虚拟仪器技术毕业设计论文

虚拟仪器技术毕业设计论文内容摘要：

何测量系统都可分为数据采集、数据分析和处理、数据显示和输出三大模块，将这些模块分别用不同的硬件和软件实现，就可以构成不同的虚拟仪器系统。 虚拟仪器系统包括硬件和软件两要素。 硬件部分的功能是获取真实世界中的被测信号；软件部分的作用是实现数据采集、分析、处理、显示等功能，软件通常用专用的虚拟仪器开发语言编写。 所以，虚拟仪器系统可 13 以用一个简单的公式来表达：虚拟仪器系统 =计算机及其附件 +开发虚拟仪器的软件 +必要的硬件。 虚拟仪器的硬件 通常虚拟仪器测试系统的硬件包括传感器、信号调理、信号采集等 I/O接口设备和通用计算机。 计算机一般是 PC 机或工作站，是硬件平台的核心 ，是虚拟仪器系统的心脏和动力；传感器是测试系统获取信息的基础； I/O 接口设备完成被测信号的采集、放大、 A/D、 D/A 转换等。 虚拟仪器的形式取决于实际的物理系统和构成仪器的 I/O 接口的硬件类型，但都离不开计算机控制。 虚拟仪器测试系统的组成如图 21 所示。 虚拟仪器的硬件构成方式主要有五种类 14型： （ 1） PCDAQ（ DataAcquisition）系统：是基于计算机标准总线（如 ISA,PCI 等）的内置功能插卡，是以数据采 集卡、调理电路和计算机为硬件平台的插卡式虚拟系统。 （ 2） GPIB 系统：以 GPIB（ General Purpose Interface Bus）标准总 14 线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。 典型的 GPIB 测试系统包括一台计算机、一块 GPIB 接口卡和若干台通过 GPIB 电缆相连的 GPIB 仪器。 （ 3） VXI 系统：以 VXI(VME bus eXtension for Instrumentation)标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。 4） PXI 系统：以 PXI（ PCI eXtension for Instrumentation）标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。 （ 5） 串口系统：以 Serial 标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的虚拟仪器系统。 任何虚拟仪器系统，都是将仪器硬件搭载到 PC 机或工作站等计算机平台加上应用软件而构成的。 A/D 技术的发展使插入式 DAQ 卡发展很快，性能不断提高，得到广泛应用。 PCDAQ 式测试系统是构成虚拟仪器的最基本的方式，也是最廉价的方式。 虚拟仪器的软件 虚拟仪 器系统的软件结构包含以下三部分：应用程序开发环境、仪器驱动程序、输入输出（ I/O）接口软件。 （ 1） I/0 接口软件：存在于硬件和驱动程序之间，是最接近硬件的软件层，完成对硬件内部寄存器单元进行直接存取数据操作，为硬件和驱动程序提供信息传递的低层软件层，是实现开放统一的虚拟仪器系统的基础。 （ 2） 驱动程序层：是系统应用程序实现仪器控制的桥梁，一般以动态链接库或静态库形式供应用程序调用。 驱动程序的实质是为用户提供一个用 15 于仪器操作的较为抽象的操作函数集。 对于应用程序来说，它对仪器的操作是通过仪器驱动 程序来实现的。 （ 3） 应用程序开发环境：是完成测试系统数据的分析、计算、存储、显示、输出等任务，是虚拟仪器的核心和完成任务的关键。 应用程序开发环境是用于编写应用程序的编程工具，可由开发人员的喜好和测试需求进行选择。 虚拟仪器的特点 虚拟仪器是计算机技术在仪器仪表领域的应用所形成的一种全新的仪器设计概念，它与传统仪器相比显示出了众多的优点：尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件；可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器；用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。 虚拟仪器的开发平台 在虚拟仪器中，软件起着重要的作用，软件把整个测量系统连接起来。 虚拟仪器软件开发有三个准则：标准化、模块化和可重用性。 目前，最流行的趋势是图形化编程环境，其中 LabVIEW 应用较广。 面向仪器与测控过程的图形化开发平台 — LabVIEW LabVIEW 是 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 16 （实验室虚拟仪器工程平台）的缩写，主要用于仪器控制、数据采集、数据分析等领域。 它是一种基 于图形编程语言 — G 语言 (Graphical Programming Language)的可视化开发平 15台。 LabVIEW 程序称为虚拟仪器程序（ Virtual Instrument），简称为 VI。 一个 VI 程序包括三个主要部分：前面板、框图程序、图标 /连接器。 前面板（ Front Panel）是 VI 的交互式图形化用户界面，用于设置用户输入和显示程序输出（其中，用于让用户输入数据到程序中的控件称为“控制量”；用于显示程序输出的控件称为“指示量”），目的是仿真真实仪器的前面板。 LabVIEW 内部集成了大量的生成图形界面的模板，如：旋钮、开关、图形图表显示器和通用的文本框等。 通过这些控件可以很容易的完成面板设计，设计出的前面板可接收用户的控制信号和显示输出结果。 另外， LabVIEW 实现了开放性设计，允许用户自行设计面板素材。 框图程序（ Block Diagram）是利用图形语言对前面板上的控制量和指示量进行控制，也是 LabVIEW 作为 G 语言的集中体现。 LabVIEW 框图程序是基于数据流的处理方案，与传统的文 本式编程不同，框图程序与我们所熟悉的程序流程图思想非常相似。 一个框图程序由多个小“框图元”通过连线连接而成，每个“框图元”只有当所有输入信号都有效的条件下，才会输出信号。 图标 /连接器（ Icon/Connector）用于把 VI 定义成一个子程序（ Sub VI），以便在其它程序中加以调用，这使 LabVIEW 得以实现层次化、模块化编程。 在设计大型系统时，一步完成一个复杂系统的设计有相当的难度，所以设计者多采用模块设计，把一个复杂系统分为多个子系统，每一个都可以完成一定的功能。 17 LabVIEW 的 特点 LabVIEW 软件的特点可归纳为以下几点： （ 1） 图形化的仪器编程环境：使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面 [54]。 针对测控领域， LabVIEW 提供了大量的仪器面板中的控制对象，用户还可以通过控制编辑器将现有的控制对象修改成适合自己个性特点的控制对象； （ 2） 内置的程序编译器：它采用编译方式运行 32 位应用程序，解决了其他按解释方式工作的图形编程平台速度慢的问题，其速度大体相当于编译 C 的速度； （ 3） 并行机制：使用图标表示功能模块，使用连线表示数 据传递，使用为多数工程师熟悉的数据流程图式的语言编程，这样使得编程过程与思维过程非常相似； （ 4） 灵活的程序调试手段：用户可以在源代码中设置断点、单步执行源代码、在源代码中的数据流连线上设置探针，观察程序运行过程中数据流的变化等； （ 5） 支持多种系统平台：在 Windows NT/95， UNIX， HP 等系统平台上，NI 都提供了相应版本的软件，并且平台之间开发的应用程序可直接进行移值； （ 6） 强大的函数库：从基本的数学函数、字符串处理函数、数组运算函数和文件输入输出函数到高级 的数字信号处理函数和数值分析函数，可供用户直接调用； 18 （ 7） 开放式的开发平台：提供 DLL 接口和 CIN 节点来使用户有能力在 LabVIEW 平台上使用其它软件平台编译的模块； （ 8） 网络功能：它支持 TCP/IP， DDE， DataSocket 等功能。 风机性能试验概述 风机性能试验的原理和方法 风机总是与管网联合工作，气体在风机中获得外功时，其压力与流量之间的关系是按风机的性能曲线变化的。 而当气体通过管网时，其全压 — 流量（ PQ）关系又要遵循管网的性能曲 线，这样，风机的性能与管网的性能之间必须有如下关系： （ 1） 通过风机与管网的气体流量要完全相等； （ 2） 风机所产生的全压的一部分即静压 Ps 只用于克服管网中的阻力 H，全压的其余部分消耗在气流从管网出口时所具有的动压 Pd 上，风机的全压 P 等于管网的总阻力与出口动压损失之和，即 P=H+Pd。 图 22 风机压力与管网阻力之间的关系曲线图 要满足上述要求，整个装置只能在风机 PQ 曲线与管网性能曲线的交点 A 上运行。 在 A 点，两者的流量 Qm 相等，静压力与阻力 H 也相等， A 点称为工况点。 工况点是由风机静压曲线与管网性能曲线的交点来决定的，当管网性能曲线变为 H39。 、 H39。 39。 时工况点也随之改变，若风机的压力曲线不变，工况点就沿着压力曲线移动至 A39。 、 A39。 39。 风机性能测试正是基于这一原理，在 19 风机的某一恒定转速下 ，调节排气节流阀的开度，从而改变管网特性曲线、改变工况点，从而改变了风机的流量等参数，在各个对应的工况点下测定该风机的静压、动压、电机转速、轴功率等参数，通过计算得到各工况点的效率，进而绘制风机的性能曲线，包括流量 — 全压曲线（ QP）、流量 — 功率（ QN）曲线、流量 — 效率（ Qη）曲线、流量 — 静压（ QPs）曲线等，实现对该风机在一定转速下的性能标 16定。 由于风机内部流体运动的复杂性，至今还不能用理论的方法精确计算出它的 各种损失，因而不能准确的计算出各个性能参数，所以用计算的方法得到的性能曲线与实际工作性能曲线之间存在较大差异。 特别对于非设计工况，计算值与实际值的误差就更大。 因此，风机的工作性能参数要由试验得到，试验的目的在于确定工作风机的工作性能曲线，从而确定风机的工作范围，以便向用户提供可靠的使用数据和高效率的风机。 风机的性能参数 风机主要性能参数有流量、全压、功率、转速及效率  18~17等。 （ 1） 流量：单位时间内风机所输送 的流体量称为为流量，也称为风量。 常用体积流量 Q 表示，其单位为“ 3m /s”或“ h/m3 ”。 （ 2） 全压：单位体积的气体在风机内所获得的能量称为全压，也称为风压。 常用 P 表示，单位为 Pa。 （ 3） 轴功率：原动机传递给风机转轴上的功率，即为输入功率，又称为轴功率，常用 shN 表示，单位为 kW。 20 （ 4） 有效功率：单位时间内通过风机的气体所获得的总能量称为有效功率，常用 Ne 表示，单位 kW。 （ 5） 效率：风机输入功率不可能全部传给被输送气体，其中必有一部分能量损失，被输送的气体实际所得到的功率比原动机传递至风机轴端的功率要小，风机有效功率与轴功率之比称为风机效率。 常以 η 表示。 风机全压效率可达 90％。 风机效率越高，则气 shN 体从风机中得到的能量有效部分就越大，经济性就越高。 （ 6） 转速：风机轴每分钟的转速称为转速，常以 n 表示，单位为 r/min。 其中由传感器测得的参数有：风速、温度、湿度、相对静压（负压）、大气压力、风机转速和风机轴功率。 其它参数可以在此基础上通过公式求得。 通风机性能曲线的绘制 绘制通风机性能曲线，也就是风机的风量 风压曲线、风量 功率曲线和风量 效率曲线。 通风机运行参数列出如下： （ 1）风量 通风机风量指风机进口 (抽出式工作时 ) 或出口 (压入式工作时 ) 通过的空气流量 , 是断面上平均流速与面积的乘积 , 用 3m /S 表示。 在风机口附近风流较平稳的断面均匀地布置若干个风杯式风速传感器 , 风杯旋转可转换成频率信号并反映测点风速大小 , 各点风速平均值即得平均流速。 其中风速传感器的安装方式会在后面详细介绍。 （ 2）风压 通风机风压是对矿井内风流作功的压力。 对抽出式风机而言 , 其进口风道内静压低于风道外大气压 , 两者差的绝对值称相对静压（负压） , 用较先进的扩散硅压阻传感器测量 , 输出毫伏级信号。 这时 , 风机风压等于相对静压与该断面平均动压之差 , 单位是 Pa。 21 （ 3）大气参数 它包含 3 个量 : 有大气压 , 与风压类似。 还有温度和湿度 , 采用采用相应的传感器测得其值的大小。 （ 4）转速 风机转速采用非接触式红外光电传感器测量 , 红外光束射到机轴上 , 转动一周 , 轴上反射纸就返回一个光信号 , 经接收放大后的频率即转速 , 单位是 rPm , 精度为。 （ 5）电气参数 根据电工学中双表法原理 , 需测量任意两相的电压和对应相的电流 , 用于计算电动机的各项参数以及风机的输入功率。 风机性能参数指标 环境气压： 800hPa~1060 hPa； 环境温度： 0℃ ~50℃； 风速： ~20m/s，177。 (~)m/s； 压力： 0 Pa ~6000Pa(177。 10Pa)， 0 Pa ~2020Pa(177。 )； 电参数仪表： 级。 本系统采用以上标。