（机械制造及其自动化专业论文）面向机械制造的虚拟仪器检测系统的研究和开发.pdf

浙江大学硕上学位论文 摘要 虚拟仪器( v i ) 是计算机与仪器仪表相结合的产物，是对传统仪器概念的重火 突破，必将成为测试仪器的主流。传统的机械测试技术也正曰益向着速度化、自动 化、智能化、集成化等方向发展。结合虚拟仪器技术和l a b v i e w 语言开发了面向机 械制造的虚拟仪器检测系统。 文章首先对当前机械测试的状况进行了分析，指出了虚拟仪器出现的哪。行性。 然后介绍了虚拟仪器的概念、软硬件体系结构、性能特点和应用。分析比较目前最主 要的三种虚拟仪器构建方案的特点，提出一一套基于多功能数据采集卡和图形化编程语 言l a b v i e w 的虚拟仪器构建方案。系统的工作原理为：通过多功能数据采集卡采集 来自各种传感器所采集的物理世界的模拟、数字信号，对信号进行适当的处理后，通 过p c i 系统总线传递给计算机，由系统的软件部分对采集信号进行数据处理。在后 续章节中，对该检测系统进行了详细的介绍，包括硬件体系结构的设计，主要讨论硬 件部分的组成，以及对外界物理信号的采集实现等；然后介绍了软件部分即图形化编 程语言l a b v i e w 。最后，从硬件构成和软件功能上对系统功能进行详细介绍。 文章还详细阐述了具体的数据处理过程，并通过实验和仿真进行了分析比较。最 后得出结论本系统是可行的，并对今后的虚拟仪器前景进行了展望。 关键词：虚拟仪器数据采集机械制造l a b v i e w 数据流 * n x l 数据处理 浙江大学硕一 学位沧文 a b s t r a c t a sar e s u l to ft h ec o m b i n a t i o no fc o m p u t e r t e c h n o l o g y a t t di n s t r u m e n t t e c h n o l o g y ，v i r t u a l i n s t r u m e n t a t i o nt e c h n o l o g yh a sb r o k e nt h r o u g ho l dc o n c e p to f i n s t r u m e n ta n dw i l lb e c o m ea r t e r yo ft e s t s y s t e m t r a d i t i o n a l m e c h a n i c a l t e s t i n g t e c h n o l o g y i s s t e p p i n g i n t o r a p i d i t y ，a t t t o m a t i z a t i o n ， i n t e l l i g e n t i z a t i o na n di n t e g r a t i o n t h i st h e s i s d e s i g n sa ni n s p e c ta n dt e s ts y s t e mb a s e do nv i r t u a l i n s t r u m e n ta n dt h ep r o g r a m m i n g l a n g u a g e - l a b v i e wf o rm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r e f i r s t l y , t h et h e s i se x a l n i n e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dp r o b l e m so ft h ep r e s e n tm e c h a n i c a l t e s t i n g s y s t e m ，p o i n t so u tt h ef e a s i b i l i t yo fv i r t u a li n s t r u m e n t , a n de x p l a i n st h e c o n c e p to fv l ，i t sh a r d w a r ea n d s o f t w a r es t r u c t u r e ，i t sc h a r a c t e r sa n da p p l i c a t i o n s i ta l s oc o m p a r e st h ed i f f e r e n tf e a t u r e so f t h e3m o s t p o p ”l a rp r o j 。c t s , a n dd e v e l o p sas y s t e mb a s e do nt h 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 da n d t h e g r a d h i c p r o g 。a r n r u i n gl a n g u a g e - l a b v i e w t h ep r i n c i p l eo ft h i ss y s t e mi s ：u s ed a q c a r dt oa c q u i r ep h y s i c a l a 1 l a l o ga n dd i g i t a ld a t ac o m i n gf r o mc o u p l e s o f f s e u s o r s ，a p p r o p r i a t e l yp r o c e s st h ed a t a ，t h e nt r a n s m j ti tt 。 。o m p u t e r b yp c i b u s ，t h ed a t ai sd e a l tw i t hb yt h es o f t w a r eo f s y s t e m i nt h ef o l l o w i n gc h a p t e r s 。t h e i n s p e t t i n ga n dt e s t i n gs y s t e mi si l l u s t r a t e da tl e n g t h ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no f h a r d w a r e s t r u c t u r e m a i n l v t h 。m a 】( 。”po fh a r d w a r ep a r ta n dt h er e a l i z a t i o no fa c q u i r i n go u t e rp h y s i c a l s i g n a l a n dt l l eg r a p h j c p r o g r a m ”j “gl a n g u a g e _ l a b v i e wi si n t r o d u c e d i na d d i t i o n ，t h ef u n c t i o n so f v i s u a ll n s t r u m e n ts y s t e m a r el i s t e di nd e t a i lo nh a r d w a r e s t r u c t u r ea n ds o f t w a r ef u n c t i o n t h 。t 1 1 e s i sa l s oe x p l a i n st h ea c t u a ld a t a - p r o c e s s i n g p r o c e s s ，a n a l y s e sa n dc o m p a r e st h ed a t aa c q u i r e d 盼s o m 。e x p “m e “i sa n ds i m u l a t i o n sf i n i s h e db yt h es y s t e m ，t h u st e s t i t s p e f f o n t l a n c c f i n a l i y ，c h e 。o n 。l l l s i o nc 柚b e s a f e l yd r a w nt h a tt h es y s t e mi sp r o v e dt ob es u c c e s s f u l ，w h i l et h ep r o s p e c to f v i r t u a l a n a l y s i si n s t r u m e n ti sp r o v i d e da tt h es a m et i m e k e yw o r d ：v i r t u a li n s t r u m e n t d a t a a c q u i s i t i o n m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r e l 8 b v i e wd a t as t r e a m l n p u t o u t p u t d a t a p r o c e s s i n g 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 【内容提要】本犟将介绍奉谍题研究的重要意义，施述虚拟仪器鲍概念，相对于传统仪器的优势以及硎究的现 状、趋势，在此綦础上提出了本文的研究内容。 1 1 机械制造中的测试技术概论 1 1 1 测试技术的重要意义 测试是人们认识客观事物的方法。测试的任务是获取有用的信息。测试过程是从容观事物中 摄取有关信息的认识过程1 ”。首先检测出被测对象的有关信息，然后加以处理，最后将其结果提 供给观察者或输入到其他信息处理装置，控制系统。 在工程鼓术领域中，工程研究、产品开发、生产监督、质量控制和性能实验等都离不开测试 技术。特别是在近代工程技术中广泛应用的自动控制技术已经越来越多地运用测试技术，测试装 置已经成为控制系统的重要组成部分。 1 1 2 测试过程和测试系统的一般组成 信雇、总是蕴涵在某些物理量之中，并依靠他们来传输的。这些物理餐就是信号。就其具体物 理性质而言，信号有电信号，光信号，力信号等等。其中，电信号在转换、处理、传输和应用等 方面都有明显的优点，因而成为目前应用中最为广泛的信号。各种非电信号也常常被转换为电信 号，而后传输、处理和应用。 一般来说，测试工作的全过程包涵着许多环节：以适当的方式激励被测对象、信号的检测和 转换、信号的调理、分析与处理、显示与记录、以及必要时以电量形式输出测量结果。因此，测 试系统的流程构成大致可用图】1 表示。 客观事物是多样的。测试工作所希望获取的信息有可能已经载于某种可检测的信号中，也有 可能尚未载于可检测的信号中。对于后者，测试工作就包涵着选用合适的方式激励被检测对象， 使其产生既能充分地表征其有关信息又方便检测的信号。事实上，许多系统的特性参量在系统的 某些状态下，可能充分显示出来；而在另一种状态下却可能没有显示出来或者显示的不报明 显，以至于难以检测出来。因此，在后一种情况下，要测量这些特性参数时。就需要对该系统激 励。 浙江大学碰! 士学位论文 传感器直接作用于被测量。井能按定规律将被测量转换成同一种或他类量值输出。这种输 出通常是电信号。 信号调理环节把来自传感器的信号转换成更适合于进步传输和处理的形式。这时的信号转 换，在大多数情况下是电信号之间的转换。例如：将幅值放大，将阻抗的变化转换成电压的变 化，或将阻抗的变化转换成频率的变化，等等。 图i - i 铡试系统框圈 信号处理环节接受来自调理环节的信号，并进行各种运算，滤波，分析，将结果输出至显 示记录，或控制系统。 信号显示，记录环节以观察者易于认识的形式来显示测量的结果，或者将测量结果存储，供 必要时使用。 在所有这些环：符中，必须遵循的基本规则是各环节的输出量与输入量之间应保持一一对应和 尽量不失真的关系，并必须尽可能减少或消除各种干扰。 i i 3 机械加工中测试 以下从机械加工测试的若干类型出发，阐述机械加工中的测试技术概况。 、位移的测量 在由机床、工件、夹具和刀具组成的机械制造系统中，经常要求精确地测量零部件的尺寸、 位移或位置等，这就需要位移测量”。另外，如：速度、加速度、力压力、扭矩、温度流量及 物位等，往往先把他们变换成位移，然后再确定其位移量。 浙江大学硕j j 学位论文 常用的位移传感器有电阻式传感器、应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器、霍尔元 件、感应同步器、计量光栅、磁栅、角度编码器等。 典型的位移测量包括零件精度测量、机床主轴回转误差运动测量、轴系受力变形测鼙、移动 部件运动不均匀性测量、机床传动链运动精度测量、一般线位移测量等。 二、机械振动测试 机械振动测试的内容有三个方面： 1 机械振动基本参数的测量。 2 机械结构或部件动态特性参数的测量。 3 机械动力强度试验。 机械振动的电测法中用到的传感器或称拾振器，有接触式和非接触式两类，其中接触式常 用 自有电容式传感器和涡流传感器；非接触式常用的有磁电式速度传感器和压电式加速度计。 三、力的测量 在机械制造中，力的测量是很重要的。通过力的测量，可以了解和研究工艺系统中各构件的 受力情况和工作状态，以及机械加工过程中所发生的一些物理现象等 常用的测力传感器有：压变式删力传感器、压宅式测力传苍嚣、压隘式测力传感器，压碰式 测力传感器帛j 差动变压器式测力传感器。 典型的力测量包括：动态切削力的测量、瞬态冲击力的测量、转矩的测量。 四、温度的测量 机械加工过程中的温度测量，对于了解工艺系统中各构件的温度变化，进而采取相应措施提 高加工精度，生产率以及实现自动化有重要的意义。 测量温度的方法分为：接触式和j f 接触式两种。接触式方法用到的传感器有热膨胀式传感 器、热电偶和热电阻：非接触式传感器有辐射温度计、光高温计、热电探测器、热敏电阻探测 器。 典型的温度测量如：切削温度的测量。 五、噪声的铡量 精确的噪声测量能为制造噪声、改进产品、保护环境提供帮助。 t 塑垩奎兰堡主堂些兰兰一 常用的测量噪声的仪器有传声器和声级计。 六、机械加工表面层结构状态的测量 切削过程中得到的零件表面层，对于零件的加工精度、表面粗糙度及其机械、物理、化学性 能有着重要的影响。 机械加工表面屡的结构状态的测量包括：零件表面加工硬化测量、金相纲织变化测量、残余 应力测量及微裂纹测量。 1 2 虚拟仪器的概念 测试仪器作为科学技术发展中必不可少的组成部分，对科技水平的提高和发展起到了很大的 推动作用。人们正是通过测试获得了客观事物的概念，掌握了其运动规律。随着科技的发展，特 别是电子技术水平的提高，极大的推动了测试技术的进步。随着信息科学的不断发展，对信号采 集、数据处理、控制操作等的技术要求越来越离，传统的测试仪器已经越来越不能满足时代的要 求，特别是在较为复杂、测试参数较多的场合，其多方面的局限性也就更为突出。电子技术的迅 速发展从容观上要求测试仪器向自动化、智能化和柔性化方向发展，同时也为测试仪器的发展提 供了技术支持| j 。 虚拟仪器就是在通用计算机上配备必要的硬件和软件而组成，操作人员通过操作与现实仪器 面板相似的虚拟按键、旋钮等实现信号的采集、处理，控制整个测试过程。 虚拟技术的出现，改变了过去测试仪器必颁由厂家制造、用户必须按照规定程序操作而不能 改变其功能的模式，用户可以充分发挥自己的才能、想象力，按自己的意愿随心所欲地设计自己 的仪器系统，满足用户各种不同的应用需求。 在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个测试仪器系统的关 键。当用户的测试要求发生变化或者需要增加或减少测试项目时，用户只需要适当的更改软件程 序，即可生成满足测试要求全新的测试仪器系统。 1 3 课题的提出和意义 1 3 1 课题的提出 二十世纪8 0 年代以来美国的n i 公司、h p 公司、t e k t r o n i x 公司、r a c a l 公司等相继推出了 多种总线系统的虚拟仪器，并在短短的】o 多年间迅速占领了世界仪器、仪表市场的1 0 左右的 4 额江大学硕士学位论文 份额，使从事仪器研究和研制的科学家和工程师们都看清楚了虚拟仪器对传统仪器的巨大挑战， 认识到虚拟仪器是2 1 世纪仪器发展的必然方向，并且必将逐步取代传统的硬件化电子仪器。 随着计算机软硬件技术和测试技术的发展，机掀制造领域内也出现了越来越多冉勺以传感器、 数据采集卡和微型计算机作为硬件蚪软件来完成测试数据的处理、显示、保存等工作的测试系 统一一实质既是虚拟仪器。这些虚拟仪嚣分别完成各自具体的功能无论从仪器的功能还是从仪 器的框架来看都存在着大最的相似和重复。如果能找到办法减少这种重复劳动，对机械制造测试 技术的发展将是一个促进，遗憾的是，迄今，很少有人做过这方面的工作。 在第一节中概述了机械制造中的电洲技术，包括位移测量、机械振动测量、力测擐、温度洲 量、噪声测量、加工表面测量。但从实质看其内部机理儿乎相同。双静态角度看，均由传感器、 a ，d ( d a ) 转换器、微机、硬件驱动程序、数据分析处理程序、存储程序、显示程序等组成： 从动态角度番，均由传惑器先将物理量转化为电量，a d 转换器再将模拟信号转换成数字信号 硬件驱动程序将数字信号采集进微机后，先保存再分析处理，再将数据显示给用户。 由上可知，完全可以在这些共性的基础上构建一个通用的测试平台。 所构建的测试平台应该是在模块化、标准化的硬件的基础上建立的通用虚拟仪嚣开发软件平 台。 硬件部分包括：传感器( 负责信号拾取) ：信号调理电路( 负责信号放大、滤波等) ：数据 采集卡；微机。由于上述都是功能模块化、接口标准化且商品化的硬件，因此，平台的硬件设计 仅是选购。软件部分为具体仪器的构建和运行提供框架。 1 3 。2 课题的意义 本课题建立的机械制造虚拟仪器测试平台主要可应用于以下几个方面 1 3 2 1 教学和实验室检测 教学实验是教学中的重要内容，其特点有：测试功能要求多样化；测试结果显示多样化( 可 能要求同时显示数据表格、曲线、波形) ；测量要求可重复性好，操作简便等【。 而传统仪器组成的测试系统存在多种弊端如测试项目单一、灵活性差等。用虚拟仪器平台则 可以高效灵活地组建由用户自己定义的测试仪器。充分地满足计算机辅助教学实验的要求f 3 4 】。此 外所开发的虚拟仪器还可以替代传统实验室中许多原有的分立仪器，且具有开发成本低，周期 短，维护方便等特点。因此，教学实验方面应用前景广阔。 浙江大学硕士学位论文 1 3 2 2 生产制造领域 随着现代制造技术的发展，数控机床、加工中心、柔性制造单元的普及以及计算机集成制造 系统的逐步应用，制造系统逐步自动化、集成化和智能化。与此同时，制造过程中的上件、刀具 和机j 末状态的实时监控、检测j ：作日益重要。据统计，自动化d h1 3 过程中采用实时监控技术斤， 可将由于人和技术因素引起的故障停机时间减少7 5 【5 “。为确保制造系统的加工质量、设备和 一r 件的安全，避免最大事故，提高机床利用率和加工效率，必须借助监控检测系统。本虚拟仪器 可方便快速地构建用于生产系统实时监控检测的功能，方便地运行于许多生产现场。并目，该虚 拟仪器很容易实现网络化，将测试数据实时地送到1 _ 厂的局域网，以利丁工厂各部门共享。 1 4 本论文研究的主要内容 本论文针对面向机械制造的虚拟测试系统的基本结构、测试功能特点以及数字化测试的一般 实现技术等方面，对虚拟测试系统进行充分的系统分析，建立了模型，并选择了美国国家仪器公 司的l a b v i e w 开发平台进行了软件模块和测试程序的研究，为机械制造虚拟测试系统的进一步 研究和开发奠定一定的基础。以下是具体各章的安排： 第一章：绪论。简介课题背景研究的重要意义，简要介绍了虚拟仪器的产生、特点以及虚拟 仪器的构成等。 第二章：虚拟仪器技术及其应用。全面介绍虚拟仪器的概念、产生、发展和特点。并将虚拟 仪器与传统仪器的特点进行比较。最后介绍了常见的虚拟仪器系统的硬件和软件技术方案及 软件技术开发环境。 第三章：图形化软件开发平台l a b v i e w 及其应用。全面介绍n i 公司的虚拟仪器图形化软件 开发平台l a b v i e w 语言。 第四章：面向机械制造的虚拟仪器系统结构与硬件设计。简要介绍了当今广泛应用的集中虚 拟仪器，然后对系统平台进行了总体分析，确定系统结构，并对系统的硬件构成进行了阐 述，对数据采集进行了详细阐述。 第五章：虚拟仪器系统软件功能模块组成。本章介绍了虚拟仪器软件系统功能模块的组成， 根据虚拟仪器功能，将软件系统划分为数据采集、信号分析和处理、数据文件存储、文件读 取四个模块。并全面阐述了各个模块编程的组成原理和程序结构。 第六章：数据的分析与处理。本章介绍了儿种机械制造中物理量的测量数据处理方式，结合 实例j 划述数据分析、处理过程，并给出处理结果。 6 浙江大学硕士学位论文 第七章：总结和展望。本章总结了在进行虚拟仪器开发过程中遇到的一些问题，井对虚拟仪 器未来的发展和展望作了一下简介。 塑垩盔兰堡主兰竺堡垄一 第二章虚拟仪器技术及其应用 【内容提要】本章将全面彳r 绍虚拟仪嚣的概念、虚拟仪器的产生、发展和特点a 并将虚拟仪嚣与传统仪器的特点 进行比较。最后介绍了常见的虚拟仪器系统的硬件和软件技术方案及软件技术开发环境。 2 1 虚拟仪器 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ) 是二十世纪七十年代随着计算机技术、微电子技 术和现代测量技术发展起来的新型高科技产品，代表着当今就仪器发展的新方向。虚拟仪器的 概念是田美国国家仪器( n & t i o n e li n s t r u m e n t s ，简称k i ) 公司提出的。虚拟仪器 ( v i r t u a l n s t r u m e n t a t i o n ) 是指通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结台起来，用户 可通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器 样，从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等。 与传统仪器一样，虚拟仪器同样划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能模块 ( 如图2 - 所示) 。虚拟仪器以透明方式把计算机资源和仪器硬件的测试能力结合，实现仪器的 功能运作1 。 a 埘s 付na 州孙协咖 v s bb m 目嘛m i m 0 0 删t 棼尊凝数钱竹托 磐饿瓢i o 妒旧f i 薹e 和8 8 i d , g r a i # h gn # ：w 掰i = 峭 c 4 爿b f ；：群 豁 站撼 卜、 “ 豫 v x i 铀埘 州脚? o t i 舢： v x l 坟抟蜒i 5 地鸳m 糍i n r s 2 跫m 呻l ，# b 翱e 1 0 r 孓2 3 2 王貅瓤7 打拱 托鞴：，j 输i p 图2 - i 虚拟仪器内部功e e 划分圈 应用程序将可选硬件，如g p i b ( g e n e r a l p u r p o s ei n t e r f a c eb u s ，通用接口总线) 、 v x l ( eb u se x t e n s i o n sf o r i n s t r u m e n t a t i o n ，v m e 总线在仪器领域的扩展) 、r s 一2 3 2 、d a q ( d a t aa c q u i s i t i o n ，数据采集) 和可重复使用源码库函数等软件结台起来实现模块间的通 信、定时与触发，源码库函数为用户构造自己的虚拟仪器系统提供了基本的软件模块。当用户的 测试要求变化时，可以方便地由用户自己来增减软件模块，或重新配置现有系统以满足现有系统 的测试要求所以，虚拟仪器是由用户自己定义、自由组合的计算机平台、硬件、软件以及完成 系统所需的附件，而这在由供应商定义、功能固定、独立的传统仪器上是达不到的。 8 塑竖查兰堡主堂垡笙苎一 - - _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ - _ _ 一一一 2 2 虚拟仪器的产生和发展 2 2 1 虚拟仅器的产生 随着计算机技术一日千里的发展，用微机进行数字化动静态测试分析的理想终于成为现实。 其中的几个关键技术现在都已解决：微机的精度、速度；模数转换的精度、速度：内存、硬盘的 存储量和速度：计算机与a d 价格越来越低：加上各种功能的专用软件的迅速发展，及时地带动 了虚拟仪器技术的迅猛发展。国内外已掀起虚拟仪器热。 电子测量仪器经历了由模拟仪器、带g p i b 接口的智能仪器到全部可编稃虚拟仪器的发展历 程，其中每次飞跃都是以计算机技术的进步为动力。由于计算机技术特别是计算机总线标准的发 展直接导致了虚拟仪器在p x i 和v x i 两大领域中得到了快速发展它们成为未来仪器行业的两 大主流产品。 给定计算机运算能力和必要的仪器硬件之后，构造和使用虚拟仪器的关键在于应用软件。基 于软件在虚拟仪器中的重要作用美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，简称n i ) 提出了 “软件即仪器”( t h es o f t w a r ei st h e i n s t r u m e n t ) 的精神，而其l a b v i e w 则提供了虚拟仪器 图形开发、调试和运行程序的集成化环境，在这个软件环境中提供的一种像数据流一样的编程模 式，用户只需连接各个逻辑框即可构成程序，利用软件平台可大大缩短虚拟仪器控制软件的开发 时问，而且用户可以建立自己的措施方案。 国内于1 9 8 5 年开始有厂家在虚拟仪器方面的初始研究报道。 数据采集和信号处理软件的概念突破了传统的随机振动信号分析仪和f f t 分析仪的概念，实 现了向虚拟仪器概念的过渡。当时，美国h p 公司、泰克公司、p c 仪器公司也加入了研制虚拟仪 器的行列，九十年代中期以来，国内重庆大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、西安交大等单位及 中科泛华公司等在研究开发虚拟仪器产品，和引进、消化美国n i 公司和h p 公司产品方面做出 了系列有益的工作，并取得了一批较好的成果。国际上从1 9 8 6 年开始有虚拟仪器产品陆续问 世。到1 9 9 4 年虚拟仪器制造厂家达9 0 多家，共生产达1 0 0 0 多种虚拟仪器产品1 6 7 1 ”】。 2 2 2 虚拟仪器的发展 大致说来，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段，而这三个阶段又可以说是同步进行的。 第阶段利用计算机增强传统仪器的功能。由于g p i b 总线标准的确立，计算机和外界通信成为 可能，只需要把传统仪器通过g p i b 和r s - 2 3 2 同计算机连接起来，用户就可以用计算机来控制 9 街江太学硼士学位论文 仪器。随着计算机系统性能价格比的不断上升，用计算机控制测控仪器成为一种趋势。这一阶段 虚拟仪器的发展几乎可以说是直线前进。 第二阶段开放式的仪器构成。仪器硬件上出现了两大技术进步：一是插入式计算机数据处理 卡( p l u g i np c d a q ) ；二是v x i 仪器总线标准的确立。这些新技术使仪器的构成得虬开放， 消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器功能的区别。 第三阶段虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。软件顿域面向对象技术把任何用户构建虚拟 仪器需要知道的东两封装起来。许多行业标准在硬件和软件领域以产生，l 个虚拟仪器平台己经 得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。发展到这阶段人们也认识到了虚拟仪器软件 框絮才是数据采集 | l 仪器控制系统实现自动化的关罐。 2 3 虚拟仪器的特点 虚拟仪器可以使用相同的硬件系统，通过不同的软件就可以实现功能完全不同的各种测餐仪 器- 即软件系统是虚拟仪器的核心，软件可虬定义各种仪器，因此可以说“软件即仪器”。虚拟 仪器充分利用微机的资源( 尤其是软件资源) 及灵活性，使仪器的设计变得简单、灵活、富有弹 性、更加模块化、易维护、可重复利用性好、省时经济等，以下是它的一些特点： 2 3 ，i 十分灵活易于升级 虚拟仪器打破了以往只能由厂商定义仪器功能的联铡，克许埘户梗据自己的需要耍改幕? 耍新 定义仪器的功能，即具有通过软件设计扩展、定制和组建个人系统的独特特性。这也有利于新型 分析仪器的开发。 2 3 2 功能强大价格低廉 拥有面向总线的接口，用户可以自己定义功能，可方便的与网络、外设、应用等连接。基于 计算机技术的功能模块可构成多种仪器，虚拟仪器的关键是软件，基于软件体系的结构，大大节 省开发维护费用，一般是传统仪器价格的五至十分之一。 2 3 3 使用方便另于维护 将所有的程控仪器的控制信息集成在虚拟仪器的软件模块中，用户无须专门查阅、学习仪器 的程控方法与程控指令就可以对仪器进行操作。计算机强大的g u ( g m p h l c 地h 弧e 如+ 图 形用户界面) 增强了仪器的反馈信息显示功能，更易于操作。用户可以更加直观的操作仪器。 1 0 堂竖查兰堡主兰些兰兰一 2 3 4 技术更新快 现在仪器性能不断改善，新方法、新技术新仪器不断涌现而虚拟仪器利用软件的强大功 能可以很快形成新的功能、新的仪器、新的测控系统，使得新周期可为1 2 年c 2 3 5 强大的数据处理能力 虚拟仪器的嘏显著特点是它无与伦比的处理功能。用户可对测餐结果关联分析和趋势标定、 可扩展工程函数库、可得到完整的时间记录和测试说明。最让人兴奋的是用户竟然可以咀目定义 分析方式，这是许多人梦寐以求的。由于依托于强大的计算机系统，虚拟仪器具有了j l 乎无限的 数据记录容量；无限的显示选项。而且可以利用网络进行多用户数据共享，甚至用户可自定义接 口。 将传统仪器与虚拟仪器作一比较，如表2 - 1 。 表2 - i 虚拟仪器和传统仪器的比较 传统仪器 虚拟仪器 开发和维护费用离开发和维护费用低 技术更新周期长( 5 1 0 年)技术更新周期短( 0 5 1 年) 硬件是关键软件是关键 只可连有限的设备可用网络联鲳周边各仪器 开放、灵活与计算机同步，可重复用和重配 固定 置 价格昂贵价格较低 功能单一，操作不便自动化、智能化、多功能、远距离传输 从表2 - 1 中可吼看出，传统仪器和虚拟仪器最重要的区别在于组成仪器的核心：虚拟仪器的 组成核心是软件而传统仪器的组成核心则是硬件。虚拟仪器遵从n l 公司首创的“软件即仪器” 的思想。 2 3 6 基于计算机的虚拟仪器的特点 无限的数据记录能力 浙江大学硕士学位论文 多种显示选择 可以自己定义的分析方法 可以扩展的功能 时间标记及测量注解 测量程序中的多媒体操作符指令( 文本、图像、声音影像) 自动测量 i n t e r n e l 存取，大范围数据共享 测量关联及趋势输出 相关数据库与信息系统间的通讯 自动生成测试报告 高质量打印 2 4 虚拟仪器系统的技术方案 虚拟仪器系统的技术方案如图2 - 2 所示 圈2 - 2 虚拟仪器系统的技术方案构成示意圈 1 2 塑翌茎兰型主兰垒兰三 _ ，一。 2 4 1 各种功能软件 各种功能软件如n 1 公司豹l a b v i e w ，h p 公司的h p v e e 和中国c o i n v 的) a s p ，在黠个 v i 系统中，就像人的大脑一样处于主宰地位。 2 4 2 计算机及其附件 包括各种高性能的计算机具有强大的c p u 处理器及高性能的高分辨率的显示器和外挂肉置 光盘硬盘驱动器。且具有3 2 m 以上的内存及快速打印机等附件。它们是v l 系统的心脏和动力。 2 4 3 a ，d 采集卡和d a 卡 高性能模数转换器和数模转换器，他是v i 的左右手，他们必须有高级的定时功能，如美国 国家仪器公司的p c i 一6 0 2 4 e 。采样频率可达到o - l o o k h z 、2 0 0 k j z 、3 3 1 ) k f l z 、2 0 0 0 0 k h j ( 或 2 0 m h z ) 甚至更高。多路采集时必须能同步进行，实现无时差，无相移。测试通道最少可为2 路、4 路、】6 路、3 2 蹿，擐多可达1 0 2 4 路。 2 。4 ，4 传感器+ 前置抗混滤波调理放大器 它们是v 1 系统的左右腿，是测试系统的基础，没有高质量的传感器和各种高质量的调理放 丈器，测试系统就没有了基础c 信号调理s c ( s i a mc o n d i t i o n i n g ) 指的是传感器采集判信号在 输入d a q 卡之前，进行包括：放大、滤波、隔离、多路复用( 电荷放大、电压放大、热电偶、 积微分、应变桥路平衡、激励电源和线性化) 等预处理口。 各种高精度、可靠的传感器，像人的眼睛和耳朵一样的重要，在v l 的发展和测试中，也起 到重要的决定性的作用。 要获得离质量的测试数据，还有一个重要的因素是测试技术，测试技术尽管不是虚拟仪器的 范畴，但是它在整个测试过程中起着重要的作用。 从构成要素讲，虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的。从构成方式讲，则 有以d a q 板和信号调理部分为硬件组成的p c d a q 测试系统，以g p i b 、v x 、串行总线系统、 现场总线系统等。虚拟仪器系统组成构成如图2 - 3 所示。无论哪种虚拟仪器系统，都是将硬件仪 器搭载到笔记本电脑、台式计算机或工作站等各种计算机平台上，再加上应用软件而构成的。 虚拟仪器是具有虚拟面板( v i r t u a l p a n e l s ) 的个人计算机仪器，由硬件设备与接口、个人 计算机、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。其中，硬件设备与接口可以是各神以p c 为基础的 浙江大学硕士学位论文 内置功能插卡( 例如d a q ) 、通用接口总线( g p i t 3 ) 接口卡、串行口、v x l 总线仪器接口等 设备，或者其它可程控的外设测试设备：设备驱动软件是直接控制各种可控制硬件接i ：2 1 的驱动程 序，虚拟仪器通过低层设备驱动软件与真实的仪器系统进行直接通信，并通过虚拟仪器面板柏形 式在计算机屏幕上显示真实仪器操作元素相对应的各种控件：虚拟仪器面板应用程序负责对采集 米的数据进行数据分析、图形显示、数据存储以及数据打印等操作，面板上的按钮对应各种功 能，井伴有动态的丰富的帮助这样不仅充分实现单键操作 ( s i n g l e b u t t o no p e r a t i o n ) 和o s d ( o ns c r e e nd i s p l a y ，而且用户对虚拟仪器面板的操作比对真实仪器的操作更为方便。 现 场 总 线 设 备 洲控对象 v x i 仪 器 串 行 口 仪 器 p l c 6 p 1 b 接口 仪器 信 口 可 调 理 g p i b ll 憋篓采 接口ll 集卡 卡ff d a o 图 像 采 集 卡 d s p 工业自动化软件 b r l d g ev i e w l o c k o u t c o m p o n e n tw o r k p c 机工作站 图2 _ 3 虚拟仪嚣体系结构 2 5 虚拟仪器硬件系统组成方案 2 5 1g p i b 仪器控制的虚报仪器系统组建方案 典型的g p i b 测试系统由一台p c 机、一块g p i b 接口板和几台g p i b 仪器通过标准g p i b 电 缆连接起来，组成大型的自动化仪器测量系统。 4 溪一 怒娑眦鋈 塑垩查兰堡竺些丝一 2 5 2v x i 仪器控制的虚拟仪器系统组建方案 v x i 总线是一种高速计算机总线在仪器领域的扩展。它具有标准开发、结构紧凑、数据吞吐 能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器商支持等优点，使它应用越来越广e 尤其 在组建大中型规模自动测量控制系统，以及对速度、精度要求非常高的场台，有其它仪器无法比 拟的优点。基于v x i 总线的组建方案功能堆为强大、组建的系统擐为稳定。但v x i 总线实现强 大功能的同时，价格也是十分昂贵的。 2 5 3p x i c o m p a c tp c i 模型系统组建方案 美国国家仪器公司1 9 9 7 年最新推出了p x i ( p c i b u se x t e m i o n sf o ri n s _ t r u m e n l a t i o n ) 控制方 案，基于p c i 总线的虚拟仪器系统构架，p x i 将主流p c i 计算技术和控制器采用现在流星的奔腾 处理器，带有标准g p i b 接口、串并口、以太网络接口及显示器接口，为用户组建速度高、成本 低、结构紧凑的测试系统提供了可行性。 目前在构建工业自动化测试系统时，基于g p l b 总线的最多并逐步采用v x i 技术。基于v x i 总线的虚拟仪器系统系统虽然功能强大，但对许多场合丽言仍然造价昂贵，且通用性差，一般用 户难以掌握。对于一些速度精度要求不高的场台，v x i 并不一定是考虑性价比的最佳方案。很多 情况下采用当前广为使用的p c 机作为虚拟仪嚣的软硬件基础，建立基于p c 的虚拟仪器系统。 虚拟仪器的数据获取和控制处理能力优丁传统仪器，且对于硬件要求大为降低。 2 6 虚拟仪器的软件开发环境 应用软件开发环境是设计虚拟仪器所必颁的软件工具。在确定的硬件基础条件下，构造和使 用虚拟仪器的关键就是应用不同的软件实现不同的功能。虚拟仪器的应用软件主要包括：集成的 开发环境、与仪器硬件的高级接n 和虚拟仪器的用户界面。应用软件开发环境的选择，可困开发 人员的喜好不同而不同，但晟终都必须提供给用户一个界面友好，功能强大的应用程序。目前较 流行的虚拟仪器软件开发环境大致可以分为两类：一类是图形化的编程语言，代表性的有惠普的 h p v e e ，n i 公司的l a b v i e w 等：另一类是文本式的编程语言，如c ，l a b w i n d o w s c v l v c 等。文本式编程语言和图形化编程语言相比，语言灵活性较好，用户可以灵活的添加功能i 而图 形化编程语言具有编程简单、直观、开发效率高的特点。 近年来，基于p c 机和工作站基础上的图形接口标准和计算机计算能力的提高，促进了图形 开发软件包和图形开发环境的迅速普及。图形开发方式为每一个虚拟仪器提供了可重用的代码模 块t 并允许用户从其它代码模块中分级调用。这些重用部分是一些封装良好的、原子性的程序代 码；理想情况下，重用部分应与硬件i c 一样，可以不经过任何修改而被直接“插接，到其它程 塑墅塑岜丝坚一 序中去。典型的重用部分包括函数库、过程程序包、宏、类、库等，它们通过各自的接口被组装 在一起，每一部分完成特定的功能。在虚拟仪器图形软件开发平台研究方面，近年来国际上许多 公司都做了犬量的工作，其中n 】公司的l a b v i e w 和惠普公司的v e e 虚拟仪嚣软件开发平台最 具代表性【1 5 1 。 表2 2 虚拟仪器体系结构 软件 特点 易学、使用简单；面向对象可视化编稗软 m i c r o s o f tv i s u a lc 十+ 件：它的图形控件工具能生成复杂的多窗口 b o r t a n dc _ + b u i l d e r 用户界面不必编写复杂的代码：可创建自己 a c t i v e x 控件或组件，以及多线程利安全的 b o r j a n dd e l p h i a c f i v e x 控件。 用于w i n d o w s 操作系统的数据采集和产品 d a t at r a n s l a t i o n 开发的可视化编程语言：灵活，便于应用编 程，以及和用户程序接口：a c t i v e x 控件系 p v e e w i m d t v p 列，v b 和v c h 下，可以设计利配置d a t a d 丁x e z t mt r a n s l a t i o n 数据采集板；可以和其他 a c t i , ，e x 控件组台刨建j 9 1 l 试应阿程序。 不必编写代码就可以进行数据采集与分析： h e w l e r t p a c k e dh pv e e提供数据、处理控制；提供测量过程和捌试 报告。 具有崩于数据采集、仪器、网络和分析的完 全集成化的库的图形化环境；可编译性能 强：w i n x n t 、m a co s 、s u n 、h p - “和并 行p o w e rm a x 中应用具有交叉平台兼容 n a t i o n a 】l n s t r u m e n t s性：自动化的铡试对接软件：s q l 数据库连 接性s p c 分析工具。用于仪器控制、数据 l a b v i e w 采集和分析的交互式基编译软件包；用于 l a b w i n d o w s c v ig u i 的拖拉用户界面编程器；用于快速样机 开发的代码产生工具和内部编译器：用于 g p i b 、v x i 、串行、d a 0 、分析、t c p 和 用户控制界面的集成库；可用于 w i l l ) 【肘t 、s u ns o l a r i s1 x 2 x 和姗一t l x 。 1 6 塑垩查竺塑主堂! ! 旦苎 第三章图形化软件开发平台l a b v i e w 及其应用 【内吝提要奉章将生面舟绍m 公嗣的虚拟拨器围蟛化软件开发平台l a b t i e 虬其中生要彳r 缨l a b v i 删d 0 _ s - 作方式，l a b v i e w 语言是一种带有旧形控制流结构的数据流模式虚拟仪器开发语言t 采用的是一种蕊于模块化程 序设计思想，非常适台于进行捌试仪器开发，因而成为奉论文的苒选开发平台。奉章汪闸述了l a b v e w 新版车 的特点。 3 1l a b v i e w 概述 在虚拟仪器图形化软件开发平台研究方面，近年来国际上许多公司都做了大釜的作箕中 最具代表性的是美国n i 公司的l a b v i e w f 1 惠普公司的v e 。下面具体介绍l a b v l