（机械设计及理论专业论文）基于虚拟仪器技术的机械螺旋传动效率测试系统的研究.pdf

摘要 机械传动效率测试装置的测试系统作为测试装置的关键部分，决 定测试装置的整体性能。本文以l x l 型螺旋传动效率测试实验台为 研究对象，采用虚拟仪器技术系统地开发了适用于通用机械传动效率 测试装置的新型自动测试系统。 本文综合分析了现有机械传动效率测试装置的工作原理及其工 作部件组成。在分析、综合的基础上，提出了基于虚拟仪器技术的测 试系统方案。并针对螺旋传动特点，对其效率测试理论进行了研究。 在新型的测试系统中，通过恒速p i d 控制模块发出指令，对驱动 电机进行控制以保证测试环境的稳定。构建了基于串口通信的主从式 的闭环电机控制硬件系统。基于单片机的电机控制器，通过串口接收 指令调节可调电源输出，以实现电机速度的调节。以虚拟仪器开发软 件l a b v i e w 为平台设计了集测试与控制于一体的螺旋传动效率测试 软件。该软件通过借助转矩转速传感器进行在线数据采集，并依据螺 旋效率的计算原理，对数据进行分析、计算、处理，在软件视窗上在 线绘制被测对象的效率曲线图。 新型螺旋效率测试系统，利用虚拟仪器和计算机控制技术，取代 了传统的模拟调速控制箱和效率显示器件，提高了测试系统的性能及 其扩展性，拓宽该新型测试系统的可移植性，且操作界面更加直观、 形象。大量试验证明，该系统具备较好的精度和可靠性。 关键词：机械螺旋传动，效率测试，虚拟仪器 a b s t r a c t t h et e s ts y s t e mo ft h ed e v i c ef o rt h ee m c i e n c yo ft h em e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o ni st h ep i v o t a lp a r to ft h em e a s u r i n gd e v i c e t h i sp a p e r r e s e a r c l l st h eh e l i c a lt r a n s m i s s i o nt e s t - b e da n dd e s i g n san e wa u r o r a a t i c m e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mf o r t h em e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n t e s t - b e d , w h i c hm a k eu s eo f t h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y t h ep a p e ra n a l y z e st h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n d p a r t so f t h et e s td e v i c e ， w h i c ha r eu s e dt oi nt h em e a s u r i n gw o r k b yt h e s ew o r k s ，t h ep a p e r p u t s f o r w a r d st h en e w p r e c e p tt od e s i g nt h et e s ts y s t e m , w h i c hi sb a s e do nt h e v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y a n da i m i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h eh e l i c a l t r a n s m i s s i o n , t h et h e o r yf o rt h et e s to ft h eh e l i c a lt r a n s m i s s i o ni s r e s e a r c h e d t h es y s t e mc a nc o n t r o lt h ed cm o t o rt oe n s u r et h em e a s u r i n g e n v i r o n m e n ts t a b i l i t y , t h r o u g ht h ep i dc o n t r o lm o d u l e t h ec l o s e - l o o p c o n t r o lh a r d w a r e s y s t e m w h i c hi sb a s e dt h em a s t e r s l a v es e r i a l c o m m u n i c a t i o ni sc o n s t r u c t e d n l em o t o rc o n t r o lu s i n gm i c r o c o n t r o l l e r r e c e i v e st h ei n s t r u c t i o nb yt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o na n da d j u s t st h e e x p o r to ft h er e g u l a b l ep o w e rt oa d j u s tt h er o t a t i n gs p e e do ft h em o t o l n em e a s u r i n gs o f t w a r ef o rt h eh e l i c a lt r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c y i s d e s i g n e do nt h e “l a b e w ”s o f t w a r ep l a t f o r m t h et e s ts o f t w a r eg e t s t h ed a t ab yt h et o r q u ea n dr o t a t i o n a ls p e e ds e n s o ra n dd o e st h ed a t a a n a l y s i s ，c a l c u l a t i o na n dp r o c e s s i n gb a s e do nt h ep r i n c i p l e so fh e l i c a l t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y a n dt h ee f f i c i e n c yc u r v ei s m a p p e do nt h e s o f t , r a r ec h a r t b yt h ev i r t u a li n s t r u m e n ta n dc o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y , t h e s i m u l a t i o nc o n t r o la n dd i s p l a yd e v i c e sa r es u b s t i t u t e d t h es o f t w a r e r e p l a c e st h eh a r d w a r e i ti su s e f u lf o r t h a tt h i st e s ts y s t e mw o r k si n d i f f e r e n tt e s td e v i c e so f t h ed i f f e r e n tm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n i ti m p r o v e s t h et e s t s y s t e mp e r f o r m a n c ea n de x p a n s i o n a r ya n db r o a d e n st h e p o r t a b i l i t yo ft h es y s t e m i ti sp r o v e dt h a tt h es y s t e mp o s s e s s e st h eh i r g h p r e c i s i o na n dc r e d i b i l i t ya f t e ra l o to f t e s t k e y w o r d s ：m e c h a n i c a lh e l i c a lt r a n s m i s s i o n ，e f f i c i e n c yt e s t ，v l r t u a l i n s t r u m e n t b i 虫直左堂亟堂僮j 金塞苤= 童绪途 第一章绪论 人类在认识世界和改造世界的过程中，一方面要采用各种方法获得客观事物 的量值，这个任务我们称之为“测量”；另一方面也要采用各种方法支配或约 束某一客观事物的进程结果，这个任务我们称之为“控制”。“测量”和“控制” 是人类认识世界和改造世界的两项工作任务，而测试仪器和系统则是人类实现这 两项任务的工具和手段。 1 1 机械传动及其传动效率测试 1 1 1 机械传动简介 原动机、传动机和工作机( 执行机) 是机械系统的三大基本构成。原动机提供 基本的运动和动力。工作机是机械具体功能的执行系统，随机械功能的不同，工 作机的运动方式和结构形式也不同。由于原动机运动的单一性、简单性与工作机 运动的多样性、复杂性之间的矛盾，需用传动机将原动机的运动和动力的大小和 方向等进行转换并传递给工作机，以适应工作机的需要。由此可见，只要原动机 的运动和动力的输出达不到工作机的要求，传动机的存在就是必然的。随着机械 向高效、高速、精密、多功能方向发展，对传动机的功能和性能的要求也越来越 高，机械的工作性能、使用寿命、能源消耗、振动噪声等在很大程度上取决于传 动系统的性能。 直接接触， 章中闻件，直接接融， 室中阐件， 幽由豳豳 图1 - 1 机械传动类型图 机械系统中的传动主要分为机械传动、流体传动和电传动，机械传动由于其 恒功率输出、传递运动的精度高、速度响应快、传动效率高等优点，因而在多数 机械系统中仍然是主要的传动形式。机械传动装置按照传递力的原理可分为：啮 合传动和摩擦传动两大类，其示意图1 1 “。机械传动的形式也有多种，如各种 齿轮传动、带( 链) 传动、摩擦传动等。各种机构从广义上也属于机械传动，但机 构由于自身的特点，在学科分类中已作为一专门的分支。齿轮传动与其他形式的 机械传动相比，由于量大面广，在机械传动中占有主导地位。 对于一个机械传动装置来说，效率，外廓尺寸、重量、运动性能及生产条件 ( 制造设备、生产成本、生产数量) 是其综合性能的主要指标。各类传动装置所 能传递的功率取决于其传动原理、承载能力、载荷分布、工作速度、制造精度、 机械效率和发热情况等因素。 一般来说，啮合传动传递功率的能力高于摩擦传动；蜗杆传动工作时的发热 情况较为严重，因而传递的功率不大；摩擦轮传动由于必需有足够的压紧力，故 在传递同一圆周力时，其压轴力要比齿轮传动的大几倍；链传动和带传动为了增 大传递功率的能力，必须增大链条和带的截面面积或列数；齿轮传动在较多的方 面优于上述各种传动，因而应用也最广。 1 ，2 传动效率测试的重要性 机械传动系统是应用最为普遍的传动装置及机器中的重要部件。机械传动系 统效率是评定传动性能的主要指标。机械传动系统效率的高、低直接影响着机械 装置的质量与寿命。高效率与节能是互相紧密关联的。机械传动系统效率的高低 标志着机械运行中产生热量的大小以及能量损耗的大小。目前，随着我国工业化 进程的不断发展，各种机械产品大量投入使用。因此，提高机械传动系统的效率 必将产生巨大的经济效益。特别是在能源日趋紧张的今天，对我国的发展就有更 深远的意义。 随着科学的发展、技术的进步，机械传动系统的传动方式、方法、承载能力 都有了迅速的发展，人们对产品性能和产品质量提出了更高更严格的要求。为了 对机械传动系统的性能、寿命进行测试和分析，为产品设计与质量评价提供可靠 的科学依据，缩短产品的开发周期和提高产品质量，适应产品小批量、多品种的 发展趋势。因此，有必要对机械传动装置的传动效率进行精确测试，以提供被测 对象传动性能的重要评判数据。 2 1 2 传动效率测试研究 1 2 1 试验测试原理与方法 机械传动效率测试的理论基础是基于能量守恒的原理。由于传动中的摩擦 以及其他原因的影响，导致机械能的流失以至传动效率的下降。因而，可以通过 计算所测对象的输入功率与输出功率之间的比值大小来衡量该机械传动部件效 率的高低。 目前，对于机械传动效率的测量采用的方法有直接测试法和损耗分析法。直 接测试法，即通过直接测量传动装置的输入和输出功率，计算出传动装置的传动 效率。通常的作法是将传感器置于驱动电机与传动装置、传动装置与负载直接， 测量出去输入和输出转速以和转矩肘。然后，利用公式p = 3 , 1 n 9 5 5 求出相应 的输入输出功率便可直接得到传动效率嘲。 然而，在很多的场合通过直接测试法所得的总体传动效率是不够的。而通过 损耗分析法能够将传动装置中的各部分损耗从总的损耗分离出来，这对于设计与 质量分析是非常必要的和有用的。机械传动装置在运行过程中，会产生摩擦损耗、 轴承摩擦损耗以及杂散损耗等。通过测试各种原因引起的损耗，将其相乘便可以 得到该传动装置精确的传动效率嘲。 在实际的测试工作中，根据对测试目标的不同分别选用相应的测试方法。对 于机械传动装置而言，一般只要求获得其总体的效率。因此，一般利用直接测试 法进行机械传动效率的测试。 1 2 2 机械传动效率测试发展 由于高性能、高强度、高可靠性以及相对低成本的要求，近年来，在机械 传动的理论分析方面，除了应用数学、力学、材料及设计理论的新成就外，另一 个突出的进步就是试验技术受到重视和进一步发展。可以说，机械传动系统技术 的发展和存在问题的解决，在很大程度上依赖于先进试验技术的应用。运用这种 试验台，不仅可以对机械传动装置的理论分析进行实验验证，而且通过对试验结 果数据的处理和研究，弥补理论分析在直观性上的不足，使研究与生产实践更加 紧密地联系在一起，也有助于科技成果的推广。无论是在各个工科院校、实验室、 研究所及各工业企业中，在对机械传动系统的研究方面，机械传动效率试验台都 有着不可替代的作用。 机械传动系统试验台的型式很多，根据各种效率测试实验台的组成结构以 及能量的传统方式的不同大概可分为以下几种：电封闭试验台、机械功率开放式 试验台、机械功率封闭式试验台脚旧。试验台的测试系统则是决定被测对象的测 试环境、待测数据是否可靠的核心部分。随着测试方法、技术、手段的发展，各 种测试试验台也逐步提高了测试的精度和操作的难易度。 最初的机械传动装置效率的测试，一般是由人工读出转速，转矩数值，然后 通过计算得到该传动装置的效率值。这种方法存在这明显的缺点： 首先，由于各种因素的干扰，瞬时的转矩、转速始终在一定范围内波动。因 此，要得到精确的传动装置效率值必须进行大量的数据读取和统计处理。由人工 完成这些工作，显然工作量太大，而且很难同时读取输入和输出数据，容易造成 测量误差过大。 其次，机械传动装置的效率与它的工作状态有很大关系。我们希望测到各种 工作状况下的效率值。这就需要反复进行传动装置工作状况的设定、调整和数据 测定，并使之协调进行。然而，如果由人工进行这种协调工作的话，显然耗费时 间且精度不高。 进入7 0 年代以后，随着微控制器的广泛使用出现了以单片机为控制核心的 测试系统。这类测试平台由单片机来控制外部器件的动作，从而达到数据的采集 和传递的日的。但由于单片机控制具有许多缺点，例如：单片机内存较小，人机 信息交换不方便，时钟频率较低，传递数据和处理数据的速度较慢，抗干扰能力 较差，容易产生程序跑飞和异常死机等故障。 近年来国内的许多传动装置生产厂家和相关的研究机构，如重庆大学，上海 交大等高校及西安重型机械研究所等单位建立了各自的传动测试试验台。这些测 试试验平台针对以单片机作为控制中心的传动效率测试装置所存在的缺点利用 了计算机辅助测试的技术，其测试手段、方法、技术有所改进，属于半自动化水 平m 嘲例。其测试数据通过计算机进行处理，但对测试平台的控制仍然采用传统 的模拟控制，存在着操作不便，精度不高的缺点。因此，有必要利用最新的测试 和控制技术对现有的传动装置效率测试平台进行改造并研制新型的自动测试系 统。 1 3 机械传动效率测试台的概述 对于目前国内所开发使用的用于工程测试和实验教学的机械传动测试台的 功能组成原理如图卜2 所示： 4 图卜2 传统测试装置工作原理图 目i 打用于机械传动装置传动效率测试的实验平台有如下特点呻“： 1 测试原理 在实际应用中，对螺纹、齿轮、蜗轮、带传动、链传动以及减速器等传动装 置进行效率测试。在测试中，一般利用输出功率和输入功率的比值来测定传动机 构的效率值。所以，在机械传动测试台必须要对传动装置输入和输出的转矩和转 速进行信号采集。 2 类型 根据测试台的功率流的流向可分为开式和闭式两种类型。开放式传动试验台 结构简单，制造安装方便，配置灵活，容易实现不同中心距和中心高的传动试验， 加载容易，能在无载下启动并能在运转过程中任意改变载荷。开式试验台一般用 于中小功率的传动试验。 闭式传动试验台由于实现了功率的封闭，所以在试验时能节省能源，因而常 用于大功率的测试场合。根据，实现功率反馈的机构有机械式，液压式以及发电 机等类型。其中，以发电机组成的直流电封闭传动测试台最为常用。 3 实现负载工况模拟的方式 为了充分地测试传动装置的性能应当对测试机构施加实际使用的负载。在机 械传动测试台中，则是通过专用的加载器来模拟负载工况的。目前，国内外用于 试验台的加载装置主要有机械式、液压式、电气机械式几类。 其中机械式的加载器有弹性扭力杆、摇摆齿轮箱等，它们是早期使用的加载 器。弹性扭力杆不能在运转中变载，每当增减载荷时，必须停车拆卸相应的联轴 器，费时且麻烦。摇摆齿轮箱虽然可在运转中变载，但由于齿轮箱摇摆时引起轴 线偏移，造成振动和联轴器的磨损。液压加载器主要有液压斜齿式和叶片式两种， 结构较复杂，能实现运转中加载，工作平稳，测试准确可靠，和数字阀配合，还 可实现可控的无级加载。电气机械式加载器主要利用加载电机的正反转来实现加 减载荷，比较容易控制。在以上几类加载器中，液压式和电器机械式能实现运转 5 中的加载并且控制方便，容易模拟运行中的各种工况。因而，在机械传动测试台 中得到广泛使用，效果也比较理想。 4 功率输入及其要求 整个机械传动测试台的输入功率一般由直( 交) 流电动机系统提供。为了满 足测试的精度要求，对作为输入功率供给的电动机应当具备能无级调速，响应速 度快以及调速后的匀速输出。保证传动机构的稳定运行，才能确保测试的精度。 5 测试系统 机械传动试验台的测试与控制系统主要由传感器、二次仪表及测试分析软件 构成。测试系统主要测量试验过程中电动机和传动系统的转速、扭矩、振动、噪 声等参数，并进行计算、分析和打印。控制系统主要完成对电动机、传动试件、 加载装置的控制与调节。 目前，所设计使用的机械传动测试台的测试系统一般是通过专用的控制箱进 行控制和利用计算机完成数据的处理和结果的显示。数据的采集则是由相应的转 矩和转速传感器完成。 1 4 课题的来源、主要研究内容及意义 1 4 1 课题的来源 课题以现有的l ) ( l 型螺旋传动效率试验台为原型，通过利用虚拟仪器技术， 计算机控制技术，实现实验环境的最佳控制，提高测试结果的准确性，并提升测 试台的整体性能，实现对现有实验台的升级改造。 1 4 2 研究内容及意义 本论文的主要工作是通过利用虚拟仪器技术和计算机控制技术对现有螺旋 传动效率实验台的测试系统进行设计，研究虚拟仪器技术对传动效率测试系统进 行设计的方法。通过对系统软件和硬件的设计。研究出能适用于多种机械传动机 构效率测试的测试系统，提高实验台的适用性和测试精度。为此论文将对以下几 个方面进行研究： 1 对目前国内研制的机械传动测试台进行研究，总结出它们的特点，并在此基础 上提出以虚拟仪器技术为基础的新型测试系统的方案； 2 以现有l 】( l 螺旋传动效率测试台为原型，对新型测试系统的硬件系统和软件 6 系统进行研究： 3 对安装新型测试系统后的螺旋传动效率测试台进行实验，以验证这种新型测 试系统策略的正确性 本文以l x l 型螺旋传动效率试验台为原型，利用虚拟仪器技术，计算机控制 技术对该实验台进行改造；自主设计了一种具有良好适用性和功能扩展能力，高 精度和自动化的测试系统。在充分利用现有硬件设备的基础上，提高了实验台的 测试精度和操作性能，对类似的机械传动效率测试平台的升级改造具有良好的参 考价值。 1 5 本章小结 本章介绍了机械传动装置的种类以及特点，说明了进行传动效率测试的重要 性。并对传统测试方式及研究现状进行阐述，得出开发自动测试系统的必要性。 最后，本章还介绍了课题的来源、主要研究内容及意义。 7 第二章测试系统开发平台虚拟仪器技术及l a b v ie w 2 1 虚拟仪器技术 所谓虚拟仪器i 。v i r t u a li n s t r u m e n t ) ，是指通过应用程序将通用计算机与功 能化模块结合起来，用户可以利用计算机的强大数据处理、存储、图形环境和在 线帮助功能，建立图形化界面的虚拟仪器软面板，完成对仪器的控制、数据分析、 存储和显示，改变传统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降 低仪器的价格，并且使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能“”“”。1 9 8 6 年 美国国家仪器公司( n i ，n = i o n a l i n s t r n u n 咄) 首先提出了虚拟仪器的概念。 2 1 1 虚拟仪器起源及发展过程 传统测试仪器包括前置信号预处理器( 如信号隔离、滤波放大、多路切换开 关等) 和信号处理，测试仪器往往还包括功率驱动部件和执行机构，见图2 1 所示。 从功能上分析任何一台仪器，均由三大功能块组成：信号的采集与控制、信号的 分析与处理、结果的表达与输出。传统仪器的功能块全部以硬件( 或固化的软件) 形式存在。这种框架式结构，决定了传统仪器只能由仪器厂家定义、制造，对用 户新的需求难以适应。 l 一吲倍一卜一 信碍处理 信辱分 析。蠡暴， 孬储藏打 l 一日黧翠驱绚够卜一 印 图2 - 1 传统仪器工作原理图 随着计算机技术、微电子技术和网络技术的迅速发展及其在电子测量技术领 域的应用，电子测量仪器不断进步，依次出现了数字化仪器、智能仪器和虚拟仪 器，同时也由单台仪器逐渐发展为楹架式仪器系统、虚拟仪器系统微电子技术促 进了数字化仪器、智能仪器的快速进步。微处理器的嵌入式应用，使仪器的准确 度提高，功能增强，性能也越来越好。但是，到数字化仪器、智能仪器阶段，基 本上没有摆脱传统仪器那种独立使用、手动操作的模式。测量仪器与手段还难以 胜任更复杂的多任务的测量需求。 8 1 9 8 6 年美国国家仪器公司( n i ，n a t i o n a li n s t r n u n e n t s ) 首先提出了虚拟仪 器的概念。所谓虚拟仪器( y i ，v i r t u a li n s t r u m e n t ) ，是指通过应用程序将通用 计算机与功能化模块结合起来，用户可以利用计算机的强大数据处理、存储、图 形环境和在线帮助功能，建立图形化界面的虚拟仪器软面板，完成对仪器的控制、 数据分析、存储和显示，改变传统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用效率， 大幅度降低仪器的价格，并且使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能“”“”。 随着计算机软硬件技术的发展，测试专家把p c 作为虚拟仪器的基础。现p c 己成为测试工程中的核心和标准平台。图2 2 表示以计算机为中心组建各种类型 虚拟仪器测试系统的构成方式。 通用接口总路线( g p i b ，g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 又称i e e e 4 8 8 标 准接口总线。它是传统测试仪器在数字接口方面的延伸和扩展，该总线标准是由 h p 公司于1 9 7 8 年制定的。g p i b 被认为是使用最为广泛的仪器标准。利用g p i b 接口、 v x i - g p i b 转换器等实现计算机对仪器的操作和控制，代替传统的人工操作方式， 提高了测试效率。i e e e 4 8 8 2 标准，使基于g p i b 的计算机测试系统进入了一个新 的发展阶段。虽然它韵传输速度较低，但它的高准确度依然是连接计算机和仪器 豹通行选择。 叫一撇卜 lr s 2 3 2 ，菁口, u s bi - 1 1接口袋块l + - - 咂 叫如撇卜 叫一嬲谍块卜 图2 - 2虚拟仪器构成方式 另一个发展迅速的虚拟仪器测试系统，是模块化插卡式v x i 仪器。v x i 总 线的诞生，是本世纪仪器历史上的另一个里程碑，它开创了仪器系统进入信息时 代的新纪元。v x i ( v e mb u se x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 是1 9 8 7 年由主 要的仪器制造商( h p 公司、r a c a l 公司、t e k 公司和w a v e t e x 公司) 共同开发的一 种模块化的仪器标准，为其设计了稳定的电源，强劲的冷却能力，以及严格控制 的r f i e m i 屏蔽，自动测试功能使每一模块在运行前首先通过检验，良好的设 计软件协议确保了正确的总线仲裁。这样，v x i 总线系统就能以高速率、大容量 9 完成信号处理。此外，v x i 总线联盟在过去几年里，一直致力于对v x i 技术规范 的修改和补充，如增加数据传输速率、控制器和模块间更有效的通信、v x ip l u g p l a y 软件工具的应用，使v x i 总线技术呈现出旺盛的生命力。 随着a d 。d a 转换技术、仪用放大器、抗混叠滤波器、信号波形处理技术 的不断改进，使插入式数据采集( d a q ) ，图像采集( z m a q ) 板卡成为发展最快的虚拟 仪器结构之一。最近十几年来，i s a ( 工业标准结构总线) 技术己从单一的只是作 为其它总线( 如g p i b ) 的仪器控制工具，发展到具有多种应用的平台。它把i s a 总线的体积小、速度高、集成费用低的优点与微处理器、d s p 和板上存储器结合 起来，使的虚拟仪器在功能上可以超过传统仪器。p c i 总线是一种同步的、独立 于c p u 的、3 2 位或6 4 位的局部总线。基于p c i 总线的数据采集板比i s a 板的数 据采集率高，其数据传输率高达1 3 2 - - 2 6 4 m b s ，而且p c i 板卡同时还提供即插 即用( p l u g p l a y ) 功能。具有d s p 芯片的高效p c i 板，将进一步提高总线处理 能力。 1 9 9 7 年9 月1 日，n i 发布了一种全新的开放性模块化仪器总线规范p x i 。 p x i 是p c i 在仪器领域的扩展( p c ie x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 。它将 c o m p a c t p c i 规范定义的p c i 总线技术，发展成适合于试验、测量与数据采集场 合应用的机械、电气和软件规范，从而形成了新的虚拟仪器体系结构。p x i 结构 类似于v x i 结构，但由于它基于p c i 总线，因此与v x i 相比，其设备成本低、运 行速度快、体积更紧凑，而且目前基于p c i 总线的软硬件均可用于p x i 系统中， 从而使p x i 系统具有良好的兼容性和可扩展性。 随着p c 价格的不断下降，当前p c 设计的主要趋势是减少扩展槽的数目。基 于p c 外部总线接口的各种模块，也在虚拟仪器的构建中广泛使用，特别是要求 测试系统可便携使用的场合。基于r s - 2 3 2 和并口的各种测试模块，如低速a d 与d a 采集块和i 0 模块，也构建在虚拟仪器体系中。为提高模块与p c 机的数 据传输率，应采用u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线) 接口，u s b 的数 据传输率可达1 2 m b s ，远远高于r s - 2 3 2 接口。u s b 接口支持多个不同设备的串 列连接，一个u s b 接口理论上可接1 2 7 个u s b 设备。连接的方式也十分灵活，既 可以使用串行连接，也可以使用集线器把多个设备连接在一起，再同p c 机的u s b 接口相连。u s b 的单根电缆就能使数据采集设备具有高速通信，同时提供电源( 5 v , i o o m a 一个u s b 的单元负载) ，此外u s b 还可以热插拔和即插即用。采用u s b 总 线与p c 连接的虚拟仪器，已成为今后虚拟仪器发展的一个方向。目前，一些大 的仪器制造商如n i 等，都已开发出基于u s b 的虚拟仪器产品。 f i r e w i r e 是更高速率的外部总线，目前传输速率为1 0 0 、2 0 0 、4 0 0 m b s ，将 来可达8 0 0 m b 、1 6 g b s 、3 2 g b s 。f i r e w i r e 采用了高性能的数字数据输入输出 1 0 接口，支持即插即用功能，其数据传输有同步、异步等多种方式。这样f i r e w i r e 不仅可以传送文件数据，还可以传送连续的声像数据流。因此，能满足多数测量 的实时性要求。 2 1 2 虚拟仪器的软件构成 n i 提出了“软件即仪器”( t h es o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ) 的观念。软 件在虚拟计算机中占有重要的地位。在虚拟仪器中用灵活强大的计算机软件代替 传统仪器的某些硬件，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量 特征的分析，使仪器中的一些硬件甚至整件仪器从系统中“消失”，而由计算机 的软硬件资源来完成它们的功能。虚拟仪器测试系统的软件主要分为：仪器面板 控制软件，数据分析处理软件，仪器驱动软件和通用i o 接口软件。“川埘 1 仪器面板控制软件 虚拟仪器软件界面可方便用户对仪器的使用。利用计算机强大的图形化编程 环境，使用可观化编程技术，从面板控制模块上选择所需要的对象，放在虚拟仪 器的前面板上。控制模板上的对象包括开关、滑尺、下拉表、控制按钮和弹出式 对话框等输入对象，数字显示、仪表盘、温度计、表和显示波形的x y 图、s m i t h 图、幅度一相位图等显示对象，并能很容易通过标记、颜色、点线和标尺等各种 可视化方式对数据进行灵活显示。当虚拟仪器完成后，就能在虚拟仪器工作时利 用前面板去控制整个系统。与传统仪器前面板相比，虚拟仪器软面板的最大特点， 是软面板由用户自己定义因此，不同用户可以根据自己的需要和爱好，组成灵 活多样的虚拟仪器控制面板。 2 数据分析处理软件 利用计算机强大的计算能力，和虚拟仪器开发软件功能强大的函数库，可提 高虚拟仪器的数据分析和处理能力。如h p v e e 可提供2 0 0 种以上的数学运算和分 析功能，从基本的数学运算到微积分、数字信号处理和回归分析。l a b v i e w 的内 置分析能力，能对采集到的信号进行平滑窗口、数字滤波、频域转换等分析处理。 用户只需在开发平台上以图形或对象方式，相应调出软件分析库中的分析函数， 即能完成对信号的分析处理要求，节省了大量的开发时间。 3 仪器驱动软件 虚拟仪器驱动程序是处理与特定仪器进行控制通信的一种软件。仪器驱动软 件与通信接口及使用开发环境相联系，它提供一种高级的、抽象的仪器映像，还 能提供特定的使用开发环境信息，如图形化的表达方式，以此来支持使用开发环 境。仪器驱动软件是虚拟仪器的核心，是用户完成对仪器硬件控制的关键。虚拟 仪器驱动程序的核心是驱动程序函数v i 集。函数v i 是指组成驱动程序的模块化 子程序。驱动程序一般分两层：低层是仪器的基本操作，如初始化仪器配置、仪 器输入参数、收发数据、查看仪器状态等：高层是通用函数v i 层，它根据具体 测量要求调用低层的函数。一些虚拟仪器开发软件，如l a h v i e w 和h pv e e ，不 但提供了世界各地主要厂家生产的多种仪器驱动程序，为用户程序设计节约了时 间和精力，而且为用户提供了重要的模块化代码，使用户很方便地进行仪器驱动 程序的开发设计。 4 通用i o 接口软件 在虚拟仪器系统中，i o 接口软件作为虚拟仪器系统软件结构中承上启下的 一层，其模块化与标准化越来越重要。v x i 总线即插即用联盟，为其制定了标准， 提出了自底向上的如接口软件模型，即v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n s o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 。作为通用i o 标准，v i s a 具有与仪器硬件接口无关 性的特点，即这种软件结构是面向器件功能而不是面向接口总线。应用工程师为 带g p i b 接口仪器所写的软件，也可用于v x i 系统或具有r s 2 3 2 接口的设备上。 这样不但缩短了应用程序的开发周期，而且彻底改变了测试软件开发的方式和手 段。这个接口软件已经被当今主要仪器厂商所接受，可确保当前仪器所写的代码， 能够在不同的操作系统间进行移植。 2 1 3 虚拟仪器的软件开发 随着软件技术的不断进步，新的可视化仪器开发工具不断出现，功能也越来 越强大和完善，其中最具代表性的是n i 的l a b v i e w 和h p 的h p v e e 。n i 的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 kb e n c h ) 被称为“科学 家与工程师的语言”，是直观的前面板与流程图式编程方法的结合，是构建虚拟 仪器的理想工具。l a b v i e w 不仅为测试和过程控制领域提供了大量仪器面板对 象，而且用户还可以通过控制编程器，将现有的对象改成适合自己工作领域的对 象。l a b v i e w 基于数据流编译型图形编程环境，解决了其它按解释方式工作的图 形编程环境速度慢的问题。l a b v i e w 提供了大量功能强大的函数库，从低层的i o 接口控制子程序到大量的仪器驱动程序，从基本的数学函数、字符串处理函数到 高级的分析库，均可供用户直接调用。此外，l a b v i e w 还支持w i n d o w s 9 8 n t 、 m a c i n t o s h 、h p 、s p a r c 等操作系统平台，在不同平台上开发的应用程序可直接 进行移植，并提供了d d l 接口和对o l e 的支持。最新版本的l a b v i e w 提供了基于 w e b 的应用程序开发，提高了程序的开发能力。新的模块化结构，使用户可以建 立更好的执行程序，获得更好的系统性能。此外，还扩展了a c t i v e x ( c o m ) 技术 应用，并与m a t h w o r k s 的m a t l a b 及n i 的h i o 数字和交互分析能力进行无缝集成。 h pv e e 是h p 公司推出的功能强大的可视化虚拟仪器编程语占。h p v e e 通过 系统集成、调试、结构化的程序设计和文档功能的增强，简化了测试程序的开发。 它采用流线式的仪器控制方式，通过仪器管理器对总线设备进行扫描，并自动控 制接口的诸要素。h p v e e 可以加载和运行任何a c t i v e x 控制，如条码读出器、文 件加密器、压缩实用程序等，都可添加到h p v e e 程序中，从而使用户能很快地为 特定的应用程序编制专门的程序。h pv e e 内置的w e b 服务器，可以使用户在公 司的i n t r a n e t 上用标准h t t p 协议远地控制和访问测试系统，可在i n t r a n e t 或 w o r l dw i d ew e b 上访问h p v e e 的控制面板，因而用户能进行远地系统排错，恢 复h p v e e 信息和监控测试系统。h p v e e 程序可调用任何c c + + 程序，也可与v b ， i p b a s i c ，f o r t r a n ，l a b v i e w 和p a s c a l 组合运行h p l i r e e 程序。 n i 的l a b v i e w 和h p v e e 之所以功能强大、使用方便，关键在于两者都使用了 组件技术。基于组件的软件开发方式是目前虚拟仪器软件开发的主流。关于软件 组件的定义比较多，目前还没有一个公认的标准定义，可理解为“组件”，就是 可以明确辨识和管理、具有一定的独立功能的软件单元。它具有如下特点： 1 即插即用，组件可以方便地集成于系统中，不用修改代码，也不用重新 编译： 2 。以接口为核心，组件的接口和实现是分离的，组件通过接口实现与其它 组件或系统的交互，组件的具体实现被封装在内部，组装者只关心接口， 不必知道实现细节； 3 标准化，组件的接口必须严格地标准化，这是组件技术成熟的标志之一。 目前主要的标准有的m i c r o s o f t 的c o m d c o m ，j a v a 的j a v a b e a n s 和e j b ， o m g 组织的c o r b a ； 4 组件的来源广阔，大量成熟的组件可以通过市场购买，可以从互联网上 免费下载，可以从自己现有的组件库中获得，也可以重新开发设计等等。 同时，市场的竞争机制，还可以促进组件生产质量的提高、种类的增加 和价格的降低。 总之，组件在功能上是离散的、被精确定义的；组件对自己拥有的方法都 提供标准而清晰的接口；组件既可以单独使用，也可以与其它组件一起组装成一 个完整的应用系统。因此，它不同于面向对象方法中的“对象”或“类”相比 之下，组件具有更高的复用性，更灵活的产生方式，也更容易理解和分发。 2 1 4 虚拟仪器的发展趋势 虚拟仪器技术经过十几年的发展，标准化、模块化、软件化、网络化的开放 式体系结构，将成为未来虚拟仪器重要发展方向。为了更方便用户使用，各仪器 制造商和各仪器标准化组织，都不断致力于对硬件和软件的标准化。v x i 技术的 开放式体系结构和模块化的自动测试技术，使之成为未来虚拟仪器理想硬件。以 p c 机，特别是以工控p c 为中心的体系结构，以其板卡的高性价比和丰富的软件 而将被广泛应用。u s b 、f i r m w i r e 由于其简单、快速、价格便宜，将在未来的虚 拟仪器中得到广泛应用。v x i 即插即用系统联盟为实现接口独立，将v i s a 标准 定为编程接口。可互换虚拟仪器基金会( i n t e r c h a n g e a b l ev i r t u a li n s t r u m e n t f o u n d a t i o n ) 提出了一种新的虚拟仪器驱动技术，即i v i 规范，比v p p ( v x ip l u g p l a y ) 规范又迈进了一步，使测试工程师能够建立与测试系统无关的高性能硬 件设备，使仪器驱动程序成为仪器测试系统中的标准部件。 随着软件技术的发展，新的虚拟仪器软件开发工具不断涌现，并朝着可视 化编程方向发展，软件在虚拟仪器系统中的地位和作用越来越大。a c t i v e x 、c o m 、 d c o m 、c s 模型、i n t e r n e t 等组件技术和网络技术的应用，使用户能够通过 i n t e r n e t 实现远距离控制，将信息和多维空间相连，使远距离监测和控制变得 更加容易，虚拟仪器正朝向网络化方向发展。 2 1 5 虚拟仪器的特点 现代化生产要求电子仪器品种多、功能强、精度搞、自动化程度高，而且要 求测试速度快、实时性好、具有良好的人机界面。虚拟仪器正可以实现这些要求。 与传统仪器相比，虚拟仪器具有如下优点： 传统仪器虚拟仪器 功能由仪器厂商定义功能由用户自己定义 与其他仪器设备连接十分有限可以方便的与网络外设及多种仪 器连接 图形界面小，人工读取数据，信界面图形化，计算机直接读取 息量小数据并分析处理 数据无法编辑数据可编辑，存储，打印 硬件是关键 软件是关键 价格昂贵价格低，仅是传统的五至十分之一 系统封闭，功能固定，可扩展性差基于计算机技术开放的功能模 块可构成多种仪器 技术更新慢技术更新快 1 4 l开发和维护费用高基于软件体系的机构可大大节省 开发费用 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、逻辑分析仪等还主要依赖进1 2 1 ，因为这 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 术后，就可以通过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。 2 2 l a b v i e w 开发平台 2 2 1l a b v i e w 发展简介 l a b v i e w 是l a b o r a t o r y m u a l n s l n 埘e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h 的缩写。最 早它是基于苹果公司的m a c i n t o s h 微机的。后来n l 公司相继推出基于各种操作 系统的l a b v i e w 版本。1 9 9 8 年n i 公司推出了基于g r m d o w s 9 5 w m d o s wn t 4 0 的版本l a b v i e w5 0 和它的姐妹软件包l a b w m d o w c v i5 0 ；2 0 0 1 年n i 公司推 出了基于网络的版本l a b v i e w6 0 ，它在网络开发和实时性方面有了较大的突 破。 图2 3 测试系统开发工具l a