虛擬儀器及其在機械工程測試技術中的應用

徐文山

（江蘇華通動力重工有限公司，江蘇 鎮江 212003）

0 引 言

在測試分析的領域中，利用模擬信號進行信息處理的傳統方式已逐漸被數字信號處理方式所替代，數字信號處理成為目前使用最為廣泛的信息處理方式。但市場上數字化、智能化的測試儀器復雜多樣，它們之間的連接非常復雜，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象。在這種背景下，虛擬儀器的發明使測試技術又向前邁進了一步。

1 機械工程測試技術的發展

現代工程測試技術是指人們利用專門的儀器設備，通過對研究對象進行試驗、測量之后再進行相關運算及分析等，獲得人們所需要的研究對象的相關信息，使得人們能夠通過對信息流的控制來實現對能量流及物質流的控制。現代科學技術的不斷發展帶動了機械工程測試技術向前進步，但同時也要求有更高的機械工程測試技術與之匹配。現代工程測試技術已逐漸從原來的單一學科慢慢轉變為多學科之間的相互借鑒及滲透，使得現代工程測試技術形成一個各學科內容相互滲透的綜合性測試系統。

工程測試系統是工業系統研發、應用及教學過程當中重要的組成部分，所以對工程測試系統的要求越來越復雜［1］。傳統的工程測試系統功能比較簡單，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，測試參數的精準度也大大下降。在這種情況下，人們急需要一套能夠綜合各學科、功能多樣、系統完善且測量精準的測試系統來滿足應用新技術的需要，而虛擬儀器在這種需求下應運而生。傳統儀器與虛擬儀器的構成比較如圖1所示。

2 虛擬儀器的基本概念

圖1 傳統儀器與虛擬儀器的構成比較

虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。自1986年問世以來，世界各國的工程師們都已將NI LabVIEW圖形化開發工具用于產品設計周期的各個環節，改善了產品質量，縮短了產品投放市場的時間，并提高了產品開發和生產的效率。使用集成化的虛擬儀器環境與現實世界的信號相連，分析數據以獲取實用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內提高生產效率。

虛擬儀器中有硬件及軟件，硬件用來實現信號的輸入及輸出，而軟件則用來體現整個系統在運行時的關鍵技術及功能。虛擬儀器可在利用同一個硬件系統的前提下，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，通過軟件可對各種儀器進行定義。

虛擬儀器所帶的測量儀器主要用來采集數據，同時還肩負著測試及分析數據、輸出顯示結果等功能。其中數據的分析及其結果輸出都是通過軟件系統來實現的，所以如果能在外部提供一套完整的用于采集數據的硬件，就可利用計算機來組成一套測量儀器。這種利用計算機來構成的數字化測量儀器被稱為“虛擬儀器”。虛擬儀器系統如圖2所示。

圖2 虛擬儀器系統

在實際的操作當中，可以根據具體的測試需要將所用到的模塊化硬件插入計算機的總線槽內，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變成軟件模塊，然后將計算機硬件上的資源進行充分共享，就能在計算機的幫助及協調下將機械工程的測試、計算、數據處理及分析、數據存儲及取用、數據顯示及回放一步到位地完成。而且還能在實現數據打印的同時對數據進行管理，這樣就將傳統儀器中存在的問題都解決了。

3 虛擬儀器的構成及特點

3.1 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［2］。

3.1.1 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。

3.1.2 虛擬儀器系統的軟件構成

測試軟件是虛擬儀器的主心骨。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”來表達虛擬儀器的特征，強調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軟件。使用者可以根據不同的測試任務，在虛擬儀器開發軟件的提示下編制不同的測試軟件，來實現技術復雜的測試任務。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。

3.2 虛擬儀器系統軟面板的設計標準

虛擬儀器軟面板是用戶用來操作儀器、與儀器進行通信、輸入參數設置以及輸出結果顯示的用戶接口。其設計準則如下。

（1）按照VPP規范設計軟面板，使面板具有標準化、開放性和可移植性。

（2）根據測試要求確定儀器功能。根據測試任務確定儀器軟面板具體測試、測量功能以及開關、控制等設置要求。

（3）用面向對象的設計方法設計軟面板。按照面向對象的設計思想，一個虛擬儀器集成系統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

在機械工程測試系統中應用虛擬儀器，從根本上打破了傳統測試儀器的功能設定及實現。傳統測試儀器的功能都由廠家來設定，其測試的對象也是固定的，另外，儀器所能完成的任務也比較單一。然而應用虛擬儀器的機械工程測試系統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。

4 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。在這方面，美國的弗吉尼亞州技術公司有了一定成就，其利用虛擬技術研發出了一種用來測量MEMS中硅片厚度的光學測微計，可分辨到微米級別。該系統主要是通過數據采集卡將模擬信號及數字信號輸出，從而實現對激光器的控制，另外它是利用圖像采集卡來獲取晶體圖像的，而對于x、y坐標的控制則是通過PC-Step-4CX來實現的。除此之外最重要的是，對于數據的分析及其結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。

4.1 機械工程測試系統的硬件

利用虛擬儀器測試機械產品是否達標主要需要對以下參數進行測量：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［3-4］。根據所要測試的參數，可進行如下設計。

結合虛擬儀器技術的有關設計思路及檢測的需求，需要用到的硬件有：傳感器、動態應變儀、A／D轉換及計算機。其中的拉壓力傳感器主要用來對振動力的變化進行檢測，壓力傳感器則是用來對系統的壓力進行檢測，位移傳感器用來對振動的幅度進行檢測，而數字式光電轉速計用來對發動機的轉速進行測量，計算機用來對整個測試內容和所需量程進行控制。

4.2 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。

5 結 語

機械工程測試系統可以利用虛擬儀器的技術思想及集成測試的優勢，使得資源能夠極大程度上地進行共享。借助計算機平臺后，就可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。因此在未來機械工程測試技術的發展中，虛擬儀器的應用將逐漸成為主流，發揮巨大的作用。