9动态测试技术_虚拟仪器

动态测试技术 南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室 吴义鹏yipeng wu 虚拟仪器 机械结构力学及控制国家重点实验室 2 本章主要内容 虚拟仪器概述LabVIEW简介 机械结构力学及控制国家重点实验室 3 动态测试技术 虚拟仪器 9 1虚拟仪器概述 仪器是信息获取的手段 是认识世界的工具 是一个系统或装置 最基本的作用 是延伸扩展补充或代替人的听觉 视觉 触觉等器官的功能 仪器的定位和作用 机械结构力学及控制国家重点实验室 4 动态测试技术 虚拟仪器 仪器的发展历史 9 1虚拟仪器概述 机械结构力学及控制国家重点实验室 5 动态测试技术 虚拟仪器 第三代为智能仪器 将单片或多片的微处理器与传统仪器有机地结合在一起形成的单机 其形态是仪器 智能仪器是计算机技术与测量仪器相结合的产物 是含有微计算机或微处理器的测量 或检测 仪器 它拥有对数据的存储 运算 逻辑判断及自动化操作等功能 具有一定智能的作用 表现为智能的延伸或加强等 9 1虚拟仪器概述 机械结构力学及控制国家重点实验室 6 动态测试技术 虚拟仪器 传统仪器满足不了测试需求 仪器越来越复杂 各种测试仪器 其组成都可以分为数据采集与控制 数据的分析与处理 结果的输出与显示三大功能 且都是以硬件形式存在 仪器硬件存在冗余 使用率低 开发 维护的费用高 技术更新周期长传统仪器都是独立使用 手工操作 任务单一 实时性差 现代测控可能要求多点 多物理量的实时采集控制和记录分析 振动仪 硬度仪 测厚仪 9 1虚拟仪器概述 机械结构力学及控制国家重点实验室 7 动态测试技术 虚拟仪器 计算机技术的进步为新型仪器提供了基础 电子技术和计算机技术的进步改变了传统的设计思想 许多过去由硬件实现的功能可以由软件实现 专业化的设计软件为高效 易用的仪器软件开发提供了工具 9 1虚拟仪器概述 机械结构力学及控制国家重点实验室 8 动态测试技术 虚拟仪器 虚拟仪器是技术发展的结果 计算机技术 软件技术 总线技术 网络技术 微电子技术的发展 及其在电子测量技术与仪器领域中的应用 使新测试理论 测试方法 测试技术不断出现 仪器与系统的结构不断推陈出新 电子测量仪器及自动测试系统的结构也发生了质的变化 功能与性能得到不断提高 计算机 PC机 处于核心地位 计算机软件技术和仪器与测试系统更紧密结合成了一个有机整体 在上述的背景下 提出了全新概念的仪器 虚拟仪器 1986年 美国国家仪器公司 NI NationalInstrument 提出了虚拟仪器 VirtualInstrumentation 的概念 9 1虚拟仪器概述 机械结构力学及控制国家重点实验室 9 动态测试技术 虚拟仪器 虚拟仪器的定义 虚拟仪器是在通用计算机 如PC机 Mac或工作站 中加上硬件 通用的测量功能硬件 和软件 LabVIEW 驱动 并使用计算机屏幕提供仪器虚拟界面的可重用测量仪器 9 1虚拟仪器概述 机械结构力学及控制国家重点实验室 10 动态测试技术 虚拟仪器 从虚拟仪器的组成结构上来看 1 虚拟仪器的硬件是通用的 包括通用计算机硬件平台和通用的测量功能硬件 2 良好的人机界面 虚拟仪器的面板 或称软面板 是虚拟的 通过 控件 虚拟出面板 3 功能强 虚拟仪器的功能是由用户软件定义的 9 1虚拟仪器概述 机械结构力学及控制国家重点实验室 11 动态测试技术 虚拟仪器 虚拟仪器使用通用计算机的资源标准I O硬件 如串行口 PCI ISA扩展槽或其它硬件标准 用户界面 特别是图形用户界面 GUI 通用软件执行平台 如操作系统和各种动态连接库和其它计算机和设备连网 用于分布式测控互联网 为用户提供远程测量和监控功能 9 1虚拟仪器概述 机械结构力学及控制国家重点实验室 12 动态测试技术 虚拟仪器 9 1虚拟仪器概述 2020 4 5 13 传统仪器 虚拟仪器 待测模拟信号 信号处理 前置预处理 数据显示 信号输入 硬件电子系统 A D转换 数字信号处理 数据显示 信号产生 信号输出 手动 模拟信号控制 待测模拟信号 输出模拟信号 D A转换 计算机数字信号控制 数字信号产生 输出模拟信号 ClassicalInstrument VirtualInstrument VI 计算机 DAQ卡 利用计算机强大 高效的数字信号处理和控制能力 配合高速高精度A D D A转换卡 实现与传统专用仪器相同乃至更强的功能 组成虚拟仪器 前置预处理 对比 机械结构力学及控制国家重点实验室 14 动态测试技术 虚拟仪器 虚拟仪器的系统构成硬件和软件两大部分构成 硬件是基础 软件是核心 虚拟仪器的内部功能 可划分为信号采集与控制 数据分析与处理 结果表示与输出三大功能模块 采集分析显示 9 1虚拟仪器概述 2020 4 5 15 GPIB Serial DAQ ProcessorUnitUnderTest VXI ImageAcquisition MotionControl PXI ApplicationSoftware Hardware DriverSoftware LabVIEW 虚拟仪器系统结构 16 LABVIEW编程 DLL 调用 访问 驱动 用户态 核心态 LaBVIEW CIN接口 控件 动态测试技术 虚拟仪器 机械结构力学及控制国家重点实验室 机械结构力学及控制国家重点实验室 17 动态测试技术 虚拟仪器 航空航天教学核工业军工通信测试铁道 9 1虚拟仪器概述 应用 机械结构力学及控制国家重点实验室 18 动态测试技术 虚拟仪器 应用广泛从军事到民用 特别是仪器 测量与控制 自动化等领域 9 1虚拟仪器概述 应用 机械结构力学及控制国家重点实验室 19 动态测试技术 虚拟仪器 NIPXI结构健康监测硬件平台 NIPXI是一种基于PC 专用于测试测量与控制的开放式硬件平台 其模块化的架构 能够满足结构健康监测中多项综合技术 从基于电压或电流的传感器采集 到新兴FBG光纤传感器采集 远距离下的数据同步 到上千通道的分布式GPS同步采集 并结合联合信号分析 海量数据存储等 9 1虚拟仪器概述 应用 机械结构力学及控制国家重点实验室 20 动态测试技术 虚拟仪器 NIPXI结构健康监测硬件平台 平台优势 模块化 使用能够根据您不同需求而进行扩展的硬件体系结构 构建自定义测试系统 高性能 最新商业技术提供测试与测量行业最高的吞吐量和最低的延迟性能 坚固性 使用小型坚固封装 能够抵抗大幅度温度变化的硬件 适合开发以及工业应用发布 9 1虚拟仪器概述 应用 机械结构力学及控制国家重点实验室 21 动态测试技术 虚拟仪器 基于PXI的结构健康监测模块 NI基于PXI的动态信号采集设备 实现高性能的加速度传感器采集 最高可达204 8kS s采样率和更新率 118dB动态范围的24位ADC 带交流 直流耦合 IEPE调理 抗混叠滤波和TEDS选项 通过模块间或机箱间的同步 能创建从2到5000个通道高精度同步采集 通过NI信号调理模块 为应变 温度 位移等传感器提供如电桥 冷端补偿等信号调理功能 提供高达24位 102 4kS s采样的8路同步电桥输入 或者32通道的热电偶输入 9 1虚拟仪器概述 应用 机械结构力学及控制国家重点实验室 22 动态测试技术 虚拟仪器 基于PXI的结构健康监测模块 通过工业级RS485或者422接口 可实现带光电隔离的总线端口 适合各类其他各类基于RS485 422总线的传感器 如疲劳计 倾斜计 位移计 索力计 风速计等 NI同步与定时模块 可通过GPS IEEE1588 IRIG B等信号进行分布式系统的同步 自带GPS模块 可支持GPS天线 通过高精度的定时模块 帮助对PXI系统中不同机箱的多种设备进行触发与同步 9 1虚拟仪器概述 应用 机械结构力学及控制国家重点实验室 23 动态测试技术 虚拟仪器 NICompactRIO结构健康监测平台 NICompactRIO由一个实时控制器 内置可重配置FPGA芯片的坚固机箱和NIC系列I O模块组合而成 最高可在 40 到70 的操作温度范围下工作 其高可靠性的设计 小巧的体积 更适合恶劣工况或或建筑结构的现场监测 9 1虚拟仪器概述 应用 机械结构力学及控制国家重点实验室 24 动态测试技术 虚拟仪器 NICompactRIO结构健康监测平台 实时控制器 独立的实时分析 控制以及记录 以太网 串口 与外部设备 显示器的通信与连接 支持多种工业标准和嵌入式协议 可重配置机箱 经由LabVIEW编程的FPGA 可用于高速而精确的定时 控制以及触发 可重配置的FPGA用于快速原型发布和自定义开发 9 1虚拟仪器概述 应用 机械结构力学及控制国家重点实验室 25 动态测试技术 虚拟仪器 NICompactRIO结构健康监测平台 C系列I O模块 与模拟和数字传感器 执行机构直接连接 也可以自行设计模块 超过100种C系列模块电压应变运动驱动器电流数字 12 24 48VTTL 来自第三方开发者的50多种专用模块温度计数器 定时器加速度计CAN通信 9 1虚拟仪器概述 应用 机械结构力学及控制国家重点实验室 26 动态测试技术 虚拟仪器 结构健康监测的C系列模块 来自NI的C系列硬件包括了超过50种的可热插拔模块 可连接各类数字I O 模拟I O 传感器 执行机构 支持多种通信协议与总线 为工业以及嵌入式应用提供了多样化 模块化的I O与通信接口 适用于NICompactRIO及NICompactDAQ平台 如欲获取C系列模块的完整列表 访问 9 1虚拟仪器概述 应用 机械结构力学及控制国家重点实验室 27 动态测试技术 虚拟仪器 适用于结构健康监测的C系列模块主要模块参数 9 1虚拟仪器概述 应用 机械结构力学及控制国家重点实验室 28 动态测试技术 虚拟仪器 虎门大桥多通道强震动监测报警系统 利用NI公司的cRIO模块和LabVIEW8 6集成开发软件快速构建软硬件平台 进行多通道强震动监测与报警系统开发 实现地震动信号调理 数据采集 时钟同步 数据压缩传输 数据实时分析 数据离线分析 健康诊断 突发性震动破坏事件报警 网络通信和仪器控制等功能 9 1虚拟仪器概述 应用 机械结构力学及控制国家重点实验室 29 动态测试技术 虚拟仪器 基于NIcRIO的多通道强震动监测与报警系统 是针对重大工程 生命线工程 超高层建筑和特殊结构远程实时长期地开展强震动监测和分析其健康状况而设计的 既能够以分布式布设 也可以作为单一监测系统独立工作 系统由地震观测站点 专线网络和数据中心三大部分构成 强震动监测与报警系统组成 9 1虚拟仪器概述 应用 机械结构力学及控制国家重点实验室 30 动态测试技术 虚拟仪器 地震观测站点中的数据采集器采用NIcRIO数据采集模块 GPS模块和电源模块搭建而成 其中cRIO由嵌入式实时控制器cRIO9014 cRIO背板cRIO9104 模拟输入模块cRIO9205 模拟输出模块cRIO9263和高速数字IO模块cRIO9401构成 9 1虚拟仪器概述 应用 机械结构力学及控制国家重点实验室 31 动态测试技术 虚拟仪器 整个数据采集终端的软件由数据采集和通信两大部分组成 数据采集在FPGA和实时 RT 控制器上实现 集成了GPS同步 数字降采样 标定信号的多路转换控制和多种复杂的触发策略等极具挑战性的功能 通信部分的接口中 由数据采集器直接将实时数据流压缩打包成miniSEED格式 并按照NetSeisIP地震数据流的通信协议 发送到远程的地震流服务器或上位机监控分析软件 强震动监测与报警系统的软件架构及其实现 9 1虚拟仪器概述 应用 机械结构力学及控制国家重点实验室 32 动态测试技术 虚拟仪器 上位机通信控制及分析软件主要由记录仪设置 实时监测 数据管理 数据分析四大模块组成 其中记录仪设置包括常规 数据采集 通道 事件记录信息的设置等 实时监测包括波形的实时显示 通道表示 本地记录设置 本地记录 远程记录 标定信号 站点信息 系统状态 连接状态 GPS捕获状态 秒脉冲锁定状态 强震告警 关键参数实时计算及显示等 数据管理包括数据采集器的数据回收及数据删除 本地数据的更新及删除等 数据分析可以实时或离线分析信号的时域指标 最大值 最小值 峰峰值 RMS值 平均值等 又可对时域波形进行频谱分析和时频谱分析 计算出健康诊断和警报等关键参数信息 9 1虚拟仪器概述 应用 机械结构力学及控制国家重点实验室 33 动态测试技术 虚拟仪器 总结 借助NI公司功能强大 高效并且容易使用的图形化编程语言LabVIEW 结合先进的cRIO硬件平台 在很短的时间内就搭建了多通道强震动监测与报警平台 较快地实现了地震动信号调理 数据采集 时钟同步 数据压缩传输 数据实时分析 数据离线分析 健康诊断 突发性震动破坏事件报警 网络通信和仪器控制等复杂功能 大大缩短了程序的开发周期 采用了创新的方法 在NI的平台上实现了数据的压缩和基于NetSeisIP协议传输 可以预见 在地震行业内 利用NI产品进行相关研发 将有广阔的发展前景 9 1虚拟仪器概述 应用 机械结构力学及控制国家重点实验室 34 本章主要内容 虚拟仪器概述LabVIEW简介 机械结构力学及控制国家重点实验室 35 动态测试技术 虚拟仪器 9 2LabVIEW简介 LabVIEW的全称为LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench 实验室虚拟仪器集成环境 是由美国国家仪器公司 NationalInstruments NI 创立的一种功能强大而又灵活的仪器和分析软件应用开发工具 机械结构力学及控制国家重点实验室 36 动态测试技术 虚拟仪器 9 2LabVIEW简介 它是一种基于图形化的 用图标来代替文本行创建应用程序的计算机编程语言 在以PC为基础的测量和工控软件中 LabVIEW的市场普及率仅次于C C语言 LabVIEW已经广泛地被工业界 学术界和研究实验室所接受 被公认为是标准的数据采集和仪器控制软件 机械结构力学及控制国家重点实验室 37 动态测试技术 虚拟仪器 9 2LabVIEW简介 LabVIEW使用的编程语言通常称为G语言 G语言与传统文本编程语言的主要区别在于 传统文本编程语言是根据语句和指令的先后顺序执行 而LabVIEW则采用数据流编程方式 程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序 G语言用图标表示函数 用连线表示数据流向 机械结构力学及控制国家重点实验室 38 动态测试技术 虚拟仪器 9 2LabVIEW简介 机械结构力学及控制国家重点实验室 39 动态测试技术 虚拟仪器 9 2LabVIEW简介 机械结构力学及控制国家重点实验室 40 动态测试技术 虚拟仪器 9 2LabVIEW简介 LabVIEW的优势 开发速度快 面向广大工程师 1 提供了丰富的图形控件 采用了图形化的编程方法 把工程师从复杂枯涩的文件编程工作中解放出来 2 采用数据流模型 实现了自动的多线程 从而能充分利用处理器 尤其是多处理器 的处理能力 3 内建有编译器 能在用户编写程序的同时自动完成编译 因此如果用户在编写程序的过程中有语法错误 就能立即在显示器上显示出来 4 通过DLL CIN节点 ActiveX NET或MATLAB脚本节点等技术 能够轻松实现LabVIEW与其他编程语言的混合编程 机械结构力学及控制国家重点实验室 41 动态测试技术 虚拟仪器 9 2LabVIEW简介 LabVIEW的优势