虛擬儀器的變輸入機構(gòu)控制研究

于玲

【摘 要】變輸入轉(zhuǎn)速機構(gòu)的主要特征是具有變速單元。本文從變輸入機構(gòu)函數(shù)的設(shè)計和虛擬儀器的選用以及數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)等多個方面對變輸入機構(gòu)的控制進行闡述和研究分析。

【關(guān)鍵詞】LabVIEW軟件；虛擬儀器；變輸入機構(gòu)

1 變輸入機構(gòu)的驅(qū)動控制與輸出運動分析

目前自動測試系統(tǒng)已經(jīng)進入了虛擬儀器時代，虛擬儀器改變了人們傳統(tǒng)的儀器觀，使電子測量技術(shù)和自動測試系統(tǒng)都進入了一個新紀元。

由于LabVIEW主要用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等方面，而且其功能相對更強、更全面，是一種基于圖形編程語言的開發(fā)環(huán)境，與C語言等傳統(tǒng)編程語言有著許多相似之處，因而本論文采用LabVIEW軟件對所構(gòu)造的變輸入七桿機構(gòu)的速度參數(shù)和位置參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析。

虛擬儀器的概念和結(jié)構(gòu)：

所謂“虛擬儀器”是指主要和計算機輔以少量通用硬件，如A/D、D/A采集器等完成原來由物理儀器完成的功能，它的運行主要依賴于軟件，所以具有造價低、功能全，靈活性好等特點。虛擬儀器的基本構(gòu)成從要素上說包括計算機、虛擬儀器軟件、硬件接口模塊等。從構(gòu)成方式上說，則有以DAQ板和信號調(diào)理部分為硬件來組成的PC-DAQ測試系統(tǒng)，GPIB接口卡、VXI 控制器、串行總線系統(tǒng)、現(xiàn)場總線系統(tǒng)等。目前較為常用的虛擬儀器系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集卡系統(tǒng)、GPIB儀器控制系統(tǒng)、VXI儀器系統(tǒng)以及這三者之間的任意組合。

構(gòu)造和使用虛擬儀器的關(guān)鍵在于應用軟件，正所謂“ 軟件即儀器”。虛擬儀器的應用軟件主要包括：集成的開發(fā)環(huán)境、與儀器硬件的高級接口和虛擬儀器的用戶界面。虛擬儀器的應用軟件由用戶編制，可以采用各種編程軟件，面象對象的編程方式和可視化編程語言環(huán)境的推出，為虛擬儀器應用軟件的編程作出了重要貢獻。虛擬儀器軟件采用分層結(jié)構(gòu)，在用戶和底層硬件之間包括應用程序模塊、驅(qū)動程序模塊和三個接口層。其中，各模塊之間的通信和數(shù)據(jù)交換通過接口完成，驅(qū)動程序和硬件接口層軟件均由儀器生產(chǎn)商提供。每層都是由許多程序組成的程序庫，龐大的程序庫提供給使用者選擇。

2 數(shù)據(jù)采集模塊的實現(xiàn)

虛擬儀器的內(nèi)部功能劃分為數(shù)據(jù)采集和控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達式三個功能模塊，其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是其核心部分之一，數(shù)據(jù)采集（DAQ： Data A cqusit ion） 系統(tǒng)的基本任務(wù)是物理信號的產(chǎn)生和測量. 要使計算機系統(tǒng)能夠測量物理信號， 首先要使用傳感器把物理信號轉(zhuǎn)換成電壓或者電流之類的電信號. 通常不能把被測信號直接連接到DAQ卡， 而必須使用信號調(diào)理輔助電路， 先將信號進行一定的預處理. 總之， 數(shù)據(jù)采集是借助軟件來控制整個DAQ 系統(tǒng)的， 包括對數(shù)據(jù)采集參數(shù)的各種控制，比如：進行數(shù)據(jù)采集卡的選擇、數(shù)據(jù)采集通道選擇、采樣速率的控制、數(shù)據(jù)的存儲等。

2.1 瞬態(tài)信號采集系統(tǒng)的應用考慮

信號調(diào)理除了放大、濾波和隔離等一般作用之外，通過多路復用技術(shù)可以以較低的成本有效擴展系統(tǒng)的I/O 能力。

（1） 同步采樣與連續(xù)掃描技術(shù)在瞬態(tài)信號采集系統(tǒng)中的應用考慮

多路復用器在通道之間的切換，會在每個通道的采樣點之間引起一定的時間延遲，通常認為連續(xù)掃描技術(shù)不適用于如交流信號的相位分析這些采樣點之間的時間關(guān)系非常重要的應用場合。一般需要采用同步采樣技術(shù)進行這樣的測量。由于瞬態(tài)信號測量的重要目的之一通常是要比較不同通道采樣點之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，因此，過去一直認為瞬態(tài)信號的采集與應該采用同步采樣技術(shù)。其實，只要所選用的DAQ 板只要有儀器保證一定的定時精度，采用連續(xù)掃描技術(shù)和專門研究的自動補償算法同樣可以進行精確的相位測量。由于瞬態(tài)信號采集通常要對數(shù)據(jù)做大量的事后分析，而較少要求實時分析，因此，在非實時應用情況下，可以用等速掃描采樣技術(shù)和軟件方法復現(xiàn)瞬態(tài)過程不同通道信號間的時間關(guān)系。

（2）變速采樣技術(shù)在瞬態(tài)信號采集系統(tǒng)中的應用考慮瞬態(tài)信號在不同時間的起伏會變化很大。對這種起伏變化很大的信號進行等速采樣的時候，就必須以信號起伏最快時的變化速率選定采樣率。顯然，在大部分信號持續(xù)時間內(nèi)，用此速率采樣對內(nèi)存和硬盤都是一種浪費，而且會降低頻域分析的頻率分辨率。而變速采樣技術(shù)可以根據(jù)信號變化快慢自動調(diào)整采樣率，從而實現(xiàn)系統(tǒng)資源的優(yōu)化利用。

2.2 實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)考慮

在連續(xù)數(shù)據(jù)的采集應用場合，采樣率的通道一般較高，系統(tǒng)設(shè)計者通常關(guān)心的是系統(tǒng)吞吐率和儀器的存儲能力，以保證不丟失的采集、存儲數(shù)據(jù)。而實時應用場合，系統(tǒng)設(shè)計者更關(guān)心的是系統(tǒng)相映速度而不是純粹的吞吐能力。在這種情況下，關(guān)鍵是如何預先確定系統(tǒng)對中斷請求與觸發(fā)信號的響應時間。同時，對計算機的處理能力要求也較高。系統(tǒng)設(shè)計者的目標集中在如何保證數(shù)據(jù)在事先確定時間內(nèi)被正確的采集與處理，以便在控制環(huán)節(jié)或仿真周期內(nèi)得到測試結(jié)果。從計算機和軟件的角度出發(fā)，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)一般可分為集中控制系統(tǒng)和分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩種體系結(jié)構(gòu)。集中控制系統(tǒng)相對簡單，并具有明顯的系統(tǒng)性能優(yōu)勢，缺點是靈活性和使用范圍不夠。分布式數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)正好與之相反，且軟件編程較為復雜。

3 信號分析模塊的實現(xiàn)

信號分析模塊包括時域顯示、頻域分析、FFT、自相關(guān)分析、功率譜分析五種情況。根據(jù)測試中對信號的分析和處理基本要求，提供了濾波器、窗函數(shù)、時域、頻域、頻率響應、子功率譜、互功率譜、自相關(guān)函數(shù)、互相關(guān)函數(shù)等信號分析方法。加上對這些分析方法的數(shù)據(jù)控制，能夠很好的實現(xiàn)對信號的處理和分析。

4 結(jié)論

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)在21世紀必將得到飛速的發(fā)展。利用虛擬儀器技術(shù)，將可以改變傳統(tǒng)的教學方式，大大降低實踐環(huán)節(jié)的固定資產(chǎn)投入，提高教學質(zhì)量，并且取得良好的試驗效果。本文基于虛擬儀器的控制變輸入機構(gòu)的運動以及對其輸出運動的測試，取得了滿意的試驗結(jié)果。

【參考文獻】

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[責任編輯：薛俊歌]