摘 要

随着电子科学技术和计算机科学技术的不断进步和普及，在技术和社会发展的需求下，虚拟仪器技术应运而生。对于虚拟仪器技术，软件是最主要的部分，使用者通过操作软件去设计满足实际需求的系统，也可以按照实际需求去增添或删减相应的功能，硬件是次要的部分，因为硬件主要为了产生实际需求中的精确信号输入。本设计利用虚拟仪器同时对扭矩、转速、位移三种信号同时进行数据采集解决了传统测量方式单一、效率低、耗时长的问题。本文关于轴类测试平台的Labview系统开发设计主要开展了以下几个方面的工作：

1. 学习Labview对输入信号进行数据采集的原理以及对数据进行分析计算、显示等功能的仪器控制操作方法；

（2）熟练使用NI数据采集卡对多通道输入信号进行采集，以及利用NI数据采集卡产生模拟输出信号对上位机程序进行测试；

（3）设计上位机关于轴类测试平台的Labview系统开发，系统对输入信号主要进行三个操作即数据采集、处理和存储。数据采集模块中，实现对三种不同输入信号的同步采集，然后通过数据处理模块对采集的不同输入信号进行相应信号分析、处理及显示，最后在数据保存模块中将处理后的数据存入设定的文件中方便查阅。

论文详细阐述了虚拟仪器的基本概念和在现代仪器技术中的发展和应用状况，说明了虚拟仪器技术在生产生活中的重要意义，对轴类测试平台的Labview系统开发的方案实现进行了介绍，并且详细介绍了轴类测试平台软件实现的设计思路，然后对软件实现部分的各个模块进行了详细缜密的设计原理和功能实现过程介绍。经过实验测试，系统准确地完成了对轴类扭矩、转速及位移的采集测量工作，各个模块也达到了预期的设计效果。

关键词：虚拟仪器；Labview；数据采集

Abstract

With the continuous advancement and popularization of electronic science and technology and computer science and technology, under the demand of technology and social development, virtual instrument technology has emerged. For virtual instrument technology, software is the most important part. Users can design software that meets actual needs by operating software, and can also add or delete corresponding functions according to actual needs. Hardware is a minor part because hardware is mainly Produce accurate signal input in actual demand. This design uses the virtual instrument to simultaneously perform data acquisition on the three signals of torque, speed, and displacement to solve the problems of a single traditional measurement method, low efficiency, and long time-consuming. This article on the axis test platform Labview system development and design mainly carried out the following aspects of the work:

(1) Learning Labview's principle of data acquisition for input signals and instrument control operation methods for analyzing, calculating and displaying data;

(2) Skilled use of NI data acquisition card for multi-channel input signal acquisition, and the use of NI data acquisition card to generate analog output signal to test the upper computer program;

(3) Design the upper computer to develop the Labview system of the shaft test platform. The system mainly performs three operations on the input signal: data acquisition, processing, and storage. In the data acquisition module, synchronous acquisition of three different input signals is realized, and then the corresponding signal of the different input signals collected is analyzed, processed and displayed by the data processing module. Finally, the processed data is stored in the data storage module. Easy access to the given document.

  The paper elaborated on the basic concept of virtual instrument and its development and application status in modern instrument technology. It also explained the importance of virtual instrument technology in production and life, and introduced the realization of the program of Labview system development for shaft test platform. In addition, the design ideas of the shaft test platform software are introduced in detail. Then the detailed design principles and function implementation process of each module of the software implementation part are introduced. After experimental tests, the system accurately completed the collection and measurement of shaft torque, speed, and displacement. Each module also achieved the desired design results.

Key words：virtual instrument; labview; data acquisition

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景 1

1.2研究的目的及意义 1

1.3国内外研究现状 1

1.4研究内容及方法 2

1.4.1研究内容 2

1.4.2研究方法 2

第2章 虚拟仪器技术 3

2.1 虚拟仪器技术概述 3

2.1.1 虚拟仪器的基本概念 3

2.1.2 虚拟仪器的特点及优势 3

2.2 虚拟仪器测试系统组成 4

2.3 虚拟仪器的发展 5

2.4 虚拟仪器的优势 6

第3章 轴类测试平台的方案实现 7

3.1 设计内容及要求 7

3.2 总体方案设计 7

3.3 传感器的选择 9

3.3.1 扭矩转速传感器的选择 9

3.3.2 位移传感器的选择 11

3.4 数据采集卡的选择 11

3.4.1 数据采集的要求 11

3.4.2 选择合适的测量系统 12

3.4.3 USB-6002数据采集卡 13

第4章 轴类测试平台的软件实现 15

4.1 前面板设计 15

4.2 登录系统模块设计 16

4.3 数据采集模块设计 17

4.4 通道配置模块设计 18

4.5 实时数据模块设计 19

4.5.1 扭矩数据处理 20

4.5.2 转速数据处理 21

4.5.3 位移数据处理 21

4.6 历史数据模块设计 22

4.6.1 多列表框数据显示 22

4.6.2 历史数据存储 23

第5章 总结 25

参考文献 26

致谢 27

第1章 绪论

1.1课题研究背景

扭矩、转速、位移是机械领域的非常重要的测量量，并且和很多应用有紧密的联系，突出表现在轴方面的测试。以往传统的测试测量仪器和传统的仪器技术在扭矩、转速、位移的测量精度和速度方面已经满足不了社会的发展需求，所以需要设计出一个系统，它能够实现对数据的精准采集。并且随着实际生产生活中对于测量技术的需求逐渐提升，功能单一，作用有限的数据采集系统已无法满足社会发展需求，会逐渐被社会淘汰。而传统的测试测量设备由于技术不成熟，在功能方面较为单一，也不能实现对多种、多路信号同时数据采集的功能。因此需要设计出一套多通道的数据采集系统，并通过该采集系统实现对轴类扭矩、转速、位移数据的精准快速采集、处理、显示和保存，从而解决实际工业需求问题。

1.2研究的目的及意义

在此背景下，本次课题利用NI数据采集卡实现同时对扭矩转速传感器以及激光位移传感器输出的多路、多种信号同时采集，将采集到的扭矩、转速、位移数据信息通过USB接口传到上位机，并在Labview上进行相应信号的显示、数据分析、监测和数据实时的存储^[1]。目的就是通过设计出的轴类测试系统，满足时代发展的需要，提高数据采集和传输效率。在Labview上进行轴类测试平台的软件实现，与传统测试设备相比，本系统的维护性强、开发周期短、可根据实际需求增减相应功能所以具有较高的实用性。

虚拟仪器可以高效有序地将信号激励模块，数据采集模块，仪器控制硬件，原始仪器设备集成在一起，组成一个满足社会生产需要的测试系统^[2]。从而，解决传统仪器带来的造价昂贵，体积庞大，而且相互连接繁琐的问题。生产系统的监控和检测也可以使用虚拟仪器来快捷地进行搭建，实际证明在许多大型生产场所中使用便捷。并且，虚拟仪器可以利用网络，将测试数据实时地发送到生产现场，以便于对设备进行及时的诊断维修。实现传统数据采集向多元化功能转型是社会发展的必然要求，也是科技发展的必然结果。在实际生产生活中对于轴类扭矩、转速、位移的测试，设计出一个具有强大功能、超高性能的轴类测试平台统很必要。

1.3国内外研究现状

早在上个世纪80年代，NI公司提出了虚拟仪器技术，此后虚拟仪器一直是发达国家自动测控领域的研究热点和应用前沿^[3]。近年来，世界上许多大型自动测控与仪器公司已经开发出了一些虚拟仪器开发平台，但最早最有影响力的是NI公司Labview的图形化开发平台。所以在轴类的检测方面国外先于国内研究，发展也比国内领先一些。伴随着计算机技术的迅猛发展，针对轴类单项性能指标检测的仪器种类繁多，轴类的测量技术也得到了发展，这使得欧美等发达国家在机械行业的轴类测试技术方面掌握优先话语权^[4]。而随着虚拟仪器产业的崛起，只需要对测量信号进行高精度的采集便可使用虚拟仪器实现自动化测量，所以国外已经广泛使用这种软件型仪器对轴类进行测试。智能化检测技术和自动化测量技术的发展使得轴类测试技术得到前所未有的突破发展。

我国在计算机领域的发展起步比国外晚很多，而且国内经济建设也没有发达国家发达，所以我国在智能以及自动化技术上的发展与国外差距还是很大。国内虚拟仪器起步始于对NI产品的研究使用，中国国家自然科学基金会也把虚拟仪器研究作为现代机械工程科学的前沿领域之一，并被列为“十五”期间重点资助项目^[5]。在国家的大力扶持下，虚拟仪器技术也得到了迅猛发展，逐步应用于实际生产生活中。但是在应用广度上以及检测精度上还需要加大研发经费，提升技术实力。对于轴类的检验测量，很多企业还在使用传统的测量仪器，测量效率低，消耗时间长。但随着技术的进步和社会的发展，虚拟仪器将逐渐替代传统测试方式和实验仪器成为主要的研究方式。

1.4研究内容及方法

1.4.1研究内容

本次课题研究的主要内容是轴类测试系统Labview系统开发，内容包括传感器、数据采集卡的选型以及Labview数据采集的软件设计工作。需要熟练运用Labview软件、了解Labview数据采集的工作原理及实现方法，并基于Labview设计多通道数据采集功能，满足对扭矩、转速和位移信号的同步采集、数据分析、数据显示及保存的要求。

1.4.2研究方法

本次课题的研究，首先根据设计目的及内容，设计比较列出可靠的设计方案，根据相关设计方案选择出合适的硬件以及设计上位机软件。在本次设计中我选择的硬件是采用NI公司USB-6002数据采集卡，USB-6002数据采集卡具有8个输入通道，可以满足同时对扭矩、转速、位移输入信号进行采集。经由数据采集卡采集模拟信号，再传输到PC端即Labview进行信号的采集、处理、显示以及文件的存储。Labview软件设计是基于数据采集卡的底层程序和驱动程序来设计的程序，内容主要包括用户登录模块、通道配置模块、实时数据显示模块以及历史数据存储模块。

第2章 虚拟仪器技术

2.1 虚拟仪器技术概述

2.1.1 虚拟仪器的基本概念

所谓虚拟仪器是一种基于通用计算机的计算机测试测量仪器软件系统，根据用户对仪器设计的自主定义，利用软件实现虚拟仪器的设计和测试功能。将虚拟仪器技术灵活地应用于自动化控制和工业生产控制系统中，可以方便的构建出符合实际需求的专用仪器测试系统。

虚拟仪器将“软件就是仪器”的理念发挥的淋漓尽致。虚拟仪器技术将仪器分为三部分：计算机，仪器硬件和应用软件，由此三部分建立起一个功能多样、使用灵活的仪器系统。“虚拟”主要是指两方面：一是指对于逻辑结构和数据处理方面，它通过在虚拟控制面板中设置各种“控件”即可完成相应的预期功能； 二是指虚拟的测量测试和分析，它采用集成好的软件来实现相应的功能，而传统的测试方法是通过模拟或数字电路实现，所以传统的测量方式会受制于环境及硬件。

2.1.2 虚拟仪器的特点及优势

虚拟仪器是一种电子测试仪器，它以计算机的硬件为支撑，利用计算机的软件构建而成，软件内容是其最为重要的部分，如图2.1所示。软件系统的开发与硬件模块之间的联系需要使用到设备驱动软件，而这些驱动软件作为中间层，会将软件模块和硬件模块隔离开来，即软件系统的开发不会受到硬件模块的影响，所以使得环境干扰和系统误差影响大大降低，这无疑是虚拟仪器的一大特色。利用这一点独特功能，仪器的开发周期以及为适应社会需求的更新换代时间都将大大缩短。虚拟仪器应用程序为了实现仪器模块间的通信、定时与触发功能需要将配套硬件（如GPIB，VXI，RS-232，DAQ板）与软件库函数结合使用,用户可以利用虚拟仪器（VI）的源代码函数库设计系统，利用VI的模块化、开放性、易操作性，用户可以根据需要方便地对其功能进行增减或修改，也可以建立项目实现多个模块子VI之间的协同使用^[6]。所以虚拟仪器相当于一个桥梁，搭建起仪器生产设备商与使用者之间的联系。

虚拟仪器技术由于给用户足够的空间进行自由设计仪器系统以满足实际需求，所以设计后的仪器系统功能灵活多变，而且可以应用在多个方面。未来测试测量仪器的发展趋势是“硬件与软件结合”使用，而虚拟仪器技术正引领着历史潮流。它可以利用软件设计传统的测试测量仪器，而且测量精度也可以自行设计，所以足以替代传统的测试测量仪器，如：频谱分析仪、信号发生器等。由于源代码库属于集成型代码，所以使用者只需拖动控件并处理其逻辑关系便可以实现实际所需功能，同时会使得界面简单易于了解。虚拟仪器开发框图如图2.1所示。

图2.1 虚拟仪器开发框图

2.2 虚拟仪器测试系统组成

计算机和仪器的紧密结合是目前仪器开发的重要方向，通常使用以下两种方法来结合两者^[7]。一种方法是微机内嵌式，即将计算机装入仪器中，仪器可以包含一个或数个微机处理器，随着计算机功能的日益强大和体积的逐渐缩小，这种仪器的功能越来越强大，例子之一就是嵌入式系统的仪器；另一种方法是微机扩展式，就是将仪器加载到计算机中，通过计算机硬件和操作系统，实现仪器的各种功能，虚拟仪器就是这种方式^[8]。虚拟仪器由三部分组成：数据采集和控制，数据分析和处理以及结果显示和保存，如图2.2所示。

图2.2 虚拟仪器的内部功能的划分

就传统仪器而言，硬件内部不仅需要进行数据采集，同时需要微处理器进行数据的处理，然后用显示屏进行结果显示。所以这造成传统仪器设备造价高、体积较大的缺点。而对于虚拟仪器，硬件只需要完成第一部分采集与控制内容即可，后两部分由软件实现。

虚拟仪器的硬件主要由计算机硬件和下位机的信号采集调理部分构成。计算机主要是利用其中央处理器进行强大的数据处理、利用存储器进行数据存储和显示器进行数据显示等；下位机的信号采集调理部分由传感器、各种型号的数据采集卡或各种型号的总线仪器模块组成，它主要用来采集和传输信号。目前，在现实生活中的教学实验和科研试验中，用得更多的是选择数据采集卡来实现数据采集功能，由于其简洁实用赢得大家的喜爱。

虚拟仪器的软件主要是由基于Labview软件开发环境开发的，并可通过网络通讯协议实现网络化功能拓展。上位机利用软件程序将下位机采集而来的数据进行分析、处理、显示及保存等功能，主要由前面板和程序框图组成。前面板就是仿效硬件系统的面板显示功能，与传统仪器相近似，前面板要求设计简约、明确；程序框图是实现前面各种功能的算法支持，主要用于处理数据流以实现相应功能。另外虚拟仪器的软件部分还包括必不可少的一部分，如VISA、输入输出口驱动程序，主要用来进行下位机和上位机应用程序之间连接，实现驱动和通信功能。

2.3 虚拟仪器的发展

虚拟仪器技术是时代发展对仪器仪表技术提出的要求，也是科学技术发展推动测量技术发展的成果。虚拟仪器技术是由多功能的硬件部分和灵活的PC机软件结合而成的，该技术主要用来实现种种测控领域中的功能，大致可以分为五个主要的阶段，如图2.2所示。

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