虛擬儀器的變輸入機(jī)構(gòu)控制研究

于 玲

（威海職業(yè)學(xué)院，山東 威海264210）

1 變輸入機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)控制與輸出運(yùn)動(dòng)分析

目前自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入了虛擬儀器時(shí)代，虛擬儀器改變了人們傳統(tǒng)的儀器觀，使電子測(cè)量技術(shù)和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)都進(jìn)入了一個(gè)新紀(jì)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(duì)更強(qiáng)、更全面，是一種基于圖形編程語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境，與C 語(yǔ)言等傳統(tǒng)編程語(yǔ)言有著許多相似之處， 因而本論文采用LabVIEW 軟件對(duì)所構(gòu)造的變輸入七桿機(jī)構(gòu)的速度參數(shù)和位置參數(shù)進(jìn)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(jì)算機(jī)輔以少量通用硬件，如A/D、D/A 采集器等完成原來(lái)由物理儀器完成的功能，它的運(yùn)行主要依賴于軟件，所以具有造價(jià)低、功能全，靈活性好等特點(diǎn)。 虛擬儀器的基本構(gòu)成從要素上說(shuō)包括計(jì)算機(jī)、虛擬儀器軟件、硬件接口模塊等。從構(gòu)成方式上說(shuō)，則有以DAQ 板和信號(hào)調(diào)理部分為硬件來(lái)組成的PC-DAQ 測(cè)試系統(tǒng)，GPIB 接口卡、VXI 控制器、串行總線系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)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(yīng)用軟件， 正所謂 “ 軟件即儀器”。 虛擬儀器的應(yīng)用軟件主要包括：集成的開(kāi)發(fā)環(huán)境、與儀器硬件的高級(jí)接口和虛擬儀器的用戶界面。 虛擬儀器的應(yīng)用軟件由用戶編制，可以采用各種編程軟件，面象對(duì)象的編程方式和可視化編程語(yǔ)言環(huán)境的推出，為虛擬儀器應(yīng)用軟件的編程作出了重要貢獻(xiàn)。 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(yīng)用程序模塊、驅(qū)動(dòng)程序模塊和三個(gè)接口層。 其中，各模塊之間的通信和數(shù)據(jù)交換通過(guò)接口完成，驅(qū)動(dòng)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(kù)，龐大的程序庫(kù)提供給使用者選擇。

2 數(shù)據(jù)采集模塊的實(shí)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(dá)式三個(gè)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(hào)的產(chǎn)生和測(cè)量.要使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠測(cè)量物理信號(hào), 首先要使用傳感器把物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓或者電流之類的電信號(hào). 通常不能把被測(cè)信號(hào)直接連接到DAQ 卡, 而必須使用信號(hào)調(diào)理輔助電路, 先將信號(hào)進(jìn)行一定的預(yù)處理. 總之, 數(shù)據(jù)采集是借助軟件來(lái)控制整個(gè)DAQ 系統(tǒng)的, 包括對(duì)數(shù)據(jù)采集參數(shù)的各種控制,比如:進(jìn)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(chǔ)等。

2.1 瞬態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)的應(yīng)用考慮

信號(hào)調(diào)理除了放大、濾波和隔離等一般作用之外，通過(guò)多路復(fù)用技術(shù)可以以較低的成本有效擴(kuò)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(hào)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用考慮

多路復(fù)用器在通道之間的切換，會(huì)在每個(gè)通道的采樣點(diǎn)之間引起一定的時(shí)間延遲，通常認(rèn)為連續(xù)掃描技術(shù)不適用于如交流信號(hào)的相位分析這些采樣點(diǎn)之間的時(shí)間關(guān)系非常重要的應(yīng)用場(chǎng)合。一般需要采用同步采樣技術(shù)進(jìn)行這樣的測(cè)量。由于瞬態(tài)信號(hào)測(cè)量的重要目的之一通常是要比較不同通道采樣點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，因此，過(guò)去一直認(rèn)為瞬態(tài)信號(hào)的采集與應(yīng)該采用同步采樣技術(shù)。其實(shí)，只要所選用的DAQ 板只要有儀器保證一定的定時(shí)精度，采用連續(xù)掃描技術(shù)和專門研究的自動(dòng)補(bǔ)償算法同樣可以進(jìn)行精確的相位測(cè)量。由于瞬態(tài)信號(hào)采集通常要對(duì)數(shù)據(jù)做大量的事后分析，而較少要求實(shí)時(shí)分析，因此，在非實(shí)時(shí)應(yīng)用情況下，可以用等速掃描采樣技術(shù)和軟件方法復(fù)現(xiàn)瞬態(tài)過(guò)程不同通道信號(hào)間的時(shí)間關(guān)系。

（2）變速采樣技術(shù)在瞬態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用考慮瞬態(tài)信號(hào)在不同時(shí)間的起伏會(huì)變化很大。對(duì)這種起伏變化很大的信號(hào)進(jìn)行等速采樣的時(shí)候，就必須以信號(hào)起伏最快時(shí)的變化速率選定采樣率。顯然，在大部分信號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)， 用此速率采樣對(duì)內(nèi)存和硬盤都是一種浪費(fèi)，而且會(huì)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(hào)變化快慢自動(dòng)調(diào)整采樣率，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的優(yōu)化利用。

2.2 實(shí)時(shí)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(yīng)用場(chǎng)合，采樣率的通道一般較高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者通常關(guān)心的是系統(tǒng)吞吐率和儀器的存儲(chǔ)能力， 以保證不丟失的采集、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。而實(shí)時(shí)應(yīng)用場(chǎng)合，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yù)先確定系統(tǒng)對(duì)中斷請(qǐng)求與觸發(fā)信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間。 同時(shí)，對(duì)計(jì)算機(jī)的處理能力要求也較高。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的目標(biāo)集中在如何保證數(shù)據(jù)在事先確定時(shí)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(cè)試結(jié)果。 從計(jì)算機(jī)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(duì)簡(jiǎn)單，并具有明顯的系統(tǒng)性能優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)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(fù)雜。

3 信號(hào)分析模塊的實(shí)現(xiàn)

信號(hào)分析模塊包括時(shí)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(cè)試中對(duì)信號(hào)的分析和處理基本要求,提供了濾波器、窗函數(shù)、時(shí)域、頻域、頻率響應(yīng)、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(hào)分析方法。 加上對(duì)這些分析方法的數(shù)據(jù)控制,能夠很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理和分析。

4 結(jié)論

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 虛擬儀器技術(shù)在21 世紀(jì)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(xué)方式，大大降低實(shí)踐環(huán)節(jié)的固定資產(chǎn)投入，提高教學(xué)質(zhì)量，并且取得良好的試驗(yàn)效果。本文基于虛擬儀器的控制變輸入機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)以及對(duì)其輸出運(yùn)動(dòng)的測(cè)試，取得了滿意的試驗(yàn)結(jié)果。

［1］何瑛,宋利,張偉，等.基于LabVIEW 的數(shù)采卡(DAQ)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)[J].2000：1－3.

［2］李華德.現(xiàn)代交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)[M].石油出版社，1996：241－243.

［3］姚燕安.變輸入轉(zhuǎn)速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].上海交通大學(xué),-01：1－3.