虛擬儀器的變輸入機構控制研究

于 玲

（威海職業學院，山東 威海264210）

1 變輸入機構的驅動控制與輸出運動分析

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

由于LabVIEW 主要用于儀器控制、數據采集、數據分析等方面，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環境，與C 語言等傳統編程語言有著許多相似之處， 因而本論文采用LabVIEW 軟件對所構造的變輸入七桿機構的速度參數和位置參數進行數據采集和數據分析。

虛擬儀器的概念和結構：

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。從構成方式上說，則有以DAQ 板和信號調理部分為硬件來組成的PC-DAQ 測試系統，GPIB 接口卡、VXI 控制器、串行總線系統、現場總線系統等。目前較為常用的虛擬儀器系統是數據采集卡系統、GPIB 儀器控制系統、VXI 儀器系統以及這三者之間的任意組合。

構造和使用虛擬儀器的關鍵在于應用軟件， 正所謂 “ 軟件即儀器”。 虛擬儀器的應用軟件主要包括：集成的開發環境、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構，在用戶和底層硬件之間包括應用程序模塊、驅動程序模塊和三個接口層。 其中，各模塊之間的通信和數據交換通過接口完成，驅動程序和硬件接口層軟件均由儀器生產商提供。 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 數據采集模塊的實現

虛擬儀器的內部功能劃分為數據采集和控制、數據分析和數據表達式三個功能模塊，其中數據采集系統是其核心部分之一，數據采集(DAQ: Data A cqusit ion) 系統的基本任務是物理信號的產生和測量.要使計算機系統能夠測量物理信號, 首先要使用傳感器把物理信號轉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, 而必須使用信號調理輔助電路, 先將信號進行一定的預處理. 總之, 數據采集是借助軟件來控制整個DAQ 系統的, 包括對數據采集參數的各種控制,比如:進行數據采集卡的選擇、數據采集通道選擇、采樣速率的控制、數據的存儲等。

2.1 瞬態信號采集系統的應用考慮

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

（1） 同步采樣與連續掃描技術在瞬態信號采集系統中的應用考慮

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，通常認為連續掃描技術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系非常重要的應用場合。一般需要采用同步采樣技術進行這樣的測量。由于瞬態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據關系，因此，過去一直認為瞬態信號的采集與應該采用同步采樣技術。其實，只要所選用的DAQ 板只要有儀器保證一定的定時精度，采用連續掃描技術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。由于瞬態信號采集通常要對數據做大量的事后分析，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和軟件方法復現瞬態過程不同通道信號間的時間關系。

（2）變速采樣技術在瞬態信號采集系統中的應用考慮瞬態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，在大部分信號持續時間內， 用此速率采樣對內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。而變速采樣技術可以根據信號變化快慢自動調整采樣率，從而實現系統資源的優化利用。

2.2 實時數據采集系統的體系結構考慮

在連續數據的采集應用場合，采樣率的通道一般較高，系統設計者通常關心的是系統吞吐率和儀器的存儲能力， 以保證不丟失的采集、存儲數據。而實時應用場合，系統設計者更關心的是系統相映速度而不是純粹的吞吐能力。 在這種情況下，關鍵是如何預先確定系統對中斷請求與觸發信號的響應時間。 同時，對計算機的處理能力要求也較高。系統設計者的目標集中在如何保證數據在事先確定時間內被正確的采集與處理，以便在控制環節或仿真周期內得到測試結果。 從計算機和軟件的角度出發，系統體系結構一般可分為集中控制系統和分布式數據采集系統兩種體系結構。 集中控制系統相對簡單，并具有明顯的系統性能優勢，缺點是靈活性和使用范圍不夠。 分布式數據采集數據正好與之相反，且軟件編程較為復雜。

3 信號分析模塊的實現

信號分析模塊包括時域顯示、頻域分析、FFT、自相關分析、功率譜分析五種情況。 根據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、時域、頻域、頻率響應、子功率譜、互功率譜、自相關函數、互相關函數等信號分析方法。 加上對這些分析方法的數據控制,能夠很好的實現對信號的處理和分析。

4 結論

隨著計算機技術的發展, 虛擬儀器技術在21 世紀必將得到飛速的發展。利用虛擬儀器技術，將可以改變傳統的教學方式，大大降低實踐環節的固定資產投入，提高教學質量，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的運動以及對其輸出運動的測試，取得了滿意的試驗結果。

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