虛擬儀器技術(shù)及其應(yīng)用

-.z虛擬儀器技術(shù)及其應(yīng)用1.虛擬儀器的概念虛擬儀器(VirtualInstruments，簡(jiǎn)稱(chēng)VI)的概念，最早是由美國(guó)國(guó)家儀器公司(NationalInstrumentsCorp.簡(jiǎn)稱(chēng)NI)于1986年提出來(lái)的，這是對(duì)傳統(tǒng)儀器概念上的重大突破。其根本原理是以計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)，使原來(lái)需要硬件實(shí)現(xiàn)的各種儀器功能盡可能地軟件化，利用高效靈活的軟件控制高性能的硬件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用，以便最大限度地降低系統(tǒng)本錢(qián)，增強(qiáng)系統(tǒng)功能與靈活性。用形象語(yǔ)言來(lái)概括虛擬儀器的原理，即“軟件就是儀器〞。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器在智能化程序、處理能力、性能價(jià)格比、可操作性等方面都與有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)為：智能化程度高，處理能力強(qiáng)。虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件水平。用戶(hù)完全可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，將現(xiàn)金的信號(hào)處理算法、人工智能技術(shù)和專(zhuān)家系統(tǒng)應(yīng)用于儀器設(shè)計(jì)與集成，從而將智能儀器水平提高到一個(gè)新的層次。復(fù)用性強(qiáng)，系統(tǒng)費(fèi)用低。應(yīng)用虛擬儀器思想，用一樣的根本硬件可構(gòu)造多種不同功能的測(cè)試分析儀器，如同一個(gè)高速數(shù)字采樣器，可設(shè)計(jì)出數(shù)字示波器、邏輯分析儀、計(jì)數(shù)器等多種儀器。這樣形成的測(cè)試儀器系統(tǒng)功能更靈活、系統(tǒng)費(fèi)用更低。通過(guò)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接，還可實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享，更好地發(fā)揮儀器的使用價(jià)值。可操作性強(qiáng)。虛擬儀器面板可由用戶(hù)定義，針對(duì)不同應(yīng)用可以設(shè)計(jì)不同的操作顯示界面。使用計(jì)算機(jī)的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡(jiǎn)便、易于理解，測(cè)量結(jié)果可以直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。測(cè)量完后還可以打印，顯示所需的報(bào)表或區(qū)縣，這些都使得儀器的可操作性大大提高。2.虛擬儀器的歷史、現(xiàn)狀、開(kāi)展2.1歷史測(cè)量?jī)x器是科學(xué)技術(shù)開(kāi)展的根底，而科學(xué)技術(shù)的開(kāi)展又推動(dòng)著測(cè)量?jī)x器的開(kāi)展進(jìn)程。測(cè)量?jī)x器儀表技術(shù)開(kāi)展至今，主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：以電磁技術(shù)為根底的指針式儀表階段以模擬電子技術(shù)為根底的模擬式儀表階段以數(shù)字電子技術(shù)為根底，引入了鎖相技術(shù)、頻率合成技術(shù)、數(shù)字取樣技術(shù)等的數(shù)字化儀表階段以大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路為根底的智能化儀器儀表階段。這一階段是電子儀器領(lǐng)域取得重大開(kāi)展的標(biāo)志性聯(lián)階段，在一定時(shí)期內(nèi)曾開(kāi)創(chuàng)了現(xiàn)代電子測(cè)量、測(cè)試技術(shù)的先河以電子測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的開(kāi)展相融合為根底的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)階段。這是電子測(cè)量技術(shù)的又一次飛躍，它真正實(shí)現(xiàn)了高速度、高準(zhǔn)確度、多參數(shù)和多功能的測(cè)試，甚至在一定程度上實(shí)現(xiàn)了不同地域上的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試功能。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)階段是基于傳統(tǒng)儀器儀表技術(shù)的測(cè)量測(cè)試技術(shù)開(kāi)展的高級(jí)階段，它是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)高度開(kāi)展的必然結(jié)果，同時(shí)也為科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步開(kāi)展提供了根底性的保障。上述不同階段的儀器儀表技術(shù)，還同屬于具有一定的物理形態(tài)、主要靠自身硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能的儀器儀表，即傳統(tǒng)觀念上的具有物理實(shí)體的儀器儀表，其共同特征都是不脫離物質(zhì)根底的實(shí)體儀器，也具有形狀規(guī)格、功能特性不易更改和消耗物質(zhì)資源等共同的物質(zhì)特征。2.2現(xiàn)狀國(guó)外虛擬儀器技術(shù)自上世紀(jì)80年代由美國(guó)NI公司提出以來(lái)，一直成為興旺國(guó)家自動(dòng)測(cè)控領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和應(yīng)用前沿。近年來(lái)，世界各國(guó)的許多大型自動(dòng)測(cè)控和儀器公司均相繼研制了為數(shù)不少的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，但最早和最具影響力的還是NI公司的圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW〔NI也推出了基于C語(yǔ)言模式的了Labwindows/CVI等交互式開(kāi)發(fā)平臺(tái)〕。虛擬儀器在國(guó)外已開(kāi)展成為一種新的產(chǎn)業(yè)。美國(guó)是虛擬儀器的誕生地，目前也是全球最大的虛擬儀器制造國(guó)。國(guó)內(nèi)虛擬儀器最早的研究也是從引進(jìn)消化NI的產(chǎn)品開(kāi)場(chǎng)。國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)也曾將虛擬儀器研究作為現(xiàn)代機(jī)械工程科學(xué)前沿學(xué)科之一，列入過(guò)為“十五〞期間優(yōu)先資助領(lǐng)域。目前有些研究已取得可喜成績(jī)，如由**大學(xué)測(cè)試中心秦樹(shù)人教授承當(dāng)?shù)膰?guó)家863工程“虛擬儀器關(guān)鍵技術(shù)的研究及其產(chǎn)業(yè)化〞，所研發(fā)的“一體化虛擬儀器〞就是一種不同于歐美虛擬儀器的新技術(shù)。這項(xiàng)成果說(shuō)明我國(guó)在虛擬式儀器方面走出一條與歐美技術(shù)線(xiàn)路完全不同的自主創(chuàng)新路子，并成為國(guó)際上嵌入式一體化虛擬儀器研發(fā)的先行者。2.3開(kāi)展趨勢(shì)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷完善，虛擬儀器將向以下五個(gè)方向開(kāi)展。與計(jì)算機(jī)的結(jié)合更加嚴(yán)密，集成化程度更高儀器的開(kāi)展經(jīng)歷了由模擬儀器、數(shù)字化儀器、智能儀器到可編程的虛擬儀器的開(kāi)展歷程。其中每一次飛躍無(wú)不以高性能計(jì)算機(jī)的開(kāi)展為動(dòng)力。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)的處理能力一直按指數(shù)率提高，開(kāi)展之快已把傳統(tǒng)儀器遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在了后面。計(jì)算機(jī)具有儀器所需要的、最先進(jìn)及性能價(jià)格比最好的顯示與存儲(chǔ)能力，尤其是計(jì)算機(jī)總線(xiàn)技術(shù)的開(kāi)展，在提高總線(xiàn)速度和推廣標(biāo)準(zhǔn)化等方面都取得了很大的成就，計(jì)算機(jī)生產(chǎn)廠商之間的劇烈競(jìng)爭(zhēng)保證了計(jì)算機(jī)在顯示、存儲(chǔ)能力與處理性能等方面仍將繼續(xù)高速開(kāi)展。儀器接口更加靈活，可組建不同接口總線(xiàn)的系統(tǒng)虛擬儀器的突出成就是不僅可以利用PC機(jī)組建成為靈活的虛擬儀器，更重要的是它可以通過(guò)各種不同的接口總線(xiàn)，組建不同規(guī)模的系統(tǒng)。如GPIB儀器通過(guò)GPIB接口卡與計(jì)算機(jī)組成GPIB系統(tǒng)，并行總線(xiàn)儀器組成并行總線(xiàn)系統(tǒng)等。一般來(lái)說(shuō)GPIB、V*I、P*I適合大型高精度集成測(cè)試系統(tǒng)；PCDAQ、并行口式、串行口式系統(tǒng)適合普及型的廉價(jià)系統(tǒng)；現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)主要用于大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試。有時(shí)，可以根據(jù)不同需要組建不同規(guī)模的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，也可以將上述幾種方案結(jié)合起來(lái)組成混合測(cè)試系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)化將是虛擬儀器開(kāi)展的趨勢(shì)基于Internet的網(wǎng)絡(luò)儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的完美結(jié)合，代表了當(dāng)前和今后儀器儀表領(lǐng)域的開(kāi)展潮流，已在測(cè)量與測(cè)控領(lǐng)域內(nèi)顯現(xiàn)。如網(wǎng)絡(luò)化流量計(jì)、網(wǎng)絡(luò)化分析儀、網(wǎng)絡(luò)化計(jì)量表等，都成為人們的新寵。網(wǎng)絡(luò)化儀器可實(shí)現(xiàn)任意時(shí)間、任何地點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程，實(shí)時(shí)獲得儀器的工作狀態(tài)；通過(guò)友好的用戶(hù)界面，不僅可對(duì)遠(yuǎn)程儀器進(jìn)展功能控制和狀態(tài)檢測(cè)，還能將遠(yuǎn)程儀器測(cè)得的數(shù)據(jù)快速傳遞給本地計(jì)算機(jī)。與傳統(tǒng)的儀器相比，網(wǎng)絡(luò)儀器具有無(wú)可比較的優(yōu)勢(shì)，如功能分散、危險(xiǎn)分散、地理分散、管理集中、通信功能強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)隔離度高、分布廣泛;系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，人機(jī)界面友好，便于擴(kuò)展和維護(hù)等。組件化趨勢(shì)—硬件和軟件“軟件就是儀器〞，說(shuō)明軟件是構(gòu)成虛擬儀器的核心，是虛擬儀器的靈魂。隨著測(cè)量和控制應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)性能和靈活性要求的不斷提高，軟件的設(shè)計(jì)功能也逐漸重要。用靈活強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的*些硬件，功能強(qiáng)大、現(xiàn)成即用的軟件使整個(gè)過(guò)程自動(dòng)進(jìn)展。為了便于用戶(hù)使用，儀器制造商同時(shí)對(duì)硬件和軟件標(biāo)準(zhǔn)化，將虛擬儀器、虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)細(xì)分為硬件模塊、驅(qū)動(dòng)程序和軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)等假設(shè)干層，對(duì)各層與相鄰層之間的接口都加以標(biāo)準(zhǔn);軟硬件廠商都按標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)各自的軟硬件產(chǎn)品，使其具有最正確的互換性能。合成儀器將大量出現(xiàn)虛擬儀器技術(shù)經(jīng)過(guò)20多年的開(kāi)展，而今正沿著總線(xiàn)與驅(qū)動(dòng)程序標(biāo)準(zhǔn)化、硬/軟件模塊化、編程平臺(tái)的圖形化和硬件模塊的即插即用方向進(jìn)步。以開(kāi)放式模塊化儀器標(biāo)準(zhǔn)為根底的虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)正日趨完善，建立在虛擬儀器技術(shù)上的各種先進(jìn)儀器將會(huì)層出不窮。3.虛擬儀器的計(jì)算機(jī)模擬信號(hào)輸入輸出的工作原理模擬量輸入輸出通道是微型計(jì)算機(jī)與控制對(duì)象之間的一個(gè)重要接口，也是實(shí)現(xiàn)工業(yè)過(guò)程控制的重要組成局部。工業(yè)生產(chǎn)中，需要測(cè)量和控制的物理量往往是連續(xù)變化的電流、電壓、溫度、壓力、位移、流量等。利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制：①必須能夠?qū)⑸a(chǎn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)設(shè)備輸出的連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)能夠識(shí)別和承受的數(shù)字量。②能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)發(fā)出的控制命令轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號(hào)，去驅(qū)動(dòng)模擬調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這樣兩個(gè)過(guò)程，都需要模擬量的輸入和輸出通道來(lái)完成。3.1模擬量的輸入通道模擬量輸入通道由以下幾個(gè)局部組成：1.傳感器：是用于將工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的*些非電物理量轉(zhuǎn)換為電量的器件。例如：溫度傳感器：溫度電壓信號(hào)壓力傳感器：壓力的變化電信號(hào)2.變送器：將傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成0~10mA、4~20mA的統(tǒng)一電流信號(hào)或者0~5V的電壓信號(hào)。傳感器輸出的電信號(hào)都比較微弱，有些傳感器的輸出甚至是電阻值、電容值等非電量。為了易于與信號(hào)處理環(huán)節(jié)銜接，需要將這些微弱電信號(hào)及電阻值等非電量轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的電信號(hào)，變送器就是實(shí)現(xiàn)這一功能的器件。3.信號(hào)處理環(huán)節(jié)：將變送器輸出的信號(hào)進(jìn)展放大或處理成與A／D轉(zhuǎn)換器所要求的輸入相適應(yīng)的電壓水平。信號(hào)處理環(huán)節(jié)主要包括信號(hào)的放大及干擾信號(hào)的去除4.多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)：在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，需要采集的模擬量一般比較多，且不少模擬量是緩慢變化的信號(hào)。對(duì)這類(lèi)模擬信號(hào)的采集，可采用多路模擬開(kāi)關(guān)，使多個(gè)模擬信號(hào)共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)展采樣和轉(zhuǎn)換，以降低本錢(qián)。5.采樣保持電路：在數(shù)據(jù)采樣期間，保持輸入信號(hào)不變的電路稱(chēng)為采樣保持電路。由輸入模擬信號(hào)連續(xù)變化，A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換需要一定轉(zhuǎn)換時(shí)間。對(duì)變化較快的模擬輸入信號(hào)，如果在轉(zhuǎn)換期間輸入信號(hào)變化，引起轉(zhuǎn)換誤差。所以增加一級(jí)采樣保持電路，保證在轉(zhuǎn)換過(guò)程中輸入信號(hào)保持在其采樣時(shí)的值。6.模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器：將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，以便計(jì)算機(jī)進(jìn)展分析和處理。3.2模擬量的輸出通道計(jì)算機(jī)的輸出信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，而有的控制執(zhí)行元件要求提供模擬的輸入電流或電壓信號(hào)，需要將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，由模擬量的輸出通道來(lái)完成。模擬量的輸出主要通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器〔D/A〕來(lái)完成，D/A轉(zhuǎn)換器的作用是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，數(shù)字量由二進(jìn)制位組成，每個(gè)二進(jìn)制位的權(quán)為2i，要把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電壓，需要先把數(shù)字量的每一位上的代碼按權(quán)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬電流，再把模擬電流相加，最后由運(yùn)算放大器將其轉(zhuǎn)換成模擬電壓。輸出電壓Vo正比于輸入數(shù)字量Dn，幅度大小由Vref和Rf/R的比值決定。如果用二進(jìn)制編碼來(lái)控制每一路的Sj，當(dāng)?shù)趇路的二進(jìn)制碼為1時(shí)，使第j位的Sj閉合；第j路的二進(jìn)制碼為0時(shí)，使對(duì)應(yīng)的Sj斷開(kāi)，則數(shù)字量的變化就轉(zhuǎn)換成了模擬量的變化。D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與基準(zhǔn)電壓Vref和權(quán)電阻Rj的精度以及數(shù)字量的位數(shù)j有關(guān)。位數(shù)越多，轉(zhuǎn)換精度越高，同時(shí)所需的權(quán)電阻的種類(lèi)就越多。在集成電路中制造高阻值的精細(xì)電阻比較困難，因此常用T形電阻網(wǎng)絡(luò)代替權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)。4.虛擬儀器應(yīng)用實(shí)例分析由以上介紹可以知道虛擬儀器主要通過(guò)計(jì)算機(jī)檢測(cè)到被測(cè)系統(tǒng)的信息，并且對(duì)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出相應(yīng)的指令，以滿(mǎn)足系統(tǒng)的需求。例如面向切削加工過(guò)程中的虛擬測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，切削力與切削溫度是金屬切削過(guò)程中的重要狀態(tài)參量采用虛擬儀器測(cè)量切削參數(shù)，能完全替代傳統(tǒng)儀器并擴(kuò)展其功能，并且虛擬儀器能最大限度地降低系統(tǒng)本錢(qián)，增強(qiáng)系統(tǒng)的功能和靈活性。利用通用計(jì)算機(jī)的硬件資源，集儀器的控制、存儲(chǔ)、顯示于計(jì)算機(jī)本身，利用相應(yīng)的軟件在計(jì)算機(jī)屏幕上構(gòu)成一個(gè)虛擬儀器的儀器面板，通過(guò)鍵盤(pán)或鼠標(biāo)代替現(xiàn)實(shí)儀器的面板按鈕及旋鈕，而人手不必觸及儀器本身，從而實(shí)現(xiàn)硬件軟化的結(jié)果，并在足夠硬件的支持下，對(duì)金屬切削過(guò)程的切削力、切削溫度等參數(shù)進(jìn)展采集，再經(jīng)軟件處理，從而反映刀具磨損或破損、切削用量的合理性、機(jī)床故障等切削狀態(tài)，以及實(shí)時(shí)控制切削過(guò)程，盡可能提高切削效率，并減少零件廢品的產(chǎn)生。面向切削加工的虛擬儀器設(shè)計(jì)主要包括了以下幾方面的內(nèi)容：硬件系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)根本功能的實(shí)驗(yàn)與測(cè)試幾個(gè)局部。其中硬件系統(tǒng)主要就包括上文中提到的包括模擬量的輸入輸出通道及其組成局部，而虛擬儀器的根底平臺(tái)就源自這個(gè)硬件系統(tǒng)的搭建，也只有這個(gè)輸入輸出系統(tǒng)的原理正確了，才能保證整個(gè)虛擬儀器的可靠性。其次當(dāng)然不能忽略軟件的構(gòu)成，軟件的編輯是虛擬儀器系統(tǒng)的核心局部，也是開(kāi)發(fā)人員研究的關(guān)鍵局部。虛擬儀器的軟件局部包括硬件驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序以及軟面板程序等。最后，也是虛擬儀器可靠性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了，也就是對(duì)虛擬儀器硬件和軟件的調(diào)試過(guò)程，包括對(duì)硬件的調(diào)零設(shè)置和軟件的初始化之類(lèi)