【正文】 的傳感器和配套儀器，如變電容傳感器、光纖傳感器、電渦流傳感器等，pc機(jī)性能的提高引發(fā)了測(cè)試儀器領(lǐng)域的一場(chǎng)革命性變化，即產(chǎn)生了插卡式加軟件的所謂虛擬儀器。虛擬儀器是當(dāng)前計(jì)算機(jī)的主流技術(shù)與應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件和高性能模塊化的硬件相結(jié)合的產(chǎn)物，可由用戶自己設(shè)計(jì)和定義，用軟件在屏幕上生成儀器控制面板，進(jìn)行信號(hào)分析和處理。而國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的針對(duì)振動(dòng)測(cè)試的設(shè)備大多是模擬式和數(shù)字式儀表，功能比較單一，與國(guó)外設(shè)備相比，精度較差，可靠性低。這些儀器基本上屬于硬件組成的專用信號(hào)分析與處理儀器，一般不能存儲(chǔ)記錄。這就為國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)高性能的動(dòng)態(tài)測(cè)試分析儀提出了迫切要求，同時(shí)隨著PC機(jī)的廣泛應(yīng)用，虛擬儀器技術(shù)用于動(dòng)態(tài)測(cè)試領(lǐng)域已成為發(fā)展趨勢(shì)。 課題主要研究?jī)?nèi)容本文從虛擬儀器開(kāi)發(fā)的角度，首先對(duì)虛擬儀器的概念和內(nèi)容做簡(jiǎn)要介紹，然后對(duì)虛擬儀器的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW進(jìn)行闡述，在分析了信號(hào)分析處理的原理后，使用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試與分析虛擬儀器系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)按照模塊化的思想，擬采用菜單的形式搭建如下5個(gè)功能模塊：(1)數(shù)據(jù)采集：實(shí)現(xiàn)Windows下基于6221數(shù)據(jù)采集卡的單通道數(shù)據(jù)采集、雙通道數(shù)據(jù)采集和多通道數(shù)據(jù)采集，采樣頻率默認(rèn)為1024Hz。(2)信號(hào)預(yù)處理：數(shù)字濾波器一般用在數(shù)據(jù)采樣之后，對(duì)采樣后的信號(hào)做信號(hào)預(yù)處理使用。(3)時(shí)域分析：包括能產(chǎn)生幾種典型信號(hào)的信號(hào)發(fā)生子模塊和對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域相關(guān)分析子模塊。(4)頻域分析：包括對(duì)仿真信號(hào)和實(shí)際采集到的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，功率譜分析，倒頻譜分析，得到信號(hào)的頻域特征。(5)時(shí)頻分析：采用諧波小波實(shí)現(xiàn)仿真信號(hào)的時(shí)頻分析及諧波小波濾波功能。第2章 虛擬儀器和labview 虛擬儀器 虛擬儀器的概述虛擬儀器概念早在 20 世紀(jì) 70 年代就已提出,但真正得以實(shí)現(xiàn)則是在 PCI、GPIBVXI、PXI 等總線準(zhǔn)出現(xiàn)之后才變?yōu)榭赡?并隨著卡式儀器、VXI 總線儀器、PXI總線儀器等的推出而得到迅速發(fā)展。虛儀器技術(shù)是儀器技術(shù)、通信技術(shù)、總線技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物[3]。這是在準(zhǔn)計(jì)算機(jī)軟硬件基礎(chǔ)上,加上一組軟件和硬件所構(gòu)成。 虛擬儀器從本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)開(kāi)放式結(jié)構(gòu),用通用算機(jī)、DSP 信號(hào)處理器或其他 CPU 提供系統(tǒng)管理、信號(hào)處理、存儲(chǔ)以及顯示功能；用數(shù)據(jù)采集板、GP或 VXI 總線接口板提供信號(hào)獲取和控制信號(hào)輸出,從而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器功能。 “數(shù)據(jù)采集—分析處理—輸顯示”結(jié)構(gòu)模式為其硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái),同時(shí)充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大軟件功能及有關(guān)測(cè)試開(kāi)發(fā)軟件所需要試儀器方案。虛擬儀器功能完全由用戶自己設(shè)計(jì)、定義,因而可以通過(guò)改變軟件適應(yīng)不同測(cè)試需要,很易與互聯(lián)網(wǎng)、外設(shè)以及其他儀器相聯(lián)接,真正體現(xiàn)軟件就是儀器、網(wǎng)絡(luò)就是儀器的概念。虛擬儀器的概念是美國(guó)NI公司(National Instrument)在20世紀(jì)80年代中期提出來(lái)的。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，虛擬儀器有許多優(yōu)點(diǎn)：對(duì)測(cè)試量的處理和計(jì)算可更復(fù)雜且處理速度更快，測(cè)試結(jié)果的表達(dá)方式更加豐富多樣，可以方便地存儲(chǔ)和交換測(cè)試數(shù)據(jù)，價(jià)格低，技術(shù)更新快。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(guò)修改虛擬儀器的軟件來(lái)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[1]。 　虛擬儀器是一種功能意義上的儀器，其核心是在最少量的硬件模塊支持下， 用軟件實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析、顯示的功能。它用顯示在PC機(jī)上的虛擬面板代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器面板，用鼠標(biāo)、鍵盤對(duì)測(cè)量的參數(shù)及進(jìn)程進(jìn)行控制。用戶可以充分發(fā)揮自己的才能和想象力來(lái)設(shè)計(jì)滿足需求的儀器系統(tǒng)。虛擬儀器系統(tǒng)主要包括以下三個(gè)部分：安裝有強(qiáng)大應(yīng)用軟件的計(jì)算機(jī)平臺(tái)或者是工作站：硬件部分，數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理卡、G P I B接口儀器、V XI 接口儀器等；被測(cè)單元，或前端傳感器。虛擬儀器不僅實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的儀器功能，并且有更大的性能拓展，虛擬儀器改變了傳統(tǒng)以硬件為中心的儀器架構(gòu)，而是利用了商用計(jì)算機(jī)及工作站的計(jì)算功能、工作效率、 顯示功能和方便的連接方法，形成了以軟件為中心的儀器系統(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)。其中最有代表性的圖形化編程軟件是美國(guó)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))。它是世界上第一個(gè)采用圖形化編程技術(shù)的面向儀器的32位編譯型程序開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，它的目標(biāo)就是簡(jiǎn)化程序的開(kāi)發(fā)工作，提高編程效率，讓科學(xué)家和工程技術(shù)人員充分利用計(jì)算機(jī)的資源和強(qiáng)大功能，快速簡(jiǎn)捷地完成自己的工作任務(wù)，它被稱為科學(xué)家與工程師的語(yǔ)言。 虛擬儀器的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和趨勢(shì)儀器的發(fā)展大體可分為四代：第一代是20世紀(jì)初發(fā)展起來(lái)的以電磁感應(yīng)律為基礎(chǔ)的指針式儀器,如指針式萬(wàn)用表；第二代是20世紀(jì)50年代以電子管或晶體管電子電路為基礎(chǔ)的分立元件式模擬儀器，如晶體管電壓表，其價(jià)格低廉,但測(cè)試精度和速度較低；第三代是20世紀(jì)60年代興起的以集成電路芯片為基礎(chǔ)的數(shù)字化儀器，如數(shù)字頻率計(jì)等，它將測(cè)試的精度、分辨力和測(cè)量速度提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)；第四代是20世紀(jì)70年代以微處理器為核心的智能式儀器,這類儀器不僅能自動(dòng)完成某些測(cè)量任務(wù)，還能進(jìn)行一些復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，其缺點(diǎn)是功能模塊全部以硬件(或固化軟件)的形式存在，無(wú)論是開(kāi)發(fā)還是應(yīng)用，都缺乏靈活性?，F(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，除了要求各種機(jī)械具備低振動(dòng)和低噪聲的性能外，需隨時(shí)對(duì)其運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)、診斷和對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行控制，這些技術(shù)措施都離不開(kāi)振動(dòng)的測(cè)量。一般振動(dòng)測(cè)試大致可分為兩類：一類是測(cè)量設(shè)備和結(jié)構(gòu)所存在的振動(dòng)；另一類則是對(duì)設(shè)備或結(jié)構(gòu)施加某種激勵(lì)，使其產(chǎn)生振動(dòng)，然后測(cè)量其振動(dòng)。此類測(cè)振的目的是研究設(shè)備或結(jié)構(gòu)的力學(xué)動(dòng)態(tài)性能。正是由于振動(dòng)測(cè)試在近代工程領(lǐng)域有著極其重要的作用，所以受到普遍重視，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和普及，尤其是便攜式計(jì)算機(jī)的普及，虛擬儀器設(shè)計(jì)已成為當(dāng)前和今后的發(fā)展趨勢(shì)。強(qiáng)大的系統(tǒng)資源和良好的操作界m，以及巨大的存儲(chǔ)容量和各種各樣的應(yīng)用軟什等，提供了極好的設(shè)計(jì)甲臺(tái)和環(huán)境。因此，奉課題基r虛擬儀器的思恕，采用便攜式系統(tǒng)集成方案，用LabVIEW軟什和專用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行制動(dòng)器振動(dòng)信號(hào)和噪聲信號(hào)的檢測(cè)和分析，利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源來(lái)完成傳統(tǒng)儀器的測(cè)試功能。這樣，不僅可以大大減少檢測(cè)的工作量，降低測(cè)試系統(tǒng)成本，還可以提高測(cè)試效率，適應(yīng)在速度、準(zhǔn)確度、數(shù)據(jù)分析以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用性等日益提高的測(cè)試要求，同H、J使檢測(cè)設(shè)備投資少，丌發(fā)周期短，通用性強(qiáng)，易維護(hù)。 虛擬儀器的特點(diǎn)現(xiàn)代化生產(chǎn)要求電子儀器品種多、功能全、精度和自動(dòng)化程度高，而且要求測(cè)試速度快、實(shí)時(shí)性好、具有良好的人機(jī)界面。虛擬儀器正可以實(shí)現(xiàn)這些要求。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有以下特點(diǎn)：（1）傳統(tǒng)儀器的面板只有一個(gè)，其上布置著種類繁多的顯示與操作元件，易于導(dǎo)致識(shí)別與操作誤差。虛擬儀器則可以通過(guò)在幾個(gè)分面板上的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。（2）硬件功能軟件化，虛擬儀器使儀器的部分硬件功能軟件化，并封裝形成模塊；（3）儀器的功能是用戶根據(jù)需要由軟件來(lái)定義的，而不是事先由廠家定義好的。（4）儀器性能的改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需更新相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，而不需購(gòu)買新的儀器。（5）研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短，且成本低、維護(hù)方便，易于應(yīng)用新理論、新算法和新技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器的換代升級(jí)。（6）虛擬儀器開(kāi)放、靈活，可與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，也可與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)。 虛擬儀器的分類虛擬儀器的發(fā)展隨著微機(jī)的發(fā)展和采用總線方式的不同，可分為五種類型： 第一類：并行口式最新發(fā)展的一系列可連接到計(jì)算機(jī)并行口的測(cè)試裝置，它們把儀器硬件集成在一個(gè)采集盒內(nèi)。儀器軟件裝在計(jì)算機(jī)上，通?？梢酝瓿筛鞣N測(cè)量測(cè)試儀器的功能，可以組成數(shù)字存儲(chǔ)示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率計(jì)、數(shù)字萬(wàn)用表、功率計(jì)、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。第二類：PXI總線方式PXI 總線方式是 PCI 總線內(nèi)核技術(shù)增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板同步觸發(fā)總線的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，以使用與相鄰模塊高速通訊的局部總線。PXI有高度可擴(kuò)展性。PXI具有8個(gè)擴(kuò)展槽，而臺(tái)式PCI系統(tǒng)只有34個(gè)擴(kuò)展槽，通過(guò)使用PCI—PCI橋接器，可擴(kuò)展到256個(gè)擴(kuò)展槽，臺(tái)式 PC 的性能價(jià)格比和 PCI 總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，將形成未來(lái)的虛擬儀器平臺(tái)。 第三類：GPIB 總線方式GPIB技術(shù)的出現(xiàn)使電子測(cè)量獨(dú)立的單臺(tái)手工操作向大規(guī)模自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展，典型的GPIB系統(tǒng)由PC機(jī)、GPIB接口卡和若干臺(tái) GPIB 形式的儀器通過(guò)GPIB電纜連接而成。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，一塊GPIB接口可帶多達(dá) 14臺(tái)儀器，電纜長(zhǎng)度可達(dá)40米。GPIB 技術(shù)可用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很方便地把多臺(tái)儀器組合起來(lái)，形成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。GPIB 測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡(jiǎn)單。 第四類：PC總線——插卡型這種方式借助于插入計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如 LabVIEW 相結(jié)合。LabVIEW/CVI 是基于文本編程的程序員提供高效的編程工具，通過(guò)三種編程語(yǔ)言 Visual C++,Visual Basic, Labviews/cvi 構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)。它充分利用計(jì)算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源及軟件的便利，但是受 PC 機(jī)機(jī)箱和總線限制，且有電源功率不足，機(jī)箱內(nèi)部的噪聲電平較高，插槽數(shù)目也不多，插槽尺寸比較小，機(jī)箱內(nèi)無(wú)屏蔽等缺點(diǎn)。 第五類：VXI總線方式VXI總線是一種高速計(jì)算機(jī)總線 VME 總線在VI領(lǐng)域的擴(kuò)展，它具有強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的 RFI/EMI 屏蔽。由于它的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時(shí)和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點(diǎn)，很快得到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，VXI 系統(tǒng)的組建和使用越來(lái)越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以及對(duì)速度、精度要求高的場(chǎng)合。有其他儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)[2]。 labview labview概述虛擬儀器的技術(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)。其中最有代表性的圖形化編程軟件是美國(guó)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))。它是世界上第一個(gè)采用圖形化編程技術(shù)的面向儀器的32位編譯型程序開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，它的目標(biāo)就是簡(jiǎn)化程序的開(kāi)發(fā)工作，提高編程效率，讓科學(xué)家和工程技術(shù)人員充分利用計(jì)算機(jī)的資源和強(qiáng)大功能，快速簡(jiǎn)捷地完成自己的工作任務(wù)，它被稱為科學(xué)家與工程師的語(yǔ)言。Labview使用了所見(jiàn)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(kāi)關(guān)及坐標(biāo)平面圖等。用戶可以通過(guò)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(kù)，并集成了很多儀器硬件庫(kù)。Labview支持多種操作系統(tǒng)平臺(tái)，在任何一個(gè)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的Labview應(yīng)用程序可直接移植到其它平臺(tái)上。LabVIEW也是一種通用編程系統(tǒng)，具有各種各樣、功能強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)，包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串行儀器控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，甚至還有目前十分熱門的網(wǎng)絡(luò)功能。 LabVIEW也有完善的仿真、調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步等。LabVIEW的動(dòng)態(tài)連續(xù)跟蹤方式，可以連續(xù)、動(dòng)態(tài)地觀察程序中的數(shù)據(jù)及其變化情況，比其它語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境更方便、更有效。而且LabVIEW與其它計(jì)算機(jī)語(yǔ)言相比，有一個(gè)特別重要的不同點(diǎn)：其它計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼行，而LabVIEW采用圖形化編程語(yǔ)言G語(yǔ)言。LabVIEW滿足了實(shí)現(xiàn)虛擬測(cè)試儀器的條件。它充分考慮了振動(dòng)測(cè)試的特點(diǎn) ,與眾多的編程軟件相比，采用LabVIEW具有更強(qiáng)的相通性、開(kāi)放性、專用性。尤其對(duì)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)領(lǐng)域 ,開(kāi)發(fā)周期短、成本低、質(zhì)量高。下面結(jié)合一臺(tái)虛擬振動(dòng)測(cè)試儀具體介紹虛擬儀器的組成和基于LabVIEW的虛擬儀器使用功能編程方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)。 labview的應(yīng)用LabVIEW強(qiáng)大的硬件驅(qū)動(dòng)、圖形顯示能力和便捷的快速程序設(shè)計(jì)，為過(guò)程控制和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用提供了優(yōu)秀的解決方案。對(duì)于更復(fù)雜更專業(yè)的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，在LabVIEW基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的BridgeVIEW是更好的選擇。LabVIEW為科學(xué)家和