太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書PAGE53第一章引言1.1概述 本文的選題來自于太原科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院的“基于反力式滾筒的車輛性能測試實(shí)驗(yàn)臺”課題。目前，該實(shí)驗(yàn)臺已經(jīng)經(jīng)過驗(yàn)收，信號采集和分析過程，是采用的離線評估的方法。同時，整個過程中針對信號使用的是比較散的非智能化的采集、A\D轉(zhuǎn)換、接收、處理的過程，同時沒有實(shí)時存儲的功能；而且在硬件設(shè)計(jì)中存在一個制約性的設(shè)計(jì)點(diǎn)，那就是反力式雙滾筒的中心矩不能夠根據(jù)現(xiàn)場的需要進(jìn)行調(diào)整。本文的目的就是實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和更新。并且對系統(tǒng)進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的PCI8333板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，處理并保存這些采集的數(shù)據(jù)，現(xiàn)場或回到實(shí)驗(yàn)室都可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并進(jìn)一步對系統(tǒng)性能做出評估。在更新了實(shí)驗(yàn)臺硬件設(shè)計(jì)制約點(diǎn)后，同時在這個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用NI公司開發(fā)的虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想，豐富了采集系統(tǒng)在上位機(jī)分析處理的功能，并且充分利用了虛擬儀器開發(fā)的低成本、高效率優(yōu)點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的集成度和縮短了開發(fā)周期。本文主要從硬件和軟件的設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行開發(fā)，硬件方面添加液壓雙向鎖緊裝置解決制約中心矩的設(shè)計(jì)點(diǎn)，軟件方面利用LabVIEW開發(fā)了一套上位機(jī)軟件?；诜戳κ綕L筒的車輛制動性能測試并不是本文的設(shè)計(jì)內(nèi)容，所以在本文中并沒有提及。對于虛擬儀器的引入，使得本系統(tǒng)的應(yīng)用并不只應(yīng)用于車輛行駛性能測試方面，還可以綜合至車輛的整體性能測試方面。1.2國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀與發(fā)展1.2.1測試技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展現(xiàn)代測試技術(shù)，既是促進(jìn)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要技術(shù)，又是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果?，F(xiàn)代科技的發(fā)展不斷地向測試技術(shù)提出新的要求，推動測試技術(shù)的發(fā)展。與此同時，測試技術(shù)迅速吸取和綜合各個科技領(lǐng)域(如物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)、微電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和工藝學(xué)等)的新成就，開發(fā)出新的方法和裝置。近年來，新技術(shù)的興起促使測試技術(shù)蓬勃發(fā)展，尤其在以下幾個方面的發(fā)展最為突出:1)、電路設(shè)計(jì)的改進(jìn)廣泛采用運(yùn)算放大器和各種集成電路，大大簡化了測試系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)特性。例如有效地減小了負(fù)載效應(yīng)，線性誤差，等等。2)、新穎傳感器層出不窮，可測量迅速增多當(dāng)今世界己擁有極高水平的各種電子設(shè)備和信息技術(shù)。傳感器是信息之源頭，只有擁有良好而多樣的傳感器，才能在非電量的自然界中有效地使用這些設(shè)備和技術(shù)。有人認(rèn)為支配了傳感器技術(shù)，就能把握住新時代。能不能開發(fā)出性價比高的測試裝置，關(guān)鍵也在于傳感器的開發(fā)和應(yīng)用。3)、廣泛應(yīng)用信息技術(shù)信息技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息處理技術(shù)，使測試技術(shù)產(chǎn)生了巨大變化，大幅度地提高測試系統(tǒng)的精確度、測試能力和工作效率;引進(jìn)許多新的分析手段和方法，使測試系統(tǒng)具有實(shí)時分析、記憶、邏輯決斷、自校、自適應(yīng)控制和某些補(bǔ)償能力，向著智能化發(fā)展。4)、多參量測試系統(tǒng)的開發(fā)由于出現(xiàn)各種廉價傳感器和實(shí)時處理裝置，為開發(fā)多傳感器和多種參量測試系統(tǒng)提供了可能性。這種測量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多自變量函數(shù)的測量，是自動控制系統(tǒng)必不可少的裝置。它也廣泛用于設(shè)備的監(jiān)測和組成線型或面型傳感器陣列進(jìn)行圖象或場量的測試。1.2.2虛擬儀器技術(shù)的回顧、現(xiàn)狀及其展望虛擬技術(shù)、計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是信息技術(shù)最重要的組成部分，它們被稱為21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)中的三大核心技術(shù)1391。虛擬技術(shù)蘊(yùn)含的巨大潛力，使發(fā)達(dá)國家趨之若鶩，在這一領(lǐng)域的研究上投入巨資，希望有朝一日能在它的帶動下率先進(jìn)入信息時代，而把工業(yè)時代遠(yuǎn)遠(yuǎn)地拋在后面20世紀(jì)80年代首先在美國興起和發(fā)展起來的虛擬儀器無疑是虛擬技術(shù)領(lǐng)域中的重要組成部分，因此，它成為發(fā)達(dá)國家研究開發(fā)的熱點(diǎn)技術(shù)之一。1.2.3汽車檢測技術(shù)的現(xiàn)狀及展望汽車技術(shù)發(fā)源于國外．汽車檢測技術(shù)的發(fā)展也是從國外開始的。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)和進(jìn)步．促使汽車檢測技術(shù)得到了飛速發(fā)展。目前．人們已經(jīng)能夠利用各種先進(jìn)的儀器設(shè)備對汽車性能進(jìn)行檢測，達(dá)到安全、迅速、準(zhǔn)確地診斷故障、評價性能、確定維修方案等目的。為了借鑒國外已經(jīng)取得的成功經(jīng)驗(yàn)．促進(jìn)國內(nèi)汽車檢測技術(shù)的發(fā)展，有必要對國外汽車檢測狀況有所了解。1）全新的汽車發(fā)動機(jī)檢測診斷技術(shù)國外采用最新技術(shù)的汽車發(fā)動機(jī)分析儀在功能上更加強(qiáng)大和完善．如美國大熊公司生產(chǎn)的大熊牌BEAR,40-200型、BEAR-400型全電腦發(fā)動機(jī)診斷檢測系統(tǒng)．德國博世公司推出的FSA60O0型發(fā)動機(jī)綜合檢測儀及奧地利AVL公司生產(chǎn)的AVL-845型電腦發(fā)動機(jī)診斷檢測儀等，都代表了當(dāng)代的先進(jìn)技術(shù)水平。2）汽車四輪定位檢測技術(shù)四輪定位相關(guān)技術(shù)在汽車維修和檢測作業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。究其原因，主要是發(fā)達(dá)國家的高速公路已形成網(wǎng)絡(luò)，車輛行駛速度高，從安全性和車輛行駛穩(wěn)定性方面來說．四輪定位檢測和調(diào)整非常必要；另一方面是汽車四輪定位設(shè)備調(diào)校簡單，使用方便，精確度高。在動態(tài)條件下測定與調(diào)整車輪定位參數(shù)．是車輛四輪定位檢測技術(shù)的發(fā)展新方向。3）車輛輪胎測試技術(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國高速公路的交通事故，約40％是由于爆胎造成的。造成爆胎的原因很多，其中胎面磨損和胎冠的磨損、裂紋和凹坑是造成汽車爆胎的主要原因。在我國只強(qiáng)調(diào)檢測輪胎動平衡，對輪胎胎面及胎冠的磨損情況只靠目測，而在德國是通過輪胎測試儀來測試輪胎，確定是否需要更換，防止出現(xiàn)爆胎事故。4)制動性能檢測技術(shù)隨著汽車ABS、AsR技術(shù)的進(jìn)一步普及，現(xiàn)階段的反力式制動檢測臺已經(jīng)不能夠滿足汽車檢測的需要，為了在室內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的制動力檢測，國外知名企業(yè)先后開發(fā)了相應(yīng)的雙軸ABS制動檢測臺。5)車輛排放檢測技術(shù)及相關(guān)措施為了有效地保護(hù)環(huán)境，控制車輛的排放是一個重要的環(huán)節(jié)。針對此情況，西方發(fā)達(dá)國家政府制定嚴(yán)格的新車排放法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，同時為保證新車滿足排放法規(guī)的要求，采取了相應(yīng)的監(jiān)督檢驗(yàn)機(jī)制。6)檢測設(shè)備一體化集成化由于電子技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車檢測設(shè)備的集成化也隨之有了長足的進(jìn)步。如日本彌榮公司把汽車制動臺、車速表、排放分析儀、噪聲計(jì)等與四輪定位動態(tài)測定系統(tǒng)組合一起，但可以測定汽車四輪定位參數(shù)，還可測定底盤輸出功率、發(fā)動機(jī)功率、汽車行駛狀態(tài)模擬，四輪定位、振動懸掛以及制動和速度等，具有一機(jī)多項(xiàng)的測試功能。西門子公司開發(fā)的汽車綜合性能檢測線，集成度高，在2O米的長度內(nèi)包括了車速、制動、排放、燈光噪聲等功能，并還可以按照要求加裝電渦流測功機(jī)。由此可見檢測設(shè)備的一體化、集成化也是汽車檢測下一階段的發(fā)展方向。7)汽車檢測聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在發(fā)達(dá)國家，檢測機(jī)構(gòu)大多會采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)無線通訊聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，如德國的計(jì)算機(jī)無線通訊聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。系統(tǒng)是由一個軟件包、條形碼和一個可移動的數(shù)據(jù)載體構(gòu)成。它能將所有用戶資料、車輛數(shù)據(jù)、以前的和當(dāng)前的汽車檢測數(shù)據(jù)，通過一個可移動系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行工位采集、存儲并把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)。這樣就保證了在一個大的檢測站或維修車間，所有的檢測設(shè)備通過數(shù)據(jù)載體就可與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，這使檢測線更具靈活性。檢測線上配備的小型數(shù)據(jù)載體可放在檢測員的口袋中隨檢測員移動，并可以通過無線通訊與在檢測設(shè)備上的接收平臺實(shí)現(xiàn)快捷、可靠的數(shù)據(jù)傳輸．便于檢測操作人員輸入和查詢信息。我國在汽車檢測方面的差距我國汽車檢測技術(shù)經(jīng)歷了從無到有，從小到大；從引進(jìn)技術(shù)、引進(jìn)檢測設(shè)備．到自主研究開發(fā)推廣應(yīng)用，從單一性能檢測到綜合檢測，雖然已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，但與世界先進(jìn)水平相比，還有一定距離。這主要表現(xiàn)在兩個方面：首先，我們國家的檢測部門帶有濃厚的政府部門色彩，這就對檢測技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)的保護(hù)利用制造了嚴(yán)重的障礙；另外，我們國家的檢測人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)比較低，這是制約我們國家檢測技術(shù)發(fā)展的一個重要的因素。目前也只有為數(shù)不多的幾個大型汽車制造廠家建立了自己的汽車性能檢測線。所以我們應(yīng)該加倍地努力去迎頭趕上。1.3本章小結(jié)綜合上述所描述的觀點(diǎn),可以了解到目前國內(nèi)國際上測試行業(yè)的狀況和發(fā)展前景。同時還可以了解到虛擬儀器技術(shù)的回顧、現(xiàn)狀及其展；其中重點(diǎn)介紹了了汽車測試技術(shù)在國際，國內(nèi)的情況及發(fā)展前景，并作了比較，提出了我們作為未來的汽車測試人，要快速的適應(yīng)技術(shù)的飛速發(fā)展，同時還要不斷地學(xué)習(xí)測試技術(shù)的新知識。第二章虛擬儀器技術(shù)及LabVIEW簡介2.1虛擬儀器技術(shù)概述2.1.1虛擬儀器簡介及其國內(nèi)外發(fā)展概況虛擬儀器（VirtualInstruments）是基于計(jì)算機(jī)軟、硬件的測試平臺，用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量測試儀器，可集成于自動控制、工業(yè)控制系統(tǒng)和構(gòu)建專用儀器系統(tǒng)。它由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件組成。與傳統(tǒng)儀器一樣虛擬儀器有三大功能：信號的采集與控制、信號的分析與處理、結(jié)果的表達(dá)與輸出。無論哪種虛擬儀器系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到筆記本電腦、臺式PC或工作站等各種計(jì)算機(jī)平臺加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。虛擬儀器技術(shù)最核心的思想就是利用計(jì)算機(jī)的硬/軟件資源，使本來需要硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化（虛擬化），以便最大限度的降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)的功能和靈活性。由于大量使用通用的計(jì)算件硬件，虛擬儀器大大縮小了儀器硬件的成本和體積；而且，通過軟件實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲及分析處理，發(fā)揮了計(jì)算機(jī)越來越強(qiáng)大的運(yùn)算功能，所以虛擬儀器技術(shù)是充分利用了計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)來實(shí)現(xiàn)并提高傳統(tǒng)儀器功能的一種先進(jìn)技術(shù)。由于計(jì)算機(jī)性能以摩爾定律(每半年提高一倍)飛速發(fā)展，這給虛擬儀器生產(chǎn)不斷帶來較高的技術(shù)更新速率,所以開發(fā)和應(yīng)用虛擬儀器及其測試技術(shù)是一種必然趨勢。虛擬技術(shù)、計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是信息技術(shù)最重要的組成部分，它們被稱為21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)中的三大核心技術(shù)。虛擬技術(shù)蘊(yùn)涵的巨大潛力，使發(fā)達(dá)國家趨之若鶩，在這一領(lǐng)域的研究上投入了巨資，希望有朝一日能在它的帶動下率先進(jìn)入信息時代。虛擬儀器是日益發(fā)展的計(jì)算機(jī)硬件、軟件和總線技術(shù)在向其它技術(shù)領(lǐng)域密集滲透的過程中，與測試技術(shù)、儀器技術(shù)密切結(jié)合，共同孕育出的一項(xiàng)新成果。20世紀(jì)80年代美國國家儀器公司（NationalInstrumentsCompany簡稱NI）首先提出了虛擬儀器的概念。這一概念的核心思想是：以計(jì)算機(jī)作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺，充分利用計(jì)算機(jī)獨(dú)具的運(yùn)算、存儲、回放、調(diào)用、顯示以及文件管理等智能化功能，同時把傳統(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)合起來融為一體，這樣便構(gòu)成了一臺從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同，同時又充分享用了計(jì)算機(jī)智能資源的全新的儀器系統(tǒng)。由于儀器的專業(yè)化功能和面板控件都是由軟件形成，因此在國際上把這類新型的儀器稱為“虛擬式儀器”或稱“軟件即儀器”。自20世紀(jì)80年代以來，NI公司已研制和推出了多種總線系統(tǒng)的虛擬式儀器，特別是它推出的LabVIEW圖形編程環(huán)境已享譽(yù)世界，成為這類新型儀器開發(fā)系統(tǒng)的世界生產(chǎn)大戶。該公司推出HPVEE編程系統(tǒng)可以提供數(shù)十至數(shù)百種虛擬儀器的組建單元和整機(jī)，用戶可以用它組建或挑選自己所需的儀器。除此之外，世界上陸續(xù)有數(shù)百家公司，如Tektronix公司，Racal公司等也相繼推出了總線系統(tǒng)多達(dá)數(shù)百個品種的虛擬式儀器。作為儀器領(lǐng)域中最新興的技術(shù)，虛擬式儀器的研究、開發(fā)在國內(nèi)已經(jīng)過了起步階段。從90年代中期以來，國內(nèi)的重慶大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、成都電子科技大學(xué)、中科泛華電子科技公司等院校和高科技公司，在研究和開發(fā)儀器產(chǎn)品和虛擬式儀器設(shè)計(jì)平臺以及引進(jìn)消化NI公司、HP公司的產(chǎn)品等方面做了一系列有益工作，取得了一批矚目的成果。這一預(yù)測對整個儀器儀表領(lǐng)域，不啻是一次強(qiáng)烈的震撼，使從事電測儀器科學(xué)技術(shù)研究與開發(fā)的科學(xué)家和工程師們都看清了虛擬式儀器對傳統(tǒng)儀器的巨大挑戰(zhàn)，認(rèn)識到在本世紀(jì)虛擬式儀器將成為電測儀器的發(fā)展方向。2.1.2虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)代化生產(chǎn)要求電子儀器品種多、功能強(qiáng)、精度高、自動化程度高，而且要求測試速度快、實(shí)時性好、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，虛擬儀器具有優(yōu)點(diǎn)如表2.1：表2.1虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較2.1.3虛擬儀器的構(gòu)成及分類虛擬儀器通常由硬件設(shè)備與接口、設(shè)備驅(qū)動軟件、測試功能軟件和可視化虛擬儀器面板等組成。例如，采用LabVIEW（或LabWindows/CVI）開發(fā)平臺設(shè)計(jì)的基于PC-DAQ的虛擬儀器測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示：圖2.1虛擬儀器測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)建基于計(jì)算機(jī)的虛擬儀器測試系統(tǒng)，需要有相應(yīng)的硬件來支持。虛擬儀器的硬件一般分為基礎(chǔ)硬件平臺和儀器硬件設(shè)備?；A(chǔ)硬件平臺目前可以選擇各種類型的計(jì)算機(jī)；而儀器硬件設(shè)備則主要包括各種計(jì)算機(jī)內(nèi)置插卡和外置測試設(shè)備等。根據(jù)所用儀器硬件的不同，虛擬儀器可分為GPIB（IEEE488）總線式、以計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集卡和信號調(diào)理為儀器硬件而組成的PC總線式、VXI總線式、PXI總線式、并行總線式、串行總線式、現(xiàn)場總線式等不同的硬件體系結(jié)構(gòu)。目前虛擬儀的發(fā)展主流是GPIB,PCI-DAQ,VXI和PXI四種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。①GPIB總線系統(tǒng)GPIB總線，即IEEE488通用接口總線，是HP公司在70年代推出的臺式儀器接口總線。該標(biāo)準(zhǔn)總線在儀器、儀表及測控技術(shù)領(lǐng)域得到了最為廣泛的應(yīng)用。這種系統(tǒng)是在微機(jī)中插入一塊GPIB卡，通過24或25線電纜連接到儀器端口的GPIB接口。由于GPIB系統(tǒng)在PC出現(xiàn)的初期問世，所以有一定的局限性，如其數(shù)據(jù)線只有8根，傳輸速率最高只有1MB/s，傳輸距離20m（加驅(qū)動器也只達(dá)到500m），最多只能連接15臺設(shè)備等。GPIB測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡單，主要市場在臺式儀器市場。但是它與PC機(jī)相連需要專用接口以及GPIB儀器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳遞速率較低，逐漸被其他形式的儀器所代替。GPIB測試系統(tǒng)適合于精確度要求(虛擬儀器面板應(yīng)用程序LabVIEW或LabWindows/CVI函數(shù)模塊設(shè)備驅(qū)動程序LabVIEW或LabWindows/CVI函數(shù)模塊數(shù)據(jù)采集卡計(jì)算機(jī)信號調(diào)理模塊電量傳感器,非電量傳感器其它傳感器)高，但不要求對計(jì)算機(jī)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用，成本也較高。不過盡管如此，它目前仍是儀器、儀表及測控系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)互連的主流并行總線。②VXI總線系統(tǒng)VXI（VMEBuseXtensionforInstrumentation）總線是高速VME計(jì)算機(jī)總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，由HP等公司于1987年提出，1992年成為IEEE1155標(biāo)準(zhǔn)。VXI系統(tǒng)綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、GPIB技術(shù)、PC儀器技術(shù)、接口技術(shù)、VME總線和模塊化結(jié)構(gòu)技術(shù)的成果，其1998年修訂的VXI20版本已經(jīng)具有64位的擴(kuò)展能力，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)80MB/s，最多可包含256個設(shè)備。VXI總線支持即插即用，人際界面良好，資源利用率高，容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，在組建大、中規(guī)模自動化測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合，具有其他儀器所無法比擬的優(yōu)勢。然而，組建VXI總線要求有機(jī)箱、零槽管理器以及嵌入式控制器，造價比較高，硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜，面市的品種也較少。③PXI總線系統(tǒng)PXI總線是1997年美國NI公司發(fā)布的一種具有較高性價比的總線。PXI是PCI在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展（PCIeXtensionforInstrumentation），在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面與CompactPCI總線的要求基本相同，不同的是PXI總線規(guī)范對機(jī)箱和印刷電路板的溫度、濕度、振動、沖擊、電磁兼容性和通風(fēng)散熱等提出了要求，與VXI總線的要求非常相似。在電氣方面，PXI總線完全與CompactPCI總線兼容，所不同的是PXI總線為適合于測控儀器、設(shè)備或系統(tǒng)的要求，增加了多板同步觸發(fā)總線的參考時鐘，適合于精確定時的星形觸發(fā)總線，以及便于相鄰模塊的高速通信的局部總線。PXI有高度的可擴(kuò)展性，它有8個擴(kuò)展槽，而臺式PCI系統(tǒng)只有3-4個擴(kuò)展槽；通過使用PCI-PCI橋接器，可擴(kuò)展到256個擴(kuò)展槽，但成本比較高，硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜。④PC總線系統(tǒng)也稱PCI總線系統(tǒng)、插卡型系統(tǒng)。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，完成測試任務(wù)。它充分利用計(jì)算機(jī)的總線、系統(tǒng)內(nèi)存、機(jī)箱、電源以及軟件的便利，大大增加了測試系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。具有良好的開放式軟、硬件平臺。其接口總線簡化了系統(tǒng)構(gòu)成，使得系統(tǒng)擴(kuò)充、變更更容易，構(gòu)建測試系統(tǒng)更靈活，系統(tǒng)的總體性能優(yōu)于GPIB。并且隨著A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)、儀器放大技術(shù)、抗混疊濾波技術(shù)與信號調(diào)理技術(shù)的迅速發(fā)展，測試系統(tǒng)的采樣速率最高已達(dá)到1Gb/s,精度更高達(dá)24位，通道數(shù)高達(dá)64個，并能任意結(jié)合數(shù)字I/O，模擬I/O、計(jì)數(shù)器/定時器等通道。儀器廠家生產(chǎn)了大量的測試功能模塊可供用戶選擇，如示波器、數(shù)字萬用表、串行數(shù)據(jù)分析儀、動態(tài)信號分析儀、任意波形發(fā)生器等。在PC計(jì)算機(jī)上掛接若干測試功能模塊，配合相應(yīng)的軟件，就可以構(gòu)成一臺具有若干功能的PC儀器。但這種方式受PC機(jī)機(jī)箱和總線限制，且存在電源功率不足、機(jī)箱內(nèi)部的噪聲電平較高、機(jī)箱內(nèi)無屏蔽等缺點(diǎn)。由于插卡式儀器價格最便宜，性價比比較高，靈活性較好，個人計(jì)算機(jī)數(shù)量非常龐大，因此其用途廣泛，在國內(nèi)勢必迅速發(fā)展。本課題采用的也正是這種方案，即在臺式計(jì)算機(jī)內(nèi)插入一塊PCI2003數(shù)據(jù)采集卡，進(jìn)行信號的采集，通過軟件控制采集、存儲、運(yùn)算分析、顯示結(jié)果等一系列功能，可根據(jù)需要對軟件進(jìn)行增加或改進(jìn)，以滿足不同的需要。由以上分析可知，GPIB方式控制的虛擬儀器主要針對單一的專用儀器，數(shù)據(jù)傳輸速度有限，通用性不強(qiáng)?；赑XI總線的虛擬儀器測試系統(tǒng)由于電磁兼容性能及冷卻性能的改善和它的模塊式結(jié)構(gòu)，使它可用在一般要求的測試系統(tǒng)場合和系統(tǒng)總價格有所限制的測試系統(tǒng)中。而基于VXI總線的虛擬儀器測試系統(tǒng)具有良好的性能，可用于測試系統(tǒng)，但由于價格昂貴，主要應(yīng)用于尖端測試領(lǐng)域，特別適合于高速大數(shù)據(jù)量測試系統(tǒng)、寬頻帶測試系統(tǒng)和軍用自動化測試中。而由數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成的虛擬儀器通常適用于一般的教學(xué)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室常規(guī)測試和低頻低速的過程測控系統(tǒng)中，其性能價格比較高，設(shè)計(jì)手段靈活，通用性強(qiáng)，應(yīng)用前景廣闊。本次課題從性價比和靈活性考慮，采用PC插入式數(shù)據(jù)采集卡（PC-DAQ）硬件體系結(jié)構(gòu)，構(gòu)建模塊化、開放式的高性能虛擬儀器測試系統(tǒng)。2.1.4虛擬儀器的軟件由兩大部分構(gòu)成：1)I/O接口儀器驅(qū)動程序。這類程序用來完成特定外部硬件設(shè)備的擴(kuò)展、驅(qū)動與通信。設(shè)備驅(qū)動程序是聯(lián)系用戶應(yīng)用程序與底層硬件設(shè)備的基礎(chǔ)。每一種設(shè)備驅(qū)動程序都是為增加編程靈活性和提高數(shù)據(jù)吞吐能力而設(shè)計(jì)的。每個設(shè)備驅(qū)動程序都具有一個共同的應(yīng)用程序接口（API），因此，不管虛擬儀器所使用的計(jì)算機(jī)或者操作系統(tǒng)是什么，最終所編寫的用戶應(yīng)用程序都是可移植的。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一個主要的方面是驅(qū)動軟件的使用。驅(qū)動軟件是直接對數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)注冊來進(jìn)行設(shè)計(jì)的軟件層，管理著系統(tǒng)的操作以及計(jì)算機(jī)資源，比如CPU中斷、DMA傳輸、存儲器等。在保持高性能、提供給用戶易于理解的同時，隱藏了復(fù)雜、詳細(xì)的硬件級程序設(shè)計(jì)。越來越復(fù)雜的DAQ硬件、計(jì)算機(jī)、軟件等實(shí)際上更提高了驅(qū)動程序的重要性和價值。2)應(yīng)用程序。用于虛擬儀器開發(fā)的應(yīng)用軟件目前大致有兩類：一類是文本式的編程語言，如BorlandC，VisualC++，LabWindows/CVI等；另一類是圖形化編程語言,也稱G語言，最具代表性的有NI的LabVIEW、HP的HPVEE等。大部分虛擬儀器開發(fā)環(huán)境均提供一定程度的I/O設(shè)備支持。許多I/O驅(qū)動程序已經(jīng)集成在開發(fā)環(huán)境中。以LabVIEW為例,它能夠支持串行接口、GPIB、VXI等標(biāo)準(zhǔn)總線和多種數(shù)據(jù)采集板，LabVIEW還可以驅(qū)動許多儀器公司的儀器，如HewlettPackard、Philips、Tektronix、B&K、Fluke等。同時,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),以解決對某些非NI公司支持的標(biāo)準(zhǔn)硬件在使用過程中的驅(qū)動問題。2.2虛擬儀器各部分的作用要從一個基于計(jì)算機(jī)的虛擬儀器系統(tǒng)得到合理的結(jié)果，完成測試，就必須要依賴于系統(tǒng)的每一個組成部分。以一個PCI-DAQ式虛擬儀器測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為例，它主要由傳感器、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集(DAQ)硬件、個人計(jì)算機(jī)、軟件等基本要素構(gòu)成。傳感器傳感器是把物理量換成電信號的裝置。對于每種傳感器，電信號的大小都與被監(jiān)測的物理量參數(shù)成比例。選用不同的傳感器，可以完成對不同物理量的測試。一些傳感器，像熱電偶等，由于精度較低，信號也微弱，因而常常需要對其進(jìn)行調(diào)理和校正才可能得出精確的測試結(jié)果。②信號調(diào)理從傳感器輸出的信號一般必須經(jīng)過信號調(diào)理才能夠有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，常見的信號調(diào)理包括放大、濾波、隔離、傳感器激勵、線性化等。1)放大根據(jù)采集系統(tǒng)的量程對微弱信號要進(jìn)行放大(通常使調(diào)理后信號的最大電壓值和ADC的最大輸入值相等)，這樣可以提高分辨率，從而可以提高測試精度.信號調(diào)理的前端系統(tǒng)有幾種放大模式，最常見的有通用集成放大器、儀表放大器、隔離放大器和程控放大器等。2)濾波濾波可以消除噪聲信號。對于常見的測試系統(tǒng)，混入的一般為高頻噪聲，所以測試系統(tǒng)中，一般采用低通濾波器，用于直流、低頻交流信號的調(diào)理。通過設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)慕刂诡l率，就可以消除由于高頻信號在采集過程中所引起的頻率混疊效應(yīng)產(chǎn)生的干擾。3)隔離隔離也是信號調(diào)理中的一種。它在有些應(yīng)用中十分重要。一方面，從安全的角度看，把傳感器信號同計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)的前端隔離，可以免除因?yàn)楸槐O(jiān)測系統(tǒng)可能產(chǎn)生瞬時高電壓而損壞整個測試系統(tǒng)；另一個方面，隔離可以消除數(shù)據(jù)采集卡出來的信號受地電位和輸出模式的影響。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)采集卡的信號與原始的信號不共地時，可能產(chǎn)生較大誤差甚至損壞系統(tǒng)，而用隔離辦法就能保證信號準(zhǔn)確。4)激勵信號調(diào)理也能夠?yàn)槟承﹤鞲衅魈峁┕ぷ麟娏骰螂妷骸ｋ娮铚囟扔?jì)(RTD)需要電流將電阻變化反映出來，而應(yīng)變片需要一個完備的橋式電路及電源。很多設(shè)備都提供電流源和電壓源以便使用這些傳感器。5)線性化很多傳感器對被測量的物理量都有非線性響應(yīng)，因而需要對傳感器輸出信號進(jìn)行線性化。可以在驅(qū)動程序和一些應(yīng)用軟件對信號進(jìn)行線性化處理。③數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集卡是虛擬儀器的重要組成部分，主要完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，以及數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)的傳送。數(shù)據(jù)采集卡與眾多因素相關(guān)。模擬輸入的相關(guān)參數(shù)1）采樣頻率采樣頻率高，就能在一定時間獲得更多的原始信號信息。為了再現(xiàn)原始信號，必須有足夠高的采樣頻率。如果信號變化比數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字化要快，或者采樣頻率太低，就會產(chǎn)生波形失真。根據(jù)奈奎斯特理論，采樣頻率至少是信號最高頻率的兩倍，才不至于產(chǎn)生波形失真。2）采樣方法通用數(shù)據(jù)采集卡一般有多個模擬輸入通道，但是多數(shù)采集卡并非每個通道配置一個ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器），而是各通道共用一個ADC；在ADC之前一般有多路開關(guān)、儀用放大器和采樣保持器。通過采樣保持器和多路開關(guān)的切換，可以實(shí)現(xiàn)多通道的采樣。采用連續(xù)掃描方法，要比給每個通道一個放大器和ADC要經(jīng)濟(jì)得多，但這僅適用于對采樣同步性要求不是很嚴(yán)格的場合。如果采樣點(diǎn)同步性要求嚴(yán)格，則必須同時采集。對于低頻信號，可以用間隔掃描辦法來產(chǎn)生同時采樣的效果，而不必增加采樣保持電路。3）分辨率分辨率可以用模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）的位數(shù)來衡量。ADC的位數(shù)越多，分辨率就越高，可以區(qū)分的最小電壓就越小。目前就采集卡的分辨率來說，8位采集卡屬于初級產(chǎn)品，12位采集卡屬于中檔產(chǎn)品，16位采集卡則比較高級，它們可以將模擬輸入電壓分別量化為=256，=4096，EQ=65536份。4）電壓范圍電壓范圍由ADC能夠進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的模擬信號的最高和最低的電壓決定。一般情況下，采集卡的電壓范圍是可調(diào)的，所以可選擇與信號電壓變化相匹配的電壓范圍，以充分利用分辨率的范圍，得到更高的精度。5）增益增益主要用于在ADC之前將信號進(jìn)行放大。使用增益可以使送給ADC的信號盡可能接近滿量程，從而可以更好的復(fù)原信號。一般情況下要選擇合適的增益，使得輸入信號的動態(tài)范圍與ADC的電壓范圍相適應(yīng)。當(dāng)信號的最大電壓乘以增益，超過板卡的最大電壓時，超出部分將被截?cái)喽x出錯誤的數(shù)據(jù)。6）可分辨的最小電壓（LSB）一個采集卡的分辨率、輸入電壓范圍和增益決定了可分辨的最小電壓，表示為1LSB（LSB=LastSignificantBit最低位第0位。MSB=MostSignificantBit是最高位第7位）。例如，若某采集卡分辨率為12位，電壓范圍取0～10V，增益取1001LSB=10V/(100×4096)=24μV公式2.1這樣，在數(shù)字化過程中，能分辨的最小電壓就為24μV。2.3虛擬儀器開發(fā)環(huán)境LabVIEW介紹2.3.1LabVIEW的基礎(chǔ)知識LabVIEW實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）的簡稱，是美國NI公司的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，它內(nèi)置信號采集、測量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，摒棄了傳統(tǒng)開發(fā)工具的復(fù)雜性，在提供強(qiáng)大功能的同時保證了系統(tǒng)靈活性，是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件集成開發(fā)環(huán)境。利用LabVIEW開發(fā)平臺，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、儀器控制、過程監(jiān)控和自動測試、運(yùn)動控制等實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)自動化領(lǐng)域的測試與控制。LabVIEW還為科學(xué)家和工程師提供了功能強(qiáng)大的高級數(shù)學(xué)分析庫，包括統(tǒng)計(jì)、估計(jì)、回歸分折、線性代數(shù)、信號生成算法、時域和頻域算法等眾多科學(xué)領(lǐng)域，可滿足各種計(jì)算和分析需要。即使在聯(lián)合時域分析、小波和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)等高級或特殊分析場合，LabVIEW也提供了專門的附加軟件包。2.3.2LabVIEW編程環(huán)境介紹同C和BASIC語言一樣，LabVIEW也是一種通用語言，包括常規(guī)的程序開發(fā)工具，并帶有各種函數(shù)庫，LabVIEW的函數(shù)包括數(shù)據(jù)采集、通用接口總線和儀表的實(shí)時控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)的存儲等。但它與傳統(tǒng)的文本編程語言不同，采用了一種基于流程圖的圖形化編程形式，因此也被稱為G語言（graphicallanguage）。這種圖形化的編程形式，既直觀易學(xué)，又極大地提高了編程效率，方便了非軟件專業(yè)的工程師快速編程。LabVIEW也不同于傳統(tǒng)文本式的編程語言的順序執(zhí)行方式，而是采用了數(shù)據(jù)流的執(zhí)行方式，這種方式要求程序僅在各節(jié)點(diǎn)已獲得它的全部數(shù)據(jù)后才執(zhí)行。使用LabVIEW開發(fā)平臺編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡稱VI。VI包括三個部分：前面板(frontpanel)﹑程序框圖(blockdiagram)以及圖標(biāo)/連接器(icon/connector)三部分。前面板是圖形用戶界面，也就是VI的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制(control)和顯示對象(indicator)。圖2.2上半部分所示是一個正弦信號發(fā)生和顯示的簡單VI的前面板。上面有一個顯示對象，以曲線的方式顯示了所產(chǎn)生的一個正弦波形。還有一個控制對象————開關(guān),可以啟動和停止工作。顯然，并非簡單地畫兩個控件就可以運(yùn)行，在前面板后還有一個與之配套的程序框圖。程序框圖提供VI的圖形化源程序。在程序框圖中對VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。程序框圖中包括前面板上的控件的連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。函數(shù)：正弦波函數(shù)與前面板控件對應(yīng)的連線端與前面板控件對應(yīng)的連線端結(jié)構(gòu)：循環(huán)控制對象（輸入）顯示對象（輸出）由圖2.2可以看到程序框圖中包括了前面板上的開關(guān)和波形函數(shù)顯示器的連線端子，還有一個正弦函數(shù)及程序的循環(huán)結(jié)構(gòu)。正弦函數(shù)通過連線將產(chǎn)生的正弦波信號送到顯示控件，為了使它持續(xù)工作下去，設(shè)置了一個WhileLoop循環(huán)，由開關(guān)控制這一循環(huán)的結(jié)束。如果將VI與標(biāo)準(zhǔn)儀器相比較，那么前面板上的東西就是儀器面板上的東西，而程序框圖上的東西相當(dāng)于儀器箱內(nèi)的東西。在許多情況下，使用VI可以仿真標(biāo)準(zhǔn)儀器，不僅屏幕上出現(xiàn)一個惟妙惟肖的標(biāo)準(zhǔn)儀器面板，而且其功能也與標(biāo)準(zhǔn)儀器相差無幾。圖標(biāo)/連接器是子VI被其它VI調(diào)用的接口。圖2.2下半部分是對應(yīng)的VI的程序框圖圖標(biāo)是子VI在其他程序框圖中被調(diào)用的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)形式；而連接器則表示節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出口，就像函數(shù)的參數(shù)。用戶必須指定連接器端口與前面板的控制和顯示一一對應(yīng)。連接器一般情況下隱含不顯示，除非用戶選擇打開觀察它。LabVIEW具有多個圖形化的操作模板，用于創(chuàng)建和運(yùn)行程序。這些操作模板可以隨意在屏幕上移動，并可以放置在屏幕的任意位置。操縱模板共有三類，為工具(Tools)模板﹑控制(Controls)模板和功能(Functions)模板。①工具模板(ToolsPalette)工具模板為編程者提供了各種用于創(chuàng)建﹑修改和調(diào)試VI程序的工具。這些工具包括給程序設(shè)置斷點(diǎn)、探針等，在實(shí)際的程序調(diào)試過程中這些工具將起到關(guān)鍵的作用。②控制模板(ControlsPalette)控制摸板用于創(chuàng)建前面板的過程中，它也只是在前面板作為當(dāng)前頁面顯示時才出現(xiàn)。用控制模板可以給前面板添加輸入控制和輸出顯示。每個圖標(biāo)代表一個子模板。通過這些控制子模板可以找到創(chuàng)建程序所需的面板對象。③功能模板(FunctionsPalette)功能模板是創(chuàng)建程序框圖的工具，只是在程序框圖作為當(dāng)前頁面顯示時才出現(xiàn)。該模板上的每一個頂層圖標(biāo)都表示一個子模板。通過這些功能子模板可以找到創(chuàng)建程序所需的程序框圖工具，比如運(yùn)算符號、各種類型的常數(shù)等，通過連線把在前面板中創(chuàng)建的對象連成一個完整的程序流程。與傳統(tǒng)程序語言不同，LabVIEW采用強(qiáng)大的圖形化語言（G語言）編程，面向測試工程師而非專業(yè)程序員，編程非常方便，人機(jī)交互界面直觀友好，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)。LabVIEW的強(qiáng)大功能歸因于它的層次化結(jié)構(gòu)，用戶可以把創(chuàng)建的VI程序當(dāng)作子程序調(diào)用，以創(chuàng)建更復(fù)雜的程序，而這種調(diào)用的層次是沒有限制的。LabVIEW這種創(chuàng)建和調(diào)用的子程序的方法，使創(chuàng)建的程序結(jié)構(gòu)模塊化，更易于調(diào)試、理解和維護(hù)。2.3.3LabVIEW具有以下幾個主要特點(diǎn)：①提供大量的儀器面板中的控制對象，如各種開關(guān)、表頭、旋鈕、圖表、刻度桿、指示燈等，而且用戶可以方便地設(shè)計(jì)庫中沒有的儀器。②使用圖標(biāo)表示功能模塊，使用連線表示各模塊間的數(shù)據(jù)傳遞，使用數(shù)據(jù)流程圖式的語言書寫程序源代碼，這樣使得編程過程與思維過程非常相近。③提供程序調(diào)試功能?？梢栽谠创a中設(shè)置斷點(diǎn)，單步執(zhí)行源代碼，連線上設(shè)置探針，觀察程序運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)流的變化，可以直觀地對程序進(jìn)行動態(tài)調(diào)試并實(shí)時地記錄調(diào)試結(jié)果。④采用編譯方式運(yùn)行32位應(yīng)用程序，運(yùn)行速度快。應(yīng)用程序生成器可以將LabVIEW編寫的文件轉(zhuǎn)化為可在Windows下獨(dú)立執(zhí)行的軟件包，保護(hù)應(yīng)用程序被修改，也增強(qiáng)了程序運(yùn)行的靈活性。⑤提供了大量的函數(shù)庫供用戶直接調(diào)用。除包括基本的數(shù)學(xué)函數(shù)、字符串處理函數(shù)、數(shù)組運(yùn)算函數(shù)和文件I/O函數(shù)外，還有：高級分析函數(shù)庫，具有信號生成、時域和頻域分析、信號加窗、濾波等數(shù)字處理和數(shù)理統(tǒng)計(jì)、線性分析、曲線擬合、線性代數(shù)等數(shù)值分析計(jì)算能力；工具箱庫，包括結(jié)構(gòu)化查詢語言工具箱、統(tǒng)計(jì)過程工具箱、PID控制工具箱、測試運(yùn)行工具箱、圖形控制工具箱等；綜合時頻分析控制箱，具有快速頻變信號的實(shí)時譜/圖分析、語音處理、振動信號分析和動態(tài)信號監(jiān)控等功能；儀器驅(qū)動函數(shù)庫，提供了包含500多種、40多個儀器廠家制造的硬件驅(qū)動程序。⑥提供DLL（DynamicLinkLibrary,動態(tài)鏈接庫）接口和CIN（CodeInterfaceNode，外部代碼接口節(jié)點(diǎn)）節(jié)點(diǎn)，使用戶能在它的平臺上使用其它軟件平臺譯的模塊。能調(diào)用C、BASIC語言程序。支持ActiveX技術(shù)，可以直接使用VB、VC生成的控件，可以在控件和程序之間交換數(shù)據(jù)。⑦支持TCP/IP協(xié)議，可以通過INTERNET調(diào)用遠(yuǎn)程機(jī)上的LabVIEW程序。使用LabVIEW的VIServer可以很容易地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。2.3.4LabVIEWLabVIEW自1986年正式推出以來，經(jīng)過20多年的時間，已經(jīng)發(fā)展到最新版本LabVIEW8.5為核心，包括控制與仿真、高級信號數(shù)字處理、統(tǒng)計(jì)過程控制、模糊控制和PID控制等眾多附加軟件包，運(yùn)行于Windows、Unix、Macintosh、Sun、Linux和HP-UX等多種平臺的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)軟件開發(fā)環(huán)境。在美國，許多工科大學(xué)已經(jīng)將LabVIEW作為課堂或者實(shí)驗(yàn)室教學(xué)內(nèi)容，作為工程師素質(zhì)培養(yǎng)的一個方面。不同領(lǐng)域的科學(xué)家和工程師都借助這個易用的軟件包來解決工作中的各種應(yīng)用課題。LabVIEW在包含航空、航天、通信、汽車、半導(dǎo)體和生物醫(yī)學(xué)等世界范圍的眾多領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，從簡單的儀器控制、數(shù)據(jù)采集到尖端的測試和工業(yè)自動化，從大學(xué)實(shí)驗(yàn)室到工廠，從探索研究到技術(shù)繼承，都可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)用LabVIEW的成果和開發(fā)產(chǎn)品。①LabVIEW應(yīng)用于測試和測量LabVIEW已成為測試與測量領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過GPIB﹑VXI﹑PLC﹑串行設(shè)備和PCI數(shù)據(jù)采集板可以工程實(shí)際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它提供工業(yè)界最大的儀器驅(qū)動程序庫，同時還支持通過Internet、ActiveX、DDE和SQL等交互通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，它提供的眾多開發(fā)工具使復(fù)雜的測試和測量任務(wù)變得簡單。②LabVIEW應(yīng)用于過程控制和工業(yè)自動化LabVIEW強(qiáng)大的硬件驅(qū)動﹑圖形顯示能力和便捷的快速程序設(shè)計(jì)為過程控制和工業(yè)自動化應(yīng)用提供了優(yōu)秀的解決方案。對于更復(fù)雜、更專業(yè)的工業(yè)自動化領(lǐng)域，在LabVIEW基礎(chǔ)上發(fā)展起來的BridgeVIEW是更好的選擇。③LabVIEW應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室研究與自動化LabVIEW為科學(xué)家和工程師提供了功能強(qiáng)大的高級數(shù)學(xué)分析庫，包括統(tǒng)計(jì)、估計(jì)、回歸分析、線性代數(shù)、信號生成算法、時域和頻域算法等眾多科學(xué)領(lǐng)域，可滿足各種計(jì)算和分析需要。即使在聯(lián)合時域分析、小波和數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)等高級或特殊分析場合，LabVIEW也為此提供了專門的附加軟件包。LabVIEW是計(jì)算機(jī)處理分析系統(tǒng)軟件之一。在PC機(jī)為基礎(chǔ)測量和工控軟件中，LabVIEW的市場普及率僅次于C++/C語言。LabVIEW開發(fā)環(huán)境具有一系列優(yōu)點(diǎn)，從流程式的編程、不需預(yù)先編譯就存在語法檢查、調(diào)試過程使用的數(shù)據(jù)探針，到豐富的函數(shù)功能、數(shù)值分析、信號處理和設(shè)備驅(qū)動等功能，都令人稱道。2.4本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了虛擬儀器的概念以及虛擬儀器的構(gòu)成,通過傳統(tǒng)儀器和虛擬儀器的比較,著重的闡述了虛擬儀器的優(yōu)勢以及發(fā)展前景。介紹了LabVIEW圖形編程語言的特點(diǎn)以及相對于文本編程語言的優(yōu)勢，論證了本課題采用LabVIEW平臺的可行性。第三章：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1數(shù)據(jù)采集卡的硬件參數(shù)數(shù)據(jù)采集（DataAcquisition，DAQ）是對多路模擬信號進(jìn)行數(shù)字化測量，從而獲得大量數(shù)據(jù)以便進(jìn)行分析和處理。虛擬儀器的硬件平臺由PC計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡（PCI8333）組成。其中，數(shù)據(jù)采集卡又由以下幾個部分組成：①多路開關(guān)。如前所述，并不是每塊數(shù)據(jù)采集卡都可以實(shí)現(xiàn)所有通道的并行采集的，大多數(shù)數(shù)據(jù)采集卡上只有一個ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換），要實(shí)現(xiàn)多個通道的采集只能是通過多路開關(guān)將各路信號將各路信號輪流切換到放大器的輸入端，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)多路信號的分時采集。如果多路開關(guān)在各個通道之間的切換時間與信號的周期相比非常短，那么不會影響到多通道采集時對信號實(shí)時性產(chǎn)生太大的影響。②放大器。將一級多路開關(guān)切換進(jìn)入待采集信號進(jìn)行放大（或衰減）至采樣環(huán)節(jié)的量程范圍內(nèi)。③采樣/保持器。取出待測信號在某一瞬時的值（即實(shí)現(xiàn)信號的離散化），并在A/D轉(zhuǎn)換過程中保持信號不變。④A/D轉(zhuǎn)換器。將輸入模擬信號量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出，并完成信號幅值的量化。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，目前通常將采樣/保持器同A/D轉(zhuǎn)換器集成在一塊芯片上。以上四個部分都處在PC計(jì)算機(jī)的前向通道，是組成數(shù)據(jù)采集卡的主要環(huán)節(jié)，與其它有關(guān)電路如定時/計(jì)數(shù)器、總線接口電路等做在一塊電路板上，即構(gòu)成了數(shù)據(jù)采集的基本功能配置，完成對信號數(shù)據(jù)的采集、放大及模/數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)。當(dāng)對多路通道進(jìn)行采樣時，如果多路開關(guān)以某一頻率輪換將各個通道連入ADC，以獲取信號，則這種采樣方式叫做循環(huán)采樣。循環(huán)采樣的缺點(diǎn)是，不能對多個通道進(jìn)行同步采樣。這是由于多路開關(guān)要在通道間進(jìn)行切換，這種切換需要時間，于是就產(chǎn)生了不同通道采樣時刻的延遲。下面來分析這個延遲會不會對信號采集產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響。假設(shè)相鄰?fù)ǖ篱g的建立時間為10μS（微秒），現(xiàn)在設(shè)計(jì)一個有兩個通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，待采集的信號頻率是100Hz，那么信號的周期是1/100=0.01S=10MS（毫秒）=10000μS；由于建立通道時間需要10μS，那么第二個通道實(shí)際是在第一個通道獲得數(shù)據(jù)10μS后才獲得數(shù)據(jù)的，但是可以看到，這一個延遲要遠(yuǎn)遠(yuǎn)的低于信號的周期，兩個通道的循環(huán)采集完全可以看作是同步采集。所以，對于一個通道建立時間為10μS的數(shù)據(jù)采集卡來說，完成100Hz頻率的信號的采集是毫無問題的。本文所用的PCI8333數(shù)據(jù)采集卡的硬件指標(biāo)如下：1)模入部分：輸入通道數(shù)：單端16路*(標(biāo)*為出廠標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，下同)雙端8路輸入信號范圍：0V～10V*；-5V～+5V輸入阻抗：≥10MΩA/D轉(zhuǎn)換分辨率：12位A/D轉(zhuǎn)換速度：10μSA/D啟動方式：程序啟動/定時觸發(fā)啟動/外觸發(fā)啟動A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束識別：程序查詢/中斷方式A/D轉(zhuǎn)換非線性誤差：±1LSBA/D轉(zhuǎn)換輸出碼制：單極性原碼*/雙極性偏移碼系統(tǒng)綜合誤差：≤0.1％F.S2)模出部分：輸出通道數(shù)：2路輸出范圍：電壓方式：0～5V；0～10V*；-5V～+5V；-2.5V～+2.5V；+1V～+5V電流方式：0～10mA；4～20mA輸出阻抗：≤2Ω(電壓方式)D/A轉(zhuǎn)換分辨率：12位D/A轉(zhuǎn)換輸入碼制：二進(jìn)制原碼(單極性輸出方式時)*二進(jìn)制偏移碼(雙極性電壓輸出方式時)D/A轉(zhuǎn)換綜合建立時間：≤2μSD/A轉(zhuǎn)換綜合誤差：電壓方式：≤0.1％F.S電流方式：≤0.5％F.S電壓輸出方式負(fù)載電流：≤5mA電流輸出方式負(fù)載電阻范圍：使用機(jī)內(nèi)＋12V電源時：0～250Ω外加＋24V電源時：0～750Ω3)數(shù)字量輸入輸出部分：DI：16路/DO：16路；TTL電平定時/計(jì)數(shù)器部分：16位字長計(jì)數(shù)/定時器：3路基準(zhǔn)時鐘：1MHz，占空比50％電源功耗：+5V(±10％)≤800mA+12V(±10％)≤50mA(D/A電流方式輸出，并使用機(jī)內(nèi)電源時)使用環(huán)境要求：工作溫度：10℃～相對濕度：40％～80％存貯溫度：-55℃～+4)外型尺寸：(不含檔板)外型尺寸：長×高＝175.0mm×106.7mm(6.89英寸×4.2英寸)本文要實(shí)現(xiàn)的是一個雙通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)X-Y函數(shù)記錄儀的功能；而實(shí)際的低周期反復(fù)加載實(shí)驗(yàn)的周期要遠(yuǎn)低于1Hz，因此，由以上的數(shù)據(jù)采集卡的硬件參數(shù)來看，在采樣頻率上是完全滿足要求的。本課題使用的是PCI8333數(shù)據(jù)采集卡前端的信號調(diào)理的功能，其輸出的電壓范圍都是可調(diào)的。一般來說，傳感器傳入信號調(diào)理設(shè)備的信號都是毫伏級的，只要信號調(diào)理設(shè)備的增益調(diào)整合適，其輸出的電壓信號不會超過數(shù)據(jù)采集卡的最大電壓輸入范圍。所以，從輸入數(shù)據(jù)采集卡的電壓信號的幅度來看，也是很容易滿足要求的。3.2數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動程序接口函數(shù)數(shù)據(jù)采集卡要裝上驅(qū)動程序才能使用。由于本課題是基于LabVIEW的平臺開發(fā)的，所以要想辦法在LabVIEW中能調(diào)用數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動程序才能在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。NI公司推出圖形化虛擬儀器LabVIEW的同時，為其所有的DAQ接口卡也都配備了相應(yīng)的驅(qū)動程序，但是，由于本課題中所使用的數(shù)據(jù)采集卡是北京中泰研創(chuàng)公司生產(chǎn)的PCI8333數(shù)據(jù)采集卡，LabVIEW程序中沒有相應(yīng)的驅(qū)動程序接口，所以必須設(shè)計(jì)一套驅(qū)動程序接口函數(shù)使LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡之間達(dá)成通訊。通過對各種通用數(shù)據(jù)采集卡的接口方法的分析，通用數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW之間的接口方法主要有三種：①直接用LabVIEW中的InPort、OutPort圖標(biāo)對端口操作LabVIEW的Functions模板內(nèi)Advanced、Memory中的Inport、OutPort圖標(biāo)。在C語言中的選擇信號通道ch的指令是_outp、_inp功能相同。在采樣速率要求較低的情況下，這不失為最方便，直觀的方法而且可以隨時修改，但如果采樣速率要求較高，則容易失真。②用LabVIEW的CIN圖標(biāo)生成A/D插卡驅(qū)動程序的子VI。LabVIEW的Functions模板內(nèi)Advanced中有一個CIN(CodeInterfaceNode)圖標(biāo)，用來在LabVIEW程序方框圖中直接調(diào)用其他編程語言(如VC)寫的代碼。當(dāng)CIN被執(zhí)行的時候，LabVIEW就調(diào)用被編譯好的可執(zhí)行代碼，從框圖中傳遞輸入?yún)?shù)，并從可執(zhí)行的代碼中返回?cái)?shù)據(jù)到框圖中。CIN的主要特點(diǎn)是運(yùn)行速度快、可同步執(zhí)行、使用靈活，CIN與VC++有著相同的數(shù)據(jù)類型，只是定義的關(guān)鍵字不一樣。用CIN節(jié)點(diǎn)生成A/D插卡驅(qū)動程序的子VI的方法可較充分發(fā)揮A/D的高轉(zhuǎn)換速度，獲得高的采樣速率。但編程較繁雜，而且不能由LabVIEW直接修改。③用LabVIEW的CLF圖標(biāo)，動態(tài)鏈接數(shù)據(jù)采集插卡的.DLL庫函數(shù)所謂“動態(tài)鏈接庫”指生成EXE文件時，并沒有將DLL文件直接包含到程序中；只是在程序中記錄了函數(shù)的入口點(diǎn)和接口，在程序執(zhí)行時才將庫代碼裝入內(nèi)存。不管多少程序適用DLL，內(nèi)存中都只有一個DLL的副本，當(dāng)沒有程序使用它時，系統(tǒng)就將它移出內(nèi)存，減少了對內(nèi)存與磁盤的要求。許多數(shù)據(jù)采集卡附有.DLL庫函數(shù)形式的驅(qū)動程序，用戶可以使用某種DLL鏈接庫編程工具，如VC﹑VB編寫應(yīng)用程序來調(diào)用它。LabVIEW也提供了一個動態(tài)鏈接庫函數(shù)的圖標(biāo)CallLibraryFunction，放在Functions模板內(nèi)的Advanced子模板中。在example/DLL目錄中有使用該圖標(biāo)的例子。可參照它們完成對數(shù)據(jù)采集插卡的.DLL庫函數(shù)的調(diào)用。調(diào)用庫函數(shù)可以是標(biāo)準(zhǔn)調(diào)用(stdcall)或者是用戶自己使用C語言創(chuàng)建的庫。綜合比較了三種方法后，本文利用LabVIEW提供的動態(tài)連接庫函數(shù)的圖標(biāo)CallLibraryFunction來調(diào)用采集卡的.DLL庫函數(shù)完成LabVIEW中驅(qū)動程序接口的設(shè)計(jì)。LabVIEW中利用CallLibraryFunction節(jié)點(diǎn)模塊可以很容易地實(shí)現(xiàn)訪問動態(tài)鏈接庫,在調(diào)用DLL之前，須知道：①函數(shù)返回類型,LabVIEW中函數(shù)的返回類型可以是：空(void)、整數(shù)(integer)和浮點(diǎn)數(shù)(float)指針為返回值。②函數(shù)的參數(shù),數(shù)據(jù)類型以及參數(shù)的傳遞順序。③DLL使用的調(diào)用規(guī)程,可以采用C和stdcall(缺省值)兩種調(diào)用，win32API使用缺省調(diào)用規(guī)程(stdcall)。④DLL存放的位置，一般DLL存放在C:\windows\system目錄下。CallLibraryFunctions圖標(biāo)在功能模板(FunctionPalette)的高級子模板(AdvancedSubpalette)上，如圖3.1所示。配置CallLibraryFunction用于調(diào)用動態(tài)鏈接庫(DLL)中的函數(shù)，在彈出式菜單上選擇Configure...選項(xiàng),如圖3.2所示，可以在配置窗口中輸入庫文件名、所調(diào)用函數(shù)名、調(diào)用規(guī)程以及函數(shù)的返回類型，所有輸入?yún)?shù)及其數(shù)據(jù)類型。配置窗口如圖3.3所示。圖3.3配置驅(qū)動接口的對話框動態(tài)鏈接庫不用重復(fù)編譯或鏈接，一旦裝入內(nèi)存，DLLs函數(shù)可以被系統(tǒng)中的任何正在運(yùn)行的應(yīng)用程序軟件所使用。因此使用動態(tài)鏈接庫可以實(shí)現(xiàn)多個應(yīng)用程序之間代碼和資源的共享，并且可以很方便的實(shí)現(xiàn)普通卡的數(shù)據(jù)采集，充分利用硬件資源和LabVIEW平臺的圖形編程的優(yōu)勢。3.3實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的思路3.3.1模擬輸入信號的連接方式1)單端輸入方式：PCI8333板均可按圖3.4連接成模擬電壓單端輸入方式，16路模擬輸入信號連接到CH01～CH16端，其公共地連接到數(shù)字地端。主要應(yīng)用在噪聲干擾不高的場合。圖3.4單端輸入方式和雙端輸入2)雙端輸入方式：PCI8333板可按圖3.4連接成模擬電壓雙端輸入方式，可以有效抑制共模干擾信號，提高采集精度。8路模擬輸入信號正端接到CH1+～CH8+端，其模擬輸入信號負(fù)端接到CH1－～CH8－端，并在距離XS1插座近處，在CH1－～CH8－端與數(shù)字地端各接一只幾十KΩ至幾百KΩ的電阻（當(dāng)現(xiàn)場信號源內(nèi)阻小于100Ω時，該電阻應(yīng)為現(xiàn)場信號源內(nèi)阻的1000倍；當(dāng)現(xiàn)場信號源內(nèi)阻大于100Ω時，該電阻應(yīng)為現(xiàn)場信號源內(nèi)阻的2000倍），為儀表放大器輸入電路提供偏置。3.3.2以程序查詢方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集按照上述的辦法，依次用LabVIEW提供的動態(tài)連接庫函數(shù)的圖標(biāo)CallLibraryFunction來調(diào)用采集卡的.DLL庫函數(shù)完成驅(qū)動程序接口所需的所有接口函數(shù)的設(shè)計(jì)之后，就可以調(diào)用中泰公司的開發(fā)數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序來驅(qū)動數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集（前提是必須事先裝了驅(qū)動程序）。1)如何管理PCI設(shè)備由該公司數(shù)據(jù)采集卡的軟件說明書知道，由于驅(qū)動程序采用面向?qū)ο缶幊蹋砸褂迷O(shè)備的一切功能，則必須首先用ZT8333_OpenDevice函數(shù)創(chuàng)建一個設(shè)備對象句柄hDevice，有了這個句柄，用戶就擁有了對該設(shè)備的絕對控制權(quán)。然后將此句柄作為參數(shù)傳遞給其他函數(shù)，如ZT8333_AIinit可以使用hDevice句柄以程序查詢方式初始化設(shè)備的AD部件，ZT8333_CTRead函數(shù)可以用hDevice句柄實(shí)現(xiàn)對AD數(shù)據(jù)的采樣讀取，最后可以通過ZT8333ReleaseDevice將hDevice釋放掉。2)如何用非空查詢方式取得AD數(shù)據(jù)有了hDevice設(shè)備對象句柄后，便可用ZT8333_AIinit函數(shù)初始化AD部件，關(guān)于采樣通道、頻率等的參數(shù)的設(shè)置是由這個函數(shù)的pPara參數(shù)結(jié)構(gòu)體決定的。只需要對這個pPara參數(shù)結(jié)構(gòu)體的各個成員簡單賦值即可實(shí)現(xiàn)所有硬件參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)的初始化。然后設(shè)備被啟動，開始AD采樣，接著便可用ZT8333_CTRead_NotEmpty反復(fù)讀取AD數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷采樣。當(dāng)需要停止及關(guān)閉AD設(shè)備時，ZT8333_ClearLastErr()便可實(shí)現(xiàn)（但設(shè)備對象hDevice依然存在）。具體執(zhí)行流程如下面的圖3.5。圖3.5非空查詢方式開始創(chuàng)建設(shè)備對象CreateDevice()初始化設(shè)備對象ADInitDeviceProAD()以非空查詢方式讀取AD數(shù)據(jù)ReadDeviceProAD_NotEmpty()用戶對采集到的AD數(shù)據(jù)進(jìn)行處理其代碼應(yīng)由用戶根據(jù)需要編寫需要再緊接著讀取AD數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)連續(xù)采集嗎？是釋放AD設(shè)備ReleaseDeviceProAD()需要改變通道或頻率或清FIFO后再采集嗎？否是釋放設(shè)備對象ReleaseDevice()否結(jié)束接著上次再讀AD數(shù)重新始化AD①使用非空查詢方式取得AD數(shù)據(jù)的函數(shù)原型說明配置好的數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序LabVIEW接口函數(shù)原型如圖3.6所示：圖3.6非空方式采集數(shù)據(jù)函數(shù)原型1)創(chuàng)建設(shè)備對象函數(shù)（Createdeviceobjectandreturnobjecthandle）：CreateDevice功能：該函數(shù)負(fù)責(zé)創(chuàng)建PCI設(shè)備對象，并返回其設(shè)備對象句柄。參數(shù)：DeviceID設(shè)備ID(Identifier)標(biāo)識號。當(dāng)向同一個Windows系統(tǒng)中加入若干相同類型的PCI設(shè)備時，驅(qū)動程序?qū)⒁栽撛O(shè)備的“基本名稱”與DeviceID標(biāo)識值為名稱后綴的標(biāo)識符來確認(rèn)和管理該設(shè)備。比如若用戶往Windows系統(tǒng)中加入第一個PCI8333AD模板時，驅(qū)動程序則以“PCI8kp.dll”作為基本名稱，再以DeviceID的初值組合成該設(shè)備的標(biāo)識符“PCI2003-0”來確認(rèn)和管理這第一個設(shè)備，若用戶接著再添加第二個PCI2003AD模板時，則系統(tǒng)將以“PCI2003-1”來確認(rèn)和管理第二個設(shè)備，若再添加，則以此類推。所以當(dāng)用戶要創(chuàng)建設(shè)備句柄管理和操作第一個PCI設(shè)備時，DeviceID應(yīng)置0，第二個應(yīng)置1，也以此類推。返回值：如果執(zhí)行成功，則返回設(shè)備對象句柄；如果沒有成功，則返回錯誤碼INVALID_HANDLE_VALUE。2)初始化設(shè)備對象（ZT8333_AIinit）：InitDeviceProAD功能：它負(fù)責(zé)初始化設(shè)備對象中的AD部件,為設(shè)備操作就緒有關(guān)工作,如預(yù)置AD采集通道,采樣頻率等。參數(shù)：hDevice設(shè)備對象句柄,它由CreateDevice創(chuàng)建。pPara設(shè)備對象參數(shù)結(jié)構(gòu),它決定了設(shè)備對象的各種狀態(tài)及工作方式,如AD采樣通道、采樣頻率等。返回值：如果初始化設(shè)備對象成功,則返回TRUE,且AD立刻開始轉(zhuǎn)換,否則返回FALSE,用戶可用GetLastError捕獲當(dāng)前錯誤碼,并加以分析。3)使用FIFO的非空標(biāo)志讀取AD數(shù)據(jù)（UseFIFO’snotemptyflagtoreadADdatafromtheFIFOmemory）：ZT8333_ReadW_NotEmpty功能：一旦用戶使用ZT8333_AIinit后，應(yīng)立即用此函數(shù)讀取設(shè)備上的AD數(shù)據(jù)。此函數(shù)使用FIFO的非空標(biāo)志進(jìn)行讀取AD數(shù)據(jù)。參數(shù)：hDevice設(shè)備對象句柄，由CreateDevice創(chuàng)建。pADBuffer接受AD數(shù)據(jù)的用戶緩沖區(qū)。ReadSizeWords指定一次ReadDeviceAD_NotEmpty操作應(yīng)讀取多少字?jǐn)?shù)據(jù)到用戶緩沖區(qū)。此參數(shù)的值不能大于用戶緩沖區(qū)pADBuffer的最大空間。此參數(shù)值只與pADBuffer指定緩沖區(qū)大小有效，而與FIFO存儲器大小無效。返回值：如果成功的讀取由ReadSizeWords參數(shù)指定量的AD數(shù)據(jù)到用戶緩沖區(qū)，則返回TRUE，否則返回FALSE。4)釋放設(shè)備上的AD部件：ZTcloseAD功能：釋放設(shè)備上的AD部件參數(shù)：hDevice設(shè)備對象句柄，由CreateDevice創(chuàng)建。返回值：若成功，則返回TRUE,否則返回FALSE。InitDeviceProAD必須和ReleaseDeviceProAD函數(shù)一一對應(yīng)，即一旦執(zhí)行了一次InitDeviceProAD后，再一次執(zhí)行這個函數(shù)前，必須執(zhí)行一次ReleaseDeviceProAD函數(shù)，以釋放由InitDeviceProAD占用的系統(tǒng)軟硬件資源，如映射寄存器地址、系統(tǒng)內(nèi)存等。只有這樣，當(dāng)再次調(diào)用InitDeviceProAD函數(shù)時，那些軟硬件資源才可被再次使用。5)釋放設(shè)備對象所占的系統(tǒng)資源及設(shè)備對象（Releasedeviceobject）：ReleaseDevice功能：釋放設(shè)備對象所占用的系統(tǒng)資源及設(shè)備對象自身。參數(shù)：hDevice設(shè)備對象句柄，它由CreateDevice創(chuàng)建。返回值：若成功，則返回TRUE,否則返回FALSE。CreateDevice必須和ReleaseDevice函數(shù)一一對應(yīng)，即一旦執(zhí)行了一次CreateDevice后，再一次執(zhí)行這個函數(shù)前，必須執(zhí)行一次ReleaseDevice函數(shù)，以釋放由CreateDevice占用的系統(tǒng)軟硬件資源。3.3.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件參數(shù)說明在上述初始化數(shù)據(jù)采集卡時用到好多硬件參數(shù)，其中在LabVIEW中的設(shè)置如圖3.7所示。其參數(shù)說明如下：圖3.7硬件參數(shù)設(shè)置1)硬件參數(shù)說明。此結(jié)構(gòu)主要用于設(shè)定設(shè)備硬件參數(shù)值，用這個參數(shù)結(jié)構(gòu)對設(shè)備進(jìn)行硬件配置完全由InitDevice函數(shù)完成。FirstChannel：AD采樣首通道值，取值范圍應(yīng)根據(jù)設(shè)備的總通道數(shù)設(shè)定，要求首通道小于或等于末通道。LastChannel：AD采樣末通道值，取值范圍應(yīng)根據(jù)設(shè)備的總通道數(shù)設(shè)定，要求末通道大于或等于首通道。當(dāng)首通道和末通道相等時，即為單通道采集。否則，為多通道采集。如果為多通道采集，即采集通道總數(shù)由LastChannel減去FirstChannel再加1，其結(jié)果便是通道數(shù)。為多通道采集時，采集的通道順序?yàn)椋篎irstChannel,FirstChannel+1,FirstChannel+2……LastChannel,然后重復(fù)下去。比如設(shè)首通道為0，末通道為3，則采樣順序時：0、1、2、3、0、1、2、3、0、1、2、3……。Frequence：AD采樣頻率，單位Hz，其范圍應(yīng)根據(jù)具體的設(shè)備而定，但其最小值為1Hz。不能等于0，本設(shè)備的AD采樣頻率取值范圍為[1,100000]。Gains：硬件采樣增益，其取值分別為1、2、3、4，5。如果AD轉(zhuǎn)換器前使用的是PGA202放大器，則這些值分別表示放大倍數(shù)為1倍、10倍、100倍、1000、10000倍；如果AD轉(zhuǎn)換器前使用的是PGA203放大器，則其值分別表示放大倍數(shù)為1、2、4、8、16倍。除了1、2、3、4、5五個值以外，其它值均為非法值。TriggerMode：采樣觸發(fā)方式，若等于常量PCI2003_IN_TRIGGER則為內(nèi)部定時觸發(fā)，若等于常量PCI2003_OUT_TRIGGER則為外觸發(fā)。兩種方式的主要區(qū)別是：外觸發(fā)是當(dāng)設(shè)備被InitDeviceProAD(或InitDeviceIntAD)函數(shù)初始化就緒后，并沒有立即啟動AD采集，僅當(dāng)外接管腳TR(在37芯D型頭上)上有一個由低至高變化的上升沿(TTL電平)時，AD轉(zhuǎn)換器便被啟動，且按用戶預(yù)先設(shè)定的采樣頻率由板上的硬件定時器時定觸發(fā)AD等間隔轉(zhuǎn)換每一個AD數(shù)據(jù)，此后，除非用戶重新初始化設(shè)備，否則，TR管腳上所產(chǎn)生的新的上升沿信號并不影響AD轉(zhuǎn)換進(jìn)程。因此如果用戶不斷的使下一個觸發(fā)信號有效，那么您必須在每一個外觸發(fā)信號到來之前重新初始化設(shè)備。而對于內(nèi)觸發(fā)方式則與TR管腳上的信號無任何關(guān)系，它是在用戶調(diào)用InitDeviceAD函數(shù)初始化設(shè)備時，由這個函數(shù)中的最后一條軟件指令立即啟動AD轉(zhuǎn)換器，AD轉(zhuǎn)換器便以指定的頻率由板上定時器等間隔定時觸發(fā)AD轉(zhuǎn)換。指兩種觸發(fā)方式的應(yīng)用場合：對于瞬間變化(持續(xù)時間短、變化頻率較高)、或隨機(jī)性較強(qiáng)的信號的測量和采樣。或是需要精確定位所要采集的一批AD數(shù)據(jù)中的第一個點(diǎn)的時間軸，那么將需要使用外觸發(fā)方式。而對于持續(xù)變化時間較長，不需要精確定位信號起點(diǎn)的信號，則一般使用內(nèi)觸發(fā)方式。2)采集函數(shù)的pADBuffer緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)排放規(guī)則當(dāng)要實(shí)現(xiàn)多通道采集時，由于數(shù)據(jù)采集卡是通過循環(huán)掃描各通道采集數(shù)據(jù)的，所以，數(shù)據(jù)是按照順序從首通道依次進(jìn)入數(shù)組的。比如表2.1所示的雙通道采集，假如FirstChannel=1,LastChannel=2,其排放規(guī)則如下：表3.1兩通道采集（CH1—CH2）數(shù)據(jù)排列方式其他通道方式以此類推。3)數(shù)據(jù)的讀取方式如果用戶是進(jìn)行連續(xù)不間斷循環(huán)采集，即用戶只進(jìn)行一次初始化設(shè)備操作，然后不停的從設(shè)備上讀取AD數(shù)據(jù)，那么需要特別注意的是應(yīng)處理好各通道數(shù)據(jù)排列和對齊問題，尤其任意通道數(shù)采集時。否則，將無法把規(guī)則排放在緩沖區(qū)中的各通道數(shù)據(jù)正確分離出來。其實(shí)，只要每次從設(shè)備上讀取的點(diǎn)數(shù)置為所選通道數(shù)量的整數(shù)倍長，這樣便能保證每讀取的這批數(shù)據(jù)在緩沖區(qū)中的相應(yīng)位置始終固對應(yīng)于某一個通道的數(shù)據(jù)。比如用戶要求對1、2兩個AD通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)循環(huán)采集，則置每次讀取長度為其2的整倍長2n（n為每個通道的點(diǎn)數(shù)），假設(shè)為2048。如此一來，每次讀取的2048個點(diǎn)中的第一個點(diǎn)始終對應(yīng)于1通道數(shù)據(jù)，第二個點(diǎn)始終對應(yīng)于2通道，第三個點(diǎn)再應(yīng)于1通道，第四個點(diǎn)再對應(yīng)于2通道……以此類推。直到第2047個點(diǎn)對應(yīng)于1通道數(shù)據(jù)，第2048個點(diǎn)對應(yīng)2通道。這樣一來，每次讀取的段長正好包含了從首通道到末通道的完整輪回，用戶只須按通道排列規(guī)則，按正常的處理方法循環(huán)處理每一批數(shù)據(jù)。而對于其他情況也是如此，比如3個通道采集，則可以使用3n（n為每個通道的點(diǎn)數(shù)）的長度采集。表2.2表明了數(shù)據(jù)在緩存區(qū)的排列方式和不同讀取方式的關(guān)系。由于使用連續(xù)采樣方式，隨著時間的延續(xù)，數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)連續(xù)遞增，除非用戶停止設(shè)備，否則將會形成一個有相當(dāng)長度的連續(xù)不間斷的多通道數(shù)據(jù)鏈。而通道序列一行則說明了隨著連續(xù)采樣的延續(xù)，其各通道數(shù)據(jù)在其整個數(shù)據(jù)鏈中的排放次序，這是一種非常規(guī)則而又絕對嚴(yán)格的順序。但是這個相當(dāng)長度的多通道數(shù)據(jù)鏈不可能一次通過設(shè)備對象函數(shù)如ReadDeviceProAD_X函數(shù)讀取；分若干次分段讀取的話，必須保證不出錯。如前面所說，采用通道數(shù)的整數(shù)倍長讀取每一段數(shù)據(jù)。如表中列舉的方法1（為了說明問題，每讀取一段數(shù)據(jù)只讀取2n即3*2＝6個數(shù)據(jù)），每一段緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)在相同緩沖區(qū)索引位置都對應(yīng)于同一個通道。而在方法2中由于每次讀取的不是通道整數(shù)倍長，出現(xiàn)了嚴(yán)重的錯誤，造成了不同通道的數(shù)據(jù)的誤讀，如果不在以后的數(shù)據(jù)處理中加以修正，顯然將導(dǎo)致致命錯誤的產(chǎn)生。表3.2不同的數(shù)據(jù)讀取方式比較在實(shí)際應(yīng)用中，在遵循以上原則時，應(yīng)盡可能地使每一段緩沖足夠大，這樣，可以一定程度上減少數(shù)據(jù)采集程序和數(shù)據(jù)處理程序的CPU開銷量。3.4本章小結(jié)本章介紹了構(gòu)建一個基本的虛擬儀器系統(tǒng)的方法，將數(shù)采系統(tǒng)的軟、硬件所涉及的理論知識以及一些關(guān)鍵參數(shù)作了介紹，通過本章我們對虛擬儀器的構(gòu)建有了大概的認(rèn)識，以便對以下章節(jié)具體構(gòu)建虛擬儀器打下基礎(chǔ)。第四章硬件設(shè)計(jì)4.1設(shè)計(jì)搭配4.1.1硬件組合示意圖說明:如上圖所示,硬件系統(tǒng)的配置均列出,本設(shè)計(jì)主要目的是實(shí)現(xiàn)智能化測試汽車的行駛性能,其中最主要的指標(biāo)就是測試傳動軸的輸出功率,數(shù)據(jù)通過所選的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器獲得。4.1.2設(shè)置改進(jìn)點(diǎn)（1）論證觀點(diǎn)經(jīng)過調(diào)查，目前我們國內(nèi)的反力式滾筒實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)均采用的是雙軸固定軸矩的模式，只有少數(shù)廠家設(shè)計(jì)出可調(diào)軸距式實(shí)驗(yàn)臺。下圖為車輪在滾筒上時的受力簡圖。車輪的負(fù)荷(G)分別由前、后滾筒承受，、為前后滾筒對車輪的支反力。驅(qū)動電動機(jī)驅(qū)動滾筒轉(zhuǎn)動，滾筒通過對車輪的切向摩擦力(、)克服車輪主動旋轉(zhuǎn)時的摩擦力矩()帶動滾筒轉(zhuǎn)動，滾筒也對車輪產(chǎn)生一個大小相等、方向相反的作用力(、)。EQ圖4.2滾筒于車輪的受力分析滾筒對車輪的切向摩擦力的大小受制于正壓力(支反力、)和車輪與滾筒間的附著因數(shù)，即：Fx?！蹻N。；Fx2≤FN。受檢車輪在滾筒上掛檔轉(zhuǎn)動時，支承在地面的非測試車輪通過車架對受檢車輪軸有水平推力(F)作用。圖中的a稱為車輪在滾筒上的安置角a=EQEQ。檢測過程中，滾筒作用于車輪上的切向摩擦力隨車輪動力的增加而增大，其水平分力亦隨之增加，作用于車輪各力的水平合力就產(chǎn)生把車輪推向后滾筒的趨勢。從圖4.2可見，只有受檢車輪垂直支承在后滾筒上時(EQ)，后滾筒的支反力才等于受檢車輪的負(fù)荷(=G)。顯然，受檢車輪后移會降低反力式制動臺測取最大輸出功率，因此，后移是保障反力式實(shí)驗(yàn)臺測得最大輸出功率的重要條件，與滾筒中心距密切相關(guān)。在受檢車不發(fā)生后移的情況下，當(dāng)車輪動時，反力式臺所能提供的附著力，即能測得的最大扭矩(檢測能力)。反力式實(shí)驗(yàn)臺能測得的最大輸出功率受車輪安置角(a)、滾筒的附著因數(shù)()和水平推力(F)的制約。反力式實(shí)驗(yàn)臺的固定結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)，其值增大會提高反力式實(shí)驗(yàn)臺的檢測能力，但它們還受其他結(jié)構(gòu)參數(shù)，如滾筒中心距及輪胎直徑的制約。根據(jù)受檢汽車檢測時不產(chǎn)生滑移(檢測時受檢車輪不脫離前滾筒)的條件，即≥0，并設(shè)水平推力F=0，安置角與附著因數(shù)存在tga≥關(guān)系，這樣，保證受檢車輪檢測時不脫離前滾筒的安置角取決于滾筒的附著因數(shù)的高低，若滾筒附著因數(shù)按0.7計(jì)，相應(yīng)的安置角為。這是保證受檢車輪不脫離前滾筒的最小安置角。適當(dāng)增大安置角對檢測有利，但不是越大越好，若安置角過大就會帶來輪胎相對變形增大、遲滯損失增大、受檢車輪駛離滾筒困難等諸多弊病，因此，安置角沒有必要大于，由于在制動檢測過程中，作用在受檢車輪上的水平推力(F)(非受檢車輪與地面的摩擦力)不可能為零，因此，反力式臺設(shè)計(jì)定型時的安置角也都小于，一般，國外3t、5t級為左~右(輪胎直徑按600mm計(jì))；10t、13t級在之間(輪胎直徑按900mm計(jì))。試驗(yàn)研究認(rèn)為：額定承載質(zhì)量3t，滾筒中心距推薦為430mm±10mm；10t，滾筒中心距推薦為450mm±10mm；13t，滾筒中心距推薦為470mm±10mm。滾筒中心距是反力式實(shí)驗(yàn)臺的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)之一。當(dāng)滾筒直徑和滾筒中心距確定后，反力式臺的安置角基本上得以確定，輪胎直徑成為唯一變量。在滾筒直徑一定的條件下，對滾筒中心距的限值提出要求，也可以在相當(dāng)程度上解決同車不同臺測試結(jié)果存在較大出人的問題。（2）設(shè)計(jì)思路圖4.3未改裝前滾筒組合的圖示如上圖4.3所示該反力式實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)由A，B兩組軸，該兩組軸均為固定軸，也就是中心軸間距不可調(diào)，從而就限制了所測車輪的直徑。圖4.4改造后的設(shè)計(jì)圖紙1、A組滾筒為定軸2、B組滾筒改造示意3、標(biāo)C均為底座4、標(biāo)D均為導(dǎo)軌5、E組為一鍵控制共軌雙作用單向液壓缸說明：經(jīng)過以上兩組圖所示比較，圖4.3為兩組中心距固定，圖4.4為調(diào)整后滾筒組合示意圖,即A組滾筒式固定的，B組滾筒就可以在E組雙作用單向液壓缸的作用下,就可以沿著D組導(dǎo)軌前后移動,以調(diào)節(jié)A，B組滾筒中心矩，可使檢測的可實(shí)用性，廣泛性有更好改善。4.1.3雙作用單桿液壓缸雙作用單桿活塞式液壓缸,是液壓系統(tǒng)中作往復(fù)運(yùn)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，裝拆方便，易于維修，且連接方式多樣等特點(diǎn)。適用于工程機(jī)械，礦山機(jī)械，起重運(yùn)輸機(jī)械，冶金機(jī)械及其它機(jī)械。4.2轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器及測量4.2.1傳感器構(gòu)造圖4.5傳感器的裝配圖1、G組為實(shí)驗(yàn)臺支座2、H為Zj型轉(zhuǎn)速傳感器3、直流電機(jī)1）ZJ型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器是一種測量各種動力機(jī)械轉(zhuǎn)動力矩、轉(zhuǎn)速及機(jī)械功率的精密測量儀器，用途十分廣泛。在電機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵、齒輪及齒輪箱、鐵路機(jī)車、汽車拖拉機(jī)、飛機(jī)、船舶、礦山機(jī)械、液壓氣動元件等幾乎所有機(jī)械制造部門及其科研院所、大專院校對旋轉(zhuǎn)動力的測量均需要這種儀器。2）、ZJ型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的基本原理：ZJ型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的基本原理是：通過彈性軸、兩組磁電信號發(fā)生器，把被測轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成具有相位差的兩組交流電信號，這兩組交流電信號的頻率相同且與軸的轉(zhuǎn)速成正比，而其相位差的變化部分又與被測轉(zhuǎn)矩成正比。圖4.6轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的基本原理3）ＺＪ型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。如下圖4.7所示其結(jié)構(gòu)與圖4.6的工作原理圖差別是很大的，其中，為了提高測量精度及信號幅值，兩端的信號發(fā)生器是由安裝在彈性軸上的外齒輪、安裝在套筒內(nèi)