虛擬儀器在機械工程測試技術中的應用研究

郭盈功 牛兆鵬

【摘要】隨著現代信息技術的發展，利用高性能模塊以及各類軟件處理技術，模擬出機械工程領域的各種儀器設備技術，進行各種測試、測量和自動化應用的虛擬儀器技術，已經在我國機械制造業中得到了普及。本文對虛擬儀器的構成及特點，以及應用進行了分析。

【關鍵詞】虛擬儀器 軟硬件 測試系統 機械工程

O引言

隨著現代信息技術的發展，利用高性能模塊以及各類軟件處理技術，模擬出機械工程領域的各種儀器設備技術，進行各種測試、測量和自動化應用，已經得到了普及。這項技術的使用，極大地提升了機械設備各項功能的測試效果，所得到的大數據，可以為后期儀器功能的改進提供必要的數據支持。

1 虛擬儀器的構成及特點

1.1 虛擬儀器系統的構成

虛擬儀器由硬件設備與接口、設備驅動軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設備與接口可以是各種以PC為基礎的內置功能插卡、通用接口總線接口卡、串行口、VXI總線儀器接口等設備，也可以是其他各種可程控的外置測試設備。設備驅動軟件是直接控制各種硬件接口的驅動程序，虛擬儀器通過底層設備驅動軟件與真實的儀器系統進行通訊，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的各種部件。用戶用鼠標操作虛擬儀器的面板就如同操作真實儀器一樣真實、方便。

1.1.1 虛擬儀器系統的硬件構成

虛擬儀器的硬件系統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。因此，計算機技術在顯示、存儲能力、處理器性能、網絡和總線標準等方面的發展，導致了虛擬儀器系統的快速發展。

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種標準體系結構，它們主要完成對被測輸入信號的采集、放大和模/數轉換。

1.1.2 虛擬儀器系統的軟件構成

測試軟件是虛擬儀器的主心骨。在虛擬儀器系統中用靈活強大的計算機軟件代替傳統儀器的某些硬件，特別是系統中應用計算機直接參與測試信號的產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境，使用可視化的技術，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）數據分析處理軟件。利用計算機強大的計算能力和虛擬儀器開發軟件功能強大的函數庫可以極大提高虛擬儀器系統的數據分析處理能力，節省開發時間。

（3）儀器驅動軟件。虛擬儀器驅動程序是處理與特定儀器進行控制通信的一種軟件。儀器驅動器與通信接口及使用開發環境相聯系，它提供一種高級、抽象的儀器映像，以及特定的使用開發環境信息。儀器驅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。虛擬儀器驅動程序的核心是驅動程序函數/VI集，函數/VI是指組成驅動的模塊化子程序。驅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參數、收發數據及查看儀器狀態等。高層是應用函數/VI層，它根據具體測量要求調用底層的函數/VI。

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

1.2 虛擬儀器的特點

在機械工程測試系統中應用虛擬儀器，實現了功能的自定義，用戶可利用不同的編程語言在不違反使用規則的前提下對各功能模塊進行變換、自由組合，以實現不同用戶的測試目標，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相比于傳統的測試系統來說，實現了各功能的軟件化，在很大程度上減少了研發及運用硬件的成本，同時還減少了資源及能源的消耗，在保護了環境的同時還促進了企業的發展。在未來的機械工程測試系統當中，虛擬儀器的使用將成為主流，并有著廣闊的發展及應用前景。

2 虛擬儀器在機械工程測試技術中的應用

虛擬儀器的發展非常迅速，已廣泛應用于各個領域。而在機械工程測試系統中應用虛擬儀器，通常來說是根據用戶的具體測試需求來對系統的軟件及硬件進行設計，以實現不同的檢測需求，同時針對檢測結果進行分析。

2.1 對機械產品參數進行測量

可對機械的振動幅度、油壓力的最大值、平均值及變化規律、振動頻率、發動機的轉速與振動力之間的關系進行測試，得到相關的參數。

2.2 機械工程測試系統的軟件

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

3 結語

隨著信息技術的突飛猛進，機械工程利用軟件模塊將計算機所擁有的資源以及系統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置，從而讓機械工程所需要的不同測試任務得以完成。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，同時還為產品研發提供了技術保障，使研發效率得以提高。當前，我國許多大型機械設備制造行業已經使用了該項技術，隨著我國工業4.0時代的來臨，實現彎道超車，從制造業大國向強國轉變，需要更多的信息技術應用到機械制造業之中。

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