基于虚拟仪器的测试系统

摘要　虚拟仪器就是以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机智能化功能，把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之成为全新仪器系统。虚拟仪器的技术基础是计算机技术，核心是计算机软件技术。Labview使用了“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，提供了许多仪器面板中的控制对象，如表头、旋钮、开关及坐标平面图等。

0、引言

　　所谓虚拟仪器就是以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用了计算机智能资源的全新仪器系统。与传统仪器相比，它的最大特点就是把由仪器生产厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能，满足多种多样的应用需求。由于虚拟仪器的测试功能、面板控件都实现了软件化，任何使用者都可通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能和规模，这充分体现了“软件就是仪器”的设计思想。虚拟仪器最有代表性的图形化编程软件是美国NI公司推出的Labview（laboratory virtual instrument engineering workbench即实验室虚拟仪器工作平台）。Labview使用了“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，提供了许多仪器面板中的控制对象，如表头、旋钮、开关及坐标平面图等。用户可以通过使用编辑器将控制对象改变为适合自己工作领域的控制对象。Labview提供了多种强有力的工具箱和函数库，并集成了很多仪器硬件库。Labview支持多种操作系统平台，在任何一个平台上开发的Labview应用程序可直接移植到其它平台上。

1、虚拟仪器的硬件结构

图1　硬件组成框图　传感器：它的作用是将被测信号转换为与之有对应关系电信号。如测速发电机、流量传感器等信号调理：它的作用包括信号放大或衰减、滤波、隔离、保护等。NI公司的仪器信号调理板卡SCXI是LabVIEW软件直接支持的一个信号调理板卡，LabVIEW环境中调用非常方便。数据采集卡：它是外界信号进入计算机的通道，在这个通道中要实现A/D转换、放大或缩小、光电隔离等。选择数据采集卡时，需要注意以下一些问题：数据分辨率、精度、最高采样速度、通道数、总线接口类型。美国NI公司的数据采集卡很好，但价格贵，这里选用声卡价格便宜，功能也够用。计算机（LabVIEW）：它的作用是数据采集，分析，显示和记录。 2、虚拟仪器的软件设计 　　软件设计由两部分组成：前面板和流程图。在前面板，输入用输入控件（Control）来实现，程序运行的结果由输出控件（Indicator）来完成。流程图是完成程序功能的图形化源代码，通过它对信号数据的输入和输出进行指定，完成对信号采集及分析处理功能的控制。　　2.1　测试系统中数据的采集　　1）将数据采集卡安装到计算机相应的总线插槽中，安装相应的驱动程序。在驱动程序安装的同时，专用管理软件MAE会自动安装在计算机中，并在桌面上显示其图标，利用它可以对数据采集卡进行检测、性能测试和属性配置。　　2）利用LabVIEW进行数据采集。LabVIEW中数据采集控件主要位于NI Measurements子摸板，其到达途径为函数模块→All function→NIMeasurements，在此模块的Data Acquisition子模块中包含模拟输入、模拟输出、数字输入输出和计数器四种输入输出方式。在此使用模拟输入方式，可以通过选择Data Acquisition子模块的Analog Input子模板中的初级、中级、应用级、高级四个层次数据采集控件来实现。一般情况使用初级或中级就可以完成数据的采集。例如我们使用中级数据采集完成一个数据采集的流程为AI Single→AI Start→AI Reat→AIClear。　　2.2　测试系统中的信号分析　　1）测试信号的时域分析处理。　　打开LabVIEW分析处理子模块，可以看到它分为三个层次，分别是Express控件、波形控件和基本功能控件。可以对信号进行分析处理，包括对信号幅值、周期频率、相位的求取，还可以对信号进行运算、滤波、求卷积等。　　2）信号的频域分析与处理　　在LabVIEW中，可以控件对测试信号进行频谱分析、功率谱分析、频率响应函数分析及相干函数分析等。 3、应用举例 　　在机械系统中经常需要对振动信号进行采集，分析。下面是用LabVIEW与声卡结合采集振动信号的控制程序。这里数据采集卡用声卡代替，因为它的价格便宜，技术已经成熟。采集软件除存盘和显示采集的波形外，还要显示功率谱密度波形。