虛擬儀器及其在機(jī)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(jìn)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(jìn)了一步。

1 機(jī)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(jìn)行試驗、測量之后再進(jìn)行相關(guān)運(yùn)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。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展帶動了機(jī)械工程測試技術(shù)向前進(jìn)步，但同時也要求有更高的機(jī)械工程測試技術(shù)與之匹配。現(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(jìn)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(yùn)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(yùn)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(jìn)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(jī)來組成一套測量儀器。這種利用計算機(jī)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(jī)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(jī)硬件上的資源進(jìn)行充分共享，就能在計算機(jī)的幫助及協(xié)調(diào)下將機(jī)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(jìn)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(diǎn)

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(jìn)行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計算機(jī)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(jī)硬件平臺和測控功能硬件。計算機(jī)硬件平臺可以是各種類型的計算機(jī)，如臺式計算機(jī)、便攜式計算機(jī)、工作站及嵌入式計算機(jī)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(jī)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(dá)虛擬儀器的特征，強(qiáng)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(qiáng)大的計算機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)強(qiáng)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(jī)強(qiáng)大的計算能力和虛擬儀器開發(fā)軟件功能強(qiáng)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(jìn)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(diǎn)，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(jìn)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(diǎn)

在機(jī)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(jī)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(jìn)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(yùn)用虛擬儀器的機(jī)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(yùn)用硬件的成本，同時還減少了資源及能源的消耗，在保護(hù)了環(huán)境的同時還促進(jìn)了企業(yè)的發(fā)展。在未來的機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)械工程測試系統(tǒng)的硬件

利用虛擬儀器測試機(jī)械產(chǎn)品是否達(dá)標(biāo)主要需要對以下參數(shù)進(jìn)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(jī)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(jìn)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(jī)。其中的拉壓力傳感器主要用來對振動力的變化進(jìn)行檢測，壓力傳感器則是用來對系統(tǒng)的壓力進(jìn)行檢測，位移傳感器用來對振動的幅度進(jìn)行檢測，而數(shù)字式光電轉(zhuǎn)速計用來對發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，計算機(jī)用來對整個測試內(nèi)容和所需量程進(jìn)行控制。

4.2 機(jī)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(jìn)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(jī)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(jìn)行共享。借助計算機(jī)平臺后，就可利用軟件模塊將計算機(jī)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(jìn)行不同設(shè)置，從而讓機(jī)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(jī)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。