【正文】 的輸入裝置并把數(shù)據(jù)提供 給VI的方框圖；而指示器(indicators)則模擬了儀器的輸出裝置并顯示由方框 圖獲得或產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。VI有一個人機(jī)對話的用戶界面一前面板(front14兩華大學(xué)碩十學(xué)何論文panel)和類似于源代碼功能的方框圖(diagram)。從而，我們可以通過相互連接功能 方框圖快速簡潔地開發(fā)應(yīng)用程序，甚至還可以有多個數(shù)據(jù)通道同步運(yùn)行。數(shù)據(jù)流程序設(shè)計規(guī)定，一個目標(biāo)只有當(dāng)它 的所有輸入有效時才能執(zhí)行；而目標(biāo)的輸出，只有當(dāng)它的功能完全時才是有效 的。也就是 說，在這種數(shù)據(jù)流程序的概念中，程序的執(zhí)行是數(shù)據(jù)驅(qū)動的，它不受操作系統(tǒng)、 計算機(jī)等因素的影響。LabVIEW的運(yùn)行機(jī)制就宏觀上講已經(jīng)不再是傳統(tǒng)上的馮．諾依曼計算機(jī)體 系結(jié)構(gòu)的執(zhí)行方式。LabVIEW 還直接支持動態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)、結(jié)構(gòu)化查詢語言(SQL)、TCP和UDP網(wǎng) 絡(luò)協(xié)議等。LabVIEW可調(diào)用Windows動態(tài)連接庫和用戶自定義 的動態(tài)連接庫中的函數(shù)。LabVIEW是帶有可擴(kuò)展功能庫和子程序庫的通用程序設(shè)計系統(tǒng)。程序的前 面板具有與傳統(tǒng)儀器類似的界面，可接受用戶的鼠標(biāo)指令。LabVIEW的程序設(shè)計實質(zhì)上就是設(shè)計一個個的“虛擬儀器”，即 “VIs’’。用 LabVIEW設(shè)計的虛擬儀器可以脫離LabVIEW開發(fā)環(huán)境，最終用戶看見的是和 實際的硬件儀器相似的操作面板【1 91。LabVIEW與 VisualC++、Visual Basic、LabWindows／CVI等編程語言不同，后者采用的是基 于文本語言的程序代碼，而LabVIEW則是使用圖形化程序設(shè)計語言G，用方 框圖代替了傳統(tǒng)的程序代碼。表2．1對虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的特點 作了一個簡單的比較【17】【1 81。此外，利用基于軟件體系結(jié)構(gòu)的虛擬儀器系統(tǒng)代替 基于硬件體系結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)儀器，還可以大大節(jié)省儀器購買、維護(hù)費(fèi)用。4用戶可以將儀器的設(shè)計、使用和管理統(tǒng)一到虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)，使資源的可 重復(fù)利用率提高，系統(tǒng)組建時間縮短，功能易于擴(kuò)展，管理規(guī)范，軟／硬件生產(chǎn)、 維護(hù)和開發(fā)的費(fèi)用降低。虛擬儀器通過提供給用戶組建自己儀 器的可重用源代碼庫，處理模塊間通訊、定時、觸發(fā)等功能，強(qiáng)調(diào)在通用計算 機(jī)平臺的基礎(chǔ)上，通過軟件和軟面板，把由廠家定義的傳統(tǒng)儀器轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩?自己定義、由計算機(jī)軟件和幾種模塊組成的專用儀器。由于減少了許多隨時間可能漂移、需要定期校準(zhǔn)的分立式模擬硬件， 加上標(biāo)準(zhǔn)化總線的使用，使系統(tǒng)的測量精度、測量速度和可重復(fù)性都大大提高。由于充分利用計算機(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、簡單?；谲浖赩I系統(tǒng)中的重要作用，NI提出了“軟件就是儀西華大學(xué)碩上學(xué)位論文器(The Software is the Instrument)’’的口掣161，并逐步提出了系統(tǒng)框架、驅(qū)動 程序、VISA、軟面板、部件庫等一系列軟件標(biāo)準(zhǔn)，推動了虛擬儀器軟件標(biāo)準(zhǔn)化 的進(jìn)程。另一種是直接把傳感器的輸出信號經(jīng)放大調(diào) 理后送到PC內(nèi)置的專用數(shù)據(jù)采集卡，然后由軟件完成數(shù)據(jù)處理。一種是把帶有某種接口的各種 測試設(shè)備連接到PC上，如帶有GPIB或RS232接口的測量儀表?，F(xiàn)場總線是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，在智能現(xiàn)場設(shè)備、自動化系統(tǒng)之間提供了 一個全數(shù)字化的、雙向的、多節(jié)點的通信鏈接，常用于構(gòu)建測控網(wǎng)絡(luò)。把臺式PC的性能價格 比和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展優(yōu)勢結(jié)合起來，將形成未來主流的虛擬儀器 平臺之一【1 51。PXI總線方式是在PCI總線 內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板同步觸發(fā)總線的 參考時鐘，用于精確定時的星形觸發(fā)總線，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局 部總線。VXI系統(tǒng)的組建和使用越來越方 便，尤其是組建大、中規(guī)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合【】4】。與GPIB儀器相比，VXI模塊沒有前操作面板。采用3線通信聯(lián)絡(luò)(DAV、 NRFD、NDAC)的形式，保證信息準(zhǔn)確可靠的傳遞【12】。GPIB總線即IEEE叫48總線在測量儀器的自動化過程中起了重要的作用，其前身是HP—IB總線，后來，IEC對它給予承認(rèn)，又；I{：j：IEC～I(xiàn)B總線?；?USB總線，NI公司推出了USB6008和USB6009等幾款數(shù)據(jù)采集卡系列的虛 擬儀器【l川。USB2．0標(biāo)準(zhǔn)的數(shù) 據(jù)傳輸率能達(dá)至lJ480Mbps。(4)USB虛擬儀器 USB通用串行總線是被PC機(jī)廣泛采用的一種總線，它已被集成到計算機(jī)主板。它可以組成數(shù)字存儲示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形 發(fā)生器、頻率計、數(shù)字萬用表、功率計、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。(2)串行接口虛擬儀器串行接口虛擬儀器是由Serial標(biāo)準(zhǔn)總線儀器及PC機(jī)為儀器硬件平臺，它包 括符合RS232／RS422標(biāo)準(zhǔn)的PLC和單片機(jī)系統(tǒng)。畀咿“憂’T伙卜Fig 2．1 The posing of Virtual Instrument hardware圖2．1虛擬儀器的硬件組成虛擬儀器硬件組成有多種分類方法，既可以按照應(yīng)用領(lǐng)域來分，也可以按 照測量功能來分，但是最常用的是按照構(gòu)成虛擬儀器的接口總線的不同，分為 插卡式數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)虛擬儀器、串行接口虛擬儀器、并行接口虛擬儀器、9西華大學(xué)碩十學(xué)位論文USB虛擬儀器、GPIB虛擬儀器、VXI虛擬儀器、PXI虛擬儀器、現(xiàn)場總線虛 擬儀器等，如圖2．1所示L圮j。 現(xiàn)場總線(Field CANbus)設(shè)備． 。 ，．．。H．J 唐旦；罾珈驅(qū) 1．l蚶，榍嘲盎幣佑L。由于虛擬儀器充分利用 了計算機(jī)的圖形用戶界面(GLⅡ)，所開發(fā)的具體應(yīng)用程序都基于Windows運(yùn) 行環(huán)境，所以計算機(jī)的硬件配置必須合適。虛擬儀器的硬件主要是計算機(jī)和信號采集調(diào)理部件所組 成，其中計算機(jī)包括微處理器、存儲器和顯示器等，它主要用來提供實時高效 的數(shù)據(jù)處理性能。虛擬儀器中硬件的主要功能是獲取真實的被測信號；而軟件的作用是控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、處理、顯示等功能，并將其集成為儀器操作與運(yùn)行的命令環(huán)境。 它通過軟件將計算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)的融合為一體，從而把計算機(jī)強(qiáng) 大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器 硬件的成本和體積。上世紀(jì)八十年代末，隨著計算機(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)了多年來發(fā)展相對緩慢的儀器技術(shù)，并由此產(chǎn)生一個新型的儀器概念——虛擬儀器(Virtual Instrument，簡稱為VI)。傳統(tǒng)的測量儀器主要由三個功能塊組成：信號的采集與控制單元、信號的 分析與處理單元、結(jié)果的表達(dá)與輸出單元。在虛 擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是解決信號的輸入輸出問題的方法和軟件賴以生存、 運(yùn)行的物理環(huán)境，軟件才是整個儀器的核心構(gòu)件。(7)其他功能：系統(tǒng)是開放的，用戶可以在這部分方便地擴(kuò)展所需功能。(5)頻域分析：對采集得到的數(shù)據(jù)作頻譜分析包括FFT分析、功率譜分6兩華大學(xué)碩十學(xué)位論文析等。 (3)信號預(yù)處理，包括數(shù)字濾波(低通、高通、帶通、帶阻)和加窗(可選用多種窗函數(shù)，如矩形窗、哈寧窗、海明窗等)。應(yīng)用軟件的主要功能 包括：(1)數(shù)據(jù)采集：LabVIEW與單片機(jī)串口的軟件設(shè)計。通過比較多種虛擬儀器開發(fā)平臺，選定了以圖形化編程軟件LabVIEW。重點介紹了自主研發(fā)的以STC89C52單片機(jī)為核心的串口通訊的數(shù)據(jù)采集 模塊的硬件設(shè)計。虛擬儀器用軟件編程替代傳統(tǒng)測量儀器 的硬件電路，因此成本大大降低，介紹了用于虛擬儀器開發(fā)的集成軟件包 LabVIEW，并重點介紹了LabVIEW在信號處理與分析方面的優(yōu)勢。為了實現(xiàn)振動測試分析系統(tǒng)的開發(fā)， 全文主要內(nèi)容如下：1振動虛擬儀器的應(yīng)用研究 虛擬儀器是最近發(fā)展起來的一門嶄新的學(xué)科，是儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要方向。本文基于振動測試的這種需要，提出了研制低成本、高兩華大學(xué)碩IL．學(xué)位論文精度、便攜式的虛擬振動測試分析系統(tǒng)。虛擬儀器的設(shè)計思想為提高測試效率、降低測試成本，提供 了有效的途徑和方法。近些年來，計算機(jī)技術(shù)和計算機(jī)軟件技 術(shù)迅速發(fā)展，帶動了以計算機(jī)和軟件技術(shù)為核心的虛擬儀器(VI)的發(fā)展，虛 擬儀器技術(shù)是把計算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，通過數(shù)據(jù)采集板對信 號進(jìn)行數(shù)字離散化采樣，再通過采集板與計算機(jī)的接口傳送到計算機(jī)上，充分 利用計算機(jī)的資源由軟件完成信號的存儲、計算分析、結(jié)果顯示等功能【9】，不 同的分析只需通過不同的分析軟件來實現(xiàn)，真正實現(xiàn)一機(jī)多用，而不須重復(fù)購 置多種硬件設(shè)備，由于主要部分是軟件組成，因此具有開發(fā)周期短、投入少而 功能又可隨意選擇的特點，在近十多年來成為測試領(lǐng)域的熱點，被譽(yù)為21世紀(jì) 的測試儀器，成為測試儀器發(fā)展的趨勢。最 先出現(xiàn)的多是專用的硬件式數(shù)字處理機(jī)，具有代表性的主要有：日本三榮公司 的7T08S、7T17S，HP公司的HP5451C、HP5423A等。現(xiàn)代動態(tài)信號分析儀的出現(xiàn)改變了這一缺陷， 它采用數(shù)字化方式實現(xiàn)譜分析，其核心是離散傅立葉變換(DFT)，20世紀(jì)60 年代中期美國的庫列(J．W．Cooley)和圖基(J．W．Tukey)提出了離散傅立葉變換的快速算法——快速傅立葉變換(FFT)[68】，開辟了動態(tài)信號分析的新紀(jì)元。測試的核心內(nèi)容是對信號的分析，主要是頻譜分析，最初是以帶通濾波器 為核心的模擬式分析儀器，并通過不斷改變其分析精度，至今有些仍在使用中。近些年隨著微電子技術(shù)的 發(fā)展，又出現(xiàn)了可在各種惡劣環(huán)境下使用的壓電傳感器和內(nèi)裝阻抗變換器、放 大器、濾波器的集成電路式壓電傳感器【4】，簡化了測試系統(tǒng)，大大地拓寬了這 種傳感器的應(yīng)用范圍，提高了抗干擾能力和測量的精度。20世紀(jì)20年代，由于汽輪發(fā) 電機(jī)組等設(shè)備的發(fā)展，機(jī)械式測振儀已不能滿足要求，于是磁電式傳感器應(yīng)運(yùn) 而生，實現(xiàn)非電量信號向電信號轉(zhuǎn)換的電測量。_—_—1 r__—_—_______1 r_____振動仕目———__————_’r—動態(tài)測量是指由傳感器測得這些非電物理量并轉(zhuǎn)換為電信號， 然后經(jīng)過放大、濾波等適調(diào)環(huán)節(jié)，對信號進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，并對測量結(jié)果進(jìn)行記 錄、分析、顯示的全過程。1．2．2振動測試分析儀器的發(fā)展 振動測試技術(shù)從20世紀(jì)初發(fā)展到今天，經(jīng)幾代科學(xué)工作者的探索工作，正逐步走向完善，而測試分析儀器也在不斷發(fā)展和成熟。虛擬儀器在我 國的研究和開發(fā)有著十分現(xiàn)實的意義，廣泛采用虛擬儀器技術(shù)有助于提高我國 儀器的整體水平，節(jié)省儀器開發(fā)的人力和費(fèi)用。我國傳統(tǒng)儀器技術(shù)還比較落后，與國外相比，測量精度和可靠性均較低， 且自動化程度較低。由于虛擬儀器具有如此巨大的優(yōu)越性，國內(nèi)外已經(jīng)有許多廠家在使用虛擬 儀器進(jìn)行測試方面作了一系列有益工作，已開發(fā)了一些虛擬測試儀器。美國國家儀器公司(NI) 每年在美國各高校的大學(xué)生中舉辦虛擬儀器設(shè)計大賽，鼓勵和推廣虛擬儀器的 使用。目前虛 擬儀器技術(shù)己廣泛應(yīng)用與科研生產(chǎn)的許多領(lǐng)域：聲學(xué)測試、音波測試、汽車測 試、生物醫(yī)學(xué)測試、光纖校準(zhǔn)、光學(xué)測定及度量、半導(dǎo)體測試、電信測試、振 動測試、工業(yè)自動化、實驗室自動化、機(jī)械監(jiān)控、石油和天然氣處理、藥品加 工、過程自動化、統(tǒng)計、過程控制等等。虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)了計算機(jī)技術(shù)和儀器完美的結(jié)合，開辟了現(xiàn)代儀器技術(shù) 的新天地。其中，以美國國家儀器公司(National Instruments，簡 稱NI)，惠普公司(Hewlett Packard，簡稱HP)、Tektronix和Racal等公司的虛 擬儀器比較有影響，他們在近十多年時間里，就占有了世界儀器儀表市場的10％ 左右的份額，充分顯示了虛擬儀器的強(qiáng)大生命力。目前，發(fā)達(dá)國家紛紛斥巨資對它進(jìn)行研究，期望以后在它的帶 動下在信息時代中保持技術(shù)上優(yōu)勢。虛擬技術(shù)包括虛擬加工、虛擬測試、虛擬控制等，它是將各種信息如聲、光、電同現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)各種 環(huán)境的模擬、仿真。系統(tǒng)針對振 動的測試問題，力求克服現(xiàn)行機(jī)械振動中所采用的傳統(tǒng)測試系統(tǒng)所存在地不足， 以期能推動虛擬儀器技術(shù)在振動測試領(lǐng)域中的普及應(yīng)用。從最初的機(jī)械式測振儀， 發(fā)展到今天，各種應(yīng)用物理學(xué)原理制成的傳感器、FFT分析儀、結(jié)構(gòu)動力學(xué)分 析軟件己在廣泛使用。只要有聲電傳感器(如話筒)和適調(diào)放大器，振動分析和聲學(xué)分析 就可以共用同一分析儀器。噪聲中很大一部分來自 振動物體。目前市 場上已有用于人體振動測量的傳感器和測試儀出售。(5)在一些情況下，振動是一種公害，它能損傷人體器官、損害健康、降 低勞動效率，甚至產(chǎn)生“振動病’’或“運(yùn)動病’’，如常見的暈車、暈船現(xiàn)象就是 由于小于1Hz的極低頻振動引起的。(4)效益巨大但造價昂貴的現(xiàn)代化大型系統(tǒng)(如海上平臺、大型汽輪發(fā)電 機(jī)組、航天飛機(jī)等)經(jīng)常在高轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷、高溫、高壓或高真空等惡劣條件西華大學(xué)碩J：學(xué)位論文下工作，他們的破壞會造成十分嚴(yán)重的后果。用振動測試可以求得系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)，進(jìn)而建 立或修正力學(xué)模型，為今后的“響應(yīng)預(yù)估”或“環(huán)境預(yù)估(載荷識別)’’創(chuàng)造先 決條件。為了研究其工作機(jī)理以提高生產(chǎn)效率，必須進(jìn)行 大量的振動測試。測試了解機(jī)器運(yùn) 轉(zhuǎn)時振動大小以確定其性能優(yōu)劣己成為驗收往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式機(jī)械的一個重要環(huán) 節(jié)。振動測試有以下主要應(yīng)用：(1)各種工程機(jī)械、建筑結(jié)構(gòu)、車輛船舶、飛機(jī)導(dǎo)彈、能源設(shè)備、儀器儀 表等系統(tǒng)由于在自身運(yùn)轉(zhuǎn)過程中質(zhì)量不平衡等原因而產(chǎn)生振動(自振)；或者受 到周圍環(huán)境的激勵而產(chǎn)生受迫振動。在極大多數(shù)場合， 振動都是有害的，它將影響設(shè)備的正常工作和機(jī)械的加工精度，引起機(jī)器構(gòu)件 的加速磨損，甚至導(dǎo)致急劇斷裂而破壞。在現(xiàn)代工程技術(shù)領(lǐng)域，存在 著大量的振動問題。本學(xué)位論文屬于保密口，在 年解密后適用本授權(quán)書；不保密囪，適用本授權(quán)書。本學(xué)位論文的成果是本人在西華大學(xué)讀書期間在導(dǎo)師指導(dǎo)下取得的，論文成果歸西華大學(xué)所有，特此聲明。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地