的程 序。当操作系统开始执行一个特定程序时，操作系统就创建了主线程。缺省 情况下，操作系统查找名为m a i n 或w i n m a i n 的函数，并在m a i n 和w i n m a i n 的函数中开始执行主线程。在多线程程序中，程序自己让操作系统创建主线 程以外的其他程序，这些线程被称为次线程。 多线程可以提供给用户许多方便，特别是在基于p c 的数据采集系统和仪 器i 0 应用方面。在单处理器机器上，在下面情况下应用多线程会有所帮助： 一些任务比其他任务需要更长的时间运行，一些任务比其他任务需要更高的 确定性结果，用于界面动作可能和硬件通讯同时进行。在多处理机机器上， 多线程应用了额外的硬件，带来了总体性能的提高。 1 l a b w i n d o w s c v i 中的多线程技术 l a b w i n d o w s c v i 提供了两种次线程机制：线程池和异步时间器。线程池 适用于需要不连续地执行多次或在循环中执行的任务，而异步定时器是用于 在固定时间间隔内执行的任务。在这个虚拟仪器系统中为保证数据的安全使 用了线程池技术。 想要在l a b w i n d o w s c v i 的次线程中运行代码，可以调用 c m t s e c h e d u l e t h r e a d p 0 0 1 f u n c t i o i l 0 函数，把想要在次线程中运行的函数名 传递给它，线程池调度这个函数在它的一个线程中运行。根据线程池的设置 和当前状态，线程池可以创建一个新线程，使用一个己经存在的空闲线程， 或者是等待一个活动的线程空闲来执行需要调度的函数【2 】。 向c m t s e c h e d u l e t h r e a d p 0 0 1 f u n c t i o i l 0 传递的函数被称为线程函数。线 程池的线程函数可以起任何名称，但是必须有以下的原型： i n tc v i c a l l b a c kt h r e a d f u n c t i o n ( v o i d 女f u n c t i o n d a t a ) f u n c t i o n d a t a ：输入参数，指定用户的函数参数。 下面代码是使用多线程方式在次线程中执行线程函数完成数据采集。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 i n tc v i c a l l b a c kd a t a a c q t h r e a d f u n c t i o n ( v o i r * f u n c t i o n d a t a ) ( i n tp a n e l h a n d l e ： i n tf u n c t i o n e d ： i f ( i n it c v i r t e ( o ，a r g v ，0 ) = = o ) r e t u r n 一1 ： i f ( ( p a n e i h a n d l e = l o a d p a e n l ( 0 ，”d a o d i s p l a y u i r ”，p a n e l ) o ) r e t u r n l ： d i s p l a y p a n e l ( p a n e t h a n d l e ) ： c m t s e c h e d u l e t h r e a d p o o l f u n c t i o n ( d a f a u l t t h r e a dp o o l t t a n d l e ， d a t a a c q f u n c t i o i l ，n u l l ，& f u n c t i o n e d ) ： r u n u s e r i n t e r f a c e0 ： d i s c a r d p a n e l ( p a n e l h a n d l e ) ： c m t w a i t f o r t h r e a d p o o 】f u n c t i o n c o m p l e t i o n ( d a f a u l t t h r e a d p 0 0 l - h a n d l e ，f u n c t i o n i d ，0 ) ： r e t u r n0 ： j i n tc v i c a l l b a c kd a t a h c q f u n c t i o n ( v o i d * f u n c t i o n d a t a ) w h i l e ( ! q u i t ) ：数据采集程序 ) r e t u r n0 ： 调用c m t w a i t f o r t h r e a d p o o l f u n c t i o n c o m p l e t i o n0 函数使主线程在结束 之前处于等待状态，直到线程函数执行完成。如果主线程在次线程完成执行 之前退出，次线程可能没有机会释放它们占用的系统资源，次线程中用到的 库函数也可能没有机会完全释放。 2 多线程间的数据保护 数据保护是多线程程序必须考虑的问题。必须保护全局变量、静态局部变 量和动态分配的变量，以免它们被多个线程同时访问，否则可能会偶尔造成 逻辑错误，这种错误很难跟踪到。l a b w i n d o w s c v i 提供了多种高级机制来保 护数据被同时访问，当保护数据时候应该考虑数据死锁的问题。 在程序中只有多个线程都要使用的变量才需要保护。全局变量、静态局部 变量和动态分配的内存位于公共区域，可以被程序中的所有线程访问。 生生! i ! i ! ! ! 型! 塞旦廛埕堡i 三登塑堡堡塑笪扭型! 垡垄毯：垡塑塞全 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 变量和线程安全队列【1 l 。而在电机教学虚拟仪器软件中选择线程锁作为数据保 护的方式。 线程锁是把一个简单的操作系统线程锁对象打包。在三种情况下可能用到 线程锁，一种是如果有段程序要访问多个共享的数据变量，在执行这段程 序之前要获得线程锁，在执行完程序之后把它释放。使用线程锁的另一种情