【文章內(nèi)容簡介】 ）、通用計算機、打印機等構(gòu)成。系統(tǒng)軟件部分通常用專用的虛擬儀器開發(fā)語言（如LabVIEW）編寫而成，并可通過Internet實現(xiàn)網(wǎng)絡擴展。虛擬儀器技術(shù)的核心是軟件。用戶可以采用各種編程軟件來開發(fā)自己所需要的應用軟件。以美國NI公司的軟件產(chǎn)品LabVIEW和LabWindows/CVI為代表的虛擬儀器專用開發(fā)平臺是當前流行的集成化開發(fā)工具。這些軟件開發(fā)平臺提供了強大的儀器軟面板設(shè)計工具和各種數(shù)據(jù)處理工具，再加上虛擬儀器硬件廠商提供的各種硬件的驅(qū)動程序模塊，簡化了虛擬儀器的設(shè)計工作。隨著軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，軟件開發(fā)的模塊化、復用化，和各種硬件儀器驅(qū)動軟件的模塊化、標準化，虛擬儀器軟件開發(fā)將變得更加快速、方便[10]。 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)語言有：標準C，Visual C++ ，Visual Basic等通用程序開發(fā)語言。但直接由這些語言開發(fā)虛擬儀器系統(tǒng)，是有相當難度的。除了要花大量時間進行測試系統(tǒng)面板設(shè)計外，還要編制大量的設(shè)備驅(qū)動程序和底層控制程序。這些工作對于那些不熟悉這方面知識的工程設(shè)計人員來說，要花費大量時間和精力，這樣直接影響了系統(tǒng)開發(fā)的周期和性能。除了通用程序開發(fā)語言以外，還有一些專用的虛擬儀器開發(fā)語言和軟件，其中有影響的開發(fā)軟件有：NI公司的LabVIEW，LabWindows/CVI。LabVIEW采用圖形化編程方案，是非常實用的開發(fā)軟件。LabWindows/CVI是為熟悉C語言的開發(fā)人員準備的，是在Windows環(huán)境下的標準ANSIC開發(fā)環(huán)境。除此以外還有HP公司的HPVEE ，HPTIG開發(fā)平臺，美國Tektronix公司的EzTest ，TekTNS平臺軟件，這些都是國際上公認的優(yōu)秀的虛擬儀器開發(fā)軟件平臺[1011]?！狶abVIEWLabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學術(shù)界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS232和RS485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應用TCP/PI、ActiveX等軟件標準的庫函數(shù)，是一個功能強大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都更加形象化。傳統(tǒng)的文本式編程是一種順序的設(shè)計思路，設(shè)計者必須寫出執(zhí)行的語句。而LabVIEW是基于數(shù)據(jù)流的工作方式，同時是基于圖形化的編程，這使得設(shè)計者不必掌握大量的編程語言和程序設(shè)計技巧便可設(shè)計出虛擬儀器系統(tǒng)[11]。目前，在以PC機為基礎(chǔ)的測試和工控軟件中，LabVIEW的市場普及率僅次于C++/C語言。LabVIEW具有一系列無與倫比的優(yōu)點：首先，LabVIEW作為圖形化語言編程，采用流程圖式的編程，運用的設(shè)備圖標與科學家、工程師們習慣的大部分圖標基本一致，這使得編程過程和思維過程非常相似；同時，LabVIEW提供了豐富的VI庫和儀器面板素材庫，近600種設(shè)備的驅(qū)動程序(可擴充)如GPIB設(shè)備控制、VXI總線控制、串行口設(shè)備控制、以及數(shù)據(jù)分析、顯示和存儲；并且LabVIEW還提供了專門用于程序開發(fā)的工具箱，使得用戶能夠設(shè)置斷點，調(diào)試過程中可以使用數(shù)據(jù)探針和動態(tài)執(zhí)行程序來觀察數(shù)據(jù)的傳輸過程，更加便于程序的調(diào)試[13]。因此，LabVIEW受到越來越多工程師、科學家的普遍青睞。利用LabVIEW ，可產(chǎn)生獨立運行的可執(zhí)行文件，它是一個真正的32編譯器。像許多通用的軟件一樣，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh OS等多種版本。傳感器獲取了信號，經(jīng)參比電路對信號進行處理后，由數(shù)據(jù)采集卡輸入計算機，系統(tǒng)軟件將其轉(zhuǎn)化為直觀可見的圖形或數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析和處理，得到測量結(jié)果[13]。如果沒有采集處理軟件，一切沒有意義，因此軟件設(shè)計部分是本課題的一個重要研究內(nèi)容。系統(tǒng)應用軟件是整個系統(tǒng)的核心，是與用戶直接面對的應用平臺。所以此平臺就要求具有友好的界面、優(yōu)良的容錯性和維護性；當然，作為工程應用，最為主要的是平臺要穩(wěn)定。我們從以下三點對平臺進行要求：1 穩(wěn)定性穩(wěn)定性是系統(tǒng)應用軟件最基礎(chǔ)，但也是最為重要的要求。一切功能在沒有穩(wěn)定性的前提下是沒有任何意義。所以在設(shè)計時，要把穩(wěn)定性作為第一要素進行設(shè)計。2 易用性易用性主要是在操作界面設(shè)計上，要符合人對常規(guī)事物認識的習慣，如對操作系統(tǒng)風格的習慣、對一般實驗儀器使用的習慣等等。3 容錯性容錯性是指當系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤時，系統(tǒng)軟件怎樣對錯誤進行處理。表現(xiàn)在如用戶錯誤使用軟件時，軟件能否給與糾錯；再如系統(tǒng)發(fā)生錯誤時，是否能給與用戶錯誤提示等[1314]。根據(jù)對此系統(tǒng)的功能分析，把整個系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析 兩個部分。數(shù)據(jù)采集模塊包括三通道的同時采集，數(shù)據(jù)時實顯示，數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)分析模式主要是對采下來的數(shù)據(jù)進行分析，包括數(shù)據(jù)讀取，數(shù)據(jù)顯示，濾波器、求平均值等。 系統(tǒng)軟件框圖 目前，世界上實際應用比較成功的虛擬儀器系統(tǒng)軟件主要有美國NI（National Instruments Corp ）公司的Labwindows/CVI和HP公司VEE，而Labview以其圖形化的操作方式，簡潔清晰的語言體系，眾多儀器廠家的支持，日益成為工程師門的首選。 模塊化設(shè)計方法就是把系統(tǒng)分割成能完成獨立功能的模塊，并明確規(guī)定各模塊及其輸入輸出規(guī)格。使用模塊化設(shè)計方法，能達到減少復雜性、提高軟件的可靠性、可維護性和提高軟件開發(fā)工程的組織管理。1數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)DAQ系統(tǒng)的基本任務是物理信號的產(chǎn)生或測量，但是要使計算機系統(tǒng)能夠測量物理信號，必須要使用傳感器把物理信號轉(zhuǎn)換成電信號（電壓或者電流信號）。有時不能把被測信號直接連接到DAQ卡，而必須使用信號調(diào)理輔助電路，先將信號進行一定處理[17]?？傊?，數(shù)據(jù)采集是借助軟件來控制整個DAQ系統(tǒng)的，其中包括采集原始數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、給出結(jié)果等。在方案A中（）插入式DAQ卡安裝在計算機中。該計算機可以使帶有PCMCIA插槽的超級計算機、桌面機或筆記本電腦。在方案B中，DAQ卡在計算機外部，在后一種方案中，可以使用沒有插槽的計算機（如某些筆記本電腦）來構(gòu)建DAQ系統(tǒng)。計算機和DAQ模塊之間可以通過各種總線，比如并行端口進行通信[1819]。當用戶需要將DAQ系統(tǒng)帶入工作現(xiàn)場，進行運行數(shù)據(jù)采集和控制應用時，方案B更為可行。 2數(shù)據(jù)采集卡的選用數(shù)據(jù)采集卡是本系統(tǒng)硬件的核心，它主要完成數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換和存儲?？紤]到采集頻率、輸入精度、A/D轉(zhuǎn)換速度以及分辨率以及可擴展性等技術(shù)指標，本系統(tǒng)采用美國NI公司M系統(tǒng)多功能數(shù)據(jù)采集卡：NI Pxle 6388。其主要性能指標：USB總線，16位ADC，16路模擬輸入；250ks/s單通道采樣率；2路模擬輸出；8路數(shù)字輸入線；每通道有4個可編程輸入范圍。 圖 NI Pxle1071數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 3采樣頻率的確定假設(shè)現(xiàn)在對一個模擬信號每隔時間采樣一次。時間間隔被稱為采樣間隔或者采樣周期，它的倒數(shù)被稱為采樣頻率，單位是采樣數(shù)/秒。其中，2,3，……，對應的采樣值為……。這樣，信號可以用一組分散的采樣值來表示： ，采樣間隔是，注意，采樣點在時域上是分散的 模擬信號和采樣顯示如果對信號采集N個采樣點，那么就可以表示為 這個數(shù)列被稱為信號的數(shù)字化顯示或者采樣顯示。注意，這個數(shù)列中僅用下標變量編制索引，而不含有任何關(guān)于采樣率（或）的信息。所以，如果只知道該信號的采樣值，并不能指定它的采樣率，缺少了時間尺度，也不可能指定信號的頻率[1819]。根據(jù)采樣定理，最低采樣頻率必須是信號頻率的兩倍。反過來說，如果給定了采樣頻率，那么能夠正確顯示信號而不發(fā)生畸變的最大頻率（奈奎斯特頻率）是采樣頻率的一半。如果信號中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分，信號將在直流和奈奎斯特頻率直接畸變。采樣率過低的結(jié)果是還原的信號的頻率看上去與原始信號不同。這種信號畸變叫做混疊。出現(xiàn)的混頻偏差（alias frequency）是輸入信號的頻率和最靠近的采樣率整數(shù)倍的差的絕對值。為了避免混疊效應的發(fā)生，通常首先考慮用采集卡支持的最大頻率。但是，較長時間使用很高的采樣率可能會導致沒有足夠的內(nèi)存或者硬盤存儲數(shù)據(jù)太慢。理論上設(shè)置采樣頻率為被采集喜歡最高頻率成分的2倍就夠了，實際上工程中選用510倍，有時為了較好地還原波形，甚至更高一些[19]。 不同采樣率的采樣結(jié)果本設(shè)計方案在確定采樣頻率時，根據(jù)切削加工的實際頻率和數(shù)據(jù)采集卡的特性，確定采樣頻率為1000點/秒。如果采樣頻率太低，會造成切削力信號無法被還原出來，造成峰值點丟失；如果采樣頻率太高，會造成采樣數(shù)據(jù)量太大，給數(shù)據(jù)處理和存儲功能帶來過多負擔。4數(shù)據(jù)采集由于本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡使用的是NI公司的數(shù)據(jù)采集卡，在進行數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計時，由于在Labview里提供了大量的DAQ函數(shù)，這就大大簡化了程序設(shè)計的難度。從Labview7開始，NI增加了一類新的DAQ函數(shù)DAQmx，與傳統(tǒng)的DAQ函數(shù)相比，它有更好的性能?；诖?，我們使用DAQmx進行數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計。，采集的設(shè)置確定包括通道和增益的確定，還有采集設(shè)置的確定。1） 通道