虛擬儀器及其在機械工程測試技術(shù)中的應(yīng)用

徐文山

（江蘇華通動力重工有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

0 引 言

在測試分析的領(lǐng)域中，利用模擬信號進行信息處理的傳統(tǒng)方式已逐漸被數(shù)字信號處理方式所替代，數(shù)字信號處理成為目前使用最為廣泛的信息處理方式。但市場上數(shù)字化、智能化的測試儀器復(fù)雜多樣，它們之間的連接非常復(fù)雜，使得測試工作的效率大大降低，并且存在很多硬件及軟件的冗余現(xiàn)象。在這種背景下，虛擬儀器的發(fā)明使測試技術(shù)又向前邁進了一步。

1 機械工程測試技術(shù)的發(fā)展

現(xiàn)代工程測試技術(shù)是指人們利用專門的儀器設(shè)備，通過對研究對象進行試驗、測量之后再進行相關(guān)運算及分析等，獲得人們所需要的研究對象的相關(guān)信息，使得人們能夠通過對信息流的控制來實現(xiàn)對能量流及物質(zhì)流的控制?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展帶動了機械工程測試技術(shù)向前進步，但同時也要求有更高的機械工程測試技術(shù)與之匹配?，F(xiàn)代工程測試技術(shù)已逐漸從原來的單一學(xué)科慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬W(xué)科之間的相互借鑒及滲透，使得現(xiàn)代工程測試技術(shù)形成一個各學(xué)科內(nèi)容相互滲透的綜合性測試系統(tǒng)。

工程測試系統(tǒng)是工業(yè)系統(tǒng)研發(fā)、應(yīng)用及教學(xué)過程當(dāng)中重要的組成部分，所以對工程測試系統(tǒng)的要求越來越復(fù)雜［1］。傳統(tǒng)的工程測試系統(tǒng)功能比較簡單，對于很多需要的軟件或硬件資源都不能兼容或進行共享，這不但加大了測試所需要的成本，而且也限制了測試范圍，測試參數(shù)的精準(zhǔn)度也大大下降。在這種情況下，人們急需要一套能夠綜合各學(xué)科、功能多樣、系統(tǒng)完善且測量精準(zhǔn)的測試系統(tǒng)來滿足應(yīng)用新技術(shù)的需要，而虛擬儀器在這種需求下應(yīng)運而生。傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的構(gòu)成比較如圖1所示。

2 虛擬儀器的基本概念

圖1 傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的構(gòu)成比較

虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。自1986年問世以來，世界各國的工程師們都已將NI LabVIEW圖形化開發(fā)工具用于產(chǎn)品設(shè)計周期的各個環(huán)節(jié)，改善了產(chǎn)品質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品投放市場的時間，并提高了產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)的效率。使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與現(xiàn)實世界的信號相連，分析數(shù)據(jù)以獲取實用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內(nèi)提高生產(chǎn)效率。

虛擬儀器中有硬件及軟件，硬件用來實現(xiàn)信號的輸入及輸出，而軟件則用來體現(xiàn)整個系統(tǒng)在運行時的關(guān)鍵技術(shù)及功能。虛擬儀器可在利用同一個硬件系統(tǒng)的前提下，通過利用不同的軟件來提供不同的測量儀器所需要的功能。虛擬儀器不但實現(xiàn)了測試功能的軟件化，而且其面板控制也都是通過軟件來完成的，簡單來說，虛擬儀器的最重要核心就是軟件系統(tǒng)，通過軟件可對各種儀器進行定義。

虛擬儀器所帶的測量儀器主要用來采集數(shù)據(jù)，同時還肩負(fù)著測試及分析數(shù)據(jù)、輸出顯示結(jié)果等功能。其中數(shù)據(jù)的分析及其結(jié)果輸出都是通過軟件系統(tǒng)來實現(xiàn)的，所以如果能在外部提供一套完整的用于采集數(shù)據(jù)的硬件，就可利用計算機來組成一套測量儀器。這種利用計算機來構(gòu)成的數(shù)字化測量儀器被稱為“虛擬儀器”。虛擬儀器系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 虛擬儀器系統(tǒng)

在實際的操作當(dāng)中，可以根據(jù)具體的測試需要將所用到的模塊化硬件插入計算機的總線槽內(nèi)，這樣可同時將儀器的測試功能以及用來模擬畫面的面板控制都轉(zhuǎn)變成軟件模塊，然后將計算機硬件上的資源進行充分共享，就能在計算機的幫助及協(xié)調(diào)下將機械工程的測試、計算、數(shù)據(jù)處理及分析、數(shù)據(jù)存儲及取用、數(shù)據(jù)顯示及回放一步到位地完成。而且還能在實現(xiàn)數(shù)據(jù)打印的同時對數(shù)據(jù)進行管理，這樣就將傳統(tǒng)儀器中存在的問題都解決了。

3 虛擬儀器的構(gòu)成及特點

3.1 虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成

虛擬儀器由硬件設(shè)備與接口、設(shè)備驅(qū)動軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設(shè)備與接口可以是各種以PC為基礎(chǔ)的內(nèi)置功能插卡、通用接口總線接口卡、串行口、VXI總線儀器接口等設(shè)備，也可以是其他各種可程控的外置測試設(shè)備。設(shè)備驅(qū)動軟件是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動程序，虛擬儀器通過底層設(shè)備驅(qū)動軟件與真實的儀器系統(tǒng)進行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計算機屏幕上顯示與真實儀器面板操作元素相對應(yīng)的各種部件。用戶用鼠標(biāo)操作虛擬儀器的面板就如同操作真實儀器一樣真實、方便［2］。

3.1.1 虛擬儀器系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計算機硬件平臺和測控功能硬件。計算機硬件平臺可以是各種類型的計算機，如臺式計算機、便攜式計算機、工作站及嵌入式計算機等。它管理著虛擬儀器的軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。因此，計算機技術(shù)在顯示、存儲能力、處理器性能、網(wǎng)絡(luò)和總線標(biāo)準(zhǔn)等方面的發(fā)展，導(dǎo)致了虛擬儀器系統(tǒng)的快速發(fā)展。

按照測控功能硬件的不同，VI可分為DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口總線5種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，它們主要完成對被測輸入信號的采集、放大和模／數(shù)轉(zhuǎn)換。

3.1.2 虛擬儀器系統(tǒng)的軟件構(gòu)成

測試軟件是虛擬儀器的主心骨。NI公司在提出虛擬儀器概念并推出第一批實用成果時，就以“軟件就是儀器”來表達虛擬儀器的特征，強調(diào)軟件在虛擬儀器中的重要位置。NI公司從一開始就推出了豐富而又簡潔的虛擬儀器開發(fā)軟件。使用者可以根據(jù)不同的測試任務(wù)，在虛擬儀器開發(fā)軟件的提示下編制不同的測試軟件，來實現(xiàn)技術(shù)復(fù)雜的測試任務(wù)。在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強大的計算機軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，特別是系統(tǒng)中應(yīng)用計算機直接參與測試信號的產(chǎn)生和測量特性的分析，使儀器中的一些硬件甚至整個儀器從系統(tǒng)中消失，而由計算機的軟硬件資源來完成它們的功能。虛擬儀器測試系統(tǒng)的軟件主要分為以下4個部分。

（1）儀器面板控制軟件。儀器面板控制軟件即測試管理層，是用戶與儀器之間交流信息的紐帶。利用計算機強大的圖形化編程環(huán)境，使用可視化的技術(shù)，從控制模塊上選擇所需的對象，放在虛擬儀器的前面板上。

（2）數(shù)據(jù)分析處理軟件。利用計算機強大的計算能力和虛擬儀器開發(fā)軟件功能強大的函數(shù)庫可以極大提高虛擬儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理能力，節(jié)省開發(fā)時間。

（3）儀器驅(qū)動軟件。虛擬儀器驅(qū)動程序是處理與特定儀器進行控制通信的一種軟件。儀器驅(qū)動器與通信接口及使用開發(fā)環(huán)境相聯(lián)系，它提供一種高級、抽象的儀器映像，以及特定的使用開發(fā)環(huán)境信息。儀器驅(qū)動器是虛擬儀器的核心，是用戶完成對儀器硬件控制的紐帶和橋梁。虛擬儀器驅(qū)動程序的核心是驅(qū)動程序函數(shù)／VI集，函數(shù)／VI是指組成驅(qū)動的模塊化子程序。驅(qū)動程序一般分為兩層，底層是儀器的基本操作，如初始化儀器配置儀器輸入?yún)?shù)、收發(fā)數(shù)據(jù)及查看儀器狀態(tài)等。高層是應(yīng)用函數(shù)／VI層，它根據(jù)具體測量要求調(diào)用底層的函數(shù)／VI。

（4）通用I／O接口軟件。在虛擬儀器系統(tǒng)中，I／O接口軟件作為虛擬儀器系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)中承上啟下的一層，其模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化越來越重要。VXI總線即插即用聯(lián)盟，為其制定了標(biāo)準(zhǔn)，提出了自底向上的I／O接口軟件模型即VISA。作為通用I／O標(biāo)準(zhǔn)，VISA具有與儀器硬件接口無關(guān)性的特點，即這種軟件結(jié)構(gòu)是面向器件功能而不是面向接口總線的。應(yīng)用工程師為帶GPIB接口儀器所寫的軟件，也可以用于VXI系統(tǒng)或具有RS232接口的設(shè)備，這樣不但大大縮短了應(yīng)用程序的開發(fā)周期，而且徹底改變了測試軟件開發(fā)的方式和手段。

3.2 虛擬儀器系統(tǒng)軟面板的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

虛擬儀器軟面板是用戶用來操作儀器、與儀器進行通信、輸入?yún)?shù)設(shè)置以及輸出結(jié)果顯示的用戶接口。其設(shè)計準(zhǔn)則如下。

（1）按照VPP規(guī)范設(shè)計軟面板，使面板具有標(biāo)準(zhǔn)化、開放性和可移植性。

（2）根據(jù)測試要求確定儀器功能。根據(jù)測試任務(wù)確定儀器軟面板具體測試、測量功能以及開關(guān)、控制等設(shè)置要求。

（3）用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法設(shè)計軟面板。按照面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，一個虛擬儀器集成系統(tǒng)由多個虛擬儀器組成，每個虛擬儀器均由軟面板控制。軟面板由大量的虛擬控件組成。

3.3 虛擬儀器的特點

在機械工程測試系統(tǒng)中應(yīng)用虛擬儀器，從根本上打破了傳統(tǒng)測試儀器的功能設(shè)定及實現(xiàn)。傳統(tǒng)測試儀器的功能都由廠家來設(shè)定，其測試的對象也是固定的，另外，儀器所能完成的任務(wù)也比較單一。然而應(yīng)用虛擬儀器的機械工程測試系統(tǒng)實現(xiàn)了功能的自定義，用戶可利用不同的編程語言在不違反使用規(guī)則的前提下對各功能模塊進行變換、自由組合，以實現(xiàn)不同用戶的測試目標(biāo)，滿足不同用戶的個性化需求。另外，運用虛擬儀器的機械工程測試系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)來說，實現(xiàn)了各功能的軟件化，在很大程度上減少了研發(fā)及運用硬件的成本，同時還減少了資源及能源的消耗，在保護了環(huán)境的同時還促進了企業(yè)的發(fā)展。在未來的機械工程測試系統(tǒng)當(dāng)中，虛擬儀器的使用將成為主流，并有著廣闊的發(fā)展及應(yīng)用前景。

4 虛擬儀器在機械工程測試技術(shù)中的應(yīng)用

虛擬儀器的發(fā)展非常迅速，已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。而在機械工程測試系統(tǒng)中應(yīng)用虛擬儀器，通常來說是根據(jù)用戶的具體測試需求來對系統(tǒng)的軟件及硬件進行設(shè)計，以實現(xiàn)不同的檢測需求，同時針對檢測結(jié)果進行分析。在這方面，美國的弗吉尼亞州技術(shù)公司有了一定成就，其利用虛擬技術(shù)研發(fā)出了一種用來測量MEMS中硅片厚度的光學(xué)測微計，可分辨到微米級別。該系統(tǒng)主要是通過數(shù)據(jù)采集卡將模擬信號及數(shù)字信號輸出，從而實現(xiàn)對激光器的控制，另外它是利用圖像采集卡來獲取晶體圖像的，而對于x、y坐標(biāo)的控制則是通過PC-Step-4CX來實現(xiàn)的。除此之外最重要的是，對于數(shù)據(jù)的分析及其結(jié)果的顯示及控制是通過利用LabVIEW圖形化的編程語言得以實現(xiàn)。

4.1 機械工程測試系統(tǒng)的硬件

利用虛擬儀器測試機械產(chǎn)品是否達標(biāo)主要需要對以下參數(shù)進行測量：振動幅度、油壓力的最大值、平均值及變化規(guī)律、振動頻率、發(fā)動機的轉(zhuǎn)速與振動力之間的關(guān)系［3-4］。根據(jù)所要測試的參數(shù)，可進行如下設(shè)計。

結(jié)合虛擬儀器技術(shù)的有關(guān)設(shè)計思路及檢測的需求，需要用到的硬件有：傳感器、動態(tài)應(yīng)變儀、A／D轉(zhuǎn)換及計算機。其中的拉壓力傳感器主要用來對振動力的變化進行檢測，壓力傳感器則是用來對系統(tǒng)的壓力進行檢測，位移傳感器用來對振動的幅度進行檢測，而數(shù)字式光電轉(zhuǎn)速計用來對發(fā)動機的轉(zhuǎn)速進行測量，計算機用來對整個測試內(nèi)容和所需量程進行控制。

4.2 機械工程測試系統(tǒng)的軟件

軟件部分是虛擬儀器最關(guān)鍵的組成部分，主要由系統(tǒng)程序以及應(yīng)用程序構(gòu)成。軟件功能的編程主要是利用LabVIEW來實現(xiàn)，用戶接口則利用圖形的方式來實現(xiàn)，這給用戶帶來了便利，用戶可將系統(tǒng)當(dāng)作按鍵儀器，根據(jù)自己的測試需求來選擇不同的測試功能，同時還可對數(shù)據(jù)的處理及分析方法進行選擇，以上這些都體現(xiàn)了測試系統(tǒng)的方便、快捷。

5 結(jié) 語

機械工程測試系統(tǒng)可以利用虛擬儀器的技術(shù)思想及集成測試的優(yōu)勢，使得資源能夠極大程度上地進行共享。借助計算機平臺后，就可利用軟件模塊將計算機所擁有的資源以及系統(tǒng)硬件存在的測試功能，通過對軟硬件模塊的變換進行不同設(shè)置，從而讓機械工程所需要的不同測試任務(wù)得以完成。這不但使測試功能多樣化，而且很大程度上降低了測試成本，同時還為產(chǎn)品研發(fā)提供了技術(shù)保障，使研發(fā)效率得以提高。因此在未來機械工程測試技術(shù)的發(fā)展中，虛擬儀器的應(yīng)用將逐漸成為主流，發(fā)揮巨大的作用。