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基于虛擬儀器的測(cè)試系統(tǒng)

發(fā)布: 2010-10-21 00:15 | 作者: 白樹森 | 來源: | 字體: 小中大

摘要　虛擬儀器就是以計(jì)算機(jī)作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺(tái)，充分利用計(jì)算機(jī)智能化功能，把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之成為全新儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的技術(shù)基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)技術(shù)，核心是計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)。Labview使用了“所見即所得”的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面，提供了許多儀器面板中的控制對(duì)象，如表頭、旋鈕、開關(guān)及坐標(biāo)平面圖等。

0、引言

　　所謂虛擬儀器就是以計(jì)算機(jī)作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺(tái)，充分利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算、存儲(chǔ)、回放、調(diào)用、顯示及文件管理等智能化功能，同時(shí)把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計(jì)算機(jī)結(jié)合構(gòu)成一臺(tái)從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同，同時(shí)又充分享用了計(jì)算機(jī)智能資源的全新儀器系統(tǒng)。與傳統(tǒng)儀器相比，它的最大特點(diǎn)就是把由儀器生產(chǎn)廠家定義儀器功能的方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩糇约憾x儀器功能，滿足多種多樣的應(yīng)用需求。由于虛擬儀器的測(cè)試功能、面板控件都實(shí)現(xiàn)了軟件化，任何使用者都可通過修改虛擬儀器的軟件來改變它的功能和規(guī)模，這充分體現(xiàn)了“軟件就是儀器”的設(shè)計(jì)思想。虛擬儀器最有代表性的圖形化編程軟件是美國NI公司推出的Labview（laboratory virtual instrument engineering workbench即實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺(tái)）。Labview使用了“所見即所得”的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面，提供了許多儀器面板中的控制對(duì)象，如表頭、旋鈕、開關(guān)及坐標(biāo)平面圖等。用戶可以通過使用編輯器將控制對(duì)象改變?yōu)檫m合自己工作領(lǐng)域的控制對(duì)象。Labview提供了多種強(qiáng)有力的工具箱和函數(shù)庫，并集成了很多儀器硬件庫。Labview支持多種操作系統(tǒng)平臺(tái)，在任何一個(gè)平臺(tái)上開發(fā)的Labview應(yīng)用程序可直接移植到其它平臺(tái)上。

1、虛擬儀器的硬件結(jié)構(gòu)

圖1　硬件組成框圖

　　傳感器：它的作用是將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為與之有對(duì)應(yīng)關(guān)系電信號(hào)。如測(cè)速發(fā)電機(jī)、流量傳感器等信號(hào)調(diào)理：它的作用包括信號(hào)放大或衰減、濾波、隔離、保護(hù)等。NI公司的儀器信號(hào)調(diào)理板卡SCXI是LabVIEW軟件直接支持的一個(gè)信號(hào)調(diào)理板卡，LabVIEW環(huán)境中調(diào)用非常方便。數(shù)據(jù)采集卡：它是外界信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)的通道，在這個(gè)通道中要實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換、放大或縮小、光電隔離等。選擇數(shù)據(jù)采集卡時(shí)，需要注意以下一些問題：數(shù)據(jù)分辨率、精度、最高采樣速度、通道數(shù)、總線接口類型。美國NI公司的數(shù)據(jù)采集卡很好，但價(jià)格貴，這里選用聲卡價(jià)格便宜，功能也夠用。計(jì)算機(jī)（LabVIEW）：它的作用是數(shù)據(jù)采集，分析，顯示和記錄。

2、虛擬儀器的軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)由兩部分組成：前面板和流程圖。在前面板，輸入用輸入控件（Control）來實(shí)現(xiàn)，程序運(yùn)行的結(jié)果由輸出控件（Indicator）來完成。流程圖是完成程序功能的圖形化源代碼，通過它對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)的輸入和輸出進(jìn)行指定，完成對(duì)信號(hào)采集及分析處理功能的控制。

　　2.1　測(cè)試系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的采集

　　1）將數(shù)據(jù)采集卡安裝到計(jì)算機(jī)相應(yīng)的總線插槽中，安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。在驅(qū)動(dòng)程序安裝的同時(shí)，專用管理軟件MAE會(huì)自動(dòng)安裝在計(jì)算機(jī)中，并在桌面上顯示其圖標(biāo)，利用它可以對(duì)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行檢測(cè)、性能測(cè)試和屬性配置。

　　2）利用LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。LabVIEW中數(shù)據(jù)采集控件主要位于NI Measurements子摸板，其到達(dá)途徑為函數(shù)模塊→All function→NIMeasurements，在此模塊的Data Acquisition子模塊中包含模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入輸出和計(jì)數(shù)器四種輸入輸出方式。在此使用模擬輸入方式，可以通過選擇Data Acquisition子模塊的Analog Input子模板中的初級(jí)、中級(jí)、應(yīng)用級(jí)、高級(jí)四個(gè)層次數(shù)據(jù)采集控件來實(shí)現(xiàn)。一般情況使用初級(jí)或中級(jí)就可以完成數(shù)據(jù)的采集。例如我們使用中級(jí)數(shù)據(jù)采集完成一個(gè)數(shù)據(jù)采集的流程為AI Single→AI Start→AI Reat→AIClear。

　　2.2　測(cè)試系統(tǒng)中的信號(hào)分析

　　1）測(cè)試信號(hào)的時(shí)域分析處理。

　　打開LabVIEW分析處理子模塊，可以看到它分為三個(gè)層次，分別是Express控件、波形控件和基本功能控件�？梢詫�(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，包括對(duì)信號(hào)幅值、周期頻率、相位的求取，還可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算、濾波、求卷積等。

　　2）信號(hào)的頻域分析與處理

　　在LabVIEW中，可以控件對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行頻譜分析、功率譜分析、頻率響應(yīng)函數(shù)分析及相干函數(shù)分析等。

3、應(yīng)用舉例

　　在機(jī)械系統(tǒng)中經(jīng)常需要對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，分析。下面是用LabVIEW與聲卡結(jié)合采集振動(dòng)信號(hào)的控制程序。這里數(shù)據(jù)采集卡用聲卡代替，因?yàn)樗膬r(jià)格便宜，技術(shù)已經(jīng)成熟。采集軟件除存盤和顯示采集的波形外，還要顯示功率譜密度波形。