基于虚拟仪器的轮胎硫化温度、压力控制系统设计——数据库部分软件设计.doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它基于虚拟仪器的轮胎硫化温度、压力控制系统设计 数据库部分软件设计摘要硫化是制造轮胎的最后工序，硫化质量的好坏，直接关系轮胎产品的质量和成品合格率。轮胎硫化的三要素为时间、温度和压力。因此，在实际生产过程中需要实时的对温度和压力的数据进行采集、观察、存储、历史数据查询及远程访问操作，便于更好的控制轮胎硫化过程。虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器” 。其优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。它功能强大，操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程。基于虚拟仪器的轮胎硫化温度、压力控制系统设计数据库部分软件设计是以虚拟仪器为基础，数据库为中心，数据采集和管理重点。由LABVIEW软件编程结合数据采集硬件来实现的。实现轮胎硫化过程中对温度、压力的实时数据进行管理和操作及远程访问操作。关键词：轮胎硫化；虚拟仪器；数据库；LABVIEWAbstractVulcanization is the final process of manufacturing tires,and the quality of vulcanization has a direct influence on the quality of tires and percent of pass of finished products.Three elements forTire vulcanization are time, temperature and pressure. Therefore,during the production process we need prompt collection,observation and storage of data about temperature and pressure,historical data inquiries and remote access operations,to facilitate better control of tire vulcanization.Technologically the core idea of Virtual Instrument is "software is equipment".Advantage lies in that its exclusive equipment systems can be designed by users themselves. Also,it is flexible in function and easy to build,so it is widely used.Its power is great;operation flexible; interface fully graphical;style simple,and in line with the customary use of traditional equipment.Yet the user can not quickly grasp the rules without training.On account of the tire vulcanization temperature and pressure control system design of Virtual instrument-database software design is based on virtual instrument,with database as its centre,and data acquisition and management its focus.And its completed by LABVIEW software programming when combined with data acquisition hardware,and meanwhile in Tire vulcanization the realization of data management and operation of the temperature and pressure of real-time and operation of remote access are achieved.Key words:tire curing;virtual instrument;database;LABVIEW55目 录摘要IAbstractII目 录III第一章 绪论11.1 引言11.2 课题背景11.2.1 轮胎硫化技术的发展11.2.2 虚拟仪器技术发展趋势21.3 本章小结41.3.1 本设计所做的工作41.3.2 本设计优点4第二章 轮胎硫化技术52.1 轮胎硫化的目的及意义52.2 轮胎硫化的方式及步骤52.2.1 硫化的方式52.2.2 硫化的步骤62.3 轮胎硫化的工艺要求72.4 硫化过程的主要问题8第三章 虚拟仪器103.1 虚拟仪器技术概述103.1.1 虚拟仪器的概念103.1.2 虚拟仪器的特点及优势103.1.3 虚拟仪器和传统仪器的比较113.1.4 虚拟仪器测试系统的组成123.1.5 虚拟仪器I/O接口设备133.1.6 虚拟仪器的软件结构153.1.7 虚拟仪器的开发语言153.1.8 图形化虚拟仪器开发平台LabVIEW163.1.9 基于LabVIEW平台的虚拟仪器程序设计163.2 数据库技术173.2.1 数据库技术173.2.2 数据库技术概述183.2.3 ADO与数据库的交互技术203.2.4 ACCESS数据库介绍20第四章 数据采集技术、信号测量及调理224.1 数据采集技术概论224.1.1 采集系统的一般组成及各部分功能描述234.2 信号调理254.2.1 信号处理254.2.2 输入信号的连接方式264.3 测量系统264.3.1 测量系统分类264.3.2 选择合适的测量系统284.4 数据采集卡的选择304.4.1 数据采集卡的主要性能指标304.4.2 数据采集卡(DAQ卡)的组成314.4.3 NI PCI-6221数据采集卡314.5 传感器和变送器选择324.5.1 测温原理324.5.2 扩散硅式差压变送器344.6 系统的软件总体框图和硬件执行结构图354.6.1 系统总体框图354.6.2 系统的硬件结构图35第五章 LABVIEW设计前面板实现的功能及布局375.1 前面板实现功能375.2 前面板分布及布局设计375.2.1 登陆系统375.2.2 采集通道配置375.2.3 实时数据显示385.2.4 历史数据查询385.2.5 预设参数设置385.3 LABVIEW的WEB远程控制405.3.1 WEB服务技术405.3.2 通过网页连接远程VI面板40第六章 系统具体应用程序的实现426.1 总体规划426.2 各部分程序分块设计426.2.1 登陆系统模块426.2.2 数据采集模块设计436.2.3 信号处理模块设计456.2.4 实时数据显示模块设计456.2.5 预设参数模块设计466.2.6 数据存贮模块设计466.2.7 历史数据查询48第七章 系统调试49第八章 总结50参 考 文 献51致 谢53第一章 绪论1.1 引言基于虚拟仪器的轮胎硫化温度、压力控制系统设计数据库部分软件设计的主要功能为能够对轮胎硫化温度、压力控制原始数据进行采集、保存、分析、远程访问等。因此，在轮胎硫化过程中本课题必须实现通过虚拟仪器板卡实现对轮胎硫化过程中的温度、压力数据进行采集，实时观测，数据存储，远程访问。从而达到对轮胎硫化过程的监测和控制。1.2 课题背景1.2.1 轮胎硫化技术的发展轮胎硫化是轮胎加工生产过程中很重要的一部分，橡胶在未硫化之前，分子之间没有产生交联，因此缺乏良好的物理机械性能，实用价值不大。当橡胶进行硫化以后，经热处理或其他方式能使橡胶分子之间产生交联，形成三维网状结构，从而使其性能大大改善，尤其是橡胶的定伸应力、弹性、硬度、拉伸强度等一系列物理机械性能都会大大提高。传统控制硫化过程的方法是定时控制，这种方法是假定橡胶硫化的过程中模柜内温度和压力保持恒定，但是由于锅炉蒸汽压力波动以及蒸汽在管道中传输温度递减等因素的影响，硫化温度很不稳定。这样生产出的轮胎，经常出现过硫化和欠硫化现象，另外工人的劳动强度大，资源浪费严重。 现代控制硫化过程的方法是根据蒸汽管道内的温度实时调整硫化时间的等效硫化控制。大部分现有系统对轮胎硫化过程中采集的温度、压力数据和分析结果采用打印方式直接输出后归档保存，再采用手工方式管理。其余的将数据和结果存入文件系统，采用文件方式进行管理。这两种数据管理方式都存在一定的缺陷和局限。手工方式无法处理大量数据且速度慢，易出错，效率极低。文件系统管理虽然比手工管理有了很大改进，但是存在安全性差、数据冗余度大和不能对数据实现集中管理等问题。基于虚拟仪器的轮胎硫化温度、压力控制系统设计数据库部分软件设计是以数据管理为重点，由数据采集、数据存储、数据查看、数据维护和远程查看等几个部分组成。它是由计算机软件结合数据采集硬件来实现的，用户可以根据自己的需要任意选择配件和定义仪器的功能，因此它可以进行轮胎硫化过程中温度、压力的实时数据采集、数据存储、及远程访问，具有极大的灵活性和通用性。1.2.2 虚拟仪器技术发展趋势虚拟仪器是微电子、通信、计算机等现代科学技术高速发展的产物。自从1785年库仑发明静电扭秤，1834年哈里斯提出静电电表结构以来，电测仪表和电子仪器随相关技术的进步、仪器仪表元器件质量的提高和测量理论方法的改进得到飞速发展。有一种较普遍地说法将测量仪器的发展分为五个阶段，如图1.1所示。图1.1测量技术的发展从十九世纪初到二十世纪末，测量仪器经历了模拟仪器、电子仪器、数字仪器、智能仪器等阶段，发展到现在的虚拟仪器。模拟仪器主要有模拟式电压表、电流表等，这些仪表解决了当时对某些量的测量的需求。从二十世纪初到五十年代左右，测量仪器的材料性能得到改善出现了电子管，同时测量理论和方法与电子技术、控制技术相结合，出现了以记录仪和示波器为代表的电子仪表五十年代以后随着晶体管和集成电路的出现以及应用电子技术的发展将数字技术成功地应用到测量仪器。这时电子控制集成电路和计算机技术开始融为一体成为测量仪器的主要特征。七十年代初第一片微处理器问世，微型计算机技术从此发展迅猛，在其影响下测量仪器呈现出新的活力并取得了长足进步。伴随微电子技术、计算机技术、网络技术的迅速发展及在电工电子测量技术领域的应用，测量仪器也不断进步和发展，出现了智能仪器。智能仪器是将微机置于仪器内部，使仪器具有控制、存储、运算、逻辑判断及自动操作等智能特点，并在测量准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用能力及解决测量技术问题的深度和广度等方面都有明显的进步。这种内置微处理器的仪器，既能进行自动测试又能完成数据处理，可取代部分的脑力劳动。随着电子技术、微计算机技术的发展，智能仪器的智能水平不断提高。但是在数字化仪器、智能仪器阶段基本上没有摆脱传统仪器那种独立使用、手动操作的模式，难以胜任更复杂、多任务的测量需求。为解决这样的问题，总线式仪器与系统应运而生。人们发明制造出CAMAC、RS-232和GPIB等多种仪器通讯接口总线，用于将多台智能仪器连在一起，以构成更复杂的测试系统。1982年美国西北仪器公司总裁德·伯克提出了微机化仪器的概念，也就是人们现在常提到的卡式仪器。卡式仪器是虚拟仪器的雏形，是将传统独立式仪器的测量电路部分与接口部分集合在一起制成仪器功能卡，将其插入微机的内部插槽或外部插件箱中形成的仪器。PC总线仪器系统是卡式仪器的一种，它是利用PC机内部的总线，把若干块仪器卡插在PC机内部或外部扩展机箱内而组成的。插卡总线机箱与PC机间的通信，可利用RS-232、GPIB接口总线或以太网电缆等进行。虽然许多厂家通过定义新的仪器总线，不断对卡式仪器进行改进，但其大多是在微机内总线的插槽上进行开发，没有统一标准，且各厂家生产的插卡尺寸大小不一，设备兼容性较差。在这种情况下，用户自然会提出标准化的要求。1987年，美国的惠普和泰克等5家公司在VME总线的基础上，联合提出了一种新型总线系统-VXI(VME eXtension For Instrumentation)总线，即由微机总线VME扩展而成的微机化仪器专用总线。1997年美国NI公司推出了一种新的仪器总线标准PXI总线标准。制定PXI规范的目的是为了将PC的性能价格比优势和PCI总线面向仪器领域的必要扩展结合起来，以期形成一种主流的虚拟仪器测试平台。相对VXI仪器，按PXI总线标准制成的PXI仪器具有成本低、便于组成便携式测试系统等优点。这些以PC为核心、由测量功能软件支持，具有虚拟控制面板、必要仪器硬件和通信能力的PC仪器或VXI仪器就是虚拟仪器。虚拟仪器技术的出现，使得用户可以自己定义仪器，灵活地设计仪器系统，满足多种多样的实际需求。随着虚拟仪器软件开发平台及硬件的发展，基于虚拟仪器的仪器系统的开发周期更短，费用更低，测量速度、准确度及可复用性提高，且更便于相应仪器系统的维护和扩展。当今社会正处于一个正在高速发展的状态中，要在有限的时空内实现大量的信息交换，随之而来的是信息密度急剧增大，因而在研究和生产过程中要求数据采集系统对信息的处理速度越来越高，功能越来越强。先进的数据采集系统，不仅希望设备能够单独进行数据采集，还希望他们之间能够互相通信，构成数据采集系统，甚至是测试网络系统，实现信息共享，以便对众多的被测信号进行对比、综合和自动分析、从而得出准确的判断。然而传统的数据采集仪器在此方面受到很大的限制。基于虚拟仪器技术的数据采集系统的提出在一定程度上解决了传统数据采集所面临的问题，虚拟仪器数据采集系统成为当今数据采集系统发展的重要方向。本文正是在虚拟仪器技术的基础上对多通道数据采集系统进行了设计，实现多路信号的采集，并对实验数据进行实时显示、记录、分析处理。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新趋势和新方向，并且是信息技术的重要领域扩充，对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响。1.3 本章小结1.3.1 本设计所做的工作本设计以两个采集通道进行设计，从传感器来的模拟输入信号，经过信号调理后，输入到NI PCI-6221数据采集卡，然后经过PCI总线送入PC机，由软件进行数据处理和采样波形的实时显示，并以一定的时间间隔插入数据库进行历史数据保存，边采集边保存，然后通过虚拟仪器的实现了历史数据的检索和WEB远程控制查询。1.3.2 本设计优点把数据库技术同虚拟仪器结合起来，既利用了虚拟仪器测量和数据分析能力强的特点，又能使其数据管理能力弱的缺点得以克服。数据库技术应用于虚拟仪器是一个很好的选择，但目前的应用还远未发挥其最大功能。尽管现在的虚拟仪器数据库系统都具有一定的数据分析能力，且在数据量小数据间关系不太复杂时是有效的，但随着测试系统越来越大型化、复杂化和综合化，传统的数据分析方法越来越显得力不从心，因而数据挖掘在虚拟仪器数据库系统中的应用是虚拟仪器数据管理的一个发展方向。第二章 轮胎硫化技术2.1 轮胎硫化的目的及意义轮胎硫化是轮胎加工生产过程中很重要的一个环节。橡胶在未硫化之前，分子之间没有产生交联，因此缺乏良好的物理机械性能，实用价值不大。当橡胶加入硫化剂以后，经热处理或其他方式能使橡胶分子之间产生交联，形成三维网状结构，从而使其性能大大改善，尤其是橡胶的定伸应力、弹性、硬度、拉伸强度等一系列物理机械性能都会大大提高。 硫化是制造轮胎的最后工序，硫化质量的好坏，直接关系轮胎产品的质量和成品合格率。自1839年美国人Goodyear发现橡胶硫化至今，人们对硫化所用材料和工艺以及硫化机理的研究从未间断过。硫化是一个微观的分子反应过程，由于混炼胶中原材料较多，性能各不相同，反应非常复杂，因此对硫化的研究一般都是采用对硫化后的胶料进行各种分析（如游离硫含量、溶胀、撕裂强度、永久变形及生热等），根据产品对各项性能（如耐磨、耐刺、耐热及耐油等）的要求不同，对配方、结构和硫化工艺进行适当的调整，从而达到设计要求。2.2 轮胎硫化的方式及步骤2.2.1 硫化的方式硫化工艺过程根据硫化介质的不同而有明显的区别，硫化介质主要给硫化过程提供温度和压力，硫化中，内温和外温通常不为同一热源，外温介质一般为蒸汽，内温介质一般分为“过热水”、“高温蒸汽”、“蒸汽/氮气”和“热氮”四种。国内轮胎厂家一般采用“过热水”和“蒸汽”作为内温介质。下面简要介绍四种内温硫化方式的基本步骤及优缺点。（1）过热水硫化。首先采用低压蒸气使轮胎定型，然后利用高压过热水进行硫化，硫化中温度一般为170180度，内压一般在2.22.6兆帕。它的优点是，硫化效果比较均匀，外观合格率较高，过热水性质稳定，不存在温度衰减等问题；缺点是，硫化温度低，时间长，效率低，设备不易于安装和维护。（2）高温蒸汽硫化。该方式直接将高压饱和蒸汽通入胶囊中，内压一般为1.61.9兆帕，内温一般为190210度。优点是，时间短，硫化效率高，饱和蒸汽使硫化中能耗降低，削减了设备投资；缺点是，对轮胎生产中其它工序的设备和装置有严格的要求，硫化中，内压偏低，容易造成局部压力不足。（3）蒸汽/氮气硫化。首先向胶囊中通入低压氮气或蒸汽进行定型，然后在通入190210度高压饱和蒸汽之后，再向胶囊中通入2.02.6兆帕高纯氮气进行增压硫化。优点是，与全蒸汽硫化方式相比，减少了蒸汽耗费，降低了能源消耗，增加了胶囊寿命，提高了合格率。（4）热氮硫化。将经过提纯和干燥后的氮气电加热至180度左右之后，再用压缩机将其加压至3.0兆帕，通过专用循环装置使其在胶囊内循环。目前，后两种硫化方式较前两种有明显的优势和更广阔市场前景。但在实际应用中，它们都有一些共同的问题需要考虑，如气体泄露、温差、温度下降等，其硫化工艺也尚存在一些不完善的地方，有待进一步从理论和实际两个方面着手改进。硫化工艺过程取决硫化介质，而硫化介质的选取必须综合考虑两个方面的因素，一是对轮胎各项物理机械性能的保证，如抓着力、耐久性能和外观质量等；二是要求能在生产过程中降低成本，提高生产效率，减少能耗和环境污染。2.2.2 硫化的步骤 各轮胎公司采用的硫化步骤不尽相同，但主要由以下步骤组成： （1）通高温饱和蒸汽 （2）充填水（视情况而定） （3）通过热水 （4）热水回收 （5）通冷却水（视情况而定） （6）主排 （7）抽真空 （8）开模 第3步可采用3种方式：循环、半循环或不循环，需根据实际情况进行选取。 第4步可采用两种方式：用高压蒸汽把胶囊中的过热水赶回除氧器或设置一热水回收罐。 第6和7步可采用单路或双路。 第8步的开模压力一般设置为0.03MPa。全蒸汽硫化一般有两种方式：高温蒸汽进加热排或高温蒸汽进，然后主排，再抽真空；高温蒸汽进加热排，然后低压蒸汽进，再主排、抽真空。其中热排是为了把胶囊中的冷凝水排出。充氮气硫化还需要增加两个步骤，即放气（排出胶囊下部的低温氮气）和查漏（关闭所有阀门，看内压有无下降，以观察有无阀门泄漏）。由于主排时间的长短直接影响到硫化效率，因此主排管径的设定和走向以及辅助措施（如安装排空管）对主排的效果至关重要。抽真空可采用蒸汽或动力水，只需将胶囊从胎里脱出并适当收缩，以便轮胎能轻松取出即可。若抽真空过度，胶囊会紧贴中心机构，上环下降时容易夹破胶囊（B型硫化机）。2.3 轮胎硫化的工艺要求1）本控制系统可设定的硫化曲线，随时可供观察轮胎硫化工程中实际温度、压力变化和设定的曲线进行比较。图2.1分别为温度压力设定曲线。 图2.1 温度控制曲线 图2.2 压力控制曲线2）当温度达不到要求时，根据公式自动计算等效硫化时间，自动进行等效硫化。等效硫化公式（其中硫化温度系数可调）如下：1/2=K (t2-t1)/101温度为t1的硫化时间2温度为t2的硫化时间K硫化温度系数（该系数根据产品不同为可变值）（3）温度控制精度为±1（0160）4）蒸汽压力控制精度±0.02Mpa5）测温输入点为9点，即罐体上，中，下各3点。每一测温与同层的实际误差保证在±1以内。6）罐体上、下的温度差超过输入的设定温度时，自动排放罐底冷凝水，保证硫化罐体内温度的平稳性、均一性，在排放冷凝水后一分钟内允许有±2的误差。2.4 硫化过程的主要问题目前，轮胎生产的硫化过程面临着两个主要问题。1）如何提高轮胎内部各点硫化程度的均匀性。由于橡胶是热的不良导体，硫化中，靠近热源的轮胎表面温度变化较快，而内部温度变化较慢，造成了轮胎内外硫化程度的不均匀。同时，轮胎内部各部分的组成材料是不同的，图2.3为轮胎的截面图。其中，胎冠是整个轮胎温度最高、厚度较大的部位，主要包括气密层、胎体和钢丝带束层等几个部分，各部分材料的物性差别很大；胎肩是轮胎中厚度最大的部位，其组成材料种类较多，传热过程很复杂，最容易“欠硫”；胎侧是轮胎中最薄弱的部位，它最易“过硫”。轮胎内部组成材料的不均匀必然导致其内部温度上升速度的不均匀，最终使得其内部各区域硫化程度的不均匀。 图2.3 轮胎截面图2）如何准确确定轮胎的硫化时间。硫化中，外界条件一般存在一定的波动，它对轮胎的硫化效应影响很大。常规硫化时间采用固定周期法，不考虑硫化过程边界条件的波动情况，每个轮胎的硫化周期都是同一设定值，硫化时间整定按系统参数变化最坏的情况进行，采取“宁过勿欠”的方针，这必然导致多数情况下轮胎过硫，从而影响产品质量和硫化效率。对于问题（1），通过国内外学者的大量研究，一般从两方面来解决，一方面通过制定新的材料配方，使硫化过程中轮胎内部各区域的温度上升速度基本一致；另一方面，通过在硫化前对轮胎进行预热，使硫化开始时，轮胎内部保持较高的温度，从而加快轮胎内部各点的硫化速度，以达到硫化程度的内外均。对于问题（2），需将固定周期修改为可变周期，每个轮胎的硫化时间需根据外界条件的波动而动态确定。第三章 虚拟仪器3.1 虚拟仪器技术概述3.1.1 虚拟仪器的概念虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司（National Instruments）最先提出的。所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统之中；可自由构建成专有仪器系统。虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器。虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器” 。该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分。虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器（包括GPIB、RS-232等传统仪器以及新型的VXI模块化仪器）为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件（处理器、存储器、显示器）和测量仪器（频率计、示波器、信号源）等硬件资源与计算机软件资源（包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及图形用户界面）有机的结合起来。3.1.2 虚拟仪器的特点及优势虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心，如图3.1所示，其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。虚拟仪器中应用程序将可选硬件（如GPIB，VXI，RS-232，DAQ板）和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。源代码库函数为用户构造自己的虚拟仪器（VI）系统提供了基本的软件模块。由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的VI系统而不丢失己有的硬件和软件资源。图3.1虚拟仪器开发框图虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。虚拟仪器技术十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器” 。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程。3.1.3 虚拟仪器和传统仪器的比较虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势（如表3-1所示）。在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的，甚至不可思议的工作。1）传统仪器的面板只有一个，上面布置了种类繁多的显示和操作元件。由此导致许多识读和操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化和面板布置的简洁化，从而提高操作的正确性和便捷性。同时，虚拟仪器的面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受标准元件和加工工艺的限制，由编程来实现，设计者可以根据用户的要求和操作需要来设计仪器面板。2）在通用硬件平台确定后，软件取代传统仪器中由硬件完成的仪器功能。3）仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义，不是事先由厂家定义的。4）仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，不需购买新仪器。5）虚拟仪器开放、灵活，与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。6）由于其以PC为核心，使得许多数据处理的过程不必像过去那样由测试仪器本身来完成，而是在软件的支持下，利用PC机CPU的强大的数据处理功能来完成，使得基于虚拟仪器的测试系统的测试精度、速度大为提高，实现自动化、智能化、多任务测量。7）可方便地存贮和交换测试数据，测试结果的表达方式更加丰富多样。8）虚拟仪器在高性价比的条件下，降低系统开发和维护费用，缩短技术更新周期。表3-1 虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器传统仪器开发维护费用低开发维护费用高技术更新周期短（0.51年）技术更新周期短（510年）软件是关键硬件是关键价格低价格昂贵开放、灵活与计算机同步，可重复用和重配置固定可用网络联络周边各仪器只可连有限的设备自动化、智能化、多功能、远距离传输功能单一，操作不便近年来，随着网络技术的发展，己经形成了网络虚拟仪器。这是一种新型的基于Web技术的虚拟仪器，使得虚拟仪器测试系统成为Internet/Intranet的一部分，实现现场监控和管理。在当前流行的C/S/D网络模式下，利用嵌入式技术（包括数据库嵌入和网络模块的嵌入）可以充分利用有效资源，提高测试效率。3.1.4 虚拟仪器测试系统的组成虚拟仪器是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。这种结合基本有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能，虚拟仪器主要是指这种方式。虚拟仪器的组成与传统仪器一样，主要由数据采集与控制、数据分析和处理、结果显示三部分组成。如图3.2所示。图3.2虚拟仪器的内部功能的划分对于传统仪器，这三个部分几乎均由硬件完成；对于虚拟仪器，前一部分由硬件构成，后两部分主要由软件实现。与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化，设计工作量大大减小。通常虚拟仪器测试系统硬件组成部分是由传感器部件、信号调理及信号采集部件（如外置或内置数据采集卡、图形图像采集卡及摄像机及其用于辅助测量并能与计算机通讯的常规仪器等）、通用计算机、打印机等构成。系统软件部分通常用专用的虚拟仪器开发语言（如LabVIEW）编写而成，并可通过Internet实现网络扩展。3.1.5 虚拟仪器I/O接口设备I/O接口设备主要用来完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。可根据实际情况采用不同的I/O接口硬件设备，如数据采集卡/板(DAQ)、GPIB总线仪器、VXI总线仪器、串口仪器、USB等。虚拟仪器的构成主要有五种类型，如图3.3所示。图3.3 虚拟仪器构成方式1）DAQ(Data Acquisition)数据采集卡是指基于计算机标准总线(如ISA、PCI、USB等)的内置功能插卡。其中USB是最新技术的数据采集卡，具有精度高，可携性好等优点，它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性；利用DAQ卡可方便快速地构建虚拟仪器系统。在性能上，随着A/D转换技术，滤波技术和信号调理技术的发展，DAQ卡的采样速率已达1GB/s，精度高达24位，通道数高达64个，并具有数字I/O，模拟I/O和计数器/定时器等通道。各仪器厂家生产了大量的DAQ卡功能模块供用户选择，如示波器、串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等。在计算机上挂接多个DAQ功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有多功能的测试仪器。这种基于计算机的仪器，既具有高档仪器的测量品质，又能满足测量需求的多样性。对我国大多数用户来说，它具有很高的性能价格比，是一种特别适合我国国情的虚拟仪器方案。2）GPIB(General Purpose Interface Bus)通用接口总线，是计算机和仪器的标准通信协议。GPIB的硬件规格和软件协议以纳入国际工业标准IEEE-488.1和IEEE-488.2，它是最早的仪器总线，目前多数仪器都配备了遵循IEEE-488的GPIB接口。典型的GPIB测试系统包括一台计算机，一块基于GPIB总线的接口卡和多台GPBI仪器软件及相应的传感模块硬件。每台GPIB仪器有单独的地址，由计算机控制操作。系统中的仪器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制软件作相应的改动。基于GPIB总线结构的接口卡数据传输速率一般低于500kb/s，不适合与对系统速度要求较高的应用。3）VXI(VME bus eXtension for Instrumentation )是VME总线在仪器领域的扩展，上个世纪1993年VXI总线1.4版本被批准为IEEE-1155标准，成为开放式工业标准。仪器专用总线在吸收IEEE-488的成功经验基础上，增加了10MHz时钟线，模拟和数字混合总线，星形总线等高速总线，定时关系严格，兼有计算机总线和仪器总线的优点。4）PXI(PCI eXtension For Instrumentation)是Compact PCI总线在仪器领域的扩展，是NI公司于1997年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。其核心是Compact PCI结构和Microsoft Wind