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1、基于虚拟仪器的应变测试系统毕业论文摘要：应变测试技术是机械工程中应用最广泛的技术之一,传统的应变测试技术已逐渐不能适应测试技术发展的需求。虚拟仪器技术以计算机为核心,是目前测试技术的发展方向,但其软件开发过程较复杂,限制了虚拟仪器技术在应变测试领域的应用与发展。 为了解决这一问题,本文以LabVIEW 8.0为平台开发了虚拟应变测试软件系统。首先,在与传统系统作对比研究后,系统设计为由功能模块组建,功能模块的设计模型为“事件-循环-状态机”。其次,参考传统应变测试流程,设计了软件系统的执行流程。再次,从底层开发了完成基本测试与控制功能的模块:初始化参数、调平衡、并联标定、滤波、应力及载荷显示、
2、时域分析、频域分析、信号的保存、回放、生成试验报告、系统的静态标定。最后,利用测试系统进行了测试实验。 在连接硬件系统后,测控人员根据测试需求在本系统的主面板上选择相应的功能模块组建软件系统,即可进行应变测试及分析,避免了测控人员在虚拟应变测试过程中繁琐的软件开发工作。 关键词： 虚拟仪器;，应变;，测试系统，LabVIEW的; 功能模块AbstracStrain test is one of the most widely applied technologies in mechanical engineering. Nowadays, the conventional strain tes
3、t technology gradually cant keep up with the step of modern test technologys development. Virtual Instrument, whose core is computer, is becoming the main trend of test technology instead of conventional instruments. But the software development of virtual Instrument is rather complicate, it limits
4、the application and development of virtual instrument technology in strain test field. In order to solve the problem mentioned above, a strain test software system was developed in LabVIEW 8.0. First, functional module design method was adopted to construct the software system based on studying the
5、test method using traditional instruments.In the process of realizing functional module,“event-loop-state machine”model was designed. Second, the running procedure of software system was designed based on studying the conventional test process. Third, based on the strain test hardware system consist
6、ing of NI SCXI-1520 etc., the modules including parameter initialization, bridge balance, shunt calibration, filter, stress and load display, time domain analysis, frequency domain analysis, data storage, signal replay, experiment report generation and static calibration of system were developed to
7、implement the test and control assignment. Finally, some experiments were done to validate the systems reliability. The user was capable of carrying out the strain test and analysis task using the corresponding software test system constructed only through clicking the functional buttons on the syst
8、ems main board according to the test requirement. It makes user far away from the complicate software development.Key words：Virtual Instrument;Strain;Test system;LabVIEW; Functional module目录摘要3-4Abstract41 引言9-141.1 应变测试技术现状9-101.2 虚拟仪器技术概述10-111.3 虚拟仪器技术的应用和发展前景11-131.4 论文的研究意义13-141.5 论文的主要任务142 电
9、阻应变测试技术基础14-172.1 基本原理14-162.2 系统结构16-173 虚拟应变测试软件系统开发环境17-203.1 虚拟应变测试系统硬件17-203.2 虚拟应变测试系统开发工具204 虚拟应变测试系统的程序设计20-434.1 总体设计思路20-234.2 系统的总体结构与功能23-254.3 数据采集25-274.4 各功能模块的设计27-434.5 本章小结435 系统的测试试验43-475.1 静态标定试验43-455.2 动态应变测试试验45-476 总结47-486.1 结论476.2 建议第一章 引言（一）应变测试技术应变测量是机械工程中分析零件或结构受力状态、验证
10、设计的正确性、确定整机在实际工作时负载情况和研究某些物理现象机理的重要手段之一。应变测量对发展设计理论、保证机械设备安全运行以及实现自动检测和自动控制等都具有重要的作用。以应变测量为基础的机械量测量的内容极其广泛，例如测量对象的受力、变形、应力、位移、扭矩以及材料的力学性质等等。传统的应变测量仪器以应变仪为主。它由电桥、放大器、相敏检波器、低通滤波器、稳压电源和振荡器等组成,如果要显示和记录数据可再配备指示仪表、示波器和记录仪等。构成这样一个测试系统需要多台设备, 设备之间必须很好地匹配。设备的选型、调试和使用比较麻烦,而且设备功能单一、固定。因此,虽然传统应变仪在测量的精度、稳定性和可靠性等
11、方面都已经比较成熟,但是难以满足应变测量内容的多样性对应变测量仪器提出的各种不同的要求。（二）虚拟仪器技术概述1 虚拟仪器的概念虚拟仪器（VI）是计算机辅助测试（CAT）的最新发展，它充分利用快速发展的计算机及通信网络技术来提高测试计量仪器设备的功能、性能和应用范围，为用户定义和构造自己的测试仪器系统提供了全新的解决方案。虚拟仪器并不完全等同于计算机辅助测试，它是一种基于信号采集与分析理论、具有标准化软硬件及其接口和良好集成性与柔性的仪器系统，是一种新的测试仪器标准和技术规范.2虚拟仪器技术的优势虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1
12、986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。20年来，无论是初学乍用的新手还是经验丰富的程序开发人员，虚拟仪器在各种不同的工程应用和行业的测量及控制的用户中广受欢迎，这都归功于其直观化的图形编程语言。虚拟仪器的图形化数据流语言和程序框图能自然地显示您的数据流，同时地图化的用户界面直观地显示数据，
13、使我们能够轻松地查看、修改数据或控制输入。同其他技术相比，虚拟仪器技术具有四大优势：1、性能高虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全继承了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。2、扩展性强NI的软硬件工具使得我们不再受限于当前的技术中。这得益于NI软件的灵活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个系统。在利用最新科技的时候，我们可以把它们集成到现有的测量
14、设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。3、开发时间少在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。NI设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使我们轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。4、无缝集成虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。NI的虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助我们轻松地将多个测量设备集成到单个系统，
15、减少了任务的复杂性。3 虚拟仪器的分类虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型：1、PC总线插卡型虚拟仪器这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如LabVIEW相结合（注：美国NI公司的Labview是图形化编程工具，它可以通过各种控件自己组建各种仪器。Labview/cvi是基于文本编程的程序员提供高效的编程工具，通过三种编程语言Visual C+,Visual Basic,Labviews/cvi构成测试系统，它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。但是受PC机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较
16、小，机箱内无屏蔽等缺点。另外，ISA总线的虚拟仪器已经淘汰，PCI总线的虚拟仪器价格比较昂贵。2、并行口式虚拟仪器最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。美国LINK公司的DSO-2XXX系列虚拟仪器,它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。由于其价格低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和各种教学实验室
17、应用。3、GPIB总线方式的虚拟仪器GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的GPIB系统由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台BPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下，一块GPIB接口可带多达14台仪器，电缆长度可达40米。GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很多方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。GPIB测量系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。4、VXI总线方式虚拟仪器VXI总线是
18、一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。经过多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。有其他仪器无法比拟的优势。然而，组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。5、PXI总线方式虚拟仪器PXI总线方式是PCI总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的，增加了多板发总线，以使用
19、于相邻模块的高速通讯的局总线。PXI的高度可扩展性。PXI具有8个扩展槽，而台式PCI系统只有34个扩展槽，通过使用PCIPCI桥接器，可扩展到256个扩展槽，台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来的虚拟仪器平台。虚拟仪器的发展史1、GPIBVSIPXI总线方式（适合大型高精度集成系统）GPIB 于1978年问世，VXI于1987年问世，PXI于1997年问世。 2、PC插卡并口式串口USB方式（适合于普及型的廉价系统，有广阔的应用发展前景）PC插卡式于80年代初问世，并行口方式于1995年问世，串口USB方式于1999年问世。 综上所述，虚拟仪器的发展取决
20、于三个重要因素。计算机是载体,软件是核心高质量的A/D采集卡及调理放大器是关键。1.3 虚拟仪器技术的应用和发展前景3 虚拟仪器的应用和发展前景虚拟仪器以计算机发展为平台, 迎合了当今信息社会等各行业向智能化、自动化、集成化发展的趋势。它的精确采样, 快速及时的数据处理、传输功能使其在自动控制领域和工业控制领域得到了广泛的应用, 已成为传统仪器的主要替代方式。虚拟仪器代表着仪器发展的最新方向, 将不断地被推向各个新的领域。随着计算机技术、仪器技术和网络通信技术的不断完善, 虚拟仪器将向以下三个方向发展:3.1 外挂式虚拟仪器PC-DAQ式虚拟仪器是现在比较流行的虚拟仪器系统, 但是, 由于基于
21、PCI 总线的虚拟仪器在插入DAQ 时都需要打开机箱等, 比较麻烦, 而且, 主机上的PCI 插槽有限, 再加上测试信号直接进入计算机, 各种现场的被测信号对计算机的安全造成很大的威胁, 同时, 计算机内部的强电磁干扰对被测信号也会造成很大的影响, 故以USB 接口方式的外挂式虚拟仪器系统将成为今后廉价型虚拟仪器测试系统的主流。3.2 PXI 型高精度集成虚拟仪器测试系统PXI总线在机械、电气和软件特性方面充分发挥了PCI 总线的全部优点, 具有高度的可扩展性、良好的兼容性、极高的传输速率, 以及比VXI 更高的性价比, 因此, 基于PXI 总线的虚拟仪器硬件将会得到越来越广泛的应用。3.3
22、网络化虚拟仪器尽管Internet技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起, 不过NI 等公司已开发了通过Web浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品, 使人们可以通过Internet 操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性, 我们能够方便地将虚拟仪器组成计算机网络。利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能的测试设备联系在一起,使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享, 减少了设备重复投资。现在, 有关MCN( Measurement and Control Networks)方面的标准正在积极进行, 并取得了一定进展。由此可见,网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。2 电阻应变测试技术基础2.
23、1 基本原理2.1.1 电阻应变效应1 应变测量原理peL?s:q0 $XF#pc0半导体应变片可用于应力测量和应力分析，以及作为各种传感器的力一电转换元件，它基于金属丝在受拉或受压后发生弹性形变，其电阻值也随之产生相应的变化这一物理特性实现的。集微网-欲知半导体动态，速上老杳吧6yfiq-V.n EP*e集微网-欲知半导体动态，速上老杳吧%md6in?P!F 在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对变化RR与应变LL成正比，因而RR=KLL。其中，K为电阻应变片的灵敏系数。用应变片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于被测对象上，在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形，粘贴在其表面上的应变片亦随
24、其发生相同的变化，因此应变片的电阻也发生相应的变化。当压力F在一定范围内时，应变x以一个常数正比于F。集微网-欲知半导体动态，速上老杳吧;Z,M%no集微网-欲知半导体动态，速上老杳吧J#*r%Sd8r5fv&G :YG )m0 集微网-欲知半导体动态，速上老杳吧Ro2DU5-z*hN 式中：L为两孔中心距的50；E为梁的弹性模量；b为梁的宽度；h为孔上下最薄处的厚度。集微网-欲知半导体动态，速上老杳吧2C5v-P d75e(m&L!My|&yTz0如图1所示，在双孔梁的上下两端面分别对应孔的顶端处贴上电阻应变片，将它们按图1(b)所示的方式组成全桥测量电路。这种桥式测量电路，可以灵敏地测量极
25、微小的电阻变化。当弹性体受物体作用时，弹性体便产生弹性形变，粘在其表面的电阻应变片则随其同步变形，因而改变了它们的电阻值。由于电阻应变片组成的桥式电路是平衡的，而电阻应变片的电阻变化会引起电桥的不平衡，因而输出电压信号，该信号与梁端的受力F成正比。m5X.c2E WC3g0 集微网-欲知半导体动态，速上老杳吧;V;Mfy!R7F v/ 集微网-欲知半导体动态，速上老杳吧 t3!? c8W uAu集微网-欲知半导体动态，速上老杳吧wiT! &i 当力F使单个应变片的电阻变化R时，全桥测量电路的输出电压U0=URR。集微网-欲知半导体动态，速上老杳吧 ghF$_Ogh$bG4Z4aM02 应变片选
26、用BP型半导体应变片集微网-欲知半导体动态，速上老杳吧Al.lo%RU Pic,HV8Z0BP 型半导体应变片可用于应力测量和应力分析，并作为各种传感器的力-电转换元件。它们具有灵敏度高(比金属应变片大50100倍左右)，机械滞后小，体积小，耗电少等优点。其高的灵敏度使输出信号电平增大几十倍，所以不必采用放大器而直接用电压表或示波器等简单仪表就可以直接记录测量结果，因而使得测量仪表大为简化；再加上它的机械滞后小，可以测量静态应变、低频应变等，在许多新技术中，如火箭、导弹、飞机等制造工业及遥测系统中，半导体应变片具有独特的应用价值。J+_Oe DiU0 K7v2Z _&A6C S5Y0BP-6-
27、120型半导体应变片技术参数：集微网-欲知半导体动态，速上老杳吧/hNqApCu4u)E%!T,Rn0A%j0硅丝尺寸为6mm04 mm005 mm；基底尺寸为10 mm x 6 mm；灵敏系数120；电阻温度系数小于02；灵敏度温度系数小于016；允许工作电流25 mA；允许最大应变2 000；极限工作温度100。集微网-欲知半导体动态，速上老杳吧*?M0u L0uW7p7W+aQq0j(:kiD0 NvC Xns041 电阻片的温度效应集微网-欲知半导体动态，速上老杳吧V%seG:ad5di w!YAYT&GiH0电阻片由金属材料制成，它的阻值随着温度的变化也将产生变化。另外，由于试件和电
28、阻材片的线性膨胀系数不同，从而会使电阻片的阻值发生变化。温度变化引起的电阻变化是客观存在的，但不希望在测量结果中反映出来。集微网-欲知半导体动态，速上老杳吧iUD#T5AkQW5l7F N9uxmIq042 温度补偿集微网-欲知半导体动态，速上老杳吧E,IgjSw)BP集微网-欲知半导体动态，速上老杳吧Dp,P fQag B 作为测量电桥的四个臂，当称重时受到负载F的作用后，R1，R2受拉伸阻值增加，R3，R4受压缩阻值下降，四个应变片组成差动电桥，输出特性的线性度好，并且还具有温度补偿作用。输出应变信号电压为：集微网-欲知半导体动态，速上老杳吧kv9x+B k3i$i |)C_0b6o+N0
29、5h uKuU cGh0 集微网-欲知半导体动态，速上老杳吧Oxysn( 式中：1，2，3，4分别为各桥臂应变片感受的应变量；T为各应变片随温度变化所产生的应变量。8Ps*Vy& z0应变测试程序框图9oiQ-p03 虚拟应变测试系统的设计方案3.1 虚拟应变测试系统硬件1、虚拟应变测试系统硬件结构 图1硬件组成框图 传感器：它的作用是将被测信号转换为与之有对应关系电信号。如测速发电机、流量传感器等信号调理：它的作用包括信号放大或衰减、滤波、隔离、保护等。NI公司的仪器信号调理板卡SCXI是LabVIEW软件直接支持的一个信号调理板卡，LabVIEW环境中调用非常方便。数据采集卡：它是外界信号
30、进入计算机的通道，在这个通道中要实现A/D转换、放大或缩小、光电隔离等。选择数据采集卡时，需要注意以下一些问题：数据分辨率、精度、最高采样速度、通道数、总线接口类型。计算机（LabVIEW）：它的作用是数据采集，分析，显示和记录。 3.2 虚拟应变测试系统软件构成1.2虚拟仪器系统的软件构成 测试软件是虚拟仪器的主心骨。NI公司在提出虚拟仪器概念并推出第一批实用成果时，就用软件就是仪器来表达虚拟仪器的特征，强调软件在虚拟仪器中的重要位置。NI公司从一开始就推出丰富而又简洁的虚拟仪器开发软件。使用者可以根据不同的测试任务，在虚拟仪器开发软件的提示下编制不同的测试软件，来实现当代科学技术复杂的测试
31、任务。在虚拟仪器系统中用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特性的分析，使仪器中的一些硬件甚至整个仪器从系统中消失，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能。虚拟仪器测试系统的软件主要分为以下四部分。 1.2.1仪器面板控制软件 仪器面板控制软件即测试管理层，是用户与仪器之间交流信息的纽带。利用计算机强大的图形化编程环境，使用可视化的技术，从控制模块上选择你所需要的对象，放在虚拟仪器的前面板上。 1.2.2数据分析处理软件 利用计算机强大的计算能力和虚拟仪器开发软件功能强大的函数库可以极大提高虚拟仪器系统的数据分析处理能力，节省开发时间。
32、 1.2.3仪器驱动软件 虚拟仪器驱动程序是处理与特定仪器进行控制通信的一种软件。仪器驱动器与通信接口及使用开发环境相联系，它提供一种高级的、抽象的仪器映像，它还能提供特定的使用开发环境信息。仪器驱动器是虚拟仪器的核心，是用户完成对仪器硬件控制的纽带和桥梁。虚拟仪器驱动程序的核心是驱动程序函数/VI集，函数/VI是指组成驱动的模块化子程序。驱动程序一般分为两层，底层是仪器的基本操作，如初始化仪器配置仪器输入参数、收发数据、查看仪器状态等。高层是应用函数/VI层，它根据具体测量要求调用底层的函数/VI。 1.2.4通用I/O接口软件 在虚拟仪器系统中，I/O接口软件作为虚拟仪器系统软件结构中承上
33、启下的一层，其模块化与标准化越来越重要。VXI总线即插即用联盟，为其制定了标准，提出了自底向上的I/O接口软件模型即VISA。作为通用I/O标准，VISA具有与仪器硬件接口无关性的特点， 即这种软件结构是面向器件功能而不是面向接口总线的。应用工程师为带GPIB接口仪器所写的软件，也可以于VXI系统或具有RS232接口的设备上，这样不但大大缩短了应用程序的开发周期，而且彻底改变了测试软件开发的方式和手段。2 虚拟仪器系统软面板的设计标准 虚拟仪器软面板是用户用来操作仪器，与仪器进行通信，输入参数设置，输出结果显示的用户接口。其设计准则是： （1） 按照VPP规范设计软面板，使面板具有标准化、开放
34、性、可移植性。 （2） 根据测试要求确定仪器功能。根据测试任务确定仪器软面板具体测试、测量功能，开关、控制等设置要求。 （3） 用面向对象的设计方法设计软面板。按照面向对象的设计思想，一个虚拟仪器集成系统由多个虚拟仪器组成，每个虚拟仪器均由软面板控制。软面板由大量的虚拟控件组成。 3 虚拟仪器系统的组建方案 在虚拟仪器系统的组建方案，主要包括底层硬件、软硬件接口、应用程序以及驱动程序的设计与开发。 3.1 制定所设计仪器的接口形式 如果仪器设备具有RS-232串行接口，则直接用连线将仪器设备和计算机的RS-232串行口连接即可。如果是GPIB接口，需要额外配备一块GPIB-488接口板，将接口
35、板插入计算机的ISA插槽，建立起计算机与仪器设备之间的通信桥梁。如果使用计算机来控制VXI总线设备，则需要配置一块GPIB接口卡，通过GPIB 总线与VXI主机箱零槽模块通信。零槽模块的GPIB-VXI翻译器将GPIB 的命令翻译成VXI命令并把各模块返回的数据以一定的格式传回主控计算机。DAQ数据采集卡是基于计算机标准总线的，因此可以将数据采集卡直接插到计算机的插槽上。 3.2 开发硬件采集卡 一种典型的数据采集卡组成包括，先用传感器把非电的物理量转变成模拟电量，采样/保持器可以保持信号，实现对瞬时信号进行采集，以便ADC进行数字转换，提高ADC转换器的转换精度。实现在测量中同时对多路模拟信
36、号进行采样。多路模拟开关可以分时选通来自多个输入通道的某一路信号，这样在多路开关后的单元电路，只需一套即可，也可以采用计算机进行多路选择控制。当传感器输出的信号比较小，可以用放大器放大和缓冲输入信号，如果采用的是可编程增益放大器就可以通过计算机进行增益选择控制确定增益倍数。精度及性能是仪器系统的生命，而这完全依赖于提供基础数据的信号采集控制电路，因此在硬件采集电路的设计时，需根据所设计的虚拟仪器所要达到的性能指标和被测信号的特点，设计合理的系统结构。系统的结构合理与否，对系统的可靠性、性能价格比等有直接影响，在硬件和软件功能的设计上要尽量使虚拟仪器的结构简单，可靠性高，成本低廉，选用合适的单元
37、器件，尽可能的提高采集卡采集的精度和速度。 3.3 确定设计采集卡的设备驱动程序方案 采集卡的设备驱动程序是控制各种硬件采集卡的驱动程序，是连接主控计算机与信号采集调理部件的纽带。驱动程序的实质是为用户提供了用于仪器操作的较抽象的操作函数集，它是虚拟仪器核心软件之一。 3.4确定虚拟仪器系统应用程序编程语言 虚拟仪器系统软件结构的设计在体现整个系统的性能和灵活性方面作用很大，因此在开发虚拟仪器系统的软件部分时，首先要根据所开发的虚拟仪器功能和性能，确定应用程序和软面板程序的模块结构和功能，画出各部分的流程图，采用合适的编程语言。在编制虚拟仪器软件中可采用两种编程方法。一种是采用面向对象的可视化
38、的高级编程语言，如VC+、VB和Delphi等编写虚拟仪器的软件，这种方法实现的系统灵活性高，易于扩充和升级维护。另一种是采用图形化编程方法，如LabVIEW，HPVEE，采用图形化编程的优势是软件开发周期短、编程较简单，特别适合工程技术人员使用。总之在编写程序时，要尽可能的让每一模块都有一定的独立性，模块之间明确定义接口，模块之间可以采用数据传递的形式进行联系。 3.5 软件调试和运行 程序编写好以后要对各模块进行调试和运行，可以通过采集各种标准信号来验证虚拟仪器系统功能的正确性和性能的优良性。 4 虚拟应变测试系统的程序设计4.1系统的总体结构与功能4.11 应变测试程序框图4.12应变测
39、量实验前面板图6所示为双孔梁应变测量实验前面板。集微网-欲知半导体动态，速上老杳吧RF1a6h-eb(d/N$QZ3m3+V18bq8z&W0集微网-欲知半导体动态，速上老杳吧_,wc*z.b%w:M$YT4.3 数据采集3.1 数据采集卡简介系统采用NI公司的PCI-MIO-16E-4型数据采集卡。它是NI公司的NI 6040E系列数据采集卡之一，是一种性能优良、适合PC及兼容机的数据采集卡，能够完成模拟信号输入/输出和数字信号输入/输出等功能。它有16个模拟输入通道（对差分输入是8对模拟输入通道）、2个模拟输出通道、8个数字量I/O、2个24位的计数器（用于计时/计数功能）。在使用采集卡之
40、前，首先要进行采集卡的安装，将采集卡插入PC机的PCI插槽。由于是NI公司的数据采集卡，因此不需要再编写采集卡的驱动程序，只需重新启动计算机，放入采集卡的驱动光盘，按照提示就可以自动完成安装。安装完成后对设备号、模拟输入极性、模拟输入模式、模拟输出极性等参数进行设置。另外，选用CB-68LP连接块和R6868带状电缆等附件来连接数据采集卡和嵌入式计算机系统。3.2 硬件连接系统通过数据采集卡把嵌入式计算机系统和PC机连接起来，由PC机输出激励信号驱动嵌入式计算机系统运行，同时由PC机采集嵌入式计算机系统运行的输出信号。硬件连接框图如图1所示。 图1 信号输出与数据采集系统硬件连接框图3.3 信
41、号输出与数据采集系统的LabVIEW程序系统能够实现同时输出和采集模拟信号，它利用传递error信息的数据线安排并行的执行顺序。其工作流程如下：首先通过AO Config VI设置好输出参数，通过AI Config VI设置好输入参数；然后将准备好的波形数据通过AO Write VI写入输出缓冲区；接着由AO Start VI启动模拟输出，AI Start VI启动模拟输入（要将number of scans to acquire的参数设为0，这样才能连续采集）；在While循环中，AI Read VI连续从输入缓冲区读取数据，输出缓冲区中的数据经AO Write VI被送到DAC输入端，经转
42、换后输出，直到用户按下了STOP按钮或程序出错才结束。最后由AO Clear VI清除任务所占用的全部资源。在本程序中，输出和采集并不是同步的，首先AI Start和AO Start没有受同一时钟源的控制，采集卡的模拟输入和模拟输出各有独立的时钟；其次它们并不是被同时启动的，AI Start要稍晚于AO Start，不过两者的启动时间相差非常小（时间差在几微秒内），在要求不是特别严格的场合可以忽略不计。参数设置：输出通道指定从采集卡的那个模拟输出通道输出信号，输入通道指定由采集卡的那个模拟输入通道采集信号；输出通道缓冲区的大小一般为更新速率的两倍；输入通道缓冲区的大小一般为扫描速率的两倍，每次
43、读取的样本数设置为一个小于输入通道缓冲区大小的值，一般为输入通道缓冲区大小的一半应变测试过程如图2所示。集微网-欲知半导体动态，速上老杳吧f3dS.l-JI8n.nw g集微网-欲知半导体动态，速上老杳吧,iR h0U)R 集微网-欲知半导体动态，速上老杳吧j.Xd1s0fDG集微网-欲知半导体动态，速上老杳吧 bp ivV 信号调理从传感器得到的信号大多数要经过调理才能进入数据采集设备，信号调理功能包括放大、隔离、滤波、激励、线性化等。由于不同传感器有不同的特性，因此，除了这些通用功能还要根据集团传感器的特性和要求来设计特殊的信号调理功能。1放大微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声。使
44、调理后信号的电压范围和A/D的电压范围相匹配，信号调理模块应尽可能靠近信号源或传感器，使得信号在受到传输信号的环境噪声影响之前已被放大，使噪声比得到改善。2隔离隔离是指采用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号，避免直接的电连接，使用隔离的原因有两个：一是从安全的角度考虑；另一个原因是隔离可使从数据采集卡读出来的数据不受地点位和输入模式的影响。如果数据采集卡的地于信号地之间有电位差，而又不进行隔离，那么就有可能形成接地回路，引起误差；3滤波滤波的目的是从所测量的信号中除去不需要的成分。大多数信号调理模块有低通滤波器，用来滤除噪音。通常还需要抗混叠滤波器，滤除信号中感兴趣的最
45、高频率以上的所有频率的信号，某些高性能的数据采集卡自身带有抗混叠滤波器。4激励信号调理也能够为某些传感器提供所需的激励信号。比如应变传感器。热敏电阻等需要外界电源或电流激励信号。很多信号调理模块都提供电流源和电压源以便传给传感器提供激励5 线性化许多传感器对被测的响应是非线性的，因而需要对其输出信号进行线性化，以补偿传感器带来的误差。4.4 各功能模块的设计3.1 硬件参数的控制 采集数据时首先要实现对数据采集卡和信号调理机箱的硬件控制，主要包包括对采样通道、激励电压、滤波器截止频率、输入极限、触发和采样参数的设置。数据采集过程主要由AI Configure, AI Start ,AI Rea
46、d ,AI Clear 四个函数构成，其采集程序流程图如图2所示，其中子VI“系统标定”用于控制并联标定电路，“STRAIN CONV”用于实现电压信号到应变信号的转变。2 电桥调平衡实现电桥的平衡有三种方法:软件补偿:即在软件中对偏移值加减清零。其特点是简单快捷,但是没有实际清除桥路偏移,如果偏移过大,就会限制应用到输出电压的放大器的增益从而限制系统测试的动态范围。置零偏移电路:通过改变电路中可调的电阻或电势计值,使电桥输出调整到零。硬件零补偿:不直接影响桥路,零调整电路加到仪器放大器直流电压上正的或负的电压来补偿初始电桥偏移。相对于MAX,本测试系统采用第二种电桥平衡方式,用户可以在LabVIEW前面板上通过粗调和精调电势计的配合实现电桥平衡,可避免软件补偿的缺点。 利用LabVIEW调平衡首先要实现数据采集。数据采集程序主要由AI Configure、AI Start 、AI Read 和AI Clear 四个函数构成。在程序前面板对数据采样参数(通道控制参数,采样率,采样长度和触发条件)及激励电压值,滤波器截止频率等进行正确的设置可实现数据采集,其程序如图2 所示。在电桥没有受到激振时,从前面板波形图或数值控件可以看到电桥输出电压信号不为零。 然后进行调零。LabVIEW中的AI Parameter 可以用来设置粗调和精调在前面板手动调零,但由于粗调数字的范围为
