虛擬儀器大作業(yè)1

《虛擬儀器》大作業(yè)專(zhuān)業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器任課教師：柏俊杰學(xué)生學(xué)號(hào)：2011441811學(xué)生姓名：呂兵日期：2013年3月18日摘要虛擬儀器作為新型儀器有著強(qiáng)大的功能和靈活的應(yīng)用方式，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)介入儀器領(lǐng)域所形成的一種新型的、富有生命力的儀器種類(lèi)，有著廣泛的應(yīng)用前景。本文就虛擬儀器的定義、虛擬儀器的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行簡(jiǎn)單講述，并列舉一個(gè)簡(jiǎn)單的工程案例，介紹它的工程應(yīng)用背景、測(cè)控對(duì)象、測(cè)控方案與系統(tǒng)的構(gòu)成。關(guān)鍵詞：虛擬儀器新型工程應(yīng)用1虛擬儀器簡(jiǎn)介1.1虛擬儀器的發(fā)展背景傳統(tǒng)臺(tái)式測(cè)量?jī)x器是由儀器廠家設(shè)計(jì)并定義好功能的一個(gè)封閉結(jié)構(gòu),它有固定的輸入/輸出接口和儀器操作面板,每種儀器實(shí)現(xiàn)一類(lèi)特定的測(cè)量功能,并以確定的方式提供給用戶。傳統(tǒng)儀器主要由三個(gè)功能塊組成:信號(hào)的采集與控制單元、信號(hào)的分析與處理單元、結(jié)果的表達(dá)與輸出單元。由于這些功能塊基本上是由硬件或固化的軟件形式存在,因此設(shè)計(jì)復(fù)雜、靈活性差,沒(méi)有擺脫獨(dú)立使用、手動(dòng)操作的模式,使用起來(lái)很不方便。計(jì)算機(jī)科學(xué)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和普及,有力地促進(jìn)了多年來(lái)發(fā)展相對(duì)緩慢的儀器技術(shù),于是一種新型的儀器———虛擬儀器(VirtualInstrument,VI)出現(xiàn)了。1.2虛擬儀器的基本概念、構(gòu)成及其特點(diǎn)虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)介入儀器領(lǐng)域所形成的一種新型的、富有生命力的儀器種類(lèi)。從一般儀器的設(shè)計(jì)模型看,儀器是由數(shù)據(jù)采集、分析處理、人機(jī)交互和顯示等幾部分功能模塊組成的整體。因此,我們可以假設(shè)在必要的數(shù)據(jù)采集硬件和計(jì)算機(jī)支持下,通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)儀器的全部功能,這就是虛擬儀器設(shè)計(jì)的核心。實(shí)際上,虛擬儀器就是在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上,配上相應(yīng)的硬件和專(zhuān)用軟件,定義和設(shè)計(jì)儀器的測(cè)試功能,形成既有普通儀器的基本測(cè)試功能,又有一般儀器所沒(méi)有的特殊功能的高檔低價(jià)的新型儀器。虛擬儀器最重要、最核心的技術(shù)是虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。與傳統(tǒng)程序語(yǔ)言不同,這類(lèi)軟件一般采用強(qiáng)大的圖形化語(yǔ)言(如LabVIEW)編程,面向測(cè)試工程師而專(zhuān)業(yè)程序員,編程非常方便;人機(jī)交互界面友好;具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力等特點(diǎn)。但虛擬儀器軟件亦存在其不足,如不適于或不擅長(zhǎng)于完成大量數(shù)據(jù)處理的任務(wù);不能調(diào)用系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)底層操作等。在虛擬儀器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中若遇到這類(lèi)問(wèn)題,就可利用虛擬儀器軟件所提供的分析控制功能與傳統(tǒng)編程語(yǔ)言(如C語(yǔ)言)的接口,將其自身不擅長(zhǎng)或不易實(shí)現(xiàn)的任務(wù)通過(guò)能夠或更適于完成此類(lèi)任務(wù)的其他編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。虛擬儀器的基本構(gòu)成包括計(jì)算機(jī)、虛擬儀器軟件、硬件接口模塊等。其中,硬件接口模塊可包括插入式數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)、串/并口、IEEE488接口(GPIB)卡、VXI控制器以及其它接口卡。目前較為常用的虛擬儀器系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集卡系統(tǒng)、GPIB儀器控制系統(tǒng)、VXI儀器系統(tǒng)以及這三者之間的任意組合。這里,硬件僅是為了解決信號(hào)的輸入輸出,軟件才是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵,所以當(dāng)基本硬件確定以后,就可以通過(guò)不同的軟件(如用于數(shù)據(jù)分析、過(guò)程通訊及圖形用戶界面的軟件)實(shí)現(xiàn)不同的功能。虛擬儀器應(yīng)用軟件集成了儀器的所有采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出和用戶界面等功能,使傳統(tǒng)儀器的某些硬件乃至整個(gè)儀器都被計(jì)算機(jī)軟件所代替。用戶根據(jù)自己的需要,利用計(jì)算機(jī)豐富的軟、硬件資源,可以設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng),從而大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)的處理、表達(dá)、傳遞、儲(chǔ)存等方面的限制,滿足多種多樣的應(yīng)用要求,它不僅用于測(cè)量、測(cè)試、分析、計(jì)量等領(lǐng)域,而且還用于進(jìn)行設(shè)備的監(jiān)控、工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化等。與傳統(tǒng)儀器相比,虛擬儀器除了在智能化程度、處理能力、易用性等方面有更多優(yōu)點(diǎn)外,它還具有這樣的特點(diǎn):1)打破了傳統(tǒng)儀器的“萬(wàn)能”功能概念,將信號(hào)的分析、顯示、存儲(chǔ)、打印和其它管理集中交由計(jì)算機(jī)來(lái)處理。由于充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù),完善了數(shù)據(jù)的傳輸、交換等性能,使得組建系統(tǒng)變得更加靈活和簡(jiǎn)單;2)強(qiáng)調(diào)“軟件就是儀器”的新概念，軟件在儀器中充當(dāng)了以往由硬件甚至整機(jī)實(shí)現(xiàn)的角色,從而使系統(tǒng)的測(cè)量精度、測(cè)量速度和可重復(fù)性都大大提高;3)改變了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無(wú)法改變的模式,虛擬儀器由用戶自己定義,系統(tǒng)的功能、規(guī)模等均可通過(guò)軟件修改、增減,可方便地同外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)及其它應(yīng)用連接,故虛擬儀器可當(dāng)作許多儀器設(shè)備來(lái)使用;4)虛擬儀器的開(kāi)放性和功能軟件的模塊化,使資源的可重復(fù)利用率提高,系統(tǒng)組建時(shí)間縮短,功能易于擴(kuò)展,管理規(guī)范,生產(chǎn)、維護(hù)和開(kāi)發(fā)的費(fèi)用降低,在工程應(yīng)用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益方面具有突出優(yōu)勢(shì),1.3虛擬儀器應(yīng)用領(lǐng)域虛擬儀器具有強(qiáng)大的分析和控制能力，由于它的核心是軟件，只要修改軟件再配上相應(yīng)的硬件就可以改變儀器功能，故虛擬儀器應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。在理論上，只要用到的儀器都可用虛擬儀器來(lái)替代。但是，虛擬儀器在我國(guó)的發(fā)展才剛剛開(kāi)始，主要應(yīng)用在教學(xué)、無(wú)損檢測(cè)、電力等領(lǐng)域。下面就基于虛擬儀器的木材振動(dòng)無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)作簡(jiǎn)單介紹2工程案例2.1工程背景及簡(jiǎn)介木材無(wú)損檢測(cè)是一門(mén)以不破壞被檢測(cè)對(duì)象的性質(zhì)和使用效果為前提,對(duì)木質(zhì)材料進(jìn)行有效的檢驗(yàn)和測(cè)試,借以評(píng)價(jià)木材的完整性或其他特性的綜合性應(yīng)用科學(xué)技術(shù)[1]。最初是借鑒力學(xué)方面的研究成果,用伏特表指針的偏轉(zhuǎn)來(lái)反映振幅的變化,對(duì)木材進(jìn)行檢測(cè)。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及其在電子測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用,木材無(wú)損檢測(cè)儀器不斷進(jìn)步。Sobue首次使用快速傅里葉變換(FastFourierTransform,FFT)分析儀研究了彈性模量的快速測(cè)定方法,開(kāi)發(fā)了用微機(jī)和A/D板的彈性模量自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),通過(guò)采用基于打擊音的FFT頻譜分析方法求得木材的各種共振頻率,再通過(guò)Timoshenko撓性振動(dòng)理論計(jì)算求出彈性模量和剪切模量。目前,振動(dòng)信號(hào)分析儀在國(guó)內(nèi)外都有成型的產(chǎn)品,例如:美國(guó)ADP的PIP雙通道振動(dòng)信號(hào)分析儀、日本松下的VP7726A雙通道振動(dòng)信號(hào)分析儀、臺(tái)灣泰仕的TES-1358振動(dòng)信號(hào)分析儀等,這些分析儀能夠完成振動(dòng)信號(hào)的很多指標(biāo)測(cè)試。但是,其產(chǎn)品的價(jià)格往往較昂貴,通常在十幾萬(wàn)元左右。另外,成型的振動(dòng)信號(hào)分析儀盡管能夠測(cè)試很多的指標(biāo),但這些指標(biāo)未必是每個(gè)用戶都感興趣的。因此,往往出現(xiàn)成型分析儀中的某些指標(biāo)沒(méi)有被利用而用戶感興趣的指標(biāo)在成型分析儀中又無(wú)法測(cè)試的問(wèn)題。虛擬儀器是隨著計(jì)算機(jī)、通信及測(cè)量技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新技術(shù),隨著計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展,虛擬儀器將會(huì)逐漸成為數(shù)字測(cè)量?jī)x器的主流。鑒于以上原因,利用虛擬儀器技術(shù)建立了一套木材振動(dòng)無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)裝有數(shù)據(jù)采集卡和Labview軟件的工控機(jī)和傳聲器采集木材彎曲振動(dòng)信號(hào),經(jīng)過(guò)放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等,利用Labview觀測(cè)振動(dòng)波形,確定其固有頻率,快速直觀的計(jì)算出木材的動(dòng)態(tài)彈性模量。2.2木材無(wú)損檢測(cè)儀及工作原理在彎曲振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)處用細(xì)繩將試件吊起(圖1),用力錘敲擊試件的一端使其產(chǎn)生振動(dòng),另一端用傳聲器測(cè)量試件振動(dòng)信號(hào),將其轉(zhuǎn)換為電量信號(hào);信號(hào)處理電路將傳聲器的電量信號(hào)進(jìn)行整形、轉(zhuǎn)換、濾波處理,變成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào);數(shù)據(jù)采集卡采集信號(hào)處理電路的電壓信號(hào),并轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能處理的數(shù)字信號(hào);通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,數(shù)字信號(hào)進(jìn)入工控機(jī);在Labview平臺(tái)下,調(diào)用信號(hào)處理子模板,進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的采集和FFT分析,求出振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的頻譜,就可以得到試件的共振頻率,并根據(jù)公式(1)計(jì)算出木材的動(dòng)態(tài)彈性模量。（1）2.3硬件設(shè)計(jì)木質(zhì)材料振動(dòng)無(wú)損檢測(cè)的系統(tǒng)由力錘、傳聲器、數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)以配套的應(yīng)用軟件組成，如圖1。圖1虛擬儀器的組成試驗(yàn)所采用的數(shù)據(jù)采集卡為研華公司生產(chǎn)的PCI-1712L型PCI總線多功能數(shù)據(jù)采集。PCI-1712L是一款功能強(qiáng)大的低成本多功能PCI總線數(shù)據(jù)采集卡。它提供了12位A/D轉(zhuǎn)換器,采樣速率可達(dá)1MHz,卡上帶有FIFO緩沖器,可存儲(chǔ)1KA/D采樣值和32KD/A轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)模擬量輸入通道的數(shù)據(jù)采集觸發(fā)方式可使用預(yù)觸發(fā)、后觸發(fā)、匹配觸發(fā)和延時(shí)觸發(fā)。工控機(jī)為研華工控機(jī)IPC-610,主板為PCA-6006LV,傳聲器采用北京聲望公司MPA201,頻率響應(yīng)控制范圍是IEC61672CLASS1型要求范圍的1/2。2.4應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)木質(zhì)材料振動(dòng)無(wú)損檢測(cè)的應(yīng)用軟件采用Labview6.1開(kāi)發(fā)。軟件結(jié)構(gòu)可分為主界面模塊、輸出模塊(虛擬信號(hào)源模塊)、輸入模塊(振動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊)、振動(dòng)數(shù)據(jù)分析模塊,振動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊,振動(dòng)信號(hào)回放和幫助文件，功能框圖如圖2。圖2木材無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)功能模塊3結(jié)束語(yǔ)從模擬電子儀器到數(shù)字電子儀器,到IEEE488HP總線儀器,到完全用戶可編程的虛擬儀器,體現(xiàn)了儀器發(fā)展的軌跡和方向。目前,虛擬儀器在發(fā)達(dá)國(guó)家中發(fā)展很快,其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用已經(jīng)十分普及。以美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI公司)為代表的一批廠商已經(jīng)在市場(chǎng)上推出了基于虛擬儀器技術(shù)而設(shè)計(jì)的商品化儀器產(chǎn)品。同時(shí)虛擬儀器系統(tǒng)及其圖形編程語(yǔ)言,在美國(guó)已作為各大學(xué)理工科學(xué)生的一門(mén)必修課程。在我國(guó)虛擬儀器設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用也已起步,其中有幾家企業(yè)研制的虛擬儀器產(chǎn)品已達(dá)到一定的批量。國(guó)內(nèi)專(zhuān)家預(yù)測(cè),未來(lái)的幾年內(nèi),我國(guó)將有50%的儀器為虛擬儀器。屆時(shí),國(guó)內(nèi)將有大批企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展,各種有關(guān)軟件不斷誕生,虛擬儀器將會(huì)逐步取代傳統(tǒng)的測(cè)試儀器而成為測(cè)試儀器的主流。參考文獻(xiàn)[1]朱曉冬.基于虛擬儀器的木材振動(dòng)無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)研究[N].西北林學(xué)院學(xué)報(bào)2010,25(5):182