虚拟测试振动与控制实验装置

1. 简述虚拟仪器技术及LabVIEW编程课程的认识和理解

虚拟仪器--软件就是仪器
虚拟仪器, 虚拟示波器, 虚拟仪器技术, 虚拟仪器软件, 虚拟仪器开发, 虚拟仪器组成
一、引言
当前多媒体计算机、信息高速公路和计算机网络是计算机信息科学的三个重要发展方向。它们相互联系、相互促进、共同发展，已经渗透到人们日常工作、生活、学习、娱乐的各个方面，逐步地由办公室、实验室走向家庭。
虚拟现实是多媒体计算机的一个重要应用领域，多媒体技术是虚拟现实的技术基础。虚拟现实（Virtual Reality）是利用多媒体计算机技术生成的一个具有逼真的视觉、听觉、触觉及嗅觉的模拟现实环境。用户可以用人的自然技能对这一虚拟的现实进行交互体验，而用户体验到的结果－－该虚拟现实的反应与用户在相应的真实现实中的体验结果相似或完全相同。虚拟现实的概念包括如下三个层次的含义：
1、虚拟现实是利用计算机技术而生成的逼真的实体，人们对该实体具有真实的三维视觉、立体听觉、质感的触觉和嗅觉。
2、人们可以通过自然技能与虚拟现实进行对话，即人的头、眼、四肢等的各种动作在虚拟现实中的反应具有真实感。
3、虚拟现实技术往往要借助一些三维传感设备来完成交互动作，如头盔式立体显示器、数据手套、数据衣服、三维操纵器等。
虚拟现实技术虽然现在还处于初级阶段，但已在科学可视化、CAD、飞行器／汽车／外科手术、虚拟仪器等的操作模拟等方面得到了应用。已经在航空航天、国防军事、生物医学、教育培训、娱乐游戏、旅游等领域显示出广阔的应用前景。
虚拟仪器(Virtual Instrument--VI)是虚拟现实在仪器仪表领域中的一个重要应用，目前已在国际上悄然兴起。虚拟仪器是以多媒体计算机作为基础，使用图形界面编程技术，模拟实际仪器的面板、功能和操作，从而生成完成各种任务的专用仪器。

由于科学技术的高度发展，导致了各种功能强大、越来越复杂的仪器不断涌现，其中很多仪器都以计算机作为基础，出现了仪器计算机化的趋势，其主要表现为：

1、硬件与计算机的接口标准化
2、硬件软件化
3、软件模块化
4、模块控件化
5、系统集成化
6、程序设计图形化
7、科学计算可视化
8、硬件接口软件驱动化

由于计算机软、硬件技术的不断发展，加之实际应用的需要，使人们对虚拟仪器的兴趣越来越浓厚，研制虚拟仪器也成为了现实的可能。研制虚拟仪器主要源于以下目的：

1、节省仪器开发的时间和经费
2、充分利用计算机数据处理和分析的功能
3、统一仪器的用户界面
4、增强仪器的功能和适用范围
5、集成仪器的需要
6、使仪器容易扩展

虚拟仪器主要由以下几部分组成：

1、界面控件库
2、数据输入、输出
3、数据处理方法库
4、数据表示库
5、数据存储与管理
6、任意信号发生
7、图形界面编程环境

界面控件库中包括一些常用仪器的面板部件，如指示器、计量表、发光二极管、按钮、转盘、刻度盘、滑动条等，每个控件都带有可编程的函数与属性。
数据输入与输出是指从外部设备获取数据进入计算机或从计算机输出数据去控制外部设备，需要建立与数据采集板、串并口、以及其他标准化接口（IEEE-488、GPIB、RS-232、RS-422、SCSI、VXI等）通信的驱动软件，从而扩展仪器的适用
范围与应用领域。
数据处理方法库中集中了许多数据处理方法，如FFT计算、滤波、建模、参数估计等，并提供这些处理方法的编程接口，只需把这些方法简单的组合即可完成各种复杂的任务。
数据表示是指用一定的方式来显示数据和处理结果，其中包括数字显示、曲线显示、直方图、散点图、二维图形、三维网格图形、三维填充图形、四维图形、图象乃至动态图形或图象等，使得数据表示十分直观，易于理解。
数据存储与管理主要是指提供数据存储的格式、数据查询方法、数据浏览方法等。
信号产生是指根据需要产生任意信号，其中一些标准信号可以用于仪器测试和自检之用。
图形编程环境是指用户可以任意组合控件与方法，将其联接成一个整体，形成专用仪器的工具。利用虚拟仪器用户可以象搭积木一样很快生成所需要的各种仪器。

二、现有虚拟仪器与集成环境举例

1、MATLAB：高性能数值计算和数据分析软件

MATLAB是由美国Mathworks公司研制的高性能数值计算和数据分析软件。它已经成为工程和科学研究的工业标准，它具有独特的用户交互界面、复杂的数值计算、强大的数据分析、灵活的科学图形、快速的计算、方便的扩展等特点，是高产和创造性科学研究的首选软件。
MATLAB的基本功能有：
※ 矩阵运算
※ 矩阵分解
※ 矩阵特征值与特征向量计算
※ 信号卷积
※ 谱估计
※ 复数运算
※ 一维和二维FFT
※ 滤波器设计与滤波
※ 曲线拟合
※ 三次样条拟合
※ 贝赛尔函数
※ 非线性优化
※ 线性方程组求解
※ 微分方程

MATLAB包括的工具箱有：

※ 数字信号处理工具箱
※ 控制系统设计工具箱
※ 系统辨识工具箱
※ 自扩展工具箱

MATLAB包括的绘图函数：

※ 直方图
※ 散点图
※ 曲线图
※ 三维网格图
※ 三维填充图
※ 等值线图
※ 极坐标图形
※ X－Y绘图
※ 图象显示

2、DADiSP：科学家和工程师的数据分析与图形软件

DADiSP软件由美国DSP Development Corporation公司研制，主要作为科学家和工程师用于数据分析和图形显示工具。它包括以下功能：

※ 矩阵运算
※ 特征向量与特征值计算
※ 一维、二维FFT与卷积
※ 二维、三维、四维图形显示
※ 医学图象处理
※ 卫星遥感图象处理
※ 地震信号处理
※ 统计分析与处理
※ 实验设计
※ 假设检验
※ 滤波器设计
※ 声纳雷达信号处理
※ 语音与通信信号处理
※ 振动分析

3、MP100：医学信号采集与处理系统

MP100是由美国BIOPAC System公司研制的医学信号采集与处理系统，它与AcqKnowledge软件一起运行，提供灵活的、易于使用的模块化系统，使您能随心所欲的完成数据采集和分析任务。AcqKnowledge是一个功能强大、十分灵活的软件包，它使用下拉式菜单和对话框，无需学习另外的编程语言，就可以设计出复杂的数据采集、模拟、触发和分析系统。主要包括实时数据记录、分析和滤波，离线数据分析与处理，数据的各种图形表示等功能。该系统可以与虚拟仪器LabVIEW联接，提供可视化图形编程环境。它的主要应用领域有：

※ 运动生理学
※ 肌电信号记录
※ 心信电记录与分析
※ 脑电记录与分析
※ 诱发电位记录与分析
※ 眼震电图和眼球运动分析
※ 神经传导分析
※ 精神生理学
※ 药理学
※ 遥测监护

4、LabVIEW：图形编程虚拟仪器

LabVIEW是美国National Instrument Corporation公司研制的图形编程虚拟仪器系统。主要包括数据采集、控制、数据分、数据表示等功能，它提供一种新颖的编程方法，即以图形方式组装软件模块，生成专用仪器。LabVIEW由面板、流程方框图、图标/连接器组成，其中面板是用户界面，流程方框图是虚拟仪器源代码，图标/连接器是调用接口(Calling Interface)。流程方框图包括输入/输出（I/O）部件、计算部件和子VI部件，它们用图标和数据流的连线表示；I/O部件直接与数据采集板、GPIB板、或其他外部物理仪器通信；计算部件完成数学或其他运算与操作；子VI部件调用其他虚拟仪器。

5、LabWINDOWS/CVI：C语言编程的虚拟仪器

LabWINDOWS的功能与LabVIEW相似，且由同一家公司研制，不同之处是它可用C语言对虚拟仪器进行编程。

6、LabLinc V：模块化的虚拟仪器系统

LabLinc V由美国COULBOURN INSTRUMENTS公司研制的模块化虚拟仪器系统，它由基本单元、信号采集与处理、控制等模块组成，主要应用于生理学、生物医学和生物力学等领域中的数据采集、实时显示和过程控制等。

7、HyperSignal：可视化信号处理系统设计

HyperSignal由美国Hyperception公司研制的可视化信号处理系统设计软件，它使信号处理系统设计的过程可视化，同时使信号处理结果可视化。

8、Model900：灵活的数据采集与波形产生系统

Model900由美国Applied Signal Technology公司研制，提供高速大容量数据采集、波形产生等功能，使用虚拟仪器环境以节省开发时间和资金。

9、DASP：大容量数据自动采集与处理分析软件

DASP由东方振动和噪声技术研究所研制，主要用于科学实验数据记录与分析，多功能信号采集与分析，自动化数据采集、显示、读数、计算、分析、存储、打印、绘图等。

10、LabDoc：集成仪器软件包

LabDoc由日本康泰克电子技术有限公司研制，它具有多种测量仪器功能，通过图形用户界面和在线帮助，能提供容易操作的仪器画面。可以应用于实验室、生产线检查、教育与培训等领域，主要测试功能有：

※ 数字滤波
※ 脉冲发生
※ 函数发生
※ 波形发生
※ 调谐信号发生
※ FFT分析
※ 频率计

以上我们列举了十种目前比较流行的虚拟仪器和集成环境系统，其中以美国在这方面的工作最为出色，而我国在这方面才刚刚起步，尚未见到完整的虚拟仪器系统。由以上列举的例子可以看出，虚拟仪器具备如下特点：

※ 涉及较深奥的数值计算方法
※ 集成了信号处理与过程控制算法
※ 软、硬件模块互相独立
※ 具备二次开发的集成编程环境
※ 是多学科交叉、渗透的产物

三、虚拟医学信号处理仪器

医学信号范围十分广泛，其中常见的医学信号有心电、脑电、诱发电位、肌电、眼电、胃电、神经脉冲电位、血压、脉搏波、呼吸波、温度等信号，它们特点各
不相同，有各自的频带、幅度范围、干扰来源等，因而使得医学信号处理变得十分复杂。
无论哪种医学信号仪器，几乎都涉及到信号放大、采集、分析、处理、滤波等共同的任务，同时不同的信号又具有各自特殊的处理方法，这些共同性和特异性的有机结合，形成集成环境是虚拟仪器的基础。
由于多参数临床监护和综合诊断的需要，医学信号的采集处理仪器呈现出集成化的趋势，人们从研制单一功能的医学信号仪器转向研制多功能集成化仪器，然而这种集成化并非单功能仪的堆积组合，而是从不同单功能仪器中找出共同点和不同点，形成软、硬件模块，将医学信号处理仪器计算机化，构成医学信号处理仪器开发环境，即虚拟仪器。
虚拟医学信号处理仪器是一个颇具具前景的领域，许多医疗仪器公司都看好这一市场前景，投入大量的人力、物力和财力来从事这方面的研究与开发，前面提到的MP100医学数据采集系统和LabLinc V模块化虚拟仪器就是其中的杰出代表。
虚拟医学信号处理仪是开发生产各种医学信号仪的工具。对于开发者而言，就可以象搭积木似的很快生成专用仪器，节省大量的开发时间和资金；对于用户而言，可以少花钱，多买仪器。虚拟医学信号处理仪器为集成化多功能仪器的开发奠定了基础，而且可以把最新研究成果尽快的应用到仪器中来。另外，虚拟医学信号处理仪器可以用于对未知信号和信号未知特性的研究，达到快出成果、多出成果的目的。实际上，虚拟医学信号处理仪器也对当前远程医疗、医学电子图书等热门研究领域将起到推波助澜的作用。

四、虚拟仪器相关技术

1、数值计算

在虚拟仪器中，需要提供灵活的数据处理方法，这些方法可根据实际需要由用户通过编程来实现，为了简化编程的复杂程度和节省大量的开发时间，在虚拟仪器中应当尽可能多的提供各种数值计算程序，这些数值计算主要有以下几大方面：

※ 矩阵运算（加、减、乘、逆、转置)
※ 特征值与特征向量计算
※ 矩阵分解
※ 一元、二元插值
※ 数值积分和微分
※ 线性代数方程求解
※ 非线性方程求解
※ 拟合与逼近
※ 特殊函数
※ 回归与统计

2、数字信号处理

在复杂的仪器中，数字信号处理占有重要的地位，因而在虚拟仪器中集成各种数字信号处理方法十分必要，数字信号处理方法可分为几大类：

※ 信号预处理
※ 滤波器设计与滤波
※ 经典谱估计
※ 现代谱估计
※ 相关与卷积
※ 离散变换
※ 数字特征计算
※ 常用信号发生
※ 信号建模
※ 数据压缩

3、计算机图形、图象学

图形和图象是复杂仪器中大量数据的直观表示，例如静态和动态脑电地形图，物体表面温度分布图，电磁场分布图等，它可把原本十分抽象的数据转换成人们易于理解的直观表示；另外，数据及其分析结果人们也习惯于用曲线、直方图、三维图形、等高线图等来表示。所以在虚拟仪器中，建立这些数据的图形、图象表示模块是十分必要的。

4、科学计算可视化

前面提到，复杂大量数据的图形、图象表示在虚拟仪器中十分重要，然而由数据到图形的映射并不是简单的事情，这就是近年来发展起来的科学计算可视化的研究课题。
科学计算可视化的根本目的是把由实验或数值计算获得的大量数据转换成人的视觉可以感受到的计算机图象。利用图象把大量抽象的数据有机的组织到一起，从而形象、生动地展示数据所表示的内容以及它们之间的相互关系，帮助人们直接把握复杂的全局，更好地发现和认识规律，摆脱复杂大量抽象数据的困惑。虚拟仪器中科学计算可视化的引入，将给人们展示出仪器的无限魅力，使仪器具备处理和分析大量复杂数据的能力。

5、面向对象的可视化编程

虚拟仪器是一个集成编程环境，用它人们可以很快地生成自己所需要的复杂仪器。所以虚拟仪器既要可编程又要操作简单，因而人们把面向对象的可视化图形编程技术引入到虚拟仪器中来。在虚拟仪器中集成了许多功能强大的部件，这些部件用直观的计算机图形表示，每个部件都有相应的可控属性、操作和函数，人们只需把这些部件在计算机屏幕上布置好，设置好相应的属性，以及它与其他部件的连接关系，即可生成构成相应功能的仪器。

五、小结

虚拟仪器是当前国内外刚刚起步的研究领域，许多高技术公司和研究所都看好这一市场应用前景，纷纷投入大量的人力、物力和财力，加紧开发与研究。虚拟仪器是多媒体计算机的一个重要应用领域，是多学科交叉、渗透的产物，其中浓缩了许多高、精、尖的科学技术。虚拟仪器不是仪器却高于仪器，它大大缩短了新型仪器的开发周期，节省了仪器开发的费用，它不仅是开发仪器的工具，而且也是进行科学研究的有力手段。虚拟仪器是仪器计算机化的产物，是集成化仪器的基础，是仪器行业的一场革命，它的研制与开发具有深远的意义。

2. 电机综合试验台

HSXM-690S全自动电机综合试验台

产品简介：

科学技术的发展对电机性能和质量指标提出了越来越高的要求，电机测试技术的发展与电机工业的发展是密切相关的。电机试验是对电机装配质量及技术性能综合评价的重要环节，是电机制造和生产的重要工序。传统的试验设备和方法由于操作时间长，需观测的仪器多，人工读取测试数据和进行数据分析、计算，在一定程度上影响了电机试验的质量和精度。随着目前电机设计水平、工艺水平的进一步提升，以及电机原材料的性能不断提高，电机的性能和质量指标有了很大的提高。因此，对电机测试技术的要求也日益提高。

近年来，随着科技水平的进步，提高电机试验测试效率、降低操作人员劳动强度、提高测试精度和试验质量势在必行，而由于测试理论的丰富、测试手段的进步、从来设备精度的提高以及自动化测试系统和电子计算机在测试中的广泛应用，电机的测试技术也确实有了突飞猛进的发展。

电机试验是利用仪器、仪表及相关设备，按照相关的规定，对电机制造过程中的半成品和成品，或以电机为主体的配套产品的电气性能、力学性能、安全性能及可靠性等技术指标进行的检验。通过这些检验，可以全部或部分的反映被试电机的相关性能数据，用这些数据，可以判断被试电机是否符合设计要求、品质的优劣以及改进的目标和方向。电机试验及检测是电机研究、生产和维修过程中不可缺少的重要环节。因此，对于从事电机研究、生产或维修的单位来说，具备一套符合要求的电机试验检测设备是非常有必要的。

HSXM-690S全自动电机综合试验台采用了先进的虚拟仪器技术，把计算机强大的计算能力和仪器设备的硬件测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对试验的控制和资料的运算、分析、处理、显示、打印及存储，使系统功能渊源超过一般仪器的简单组合，特别是在结果保存、波形存储、同步测量、试验报告生成、系统的扩张性、多功能等方面体现的优越性是传统手动试验台无法比拟的。

整系统全自动化、全微机化、高效率化，防误操作安全功能设计。WINDODWS中文界面操作，自动采集测量数据，自动计算结果，自动生成出厂试验报告并打印输出，测量控制系统采用PLC编程控制，特别适用于对产品要求较高和批量检测试验的场合。

产品别称：

电机试验台、电机试验系统、电机综合试验台、电机综合试验系统、交流电机综合试验台、直流电机综合试验台.

产品特性：

◆试验系统的基本组成

试验系统由试验电源、动力开关屏柜、信号传感装置与功率测量设备、自动化试验测量单元和控制操作台及交流电机试验软件系统、数据库系统等部分组成。型式试验中的负载设备可依据用户要求选用陪试电机（包含直流发电机、交流发电机、绕线型转子电机）、电涡流测功机、磁粉测功机、磁粉制动器等多种设备，满足不同电机的型式试验需要。

◆测量方式：采用微机测量

测量柜配置电流、电压传感器，中间环节采用信号调理接口模块，由计算机完成信号采集和测量任务。

◆控制方式：采用汽车级MCU直接控制

采用德国西门子公司汽车级的微型控制器进行联锁控制，联锁程序可根据用户的要求定制、修改，控制系统性能稳定、系统可扩展性好。

◆操作方式：手动操作和自动操作方式并存

为避免微机故障时影响试验工作，采用手动控制（面板按钮操作）和自动控制（计算机键盘/鼠标操作）并存的方式，不便采用自动控制或微机出现故障，可以采用手动操作进行试验。

◆试验数据处理：试验结果保存工控机或服务器内

微机试验台配置国内外知名品牌原装工业计算机，自动试验的结果数据直接保存在试验工控机硬盘中，手动测量的数据可由人工输入到试验软件界面，再保存在存储器内，提供本机数据库功能，可以进行试验数据的本机查询访问，设计有试验报告自动生成功能并提供输出打印功能（配置惠普多功能激光打印机）。

技术参数：

◆设计原则

以可靠性、安全性、经济性、实用性、可操作性、可维护性为设计原则，同时兼顾到先进性。

◆适用范围

满足额定电压380V、660V、1140V、3300V、6000V、10000V；额定功率1~15000kW，三相异步电动机的出厂及检修试验。

◆运行条件

◇中央控制室额定工作温度+20℃，允许变化范围0℃～45℃，空气相对湿度不超过85%。

◇中央控制室远离电磁场干扰与机械振动，避免腐蚀性气体的侵蚀。

◇屏柜区、设备区环境温度为-5℃～+45℃，空气相对湿度在+40℃时不超过80%，在+25℃时不超过85%。

◇空气中不得有过量的尘埃、酸、盐、腐蚀及爆炸性气体。

◇安装海拔不超过1000m。

◆测试项目

用户可根据自身要求，选择如下试验项目：

◇环境温度测量

◇绝缘电阻测量

◇直流电阻测量（计算三相电阻不平衡度）

◇工频耐压试验

◇匝间耐压试验

◇空载试验（计算三相电流不平衡度）

◇堵转试验

◇加载试验

◇效率试验

◇温升试验。

系统完成电压测量、电流测量、功率因数测量、有功率测量、无功功率测量，效率测量、频率测量、输出转矩、输出转速、输出功率、温升等的测量和计算。

◆主要技术参数：

◇空载，堵转、加载试验、温升：

电流测量精度：0.2%FS±3d

电压测量精度：0.2%FS±3d

功率测量精度：0.5%FS±3d

电流不平衡度计算：0.1%FS±3d

温度测量精度：0.5%±2d

转速测量精度：0.2%FS±3d

扭矩测量精度：0.2%FS±3d

◇工频耐压试验：

高压电压：0～30000V可调

高压电流：0～3000mA

耐压时间：0～9999S

◇匝间冲击耐压试验：

电压峰值：<30000V，可调

波前时间：<0.5us，可调

◇绝缘电阻测量

测量范围：<1000MΩ

测量精度：5%FS±5d

◇直流电阻测量：

测量电流：<10A

测量电阻：0～200Ω

最小分辨率：1uΩ

电阻不平衡度计算：0.1%FS±3d

测量精度：0.2%FS±3d

3. 江西理工大学机电工程学院的实验基地建设

1 应用电子实验中心：承担学院电气专业和全校工科类专业的电类的技术基础课的实验教学及专业课程的实验教学任务。开设42个，年完成教学任务54000人时。 现有实验用房1700平方米，各类仪器设备883台(套)，仪器设备总值150万元。实验室共有专业技术人员5人，其中高级职称1人；中级职称2人；初级职称和实验技术工人2人。2001年被江西省教育厅评为合格实验室。
主要仪器设备：ELV型电工电子教学实验台，SL-160型通用电工，电子、电拖实验台，EEL数电、模电实验箱等。
2 机电实验中心：承担全校机械类和近机类的技术基础课的实验教学及专业课程的实验教学任务。开设实验53个，年完成教学任务14686人时。现有实验用房2875平方米，各类仪器设备1025台(套)，仪器设备总值410万元。实验室共有专业技术人员7人，其中高级职称3人；中级职称2人；初级职称和实验技术工人2人。机械工程中心实验室主要包括机械原理创新实验室、数控实验室、振动测试与分析实验室、公差雹雹悄实验室等，属学校合格实验室。
主要仪器设备：立式加工中心，数控机床，振动及动态信号采集分析系统，传感器系统测试仪，DRIV快速可重组虚拟仪器平台，液压测控系统，机构运动参数可视化分析仪，机构组合创新实验台，铲运车，凿岩台车，铲运机等。
3 电气及自动化实验中心：承担学院自动化类和相近专业的技术基础课的实验教学及专业课程的实验教学任务。开设实验70个，年完成教学任务31096人时。现有实验用房1209平方米，各类仪器设备257台(套)，仪器设备总值330多万元。实验室共有专业技术人员4人，其中高级职称1人；中级职称2人；初级职称和实验技术工人1人。
主要仪器设备：MCL-2电机数字控制实验台，RD-200视频电子警察系统，SOLO交互数据采集系统，TS-KB99智能信号灯控制系统，TDS2024示波器及各类PHILIPLE单片机仿真器，西门子集成控制系统，DSP数字信号处理系统等。
4 机械拆装实习基地：主要承担机类本科学生从基础课转向专业课学习阶段过渡的实习。通过对汽车发动机总成、变速器总成、前后桥总成和电气总成的拆装和测绘，使学生对机构、结构、传动原理、典型零件与控制电路的设计等有一定的感性认识，为后续的专业课程的学习打下良好的基础。
5 机电专业实习基地：主要承担机类本科学生在专业课学习阶段的实践教学环节。通过对典型设备的工程图纸设计、零件的加工工艺设计、工装设计、数控代码设计、机加工和数控加工、电气控制系统设计、安装与调试等环节。使学生掌握机电产品在设计和加工过程的分析方法，培养学生分析问题和解决问题的能力。
6 电子工艺实习基地：主要承担全校工科类学生的电子基础课程的实习。通过制作与调试典型的电子装置与设备，使学生对电子产品电路的工作原理、电子源渣制作工艺、调试方法等有一定的感性认识，为后续的专业肆州课程的 学习打下良好的基础。
7 电气与自动化实习基地：主要承担电类本科学生在专业课学习阶段的实践教学环节。通过对典型过程控制的系统分析与设计、硬件和软件开发、系统安装与调试等环节。使学生掌握电气与自动化控制系统的分析、设计和开发方法，培养学生分析问题和解决问题的能力。