抗高过载加速度计特性试验系统的软件设计

本科毕业设计（论文）毕业设计说明书抗高过载加速度计特性实验系统的软件设计作 者 :学 号：学院 (系 ):专 业 :指导教师： 评 阅 人： 20*年 6 月本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）任务书学 院（系）：专 业 ：学 生 姓 名：学 号：设计 (论文 )题目 ： 抗高过载加速度计特性试验系统软件研 究起 迄 日 期 : 20*年 3 月 1 日 20*年 6 月 15 日设计 (论文 )地点 :指 导 教 师 :专 业 负 责 人 :发任务书日期: 20* 年 3 月 1 日本科毕业设计（论文）毕 业 设 计（论 文）任 务 书1毕业设计（论文）课题的任务和要求：1、学习相关原理知识；2、实验方案确定及实验3、查询 10 篇以上文献，其中至少 1-2 篇外文资料；2毕业设计（论文）课题的具体工作内容（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：1、学习相关原理知识；2、实验方案确定及实验3、完成论文撰写；4、外文资料翻译。本科毕业设计（论文）毕 业 设 计（论 文）任 务 书3对毕业设计（论文）课题成果的要求包括毕业设计(论文) 、图纸、实物样品等)：1、毕业论文一份；2、英文文献一份，相应的中文译文一份。4毕业设计（论文）课题工作进度计划：起 迄 日 期 工 作 内 容2005 年1 月 15 日 3 月 31 日4 月 1 日 5 月 31 日6 月 1 日 6 月 20 日6 月 21 日 6 月 25 日系统学习，查阅资料，作开题报告实验方案确定及实验撰写毕业论文论文答辩所在专业审查意见：负责人： 年 月 日学院（系）意见：院（系）领导： 年 月 日本科毕业设计（论文）抗高过载加速度计特性实验系统的软件设计摘要:本文介绍了一种基于虚拟仪器技术的抗高过载加速度的特性测试系统。该系统采用 NI公司的 LabVIEW 开发平台，实现了加速度的静态特性、动态特性及恢复特性的自动测试，完成数据采集、测试的控制、实时显示、数据存储与基本分析处理功能，提高了测试的精度和效率，为进一步分析加速度计的性能提供了有效的帮助。关键词：加速度计，测试系统，LabVIEW，虚拟仪器本科毕业设计（论文）The Software design of a resisting overload measuring system for accelerometerAbstract:In this paper, a resisting overload measuring system for accelerometer is introduced, which is based on virtual instrument technology and developed under LabVIEW integration developing platform of NI company. It realizes static characteristic, dynamic characteristic and recover characteristic automatic testing for accelerometer and accomplishes data acquisition, testing controlling and real time displaying, data storage and analysis. The testing precision and efficiency are greatly increased.Key words: Accelerometer，Measuring system，LabVIEW，Virtual instrument本科毕业设计（论文）目 录1. 绪论.11.1 引言.11.2 加速度计测试系统的发展.11.3 基于虚拟仪器的测试系统.21.4 国内外研究的现状.21.5 本课题完成的工作和研究内容.32. 抗高过载加速计特性试验系统原理.42.1 加速度计概述.42.2 典型加速度计的介绍.42.3 特性试验系统的静态特性及标定.72.4 特性试验系统的动态特性.92.5 特性试验系统的恢复特性.113. 虚拟仪器概述.123.1 前言.123.2 虚拟仪器的概念.123.3 虚拟仪器的基本构成.133.4 虚拟仪器的特点.143.5 虚拟仪器的应用.153.6 虚拟仪器的未来趋势.164. LabVIEW 技术 .184.1 前言.184.2 LabVIEW 概述 .184.3 LabVIEW 开发程序过程 .194.4 LabVIEW 的数据显示 .214.5 LabVIEW 的优点 .224.6 LabVIEW 的应用范围 .235. 基于 LabVIEW 的数据采集.255.1 概述.25本科毕业设计（论文）5.2 LabVIEW 的数据采集 .255.3 数据采集系统结构.265.4 LabVIEW 中的数据采集程序 .275.5 数据采集卡的选择.296. 基于 LabVIEW 的抗高过载加速度计的特性测试系统.326.1 开始部分模块.326.2 静态特性模块.336.3 动态特性模块.356.4 恢复特性模块.367. 结论.37参考文献.38致谢.40本科毕业设计（论文）1. 绪论1.1 引言测量加速度计的仪器叫加速度计。加速度计的种类繁多，按其变换器的不同，可分为机械的、光学的、液压的、电气的等等。每一种加速度计的测量范围都是有局限性的，对于不同物体的加速度运动要选择一定的加速度计进行测量，被选取的加速度计的参数要选取合适，否则会影响测量的准确性。加速度计是测试系统中的重要敏感元件，在高精度及高过载的测试系统中，对加速度计的性能提出了更高的要求，为此需要对加速度计进行严格的测试和筛选。由于生产任务日益增加，因此对加速度计测试系统的性能提出了更高的要求，同时应尽可能地加大自动测试功能，减少测试人员的劳动强度。随着测试测量及自动化技术的不断发展，虚拟仪器技术被广泛应用于各种测控系统及监控平台、医疗仪器、自控领域以及电力系统等。虚拟仪器技术采用特定的软件取代相应功能的电子线路，充分利用计算机的软硬件资源，共同完成传统仪器的功能。本次设计是一种基于虚拟仪器技术的加速度计集成自动测试系统，将加速度计的静态性能测试、动态性能测试及恢复特性测试等集成在一台计算机中，完成数据采集、测试的控制与实时显示、数据存储与分析处理等功能，为加速度计的性能分析与进一步改进以及加速度计的鉴定提供基础。大大缓解了数据采集及分析中人力、物力的消耗。1.2 加速度计测试系统的发展第一代测试设备主要由手动多齿分度头、加速度计控制回路、可逆计数器及打印机组成，所有的测试数据需要手录并用计数器计算出结果。这种方式效率最低，劳动强度大，易出错误。第二代测试设备设计了数据采集接口线路，通过计算机总线传递信息，由测试人员通过计算机进行逐点运算。但仍需人工操纵转台进行多点翻转，在每一个测试节点人工干预程序运行，监视测试结果，这样重复几个小时才能完成一块加速度计的测试。在加速度计需求多时，需用多人长达数月昼夜加班测试，工作效率需亟待提高。目前兴起的第三代自动化测试系统中，计算机处于核心地位，仪器的结构概念和设计观点等都发生了突破性的变化，出现了新的仪器概念虚拟仪器。在虚拟仪器技术的应用中，由于软件集成了虚拟仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面的功能，使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代替。本科毕业设计（论文）1.3 基于虚拟仪器的测试系统在测试系统硬件平台上，调用不同的测试软件就构成了不同功能的仪器。因此，软件在系统中占有十分重要的地位。在大规模集成电路迅速发展的今天，系统硬件集成越来越简化。反之，软件越来越复杂、越来越重要，是未来发展和竞争的焦点。有专家预言：“在测试平台上，下一次变革就是软件” ，并且有“硬件平台确定后，软件就是仪器”的说法。虚拟仪器是随着计算机技术、现代测试技术、电子仪器技术的发展而产生的一种新型仪器。虚拟仪器技术的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的模式。虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己的才能、想象力的空间。用户(而不是仪器厂家)可以随心所欲地根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用需求。您所需要的只是一些必要的硬件加上通用计算机。虚拟仪器是一种具有虚拟仪器面板的 PC 仪器，相对于传统仪器在概念和功能上有重大突破，形成了新一代的所谓“智能化测量控制仪表” ，能解决许多传统仪表不能或不易解决的难题，同时还起到了简化仪表电路、提高仪器的可靠性、降低仪器的成本以及节约新产品的开发时间和难度的作用。它由通用 PC 机模块化功能硬件和控制软件构成。操作人员可通过其友好的图形化用户界面以及图形化编程语言来控制仪器的启动、运行和结束，完成对被测试信号的数据采集、信号分析、谱图显示、波形图显示、故障诊断、数据存储、数据回放以及控制输出等功能。 11.4 国内外研究的现状现在国际上应用最广的虚拟仪器开发环境首推美国 NI 公司(National Instruments Corp.国家仪器公司)的 LabVIEW 和 HP 公司(惠普公司)的 VEE 这两种软件。其中，VEE 主要面向仪器控制；而 LabVIEW 功能相对更强、更全面。目前航天航空领域已经广泛应用虚拟仪器技术。美国空军采用一套基于 VXI 和LabVIEW 的虚拟仪器测试系统，代替了三套传统测试系统；美国 Focus 软件公司和 Sensor Developments 公司采用虚拟仪器测试飞机飞行状态中的螺旋桨应力分布；西班牙采用虚拟仪器研究微重力条件下的燃烧；在 1993 年，NASA 在哥伦比亚航天飞机飞行任务中采用虚拟仪器研究太空中宇航员的大脑如何处理内耳信号、视觉以及其他感觉的联合作用，以弄清宇航员的晕机状况。 21.5 本课题完成的工作和研究内容本科毕业设计（论文）本次设计是一套基于虚拟仪器技术的加速度计集成自动测试系统。该系统采用 NI 公司的 LabVIEW 开发平台，实现了加速度计的静态性能、动态性能及灵敏度性能的自动测试，完成数据采集、测试的控制与实时显示、数据存储与分析处理以及所生成报表的浏览与打印等功能，提高了测试的精度和效率，为加速度计的性能分析与进一步改进提供基础。本测试系统的程序框架从宏观上讲是一种多任务并行的运行机制，设计了多个功能模块，测试控制与显示模块为软件系统的主模块，进行主体任务的调度工作及相关的数据流传输，其余的模块也可以调用下一级的小模块，并进行数据流之间的传输，这样层层调用，使测试系统完成所需的任务调度工作。本科毕业设计（论文）2. 抗高过载加速度计特性实验系统原理2.1 加速度计概述物体的加速度运动有两种形式：一种是纯线加速度运动；一种是纯角速度的圆周运动。一般加速度运动则是两者皆有。测量加速度时常常存在两个问题：一是测量加速度的最大值；二是测量加速度随时间变化的函数关系。测量加速度的仪器称为加速度计。加速度计的种类多种多样，按其变换器的不同可以分为机械的、光学的、液压的、电气的等等。在电气加速度中又有电位计式、电感式、接点式、电容式、电阻丝式、压电式、电解液式等等。2.2 典型加速度计的介绍 32.2.1 硅电容加速度计硅电容加速度计是出现最早、研究成果最多、应用最广的一类加速度计。它的基本结构是由一个差动电容器和检测电桥两部分组成的：差动电容器有两块固定极板和一块作为检测质量的可动极板。当被测加速度使检测质量发生位移后，改变了极板间距，从而使电容器的电容量改变，由电桥将该变化量检出就获得了被测加速度。硅电容加速度计的加工采用表面微加工、体微加工、绝缘体上外延半导体膜（SOI）和 LIGA 以等工艺。图 2.1 硅电容加速度计2.2.2 硅压阻加速度计这种加速度计一般由检测质量、支承梁（桥） 、采用硅微加工技术注人或扩散入支承梁上的压阻及其桥路组成。它的工作原理是，当被测加速度作用到检测质量上后，使其发本科毕业设计（论文）生运动，与它相连的悬臂支承梁由此产生弯曲变形，使梁上的压阻阻值改变并由惠斯登电桥输出相应的电压信号。即被测加速度与检测质量的位移量、压阻阻值变化和电桥输出相关。硅压阻加速度计按结构型式可分为悬臂梁、双支承梁、4 支支承梁（桥式）和双质量等 4 种。图 2.2 硅压阻加速度计2.2.3 压电型加速度计采用硅微加工技术可制成压电和谐振器两种型式的加速度计压电型加速度计通常由压电极板和检测质量组成，当检测质量受到加速度作用后，两极板间将产生电荷变化，经放大和控制电路就可获得被测加速度二谐振器型加速度计由检测质量和谐振器组成。当检测质量受加速度作用后将改变谐振器的频率。测量该频率就可获得加速度值。2.2.4 厚膜应变加速度计厚膜加速度计结构与压阻加速度计类似，主要区别是用厚膜电阻代替硅压阻：它的结构一般也是由基片、检测质量、支承梁、厚膜电阻及其检测电路组成当被测加速度作用到检测质量上并使其产生运动后，使支承梁发生应变并由扩散在梁上的厚膜电阻及其桥路检出。本科毕业设计（论文）图 2.3 压电型和厚膜型加速度计2.2.5 力平衡加速度计传统力平衡加速度计包括振弦式加速度计和静电加速度计等：实际上，硅电容、压电等敏感元件与力平衡反馈电路一起组成了力平衡加速度计。它的工作原理是，当被测加速度以惯性力作用到检测质量上后，使它产生位移，而力平衡电路产生一个大小相等、方向相反的静电力来与之平衡，又使位移变为零：此时的反溃输出电压正比于被测加速度。图 2.4 力平衡加速度计2.2.6 电子隧道型加速度计由物理学可知，将尺寸很小（10 -9 m）的极细探针和被研究物质表面作为两个电极，当它们之间非常接近（1um）时，在外电场作用下，电子会穿过这两个电极从一极流向另一极，这就是隧道效应。实验发现，当这两极间距减少 0.1nm，隧道电流将增加 10 倍，利用这种效应可以测量加速度。电子隧道型加速度计通常由检测质量、支承梁、隧道探针和控制电路等部分组成。它的工作原理是，当被测加速度使检测质量与隧道探针之间距离发本科毕业设计（论文）生变化时，两极间将产生巨大的电流变化，检出这一变化信号就可测得加速度。2.2.7 热传导加速度计热传导加速度计通常由热源（加热电阻） 、检测质量和吸热器件三部分组成：它的工作原理是，当被测加速度作用到检测质量上后，将改变其位置而产生一个温差变化检出这个变化值就可获得被测加速度。图 2.5 电子隧道型加速度计2.3 特性试验系统的静态特性及标定2.3.1 静态特性测试系统的静态特性又称刻度特性、标准曲线或校准曲线。当被测对象处于静态，也就是测试系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，测量系统输入与输出之间呈现的关系就是静态特性。 42.3.2 静态特性的重要指标1. 静态灵敏度灵敏度是描述测试系统对输入量变化反应的能力，通常由测试系统的输出变化量y,与引起该输出量变化的输入变化量x的比值S表征。（2.1）2. 非线性度（线性）非线性度是指系统的实际输出、输入特性曲线对于理想线性输出、输入特性曲线的接近或偏离程度。如图2.1所示。非线性度( max /YFS )100 （2.2）yxSy y y YFS YFS YFS max max max xm x xm x xm x 本科毕业设计（论文）图2.1 输入-输出特性的非线性3. 重复性重复性表征测试系统输入量按同一方向做全量程连续多次变动时，静态特性不一致的程度。重复性度(R max/YFS)100% （2.3）图2.2 重复性4. 迟滞 迟滞，亦称为滞后量、滞后或滞环，如图所示，表征测试系统在全量程范围内 ，输入量由小到大（正行程）或由大到小（反行程）两者静态特性不一致的程度。迟滞(H max/YFS)100% （2.4）图2.3 迟滞特性2.3.3 测试原理理想的加速度计，应该仅仅敏感于沿其输入轴方向的加速度，且输出与输入之间呈线性关系。然而，实际它的输出中不仅主要的反映输入轴方向的加速度，而且也反映沿其两个轴方向的加速度及其耦合的影响，同时还要受到构成力平衡回路中各个元、部件性能和回路参数的影响。因此,加速度计在重力场的测试中，它的静态数学模型方程通常表示为：（2.5）xFS x yFS y R1max R2max 0 20 40 60 80 10 10 80 60 40 20 0 x y Hmax 迟 滞 本科毕业设计（论文）利用转台在1 g 重力场中的翻滚试验可以确定加速度计模型方程中各系数的大小及其重复性精度和稳定性精度。通常我们只对其中的K 0、K 1、K 2等参数的大小、重复性精度、稳定性精度进行较详细的测试。通过分度头转动不同的角度，来给加速度计提供1g 以内不同的输入。利用12点试验来标定方程系数的数值。将表头安装在分度头上，输入轴对准零位，顺时针转动分度头，使其停留在30等角分量位置上，在每一停留位置记录下输出数据，然后逆时针做相同的转动。这样顺时针和逆时针做三个循环，对记录下的数据进行处理，按模型方程的定义求取模型方程系数的大小。利用4点试验确定各系数的重复性精度及稳定性精度。转动分度头使其停留在90等角分量位置上，在每一停留位置记录下输出数据，然后逆时针做相同的转动。这样顺时针和逆时针做三个循环，对记录下的数据进行处理，按模型方程的定义求取模型方程系数的大小，并按最小二乘法求出其各系数的精度值。测试重复性精度时，每一块表至少进行7次重复性测试，然后求出7次的1值作为重复性精度。测试稳定性精度时，除了对系数进行计算外还须对几百甚至几千个零位数据进行统计并求取1值。 52.4 特性试验系统的动态特性2.4.1 动态特性在工程测试中，大量的被测信号是随时间变化的动态信号，即 x(t)是时间 t 的函数，不为常量。测试系统的动态特性反映其测试动态信号的能力。2.4.2 测试系统动态特性的数学模型（零阶环节）（一阶环节）（二阶环节）2.4.3 传递函数传递函数的概念在测试系统的分析、设计和应用中十分有用。利用这些概念，可以用代数式的形式表征系统本身的传输、转换特性，它与激励和系统的初始状态无关。因此，如两个完全不同的物理系统由同一个传递函数来表征，那么说明这两个系统的传递特性是相似的。对 n 阶微分方程进行拉氏变换，得：xbya00t1dxbyattya012本科毕业设计（论文）定义：输出 y(t)的拉氏变换 Y(s)和输入 x(t)的拉氏变换 X(s)之比称为传递函数，并记为H(s)。 (2.6)2.4.4 频率响应特性对于稳定的常系数线性系统，可用傅里叶变换代替拉氏变换:(2.7)2.4.5 测试原理对于加速度计动态特性的测试，主要分为频率特性与阶跃响应的测试，通过测量加速度计系统的频率特性，可以建立系统的动态数学模型。拟采用电模拟测试方法，将加速度计通过安装夹具固定在精密分度头上，处于 0g 附近，并给加速度计输入幅值固定的正弦波信号，在规定的频带内，激励频率由低频到高频逐次提高，同时记录各测试点的频率及加速度计输出信号的幅值和相位，但是由于存在高频噪声等影响，直接测量得出的幅频特性和相频特性有一定的误差，为了减小这种误差，拟采用数字相关滤波法滤掉直流分量、谐波分量及高频噪声的影响，较精确地得出加速度计的幅频特性和相频特性，并在此基础上分析加速度计的动态性能指标，如带宽、谐振频率以及谐振峰高等。对于动态测试中的阶跃响应试验，通过给系统施加不同的阶跃输入信号，并根据试验记录数据并计算系统阶跃响应的超调量、震荡次数、和过渡过程时间等指标及其变化从而分析其动态性能。 52.5 特性试验系统的恢复特性自动控制、汽车、地震测量、军事和空间等领域的许多场合由于受工作环境的限制要求加速度计应具有高的谐振频率和动态性能，以保证快速准确测试出被测对象的冲击力或冲击加速度，且加速度计本身并不失效。本设计中需要测试的加速度计就是应用于大载荷下，所以，它的恢复特性的测试也尤为重要。本设计中，利用马歇落锤试验来测试加速度计的过载能力，由测试系统采集到恢复信011011 )()( bssbsXassasY mmnn 011)( abbXnnmm )()(sXYH011jjjjj aabbnnmm 本科毕业设计（论文）号的加速度波形和冲击运动时的加速度波形进行比较，来进行进一步分析。3. 虚拟仪器概述本科毕业设计（论文）3.1 前言通常，在完成某个测试任务时，需要很多仪器，如示波器、电压表、频率分析仪、信号发生器等，对复杂的数字电路系统还需要逻辑分析仪、IC测试仪等。这么多的仪器不仅价格昂贵、体积大、占用空间，而且相互连接起来也很费事费时，并且仪器之间经常由于连接、信号带宽等方面的问题给测量带来了很多麻烦，使得原本并不复杂的测量变得异常困难。要提高电子测量仪器的测量准确度和效率，就要求仪器本身能完成自动调节、校准、量程转换、计算、寻找故障等功能，能自动存储有关数据并在需要时自动调出等，这些要求传统仪器很难满足，在以前几乎被视为不可能的事。而计算机科学和微电子技术的迅速发展和普及，有力地促进了多年来发展相对缓慢的仪器技术。目前正在研究的第三代自动测试系统中，计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧密地结合成了一个有机整体，仪器的结构概念和设计观点等都发生了突破性的变化，出现了新的仪器概念虚拟仪器。由于虚拟仪器应用软件集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能，使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代替。3.2 虚拟仪器的概念所谓虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，它充分利用计算机系统强大的数据处理能力，在基本硬件的支持下，利用软件完成数据的采集、控制、数据分析和处理以及测试结果的显示等，通过软、硬件的配合来实现传统仪器的各种功能，大大突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、存储等方面的限制，使用户可以方便地对仪器进行维护、扩展和升级。虚拟仪器是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。虚拟仪器就是在通用计算机上加上一组软件和硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台他自己设计的专用的传统电子仪器。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键。任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，所以有“软件就是仪器”之说。3.3 虚拟仪器的基本构成虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。其中，硬件接口本科毕业设计（论文）模块可以包括插入式数据采集卡(DAQ)、串/并口、IEEE488 接口(GPIB)卡、VXI 控制器以及其它接口卡。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、GPIB 仪器控制系统、VXI 仪器系统以及这三者之间的任意组合。 6普通的 PC 有一些不可避免的弱点。用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能太高。目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了 VXI 标准，这是一种插卡式的仪器。每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。这些卡插入标准的 VXI 机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。VXI 仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的 PXI 标准仪器。虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。目前使用较多的是 IEEE 488 或 GPIB 协议。未来的仪器也应当是网络化的计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。下面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。图 3.1 常见的虚拟仪器方案3.4 虚拟仪器的特点虚拟仪器的最大特点是将计算机资源与仪器硬件、DSP 技术相结合，在系统内共享软硬件资源。打破了以往由厂家定义仪器功能的模式，由用户自己定义仪器功能。在虚拟仪器中，使用相同的硬件系统，通过不同的软件编程，就可以实现功能完全不同的测量仪器。本科毕业设计（论文）表 3.1 传统仪器与虚拟仪器系统的比较传统仪器 虚拟仪器系统系统标准 仪器厂商定义 用户自定义系统关键 硬件 软件系统更改 仪器功能、规模固定 系统功能、规模可通过软件修改、增减系统连接系统封闭，与其他设备连接受限开放的系统，可方便地同外设、网络及其他应用连接价格 昂贵 低，可重复利用技术更新周期 510 年 12 年开发、维护费用 高 低由此可见，虚拟仪器能尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。同时能充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的“个性仪器” 。图 3.2 一种虚拟仪器的体系3.5 虚拟仪器的应用 73.5.1 虚拟仪器在测量方面的应用虚拟仪器系统开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展，将之应用在测量方面可以提高精确度，降低成本，并大大节省用户的开发时间，因此已经在测量领域得到广泛的应用。硅晶片作为电子行业中的一种基本材料而一直受到重视。近年来，基于硅晶片的微机本科毕业设计（论文）械结构(EMMS)也得到了很大发展。MEMS 设备通常是作为压力传感器或加速度计使用，这种微型结构是在一片硅晶片上蚀刻出来的，经过特殊的加工处理,在硅晶片上形成穴、沟、锥形等各种形状的机械元件，将这些元件组合，就能构成微型机械系统。美国的维吉尼亚州技术公司应用虚拟仪器技术开发了一种光学测微计，用来测量 MEMS设备中硅晶片的厚度，分辨率可达到微米级。他们的目标是使用现成的数据采集、图像处理等方面的工具来开发系统，以减少开发时间和提高市场效益。3.5.2 虚拟仪器在监控方面的应用用虚拟仪器系统可以随时采集和记录从传感器传来的数据，并对之进行统计、数字滤波、频域分析等处理，从而实现监控功能。当前，气敏传感器正朝着快速响应、小型化和经济化发展，这种发展趋势引起了微电子气敏传感器的发展。美国密歇根州大学开发了一种微电子气敏传感器，这种传感器使用探针来测量由于传感器对气体的吸收或者反应而引起的内部电阻值的变化。传感器的气敏元件是一块薄薄的半导体，其电阻值将随被测气体的数量和种类的变化而变化。研究人员使用一个基于计算机的带有数据采集板(DAQ board)的系统，其中数据采集板由LabVIEW控制，它能够监控传感器温度并且测量传感器由被测气体引起的电阻值变化。3.5.3 虚拟仪器在检测方面的应用在实验室中，利用虚拟仪器开发工具开发专用虚拟仪器系统，可以把一台个人计算机变成一组检测仪器，用于数据/图像采集、控制与模拟。中国农业大学的研究人员利用虚拟仪器开发平台开发了用于精密播种机性能检测的实验室自动化系统。3.5.4 虚拟仪器在教育方面的应用现在，随着虚拟仪器系统的广泛应用，越来越多的教学部门也开始用它来建立教学系统，不仅大大节省开支，而且由于虚拟仪器系统具有灵活、可重用性强等优点，使得教学方法也更加灵活了。要想建立一个教学仪器系统，而又不花太多的钱，可以利用LabVIEW建造一个计算机控制的虚拟仪器系统，这样就不必购买昂贵的仪器设备，从而节省开支。在医科大学中，进入临床实验室以前，学生们先要在一个模拟的临床实验室里学习一些典型仪器的基本原理和操作过程。在他们的课程中，学生们能学到仪器操作的专门知识，这些仪器的范围包括分光计和pH计等。这种传统的教学方法要求实验室里要有一整套的仪器设备。比如说,如果一个班有20个学生，那么实验室就必须有十台分光计和一到两台其他比较昂贵的仪器才足够使用。而在今天，这些仪器每台至少都要花上3000到5000美元随着仪器设备越来越复杂，它们的价格也越来越昂贵，这就给教学者造成了困扰。本科毕业设计（论文）在维吉尼亚州医科大学的临床实验室，研究人员在一项名为Instru Mentor的项目中使用了LabVIEW工作平台，从而构建了所需的虚拟仪器。通过使用虚拟仪器，大大降低了实验室在仪器设备方面的花费。3.5.5 虚拟仪器在电信方面的应用由于虚拟仪器具有灵活的图形用户接口，强大的检测功能，同时又能与 GPIB 和 VXI仪器兼容，因此很多工程师和研究人员都把它用于电信检测和场测试方面。美国西雅图的 AEI 音乐广播站的工程师使用虚拟仪器系统进行信号传播控制，以保证音频信号在传送过程中保持高质量。该系统包括 NI 公司的 LabVIEW 软件和数据采集板以及 GPIB 等硬件，可对该广播站一天 24 小时的音乐广播节目进行监控，以使全美国的听众能收听到音色最佳的音乐。3.6 虚拟仪器的未来趋势随着计算机技术、电子技术、网络通信技术的进步和不断拓展，21 世纪的仪器概念将是一个开放的系统概念，计算机和现代仪器已相互包容，计算机网络也就是通用的仪器网络。如果在测控系统中有更多不同类型的智能设备也像计算机和工作站一样成为网络的节点联入网络，比如各种智能仪器、虚拟仪器及传感器等，它们充分利用目前己比较成熟的Internet 网络的设施，不仅能实现更多资源的共享、降低组建系统的费用，还可提高测控系统的功能，并拓宽其应用的范围“网络就是仪器”的概念确切地概括了仪器的网络化发展趋势。计算机技术、传感器技术、网络技术与测量、测控技术的结合，使网络化、分布式测控系统的组建更为方便。以 Internet 为代表的计算机网络技术的迅猛发展及相关技术的不断完善，使得计算机网络的规模更大，应用更广：在国防、通信、航空、航天、气象、制造等领域，对大范围的网络化测控将提出更迫切的需求，网络技术也必将在测控领域得到广泛的应用。网络化仪器很快会发展并成熟起来，从而有力地带动和促进现代测量技术即网络测量技术的进步。目前，在我国虚拟仪器设计、生产、使用也已经起步。我国有几家企业正在研制 PC虚拟仪器，产品已达到一定的批量，国内专家预测：未来的几年内，我国将有 50%的仪器为虚拟仪器，届时，国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。随着微型计算机的发展，各种有关软件不断诞生，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。 8本科毕业设计（论文）4. LabVIEW 技术4.1 前言LabVIEW是美国国家仪器公司（National Instruments，以下简称NI公司）研制的一个功能强大的开发平台，1983年4月问世，主要是为仪器系统的开发者提供一套能够快捷地建立、检测和修改仪器系统的图形软件系统。1986年推出的LabVIEW for Macintosh 引发了仪器工业的革命。1990年1月，LabVIEW推出，它提供了图形编译功能，使得LabVIEW中的VI（虚拟仪器）可以与编译C语言一样的速度运行。1992年，LabVIEW的多平台版本问世，使它可以在Windows、Macintosh以及Sun Solaris等平台上运行。1993 年，LabVIEW3.0版本开发完成，同时提供给用户的是一个应用系统生成器（Application Builder )，它使得LabVIEW的VI变成一个可以独立运行的程序。经过十多年的发展，我们今天看到的LabVIEW已经成为一个具有直观界面，便于开发，易于学习且具有多种仪器驱动程序和工具库的大型仪器系统开发平台。4.2 LabVIEW概述LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW 集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232 和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用 TCP/IP、ActiveX 等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为“G”语言。它与 C、Pascal、Basic 等传统编程语言有着诸多相似之处，如：相似的数据类型、数据流控制结构、程序调试工具,以及层次化、模块化的编程特点等。但二者最大的区别在于：传统编程语言用文本语言编程；而 LabVIEW使用图形语言(即各种图标、图形符号、连线等)以框图的形式编写程序。用 LabVIEW 编程无需具备太多编程经验，因为 LabVIEW 使用的都是测试工程师们熟悉的术语和图标，如各种旋钮、开关、波形图等，界面非常直观形象，因此 LabVIEW 对于没有丰富编程经验的测试工程师们来说无疑是个极好的选择。LabVIEW 作为一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的本科毕业设计（论文）能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。利用 LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的 32 位编译器。像许多重要的软件一样，LabVIEW 提供了 Windows、UNIX、Linux、Macintosh 的多种版本。4.3 LabVIEW 开发程序过程 10利用LabVIEW开发程序，同利用一般语言开发程序略有不同。所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器（VI），它包括前面板（front panel）、流程图（block diagram）以及图标/连结器(icon/connector)三部分。1. 前面板前面板是图形用户界面，也就是VI 的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制（control）和显示对象（indicator）。图4.1 温度计程序的前面板开发者可利用 LabVIEW 提供的多种模块，在前面板上形成所需要的界面。简单地说，前面板为用户建立直观影像，使用户感到如同在传统仪器面前一样。2. 流程图流程图提供 VI 的图形化源程序。在流程图中对 VI 编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件的连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。开发者在屏幕上用连线的方法把虚拟仪器连接起来，形成程序。本科毕业设计（论文）图 4.2 温度计程序的流程图3. 图标/连接器VI具有层次化和结构化的特征。一个VI可以作为子程序，这里称为子VI（subVI），被其他VI调用。图4.3 温度计程序的图标和连接器前面板应用了现在最流行的 GUI（图形用户接口）技术。流程图则利用普通的程序技术，提供快速建立、检查和修改程序的手段。用户可以在前面板上放置多种控制器和指示器。控制器用来接收用户输入，执行程序。指示器则用来反映程序运行过程中用户所关心的各种变量。在流程图上，开发者可以像传统开发一样，使用各种程序控制结构，如顺序、条件、循环等，也可以使用其它 VI。连线的过程不仅表达了各功能模块之间输入和输出的关系，而且也建立了数据的流动路径。LabVIEW 是一种数据流程序，各个 VI 和功能模块的动作要等到全部输入数据就绪后才开始，其输出也要等到 VI 或功能模块转换结束之后才有效。为了便于开发，LabVIEW 提供了多种基本的 VI，包括各种简单运算、数据采集、分析工具及网络、文件操作等功能。这正是 LabVIEW 的优势所在。本科毕业设计（论文）与 C 语言一样，LabVIEW 程序也是分层次并且模块化了的，开发者可以把应用任务分解、化简，最后利用 LabVIEW 所提供的最基本的功能，逐层通过 VI 来完成一个复杂的电路。一旦程序开发完成，用户就可以通过前面板上的控制器控制程序执行并在指示器上观察执行过程。此外，LabVIEW 还有与 C 语言的接口，以使用户使用用 C 语言编写的程序。同时，LabVIEW 的实时系统还可以提供一种简化的运行手段，以便大大地压缩系统的开销。4.4 LabVIEW 的数据显示 9图 4.4 显示数据NI 的 LabVIEW 包括一系列的显示工具，包括图表绘制工具和内置 2D 和 3D 显示工具，可以在程序用户界面上轻松显示数据。用户可以重新配置数据显示的特征，如颜色、文字大小、图表类型，以及动态旋转、缩放等，而这都无需编程。 图 4.5 重复使用现有代码并轻松分布应用程序开放式的 LabVIEW 开发环境提供与第三方软件产品的高级连接功能，让用户可以轻松地变换开发环境或同时使用多个环境。因此，您使用 LabVIEW 获取 C 语言代码、调用ActiveX 与.NET 汇编程序，还可以创建独立的可执行程序或共享库(如 DLL)以发布应用程序，而对大部分应用程序来说这都不需要额外的 License 费用。 图 4.6 设计专业的界面因为 LabVIEW 是专为工程师和科学家们而设计，可以利用专用于测量的用户界面设计工具设计界面，而不需要从零开始。只需简单地从控件选板中拖放内置的控制件和显示件，然后点击鼠标即可利用交互式的属性页面轻松自定义它的功效和外观。 图 4.7 快速创建专业的 HTML 格式的报告在 LabVIEW 中，几乎无需编程即可快速生成 HTML 各式的报告。使用内置的报告生成本科毕业设计（论文）工具，方便地从应用系统中获取数据，将它排成 HTML 各式的报告，并发布到 Web 上。 图 4.8 使用 Microsoft Office 工具创建报告如果经常需要 Microsoft Office 工具(如 Excel 和 Word)生成报告，而不是要 HTML 文件，那么可以使用 LabVIEW 自定义生成这些报告，并与同事或客户分享。使用为Microsoft Office 设计的 LabVIEW Report Generation Toolkit (报告生成工具包)，使用标准的工具快速创建自定义的、专业的报告。图 4.9 将程序发布到 Web 上并对其加以控制LabVIEW 还可以将 LabVIEW 应用程序发布到 Web 上。使用 L