基于labview的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

西華大學(xué)碩士學(xué)位論文基于LABVIEW的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓名朱巖申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別碩士專業(yè)機(jī)械電子工程指導(dǎo)教師余愚20090501西華大學(xué)碩一L學(xué)位論文基于LABVIEW的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)械電子工程專業(yè)研究生朱巖指導(dǎo)教師余愚在現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)和機(jī)械工程中，振動(dòng)測(cè)試、信號(hào)處理以及振動(dòng)分析是十分重要的環(huán)節(jié)。但是在機(jī)械振動(dòng)測(cè)試中，所需的測(cè)試儀器繁多復(fù)雜，導(dǎo)致測(cè)試工作需要大量的人力、物力。隨著計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器正在逐漸成為測(cè)試領(lǐng)域的發(fā)展方向，采用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)振動(dòng)測(cè)試與分析也成為振動(dòng)測(cè)試的發(fā)展趨勢(shì)。為此，本課題研究開(kāi)發(fā)了以PC為硬件平臺(tái)、以美國(guó)國(guó)家儀器NI公司開(kāi)發(fā)的LABVIEW軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，配合必要的傳感器、信號(hào)調(diào)理器和數(shù)據(jù)采集卡組成的振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)。采用虛擬儀器圖形化編程語(yǔ)言LABVIEW組建的振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)，減少了測(cè)試過(guò)程中的硬件設(shè)備，同樣實(shí)現(xiàn)了對(duì)振動(dòng)信號(hào)的采集、處理和分析的目的，大大降低了硬件成本。論文首先對(duì)虛擬儀器以及LABVIEW軟件作了簡(jiǎn)要介紹，然后分析了振動(dòng)信號(hào)分析與處理技術(shù)理論和振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)的組成，最后對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件編程進(jìn)行了設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)了一個(gè)以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)串口通信實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)傳輸。軟件部分采用了自上而下的模塊化程序設(shè)計(jì)思想，用戶可以在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的采集、分析處理以及顯示分析結(jié)果等操作。軟件的處理功能主要有信號(hào)預(yù)處理、時(shí)域分析、頻域分析、時(shí)頻聯(lián)合分析四大模塊組成。具體內(nèi)容包括數(shù)字濾波與加窗、時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析、自相關(guān)分析、快速傅立葉變換FFT、自功率譜分析、短時(shí)傅立葉變換STFT等。本系統(tǒng)集中了振動(dòng)分析的主要功能，操作簡(jiǎn)單，具有良好的可擴(kuò)充性和較兩華大學(xué)碩十學(xué)位論文高的性價(jià)比，可以在教學(xué)科研或在工程應(yīng)用中作為分析工具使用。關(guān)鍵詞振動(dòng)測(cè)試，虛擬儀器，數(shù)據(jù)采集，信號(hào)分析，LABVIEWDESIGNOFVIBRATIONTESTSYSTEMBASEDONLABVIEWMAJORMECHATRONICSENGINEERINGPOSTGRADUATEZHUYANSUPERVISORYUYUINMODERNMECHANICALINDUSTRYANDMECHANICALENGINEERING，VIBRATIONMEASUREMENTANDANALYSISISANIMPORTANTPARTBUTTHEMECHANICALVIBRATIONTESTSNEEDMANYELABORATETESTINSTRUMENTS，WHICHLEADTOTHEREQUIREMENTOPLENTYOFMALLPOWERANDMATERIALRESOUREONTESTINGWORKWITHTHEDEVELOPMENTOFCOMPUTERANDSOFTWARETECHNIQUE，VIRTUALINSTRUMENTBECOMESDEVELOPMENTDIRECTIONINMEASUREMENTFIELD，VIBRATIONMEASUREMENTANDANALYSISBASEDONVIRTUALINSTRMENTHASBECOMETHETRENDOFVIBRATIONTESTSOTHESVSTEMFORVIBRATIONTESTANDANALYSISISDEVELOPEDINTHISTHESIS，WHICHBASEDONPC嬲HARDWAREPLATFORM,LABORATORYVIRTUALINSTRUMENTWORKBENCHLABVIEWDEVELOPEDBYNATIONALINSTRUMENTSALSSOFTWAREDEVELOPMENTPLATFORM,ESSENTIALSENSOT,SIGNALREGULATIONCIRCUITANDDATAACQUISITIONCARDDATAACQUISITIONANDANALYSISCANBEACHIEVEDBYTHEVIRTUALVIBRATIONTESTANDANALYSISSYSTEMWITHTHEGRAPHICPROGRAMMERLANGUAGELABVIEW,ATTHESAMETIMETHEEQUIPMENTWILLBEREDUCEDANDTHECOSTWILLBEDEEPLYDECREASEDFIRSTSIMPLEINTRODUCTIONOLLVIRTUALINSTRUMENTISMADEINMYTHESISSECOND，THETHEORYOFVIBRATIONSIGNALANALYSISANDTHECOMPOSITIONOFVIBRATIONMEASUREMENTSYSTEMAREANALYZEDLAST，HARDWAREANDSOFTWAREPROGRAMMINGOFVIBRATIONMEASUREMENTSYSTEMAREDESIGNEDDESIGNADATAACQUISITIONBASEDONMICROCONTROLLERINTHEHARDWARESYSTEMCOMPLETEDATATAMSOFORMBETWEENCOMPUTERANDDATAACQUISITIONCARDOVERSCRIMPORTTHESUPERINCUMBENTMODULARDESIGNISEXHIBITEDEVIDENTLYINTHESO療WARESYSTEMTHEV10RATIONSIGNALSAMPLINGANDDATAANALYSISAREOPERATEDBVSVSTEMMTE砌CE，ALSWELLASTHERESULTAREDISPLAYEDONTHECOMPUTERSCREENNEMAINA11ALYSLSPROCEDUREISMADEUPOFSIGNALPREPROCESSING，TIMEDOMAIN，舶QUENCYDOIILAMA11DJOINTTIMEAND奇EQUENEYDOMAINTHECONTENTINVOLVESDIGITALFILTER，WMDOWMG，TLMEDOMAINSTATISTICALANALYSIS，AUTOCO玎ELATIONANALYSIS，ASWELL嬲FASTFLOURIERTRANSFER,AUTOPOWERSPECTRUMTHESHOATIMEF10URIERTRANSFERAREINCLUDEDINTHEANALYSISPROGRAMNMRMLF址所N|詈A舒O“E沖A僦AM1三刪螄略跎耋圣盯曲吾雎耐D吼翱訓(xùn)峪RN哆眥嗚GH洽缸托瞄嘶婦L；兮K剛島玎璐沿硫K刪U代M蚴P廈嘣至薹岫S蠶趣一的NMKEYW。RDSVIBMTI。NTEST，NUALINSTRUMENT，DATAACQUISITION，SIGNALA11ALYSIS，LABVIEWIV西華大學(xué)碩士學(xué)位論文聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得西華大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示謝意。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。作者簽名爾巖導(dǎo)師簽名69兩華大學(xué)碩上學(xué)位論文西華大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱，西華大學(xué)可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)印手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于1、保密口，在年解密后適用本授權(quán)書；2、不保密囪，適用本授權(quán)書。請(qǐng)?jiān)谝陨峡趦?nèi)劃4，學(xué)位論文作者簽名能指導(dǎo)教師簽名會(huì)如日期如口，F(xiàn)C日期哆2L7西華大學(xué)碩上學(xué)位論文1緒論11課題研究的背景及意義所謂振動(dòng)，就是物體或某種狀態(tài)隨著時(shí)間往復(fù)變化的現(xiàn)象，這類現(xiàn)象有的源于系統(tǒng)內(nèi)部相互作用，有的是外界干擾引起的。在現(xiàn)代工程技術(shù)領(lǐng)域，存在著大量的振動(dòng)問(wèn)題。例如電廠中汽輪發(fā)電機(jī)組及其它輔機(jī)設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，車輛自凸凹不平的路面上行駛所引起的振動(dòng)；旋轉(zhuǎn)機(jī)械由于質(zhì)量不平衡在運(yùn)行中的振動(dòng)；建筑物受地面和陣風(fēng)擾動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)等。在極大多數(shù)場(chǎng)合，振動(dòng)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。為了解決工程振動(dòng)問(wèn)題，出現(xiàn)了一門集數(shù)學(xué)、力學(xué)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理、人工智能等多種現(xiàn)代技術(shù)于一體的新興交叉學(xué)科【L】振動(dòng)測(cè)試與分析。振動(dòng)測(cè)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(guò)程中質(zhì)量不平衡等原因而產(chǎn)生振動(dòng)自振；或者受到周圍環(huán)境的激勵(lì)而產(chǎn)生受迫振動(dòng)。對(duì)正在設(shè)計(jì)或大批生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行各種振動(dòng)試驗(yàn)以考核產(chǎn)品承受振動(dòng)能力己成為很多工廠的常規(guī)任務(wù)。測(cè)試了解機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)大小以確定其性能優(yōu)劣己成為驗(yàn)收往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式機(jī)械的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。2各種利用振動(dòng)工作的機(jī)械如振動(dòng)給料機(jī)、振動(dòng)打夯機(jī)、振動(dòng)壓路機(jī)、振動(dòng)篩、振動(dòng)輸送機(jī)、動(dòng)平衡機(jī)和各種激振設(shè)備因其高效率低能耗在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門得到日益廣泛的應(yīng)用。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(dòng)測(cè)試。3實(shí)際系統(tǒng)往往零部件繁多，結(jié)合面形狀復(fù)雜，理論計(jì)算如有限元要做大量簡(jiǎn)化假設(shè)，只能建立粗略的力學(xué)模型，某些重要參數(shù)如阻尼系數(shù)至今仍無(wú)完善的計(jì)算方法。用振動(dòng)測(cè)試可以求得系統(tǒng)的動(dòng)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(shí)別創(chuàng)造先決條件。這就是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中所謂“系統(tǒng)識(shí)別“或“參數(shù)識(shí)別”問(wèn)題。4效益巨大但造價(jià)昂貴的現(xiàn)代化大型系統(tǒng)如海上平臺(tái)、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(huì)造成十分嚴(yán)重的后果。國(guó)外統(tǒng)計(jì)重要產(chǎn)品的故障中有百分之六十以上來(lái)自環(huán)境因素包括溫度、振動(dòng)、沖擊、沙塵等，而在各環(huán)境因素中振動(dòng)引起的故障幾乎占百分之三十，利用振動(dòng)測(cè)試手段對(duì)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行在線的狀態(tài)監(jiān)控或故障診斷是保證機(jī)組安全、及時(shí)消除隱患的重要措施之一。5在一些情況下，振動(dòng)是一種公害，它能損傷人體器官、損害健康、降低勞動(dòng)效率，甚至產(chǎn)生“振動(dòng)病或“運(yùn)動(dòng)病，如常見(jiàn)的暈車、暈船現(xiàn)象就是由于小于1HZ的極低頻振動(dòng)引起的。研究人體各器官的振動(dòng)傳遞特性，設(shè)計(jì)能減振隔振的座椅、駕駛艙、手持工具的把手等也必須依賴于振動(dòng)測(cè)試。目前市場(chǎng)上已有用于人體振動(dòng)測(cè)量的傳感器和測(cè)試儀出售。6任何機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)往往同時(shí)又是聲波輻射源。噪聲中很大一部分來(lái)自振動(dòng)物體。減少振動(dòng)的同時(shí)往往也意味著降低噪聲相反地也可從噪聲分析中找到振源。只要有聲電傳感器如話筒和適調(diào)放大器，振動(dòng)分析和聲學(xué)分析就可以共用同一分析儀器。振動(dòng)測(cè)試分析儀器則將振動(dòng)測(cè)試與分析技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，它隨著振動(dòng)測(cè)試技術(shù)理論的發(fā)展和生產(chǎn)中對(duì)測(cè)試需求的與日俱增。從最初的機(jī)械式測(cè)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(dòng)力學(xué)分析軟件己在廣泛使用。本論文順應(yīng)測(cè)試儀器的發(fā)展趨勢(shì)，將虛擬儀器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)結(jié)合為一體，構(gòu)建了以計(jì)算機(jī)為核心的虛擬儀器系統(tǒng)。系統(tǒng)針對(duì)振動(dòng)的測(cè)試問(wèn)題，力求克服現(xiàn)行機(jī)械振動(dòng)中所采用的傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)所存在地不足，以期能推動(dòng)虛擬儀器技術(shù)在振動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域中的普及應(yīng)用。12國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)121虛擬技術(shù)及虛擬儀器的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀虛擬技術(shù)、計(jì)算機(jī)通訊與網(wǎng)絡(luò)是信息技術(shù)最重要的組成部分，他們被稱為2L世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的三大核心技術(shù)【21。虛擬技術(shù)包括虛擬加工、虛擬測(cè)試、虛擬控制等，它是將各種信息如聲、光、電同現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)各種環(huán)境的模擬、仿真。虛擬技術(shù)的出現(xiàn)大大改變了人類現(xiàn)有的思維模式、工作模式和生活模式。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛斥巨資對(duì)它進(jìn)行研究，期望以后在它的帶動(dòng)下在信息時(shí)代中保持技術(shù)上優(yōu)勢(shì)。2西華大學(xué)碩士學(xué)位論文虛擬儀器VIRTUALINSTRUMENT是虛擬技術(shù)的重要組成部分，也是許多發(fā)達(dá)國(guó)家所重點(diǎn)研究的對(duì)象。其中，以美國(guó)國(guó)家儀器公司NATIONALINSTRUMENTS，簡(jiǎn)稱NI，惠普公司HEWLETTPACKARD，簡(jiǎn)稱HP、TEKTRONIX和RACAL等公司的虛擬儀器比較有影響，他們?cè)诮嗄陼r(shí)間里，就占有了世界儀器儀表市場(chǎng)的10左右的份額，充分顯示了虛擬儀器的強(qiáng)大生命力。其中，以美國(guó)國(guó)家儀器公司NI的圖形化編程語(yǔ)言LABVIEWT31，和惠普公司HP的VEE最具有代表性。虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器完美的結(jié)合，開(kāi)辟了現(xiàn)代儀器技術(shù)的新天地。它誕生雖然只有十幾年的歷史，但它的發(fā)展速度是驚人的。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(cè)試、音波測(cè)試、汽車測(cè)試、生物醫(yī)學(xué)測(cè)試、光纖校準(zhǔn)、光學(xué)測(cè)定及度量、半導(dǎo)體測(cè)試、電信測(cè)試、振動(dòng)測(cè)試、工業(yè)自動(dòng)化、實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化、機(jī)械監(jiān)控、石油和天然氣處理、藥品加工、過(guò)程自動(dòng)化、統(tǒng)計(jì)、過(guò)程控制等等。目前在美國(guó)，許多大學(xué)都有自己的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室，不但進(jìn)行虛擬儀器的研究與開(kāi)發(fā)，而且還將虛擬儀器作為一門課程向?qū)W生傳授，為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)條件，讓學(xué)生親自動(dòng)手，學(xué)習(xí)建立自己的虛擬儀器系統(tǒng)。美國(guó)國(guó)家儀器公司NI每年在美國(guó)各高校的大學(xué)生中舉辦虛擬儀器設(shè)計(jì)大賽，鼓勵(lì)和推廣虛擬儀器的使用。據(jù)美國(guó)權(quán)威雜志統(tǒng)計(jì)，美國(guó)國(guó)家儀器公司NI的LABVIEW已占有測(cè)試系統(tǒng)軟件市場(chǎng)份額的39，而惠普HP公司的VEE與LABVIEW相似的一種圖形化編程語(yǔ)言也占有市場(chǎng)的11。由于虛擬儀器具有如此巨大的優(yōu)越性，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多廠家在使用虛擬儀器進(jìn)行測(cè)試方面作了一系列有益工作，已開(kāi)發(fā)了一些虛擬測(cè)試儀器。挪威CARDIAC公司的基與LABVIEW平臺(tái)的測(cè)試北海油田石油、大氣、水流的MPFM系統(tǒng)等，清華大學(xué)應(yīng)用虛擬技術(shù)構(gòu)建的用于檢側(cè)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能的出廠檢測(cè)系統(tǒng)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)也推出自己的“儀器王”虛擬儀器系統(tǒng)，另外上海儀器儀表所、浙江大學(xué)、成都電子科技大學(xué)、上海同濟(jì)大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位也正在不斷進(jìn)行虛擬儀器的研究和應(yīng)用。我國(guó)傳統(tǒng)儀器技術(shù)還比較落后，與國(guó)外相比，測(cè)量精度和可靠性均較低，且自動(dòng)化程度較低。當(dāng)前，各種測(cè)試軟件、專用集成電路、固化軟件的廣泛應(yīng)兩華大學(xué)碩十學(xué)位論文用，系統(tǒng)技術(shù)和模塊式儀器的迅速發(fā)展，都給虛擬儀器的研究和應(yīng)用創(chuàng)造了良好條件，也為我們提供了一個(gè)縮小與國(guó)際先進(jìn)水平差距的機(jī)會(huì)。虛擬儀器在我國(guó)的研究和開(kāi)發(fā)有著十分現(xiàn)實(shí)的意義，廣泛采用虛擬儀器技術(shù)有助于提高我國(guó)儀器的整體水平，節(jié)省儀器開(kāi)發(fā)的人力和費(fèi)用。我們有理由相信，隨著軟件業(yè)和測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)必將在更多、更廣的領(lǐng)域得到應(yīng)用和普及。122振動(dòng)測(cè)試分析儀器的發(fā)展振動(dòng)測(cè)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(cè)試分析儀器也在不斷發(fā)展和成熟。振動(dòng)測(cè)量通常包括振動(dòng)的位移、速度、加速度，噪聲的聲壓、聲強(qiáng)，以及激振力的測(cè)量，這些參數(shù)通常稱為動(dòng)態(tài)參數(shù)。動(dòng)態(tài)測(cè)量是指由傳感器測(cè)得這些非電物理量并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)放大、濾波等適調(diào)環(huán)節(jié)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行記錄、分析、顯示的全過(guò)程。因此振動(dòng)測(cè)量屬于動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍，如圖11所示。振動(dòng)仕目_R。_1R_1R_1R_1衛(wèi)叫傳感器H信號(hào)適調(diào)器卜叫信號(hào)采集H分析處理H結(jié)果顯示LFIG11THEBLOCKDIAGRAMOFVIBRATIONTEST圖11振動(dòng)測(cè)試框圖隨著振動(dòng)測(cè)試技術(shù)理論的發(fā)展和生產(chǎn)中對(duì)測(cè)試需求的與日俱增，高質(zhì)量的測(cè)試儀器、設(shè)備和現(xiàn)代化的測(cè)試方法不斷出現(xiàn)。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(cè)振儀已不能滿足要求，于是磁電式傳感器應(yīng)運(yùn)而生，實(shí)現(xiàn)非電量信號(hào)向電信號(hào)轉(zhuǎn)換的電測(cè)量。二次大戰(zhàn)后出現(xiàn)了壓電式傳感器，由于它具有體積小、重量輕、頻率范圍、動(dòng)態(tài)量程大等特點(diǎn)，且既可測(cè)量振動(dòng)，又可用于沖擊測(cè)量，直到今天仍在廣泛應(yīng)用。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(jiǎn)化了測(cè)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(cè)量的精度。而壓阻傳感器的出現(xiàn)和使用進(jìn)一步拓寬了低頻率的測(cè)量范圍，與此同時(shí)，還陸續(xù)發(fā)展了各種換能原理的傳感器和配套儀器，如變電容傳感器、光纖傳感器【5】、電渦流傳感器等，4西華大學(xué)碩十學(xué)位論文以便用于不同的場(chǎng)合。測(cè)試的核心內(nèi)容是對(duì)信號(hào)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(guò)不斷改變其分析精度，至今有些仍在使用中。但由于振動(dòng)信號(hào)的變化快、頻帶寬，對(duì)信號(hào)分析的精度和速度的要求不斷提高，模擬式分析儀已不能滿足要求。現(xiàn)代動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀的出現(xiàn)改變了這一缺陷，它采用數(shù)字化方式實(shí)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(guó)的庫(kù)列JWCOOLEY和圖基JWTUKEY提出了離散傅立葉變換的快速算法快速傅立葉變換FFT68】，開(kāi)辟了動(dòng)態(tài)信號(hào)分析的新紀(jì)元。隨著FFT算法的提出和應(yīng)用，以FFT硬件為核心的雙通道乃至多通道分析儀的廣泛使用，大大提高了分析速度，被廣泛的應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理和振動(dòng)控制中。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。目前信號(hào)分析技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)是在線實(shí)時(shí)能力的進(jìn)一步提高分辨能力和精度的提高；專用機(jī)結(jié)構(gòu)小型化、性能標(biāo)準(zhǔn)化、價(jià)格低廉化；在微機(jī)上采用軟、硬件結(jié)合的形式構(gòu)成“虛擬儀器“。近些年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)迅速發(fā)展，帶動(dòng)了以計(jì)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(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集板對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字離散化采樣，再通過(guò)采集板與計(jì)算機(jī)的接口傳送到計(jì)算機(jī)上，充分利用計(jì)算機(jī)的資源由軟件完成信號(hào)的存儲(chǔ)、計(jì)算分析、結(jié)果顯示等功能【9】，不同的分析只需通過(guò)不同的分析軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，真正實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，而不須重復(fù)購(gòu)置多種硬件設(shè)備，由于主要部分是軟件組成，因此具有開(kāi)發(fā)周期短、投入少而功能又可隨意選擇的特點(diǎn)，在近十多年來(lái)成為測(cè)試領(lǐng)域的熱點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)的測(cè)試儀器，成為測(cè)試儀器發(fā)展的趨勢(shì)。13課題主要研究?jī)?nèi)容隨著社會(huì)進(jìn)步，要求振動(dòng)測(cè)量技術(shù)向速度化、自動(dòng)化、微型化、智能化、集成化方向發(fā)展。虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想為提高測(cè)試效率、降低測(cè)試成本，提供了有效的途徑和方法。但是縱觀國(guó)內(nèi)外虛擬儀器技術(shù)研究開(kāi)發(fā)狀況，目前對(duì)振動(dòng)測(cè)量的虛擬測(cè)試系統(tǒng)的研究，并對(duì)其測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行較為全面分析的測(cè)試儀器并不多見(jiàn)。本文基于振動(dòng)測(cè)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(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)。本文從虛擬儀器開(kāi)發(fā)的角度，首先確定系統(tǒng)的總統(tǒng)方案和硬件配置，然后從整體上確定系統(tǒng)的模塊組成，在論文的主體部分，分別論述了以STC89C52單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集卡及相應(yīng)硬件設(shè)計(jì)電路，基于LABVIEW平臺(tái)下開(kāi)發(fā)一個(gè)完整的虛擬振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件的各個(gè)模塊的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對(duì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中普遍存在的問(wèn)題做了一定的探討與論述。為了實(shí)現(xiàn)振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，全文主要內(nèi)容如下1振動(dòng)虛擬儀器的應(yīng)用研究虛擬儀器是最近發(fā)展起來(lái)的一門嶄新的學(xué)科，是儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。本文從虛擬儀器的基本概念出發(fā)，分別介紹組成、功能及特點(diǎn)以及與傳統(tǒng)儀器相比所具備的優(yōu)點(diǎn)等幾個(gè)方面。虛擬儀器用軟件編程替代傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器的硬件電路，因此成本大大降低，介紹了用于虛擬儀器開(kāi)發(fā)的集成軟件包LABVIEW，并重點(diǎn)介紹了LABVIEW在信號(hào)處理與分析方面的優(yōu)勢(shì)。2振動(dòng)測(cè)試與分析系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)了解了虛擬儀器的概念和優(yōu)勢(shì)之后，便開(kāi)始了振動(dòng)測(cè)試分析應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。重點(diǎn)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(jì)。、3虛擬振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)確定了系統(tǒng)的硬件平臺(tái)之后，就開(kāi)始了應(yīng)用軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。通過(guò)比較多種虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，選定了以圖形化編程軟件LABVIEW。然后便通過(guò)編程，將振動(dòng)測(cè)試的理論算法轉(zhuǎn)換成為L(zhǎng)ABVIEW的框圖程序。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(jì)。2文件管理存儲(chǔ)和讀取振動(dòng)信號(hào)以及采樣參數(shù)數(shù)據(jù)。3信號(hào)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。4時(shí)域分析包括統(tǒng)計(jì)特征的計(jì)算峰值、均值、方差、均方根值等以及振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)分析。5頻域分析對(duì)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。6時(shí)頻聯(lián)合分析短時(shí)傅立葉變換STFT，可進(jìn)行信號(hào)的時(shí)頻聯(lián)合分析顯示。7其他功能系統(tǒng)是開(kāi)放的，用戶可以在這部分方便地?cái)U(kuò)展所需功能。西華大學(xué)碩一學(xué)位論文2虛擬儀器及LABVIEW21虛擬儀器211虛擬儀器的概念虛擬儀器本質(zhì)上是利用PC機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力、圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立具有良好人機(jī)交互性能的虛擬儀器面板，完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)分析與顯示，實(shí)現(xiàn)完全由用戶自己定義、適合不同應(yīng)用環(huán)境和對(duì)象的各種功能。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是解決信號(hào)的輸入輸出問(wèn)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(gè)儀器的核心構(gòu)件。使用者通過(guò)調(diào)整或修改儀器的軟件，便可方便地改變和增減儀器的功能和規(guī)模，甚至改變儀器的性質(zhì)【101。傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x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，儀器只能由生產(chǎn)廠家來(lái)定義、制造，因此傳統(tǒng)儀器設(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，整個(gè)測(cè)試過(guò)程幾乎僅限于簡(jiǎn)單地模仿人工測(cè)試的步驟，在一些較為復(fù)雜和測(cè)試參數(shù)較多的場(chǎng)合下，使用起來(lái)很不方便【111。上世紀(jì)八十年代末，隨著計(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)，并由此產(chǎn)生一個(gè)新型的儀器概念虛擬儀器VIRTUALINSTRUMENT，簡(jiǎn)稱為VI。虛擬儀器是將現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)主流技術(shù)與革新的靈活易用的軟件和高性能模塊化硬件結(jié)合在一起，建立起功能強(qiáng)大又靈活易變的基于計(jì)算機(jī)的測(cè)試測(cè)量與控制系統(tǒng)來(lái)替代傳統(tǒng)儀器功能。它通過(guò)軟件將計(jì)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(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測(cè)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。212虛擬儀器的組成虛擬儀器的構(gòu)成包括硬件和軟件兩個(gè)基本要素。虛擬儀器中硬件的主要功能是獲取真實(shí)的被測(cè)信號(hào)；而軟件的作用是控制實(shí)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。兩華大學(xué)碩十學(xué)位論文L硬件簡(jiǎn)介硬件是虛擬儀器工作的基礎(chǔ)，它的主要功能是完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集、傳輸和顯示測(cè)量的結(jié)果。虛擬儀器的硬件主要是計(jì)算機(jī)和信號(hào)采集調(diào)理部件所組成，其中計(jì)算機(jī)包括微處理器、存儲(chǔ)器和顯示器等，它主要用來(lái)提供實(shí)時(shí)高效的數(shù)據(jù)處理性能。計(jì)算機(jī)是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)，對(duì)于工業(yè)自動(dòng)控制、測(cè)試與測(cè)量而言，計(jì)算機(jī)是功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉的運(yùn)行平臺(tái)。由于虛擬儀器充分利用了計(jì)算機(jī)的圖形用戶界面GL，所開(kāi)發(fā)的具體應(yīng)用程序都基于WINDOWS運(yùn)行環(huán)境，所以計(jì)算機(jī)的硬件配置必須合適。GUI對(duì)計(jì)算機(jī)的CPU運(yùn)行速度、內(nèi)存大小、顯示卡性能等都有最基本的要求，一般而言要使用486以上的CPU和16M以上內(nèi)存的計(jì)算機(jī)才能獲得良好的效果。HJ唐旦；罾珈驅(qū)1L蚶，榍嘲盎幣佑L。7幅丐婀理葡R卜11裂據(jù)、圖豕笊集R叫GP田接口儀器卜叫GPIB接口卡串行口儀器PLC被計(jì)算機(jī)裝測(cè)。，。L有虛擬儀器對(duì)VALLK俯R7開(kāi)發(fā)軟件象_IPXI儀器L現(xiàn)場(chǎng)總線FIELDCANBUS設(shè)備。I苴官計(jì)管加撕仕桁士17L丹巳。畀咿“憂T伙卜FIG21THECOMPOSINGOFVIRTUALINSTRUMENTHARDWARE圖21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(lái)分，也可以按照測(cè)量功能來(lái)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(chǎng)總線虛擬儀器等，如圖21所示L圮J。1插卡式數(shù)據(jù)采集卡DAQ虛擬儀器它是以信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡及PC機(jī)為儀器硬件平臺(tái)，采用PCI或ISA計(jì)算機(jī)本身的總線，將DAQ直接插IXPC機(jī)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的總線擴(kuò)展插槽即可，因此這種虛擬儀器又FLQPCDAQPCI插卡式虛擬儀器。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(tái)，它包括符合RS232RS422標(biāo)準(zhǔn)的PLC和單片機(jī)系統(tǒng)。3并行接口虛擬儀器并行接口虛擬儀器把儀器硬件集成到一個(gè)采集盒內(nèi)，完成各種測(cè)量測(cè)試儀器的功能。它可以組成數(shù)字存儲(chǔ)示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、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。如美國(guó)LINK公司的DS州XX系列虛擬儀器。4USB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(jì)算機(jī)主板。USB總線能連接127個(gè)裝置，需要一對(duì)信號(hào)線及電源線。USB20標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸率能達(dá)至LJ480MBPS。該總線具有輕巧簡(jiǎn)便、價(jià)格便宜、連接方便快捷的特點(diǎn)，現(xiàn)在已被廣泛用于寬帶數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、掃描儀、打印機(jī)及存儲(chǔ)設(shè)備?；赨SB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。5GPIB虛擬儀器GPIBGENERALPURPOSEINTERFACEBUS是一種國(guó)際通用的可編程儀器接口標(biāo)準(zhǔn)，可用于可編程儀器裝置之間的互連，儀器與計(jì)算機(jī)的接口，而且可廣泛用作PC機(jī)與外設(shè)的接口。GPIB總線即IEEE叫48總線在測(cè)量?jī)x器的自動(dòng)化過(guò)程中起了重要的作用，其前身是HPIB總線，后來(lái)，IEC對(duì)它給予承認(rèn)，又；IJIECIB總線。GPIB提供了LO種接口功能，數(shù)據(jù)的最高速率可達(dá)1MBYTE以上，傳輸距離通常不超過(guò)10M，連接設(shè)備最多不超過(guò)15臺(tái)。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】。LO西華大學(xué)碩J學(xué)伉論文6VXI虛擬儀器VXIVMEBUSEXTENSIONFORINSTRUMENTION是VME總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，它不僅繼承了GPIB、VME總線的優(yōu)點(diǎn)，集測(cè)量、計(jì)算、通信于一體，還具有高速、模塊化的優(yōu)點(diǎn)。與GPIB儀器相比，VXI模塊沒(méi)有前操作面板。因此，應(yīng)用VXI總線組建測(cè)試系統(tǒng)必須編制虛擬的軟前面板以完成對(duì)儀器系統(tǒng)的操作控制，實(shí)現(xiàn)測(cè)試控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示等功能，從而設(shè)計(jì)出各種操作方便的基于圖形用戶界面GUI的集成測(cè)試系統(tǒng)。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【】4】。7PXI虛擬儀器PXIPCIEXTENSIONFORINSTRUMENTION是PCI在儀器領(lǐng)域的發(fā)展，是NI公司于發(fā)布的一種新的開(kāi)放性、模塊化的儀器總線規(guī)范。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(shí)鐘，用于精確定時(shí)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。PXI具有高度可擴(kuò)展性，可擴(kuò)展至U256個(gè)擴(kuò)展槽。把臺(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)主流的虛擬儀器平臺(tái)之一【151。8現(xiàn)場(chǎng)總線虛擬儀器以FIELDBUS標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，在智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、自動(dòng)化系統(tǒng)之間提供了一個(gè)全數(shù)字化的、雙向的、多節(jié)點(diǎn)的通信鏈接，常用于構(gòu)建測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)際應(yīng)用中虛擬儀器常用兩種構(gòu)成方式。一種是把帶有某種接口的各種測(cè)試設(shè)備連接到PC上，如帶有GPIB或RS232接口的測(cè)量?jī)x表。但是，帶RS232接口的儀表可直接連接到PC上，帶GPIB口的儀表還需通過(guò)PC中內(nèi)置的GPIB接口卡才能和PC相連。另一種是直接把傳感器的輸出信號(hào)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。2軟件簡(jiǎn)介虛擬儀器技術(shù)的核心思想，就是利用計(jì)算機(jī)的軟、硬件資源，使本來(lái)需要硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化虛擬化，以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)的功能與靈活性?；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THESOFTWAREISTHEINSTRUMENT的口掣161，并逐步提出了系統(tǒng)框架、驅(qū)動(dòng)程序、VISA、軟面板、部件庫(kù)等一系列軟件標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)了虛擬儀器軟件標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程。213虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)在于1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、簡(jiǎn)單。2強(qiáng)調(diào)“軟件就是儀器“，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。由于減少了許多隨時(shí)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(cè)量精度、測(cè)量速度和可重復(fù)性都大大提高。3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。虛擬儀器通過(guò)提供給用戶組建自己儀器的可重用源代碼庫(kù)，處理模塊間通訊、定時(shí)、觸發(fā)等功能，強(qiáng)調(diào)在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，通過(guò)軟件和軟面板，把由廠家定義的傳統(tǒng)儀器轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩糇约憾x、由計(jì)算機(jī)軟件和幾種模塊組成的專用儀器。虛擬儀器的出現(xiàn)，徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無(wú)法改變的模式，給了用戶一個(gè)充分發(fā)揮自己能力和想象力的空間。4用戶可以將儀器的設(shè)計(jì)、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(shí)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(kāi)發(fā)的費(fèi)用降低。虛擬儀器既可以作為單臺(tái)數(shù)字式測(cè)試儀器使用，又可以構(gòu)成較為復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)，甚至通過(guò)高速計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成分布式測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障診斷。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(gòu)買、維護(hù)費(fèi)用。傳統(tǒng)儀器的功能是由廠家定義、用戶無(wú)法改變的；而在虛擬儀器中用戶可以靈活地根據(jù)自己的需要設(shè)計(jì)自己的儀器，利用通用的儀器硬件平臺(tái)，調(diào)用不同的測(cè)試軟件就可構(gòu)成不同功能的儀器。表21對(duì)虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的特點(diǎn)作了一個(gè)簡(jiǎn)單的比較【17】【181。西華大學(xué)碩1二學(xué)位論文表21虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器THBLE21VIRTUALINSTRUMENTANDTRANDITIONALINSTRUMENTTRANDITIONALINSTRUMENTVIRTUALINSTRUMENTFUNCTIONDEFINEDBYFUNCTIONDEFMEDBYUSERINSTRUMENTMERCHANTCONNECTEDWITHOTHERINSTRUMENTATIONCONNECTEDWITHPERIPHERALEQUIPMENTANDEQUIPMENTLIMITEDMANYKINDSOFINSTRUMENTSCONVENIENTLYGRAPHICALINTERFACEANDINFORMATIONINTERFACEISGRAPHICAL，THECOMPUTERCONTENTISSMALL，DATAISREADDIRECTLYREADTHEDATAANDPROCESSBYMANPOWERTHEDATAAREUNABLETOEDITTHEDAMCANBEEDITED，STORED,PRINTEDTHEHARDWAREISAKEYPARTTHESOFTWAREISAKEYPARTCHEAPITISONLY15TO110OFEXPENSIVETHETRADITIONALINSTRUMENTTHEMODULEOFFUNCTIONBASEDONTHESYSTEMISCLOSED，THEFUNCTIONISCOMPUTERTECHNOLOGYCANFORMFIXED，THEEXPANSIBILITYISBADMANYKINDSOFINSTRUMENTSTECHNOLOGYINNOVATIONISSLOWTECHNOLOGYINNOVATIONISQUICKDEVELOPANDSAFEGUARDCOSTTHESTRUCTUREBASEDONSOFTWARESYSTEMCANISEXPEMSIVESAVETHEDEVELOPMENTCOSTGREATLY22LABVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)介紹LABVIEW是一個(gè)開(kāi)放式的虛擬儀器開(kāi)發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用軟件，它為設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)便捷、輕松的設(shè)計(jì)環(huán)境，利用它設(shè)計(jì)者可以象搭積木一樣，輕松組建一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并任意構(gòu)造自己的儀器面板，而無(wú)需進(jìn)行任何繁瑣的計(jì)算機(jī)程序代碼的編寫，從而可以大大簡(jiǎn)化程序的設(shè)計(jì)。LABVIEW與VISUALC、VISUALBASIC、LABWINDOWSCVI等編程語(yǔ)言不同，后者采用的是基于文本語(yǔ)言的程序代碼，而LABVIEW則是使用圖形化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言G，用方框圖代替了傳統(tǒng)的程序代碼。LABVIEW所運(yùn)用的設(shè)備圖標(biāo)與科學(xué)家、工程師們西華大學(xué)碩十學(xué)位論文習(xí)慣的大部分圖標(biāo)基本一致，這使得編程過(guò)程和思維過(guò)程非常相似。用LABVIEW設(shè)計(jì)的虛擬儀器可以脫離LABVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境，最終用戶看見(jiàn)的是和實(shí)際的硬件儀器相似的操作面板【191。LABVIEW包含有專門用于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集程序和儀器控制程序的功能庫(kù)和開(kāi)發(fā)工具庫(kù)。LABVIEW的程序設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上就是設(shè)計(jì)一個(gè)個(gè)的“虛擬儀器”，即“VIS。在計(jì)算機(jī)顯示屏幕上利用功能庫(kù)和開(kāi)發(fā)工具庫(kù)產(chǎn)生一個(gè)前面板FRONTPANEL；在后臺(tái)則利用圖形化編程語(yǔ)言編制用于控制前面板的程序。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。一般來(lái)說(shuō)，每一個(gè)都可以作為其它VI的調(diào)用對(duì)象，其功能類似于文本語(yǔ)言的子程序。LABVIEW是帶有可擴(kuò)展功能庫(kù)和子程序庫(kù)的通用程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)。它提供了用于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(chǔ)的應(yīng)用程序模塊。LABVIEW可調(diào)用WINDOWS動(dòng)態(tài)連接庫(kù)和用戶自定義的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)中的函數(shù)。LABVIEW的CIN節(jié)點(diǎn)使用戶可以使用由其它語(yǔ)言，如ANSIC，編譯的程序模塊，使LABVIEW成為一個(gè)開(kāi)放的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。LABVIEW還直接支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換DDE、結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言SQL、TCP和UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。此外，LABVIEW還提供了專門用于程序開(kāi)發(fā)的工具箱，使得用戶能夠設(shè)置斷點(diǎn)，動(dòng)態(tài)執(zhí)行程序來(lái)觀察數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程，以及進(jìn)行方便的調(diào)試201。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(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的執(zhí)行方式。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言如C中的順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)在LABVIEW中被并行機(jī)制所代替從本質(zhì)上講，它是一種帶有圖形控制流結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流模式，這種方式確保程序中的節(jié)點(diǎn)只有在獲得它的全部數(shù)據(jù)后才能執(zhí)行。也就是說(shuō)，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(dòng)的，它不受操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)等因素的影響。LABVIEW程序是數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的。數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì)規(guī)定，一個(gè)目標(biāo)只有當(dāng)它的所有輸入有效時(shí)才能執(zhí)行；而目標(biāo)的輸出，只有當(dāng)它的功能完全時(shí)才是有效的。這樣，LABVIEW中被連接的方框圖之間的數(shù)據(jù)流控制著程序的執(zhí)行次序，而不象文本程序受到行順序執(zhí)行的約束【LL】。從而，我們可以通過(guò)相互連接功能方框圖快速簡(jiǎn)潔地開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，甚至還可以有多個(gè)數(shù)據(jù)通道同步運(yùn)行。LABVIEW的核心是VI。VI有一個(gè)人機(jī)對(duì)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。前面板接受來(lái)自方框圖的指令。在VI的前面板中，控件CONTROLS模擬了儀器的輸入裝置并把數(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)。當(dāng)把一個(gè)控件或指示器放置到前面板上時(shí)，LABVIEW在方框圖中相應(yīng)地放置了一個(gè)端口TERMINALS，這個(gè)從屬于控件或指示器的端口不能隨意刪除，只有刪除它對(duì)應(yīng)的控件或指示器時(shí)它才隨之一起被刪除。用LABVIEW編制方框圖程序時(shí)，不必受常規(guī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)法細(xì)節(jié)的限制。首先，從功能菜單中選擇需要的功能方框，將之置于面板上適當(dāng)?shù)奈恢?；然后用?dǎo)線WIRES連接各功能方框在方框圖中的端口，用來(lái)在功能方框之間傳輸數(shù)據(jù)。這些方框包括了簡(jiǎn)單的算術(shù)功能，高級(jí)的采集和分析VI以及用來(lái)存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)的文件輸入輸出功能和網(wǎng)絡(luò)功能。用LABVIEW編制出的圖形化VI是分層次和模塊化的。我們可以將之用于頂層TOPLEVEL程序，也可用作其它程序或子程序的子程序。一個(gè)VI用在其它VI中，稱之為SUBVI，SUBVI在調(diào)用它的程序中同樣是以一個(gè)圖標(biāo)的形式出現(xiàn)的。LABVIEW依附并發(fā)展了模塊化程序設(shè)計(jì)的概念。用戶可以把一個(gè)應(yīng)用題目分解為一系列的子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)還可以進(jìn)一步分解成許多更低一級(jí)的子任務(wù)，直到把一個(gè)復(fù)雜的題目分解為許多子任務(wù)的組合211。首先設(shè)計(jì)SUBVI完成每個(gè)子任務(wù)，然后將之逐步組合成能夠解決最終問(wèn)題的VI。歸納起來(lái)LABVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)具有以下優(yōu)點(diǎn)圖形化的編程方式，設(shè)計(jì)者無(wú)需寫任何文本格式的代碼，是真正的工程師的語(yǔ)言。提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲(chǔ)的庫(kù)函數(shù)。既提供了傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步運(yùn)行，同時(shí)提供有獨(dú)到的高亮執(zhí)行工具，使程序動(dòng)畫式運(yùn)行，利于設(shè)計(jì)者觀察程序運(yùn)行的細(xì)節(jié)，使程序的調(diào)試和開(kāi)發(fā)更為便捷。32BIT的編譯器編譯生成32BIT的編譯程序，保證用戶數(shù)據(jù)采集、測(cè)試和測(cè)量方案的高速執(zhí)行。囊括了DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS232485在內(nèi)的各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，使得不懂總線標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)者也能夠驅(qū)動(dòng)不同總線標(biāo)準(zhǔn)兩華大學(xué)碩十學(xué)位論文接口設(shè)備與儀器。提供大量與外部代碼或軟件進(jìn)行連接的機(jī)制，諸如DLLS動(dòng)態(tài)連接庫(kù)、DDE共享庫(kù)、ACTIVEX等強(qiáng)大的INTEMET功能，支持常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程測(cè)控儀器的開(kāi)發(fā)。LABVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)具有以下特性L開(kāi)發(fā)環(huán)境斷線提示功能LABVLEW將在錯(cuò)誤連線上放置錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)“”，選擇連線工具，將光標(biāo)定位在錯(cuò)誤連線上，將顯示錯(cuò)誤提示信息。自動(dòng)錯(cuò)誤處理LABVIEW在檢測(cè)到錯(cuò)誤的時(shí)候自動(dòng)中斷程序的執(zhí)行，在發(fā)生錯(cuò)誤的地方高亮顯示子程序，并彈出一個(gè)錯(cuò)誤對(duì)話框。自動(dòng)布線用戶無(wú)須考慮兩個(gè)VI的相對(duì)位置，直接使用連線工具連接相應(yīng)端口即可。數(shù)據(jù)線會(huì)自動(dòng)確定最佳走線方向。條件斷點(diǎn)和自定義探測(cè)根據(jù)用戶指定的條件設(shè)定斷點(diǎn)以中斷應(yīng)用操作并創(chuàng)建自定義探測(cè)動(dòng)態(tài)用戶自定義事件為事件結(jié)構(gòu)創(chuàng)建自定義事件類型以方便處理，而不再單純依靠界面上的用戶輸出。這樣在控制LABVIEW何時(shí)生成何種事件方面將獲得更多的靈活性。2網(wǎng)絡(luò)化特點(diǎn)方便獲得NET網(wǎng)絡(luò)服務(wù)帶緩沖DATASOCKET型數(shù)據(jù)保證使用DATASOCKET在應(yīng)用程序之間共享數(shù)據(jù)時(shí)可以接收到所有公有數(shù)據(jù)EMAILVIS通過(guò)SMTP普通信件傳輸協(xié)議發(fā)送EMAIL，包括文件和數(shù)據(jù)3EXPRESSVLSEXPRESSVIS將多個(gè)傳統(tǒng)虛擬儀器的功能封裝到一個(gè)易用的交互式的虛擬儀16心華大學(xué)碩上學(xué)位論史器中。只要在程序框中JJN,K個(gè)EXPRESSVI，在數(shù)秒內(nèi)即可用配置對(duì)話框定義所需的功能。迅速開(kāi)發(fā)常見(jiàn)的應(yīng)用，程序框圖簡(jiǎn)潔。代碼運(yùn)行性能和以往的LABVIEW代碼相同，卻更易于維護(hù)扛”。FIG22STANDARDVICOMPAREDWITHEXPRESSVI圖22標(biāo)準(zhǔn)VI和EXPRESSVI的比較圖形化程序設(shè)計(jì)編程簡(jiǎn)單、直觀、開(kāi)發(fā)效率高。隨著虛擬儀器技術(shù)的不斷發(fā)展，圖形化的編程語(yǔ)言必將成為測(cè)試和控制領(lǐng)域內(nèi)最流行的發(fā)展趨勢(shì)。23LABVIEW的信號(hào)分析與處理模塊現(xiàn)實(shí)中數(shù)字信號(hào)無(wú)所不在。因?yàn)閿?shù)字信號(hào)具有高保真、低噪聲和便于處理的優(yōu)點(diǎn)，所以得到了廣泛應(yīng)用。目前，對(duì)于實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)，高速浮點(diǎn)運(yùn)算和數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)變得越來(lái)越重要。這些系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)處理、語(yǔ)音識(shí)別、數(shù)字音頻和圖像處理等各種領(lǐng)域。數(shù)據(jù)分析的重要性在于，由于無(wú)法從剛剛采集的數(shù)據(jù)中立刻得到有用的信息，所以必須消除噪聲干擾，糾正由設(shè)備故障而遭到破壞的數(shù)據(jù)，或者補(bǔ)償環(huán)境影響，如溫度和濕度等【23】。LABVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境中提供了信號(hào)處理和數(shù)學(xué)分析模塊，可以幫助使用者從采集的數(shù)據(jù)中提取有效信息，分析測(cè)量結(jié)果和處理信號(hào)。且LABVIEW分析工具使用簡(jiǎn)單，無(wú)需使用者去考慮復(fù)雜的底層算法。本文在信號(hào)分析與處理的運(yùn)算中，主要是使用LABVIEW語(yǔ)言的信號(hào)分析處理予模板和數(shù)學(xué)運(yùn)算子模板。下面重點(diǎn)介紹這兩個(gè)子模板。231SIGNALPROCESSING子模板LABVIEW的SIGNALPROCESSING子模板位于ANALYZE分析子模板中，它包含兩華大學(xué)碰士學(xué)位論文信號(hào)產(chǎn)生、時(shí)域分析、頻域分析、數(shù)字濾波器和窗函數(shù)等子選項(xiàng)板，如圖23所示。自磐鯛嘲鰳L倉(cāng)Q|J，菇R喪礎(chǔ)“LL一JLFI923SIGNALPROCESSINGSUBMODULE圖23SIGNALPROCESSING子模扳各子模板的功能如下SIGNALGENERATION信號(hào)產(chǎn)生子選項(xiàng)板用于產(chǎn)生正弦波、三角波、方波等15種仿真波形。OTIMEDOMAIN時(shí)域分析子選項(xiàng)板用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析，包括卷積、自相關(guān)、互相關(guān)等運(yùn)算函數(shù)。OFREQUENCYDOMAIN頻域分析子選項(xiàng)板；用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域分析，包括功率譜、FFT、FHT等運(yùn)算函數(shù)。OFILTERS數(shù)字濾波器子選項(xiàng)板；用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，包括巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器、FIR、IIR等濾波器。QWINDOWS窗函數(shù)子選項(xiàng)板；用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行加窗處理，包括矩形窗、漢寧窗、海明窗等13種窗函數(shù)。這些子選項(xiàng)板提供上百種信號(hào)分析與處理函數(shù)，使得分析軟件的開(kāi)發(fā)變得更加簡(jiǎn)單。用戶不必像在普通編程語(yǔ)言中那樣關(guān)心分析步驟的具體細(xì)節(jié)，而可以集中注意力解決信號(hào)處理與分析方面的問(wèn)題【24】。232MATHEMTICS子模板LABXLLEW在功能模板的MATHEMATICS子模板中提供了大量的數(shù)學(xué)分析函數(shù)，分別包含在LO個(gè)計(jì)算工具模塊中，MATHEMATICS子模板如圖24所示。西華大學(xué)碩士學(xué)位址文FI924MATHERA面CSSUBMODULE圖24MATHCROATICS子模板各子選項(xiàng)板的功能如下FORMULA公式子選項(xiàng)板用于輸入公式、數(shù)據(jù)，按照公式得出輸出結(jié)果。1DAND2DEVALUATION假設(shè)檢驗(yàn)子選項(xiàng)板用于進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)。CALCULUS微積分運(yùn)算子選項(xiàng)板用于微分、積分等運(yùn)算。PROBABIL時(shí)ANDSTATISTICS概率與統(tǒng)計(jì)子選項(xiàng)板用于概率和統(tǒng)計(jì)運(yùn)算。CURVEFMING曲線擬合子選項(xiàng)板用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合、數(shù)值插值等。LINEARALGEBRA線性代數(shù)子選項(xiàng)板；用于線性矩陣運(yùn)算。ARMYODERATION向量運(yùn)算子選項(xiàng)扳用于求輸入矢量的單位向量、歸一化處理等運(yùn)算。OPTIMIZATION最優(yōu)化子選項(xiàng)板用于求維函數(shù)的局部最小值、切比雪夫逼近準(zhǔn)則等。ZEROS零點(diǎn)運(yùn)算子選項(xiàng)板用于求解N維非線性系統(tǒng)、一維函數(shù)的所有零點(diǎn)等。NUMERICFUNCTIONS特殊函數(shù)子選項(xiàng)板根據(jù)不同的公式產(chǎn)生不同的函數(shù)。POLYNOMIAL多項(xiàng)式子選項(xiàng)模板用于多項(xiàng)式