时间：2023-03-29 09:24:16
序论：在您撰写虚拟仪器技术论文时，参考他人的优秀作品可以开阔视野，小编为您整理的7篇范文，希望这些建议能够激发您的创作热情，引导您走向新的创作高度。
一、虚拟仪器与运动控制
1.虚拟仪器与图形化编程语言-LabVIEW
虚拟仪器(即VirtualInstrument，简称NI)是一种基于计算机的仪器，就是在通用计算机上加上软件和(或)硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就象是在操作一台他自己设计的专用的传统电子仪器。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，所以有“软件就是仪器”之说。虚拟仪器技术的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的模式，虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己的才能、想象力的空间。用户(而不是厂家)可以随心所欲地根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用需求。
虚拟仪器系统是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物。它利用PC计算机强大的图形编程环境和在线帮助功能，结合相应的硬件，快速建立人机交互界面的虚拟仪器面板，完成对仪器或设备的控制、数据分析与显示，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器的价格，使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能，方便地对其进行维护、扩展、升级等。
LabVIEW是美国NI公司利用虚拟仪器(virtualinstnlments)技术开发的32位，主要面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台。LabVIEW同时也是一一种功能强大的图形编程语言，但它与传统的文本编程语言(如c语言)不同，采用了一种基于流程图的图形化编程形式，因此也被称为G语言(graphicallanguage)。这种图形化的编程形式，方便了非软件专业的工程师快速编制程序。LabVIEW也不同于传统文本式的编程语言的顺序执行方式，而是采用了数据流的执行方式，这种方式要求程序仅在各节点已获得它的全部数据后才执行。
多任务并行处理一般是通过多线程技术来实现的，不同的任务实际上通过各自的线程轮流占用CPU时间片来达到“同时”处理的目的。LabVIEW也采用了多线程技术，而且与传统文本式的编程语言相比，有两大优点：LabVIEW把线程完全抽象出来，编程者不需对线程进行创建、撤销及同步等操作；LabVIEW使用图形化的数据流的执行方式，因此在调试程序时，可以非常直观地看到代码的并行运行状态，这使编程者很容易理解多任务的概念。
LabVIEW图形化编程语言有效地利用了当今图形用户接口的点击特性。编写程序只包含以下的一些简单步骤：
用鼠标选择仪器函数作为对象；
描述测试步骤和对象之间的关系；
建立初始条件。
2.运动控制
运动控制卡是一种基于PC机、用于各种运动控制场合(包括位移、速度、加速度等)的上位控制单元。它的出现主要是因为：
为了满足新型数控系统的标准化、柔性、开放性等要求；
在各种工业设备、国防装备(如跟踪定位系统等)、智能医疗装置等设备的自动化控制系统研制和改造中，急需一个运动控制模块的硬件平台；
PC机在各种工业现场的广泛应用，也促使配备相应的控制卡以充分发挥PC机的强大功能。
运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速DSP作为运动控制核心，大多用于控制步进电机或伺服电机。一般地，运动控制卡与PC机构成主从式控制结构：PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作(例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等)；控制卡完成运动控制的所有细节(包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等)。运动控制卡都配有开放的函数库供用户在相应系统平台下自行开发、构造所需的控制系统。因而这种结构开放的运动控制卡能够广泛地应用于制造业中设备自动化的各个领域。
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，步进电机由于具有转子惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，成了控制系统的主要执行元件之一。步进电机的控制方法包括开环控制和闭环控制两种。
二、基于虚拟仪器的步进电机控制系统整体结构与原理
一般运动控制系统主要由五部分构成：被移动的机械设备、运动I/O的马达(伺服或步进)、马达驱动单元、智能运动控制器、以及编程/操作接口软件。
本系统的目标是利用笔者实验室已有美国国家仪器公司(NI)的NIPCI7354伺服/步进运动控制卡及其配套软件、NI7604伺服/步进驱动器及其配套软件、两相步进电机、LabVIEW软件、多轴精密电移台(负载)、PC机等构建一套步进电机运动控制系统，分别实现单轴、两轴、三轴和四轴的运动控制，要求系统具有数控系统的基本功能，能实现不同坐标系下的直线、圆弧插补、速度控制、电子传动等功能，以供实验教学应用。系统整体结构框图如图1示。
图1系统整体结构框图
1.NIPCI7354运动控制卡
NIPCI7354控制卡可同时控制包括交流和步进电机的4轴运动，能实现诸如点到点位置控制、速度控制、三维直线、圆弧、螺旋型和球形运动、电子传动、混合运动、回程和限位控制、Trigger输入和Breakpoint输出等功能。NIPCI7354的嵌入式固件是基于RT0S(实时操作系统)内核的，实时性强，通过简单易用的运动控制器、软件、以及外设提供集成方案的功能与能力，为一般伺服与步进应用提供精确、高性能的运动功能。该运动控制器可以使用支持Windows2000/NT/Me/xp操作系统的LabVIEW、MeasurementStudio(LabWindows/CVI、VisualBasic)以及C/C++进行编程。
NIPCI7354运动控制卡是高性能PCI步进/伺服控制器，可用于所有运动控制系统中，控制器采用先进的技术，在嵌入式实时运动或者以主机为中心的编程环境中提供混合运动轨迹控制和完全协同的圆形、线性、点到点、齿轮和空间矢量控制。其丰富的功能可以满足最为严格的要求。
NIPCI7354运动控制卡的主要特点：通过PCI总线与主机(上位机)通信；68芯VHDCI输出电缆；普通数字输出电压：0-32V；高电平3.5--30V，低电平0—2V；最大脉冲速率：100KHZ；运行电流：3-14mA；触发输出最大脉冲速率：1MHz；
2.运动控制软件
利用NILabVIEW图形化编程语言以及各种应用软件可以开发功能强大的运动控制程序，运动控制器配备NI-Motion驱动软件提供的LabVIEWVI、固件更新程序、DLL程序，可以利用其它开发工具(比如MeasurementStudio，LabWindowsCVI)或其它编程语言开发运动控制应用。NI运动助手(MotionAssistant)是一个采用LabVIEW代码生成方法的附加工具，运用该工具您只需进行极少编程甚至无需编程即可开发LabVIEW运动控制应用。
3.NI7604驱动器
NI7604驱动器将NI7354提供的四轴运动控制信号放大，以驱动两相步进电机运转，带动精密电移台运动。该驱动器将运动控制器与特定应用马达、编码器、限位器、用户I/O连接在一起。一根控制电缆连接运动控制器与驱动器，为全部的命令集与反馈信号提供一个通道。
NI7604的主要特点：输入电压：115V/23V，2/1A，60/50Hz；步进放大器：IM481H；每相电流：0.2—1.4A；电源连续输出容量：80W；输入电缆：68芯VHDCI型；输出电压：24VDC；+5V输出：1A。
4.运动控制外设
两相步进电机4台，四轴精密电移台一套，电移台是滚珠丝杠/螺母驱动结构。系统原理图如图2示。
三、系统工作原理
通过上位机(PC机)的数据终端设备设置步进电机的目标位置、加速度、速度和减速度(即发出运动控制任务)，NIPCI7354运动控制卡根据设置信息控制电机的运动时间(输出脉冲个数)和方向，即控制卡完成实时运动规划，NI7604驱动器放大脉冲信号以驱动电机运转。
在电机运行过程中，控制脉冲的频率f应随时变化以满足电机低速起停及高速运行的需要。脉冲频率由发送数据的波特率(B)决定，每发出一个脉冲需用两个二进制位1和0来构成其高、低电平，所以f＝B/2，通过调整发送数据的波特率可改变所发出的控制脉冲的频率。按常规波特率系列发送数据时所产生的控制脉冲频率变化较大，不能满足电机正常起停及调速的要求，为此计算机需按非标准的波特率发送数据以产生任意频率的控制脉冲。一般在电机起动及停止阶段每发送一个字节调整一次波特率，以使电机起停得尽量平滑。
四、软件研究与实现
在系统硬件环节构建完成后，先后逐步完成了单轴直线运动控制、两轴平面运动控制、三轴空间运动控制系统的软件研究与开发。
控制软件利用LabVIEW7这种虚拟仪器软件开发平台设计，每个程序分为前面板和框图程序两部分。前面板用于设置控制参数和显示控制过程及结果，框图程序是程序的代码。两轴平面螺旋运动前面板如图3示，两轴平面螺旋运动框图程序(局部)。
1．1传感器
本设计采用的传感器型号是Vaisala公司生产的气象变送器WXT520，是一个轻巧的小型变送器，采用紧凑式包装，可提供6种气象参数。WXT520用于测量风速、风向、降水、气压、温度和相对湿度。传感器外壳的等级为IP65/IP66，适合于我国北方的恶劣天气。WXT520采用32VDC，并使用可选择的通信协议输出串行数据:SDI－12、ASCII自动和轮询。有4个串行接口可供选择:RS－232、RS－485、RS－422和SDI－12;并配备了一个安装用8针M12接头和一个维护用4针M8接头。
1．2主控系统
主控系统包括数据采集器与控制器，具体包括控制器、采集器、通讯模块、供电电源和存储模块等部分。主控器通过嵌入式软件与供电、采集、通讯、存储等单元协调工作来完成。自动气象站的核心是数据采集器，负责数据收集、传输、统计分析和数据存储［4］。采集器电路主板包括主板和底板。主板是嵌入式工控主板，具有良好的扩展性，操作性、支持第三方控制器，包括时钟管理、实时及周期间隔定时器、复位、关机、高级中断及调试单元(DBGU)。通讯单元为西门子6GK7型工业以太网通讯单元，可以做到网络统一，可与支持EtherNet/IP的设备连接，结合使用Ethernet功能使其具有传感器监控器及控制值备份等现场实际应用功能，要想完成任务下达命令和数据上传功能需要通过网络来实现。通讯模块起到关键作用，所以要求其具备以下功能:①支持国际标准通讯协议，如TCP/IP(6．0)、UDP或者PPP，具有标准RS232串口;②可以自动监测联网状态，短线1min内自动拨号重新连接，防止数据的丢失;③接口速率为可选的1200～9600kB/s范围。存储单元:因采集数据的频率较短和跟踪监测的时间范围较长，因此采用存储容量为闪迪256G固态硬盘，用于保证存储容量及数据的安全性、稳定性和读取速度，同时存储单元可以记录系统工作状态。防雷单元:由于监测系统需要全天候连续工作，所以需要面对复杂天气状况，因此加装防雷设备对于整个系统的安全性尤为关键，本系统采用的是雷太LY1－B系列电涌保护器(一级防雷器)。供电单元:由于本系统需要在田间进行监测，不宜采用城市供电，因此选用了太阳能电池进行供电，对电池的容量要求为在无光线的环境中可以连续供电10天。扩展单元:新型传感器需要有相应的端口或接口与主控系统相连接，以满足系统升级或新添设备需要。
2系统设计
农田气象信息远程监测系统的主控器选用的是Atmel公司的ARM9系列的AT91SAM9260处理器。该处理器可以采用Linux操作系统，通过嵌入式应用控制程序，实现农田环境多要素气象数据的采集、处理及存储的功能。被采集到的气象要素基于TCP/IP协议的通讯网络，采用无线GPRS方式，根据实际情况选择最佳的组网方案，实现无线气象数据传输，并基于LabVIEW开发农业气象信息管理软件，使气象信息能够被读取。
2．1采集控制设计
采集系统可以实现采集并对采集到的气象要素信号进行处理。采集系统内部设有存储器，可以进行信息清除并对采集到的各气象要素的数据进行存储，有接口USB实现信息数据的备份功能。系统设有通讯接口RS232/RS485，可以通过该接口与GPRS/CDMA等通讯设备连接。该系统有时钟校准功能，通过监控中心下达指令，对气象站的时间进行校准。数据处理的方法需要设计采集数据的时间间隔。气象数据的监测主要为定时扫描各传感器的数据，通过通讯模块将数据的电信号传到主控系统中经既定程序(LabVIEW)计算;通过屏幕可以直接读取实时数据，针对特定时间段的数据可以进行有目的的分析，如平均值，不同时间点的变化趋势数据以及不同周、月份、年份的数据统计分析等［5］。收集数据默认为温度、相对湿度、降雨量、风向、风速及气压;当增加传感器时，在主控系统中重新设置就可以进行增加项目数据的收集。各气象数据中气温、相对湿度、雨量、气压的数据传感器每10s测定一次，根据气象学上常规的统计方法，通过程序收集到1min内每10s的瞬时气象数据。气温、相对湿度、雨量、气压在1min内会收集到6个数据，舍弃一个最高值和一个最低值，使用其余的4个测定数据来计算算术平均值，此值为监测系统最终在屏幕中实时显示的瞬时数值。风向、风速的监测频率为1次/min，系统计算每5min内5次测定值的算数平均值，此数据在LabVIEW程序界面中实时显示。所有测定的数据在数据库中均有保存，如统计部门需要对数据进行特殊分析，均可在数据库中将数据导出。在数据库中如有异常数据，一般以超过临近时间点两倍的数据值进行特殊标记，以便提醒管理员对相应数据进行核实和异常情况的分析。
2．2通讯设计
前端采集部分与后端监控中心系统通信采用无线GPRS通信方式，由于农田气象站放置在室外，因此不适宜采用光纤传输，而采用GPRS无线能够解决此问题［6］。GPRS采用的组网方式是公网固定IP的方式。GPRS拥有传递及时、通信信号好等优势，在并组网时减少对原有网络资源的浪费，节约了成本，并可以在室外复杂环境中实时进行监测，而且具有一定的安全性。室外自动气象站与气象信息管理系统需要建立点对点的网络连接，在连接过程中需要以无线方式登陆到以太网络来获得网络地址。要实现网络服务器地址和端口映射在气象管理系统中，需要气象信息管理系统软件采用其网络子网地址，这样在管理系统显示软件中就可以实现气象数据的双向通讯，进行有效的信息传递和收集［7－8］。图2为基于GPRS无线通讯的气象信息系统示意图。
2．3软件设计
气象信息管理系统可以通过网络来查看气象信息。本研究天气显示采用的软件是LabVIEW，此软件是美国国家仪器公司推出的一门图像化编程语言，同时也是著名的虚拟仪器开发平台［9－10］。作为一门图形化编程语言，LabVIEW秉承了其简单易用的一贯作风，使用户能够快速编写出强大的应用程序。本研究的LabVIEW编写程序图，如图3所示。为了方便叙述，本文把风向、风速、温度、湿度、雨量和气压多种气象数据统称为气象信息值。气象系统天气前面板显示图，如图4所示。通过该系统对哈尔滨市香坊区东北农业大学校内气象信息值进行监测，与气象台预报数据作为参考进行对比，气象信息值监测结果如表1所示。表1中实测的时间跨度是实验当天早6:00至晚18:00。从数据中可以看出，实测日期当天监测到的温度、湿度、雨量、风速和气压与参考值相比，具有良好的线性关系，系统可以准确计算出当天所监测气象信息的平均值。此收集到的气象数据只是一天中的部分数据，所以经过系统分析计算出来的数据只能代表所监测时间范围内的气象信息，与气象台的参考值有偏差。
3结论
《虚拟仪器技术》课程是为大三、大四阶段的通信工程专业的学生开设，该目标人群的特点是有一定的专业基础知识和文本编程基础。针对该类型的学生课程开设的目的有二：首先，学生能够掌握虚拟仪器软件开发环境，能够进行软件编程；其次，根据学生专业课程的特点，学生可以实现本专业课程的仿真实验。例如，根据《信号与系统》课程的知识实现信号的FFT变换、根据《通信原理》课程中掌握的原理实现模拟信号的调制解调。在该过程中学生既掌握了虚拟仪器软件编程的方法，也对过去学过的专业知识进行了复习并加深理解；最后，学生能够结合数据采集装置和相应传感器来实现工程设备的开发。
2《虚拟仪器技术》课程的教学方式
该门课程的教学方式采取的是课堂讲授、学生练习以及基于项目的动手实践相结合的教学方式。
（1）通过课堂理论教学使学生熟悉虚拟仪器技术的概念、原理和应用，使学生了解虚拟仪器在实际应用中的重要地位及其发展与应用前景。
（2）通过LabVIEW软件编程的练习和实践，使学生掌握虚拟仪器软件平台的操作和使用规则，在培养学生解决问题的能力的同时也给学生掌握专业基础知识提供了一个平台。
（3）通过专业实际训练使学生能够进行具体实际工程的设计，培养学生的实际动手能力和独立思考与综合运用所学知识解决实际问题的能力。
3《虚拟仪器技术》课程体系设置
《虚拟仪器技术》课程体系的设置则是参考了国内外高校十几年的教学实践，并且根据本专业的特点和学生的具体情况，将该课程分为了LabVIEW软件平台学习的理论部分和虚拟仪器硬件平台的实际训练部分。
（1）理论教学部分：该部分的教学需要强调动手实践的能力，但是授课过程中的理论知识仍为重点，作为图形化编程语言LabVIEW的模块化的设计很容易激发学生的学习兴趣，但是习惯文本编程思维方式的学生将思路转变也作为教学过程的难点。所以课堂的安排为：首先，教师讲授相关内容，然后提出问题，学生根据问题动手解决，最后教师通过学生解决问题的思路进行总结并提出共性的问题。通过这样问题解决式的教学方式，让学生在课堂上通过不断解决问题的过程体验对新知识掌握的成功感。同时根据通信专业学生的专业特点，设计一些与本专业知识相关编程练习，如信号的FFT变换、对信号进行调制解调，使学生在掌握新知识的同时加深专业基础知识。通过学习，学生对虚拟仪器技术产生了兴趣，经常利用课后时间翻阅相关专业书籍，并且通过互联网吸收相关知识，部分学生不仅能够按照常规的方法解决问题，也能够提出新思路解决问题，甚而完成超出学习范围的编程练习。
（2）实际训练部分：在理论教学授课部分，学生通过软件程序设计以及仿真硬件能够掌握LabVIEW的基本编程方法，但是如真正掌握完整的工程系统的构成必须结合真实的硬件I/O的实摘要：本文简要介绍了虚拟仪器技术的概念及在通信工程专业开设《虚拟仪器技术》课程的意义，详细阐述了该课程惯，从而提高学生英语知识的实际应用能力。
4预期效果
通过本校英语课堂采用多媒体教学的实际情况分析，笔者认为在高职院校使用多媒体技术教学虽然存在一些问题和难题，但是总体上来看，多媒体教学可以有效促进教师不断探索英语教学的新思路，提高学生自主学习的兴趣和能力。
5结语
手机测试
挑战：
中国的手机市场发展迅猛，世界各大手机厂商竞相争夺手机用户。在如此激烈的竞争中，手机的功能日趋丰富，比如摄像头、MP3、FM调频收音机等等。同时，手机通讯协议也层出不穷，GSM、CDMA、GPRS、CDMA2000、EDGE、WCDMA等等。为了应对产品的不断变化，工程师面临着提高效率并缩短产品市场化时间的挑战，他们需要一个灵活而强大的通用测试平台。我们先来看一个通用测试平台针对手机通讯协议的变化而表现出来的优势。大家知道，2G的协议比如GSM和CDMA都已被成功地运用于市场了，而3G的协议比如WCDMA，CDMA2000等等是未来的必然趋势。在从2G到3G的转变中，面临客户群、设备置换、技术的成熟度风险等等问题。运营商希望能够进行平滑的过渡，在不丢失已有手机用户的情况下，首先升级交换网络部分，这使得用户可以使用过渡期的2.5G产品，然后等时机成熟时再升级无线网络部分达到3G的标准。2G的测试仪器已经比较成熟，3G的测试产品正在加紧开发，2.5G的专用测试设备却由于传统仪器制造商考虑到研发成本和市场前景的问题而匮乏。
一家著名的手机制造商制造了支持EDGE(EnhancedDataratesforGSMEvolution)协议的2.5G手机产品，需要针对这一产品的测试方案。EDGE是一个专业协议，由于它的出现时间比较短，了解它的人也比较少，要在短期内构建一个EDGE测试系统是一个巨大的挑战。为了在市场上与同行竞争，需要在一个月内能够使用这套测试设备。
应用方案：
利用TestStand模块化，兼容性强，可自定义的特点，根据生产测试的需要对其进行修改与完善，并结合LabVIEW，GPIB卡，以及相应的测试仪器，创建百分之百符合自己需要的CDMA基站测试系统。
使用的产品：
硬件上整个系统包含了一个PXI机箱，其中有：
NIPXI-8186
2.2GHzIntel奔腾4处理器的嵌入式PC，预装WindowsXP操作系统
NIPXI-5660
2.7GHzRF信号分析仪，9kHz到2.7GHz，20MHz实时带宽，80dB真实动态范围
NIPXI-5670
RF信号源，250kHz到2.7GHz，16位，100MS/s任意波形发生，22MHz实时带宽
NIPXI-5122
14位数字化仪，100MS/s实时采样，2GS/s随机间隔采样，100MHz带宽
NIPXI-4070
6位半数字万用表，6ppm精度
其中，NIPXI-5660被用作矢量信号分析仪，NIPXI-5670被用作射频信号源，NIPXI-5122被用作示波器，NIPXI-4070被用作数字万用表。
软件上使用了LabVIEW图像化开发环境和NI-DAQmx驱动程序。
1.1实验室资源共享由于测控专业学生相对较少，所以大多高校都不愿花大量经费去建立测控专业的实验室，基本都采用共享其它专业实验室的方式，这也限制了测控专业的发展。我们学院也同样存在这个问题，目前针对测控技术与仪器专业开放的专业实验室有传感器实验室、自动控制实验室和计算机仿真实验室，没有专门的虚拟仪器实验室。之前学生只能在计算机仿真实验室里做些虚拟仪器课程的基础实验，无法做专业实验，在将物联网技术引入之后，我们摸索出了实验室资源共享的模式，也就是将不同实验室的资源共享使用，以此完成虚拟仪器课程的专业实验教学任务。其中传感器实验室拥有近20种传感器、30套ZigBee模块(WSN的一种)和30套GPRS模块(无线传输技术的一种)等设备；计算机仿真实验室拥有50台计算机和配套虚拟仪器软件，可以完成虚拟仪器课程的所有基础实验。在教学安排上只要将传感器技术和虚拟仪器课程分在两个学期，就可以实现两个实验室的资源共享，学生就可以借助于传感器实验室的资源完成虚拟仪器课程的大多数专业实验。
1.2科研成果转化虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬件，结合灵活高效的软件来完成各种自动测试、测量应用。将虚拟仪器技术和物联网技术结合起来，在自动测试测量、无线通信、故障诊断和远程测控等方面有着极大的应用价值和应用前景。目前，国内很多高校和科研机构积极致力于这两者结合模式的研究，如天津大学、华北电力大学等。我们学院在这方面也开展了很多研究，譬如开展了“基于LabVIEW和物联网的风光互补电站监控系统的研究”、“虚拟仪器与GPRS无线通信测试研究”等多项校厅级项目，并取得了一些成果。我们已经将项目涉及的无线传感器技术、GPRS无线数据传输技术应用到虚拟仪器课程当中，对整个虚拟仪器课程的教学起到了很大的推动作用。
2物联网技术的应用体现
物联网技术在虚拟仪器课程中的应用体现在实验教学环节，主要针对专业实验。因为基础实验仅依靠软件编程就可以实现，譬如学生编程练习数组函数、结构等知识。但对于专业实验，必须要有硬件配套才能完成，借助于传感器实验室的WSN和GPRS将传感器测量的信号传给计算机仿真实验室的上位机，再通过上位编程对各种参数进行分析处理，就实现了一套从数据采集、数据传输、数据分析、数据存储、远程监控的完整流程，让学生体会到虚拟仪器作为自动测试测量领域专业开发工具的优势所在，掌握到该领域的一些前沿技术，此类专业实验的实验流程如图1所示，只要改变传感器类型、ZigBee组网方式和数据中心程序，就可以完成不同的专业实验。在实验内容安排上，我们追求量少质高。开设了几个目前科研应用中比较常用的无线通信、远程测控和故障诊断方面的实验。譬如开设的“虚拟仪器与GPRS无线通信测试”实验，就是由校级精品实验项目转化而来，旨在通过借助虚拟仪器的实验平台，快速搭建一套GPRS无线通信系统，模拟实际工程中无线通信的全过程，通过LabVIEW编程，设计出友好的人机交互界面，将无线通信的原理和过程直观形象地展现出来，让学生充分理解无线通信的原理和设计思想，在实验室里就能接触到要在科研项目或企业里才能用到的新技术。同时在课堂教学上将实验中涉及到的物联网技术进行讲解，譬如ZigBee组网选择、ZigBee组网协议、用于GPRS通信的TCP/IP协议等，讲解时可结合项目实例进行，课堂上现场演示利用GPRS技术通过简单编程实现手机短信和彩信的收发，让学生能直观地感受到所学课程的实用性和前沿性，让学生从心底里产生要将这门课学好的冲动。
3教学效果
引入物联网技术之前，由于无法开展专业性的实验，使得很多理论无法得到实践运用和验证，学生只能通过编程练习数组函数、结构等基础实验，普遍感觉实验比较空洞、枯燥，积极性不高，学生感觉不到该课程的工程应用价值，也体会不到虚拟仪器作为自动测试、测量领域专业开发工具的优势所在。在将物联网技术引入之后，使这一问题得到很大改观。开设的实验项目涉及的内容是目前很流行的无线通信领域，而且GPRS通信中还可以实现手机短信的接收和发送，所以学生的积极性都很高。另外，在项目的实验过程当中，每组学生会对程序界面的设计和调试过程进行探讨，所以实验氛围也很好。另外该类项目要求学生要对所做内容有个清晰的思路和具体实现方案，要求学生具备一定的编程能力和程序调试能力，所以对学生实践能力的锻炼，创新意识的培养、探究性思维的启发都起到一定作用。
4结语
1虚拟仪器的特点和构成
1.1虚拟仪器的特点
与传统仪器相比，虚拟仪器具有高效、开放、易用灵活、功能强大、性价比高、可操作性好等明显优点，具体表现为：
智能化程度高，处理能力强虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。
复用性强，系统费用低应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，如同一个高速数字采样器，可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。这样形成的测试仪器系统功能更灵活、更高效、更开放、系统费用更低。通过与计算机网络连接，还可实现虚拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。
可操作性强，易用灵活虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发送。测量完后还可打印、显示所需的报表或曲线，这些都使得仪器的可操作性大大提高而且易用、灵活。
1.2虚拟仪器的构成
虚拟仪器的构建主要从硬件电路的设计、软件开发与设计2个方面考虑。
硬件电路的设计主要根据用户所面对的任务决定，其中接口设计可选用的接口总线标准包括GPIB总线、VXI总线等。推荐选用VXI总线。因为他具有通用性强、可扩充性好、传输速率高、抗干扰能力强以及良好的开放性能等优点，因此自1987被首次推出后迅速得到各大仪器生产厂家的认可，目前VXI模块化仪器被认为是虚拟仪器的最理想平台，是仪器硬件的发展方向。由于VXI虚拟仪器的硬件平台的基本组成是一些通用模块和专用接口。因此硬件电路的设计一般可以选择用现有的各种不同的功能模块来搭建。通用模块包括：信号调理和高速数据采集；信号输出与控制；数据实时处理。这3部分概括了数字化仪器的基本组成。将具有一种或多种功能的通用模块组建起来，就能构成任何一种虚拟仪器。例如使用高速数据采集模块和高速实时数据处理模块就能构成1台示波器、1台数字化仪或1台频谱分析仪；使用信号输出与控制模块和实时数据处理模块就能构成1台函数发生器、1台信号源或1台控制器。专用接口是针对特定用途仪器需要的设计，也包括一些现场总线接口和各类传感器接口。系统的主要硬件包括控制器、主机箱和仪器模块。常用的控制方案有GPIB总线控制方式的硬件方案、MXI总线控制方式的硬件方案、嵌入式计算机控制方式的硬件方案3种。VXI仪器模块又称为器件（devices）。VXI有4种器件：寄存器基器件、消息基器件、存储器器件和扩展器件。存储器器件不过是专用寄存器基器件，用来保存和传输大量数据。扩展器目前是备用件，为今后新型器件提供发展通道。将VXI仪器制作成寄存器基器件，还是消息基器件是首先要做出的决策。寄存器基器件的通信情况极像VME总线器件，是在低层用二进制信息编制程序。他的明显优点在于速度寄存器基器件完全是在直接硬件控制这一层次上进行通信的。这种高速通信可以使测试系统吞吐量大大提高。因此，寄存器基器件适用于虚拟仪器中信号/输出部分的模块（如开关、多路复用器、数/模转换输出卡、模/
数转换输入卡、信号调理等）。消息基器件与寄存器基器件不同，他在高层次上用ASCII字符进行通信，与这种器件十分相似是独立HPIB仪器。消息基器件用一组意义明确的“字串行协议”相互进行通信，这种异步协议定义了在器件之间传送命令和数据所需的挂钩要求。消息基器件必须有CPU（或DSP）进行管理与控制。因此，消息基器件适用于虚拟仪器中数字信号处理部分的模块。
软件的开发与设计包括3部分：VXI总线接口软件、仪器驱动软件和应用软件（软面板）。软件结构如图1所示。
VXI总线接口软件由零槽控制器提供，包括资源管理器、资源编辑程序、交互式控制程序和编程函数库等。该软件在编程语言和VXI总线之间建立连接，提供对VXI背板总线的控制和支持，是实现VXI系统集成的基础。
仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序，也即模块的驱动软件，他的设计必须符合VPP的2个规范，即VPP3.1《仪器驱动程序结构和模型》和VPP3.2《仪器驱动程序设计规范》。
“软面板”设计就是设计具有可变性、多层性、自、人性化的面板，这个面板应不仅同传统仪器面板一样具有显示器、LED、指针式表头、旋钮、滑动条、开关按钮、报警装置等功能部件，而且应还具有多个连贯操作面板、在线帮助功能等。
2虚拟仪器在数据采集中的应用
利用虚拟仪器制作数据采集器可以按照硬件设计、软件设计两个步骤来完成。
2.1硬件设计
硬件设计要完成以下内容：
1)模/数转换及数据存储
设置具有通用性的数据自动采集系统，一般应满足能对多路信号尽可能同步地进行采集，为了使所采集到的数据不但能够在数据采集器上进行存储，而且还能及时地在采集过程中将数据传送到上位机，选用存储量比较适中的先进先出存储器，这样既能满足少量数据存储的需要，又能在需要实时传送数据时，在A/D转换的同时进行数据传送，不丢失任何数据。)VXI总线接口
VXI总线数据采集器通常可以利用两种VXI总线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过总线传送命令，从而控制仪器硬件的操作。通用寄存器基接口是由寄存器简单的读写来控制仪器硬件的操作。利用消息基接口进行设计，具体消息基接口的框图见图2。
3)采样通道控制
为了满足几种典型系统通道控制的要求，使通道的数量足够多，通道的选取比较灵活，可以利用寄存器电路、可预置计数器电路以及一些其他逻辑电路的配合，将采样通道设计成最多64路、最少2路可以任意选择，而且可以从任意一路开始采样，也可以到任意一路结束采样，只要截止通道号大于起始通道号就可以了。整个控制在虚拟仪器软面板上进行操作，通过消息基接口将命令写在这部分的控制寄存器中，从而设置计数器的初值以及采样的通道总数。
4)定时采样控制
由于不同的自动测试系统对采样时间间隔的要求不同，以及同一系统在不同的试验中需要的采样时间间隔也不尽相同，故可以采用程控的方式将采样时间间隔设置在2μs~13.0ms之间任意选择，可以增加或减少的最小单位是2μs。所有这些选择设置可以在虚拟仪器软面板上进行。
5)采样点数控制
根据不同测试系统的需求，将采样点数设计成可在一个比较大的范围中任意选择，该选择同样是在软面板上进行。
6)采样方式控制
总结各种自动测试系统的采样方式不外乎软件触发采样和硬件触发采样。在硬件触发采样中又包括同步整周期采样和非同步整周期采样，这2种采样又可以是定时进行的或等转速差进行的。所有这些采样方式，对于数据采集器来说都可以在软面板上进行选择。
2.2软件设计
软件是虚拟仪器的关键，为使VI系统结构清晰简洁，一般可采用组件化设计思想，将各部分彼此独立的软件单元分别制成
标准的组件，然后按照系统的总体要求组成完整的应用系统，一个标准的组件化的虚拟仪器软件系统，如图3所示。
应用软件为用户提供了建立虚拟仪器和扩展其功能的必要工具，以及利用PC机、工作站的强大功能。同时VPP联盟提出了建立虚拟仪器标准结构库（VISA）的建议，为虚拟仪器的研制与开发提供了标准。这也进一步使由通用的VXI数据采集模块、CPU/DSP模块来构成虚拟仪器成为可能。
基于虚拟仪器的数据采集器的软件包括系统管理软件、应用程序、仪器驱动软件和I/O接口软件。以往这4部分需要用户自己组织或开发，往往很困难，但现在NI公司提供了所有这四部分软件，使应用开发比以往容易得多。
下面简单介绍以NI公司的LabWindows/CVI为开发环境，来进行VXI虚拟仪器的驱动程序开发的方法。
第一步：生成仪器模块的用户接口资源文件（UIR）。用户接口资源、文件是仪器模块开发者利用LabWindows/CVI的用户界面编辑器为仪器模块设计的一个图形用户界面（GUI）。一个LabWindows/CVI的GUI由面板、命令按钮、图标、下拉菜单、曲线、旋钮、指示表以及许多其他控制项和说明项构成。
第二步：LabWindows/CVI事件驱动编程。应用程序开发环境LabWindows/CVI中设计一个用户接口，实际上是在用户计算机屏幕上定义一个面板，他由各种控制项（如命令按钮、菜单、曲线等）构成。用户选中这些控制项就可以产生一系列用户接口事件（events）。例如，当用户单击一个命令按钮，这个按钮产生一个用户接口事件，并传递给开发者编写的C语言驱动程序。这是运用了Windows编程的事件驱动机制。LabWindows/CVI中使用不同类型的控制项，在界面编辑器中将显示不同类型的信息，并产生不同操作的接口事件。在LabWindows/CVI的开发平台中，对事件驱动进行C程序编程时可采用2种基本的方法：回调函数法和事件循环处理法。
回调函数法是开发者为每一个用户界面的控制项写一个独立的用户界面的控制函数，当选中某个控制项，就调用相应的函数进行事件处理。在循环处理法中，只处理GUI控制项所产生的COMMIT事件。通过GetUserEvent函数过滤，将所有的COMMIT事件区分开，识别出是由哪个控制项所产生的事件，并执行相应的处理。
第三步：应用函数/VI集与应用程序软件包编写。应用函数/VI集需针对具体仪器模块功能进行编程，应用程序软件包只是一些功能强大、需要完善的数据处理能力的模块才需要提供，如波形分析仪模块、DSP模块等。
3结语
本文探讨了虚拟仪器的基本组成，以及实际的虚拟仪器软硬件设计的一般方法，这些方法经过实际设计工作运用证明是可靠的，可供系统工程技术人员在组建具体的基于VXI总线的虚拟仪器数据采集、测试时参考使用。
参考文献
1］赵勇.虚拟仪器软件平台和发展趋势［J］.国外电子测量技术,2002,(1)
2］陈光禹.VXI总线测试平台［M］.北京：电子科技大学出版社,1996
3］孙昕，张忠亭，薛长斌.集成VXI总线自动测试系统的方法［J］.测控技术,1996,15(4)
关键词：虚拟仪器，动态切削力，测量，应用
引言
切削力是切削过程中的一个最基本的作用和现象，它不仅是描述切削过程的基本参数，而且也是设计和使用机床、夹具、刀具，制定工艺规程以及评定切削加工性不可缺少的数据。动态切削力的变化规律是研究切削机理和机床动刚度的重要依据。硕士论文，应用。在现代制造工程中(包括柔性制造系统、计算机集成制造系统，无人化工厂等)，切削力是状态监测的重要参数。在机械加工领域的基础和应用研究中，常常需要能够对切削力进行测试的装置，即各种类型的测力系统.它不但是进行相关试验研究的重要工具，而且已逐步发展成为切削加工工艺系统的一个组成环节。
虚拟仪器(VI: Virtual Instrument)的概念由美国国家仪器公司(NI: National Instrument)于20世纪80年代末期提出。虚拟仪器是计算机、测量和微电子等技术高速发展的产物，由计算机应用软件和仪器硬件组成。通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。
本文主要研究利用虚拟仪器实现测力仪数据采集与处理，与虚拟仪器技术相结合，开发出可以测量X,Y, Z三个方向的力。硕士论文，应用。
1 硬件组成
由虚拟仪器构建的测力系统与传统电子仪器一样，其功能由图1所示的三大模块成:信号采集与控制、信号分析与处理、信号显示与输出。
图1 虚拟仪器构建的测力系统功能结构图
利用虚拟仪器实现测力仪数据采集与处理，它主要由以下几部分组成：测力仪、应变仪、数据采集卡、计算机和系统软件（如图2）。
图2 测力仪数据采集与处理系的功能图
基于数据采集的虚拟仪器系统，通过A/D变换将模拟、数字信号采集入计算机进行分析处理显示等，并可通过A/D变换实现反馈控制。根据需要还可加入信号调理和实时DSP等硬件模块。利用仪器实现虚拟仪器系统，VXI总线为新型计算机查卡式仪器提供了标准。硕士论文，应用。计算机完成对采集到的数据进行显示、存储、打印、分析和处理等功能，提供给用户一个简洁直观的动态切削力测量过程。
2 软件组成
软件结构由三部分组成：I/O接口软件、仪器驱动程序和测力系统环境。硕士论文，应用。
I/O接口软件存在于仪器与仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器内部寄存器单元进行直接存取数据并为仪器与仪器驱动程序提供信息传递的底层软件层，是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基础和核心。
仪器驱动程序：主要是用于完成仪器硬件的通信及控制功能。硕士论文，应用。当设备驱动后，由软件进行数据的分析整理而实现测量功能，并求去测量结果。硕士论文，应用。
测力系统环境：基于语言平台，如C、Visual C＋＋、VB等；基于图形化工程环境平台，如LabVIEW等。
测力开始时先必须对测力仪加载以标定（以X方向加载力为例）。作为一个非理想的多向测力系统，当在X方向加载力时，Y方向、Z方向也会有不同程度的干扰输出，本试验所得数据如表1：
表1 X方向加载时数据表
