時(shí)間：2023-03-29 09:24:16
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一、虛擬儀器與運(yùn)動(dòng)控制
1.虛擬儀器與圖形化編程語(yǔ)言-LabVIEW
虛擬儀器(即VirtualInstrument，簡(jiǎn)稱NI)是一種基于計(jì)算機(jī)的儀器，就是在通用計(jì)算機(jī)上加上軟件和(或)硬件，使得使用者在操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)，就象是在操作一臺(tái)他自己設(shè)計(jì)的專用的傳統(tǒng)電子儀器。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號(hào)的輸入輸出，軟件才是整個(gè)儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵，任何一個(gè)使用者都可以通過(guò)修改軟件的方法，很方便地改變、增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模，所以有“軟件就是儀器”之說(shuō)。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義，用戶無(wú)法改變的模式，虛擬儀器技術(shù)給用戶一個(gè)充分發(fā)揮自己的才能、想象力的空間。用戶(而不是廠家)可以隨心所欲地根據(jù)自己的需求，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應(yīng)用需求。
虛擬儀器系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與儀器系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它利用PC計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形編程環(huán)境和在線幫助功能，結(jié)合相應(yīng)的硬件，快速建立人機(jī)交互界面的虛擬儀器面板，完成對(duì)儀器或設(shè)備的控制、數(shù)據(jù)分析與顯示，提高儀器的功能和使用效率，大幅度降低儀器的價(jià)格，使用戶可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能，方便地對(duì)其進(jìn)行維護(hù)、擴(kuò)展、升級(jí)等。
LabVIEW是美國(guó)NI公司利用虛擬儀器(virtualinstnlments)技術(shù)開發(fā)的32位，主要面向計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)。LabVIEW同時(shí)也是一一種功能強(qiáng)大的圖形編程語(yǔ)言，但它與傳統(tǒng)的文本編程語(yǔ)言(如c語(yǔ)言)不同，采用了一種基于流程圖的圖形化編程形式，因此也被稱為G語(yǔ)言(graphicallanguage)。這種圖形化的編程形式，方便了非軟件專業(yè)的工程師快速編制程序。LabVIEW也不同于傳統(tǒng)文本式的編程語(yǔ)言的順序執(zhí)行方式，而是采用了數(shù)據(jù)流的執(zhí)行方式，這種方式要求程序僅在各節(jié)點(diǎn)已獲得它的全部數(shù)據(jù)后才執(zhí)行。
多任務(wù)并行處理一般是通過(guò)多線程技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，不同的任務(wù)實(shí)際上通過(guò)各自的線程輪流占用CPU時(shí)間片來(lái)達(dá)到“同時(shí)”處理的目的。LabVIEW也采用了多線程技術(shù)，而且與傳統(tǒng)文本式的編程語(yǔ)言相比，有兩大優(yōu)點(diǎn)：LabVIEW把線程完全抽象出來(lái)，編程者不需對(duì)線程進(jìn)行創(chuàng)建、撤銷及同步等操作；LabVIEW使用圖形化的數(shù)據(jù)流的執(zhí)行方式，因此在調(diào)試程序時(shí)，可以非常直觀地看到代碼的并行運(yùn)行狀態(tài)，這使編程者很容易理解多任務(wù)的概念。
LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言有效地利用了當(dāng)今圖形用戶接口的點(diǎn)擊特性。編寫程序只包含以下的一些簡(jiǎn)單步驟：
用鼠標(biāo)選擇儀器函數(shù)作為對(duì)象；
描述測(cè)試步驟和對(duì)象之間的關(guān)系；
建立初始條件。
2.運(yùn)動(dòng)控制
運(yùn)動(dòng)控制卡是一種基于PC機(jī)、用于各種運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合(包括位移、速度、加速度等)的上位控制單元。它的出現(xiàn)主要是因?yàn)椋?/p>
為了滿足新型數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、柔性、開放性等要求；
在各種工業(yè)設(shè)備、國(guó)防裝備(如跟蹤定位系統(tǒng)等)、智能醫(yī)療裝置等設(shè)備的自動(dòng)化控制系統(tǒng)研制和改造中，急需一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制模塊的硬件平臺(tái)；
PC機(jī)在各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的廣泛應(yīng)用，也促使配備相應(yīng)的控制卡以充分發(fā)揮PC機(jī)的強(qiáng)大功能。
運(yùn)動(dòng)控制卡通常采用專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制芯片或高速DSP作為運(yùn)動(dòng)控制核心，大多用于控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。一般地，運(yùn)動(dòng)控制卡與PC機(jī)構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)：PC機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控等方面的工作(例如鍵盤和鼠標(biāo)的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、控制指令的發(fā)送、外部信號(hào)的監(jiān)控等等)；控制卡完成運(yùn)動(dòng)控制的所有細(xì)節(jié)(包括脈沖和方向信號(hào)的輸出、自動(dòng)升降速的處理、原點(diǎn)和限位等信號(hào)的檢測(cè)等等)。運(yùn)動(dòng)控制卡都配有開放的函數(shù)庫(kù)供用戶在相應(yīng)系統(tǒng)平臺(tái)下自行開發(fā)、構(gòu)造所需的控制系統(tǒng)。因而這種結(jié)構(gòu)開放的運(yùn)動(dòng)控制卡能夠廣泛地應(yīng)用于制造業(yè)中設(shè)備自動(dòng)化的各個(gè)領(lǐng)域。
步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)由于具有轉(zhuǎn)子慣量低、定位精度高、無(wú)累積誤差、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，成了控制系統(tǒng)的主要執(zhí)行元件之一。步進(jìn)電機(jī)的控制方法包括開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種。
二、基于虛擬儀器的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與原理
一般運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由五部分構(gòu)成：被移動(dòng)的機(jī)械設(shè)備、運(yùn)動(dòng)I/O的馬達(dá)(伺服或步進(jìn))、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)單元、智能運(yùn)動(dòng)控制器、以及編程/操作接口軟件。
本系統(tǒng)的目標(biāo)是利用筆者實(shí)驗(yàn)室已有美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)的NIPCI7354伺服/步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制卡及其配套軟件、NI7604伺服/步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器及其配套軟件、兩相步進(jìn)電機(jī)、LabVIEW軟件、多軸精密電移臺(tái)(負(fù)載)、PC機(jī)等構(gòu)建一套步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，分別實(shí)現(xiàn)單軸、兩軸、三軸和四軸的運(yùn)動(dòng)控制，要求系統(tǒng)具有數(shù)控系統(tǒng)的基本功能，能實(shí)現(xiàn)不同坐標(biāo)系下的直線、圓弧插補(bǔ)、速度控制、電子傳動(dòng)等功能，以供實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1示。
圖1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖
1.NIPCI7354運(yùn)動(dòng)控制卡
NIPCI7354控制卡可同時(shí)控制包括交流和步進(jìn)電機(jī)的4軸運(yùn)動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)諸如點(diǎn)到點(diǎn)位置控制、速度控制、三維直線、圓弧、螺旋型和球形運(yùn)動(dòng)、電子傳動(dòng)、混合運(yùn)動(dòng)、回程和限位控制、Trigger輸入和Breakpoint輸出等功能。NIPCI7354的嵌入式固件是基于RT0S(實(shí)時(shí)操作系統(tǒng))內(nèi)核的，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，通過(guò)簡(jiǎn)單易用的運(yùn)動(dòng)控制器、軟件、以及外設(shè)提供集成方案的功能與能力，為一般伺服與步進(jìn)應(yīng)用提供精確、高性能的運(yùn)動(dòng)功能。該運(yùn)動(dòng)控制器可以使用支持Windows2000/NT/Me/xp操作系統(tǒng)的LabVIEW、MeasurementStudio(LabWindows/CVI、VisualBasic)以及C/C++進(jìn)行編程。
NIPCI7354運(yùn)動(dòng)控制卡是高性能PCI步進(jìn)/伺服控制器，可用于所有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，控制器采用先進(jìn)的技術(shù)，在嵌入式實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)或者以主機(jī)為中心的編程環(huán)境中提供混合運(yùn)動(dòng)軌跡控制和完全協(xié)同的圓形、線性、點(diǎn)到點(diǎn)、齒輪和空間矢量控制。其豐富的功能可以滿足最為嚴(yán)格的要求。
NIPCI7354運(yùn)動(dòng)控制卡的主要特點(diǎn)：通過(guò)PCI總線與主機(jī)(上位機(jī))通信；68芯VHDCI輸出電纜；普通數(shù)字輸出電壓：0-32V；高電平3.5--30V，低電平0—2V；最大脈沖速率：100KHZ；運(yùn)行電流：3-14mA；觸發(fā)輸出最大脈沖速率：1MHz；
2.運(yùn)動(dòng)控制軟件
利用NILabVIEW圖形化編程語(yǔ)言以及各種應(yīng)用軟件可以開發(fā)功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制程序，運(yùn)動(dòng)控制器配備NI-Motion驅(qū)動(dòng)軟件提供的LabVIEWVI、固件更新程序、DLL程序，可以利用其它開發(fā)工具(比如MeasurementStudio，LabWindowsCVI)或其它編程語(yǔ)言開發(fā)運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用。NI運(yùn)動(dòng)助手(MotionAssistant)是一個(gè)采用LabVIEW代碼生成方法的附加工具，運(yùn)用該工具您只需進(jìn)行極少編程甚至無(wú)需編程即可開發(fā)LabVIEW運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用。
3.NI7604驅(qū)動(dòng)器
NI7604驅(qū)動(dòng)器將NI7354提供的四軸運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)放大，以驅(qū)動(dòng)兩相步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)精密電移臺(tái)運(yùn)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)器將運(yùn)動(dòng)控制器與特定應(yīng)用馬達(dá)、編碼器、限位器、用戶I/O連接在一起。一根控制電纜連接運(yùn)動(dòng)控制器與驅(qū)動(dòng)器，為全部的命令集與反饋信號(hào)提供一個(gè)通道。
NI7604的主要特點(diǎn)：輸入電壓：115V/23V，2/1A，60/50Hz；步進(jìn)放大器：IM481H；每相電流：0.2—1.4A；電源連續(xù)輸出容量：80W；輸入電纜：68芯VHDCI型；輸出電壓：24VDC；+5V輸出：1A。
4.運(yùn)動(dòng)控制外設(shè)
兩相步進(jìn)電機(jī)4臺(tái)，四軸精密電移臺(tái)一套，電移臺(tái)是滾珠絲杠/螺母驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)原理圖如圖2示。
三、系統(tǒng)工作原理
通過(guò)上位機(jī)(PC機(jī))的數(shù)據(jù)終端設(shè)備設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的目標(biāo)位置、加速度、速度和減速度(即發(fā)出運(yùn)動(dòng)控制任務(wù))，NIPCI7354運(yùn)動(dòng)控制卡根據(jù)設(shè)置信息控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間(輸出脈沖個(gè)數(shù))和方向，即控制卡完成實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，NI7604驅(qū)動(dòng)器放大脈沖信號(hào)以驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，控制脈沖的頻率f應(yīng)隨時(shí)變化以滿足電機(jī)低速起停及高速運(yùn)行的需要。脈沖頻率由發(fā)送數(shù)據(jù)的波特率(B)決定，每發(fā)出一個(gè)脈沖需用兩個(gè)二進(jìn)制位1和0來(lái)構(gòu)成其高、低電平，所以f＝B/2，通過(guò)調(diào)整發(fā)送數(shù)據(jù)的波特率可改變所發(fā)出的控制脈沖的頻率。按常規(guī)波特率系列發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)所產(chǎn)生的控制脈沖頻率變化較大，不能滿足電機(jī)正常起停及調(diào)速的要求，為此計(jì)算機(jī)需按非標(biāo)準(zhǔn)的波特率發(fā)送數(shù)據(jù)以產(chǎn)生任意頻率的控制脈沖。一般在電機(jī)起動(dòng)及停止階段每發(fā)送一個(gè)字節(jié)調(diào)整一次波特率，以使電機(jī)起停得盡量平滑。
四、軟件研究與實(shí)現(xiàn)
在系統(tǒng)硬件環(huán)節(jié)構(gòu)建完成后，先后逐步完成了單軸直線運(yùn)動(dòng)控制、兩軸平面運(yùn)動(dòng)控制、三軸空間運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件研究與開發(fā)。
控制軟件利用LabVIEW7這種虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)，每個(gè)程序分為前面板和框圖程序兩部分。前面板用于設(shè)置控制參數(shù)和顯示控制過(guò)程及結(jié)果，框圖程序是程序的代碼。兩軸平面螺旋運(yùn)動(dòng)前面板如圖3示，兩軸平面螺旋運(yùn)動(dòng)框圖程序(局部)。
1．1傳感器
本設(shè)計(jì)采用的傳感器型號(hào)是Vaisala公司生產(chǎn)的氣象變送器WXT520，是一個(gè)輕巧的小型變送器，采用緊湊式包裝，可提供6種氣象參數(shù)。WXT520用于測(cè)量風(fēng)速、風(fēng)向、降水、氣壓、溫度和相對(duì)濕度。傳感器外殼的等級(jí)為IP65/IP66，適合于我國(guó)北方的惡劣天氣。WXT520采用32VDC，并使用可選擇的通信協(xié)議輸出串行數(shù)據(jù):SDI－12、ASCII自動(dòng)和輪詢。有4個(gè)串行接口可供選擇:RS－232、RS－485、RS－422和SDI－12;并配備了一個(gè)安裝用8針M12接頭和一個(gè)維護(hù)用4針M8接頭。
1．2主控系統(tǒng)
主控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集器與控制器，具體包括控制器、采集器、通訊模塊、供電電源和存儲(chǔ)模塊等部分。主控器通過(guò)嵌入式軟件與供電、采集、通訊、存儲(chǔ)等單元協(xié)調(diào)工作來(lái)完成。自動(dòng)氣象站的核心是數(shù)據(jù)采集器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集、傳輸、統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)［4］。采集器電路主板包括主板和底板。主板是嵌入式工控主板，具有良好的擴(kuò)展性，操作性、支持第三方控制器，包括時(shí)鐘管理、實(shí)時(shí)及周期間隔定時(shí)器、復(fù)位、關(guān)機(jī)、高級(jí)中斷及調(diào)試單元(DBGU)。通訊單元為西門子6GK7型工業(yè)以太網(wǎng)通訊單元，可以做到網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一，可與支持EtherNet/IP的設(shè)備連接，結(jié)合使用Ethernet功能使其具有傳感器監(jiān)控器及控制值備份等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用功能，要想完成任務(wù)下達(dá)命令和數(shù)據(jù)上傳功能需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通訊模塊起到關(guān)鍵作用，所以要求其具備以下功能:①支持國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，如TCP/IP(6．0)、UDP或者PPP，具有標(biāo)準(zhǔn)RS232串口;②可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，短線1min內(nèi)自動(dòng)撥號(hào)重新連接，防止數(shù)據(jù)的丟失;③接口速率為可選的1200～9600kB/s范圍。存儲(chǔ)單元:因采集數(shù)據(jù)的頻率較短和跟蹤監(jiān)測(cè)的時(shí)間范圍較長(zhǎng)，因此采用存儲(chǔ)容量為閃迪256G固態(tài)硬盤，用于保證存儲(chǔ)容量及數(shù)據(jù)的安全性、穩(wěn)定性和讀取速度，同時(shí)存儲(chǔ)單元可以記錄系統(tǒng)工作狀態(tài)。防雷單元:由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要全天候連續(xù)工作，所以需要面對(duì)復(fù)雜天氣狀況，因此加裝防雷設(shè)備對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的安全性尤為關(guān)鍵，本系統(tǒng)采用的是雷太LY1－B系列電涌保護(hù)器(一級(jí)防雷器)。供電單元:由于本系統(tǒng)需要在田間進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不宜采用城市供電，因此選用了太陽(yáng)能電池進(jìn)行供電，對(duì)電池的容量要求為在無(wú)光線的環(huán)境中可以連續(xù)供電10天。擴(kuò)展單元:新型傳感器需要有相應(yīng)的端口或接口與主控系統(tǒng)相連接，以滿足系統(tǒng)升級(jí)或新添設(shè)備需要。
2系統(tǒng)設(shè)計(jì)
農(nóng)田氣象信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主控器選用的是Atmel公司的ARM9系列的AT91SAM9260處理器。該處理器可以采用Linux操作系統(tǒng)，通過(guò)嵌入式應(yīng)用控制程序，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田環(huán)境多要素氣象數(shù)據(jù)的采集、處理及存儲(chǔ)的功能。被采集到的氣象要素基于TCP/IP協(xié)議的通訊網(wǎng)絡(luò)，采用無(wú)線GPRS方式，根據(jù)實(shí)際情況選擇最佳的組網(wǎng)方案，實(shí)現(xiàn)無(wú)線氣象數(shù)據(jù)傳輸，并基于LabVIEW開發(fā)農(nóng)業(yè)氣象信息管理軟件，使氣象信息能夠被讀取。
2．1采集控制設(shè)計(jì)
采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)采集并對(duì)采集到的氣象要素信號(hào)進(jìn)行處理。采集系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)有存儲(chǔ)器，可以進(jìn)行信息清除并對(duì)采集到的各氣象要素的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，有接口USB實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的備份功能。系統(tǒng)設(shè)有通訊接口RS232/RS485，可以通過(guò)該接口與GPRS/CDMA等通訊設(shè)備連接。該系統(tǒng)有時(shí)鐘校準(zhǔn)功能，通過(guò)監(jiān)控中心下達(dá)指令，對(duì)氣象站的時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)。數(shù)據(jù)處理的方法需要設(shè)計(jì)采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔。氣象數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)主要為定時(shí)掃描各傳感器的數(shù)據(jù)，通過(guò)通訊模塊將數(shù)據(jù)的電信號(hào)傳到主控系統(tǒng)中經(jīng)既定程序(LabVIEW)計(jì)算;通過(guò)屏幕可以直接讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，針對(duì)特定時(shí)間段的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行有目的的分析，如平均值，不同時(shí)間點(diǎn)的變化趨勢(shì)數(shù)據(jù)以及不同周、月份、年份的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等［5］。收集數(shù)據(jù)默認(rèn)為溫度、相對(duì)濕度、降雨量、風(fēng)向、風(fēng)速及氣壓;當(dāng)增加傳感器時(shí)，在主控系統(tǒng)中重新設(shè)置就可以進(jìn)行增加項(xiàng)目數(shù)據(jù)的收集。各氣象數(shù)據(jù)中氣溫、相對(duì)濕度、雨量、氣壓的數(shù)據(jù)傳感器每10s測(cè)定一次，根據(jù)氣象學(xué)上常規(guī)的統(tǒng)計(jì)方法，通過(guò)程序收集到1min內(nèi)每10s的瞬時(shí)氣象數(shù)據(jù)。氣溫、相對(duì)濕度、雨量、氣壓在1min內(nèi)會(huì)收集到6個(gè)數(shù)據(jù)，舍棄一個(gè)最高值和一個(gè)最低值，使用其余的4個(gè)測(cè)定數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算算術(shù)平均值，此值為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最終在屏幕中實(shí)時(shí)顯示的瞬時(shí)數(shù)值。風(fēng)向、風(fēng)速的監(jiān)測(cè)頻率為1次/min，系統(tǒng)計(jì)算每5min內(nèi)5次測(cè)定值的算數(shù)平均值，此數(shù)據(jù)在LabVIEW程序界面中實(shí)時(shí)顯示。所有測(cè)定的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中均有保存，如統(tǒng)計(jì)部門需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特殊分析，均可在數(shù)據(jù)庫(kù)中將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。在數(shù)據(jù)庫(kù)中如有異常數(shù)據(jù)，一般以超過(guò)臨近時(shí)間點(diǎn)兩倍的數(shù)據(jù)值進(jìn)行特殊標(biāo)記，以便提醒管理員對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行核實(shí)和異常情況的分析。
2．2通訊設(shè)計(jì)
前端采集部分與后端監(jiān)控中心系統(tǒng)通信采用無(wú)線GPRS通信方式，由于農(nóng)田氣象站放置在室外，因此不適宜采用光纖傳輸，而采用GPRS無(wú)線能夠解決此問(wèn)題［6］。GPRS采用的組網(wǎng)方式是公網(wǎng)固定IP的方式。GPRS擁有傳遞及時(shí)、通信信號(hào)好等優(yōu)勢(shì)，在并組網(wǎng)時(shí)減少對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)，節(jié)約了成本，并可以在室外復(fù)雜環(huán)境中實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且具有一定的安全性。室外自動(dòng)氣象站與氣象信息管理系統(tǒng)需要建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)連接，在連接過(guò)程中需要以無(wú)線方式登陸到以太網(wǎng)絡(luò)來(lái)獲得網(wǎng)絡(luò)地址。要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器地址和端口映射在氣象管理系統(tǒng)中，需要?dú)庀笮畔⒐芾硐到y(tǒng)軟件采用其網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)地址，這樣在管理系統(tǒng)顯示軟件中就可以實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的雙向通訊，進(jìn)行有效的信息傳遞和收集［7－8］。圖2為基于GPRS無(wú)線通訊的氣象信息系統(tǒng)示意圖。
2．3軟件設(shè)計(jì)
氣象信息管理系統(tǒng)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)查看氣象信息。本研究天氣顯示采用的軟件是LabVIEW，此軟件是美國(guó)國(guó)家儀器公司推出的一門圖像化編程語(yǔ)言，同時(shí)也是著名的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)［9－10］。作為一門圖形化編程語(yǔ)言，LabVIEW秉承了其簡(jiǎn)單易用的一貫作風(fēng)，使用戶能夠快速編寫出強(qiáng)大的應(yīng)用程序。本研究的LabVIEW編寫程序圖，如圖3所示。為了方便敘述，本文把風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、雨量和氣壓多種氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)稱為氣象信息值。氣象系統(tǒng)天氣前面板顯示圖，如圖4所示。通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)哈爾濱市香坊區(qū)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)氣象信息值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，與氣象臺(tái)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)作為參考進(jìn)行對(duì)比，氣象信息值監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。表1中實(shí)測(cè)的時(shí)間跨度是實(shí)驗(yàn)當(dāng)天早6:00至晚18:00。從數(shù)據(jù)中可以看出，實(shí)測(cè)日期當(dāng)天監(jiān)測(cè)到的溫度、濕度、雨量、風(fēng)速和氣壓與參考值相比，具有良好的線性關(guān)系，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確計(jì)算出當(dāng)天所監(jiān)測(cè)氣象信息的平均值。此收集到的氣象數(shù)據(jù)只是一天中的部分?jǐn)?shù)據(jù)，所以經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)只能代表所監(jiān)測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)的氣象信息，與氣象臺(tái)的參考值有偏差。
3結(jié)論
《虛擬儀器技術(shù)》課程是為大三、大四階段的通信工程專業(yè)的學(xué)生開設(shè)，該目標(biāo)人群的特點(diǎn)是有一定的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和文本編程基礎(chǔ)。針對(duì)該類型的學(xué)生課程開設(shè)的目的有二：首先，學(xué)生能夠掌握虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境，能夠進(jìn)行軟件編程；其次，根據(jù)學(xué)生專業(yè)課程的特點(diǎn)，學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)本專業(yè)課程的仿真實(shí)驗(yàn)。例如，根據(jù)《信號(hào)與系統(tǒng)》課程的知識(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的FFT變換、根據(jù)《通信原理》課程中掌握的原理實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的調(diào)制解調(diào)。在該過(guò)程中學(xué)生既掌握了虛擬儀器軟件編程的方法，也對(duì)過(guò)去學(xué)過(guò)的專業(yè)知識(shí)進(jìn)行了復(fù)習(xí)并加深理解；最后，學(xué)生能夠結(jié)合數(shù)據(jù)采集裝置和相應(yīng)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)工程設(shè)備的開發(fā)。
2《虛擬儀器技術(shù)》課程的教學(xué)方式
該門課程的教學(xué)方式采取的是課堂講授、學(xué)生練習(xí)以及基于項(xiàng)目的動(dòng)手實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式。
（1）通過(guò)課堂理論教學(xué)使學(xué)生熟悉虛擬儀器技術(shù)的概念、原理和應(yīng)用，使學(xué)生了解虛擬儀器在實(shí)際應(yīng)用中的重要地位及其發(fā)展與應(yīng)用前景。
（2）通過(guò)LabVIEW軟件編程的練習(xí)和實(shí)踐，使學(xué)生掌握虛擬儀器軟件平臺(tái)的操作和使用規(guī)則，在培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力的同時(shí)也給學(xué)生掌握專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)提供了一個(gè)平臺(tái)。
（3）通過(guò)專業(yè)實(shí)際訓(xùn)練使學(xué)生能夠進(jìn)行具體實(shí)際工程的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考與綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
3《虛擬儀器技術(shù)》課程體系設(shè)置
《虛擬儀器技術(shù)》課程體系的設(shè)置則是參考了國(guó)內(nèi)外高校十幾年的教學(xué)實(shí)踐，并且根據(jù)本專業(yè)的特點(diǎn)和學(xué)生的具體情況，將該課程分為了LabVIEW軟件平臺(tái)學(xué)習(xí)的理論部分和虛擬儀器硬件平臺(tái)的實(shí)際訓(xùn)練部分。
（1）理論教學(xué)部分：該部分的教學(xué)需要強(qiáng)調(diào)動(dòng)手實(shí)踐的能力，但是授課過(guò)程中的理論知識(shí)仍為重點(diǎn)，作為圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW的模塊化的設(shè)計(jì)很容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但是習(xí)慣文本編程思維方式的學(xué)生將思路轉(zhuǎn)變也作為教學(xué)過(guò)程的難點(diǎn)。所以課堂的安排為：首先，教師講授相關(guān)內(nèi)容，然后提出問(wèn)題，學(xué)生根據(jù)問(wèn)題動(dòng)手解決，最后教師通過(guò)學(xué)生解決問(wèn)題的思路進(jìn)行總結(jié)并提出共性的問(wèn)題。通過(guò)這樣問(wèn)題解決式的教學(xué)方式，讓學(xué)生在課堂上通過(guò)不斷解決問(wèn)題的過(guò)程體驗(yàn)對(duì)新知識(shí)掌握的成功感。同時(shí)根據(jù)通信專業(yè)學(xué)生的專業(yè)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一些與本專業(yè)知識(shí)相關(guān)編程練習(xí)，如信號(hào)的FFT變換、對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，使學(xué)生在掌握新知識(shí)的同時(shí)加深專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)。通過(guò)學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)虛擬儀器技術(shù)產(chǎn)生了興趣，經(jīng)常利用課后時(shí)間翻閱相關(guān)專業(yè)書籍，并且通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)吸收相關(guān)知識(shí)，部分學(xué)生不僅能夠按照常規(guī)的方法解決問(wèn)題，也能夠提出新思路解決問(wèn)題，甚而完成超出學(xué)習(xí)范圍的編程練習(xí)。
（2）實(shí)際訓(xùn)練部分：在理論教學(xué)授課部分，學(xué)生通過(guò)軟件程序設(shè)計(jì)以及仿真硬件能夠掌握LabVIEW的基本編程方法，但是如真正掌握完整的工程系統(tǒng)的構(gòu)成必須結(jié)合真實(shí)的硬件I/O的實(shí)摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了虛擬儀器技術(shù)的概念及在通信工程專業(yè)開設(shè)《虛擬儀器技術(shù)》課程的意義，詳細(xì)闡述了該課程慣，從而提高學(xué)生英語(yǔ)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用能力。
4預(yù)期效果
通過(guò)本校英語(yǔ)課堂采用多媒體教學(xué)的實(shí)際情況分析，筆者認(rèn)為在高職院校使用多媒體技術(shù)教學(xué)雖然存在一些問(wèn)題和難題，但是總體上來(lái)看，多媒體教學(xué)可以有效促進(jìn)教師不斷探索英語(yǔ)教學(xué)的新思路，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣和能力。
5結(jié)語(yǔ)
手機(jī)測(cè)試
挑戰(zhàn)：
中國(guó)的手機(jī)市場(chǎng)發(fā)展迅猛，世界各大手機(jī)廠商競(jìng)相爭(zhēng)奪手機(jī)用戶。在如此激烈的競(jìng)爭(zhēng)中，手機(jī)的功能日趨豐富，比如攝像頭、MP3、FM調(diào)頻收音機(jī)等等。同時(shí)，手機(jī)通訊協(xié)議也層出不窮，GSM、CDMA、GPRS、CDMA2000、EDGE、WCDMA等等。為了應(yīng)對(duì)產(chǎn)品的不斷變化，工程師面臨著提高效率并縮短產(chǎn)品市場(chǎng)化時(shí)間的挑戰(zhàn)，他們需要一個(gè)靈活而強(qiáng)大的通用測(cè)試平臺(tái)。我們先來(lái)看一個(gè)通用測(cè)試平臺(tái)針對(duì)手機(jī)通訊協(xié)議的變化而表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)勢(shì)。大家知道，2G的協(xié)議比如GSM和CDMA都已被成功地運(yùn)用于市場(chǎng)了，而3G的協(xié)議比如WCDMA，CDMA2000等等是未來(lái)的必然趨勢(shì)。在從2G到3G的轉(zhuǎn)變中，面臨客戶群、設(shè)備置換、技術(shù)的成熟度風(fēng)險(xiǎn)等等問(wèn)題。運(yùn)營(yíng)商希望能夠進(jìn)行平滑的過(guò)渡，在不丟失已有手機(jī)用戶的情況下，首先升級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)部分，這使得用戶可以使用過(guò)渡期的2.5G產(chǎn)品，然后等時(shí)機(jī)成熟時(shí)再升級(jí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)部分達(dá)到3G的標(biāo)準(zhǔn)。2G的測(cè)試儀器已經(jīng)比較成熟，3G的測(cè)試產(chǎn)品正在加緊開發(fā)，2.5G的專用測(cè)試設(shè)備卻由于傳統(tǒng)儀器制造商考慮到研發(fā)成本和市場(chǎng)前景的問(wèn)題而匱乏。
一家著名的手機(jī)制造商制造了支持EDGE(EnhancedDataratesforGSMEvolution)協(xié)議的2.5G手機(jī)產(chǎn)品，需要針對(duì)這一產(chǎn)品的測(cè)試方案。EDGE是一個(gè)專業(yè)協(xié)議，由于它的出現(xiàn)時(shí)間比較短，了解它的人也比較少，要在短期內(nèi)構(gòu)建一個(gè)EDGE測(cè)試系統(tǒng)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。為了在市場(chǎng)上與同行競(jìng)爭(zhēng)，需要在一個(gè)月內(nèi)能夠使用這套測(cè)試設(shè)備。
應(yīng)用方案：
利用TestStand模塊化，兼容性強(qiáng)，可自定義的特點(diǎn)，根據(jù)生產(chǎn)測(cè)試的需要對(duì)其進(jìn)行修改與完善，并結(jié)合LabVIEW，GPIB卡，以及相應(yīng)的測(cè)試儀器，創(chuàng)建百分之百符合自己需要的CDMA基站測(cè)試系統(tǒng)。
使用的產(chǎn)品：
硬件上整個(gè)系統(tǒng)包含了一個(gè)PXI機(jī)箱，其中有：
NIPXI-8186
2.2GHzIntel奔騰4處理器的嵌入式PC，預(yù)裝WindowsXP操作系統(tǒng)
NIPXI-5660
2.7GHzRF信號(hào)分析儀，9kHz到2.7GHz，20MHz實(shí)時(shí)帶寬，80dB真實(shí)動(dòng)態(tài)范圍
NIPXI-5670
RF信號(hào)源，250kHz到2.7GHz，16位，100MS/s任意波形發(fā)生，22MHz實(shí)時(shí)帶寬
NIPXI-5122
14位數(shù)字化儀，100MS/s實(shí)時(shí)采樣，2GS/s隨機(jī)間隔采樣，100MHz帶寬
NIPXI-4070
6位半數(shù)字萬(wàn)用表，6ppm精度
其中，NIPXI-5660被用作矢量信號(hào)分析儀，NIPXI-5670被用作射頻信號(hào)源，NIPXI-5122被用作示波器，NIPXI-4070被用作數(shù)字萬(wàn)用表。
軟件上使用了LabVIEW圖像化開發(fā)環(huán)境和NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)程序。
1.1實(shí)驗(yàn)室資源共享由于測(cè)控專業(yè)學(xué)生相對(duì)較少，所以大多高校都不愿花大量經(jīng)費(fèi)去建立測(cè)控專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室，基本都采用共享其它專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的方式，這也限制了測(cè)控專業(yè)的發(fā)展。我們學(xué)院也同樣存在這個(gè)問(wèn)題，目前針對(duì)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)開放的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室有傳感器實(shí)驗(yàn)室、自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)室和計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)室，沒(méi)有專門的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室。之前學(xué)生只能在計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)室里做些虛擬儀器課程的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，無(wú)法做專業(yè)實(shí)驗(yàn)，在將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入之后，我們摸索出了實(shí)驗(yàn)室資源共享的模式，也就是將不同實(shí)驗(yàn)室的資源共享使用，以此完成虛擬儀器課程的專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。其中傳感器實(shí)驗(yàn)室擁有近20種傳感器、30套ZigBee模塊(WSN的一種)和30套GPRS模塊(無(wú)線傳輸技術(shù)的一種)等設(shè)備；計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)室擁有50臺(tái)計(jì)算機(jī)和配套虛擬儀器軟件，可以完成虛擬儀器課程的所有基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。在教學(xué)安排上只要將傳感器技術(shù)和虛擬儀器課程分在兩個(gè)學(xué)期，就可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室的資源共享，學(xué)生就可以借助于傳感器實(shí)驗(yàn)室的資源完成虛擬儀器課程的大多數(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)。
1.2科研成果轉(zhuǎn)化虛擬儀器技術(shù)是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合靈活高效的軟件來(lái)完成各種自動(dòng)測(cè)試、測(cè)量應(yīng)用。將虛擬儀器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，在自動(dòng)測(cè)試測(cè)量、無(wú)線通信、故障診斷和遠(yuǎn)程測(cè)控等方面有著極大的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景。目前，國(guó)內(nèi)很多高校和科研機(jī)構(gòu)積極致力于這兩者結(jié)合模式的研究，如天津大學(xué)、華北電力大學(xué)等。我們學(xué)院在這方面也開展了很多研究，譬如開展了“基于LabVIEW和物聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)光互補(bǔ)電站監(jiān)控系統(tǒng)的研究”、“虛擬儀器與GPRS無(wú)線通信測(cè)試研究”等多項(xiàng)校廳級(jí)項(xiàng)目，并取得了一些成果。我們已經(jīng)將項(xiàng)目涉及的無(wú)線傳感器技術(shù)、GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)應(yīng)用到虛擬儀器課程當(dāng)中，對(duì)整個(gè)虛擬儀器課程的教學(xué)起到了很大的推動(dòng)作用。
2物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用體現(xiàn)
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在虛擬儀器課程中的應(yīng)用體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，主要針對(duì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)。因?yàn)榛A(chǔ)實(shí)驗(yàn)僅依靠軟件編程就可以實(shí)現(xiàn)，譬如學(xué)生編程練習(xí)數(shù)組函數(shù)、結(jié)構(gòu)等知識(shí)。但對(duì)于專業(yè)實(shí)驗(yàn)，必須要有硬件配套才能完成，借助于傳感器實(shí)驗(yàn)室的WSN和GPRS將傳感器測(cè)量的信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)室的上位機(jī)，再通過(guò)上位編程對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行分析處理，就實(shí)現(xiàn)了一套從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程監(jiān)控的完整流程，讓學(xué)生體會(huì)到虛擬儀器作為自動(dòng)測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域?qū)I(yè)開發(fā)工具的優(yōu)勢(shì)所在，掌握到該領(lǐng)域的一些前沿技術(shù)，此類專業(yè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示，只要改變傳感器類型、ZigBee組網(wǎng)方式和數(shù)據(jù)中心程序，就可以完成不同的專業(yè)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排上，我們追求量少質(zhì)高。開設(shè)了幾個(gè)目前科研應(yīng)用中比較常用的無(wú)線通信、遠(yuǎn)程測(cè)控和故障診斷方面的實(shí)驗(yàn)。譬如開設(shè)的“虛擬儀器與GPRS無(wú)線通信測(cè)試”實(shí)驗(yàn)，就是由校級(jí)精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目轉(zhuǎn)化而來(lái)，旨在通過(guò)借助虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，快速搭建一套GPRS無(wú)線通信系統(tǒng)，模擬實(shí)際工程中無(wú)線通信的全過(guò)程，通過(guò)LabVIEW編程，設(shè)計(jì)出友好的人機(jī)交互界面，將無(wú)線通信的原理和過(guò)程直觀形象地展現(xiàn)出來(lái)，讓學(xué)生充分理解無(wú)線通信的原理和設(shè)計(jì)思想，在實(shí)驗(yàn)室里就能接觸到要在科研項(xiàng)目或企業(yè)里才能用到的新技術(shù)。同時(shí)在課堂教學(xué)上將實(shí)驗(yàn)中涉及到的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行講解，譬如ZigBee組網(wǎng)選擇、ZigBee組網(wǎng)協(xié)議、用于GPRS通信的TCP/IP協(xié)議等，講解時(shí)可結(jié)合項(xiàng)目實(shí)例進(jìn)行，課堂上現(xiàn)場(chǎng)演示利用GPRS技術(shù)通過(guò)簡(jiǎn)單編程實(shí)現(xiàn)手機(jī)短信和彩信的收發(fā)，讓學(xué)生能直觀地感受到所學(xué)課程的實(shí)用性和前沿性，讓學(xué)生從心底里產(chǎn)生要將這門課學(xué)好的沖動(dòng)。
3教學(xué)效果
引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之前，由于無(wú)法開展專業(yè)性的實(shí)驗(yàn)，使得很多理論無(wú)法得到實(shí)踐運(yùn)用和驗(yàn)證，學(xué)生只能通過(guò)編程練習(xí)數(shù)組函數(shù)、結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，普遍感覺(jué)實(shí)驗(yàn)比較空洞、枯燥，積極性不高，學(xué)生感覺(jué)不到該課程的工程應(yīng)用價(jià)值，也體會(huì)不到虛擬儀器作為自動(dòng)測(cè)試、測(cè)量領(lǐng)域?qū)I(yè)開發(fā)工具的優(yōu)勢(shì)所在。在將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入之后，使這一問(wèn)題得到很大改觀。開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及的內(nèi)容是目前很流行的無(wú)線通信領(lǐng)域，而且GPRS通信中還可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)短信的接收和發(fā)送，所以學(xué)生的積極性都很高。另外，在項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中，每組學(xué)生會(huì)對(duì)程序界面的設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程進(jìn)行探討，所以實(shí)驗(yàn)氛圍也很好。另外該類項(xiàng)目要求學(xué)生要對(duì)所做內(nèi)容有個(gè)清晰的思路和具體實(shí)現(xiàn)方案，要求學(xué)生具備一定的編程能力和程序調(diào)試能力，所以對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的鍛煉，創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)、探究性思維的啟發(fā)都起到一定作用。
4結(jié)語(yǔ)
1虛擬儀器的特點(diǎn)和構(gòu)成
1.1虛擬儀器的特點(diǎn)
與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有高效、開放、易用靈活、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、可操作性好等明顯優(yōu)點(diǎn)，具體表現(xiàn)為：
智能化程度高，處理能力強(qiáng)虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件水平。用戶完全可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，將先進(jìn)的信號(hào)處理算法、人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)應(yīng)用于儀器設(shè)計(jì)與集成，從而將智能儀器水平提高到一個(gè)新的層次。
復(fù)用性強(qiáng)，系統(tǒng)費(fèi)用低應(yīng)用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構(gòu)造多種不同功能的測(cè)試分析儀器，如同一個(gè)高速數(shù)字采樣器，可設(shè)計(jì)出數(shù)字示波器、邏輯分析儀、計(jì)數(shù)器等多種儀器。這樣形成的測(cè)試儀器系統(tǒng)功能更靈活、更高效、更開放、系統(tǒng)費(fèi)用更低。通過(guò)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接，還可實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享，更好地發(fā)揮儀器的使用價(jià)值。
可操作性強(qiáng)，易用靈活虛擬儀器面板可由用戶定義，針對(duì)不同應(yīng)用可以設(shè)計(jì)不同的操作顯示界面。使用計(jì)算機(jī)的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡(jiǎn)便、易于理解，測(cè)量結(jié)果可以直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。測(cè)量完后還可打印、顯示所需的報(bào)表或曲線，這些都使得儀器的可操作性大大提高而且易用、靈活。
1.2虛擬儀器的構(gòu)成
虛擬儀器的構(gòu)建主要從硬件電路的設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)與設(shè)計(jì)2個(gè)方面考慮。
硬件電路的設(shè)計(jì)主要根據(jù)用戶所面對(duì)的任務(wù)決定，其中接口設(shè)計(jì)可選用的接口總線標(biāo)準(zhǔn)包括GPIB總線、VXI總線等。推薦選用VXI總線。因?yàn)樗哂型ㄓ眯詮?qiáng)、可擴(kuò)充性好、傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)以及良好的開放性能等優(yōu)點(diǎn)，因此自1987被首次推出后迅速得到各大儀器生產(chǎn)廠家的認(rèn)可，目前VXI模塊化儀器被認(rèn)為是虛擬儀器的最理想平臺(tái)，是儀器硬件的發(fā)展方向。由于VXI虛擬儀器的硬件平臺(tái)的基本組成是一些通用模塊和專用接口。因此硬件電路的設(shè)計(jì)一般可以選擇用現(xiàn)有的各種不同的功能模塊來(lái)搭建。通用模塊包括：信號(hào)調(diào)理和高速數(shù)據(jù)采集；信號(hào)輸出與控制；數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理。這3部分概括了數(shù)字化儀器的基本組成。將具有一種或多種功能的通用模塊組建起來(lái)，就能構(gòu)成任何一種虛擬儀器。例如使用高速數(shù)據(jù)采集模塊和高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊就能構(gòu)成1臺(tái)示波器、1臺(tái)數(shù)字化儀或1臺(tái)頻譜分析儀；使用信號(hào)輸出與控制模塊和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊就能構(gòu)成1臺(tái)函數(shù)發(fā)生器、1臺(tái)信號(hào)源或1臺(tái)控制器。專用接口是針對(duì)特定用途儀器需要的設(shè)計(jì)，也包括一些現(xiàn)場(chǎng)總線接口和各類傳感器接口。系統(tǒng)的主要硬件包括控制器、主機(jī)箱和儀器模塊。常用的控制方案有GPIB總線控制方式的硬件方案、MXI總線控制方式的硬件方案、嵌入式計(jì)算機(jī)控制方式的硬件方案3種。VXI儀器模塊又稱為器件（devices）。VXI有4種器件：寄存器基器件、消息基器件、存儲(chǔ)器器件和擴(kuò)展器件。存儲(chǔ)器器件不過(guò)是專用寄存器基器件，用來(lái)保存和傳輸大量數(shù)據(jù)。擴(kuò)展器目前是備用件，為今后新型器件提供發(fā)展通道。將VXI儀器制作成寄存器基器件，還是消息基器件是首先要做出的決策。寄存器基器件的通信情況極像VME總線器件，是在低層用二進(jìn)制信息編制程序。他的明顯優(yōu)點(diǎn)在于速度寄存器基器件完全是在直接硬件控制這一層次上進(jìn)行通信的。這種高速通信可以使測(cè)試系統(tǒng)吞吐量大大提高。因此，寄存器基器件適用于虛擬儀器中信號(hào)/輸出部分的模塊（如開關(guān)、多路復(fù)用器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換輸出卡、模/
數(shù)轉(zhuǎn)換輸入卡、信號(hào)調(diào)理等）。消息基器件與寄存器基器件不同，他在高層次上用ASCII字符進(jìn)行通信，與這種器件十分相似是獨(dú)立HPIB儀器。消息基器件用一組意義明確的“字串行協(xié)議”相互進(jìn)行通信，這種異步協(xié)議定義了在器件之間傳送命令和數(shù)據(jù)所需的掛鉤要求。消息基器件必須有CPU（或DSP）進(jìn)行管理與控制。因此，消息基器件適用于虛擬儀器中數(shù)字信號(hào)處理部分的模塊。
軟件的開發(fā)與設(shè)計(jì)包括3部分：VXI總線接口軟件、儀器驅(qū)動(dòng)軟件和應(yīng)用軟件（軟面板）。軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
VXI總線接口軟件由零槽控制器提供，包括資源管理器、資源編輯程序、交互式控制程序和編程函數(shù)庫(kù)等。該軟件在編程語(yǔ)言和VXI總線之間建立連接，提供對(duì)VXI背板總線的控制和支持，是實(shí)現(xiàn)VXI系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)。
儀器驅(qū)動(dòng)程序是完成對(duì)某一特定儀器的控制與通信的軟件程序，也即模塊的驅(qū)動(dòng)軟件，他的設(shè)計(jì)必須符合VPP的2個(gè)規(guī)范，即VPP3.1《儀器驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)和模型》和VPP3.2《儀器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)規(guī)范》。
“軟面板”設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)具有可變性、多層性、自、人性化的面板，這個(gè)面板應(yīng)不僅同傳統(tǒng)儀器面板一樣具有顯示器、LED、指針式表頭、旋鈕、滑動(dòng)條、開關(guān)按鈕、報(bào)警裝置等功能部件，而且應(yīng)還具有多個(gè)連貫操作面板、在線幫助功能等。
2虛擬儀器在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用
利用虛擬儀器制作數(shù)據(jù)采集器可以按照硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)步驟來(lái)完成。
2.1硬件設(shè)計(jì)
硬件設(shè)計(jì)要完成以下內(nèi)容：
1)模/數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
設(shè)置具有通用性的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)，一般應(yīng)滿足能對(duì)多路信號(hào)盡可能同步地進(jìn)行采集，為了使所采集到的數(shù)據(jù)不但能夠在數(shù)據(jù)采集器上進(jìn)行存儲(chǔ)，而且還能及時(shí)地在采集過(guò)程中將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，選用存儲(chǔ)量比較適中的先進(jìn)先出存儲(chǔ)器，這樣既能滿足少量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需要，又能在需要實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，在A/D轉(zhuǎn)換的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，不丟失任何數(shù)據(jù)。)VXI總線接口
VXI總線數(shù)據(jù)采集器通?？梢岳脙煞NVXI總線通用接口消息基接口和寄存器基接口。消息基接口的作用是通過(guò)總線傳送命令，從而控制儀器硬件的操作。通用寄存器基接口是由寄存器簡(jiǎn)單的讀寫來(lái)控制儀器硬件的操作。利用消息基接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體消息基接口的框圖見圖2。
3)采樣通道控制
為了滿足幾種典型系統(tǒng)通道控制的要求，使通道的數(shù)量足夠多，通道的選取比較靈活，可以利用寄存器電路、可預(yù)置計(jì)數(shù)器電路以及一些其他邏輯電路的配合，將采樣通道設(shè)計(jì)成最多64路、最少2路可以任意選擇，而且可以從任意一路開始采樣，也可以到任意一路結(jié)束采樣，只要截止通道號(hào)大于起始通道號(hào)就可以了。整個(gè)控制在虛擬儀器軟面板上進(jìn)行操作，通過(guò)消息基接口將命令寫在這部分的控制寄存器中，從而設(shè)置計(jì)數(shù)器的初值以及采樣的通道總數(shù)。
4)定時(shí)采樣控制
由于不同的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)采樣時(shí)間間隔的要求不同，以及同一系統(tǒng)在不同的試驗(yàn)中需要的采樣時(shí)間間隔也不盡相同，故可以采用程控的方式將采樣時(shí)間間隔設(shè)置在2μs~13.0ms之間任意選擇，可以增加或減少的最小單位是2μs。所有這些選擇設(shè)置可以在虛擬儀器軟面板上進(jìn)行。
5)采樣點(diǎn)數(shù)控制
根據(jù)不同測(cè)試系統(tǒng)的需求，將采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)計(jì)成可在一個(gè)比較大的范圍中任意選擇，該選擇同樣是在軟面板上進(jìn)行。
6)采樣方式控制
總結(jié)各種自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的采樣方式不外乎軟件觸發(fā)采樣和硬件觸發(fā)采樣。在硬件觸發(fā)采樣中又包括同步整周期采樣和非同步整周期采樣，這2種采樣又可以是定時(shí)進(jìn)行的或等轉(zhuǎn)速差進(jìn)行的。所有這些采樣方式，對(duì)于數(shù)據(jù)采集器來(lái)說(shuō)都可以在軟面板上進(jìn)行選擇。
2.2軟件設(shè)計(jì)
軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，為使VI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)潔，一般可采用組件化設(shè)計(jì)思想，將各部分彼此獨(dú)立的軟件單元分別制成
標(biāo)準(zhǔn)的組件，然后按照系統(tǒng)的總體要求組成完整的應(yīng)用系統(tǒng)，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的組件化的虛擬儀器軟件系統(tǒng)，如圖3所示。
應(yīng)用軟件為用戶提供了建立虛擬儀器和擴(kuò)展其功能的必要工具，以及利用PC機(jī)、工作站的強(qiáng)大功能。同時(shí)VPP聯(lián)盟提出了建立虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)庫(kù)（VISA）的建議，為虛擬儀器的研制與開發(fā)提供了標(biāo)準(zhǔn)。這也進(jìn)一步使由通用的VXI數(shù)據(jù)采集模塊、CPU/DSP模塊來(lái)構(gòu)成虛擬儀器成為可能。
基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集器的軟件包括系統(tǒng)管理軟件、應(yīng)用程序、儀器驅(qū)動(dòng)軟件和I/O接口軟件。以往這4部分需要用戶自己組織或開發(fā)，往往很困難，但現(xiàn)在NI公司提供了所有這四部分軟件，使應(yīng)用開發(fā)比以往容易得多。
下面簡(jiǎn)單介紹以NI公司的LabWindows/CVI為開發(fā)環(huán)境，來(lái)進(jìn)行VXI虛擬儀器的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)的方法。
第一步：生成儀器模塊的用戶接口資源文件（UIR）。用戶接口資源、文件是儀器模塊開發(fā)者利用LabWindows/CVI的用戶界面編輯器為儀器模塊設(shè)計(jì)的一個(gè)圖形用戶界面（GUI）。一個(gè)LabWindows/CVI的GUI由面板、命令按鈕、圖標(biāo)、下拉菜單、曲線、旋鈕、指示表以及許多其他控制項(xiàng)和說(shuō)明項(xiàng)構(gòu)成。
第二步：LabWindows/CVI事件驅(qū)動(dòng)編程。應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境LabWindows/CVI中設(shè)計(jì)一個(gè)用戶接口，實(shí)際上是在用戶計(jì)算機(jī)屏幕上定義一個(gè)面板，他由各種控制項(xiàng)（如命令按鈕、菜單、曲線等）構(gòu)成。用戶選中這些控制項(xiàng)就可以產(chǎn)生一系列用戶接口事件（events）。例如，當(dāng)用戶單擊一個(gè)命令按鈕，這個(gè)按鈕產(chǎn)生一個(gè)用戶接口事件，并傳遞給開發(fā)者編寫的C語(yǔ)言驅(qū)動(dòng)程序。這是運(yùn)用了Windows編程的事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制。LabWindows/CVI中使用不同類型的控制項(xiàng)，在界面編輯器中將顯示不同類型的信息，并產(chǎn)生不同操作的接口事件。在LabWindows/CVI的開發(fā)平臺(tái)中，對(duì)事件驅(qū)動(dòng)進(jìn)行C程序編程時(shí)可采用2種基本的方法：回調(diào)函數(shù)法和事件循環(huán)處理法。
回調(diào)函數(shù)法是開發(fā)者為每一個(gè)用戶界面的控制項(xiàng)寫一個(gè)獨(dú)立的用戶界面的控制函數(shù)，當(dāng)選中某個(gè)控制項(xiàng)，就調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行事件處理。在循環(huán)處理法中，只處理GUI控制項(xiàng)所產(chǎn)生的COMMIT事件。通過(guò)GetUserEvent函數(shù)過(guò)濾，將所有的COMMIT事件區(qū)分開，識(shí)別出是由哪個(gè)控制項(xiàng)所產(chǎn)生的事件，并執(zhí)行相應(yīng)的處理。
第三步：應(yīng)用函數(shù)/VI集與應(yīng)用程序軟件包編寫。應(yīng)用函數(shù)/VI集需針對(duì)具體儀器模塊功能進(jìn)行編程，應(yīng)用程序軟件包只是一些功能強(qiáng)大、需要完善的數(shù)據(jù)處理能力的模塊才需要提供，如波形分析儀模塊、DSP模塊等。
3結(jié)語(yǔ)
本文探討了虛擬儀器的基本組成，以及實(shí)際的虛擬儀器軟硬件設(shè)計(jì)的一般方法，這些方法經(jīng)過(guò)實(shí)際設(shè)計(jì)工作運(yùn)用證明是可靠的，可供系統(tǒng)工程技術(shù)人員在組建具體的基于VXI總線的虛擬儀器數(shù)據(jù)采集、測(cè)試時(shí)參考使用。
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關(guān)鍵詞：虛擬儀器，動(dòng)態(tài)切削力，測(cè)量，應(yīng)用
引言
切削力是切削過(guò)程中的一個(gè)最基本的作用和現(xiàn)象，它不僅是描述切削過(guò)程的基本參數(shù)，而且也是設(shè)計(jì)和使用機(jī)床、夾具、刀具，制定工藝規(guī)程以及評(píng)定切削加工性不可缺少的數(shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)切削力的變化規(guī)律是研究切削機(jī)理和機(jī)床動(dòng)剛度的重要依據(jù)。碩士論文，應(yīng)用。在現(xiàn)代制造工程中(包括柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，無(wú)人化工廠等)，切削力是狀態(tài)監(jiān)測(cè)的重要參數(shù)。在機(jī)械加工領(lǐng)域的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究中，常常需要能夠?qū)η邢髁M(jìn)行測(cè)試的裝置，即各種類型的測(cè)力系統(tǒng).它不但是進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究的重要工具，而且已逐步發(fā)展成為切削加工工藝系統(tǒng)的一個(gè)組成環(huán)節(jié)。
虛擬儀器(VI: Virtual Instrument)的概念由美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI: National Instrument)于20世紀(jì)80年代末期提出。虛擬儀器是計(jì)算機(jī)、測(cè)量和微電子等技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物，由計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件和儀器硬件組成。通過(guò)軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)地融合為一體，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)以及分析處理。
本文主要研究利用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)測(cè)力儀數(shù)據(jù)采集與處理，與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出可以測(cè)量X,Y, Z三個(gè)方向的力。碩士論文，應(yīng)用。
1 硬件組成
由虛擬儀器構(gòu)建的測(cè)力系統(tǒng)與傳統(tǒng)電子儀器一樣，其功能由圖1所示的三大模塊成:信號(hào)采集與控制、信號(hào)分析與處理、信號(hào)顯示與輸出。
圖1 虛擬儀器構(gòu)建的測(cè)力系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖
利用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)測(cè)力儀數(shù)據(jù)采集與處理，它主要由以下幾部分組成：測(cè)力儀、應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和系統(tǒng)軟件（如圖2）。
圖2 測(cè)力儀數(shù)據(jù)采集與處理系的功能圖
基于數(shù)據(jù)采集的虛擬儀器系統(tǒng)，通過(guò)A/D變換將模擬、數(shù)字信號(hào)采集入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理顯示等，并可通過(guò)A/D變換實(shí)現(xiàn)反饋控制。根據(jù)需要還可加入信號(hào)調(diào)理和實(shí)時(shí)DSP等硬件模塊。利用儀器實(shí)現(xiàn)虛擬儀器系統(tǒng)，VXI總線為新型計(jì)算機(jī)查卡式儀器提供了標(biāo)準(zhǔn)。碩士論文，應(yīng)用。計(jì)算機(jī)完成對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、打印、分析和處理等功能，提供給用戶一個(gè)簡(jiǎn)潔直觀的動(dòng)態(tài)切削力測(cè)量過(guò)程。
2 軟件組成
軟件結(jié)構(gòu)由三部分組成：I/O接口軟件、儀器驅(qū)動(dòng)程序和測(cè)力系統(tǒng)環(huán)境。碩士論文，應(yīng)用。
I/O接口軟件存在于儀器與儀器驅(qū)動(dòng)程序之間，是一個(gè)完成對(duì)儀器內(nèi)部寄存器單元進(jìn)行直接存取數(shù)據(jù)并為儀器與儀器驅(qū)動(dòng)程序提供信息傳遞的底層軟件層，是實(shí)現(xiàn)開放的、統(tǒng)一的虛擬儀器系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心。
儀器驅(qū)動(dòng)程序：主要是用于完成儀器硬件的通信及控制功能。碩士論文，應(yīng)用。當(dāng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)后，由軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析整理而實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能，并求去測(cè)量結(jié)果。碩士論文，應(yīng)用。
測(cè)力系統(tǒng)環(huán)境：基于語(yǔ)言平臺(tái)，如C、Visual C＋＋、VB等；基于圖形化工程環(huán)境平臺(tái)，如LabVIEW等。
測(cè)力開始時(shí)先必須對(duì)測(cè)力儀加載以標(biāo)定（以X方向加載力為例）。作為一個(gè)非理想的多向測(cè)力系統(tǒng)，當(dāng)在X方向加載力時(shí)，Y方向、Z方向也會(huì)有不同程度的干擾輸出，本試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)如表1：
表1 X方向加載時(shí)數(shù)據(jù)表
