時間：2023-03-29 09:24:16
序論：在您撰寫虛擬儀器技術論文時，參考他人的優秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發您的創作熱情，引導您走向新的創作高度。
一、虛擬儀器與運動控制
1.虛擬儀器與圖形化編程語言-LabVIEW
虛擬儀器(即VirtualInstrument，簡稱NI)是一種基于計算機的儀器，就是在通用計算機上加上軟件和(或)硬件，使得使用者在操作這臺計算機時，就象是在操作一臺他自己設計的專用的傳統電子儀器。在虛擬儀器系統中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個儀器系統的關鍵，任何一個使用者都可以通過修改軟件的方法，很方便地改變、增減儀器系統的功能與規模，所以有“軟件就是儀器”之說。虛擬儀器技術的出現，徹底打破了傳統儀器由廠家定義，用戶無法改變的模式，虛擬儀器技術給用戶一個充分發揮自己的才能、想象力的空間。用戶(而不是廠家)可以隨心所欲地根據自己的需求，設計自己的儀器系統，滿足多種多樣的應用需求。
虛擬儀器系統是計算機系統與儀器系統技術相結合的產物。它利用PC計算機強大的圖形編程環境和在線幫助功能，結合相應的硬件，快速建立人機交互界面的虛擬儀器面板，完成對儀器或設備的控制、數據分析與顯示，提高儀器的功能和使用效率，大幅度降低儀器的價格，使用戶可以根據自己的需要定義儀器的功能，方便地對其進行維護、擴展、升級等。
LabVIEW是美國NI公司利用虛擬儀器(virtualinstnlments)技術開發的32位，主要面向計算機測控領域的虛擬儀器軟件開發平臺。LabVIEW同時也是一一種功能強大的圖形編程語言，但它與傳統的文本編程語言(如c語言)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語言(graphicallanguage)。這種圖形化的編程形式，方便了非軟件專業的工程師快速編制程序。LabVIEW也不同于傳統文本式的編程語言的順序執行方式，而是采用了數據流的執行方式，這種方式要求程序僅在各節點已獲得它的全部數據后才執行。
多任務并行處理一般是通過多線程技術來實現的，不同的任務實際上通過各自的線程輪流占用CPU時間片來達到“同時”處理的目的。LabVIEW也采用了多線程技術，而且與傳統文本式的編程語言相比，有兩大優點：LabVIEW把線程完全抽象出來，編程者不需對線程進行創建、撤銷及同步等操作；LabVIEW使用圖形化的數據流的執行方式，因此在調試程序時，可以非常直觀地看到代碼的并行運行狀態，這使編程者很容易理解多任務的概念。
LabVIEW圖形化編程語言有效地利用了當今圖形用戶接口的點擊特性。編寫程序只包含以下的一些簡單步驟：
用鼠標選擇儀器函數作為對象；
描述測試步驟和對象之間的關系；
建立初始條件。
2.運動控制
運動控制卡是一種基于PC機、用于各種運動控制場合(包括位移、速度、加速度等)的上位控制單元。它的出現主要是因為：
為了滿足新型數控系統的標準化、柔性、開放性等要求；
在各種工業設備、國防裝備(如跟蹤定位系統等)、智能醫療裝置等設備的自動化控制系統研制和改造中，急需一個運動控制模塊的硬件平臺；
PC機在各種工業現場的廣泛應用，也促使配備相應的控制卡以充分發揮PC機的強大功能。
運動控制卡通常采用專業運動控制芯片或高速DSP作為運動控制核心，大多用于控制步進電機或伺服電機。一般地，運動控制卡與PC機構成主從式控制結構：PC機負責人機交互界面的管理和控制系統的實時監控等方面的工作(例如鍵盤和鼠標的管理、系統狀態的顯示、運動軌跡規劃、控制指令的發送、外部信號的監控等等)；控制卡完成運動控制的所有細節(包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降速的處理、原點和限位等信號的檢測等等)。運動控制卡都配有開放的函數庫供用戶在相應系統平臺下自行開發、構造所需的控制系統。因而這種結構開放的運動控制卡能夠廣泛地應用于制造業中設備自動化的各個領域。
步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，步進電機由于具有轉子慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點，成了控制系統的主要執行元件之一。步進電機的控制方法包括開環控制和閉環控制兩種。
二、基于虛擬儀器的步進電機控制系統整體結構與原理
一般運動控制系統主要由五部分構成：被移動的機械設備、運動I/O的馬達(伺服或步進)、馬達驅動單元、智能運動控制器、以及編程/操作接口軟件。
本系統的目標是利用筆者實驗室已有美國國家儀器公司(NI)的NIPCI7354伺服/步進運動控制卡及其配套軟件、NI7604伺服/步進驅動器及其配套軟件、兩相步進電機、LabVIEW軟件、多軸精密電移臺(負載)、PC機等構建一套步進電機運動控制系統，分別實現單軸、兩軸、三軸和四軸的運動控制，要求系統具有數控系統的基本功能，能實現不同坐標系下的直線、圓弧插補、速度控制、電子傳動等功能，以供實驗教學應用。系統整體結構框圖如圖1示。
圖1系統整體結構框圖
1.NIPCI7354運動控制卡
NIPCI7354控制卡可同時控制包括交流和步進電機的4軸運動，能實現諸如點到點位置控制、速度控制、三維直線、圓弧、螺旋型和球形運動、電子傳動、混合運動、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(實時操作系統)內核的，實時性強，通過簡單易用的運動控制器、軟件、以及外設提供集成方案的功能與能力，為一般伺服與步進應用提供精確、高性能的運動功能。該運動控制器可以使用支持Windows2000/NT/Me/xp操作系統的LabVIEW、MeasurementStudio(LabWindows/CVI、VisualBasic)以及C/C++進行編程。
NIPCI7354運動控制卡是高性能PCI步進/伺服控制器，可用于所有運動控制系統中，控制器采用先進的技術，在嵌入式實時運動或者以主機為中心的編程環境中提供混合運動軌跡控制和完全協同的圓形、線性、點到點、齒輪和空間矢量控制。其豐富的功能可以滿足最為嚴格的要求。
NIPCI7354運動控制卡的主要特點：通過PCI總線與主機(上位機)通信；68芯VHDCI輸出電纜；普通數字輸出電壓：0-32V；高電平3.5--30V，低電平0—2V；最大脈沖速率：100KHZ；運行電流：3-14mA；觸發輸出最大脈沖速率：1MHz；
2.運動控制軟件
利用NILabVIEW圖形化編程語言以及各種應用軟件可以開發功能強大的運動控制程序，運動控制器配備NI-Motion驅動軟件提供的LabVIEWVI、固件更新程序、DLL程序，可以利用其它開發工具(比如MeasurementStudio，LabWindowsCVI)或其它編程語言開發運動控制應用。NI運動助手(MotionAssistant)是一個采用LabVIEW代碼生成方法的附加工具，運用該工具您只需進行極少編程甚至無需編程即可開發LabVIEW運動控制應用。
3.NI7604驅動器
NI7604驅動器將NI7354提供的四軸運動控制信號放大，以驅動兩相步進電機運轉，帶動精密電移臺運動。該驅動器將運動控制器與特定應用馬達、編碼器、限位器、用戶I/O連接在一起。一根控制電纜連接運動控制器與驅動器，為全部的命令集與反饋信號提供一個通道。
NI7604的主要特點：輸入電壓：115V/23V，2/1A，60/50Hz；步進放大器：IM481H；每相電流：0.2—1.4A；電源連續輸出容量：80W；輸入電纜：68芯VHDCI型；輸出電壓：24VDC；+5V輸出：1A。
4.運動控制外設
兩相步進電機4臺，四軸精密電移臺一套，電移臺是滾珠絲杠/螺母驅動結構。系統原理圖如圖2示。
三、系統工作原理
通過上位機(PC機)的數據終端設備設置步進電機的目標位置、加速度、速度和減速度(即發出運動控制任務)，NIPCI7354運動控制卡根據設置信息控制電機的運動時間(輸出脈沖個數)和方向，即控制卡完成實時運動規劃，NI7604驅動器放大脈沖信號以驅動電機運轉。
在電機運行過程中，控制脈沖的頻率f應隨時變化以滿足電機低速起停及高速運行的需要。脈沖頻率由發送數據的波特率(B)決定，每發出一個脈沖需用兩個二進制位1和0來構成其高、低電平，所以f＝B/2，通過調整發送數據的波特率可改變所發出的控制脈沖的頻率。按常規波特率系列發送數據時所產生的控制脈沖頻率變化較大，不能滿足電機正常起停及調速的要求，為此計算機需按非標準的波特率發送數據以產生任意頻率的控制脈沖。一般在電機起動及停止階段每發送一個字節調整一次波特率，以使電機起停得盡量平滑。
四、軟件研究與實現
在系統硬件環節構建完成后，先后逐步完成了單軸直線運動控制、兩軸平面運動控制、三軸空間運動控制系統的軟件研究與開發。
控制軟件利用LabVIEW7這種虛擬儀器軟件開發平臺設計，每個程序分為前面板和框圖程序兩部分。前面板用于設置控制參數和顯示控制過程及結果，框圖程序是程序的代碼。兩軸平面螺旋運動前面板如圖3示，兩軸平面螺旋運動框圖程序(局部)。
1．1傳感器
本設計采用的傳感器型號是Vaisala公司生產的氣象變送器WXT520，是一個輕巧的小型變送器，采用緊湊式包裝，可提供6種氣象參數。WXT520用于測量風速、風向、降水、氣壓、溫度和相對濕度。傳感器外殼的等級為IP65/IP66，適合于我國北方的惡劣天氣。WXT520采用32VDC，并使用可選擇的通信協議輸出串行數據:SDI－12、ASCII自動和輪詢。有4個串行接口可供選擇:RS－232、RS－485、RS－422和SDI－12;并配備了一個安裝用8針M12接頭和一個維護用4針M8接頭。
1．2主控系統
主控系統包括數據采集器與控制器，具體包括控制器、采集器、通訊模塊、供電電源和存儲模塊等部分。主控器通過嵌入式軟件與供電、采集、通訊、存儲等單元協調工作來完成。自動氣象站的核心是數據采集器，負責數據收集、傳輸、統計分析和數據存儲［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，具有良好的擴展性，操作性、支持第三方控制器，包括時鐘管理、實時及周期間隔定時器、復位、關機、高級中斷及調試單元(DBGU)。通訊單元為西門子6GK7型工業以太網通訊單元，可以做到網絡統一，可與支持EtherNet/IP的設備連接，結合使用Ethernet功能使其具有傳感器監控器及控制值備份等現場實際應用功能，要想完成任務下達命令和數據上傳功能需要通過網絡來實現。通訊模塊起到關鍵作用，所以要求其具備以下功能:①支持國際標準通訊協議，如TCP/IP(6．0)、UDP或者PPP，具有標準RS232串口;②可以自動監測聯網狀態，短線1min內自動撥號重新連接，防止數據的丟失;③接口速率為可選的1200～9600kB/s范圍。存儲單元:因采集數據的頻率較短和跟蹤監測的時間范圍較長，因此采用存儲容量為閃迪256G固態硬盤，用于保證存儲容量及數據的安全性、穩定性和讀取速度，同時存儲單元可以記錄系統工作狀態。防雷單元:由于監測系統需要全天候連續工作，所以需要面對復雜天氣狀況，因此加裝防雷設備對于整個系統的安全性尤為關鍵，本系統采用的是雷太LY1－B系列電涌保護器(一級防雷器)。供電單元:由于本系統需要在田間進行監測，不宜采用城市供電，因此選用了太陽能電池進行供電，對電池的容量要求為在無光線的環境中可以連續供電10天。擴展單元:新型傳感器需要有相應的端口或接口與主控系統相連接，以滿足系統升級或新添設備需要。
2系統設計
農田氣象信息遠程監測系統的主控器選用的是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，通過嵌入式應用控制程序，實現農田環境多要素氣象數據的采集、處理及存儲的功能。被采集到的氣象要素基于TCP/IP協議的通訊網絡，采用無線GPRS方式，根據實際情況選擇最佳的組網方案，實現無線氣象數據傳輸，并基于LabVIEW開發農業氣象信息管理軟件，使氣象信息能夠被讀取。
2．1采集控制設計
采集系統可以實現采集并對采集到的氣象要素信號進行處理。采集系統內部設有存儲器，可以進行信息清除并對采集到的各氣象要素的數據進行存儲，有接口USB實現信息數據的備份功能。系統設有通訊接口RS232/RS485，可以通過該接口與GPRS/CDMA等通訊設備連接。該系統有時鐘校準功能，通過監控中心下達指令，對氣象站的時間進行校準。數據處理的方法需要設計采集數據的時間間隔。氣象數據的監測主要為定時掃描各傳感器的數據，通過通訊模塊將數據的電信號傳到主控系統中經既定程序(LabVIEW)計算;通過屏幕可以直接讀取實時數據，針對特定時間段的數據可以進行有目的的分析，如平均值，不同時間點的變化趨勢數據以及不同周、月份、年份的數據統計分析等［5］。收集數據默認為溫度、相對濕度、降雨量、風向、風速及氣壓;當增加傳感器時，在主控系統中重新設置就可以進行增加項目數據的收集。各氣象數據中氣溫、相對濕度、雨量、氣壓的數據傳感器每10s測定一次，根據氣象學上常規的統計方法，通過程序收集到1min內每10s的瞬時氣象數據。氣溫、相對濕度、雨量、氣壓在1min內會收集到6個數據，舍棄一個最高值和一個最低值，使用其余的4個測定數據來計算算術平均值，此值為監測系統最終在屏幕中實時顯示的瞬時數值。風向、風速的監測頻率為1次/min，系統計算每5min內5次測定值的算數平均值，此數據在LabVIEW程序界面中實時顯示。所有測定的數據在數據庫中均有保存，如統計部門需要對數據進行特殊分析，均可在數據庫中將數據導出。在數據庫中如有異常數據，一般以超過臨近時間點兩倍的數據值進行特殊標記，以便提醒管理員對相應數據進行核實和異常情況的分析。
2．2通訊設計
前端采集部分與后端監控中心系統通信采用無線GPRS通信方式，由于農田氣象站放置在室外，因此不適宜采用光纖傳輸，而采用GPRS無線能夠解決此問題［6］。GPRS采用的組網方式是公網固定IP的方式。GPRS擁有傳遞及時、通信信號好等優勢，在并組網時減少對原有網絡資源的浪費，節約了成本，并可以在室外復雜環境中實時進行監測，而且具有一定的安全性。室外自動氣象站與氣象信息管理系統需要建立點對點的網絡連接，在連接過程中需要以無線方式登陸到以太網絡來獲得網絡地址。要實現網絡服務器地址和端口映射在氣象管理系統中，需要氣象信息管理系統軟件采用其網絡子網地址，這樣在管理系統顯示軟件中就可以實現氣象數據的雙向通訊，進行有效的信息傳遞和收集［7－8］。圖2為基于GPRS無線通訊的氣象信息系統示意圖。
2．3軟件設計
氣象信息管理系統可以通過網絡來查看氣象信息。本研究天氣顯示采用的軟件是LabVIEW，此軟件是美國國家儀器公司推出的一門圖像化編程語言，同時也是著名的虛擬儀器開發平臺［9－10］。作為一門圖形化編程語言，LabVIEW秉承了其簡單易用的一貫作風，使用戶能夠快速編寫出強大的應用程序。本研究的LabVIEW編寫程序圖，如圖3所示。為了方便敘述，本文把風向、風速、溫度、濕度、雨量和氣壓多種氣象數據統稱為氣象信息值。氣象系統天氣前面板顯示圖，如圖4所示。通過該系統對哈爾濱市香坊區東北農業大學校內氣象信息值進行監測，與氣象臺預報數據作為參考進行對比，氣象信息值監測結果如表1所示。表1中實測的時間跨度是實驗當天早6:00至晚18:00。從數據中可以看出，實測日期當天監測到的溫度、濕度、雨量、風速和氣壓與參考值相比，具有良好的線性關系，系統可以準確計算出當天所監測氣象信息的平均值。此收集到的氣象數據只是一天中的部分數據，所以經過系統分析計算出來的數據只能代表所監測時間范圍內的氣象信息，與氣象臺的參考值有偏差。
3結論
《虛擬儀器技術》課程是為大三、大四階段的通信工程專業的學生開設，該目標人群的特點是有一定的專業基礎知識和文本編程基礎。針對該類型的學生課程開設的目的有二：首先，學生能夠掌握虛擬儀器軟件開發環境，能夠進行軟件編程；其次，根據學生專業課程的特點，學生可以實現本專業課程的仿真實驗。例如，根據《信號與系統》課程的知識實現信號的FFT變換、根據《通信原理》課程中掌握的原理實現模擬信號的調制解調。在該過程中學生既掌握了虛擬儀器軟件編程的方法，也對過去學過的專業知識進行了復習并加深理解；最后，學生能夠結合數據采集裝置和相應傳感器來實現工程設備的開發。
2《虛擬儀器技術》課程的教學方式
該門課程的教學方式采取的是課堂講授、學生練習以及基于項目的動手實踐相結合的教學方式。
（1）通過課堂理論教學使學生熟悉虛擬儀器技術的概念、原理和應用，使學生了解虛擬儀器在實際應用中的重要地位及其發展與應用前景。
（2）通過LabVIEW軟件編程的練習和實踐，使學生掌握虛擬儀器軟件平臺的操作和使用規則，在培養學生解決問題的能力的同時也給學生掌握專業基礎知識提供了一個平臺。
（3）通過專業實際訓練使學生能夠進行具體實際工程的設計，培養學生的實際動手能力和獨立思考與綜合運用所學知識解決實際問題的能力。
3《虛擬儀器技術》課程體系設置
《虛擬儀器技術》課程體系的設置則是參考了國內外高校十幾年的教學實踐，并且根據本專業的特點和學生的具體情況，將該課程分為了LabVIEW軟件平臺學習的理論部分和虛擬儀器硬件平臺的實際訓練部分。
（1）理論教學部分：該部分的教學需要強調動手實踐的能力，但是授課過程中的理論知識仍為重點，作為圖形化編程語言LabVIEW的模塊化的設計很容易激發學生的學習興趣，但是習慣文本編程思維方式的學生將思路轉變也作為教學過程的難點。所以課堂的安排為：首先，教師講授相關內容，然后提出問題，學生根據問題動手解決，最后教師通過學生解決問題的思路進行總結并提出共性的問題。通過這樣問題解決式的教學方式，讓學生在課堂上通過不斷解決問題的過程體驗對新知識掌握的成功感。同時根據通信專業學生的專業特點，設計一些與本專業知識相關編程練習，如信號的FFT變換、對信號進行調制解調，使學生在掌握新知識的同時加深專業基礎知識。通過學習，學生對虛擬儀器技術產生了興趣，經常利用課后時間翻閱相關專業書籍，并且通過互聯網吸收相關知識，部分學生不僅能夠按照常規的方法解決問題，也能夠提出新思路解決問題，甚而完成超出學習范圍的編程練習。
（2）實際訓練部分：在理論教學授課部分，學生通過軟件程序設計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的構成必須結合真實的硬件I/O的實摘要：本文簡要介紹了虛擬儀器技術的概念及在通信工程專業開設《虛擬儀器技術》課程的意義，詳細闡述了該課程慣，從而提高學生英語知識的實際應用能力。
4預期效果
通過本校英語課堂采用多媒體教學的實際情況分析，筆者認為在高職院校使用多媒體技術教學雖然存在一些問題和難題，但是總體上來看，多媒體教學可以有效促進教師不斷探索英語教學的新思路，提高學生自主學習的興趣和能力。
5結語
手機測試
挑戰：
中國的手機市場發展迅猛，世界各大手機廠商競相爭奪手機用戶。在如此激烈的競爭中，手機的功能日趨豐富，比如攝像頭、MP3、FM調頻收音機等等。同時，手機通訊協議也層出不窮，GSM、CDMA、GPRS、CDMA2000、EDGE、WCDMA等等。為了應對產品的不斷變化，工程師面臨著提高效率并縮短產品市場化時間的挑戰，他們需要一個靈活而強大的通用測試平臺。我們先來看一個通用測試平臺針對手機通訊協議的變化而表現出來的優勢。大家知道，2G的協議比如GSM和CDMA都已被成功地運用于市場了，而3G的協議比如WCDMA，CDMA2000等等是未來的必然趨勢。在從2G到3G的轉變中，面臨客戶群、設備置換、技術的成熟度風險等等問題。運營商希望能夠進行平滑的過渡，在不丟失已有手機用戶的情況下，首先升級交換網絡部分，這使得用戶可以使用過渡期的2.5G產品，然后等時機成熟時再升級無線網絡部分達到3G的標準。2G的測試儀器已經比較成熟，3G的測試產品正在加緊開發，2.5G的專用測試設備卻由于傳統儀器制造商考慮到研發成本和市場前景的問題而匱乏。
一家著名的手機制造商制造了支持EDGE(EnhancedDataratesforGSMEvolution)協議的2.5G手機產品，需要針對這一產品的測試方案。EDGE是一個專業協議，由于它的出現時間比較短，了解它的人也比較少，要在短期內構建一個EDGE測試系統是一個巨大的挑戰。為了在市場上與同行競爭，需要在一個月內能夠使用這套測試設備。
應用方案：
利用TestStand模塊化，兼容性強，可自定義的特點，根據生產測試的需要對其進行修改與完善，并結合LabVIEW，GPIB卡，以及相應的測試儀器，創建百分之百符合自己需要的CDMA基站測試系統。
使用的產品：
硬件上整個系統包含了一個PXI機箱，其中有：
NIPXI-8186
2.2GHzIntel奔騰4處理器的嵌入式PC，預裝WindowsXP操作系統
NIPXI-5660
2.7GHzRF信號分析儀，9kHz到2.7GHz，20MHz實時帶寬，80dB真實動態范圍
NIPXI-5670
RF信號源，250kHz到2.7GHz，16位，100MS/s任意波形發生，22MHz實時帶寬
NIPXI-5122
14位數字化儀，100MS/s實時采樣，2GS/s隨機間隔采樣，100MHz帶寬
NIPXI-4070
6位半數字萬用表，6ppm精度
其中，NIPXI-5660被用作矢量信號分析儀，NIPXI-5670被用作射頻信號源，NIPXI-5122被用作示波器，NIPXI-4070被用作數字萬用表。
軟件上使用了LabVIEW圖像化開發環境和NI-DAQmx驅動程序。
1.1實驗室資源共享由于測控專業學生相對較少，所以大多高校都不愿花大量經費去建立測控專業的實驗室，基本都采用共享其它專業實驗室的方式，這也限制了測控專業的發展。我們學院也同樣存在這個問題，目前針對測控技術與儀器專業開放的專業實驗室有傳感器實驗室、自動控制實驗室和計算機仿真實驗室，沒有專門的虛擬儀器實驗室。之前學生只能在計算機仿真實驗室里做些虛擬儀器課程的基礎實驗，無法做專業實驗，在將物聯網技術引入之后，我們摸索出了實驗室資源共享的模式，也就是將不同實驗室的資源共享使用，以此完成虛擬儀器課程的專業實驗教學任務。其中傳感器實驗室擁有近20種傳感器、30套ZigBee模塊(WSN的一種)和30套GPRS模塊(無線傳輸技術的一種)等設備；計算機仿真實驗室擁有50臺計算機和配套虛擬儀器軟件，可以完成虛擬儀器課程的所有基礎實驗。在教學安排上只要將傳感器技術和虛擬儀器課程分在兩個學期，就可以實現兩個實驗室的資源共享，學生就可以借助于傳感器實驗室的資源完成虛擬儀器課程的大多數專業實驗。
1.2科研成果轉化虛擬儀器技術是利用高性能的模塊化硬件，結合靈活高效的軟件來完成各種自動測試、測量應用。將虛擬儀器技術和物聯網技術結合起來，在自動測試測量、無線通信、故障診斷和遠程測控等方面有著極大的應用價值和應用前景。目前，國內很多高校和科研機構積極致力于這兩者結合模式的研究，如天津大學、華北電力大學等。我們學院在這方面也開展了很多研究，譬如開展了“基于LabVIEW和物聯網的風光互補電站監控系統的研究”、“虛擬儀器與GPRS無線通信測試研究”等多項校廳級項目，并取得了一些成果。我們已經將項目涉及的無線傳感器技術、GPRS無線數據傳輸技術應用到虛擬儀器課程當中，對整個虛擬儀器課程的教學起到了很大的推動作用。
2物聯網技術的應用體現
物聯網技術在虛擬儀器課程中的應用體現在實驗教學環節，主要針對專業實驗。因為基礎實驗僅依靠軟件編程就可以實現，譬如學生編程練習數組函數、結構等知識。但對于專業實驗，必須要有硬件配套才能完成，借助于傳感器實驗室的WSN和GPRS將傳感器測量的信號傳給計算機仿真實驗室的上位機，再通過上位編程對各種參數進行分析處理，就實現了一套從數據采集、數據傳輸、數據分析、數據存儲、遠程監控的完整流程，讓學生體會到虛擬儀器作為自動測試測量領域專業開發工具的優勢所在，掌握到該領域的一些前沿技術，此類專業實驗的實驗流程如圖1所示，只要改變傳感器類型、ZigBee組網方式和數據中心程序，就可以完成不同的專業實驗。在實驗內容安排上，我們追求量少質高。開設了幾個目前科研應用中比較常用的無線通信、遠程測控和故障診斷方面的實驗。譬如開設的“虛擬儀器與GPRS無線通信測試”實驗，就是由校級精品實驗項目轉化而來，旨在通過借助虛擬儀器的實驗平臺，快速搭建一套GPRS無線通信系統，模擬實際工程中無線通信的全過程，通過LabVIEW編程，設計出友好的人機交互界面，將無線通信的原理和過程直觀形象地展現出來，讓學生充分理解無線通信的原理和設計思想，在實驗室里就能接觸到要在科研項目或企業里才能用到的新技術。同時在課堂教學上將實驗中涉及到的物聯網技術進行講解，譬如ZigBee組網選擇、ZigBee組網協議、用于GPRS通信的TCP/IP協議等，講解時可結合項目實例進行，課堂上現場演示利用GPRS技術通過簡單編程實現手機短信和彩信的收發，讓學生能直觀地感受到所學課程的實用性和前沿性，讓學生從心底里產生要將這門課學好的沖動。
3教學效果
引入物聯網技術之前，由于無法開展專業性的實驗，使得很多理論無法得到實踐運用和驗證，學生只能通過編程練習數組函數、結構等基礎實驗，普遍感覺實驗比較空洞、枯燥，積極性不高，學生感覺不到該課程的工程應用價值，也體會不到虛擬儀器作為自動測試、測量領域專業開發工具的優勢所在。在將物聯網技術引入之后，使這一問題得到很大改觀。開設的實驗項目涉及的內容是目前很流行的無線通信領域，而且GPRS通信中還可以實現手機短信的接收和發送，所以學生的積極性都很高。另外，在項目的實驗過程當中，每組學生會對程序界面的設計和調試過程進行探討，所以實驗氛圍也很好。另外該類項目要求學生要對所做內容有個清晰的思路和具體實現方案，要求學生具備一定的編程能力和程序調試能力，所以對學生實踐能力的鍛煉，創新意識的培養、探究性思維的啟發都起到一定作用。
4結語
1虛擬儀器的特點和構成
1.1虛擬儀器的特點
與傳統儀器相比，虛擬儀器具有高效、開放、易用靈活、功能強大、性價比高、可操作性好等明顯優點，具體表現為：
智能化程度高，處理能力強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。用戶完全可以根據實際應用需求，將先進的信號處理算法、人工智能技術和專家系統應用于儀器設計與集成，從而將智能儀器水平提高到一個新的層次。
復用性強，系統費用低應用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構造多種不同功能的測試分析儀器，如同一個高速數字采樣器，可設計出數字示波器、邏輯分析儀、計數器等多種儀器。這樣形成的測試儀器系統功能更靈活、更高效、更開放、系統費用更低。通過與計算機網絡連接，還可實現虛擬儀器的分布式共享，更好地發揮儀器的使用價值。
可操作性強，易用靈活虛擬儀器面板可由用戶定義，針對不同應用可以設計不同的操作顯示界面。使用計算機的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡便、易于理解，測量結果可以直接進入數據庫系統或通過網絡發送。測量完后還可打印、顯示所需的報表或曲線，這些都使得儀器的可操作性大大提高而且易用、靈活。
1.2虛擬儀器的構成
虛擬儀器的構建主要從硬件電路的設計、軟件開發與設計2個方面考慮。
硬件電路的設計主要根據用戶所面對的任務決定，其中接口設計可選用的接口總線標準包括GPIB總線、VXI總線等。推薦選用VXI總線。因為他具有通用性強、可擴充性好、傳輸速率高、抗干擾能力強以及良好的開放性能等優點，因此自1987被首次推出后迅速得到各大儀器生產廠家的認可，目前VXI模塊化儀器被認為是虛擬儀器的最理想平臺，是儀器硬件的發展方向。由于VXI虛擬儀器的硬件平臺的基本組成是一些通用模塊和專用接口。因此硬件電路的設計一般可以選擇用現有的各種不同的功能模塊來搭建。通用模塊包括：信號調理和高速數據采集；信號輸出與控制；數據實時處理。這3部分概括了數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，就能構成任何一種虛擬儀器。例如使用高速數據采集模塊和高速實時數據處理模塊就能構成1臺示波器、1臺數字化儀或1臺頻譜分析儀；使用信號輸出與控制模塊和實時數據處理模塊就能構成1臺函數發生器、1臺信號源或1臺控制器。專用接口是針對特定用途儀器需要的設計，也包括一些現場總線接口和各類傳感器接口。系統的主要硬件包括控制器、主機箱和儀器模塊。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、嵌入式計算機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、存儲器器件和擴展器件。存儲器器件不過是專用寄存器基器件，用來保存和傳輸大量數據。擴展器目前是備用件，為今后新型器件提供發展通道。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，是在低層用二進制信息編制程序。他的明顯優點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行通信的。這種高速通信可以使測試系統吞吐量大大提高。因此，寄存器基器件適用于虛擬儀器中信號/輸出部分的模塊（如開關、多路復用器、數/模轉換輸出卡、模/
數轉換輸入卡、信號調理等）。消息基器件與寄存器基器件不同，他在高層次上用ASCII字符進行通信，與這種器件十分相似是獨立HPIB儀器。消息基器件用一組意義明確的“字串行協議”相互進行通信，這種異步協議定義了在器件之間傳送命令和數據所需的掛鉤要求。消息基器件必須有CPU（或DSP）進行管理與控制。因此，消息基器件適用于虛擬儀器中數字信號處理部分的模塊。
軟件的開發與設計包括3部分：VXI總線接口軟件、儀器驅動軟件和應用軟件（軟面板）。軟件結構如圖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庫等。該軟件在編程語言和VXI總線之間建立連接，提供對VXI背板總線的控制和支持，是實現VXI系統集成的基礎。
儀器驅動程序是完成對某一特定儀器的控制與通信的軟件程序，也即模塊的驅動軟件，他的設計必須符合VPP的2個規范，即VPP3.1《儀器驅動程序結構和模型》和VPP3.2《儀器驅動程序設計規范》。
“軟面板”設計就是設計具有可變性、多層性、自、人性化的面板，這個面板應不僅同傳統儀器面板一樣具有顯示器、LED、指針式表頭、旋鈕、滑動條、開關按鈕、報警裝置等功能部件，而且應還具有多個連貫操作面板、在線幫助功能等。
2虛擬儀器在數據采集中的應用
利用虛擬儀器制作數據采集器可以按照硬件設計、軟件設計兩個步驟來完成。
2.1硬件設計
硬件設計要完成以下內容：
1)模/數轉換及數據存儲
設置具有通用性的數據自動采集系統，一般應滿足能對多路信號盡可能同步地進行采集，為了使所采集到的數據不但能夠在數據采集器上進行存儲，而且還能及時地在采集過程中將數據傳送到上位機，選用存儲量比較適中的先進先出存儲器，這樣既能滿足少量數據存儲的需要，又能在需要實時傳送數據時，在A/D轉換的同時進行數據傳送，不丟失任何數據。)VXI總線接口
VXI總線數據采集器通?？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單的讀寫來控制儀器硬件的操作。利用消息基接口進行設計，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通道控制的要求，使通道的數量足夠多，通道的選取比較靈活，可以利用寄存器電路、可預置計數器電路以及一些其他邏輯電路的配合，將采樣通道設計成最多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束采樣，只要截止通道號大于起始通道號就可以了。整個控制在虛擬儀器軟面板上進行操作，通過消息基接口將命令寫在這部分的控制寄存器中，從而設置計數器的初值以及采樣的通道總數。
4)定時采樣控制
由于不同的自動測試系統對采樣時間間隔的要求不同，以及同一系統在不同的試驗中需要的采樣時間間隔也不盡相同，故可以采用程控的方式將采樣時間間隔設置在2μs~13.0ms之間任意選擇，可以增加或減少的最小單位是2μs。所有這些選擇設置可以在虛擬儀器軟面板上進行。
5)采樣點數控制
根據不同測試系統的需求，將采樣點數設計成可在一個比較大的范圍中任意選擇，該選擇同樣是在軟面板上進行。
6)采樣方式控制
總結各種自動測試系統的采樣方式不外乎軟件觸發采樣和硬件觸發采樣。在硬件觸發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進行的或等轉速差進行的。所有這些采樣方式，對于數據采集器來說都可以在軟面板上進行選擇。
2.2軟件設計
軟件是虛擬儀器的關鍵，為使VI系統結構清晰簡潔，一般可采用組件化設計思想，將各部分彼此獨立的軟件單元分別制成
標準的組件，然后按照系統的總體要求組成完整的應用系統，一個標準的組件化的虛擬儀器軟件系統，如圖3所示。
應用軟件為用戶提供了建立虛擬儀器和擴展其功能的必要工具，以及利用PC機、工作站的強大功能。同時VPP聯盟提出了建立虛擬儀器標準結構庫（VISA）的建議，為虛擬儀器的研制與開發提供了標準。這也進一步使由通用的VXI數據采集模塊、CPU/DSP模塊來構成虛擬儀器成為可能。
基于虛擬儀器的數據采集器的軟件包括系統管理軟件、應用程序、儀器驅動軟件和I/O接口軟件。以往這4部分需要用戶自己組織或開發，往往很困難，但現在NI公司提供了所有這四部分軟件，使應用開發比以往容易得多。
下面簡單介紹以NI公司的LabWindows/CVI為開發環境，來進行VXI虛擬儀器的驅動程序開發的方法。
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者利用LabWindows/CVI的用戶界面編輯器為儀器模塊設計的一個圖形用戶界面（GUI）。一個LabWindows/CVI的GUI由面板、命令按鈕、圖標、下拉菜單、曲線、旋鈕、指示表以及許多其他控制項和說明項構成。
第二步：LabWindows/CVI事件驅動編程。應用程序開發環境LabWindows/CVI中設計一個用戶接口，實際上是在用戶計算機屏幕上定義一個面板，他由各種控制項（如命令按鈕、菜單、曲線等）構成。用戶選中這些控制項就可以產生一系列用戶接口事件（events）。例如，當用戶單擊一個命令按鈕，這個按鈕產生一個用戶接口事件，并傳遞給開發者編寫的C語言驅動程序。這是運用了Windows編程的事件驅動機制。LabWindows/CVI中使用不同類型的控制項，在界面編輯器中將顯示不同類型的信息，并產生不同操作的接口事件。在LabWindows/CVI的開發平臺中，對事件驅動進行C程序編程時可采用2種基本的方法：回調函數法和事件循環處理法。
回調函數法是開發者為每一個用戶界面的控制項寫一個獨立的用戶界面的控制函數，當選中某個控制項，就調用相應的函數進行事件處理。在循環處理法中，只處理GUI控制項所產生的COMMIT事件。通過GetUserEvent函數過濾，將所有的COMMIT事件區分開，識別出是由哪個控制項所產生的事件，并執行相應的處理。
第三步：應用函數/VI集與應用程序軟件包編寫。應用函數/VI集需針對具體儀器模塊功能進行編程，應用程序軟件包只是一些功能強大、需要完善的數據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結語
本文探討了虛擬儀器的基本組成，以及實際的虛擬儀器軟硬件設計的一般方法，這些方法經過實際設計工作運用證明是可靠的，可供系統工程技術人員在組建具體的基于VXI總線的虛擬儀器數據采集、測試時參考使用。
參考文獻
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2］陳光禹.VXI總線測試平臺［M］.北京：電子科技大學出版社,1996
3］孫昕，張忠亭，薛長斌.集成VXI總線自動測試系統的方法［J］.測控技術,1996,15(4)
關鍵詞：虛擬儀器，動態切削力，測量，應用
引言
切削力是切削過程中的一個最基本的作用和現象，它不僅是描述切削過程的基本參數，而且也是設計和使用機床、夾具、刀具，制定工藝規程以及評定切削加工性不可缺少的數據。動態切削力的變化規律是研究切削機理和機床動剛度的重要依據。碩士論文，應用。在現代制造工程中(包括柔性制造系統、計算機集成制造系統，無人化工廠等)，切削力是狀態監測的重要參數。在機械加工領域的基礎和應用研究中，常常需要能夠對切削力進行測試的裝置，即各種類型的測力系統.它不但是進行相關試驗研究的重要工具，而且已逐步發展成為切削加工工藝系統的一個組成環節。
虛擬儀器(VI: Virtual Instrument)的概念由美國國家儀器公司(NI: National Instrument)于20世紀80年代末期提出。虛擬儀器是計算機、測量和微電子等技術高速發展的產物，由計算機應用軟件和儀器硬件組成。通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機地融合為一體，從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件實現對數據的顯示、存儲以及分析處理。
本文主要研究利用虛擬儀器實現測力儀數據采集與處理，與虛擬儀器技術相結合，開發出可以測量X,Y, Z三個方向的力。碩士論文，應用。
1 硬件組成
由虛擬儀器構建的測力系統與傳統電子儀器一樣，其功能由圖1所示的三大模塊成:信號采集與控制、信號分析與處理、信號顯示與輸出。
圖1 虛擬儀器構建的測力系統功能結構圖
利用虛擬儀器實現測力儀數據采集與處理，它主要由以下幾部分組成：測力儀、應變儀、數據采集卡、計算機和系統軟件（如圖2）。
圖2 測力儀數據采集與處理系的功能圖
基于數據采集的虛擬儀器系統，通過A/D變換將模擬、數字信號采集入計算機進行分析處理顯示等，并可通過A/D變換實現反饋控制。根據需要還可加入信號調理和實時DSP等硬件模塊。利用儀器實現虛擬儀器系統，VXI總線為新型計算機查卡式儀器提供了標準。碩士論文，應用。計算機完成對采集到的數據進行顯示、存儲、打印、分析和處理等功能，提供給用戶一個簡潔直觀的動態切削力測量過程。
2 軟件組成
軟件結構由三部分組成：I/O接口軟件、儀器驅動程序和測力系統環境。碩士論文，應用。
I/O接口軟件存在于儀器與儀器驅動程序之間，是一個完成對儀器內部寄存器單元進行直接存取數據并為儀器與儀器驅動程序提供信息傳遞的底層軟件層，是實現開放的、統一的虛擬儀器系統的基礎和核心。
儀器驅動程序：主要是用于完成儀器硬件的通信及控制功能。碩士論文，應用。當設備驅動后，由軟件進行數據的分析整理而實現測量功能，并求去測量結果。碩士論文，應用。
測力系統環境：基于語言平臺，如C、Visual C＋＋、VB等；基于圖形化工程環境平臺，如LabVIEW等。
測力開始時先必須對測力儀加載以標定（以X方向加載力為例）。作為一個非理想的多向測力系統，當在X方向加載力時，Y方向、Z方向也會有不同程度的干擾輸出，本試驗所得數據如表1：
表1 X方向加載時數據表
