时间:2023-03-27 16:50:58
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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。
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
0 引言
振动现象是自然界中普遍存在的一种现象,振动问题在工程中是要经常面对地问题,故振动分析已成为各项工程技术研究与设计必不可少的环节。伴随着微电子技术、计算机技术和网络技术的迅速发展及其在电子测量技术领域的应用,测量仪器不断进步,从最初的模拟仪器依次发展到数字化仪器、智能化仪器和最新一代的虚拟仪器。虚拟仪器技术,由用户定义仪器功能,可扩展性强,信号分析及处理能力强。因此,我们设计了以LabVIEW为基础的动力减振实验系统。
1.虚拟仪器技术
1.1虚拟仪器的组成
虚拟仪器以透明的方式把计算机资源(如微处理器、显示器等)和仪器硬件(如A/D、D/A、数字I/O、定时器等)的测量、控制能力结合在一起,通过软件实现对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口[1]。这样用户便可以通过友好的图形界面操作这台计算机,就象在操作自己定义、自己设计的一台单个传统仪器一样。
虚拟仪器从功能上划分,可以分为数据采集、数据分析和结果显示三大功能模块;从构成要素讲,它是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的;从构成方式讲,则有以DAQ板和信号调理为仪器硬件而组成的PC-DAQ测试系统,以GPIB、VXI、Serial和Fieldbus等标准总线仪器为硬件组成的GPIB系统、VXI系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。无论哪种VI系统都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式PC或工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成的。免费论文参考网。
1.2虚拟仪器的优势
虚拟仪器与传统仪器最大的不同之处在于应用的灵活性和功能的可重构性上。在虚拟仪器中,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,很方便的改变、增减仪器系统的功能与规模。虚拟仪器克服了传统仪器的功能在制造时就被限定而不能变动的缺陷,摆脱了由传统硬件构成一件仪器再连接成系统的模式,为用户提供了一个充分发挥自己的才能和想象力的空间。
2.振动的数学模型分析
工程实际中,大量问题不能简化为单自由度系统的振动问题进行分析,而往往需要简化成多自由度系统才能解决。两自由度系统是最简单的多自由度系统。对系统模型的简化、振动微分方程的建立和求解的一般方法以及系统响应表现出来的振动特性等方面,两自由度系统和多自由度系统没有什么本质区别。因此研究两自由度系统是分析和掌握多自由度系统振动特性的基础。免费论文参考网。两自由度系统的运动形态要由两个独立的坐标来确定,需要用两个振动微分方程描述它的运动。建立振动微分方程最常用的方法就是用牛顿第一定律法则进行分析。
在工程中有许多实际系统都可以简化为图1所示的力学模型图。质体m1和m2用弹簧k2联系,而它们与基础分别用弹簧k1和k3联系。假定两质体只沿铅垂方向作往复直线运动,质体m1和m2的任一瞬时位置只要用x1及和x2两个独立坐标就可以确定,因此,系统具有两个自由度。以ml和m2的静平衡位置为坐标原点,在振动的任一瞬时t,m1与m2的位移分别为xl和x2。在质体m1作用谐激振力Qlsinωt。取加速度和力的正方向与坐标正方向一致,根据牛顿第二定律可分别得到质体ml和m2的振动微分方程:
力学模型的振动微分方程为:
(1)
其受迫振动的振幅为:
(2)
当时,得,。
可见选择动力消振器的固有频率时,ml即保持不动,而m2则以频率作的受迫振动。消振器弹簧在下端受到的作用力在任何瞬时恰好与上端的激振力相平衡,因此使m1的振动转移m2上来。
3.减振实验系统的设计
3.1减振实验系统总体设计
中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)19-5381-02
继电保护装置是一种利用电磁感应原理而发展起来的电力系统保护装置,随着电子技术和网络通信技术的飞速发展,目前已经发展到微机型阶段,并且利用软件技术可以实现由软件技术驱动硬件而实现微机继电保护,这就是目前研究很热的技术――基于虚拟仪器技术的继电保护系统。利用虚拟仪器技术实现的微机继电保护装置,具有传统微机继电保护装置所不具备的优势,例如控制更加安全可靠等。
本论文主要将虚拟技术应用于微机保护实验系统,拟对基于虚拟仪器技术的微机保护系统进行开发,并从中找到可靠有效的微机保护实验方法与建议,并和广大同行分享。
1 微机继电保护概述
1.1 微机继电保护的基本构成
微机继电保护装置,其基本结构构成与普通的电力保护装置一样,也是有硬件和软件两大部分构成。硬件部分主要由数据采集系统、数据处理系统及逻辑判断控制模块等几个部分构成,主要由数据采集模块负责对电力系统的相关电参数实现检测与采集,并将数据传送至数据处理系统,数据经过运算之后,由逻辑判断控制模块调用软件控制程序,并发出相应的控制信号,驱动保护装置执行保护动作,从而实现电力继电保护的功能。
随着集成电子电路技术的发展,目前发展的微机型继电保护装置,其硬件系统主要由CPU(微处理器)主机系统、模拟量数据采集系统和开关量输入/输出系统三大部分组成,尽管结构构成已经发生一定变化,但其实实现继电保护的基本原理仍是一样的,由模拟量数据采集系统负责相关保护参数的采集,微机继电保护装置是以微处理器为核心,根据数据采集系统所采集到的电力系统的实时状态数据,按照给定算法来检测电力系统是否发生故障以及故障性质、范围等,并由此做出是否需要跳闸或报警等判断。
1.2 微机继电保护装置的特点
微机保护与常规保护相比具有以下优点:
1) 微机继电保护装置主要由微处理器为核心而构成的硬件系统,因此借助于现代功能强大的微处理器,微机型继电保护装置可以实现一定程度的智能化。
2) 相比于传统的机械式硬件实现的硬件保护装置,微机型继电保护装置能够依靠数据采集模块实现对相关参数的检测与采集,整个过程实现数字化流程,这就为继电保护装置的控制功能的稳定性、可靠性提供了技术条件;另一方面,依靠微处理器内部的软件程序,微机继电保护装置能够进行周期性自检,一旦发现自身硬件或者软件发生故障,能够立即实施报警,从而保障了继电保护装置功能的可靠性。
3) 传统的机械式硬件实现的硬件保护装置,其保护功能较为单一,仅仅是实现基本的保护功能,动作依靠一次性机械元件完成,一旦该部件发生故障,则整个继电保护装置无法工作;而微机型继电保护装置除了能够利用弱电驱动控制实现继电保护的功能外,还能够依靠数据采集系统对整个电力系统的相关电力参数都实施监测与采集,通过程序的分析,实现对电力系统整体性能的检测,保护功能大大丰富。
4) 传统的机械式硬件实现的硬件保护装置,其功能调试复杂,工作量大,而且极容易造成内部晶体管集成电路的失效,而现代微机继电保护装置,依靠内部的核心微处理器,能够开发专用的人机交互系统,利用人机交互系统实现继电保护装置的调试,简单易行,还可以自动对保护的功能进行快速检查。
5) 利用微机的智能特点,可以采用一些新原理,解决一些常规保护难以解决的问题。例如,采用模糊识别原理或波形对称原理识别判断励磁涌流,利用模糊识别原理判断振荡过程中的短路故障,采用自适应原理改善保护的性能等。
2 基于虚拟仪器的微机保护实验系统开发设计
2.1 总体结构设计
本论文探讨的是基于虚拟仪器技术的微机继电保护系统,因此首先面临选择合适的虚拟仪器开发平台的问题,这里选择基于G语言的LabView开发平台是目前国际最先进的虚拟仪器控制软件,集中了对数据的采集、分析、处理、表达,各种总线接口、VXI仪器、GPIB及串口仪器驱动程序的编制。基于虚拟仪器的微机继电保护装置系统,是利用虚拟仪器开发平台,构建虚拟的微机继电保护装置,实现完整的微机继电保护装置的全部功能,并对设计的虚拟继电保护装置进行评估和改进,从而完成微机继电保护系统设计的一种设计手段。
利用虚拟仪器技术进行微机继电保护系统的开发设计,从具体设计流程来说,主要从以下几个环节入手进行总体结构的设计:
根据微机继电保护系统的设计目标、设计功能,列出所需要的相关硬件,构建整体微机继电保护系统结构框架;另一方面,尽量采用模块化的开发设计模式,将微机继电保护系统按照不同的功能环节,设计各功能模块之间的结构关系。
如下图所示,是本论文所探讨的利用虚拟仪器平台所开发的微机继电保护系统结构原理图。这种方式既便于模块的单独调试,节省系统开发周期,又便于系统功能的改变,使系统具有更强的移植与升级功能。
如图1所示,基于虚拟仪器技术的微机保护系统结构主要由一次系统、转换模块、数据采集模块、保护测量模块及保护决策软件系统等几部分构成,一次系统主要负责面向电网系统模拟设置合适的传感器,将相关拟生成电网的二次侧电压、电流信号,信号经过转换、调理电路变换成符合要求的-5V~+5V模拟信号送数据采集模块,数据采集模块主要由DAQ数据采集卡构成,能够自动将模拟产生的模拟电压信号进行A/D转换,并进行初步的数据处理转换再传送给以虚拟微处理器为核心的保护决策模块,最终将生成的继电保护控制决策信号输出到保护策略模块,最终实现微机继电保护系统的功能。
2.2 数据采集模块的设计与实现
本文中微机实现的继电保护实验系统输入信号来源于继电保护测试仪,根据保护系统测试输入信号的特点,本论文采用数据采集卡来负责数据的采集与高速传输。
2.2.1 数据采集卡的选择
要实现基于虚拟仪器技术平台的微机继电保护系统,一次系统在完成相应电力系统电参数的传感检测之后,数据采集模块要能够按照微机继电保护系统的功能于设计要求实现相应数据的转换与采集,因此,数据采集卡的选择成为整个微机继电保护系统保护功能实现的关键。目前的数据采集卡,主要有12位或16位的DAQ数据采集卡,在具体决定选用12位还是16位的DAQ设备时,主要从采集精度和分辨率这两个指标考虑,可以由给定的系统精度指标衡量出DAQ卡需要的整体精度。
在本论文中,这里选取PCI-1716数据采集卡。PCI-1716是研华公司的一款功能强大的高分辨率多功能PCI数据采集卡,它带有一个250KS/s16位A/D转换器,1K用于A/D的采样FIFO缓冲器。PCI-1716可以提供16路单端模拟量输入或8路差分模拟量输入,也可以组合输入。它带有2个16位D/A输出通道,16路数字量输入/输出通道和1个10MHz16位计数器通道。PCI-1716系列能够为不同用户提供专门的功能。
2.2.2 虚拟数据采集程序的实现
在选择了数据采集卡硬件设备之后,需要借助于虚拟仪器平台为整个系统设计虚拟护具采集程序。在具体进行设计时,由系统内部虚拟程序产生数据采集卡锁需要的相应信号,具体来说就是CT、PT信号,因此,在具体编程时,首先将CT、PT信号传输至相应的滤波器,LabVIEW提供了各种典型的滤波器模块,根据需要可以设置成低通、高通、带通、带阻等类型的滤波器;其次,将经过数据滤波处理之后的数据进行输出。数据采集模块的程序如图2所示。
2.3 微机保护模块的设计与实现
既然在数据采集模块之后需要进行数据的滤波,尽管LabVIEW提供了各种典型的滤波器模块,但是仍然需要借助于虚拟滤波模块设计专用的滤波算法,而且在微机继电保护系统中,对电力系统的继电保护功能的实现,主要是由相应的滤波保护算法实现的,因此有必要为虚拟微机电力保护系统设计滤波保护算法程序。
本论文采用如下的设计方法对滤波保护算法进行设计:
1) 利用LabVIEW自带的滤波器进行数据的排序滤波。
2) 按照系统保护功能所需要的数据频带,设置相应的低通、高通、带通、带阻等灯滤波保护功能。按照上述方法,基于虚拟仪器平台的微机继电保护系统,其滤波器输入得到的数据序列,多数是传感器采集到的电参数,如电压和电流,而电压和电流数据是离散的数字量序列,其中包含了大量的谐波干扰信号,因此有必要进行滤波。在本论文中,采用了二级滤波保护算法,即分别进行前置滤波和后置滤波,实现对数据的二级滤波保护,从而提高整个微机继电保护系统的稳定性和可靠性。前置滤波模块如图3所示,后置滤波模块如图4所示。其中前置滤波模块提供了差分滤波器、积分滤波器、级联滤波器、半波和1/4周波傅立叶滤波器、半波和1/4周波沃尔氏滤波器,可以根据需要自行选择;后置滤波模块提供了平均值滤波器、中间值滤波器,也可以自由选择。
3 结束语
利用虚拟仪器技术进行微机继电保护装置系统的设计开发,能够很好的避免了实物硬件开发设计所带来的周期较长、调试较复杂以及成本较高等劣势,所有的开发设计任务全部在虚拟仪器平台上完成。本论文将虚拟仪器技术应用到了微机保护装置的设计,对于进一步提高微机继电保护装置的可靠性与稳定性具有优势,同时借助于虚拟仪器技术的开发,能够更好的实现电气继电保护功能的完善与提升。
参考文献:
[1] 李佑光,林东.电力系统继电保护原理及新技术[M].北京:科学出版社,2003.
[2] 王亮,赵文东.微机继电保护的现状及其发展趋势[J].科技情报开发与经济,2006,16(18):150-151.
虚拟仪器技术是当前仪器与测量发展的一个重要方向,它为各学科提供了一个通用的测量及仪器设计平台,因此“虚拟仪器实践”课程不仅提供了虚拟仪器技术理论与实践结合的环节,也是学生综合应用所学各门学科知识的一个很好的实践机会。对于工科学生来说,加强对他们的实践能力的培养尤为重要。
“虚拟仪器实践”课之前的教学内容是让学生完成“虚拟仪器实验箱”配套的实验指导书上的5个实验,实验指导书详细介绍了实验步骤,学生按照实验指导书的内容完成即可。但是每次课程结束,学生仍然不懂虚拟仪器的基本知识,更不用说独立完成一个虚拟仪器的设计与实现,远远达不到开设这门课的目的以及培养学生创新实践能力的目标,因此对这门课的教学改革势在必行。
通过分析“虚拟仪器实践”课程的课程目的以及学生的实际情况,我们在课程中借鉴了以课题研究为导向的教学方法,对课程内容、授课模式和考核方式等几方面进行了改革,经过2年的教学实践,均取得了较好的教学效果和学生反馈。
二、课题研究为导向的教学法
课题研究为导向的教学法,是指在教学中引入课题研究任务,引导学生带着一定的目的性主动学习,这可以提高学生学习的积极性,并提高独立科研的能力。从课程伊始布置课题任务,期末提交课程设计报告,课题研究任务贯穿整个课程教学过程。
以课题研究为导向的教学过程,学生可以根据兴趣自主选题,所以学习的兴趣和动力较大,不仅会自己去研究“怎么做”,还会研究“怎么做得更好”,因此是学生在教师的指导下变被动学习为主动学习的过程。
课题研究为导向的教学法,实际上是以建构主义教育理念为指导的“做中学”,要求学生通过“动手做”获得直接经验,并运用已掌握的知识去分析和解决实践中的问题,对获得的数据进行整理、分析等处理,最终得出结论。因此,学生得到的知识是鲜活的知识,并且易于内化为认知结构。
做中学的教学思想被认为是最有效的教学策略之一。正如美国“2061计划”中指出,最有效的向各类学生教授科学的策略应是支持学生对他们自己动手的和与他们的生活和文化相关的活动形成他们自己的理解[7]。
对于如何开展做中学,国内外教育界做了很多有效的尝试和探索,丹麦的奥尔大学创立的课题(项目)组织教学(project organized)模式便是一个成功范例。这一模式包括选择课题、师生协同研究、撰写研究报告、课题评价四个阶段,真正做到了按课题(项目)组织教学,以课题研究贯穿于教学的全过程。
三、课题研究为导向的教学实践
在“虚拟仪器实践”课程教学过程中实施以课题研究为导向的教学法,不仅仅是帮助学生更好地掌握虚拟仪器技术的知识,包括虚拟仪器系统的构成、虚拟仪器的编程环境和编程方法、虚拟仪器的编程技巧以及优化策略,也重在培养各种能力,包括发现和运用学习资源的能力,合作学习的能力,口头表达能力和书面表达能力,运用在大学学到的知识和发展的智力等。
改革以后的课程内容、授课模式和考核方式都围绕以上目标进行,课程内容不再是几个固定的实验,而是学生自主完成一个课题的设计并实现;授课模式也主要是“以学生为中心”的研究型课堂模式,教师主要工作是答疑和点评;课程考核是根据课题完成情况和课程设计报告的情况综合评分。具体步骤如下。
(一)确定课题
主要是给学生们布置课题任务,同时介绍考核的标准、查找文献的方法、课程设计报告的格式要求,并提供示范的优秀作品。
课题的确定是实施项目教学法的关键环节。选题既要新颖有趣,能够激发学生的兴趣,又要有一定综合性和难度,能够让学生对所学知识进行综合、学会理论联系实际、学会解决处理实际问题,从中培养学生的综合能力。
为了激发学生的学习热情和创新意识,鼓励学生根据自己的兴趣爱好以及查找资料的结果自主选题,再由教师审批确定。
(二)知识梳理
任何一个领域的知识都是有结构的。把知识放到一个大的架构下学习,有助于掌握和理解,有益于记忆和应用,可以有效提高学习效率。学生在小学期生产实习时已经学过了LabVIEW的基本知识,但是比较零碎,没有构建起虚拟仪器技术的整体知识脉络,因此,在学生开始他们的课题研究之前,我们用2个课时给学生做了必要的知识梳理,把虚拟仪器技术的基本知识点贯穿起来,也解决了学时少的情况下尽可能提高课题研究质量的问题。
(三)课题研究
学生可以选择独立完成或者2人一组完成课程设计。学生利用网络、参考书籍查找相关资料,实现课题的预期效果。在教师的建议和指导下,学生寻找符合项目性能指标要求的传感器和元器件,完成硬件电路的搭建。硬件电路完成后,进入软件框图程序设计。最终进行软硬件系统调试,完成设计要求。也允许有一定难度和实用价值的纯软件的课题。
(四)课题评价
每组同学用PPT和课题成果演示相结合的方式展示课题的研究成果以及获得的知识和技能,老师进行点评,主要从综合性、界面友好性、程序规范性、创新性四个方面进行评价和考核,鼓励学生的创新意识和有难度的课题。
(五)撰写报告
之前绝大多数学生都没有做过小论文,我们参考毕设论文的格式向学生提出了课程设计报告的要求(即应包括摘要、关键词、全文、心得总结及参考文献,且参考文献应在文中标注等),并给出示例范文。这不仅使学生得到了初步的科学研究训练,也为即将到来的毕业设计做了很好的过渡。
四、教学实践的实施效果
我们从2014年开始对电子信息工程专业两届共108名学生进行了以课题研究为导向的“虚拟仪器实践”课的教学改革探索。学生用9周时间,利用美国NI公司LabVIEW虚拟仪器软件、数据采集卡及其他传感器和元器件分别完成了自动温度监测仪、多媒体小助手、基于LabVIEW的远程实验、实时变声器、基于LabVIEW的多媒体通讯系统、十字路通灯控制系统、直流电机转速控制仪设计等多个课题的设计。学生们还自拟了全国大学生体质健康测试计算器、学生宿舍简易监控系统等反映学生日常生活需要的题目,学生们做得兴趣盎然,相关作品参加校内外的虚拟仪器竞赛也获得了较好的成绩。
通过本课程,学生不但完成了虚拟仪器技术相关知识的学习和综合应用,还加深了对传感器技术、测控技术、计算机原理与接口技术、信号与系统、计算机网络技术等理论知识的理解。课堂气氛活跃,学生分析能力、组织协调能力和动手能力显著提高,基本达到了预期教学目标。
为了提高学生的课程论文质量,我们要求每个课题都小题大做。从课题调研、提交方案、课题完成,到最后的论文提交,完成了一个系统的学术训练过程。在最近的这期教学实践中,我们强化了方案环节,要求学生在前期要提交一份研究方案的报告,因此这期提交的论文质量整体上比上期有较大的提高。学生在完成论文后普遍有一种成就感。
五、教学实践中的教学体会及应注意的问题
以课题研究为导向的“虚拟仪器实践”课的教学改革探索取得了比较好的教学效果,但是还是有些需要注意改进的问题。
(一)项目设计要合理
学生的层次和素质有较大的差别,为了满足每个学生的不同需求,使他们有不同程度的收获,项目设计必须有层次。同时,给学生布置任务时一定要提出明确的要求和目标。
另外,根据学生的反馈,多数学生希望在选题时能够得到更多老师的引导和支持。我们的学生经过多年应试教育的培养,创新意识比较缺乏,希望老师有现成的题目给他们。改变这种状况还需要长期的培养和引导。
(二)把握好教师的地位
以课题研究为导向的教学中,学生为主体,教师设计课题任务、提供指导和建议并且做好督促和检查。
1绪论
1.1虚拟仪器
1.1.1 虚拟仪器的概念
虚拟仪器的概念最早由美国N工公司于1895年提出n,其英文原称为Vrul Instrument,简称vi。所谓虚拟仪器,就是在以计算机为核心的硬件平台上,其功能由用户设计和定义,具有虚拟面板,其测试功能由测试软件实现的一种计算机测试系统.虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板,以多种形式表达输出检测结果:利用计算机强大的软件功能来实现信号数据的运算、分析和处理:利用工/0接口设备完成信号的采集、测1t与调理,从而建立集各种测试功能为一体的计算机仪器系统。使用者通过鼠标和键盘操作虚拟面板,就如同使用一台专用测盆仪器一样。
虚拟仪器彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义,用户无法改变的局面,从而使得任何一个用户都可以方便灵活地用鼠标或按键在计算机显示屏幕上操作虚拟仪器软面板的各种“旋钮”进行测试工作,并可以根据不同的测试要求通过窗口切换不同的虚拟仪器,或通过修改软件来改变、增减虚拟仪器系统的功能与规模。虚拟仪器具有的这种“可开发性”和“可扩展性”等优越特点使虚拟仪器具有强大的生命力和竞争力。
1.1.2虚拟仪器的构成及其分类
虚拟仪器由通用仪器硬件平台(简称硬件平台)和应用软件两大部分构成。
(1) 虚拟仪器的硬件平台
虚拟仪器的硬件平台由两部分组成:
(a)计算机 一般为一台PC机或者工作站,其为硬件平台的核心。
(b)I/0接口设备 I/0接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、A/D转换。不同的总线有其相应的I/0接口硬件设备,如利用PC机总线的数据采集板卡、GPIB总线、VXI总线仪器模块、PXI总线仪器模块、串行总线仪器等。
虚拟仪器的构成方式主要有5种类型:
. PC-DAQ系统
PC-DAQ系统是以数据采集卡、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。这种系统采用计算机的PCI或工SA总线,数据采集卡直接插入计算机底板上的相应总线插槽.
. GPIB系统 GPB系统是以PB标准总线仪器与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器测试系统。
. VXI系统 VX 6是以VXI标准总线仪器模块与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器测试系统。
. PXI系统 PX工系统是以PXI标准总线仪器模块与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器测试系统。
. 串口系统 串口系统是以Serial标准总线仪器与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器测试系统。
(2) 虚拟仪器的软件
目前虚拟仪器软件开发工具有如下两类:
. 文本式开发平台:如VisualC+,VisualBasic,LabWindows/CVI等,
. 图形化开发平台:如LabVIEW,HPV E等。.
虚拟仪器软件由两部分组成,即应用程序和I/0接口仪器驱动程序.应用程序又包含实现虚拟面板功能的软件程序和定义测试功能的流程图软件程序.I/0接口仪器驱动程序完成对特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信.
1.2 LabVIEW开发平台简介及G语言
LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境(LaboratoryVirtualInstrumentEniernokec) NTOANTUET',gnigWrbnh的缩写,是美国国家仪器公司(AINLISRMNS"简称NI) 推出的基于G语言(GraphicsLanguage,图形化编程语言)的虚拟仪器软件开发平台,也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境,全球仅次于C/C+十开发平台。
1.3目的与意义
用LABVIEW构建一个模拟电子技术虚拟实验系统——调制解调器。
从现实的意义上来说,在高等工程教育中采用虚拟实验室,可以从根本上解决实验与实习经费严重短缺问题。作为传统电子技术实验的补充,使学生初步掌握仿真软件技术,可使实验内容紧密联系课本内容,比较全面地概括和反映部分所学的知识点,将课堂内容具体化。
同时,利用虚拟仪器技术实现对仪器设备的远程、分布式控制,。一方面继承实物实验可操作性、参与性强的优点,另一方面又可利用计算机优势,发挥其直观、动态模拟、迅速准确、资源共享、资金投入量少等特点,从而建立一种新型的实验教学方式,进一步提高教学效率。
2工具LABVIEW
2.1 LabVIEW开发平台简介
LabVIEW是一个完全的、开放式的虚拟仪器开发系统应用软件,利用它组建仪器测试系统和数据采集系统可以大大简化程序的设计。LabVIEW与Visual C++、Visual Basic、
LabWindows/CVI等编程语言不同,后者采用的是基于文本语言的程序代码(Code),而L abVIEW则是使用图形化程序设计语言G(Graphic),用框图代替了传统的程序代码。Lab VIEW所运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致,这使得编程过程和思维过程非常的相似。
LabVIEW包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的函数库和开发工具库。
LabVIEW的程序设计实质上就是设计一个个的“虚拟仪器”,即“VIs”。在计算机显示屏 幕上利用函数库和开发工具库产生一个前面版(Front Panel);在后台则是利用图形化的编程语言编制用于控制前面板的框图程序。程序的前面板具有与传统仪器相类似的界面,可接受用户的鼠标和键盘指令。一般来说,每一个VI都可以被其他VI调用,其功能类似于文本语言的子程序嵌套;而这种嵌套的层次,从理论上讲,是不受任何限制的。
LabVIEW是带有可扩展函数库和子程序库的通用程序设计系统。它提供了用于GPIB设 备控制、VXI总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储的应用程序模块。
LabVIEW可方便的调用Windows动态链接库和用户自定义的动态链接库中的函数;LabVIEW 还提供了CIN (C Interface Node) 节点使得用户可以使用由C或C++语言,如ANSI C, 编译的程序模块,使得LabVIEW成为一个开放的开发平台。LabVIEW还直接支持动态数据交换 (DDE)、结构化查询语言(SQL)、TCP和UDP网络协议等。此外,LabVIEW还提供了专门用于程序开发的工具箱,使得用户能够很方便的设置断点,动态的执行程序来非常直观形象的观察数据的传输过程,以及进行方便的调试。
LabVIEW的运行机制就宏观上讲已经不再是传统上的冯·诺伊曼计算机体系结构的执 行方式了。传统的计算机语言(如C)中的顺序执行结构在LabVIEW中被并行机制所代替; 从本质上讲,它是一种带有图形控制流结构的数据流模式(Data Flow Mode),这种方式确保了程序中的函数节点(Function Node)只有在获得它的全部数据后才能够被执行。
也就是说,在这种数据流程序的概念中,程序的执行是数据驱动的,它不受操作系统、计 算机等因素的影响。
既然LabVIEW程序是数据流驱动的,数据流程序设计规定,一个目标只有当它的所有输入有效时才能够被执行;而目标的输出只有当它的功能完全时才是有效的。这样,Lab VIEW中被连接的函数节点之间的数据流控制着程序的执行次序,而不像文本程序受到行顺序执行的约束。从而,我们可以通过相互连接函数节点快速简洁的开发应用程序,甚至还可以有多个数据通道同步运行,即所谓的多线程(Multithreading)。
支撑他的是中国科学界应为人类文明进步作出更大贡献的巨大使命感与荣誉感,正是怀着这种振兴中华、造福人类的理想追求,他数十年如一日,呕心沥血,将全部精力投入虚拟仪器(VI)科学研究之中。自主创新115项新技术,攻克十大世界性难题并填补国内空白,特别是对“传递函数的测试及实时控制和反演关键技术”的成功突破,为提高虚拟仪器测量精度和范围开创了新途径,继而被认为“可与‘光纤之父’诺奖得主高锟教授的‘光纤通信’成果相提并论”的美誉,这也使得中美两国同步创造的虚拟仪器有了可问鼎诺贝尔物理学奖的坚定力量。
生命熔铸:“虚拟仪器之父”是这样炼成的
1941年7月,应怀樵出生于人文底蕴深厚的浙江绍兴,应怀樵早年受笃信佛教的母亲的熏陶,得益于曾担任校长的小学良好的教学传统影响,使他从小就树立了为中华民族崛起而读书的远大理想。1959年,应怀樵就读浙江大学理论物理专业,后应国家需要全班调整为应用力学专业。1964年,大学毕业后,他被分配到中国铁道科学院,致力于高速列车风洞课题研究,并到清华大学学习风洞测试分析技术。1965年,他参与我国核爆炸防护工程研究,接触到震动噪声和频谱分析,开始了虚拟仪器的科研生涯,而早年五次转换专业,则练就了他扎实的学术功底和多学科交叉研究课题的优势。更重要的是,科技水平对国家命运的深刻影响更使他深感责任重大。成为世界一流的科学家,为国争光成为了他深埋心中的梦想。而他也毫不讳言对诺贝尔奖的钟情,在他看来,诺贝尔奖不仅是一种崇高的荣誉,更是激励创新、造福人类的精神泉源。
应怀樵认为,以“四大发明”为标志,中华民族曾为人类科技进步作出重要贡献,然而,中华民资却在近代以来落伍了。伴随着中华民族的伟大复兴,中国科学家理应在高科技领域取得原创性的重大突破,并向诺贝尔奖奋力冲刺。这不仅是一个科学家应有的荣誉感,更是中华民族屹立世界民族之林的时代要求。
正是怀着这样一份强烈的使命感和荣誉感,应怀樵走出了一条不平凡的科研探索之路。要成为世界一流的科学家,首先要有敏锐、超前发现重大课题的科研能力。应怀樵介绍说,所谓“‘虚拟仪器’其实并非是传统的仪器,它是指集数据采集和信号调理器、信号处理技术与PC机技术于一体的以软件为主的制造仪器”。事实上,1965年他参加国防核爆炸防护工程课题——地下铁道核爆炸震动噪声与动力学测试分析的研究,当他遇到地铁道床的下沉残余位移(OHz)用硬件无法获得的难题时,就萌生了虚拟仪器的大胆构想——“用数字算法和软件取代硬件”。1973年他开始尝试用数字计算机的软件数字积分取代传统硬件模拟积分的方法解决上述难题,并于1979年获得成功,成为虚拟仪器的最早成功范例。同年于杭州召开的国防科委核试验全国防护工程学术会上,他提出虚拟仪器的核心概念——“软件制造仪器”,获得主持会议的中科院力学所所长郑哲敏院士、清华大学副校长张维院士、同济大学校长李国豪院士的赞扬和支持,这远远比美国NI公司“软件是仪器”的概念提出早了七年。
要成为世界一流的科学家,还要有瞄准国际前沿,不断自我超越的创新意志。据了解,科学仪器与实验技术发展至今已走过模拟式、数字式、智能式三个阶段,从1983年至1986年,开始出现第四代仪器即虚拟仪器(简称VI)。而应怀樵的研究始终走在国际前列。1979年,他编撰的具有该领域应用成果的国内首部专编著《振动测试和分析》出版发行,1982年编著的《CZ测震仪与测振技术》出版发行,1983年出版了具有中国虚拟仪器早期构思实例框图的《波形和频谱分析与随机数据处理》。1985年他自筹资金创建了东方振动和噪声技术研究所(以下简称“东方所”),开始系统从事虚拟仪器库、移动实验室技术研究,提出“把实验室拎着走”的目标,正式立题“DASP虚拟仪器库—振动噪声、模态分析移动实验室技术”研究,为此,他自立课题、自筹资金开始研究“PC卡泰”(PCCATAI)—微机卡式自动采集测试分析仪器。应怀樵还是国内外最早提出“用软件制造仪器”、“用软硬件相结合”来取代传统仪器的学者。此后,依靠持续创新,他带领团队突破了虚拟仪器的核心技术,开发出适合便携机和笔记本使用的小型数采卡和大容量数据采集分析(LCAS)软件,成功研制了台式和笔记本式大容量智能数据采集和信号处理系统以及DASP“达世普”虚拟仪器库系统。据了解,此系统是我国最早研制成功的虚拟仪器产品,一举实现了“把实验室拎着走”的目标。
1988年9月16日,中国虚拟仪器应用于火箭激振钱塘江大桥模态实验圆满成功。1993年3月,该仪器参加北京新技术展览会,并远赴加拿大参展获一致好评。1995年用于“长三捆”火箭全箭模态实验。1996年用于神舟载人飞船移动发射平台模态实验。2004年用于航天员超重训练设备臂架系统模态分析。2007年,在第二届全国虚拟仪器学术交流大会上,东方所的卓越贡献受到高度评价,应怀樵被誉为“中国虚拟仪器之父”。
产业报国:让DASP虚拟仪器库运行在每个实验台
伴随经济全球化及信息时代的来临,如何在世界高科技领域拥有一席之地,如何将中国的高科技产品行销全世界,已经正成为中华民族是否真正崛起的重要标志之一。
数十载春秋,对十大世界性难题的解决让其成为具有中华民族自主知识产权关键技术的经历,为应怀樵平添了几分豪迈与自信。
一是基于平台式设计的VI库技术。用软件制造仪器,软硬件结合取代传统仪器,这一具有里程碑式划时代意义的新路线对仪器制造业和测试技术界产生了巨大影响,代表了我国在VI研发方面的最高水平;二是变时基(VTB)传递函数(导纳)测量分析方法。达到国际领先水平,获国家发明专利。已完成神舟飞船750吨移动发射平台、“长三捆”大型运载火箭、航天员超重训练机模态实验等数十项国家重点项目,效果优良;三是高精度频率、幅值、相位和阻尼测量技术。东方所原创的高精度频率计和幅值计,比国外常规方法提高精度100万倍,具有重大国际影响力;四是超低频信号快速测量技术,达到国际领先水平;五是原创倒熵熵、倒熵富、倒富熵等三种倒熵谱分析方法,达到倒谱分析的国际领先水平;六是FFT/DFT分析方法,成为目前频谱细化主要方法之一,达到国际领先;七是振动全息AVD“一入三出”实时测试分析创新技术,原创性地提出了全程微积分方法,实现AVD“一入三出”振动全息实时动态连续测量,达到国际领先;八是自动化模态分析方法。一般人员通过简单操作即可获得专家级的模态分析结果;九是24位“双核”变幅基A/D高精度超量程160dB数采仪技术达到国内首创,国际领先;十是突破传递函数的测试及实时控制和反演关键技术为提高仪器测量精度和范围开辟新途径。此技术是一项世界难题,可极大扩展仪器的频率测试范围,提高测试精度,极具国际竞争力。
仅拥有一流的科研实践成果还远远不够,在应怀樵眼里,诺贝尔不仅是一位杰出的科学家,还是一代企业家对科学及人类进步事业的热爱,凭借巨额财富设立的诺贝尔奖,使诺贝尔成功激励了一代又一代热爱科学与进步的杰出人物,为人类文明的进步做出了不可磨灭的贡献。为此,当虚拟仪器技术攀上科学顶峰的时候,应怀樵直面七次与死神擦肩而过的生命危机,依然没有停止探索与奋进的脚步,开始积极思考中国虚拟仪器的产业化之路,树立起了“让INV系统走进每一个实验室,让DASP软件运行在每个实验台上”的宏大目标。
为此目标,他在建所之初就提出“勤奋、创新、坚持、自强、和谐”的十字座右铭和完全自由的判断与讨论的“玻尔所”精神及“六要三不要”的处事准则等基础上,发展成为涵盖精神追求、道德情操的18条共336字法则及幸福六大原则的企业文化,加强了东方所的文化凝聚力。
以此为纽带,东方所不断加强人才队伍建设,一方面加强与全国重点高校合作,为国家培养出大批专业急需人才,以及行业高端人才,该所研究团队也扩大到60余人,拥有博士、硕士数十名,成为虚拟仪器领域一支重要力量。另一方面他还成功组织和主持了24届全国振动与噪声高技术学术会议,1997年至今主编《现代振动与噪声技术》九卷等十多部专著及《倒熵谱研究》等150多篇论文报告。同时,他还不断致力于创新软硬件的研发,推出CPCI式INV3020和LAN以太网式INV3060、USB式INV3018系列新产品,无线INV9500、手持式INV3080等硬件新产品和DASP的最新软件版本,并积极推动产品市场化。
“软件制造仪器,软硬件结合取代传统仪器”能省掉大量昂贵和笨重的硬件材料和人力物力、设备、厂房和能源,便于生产和携带。这是一条划时代的新途径,是科学仪器和测试领域的一次突破和革命,是21世纪的仪器的重要发展方向,是中华民族原创的具有自主知识产权的重大发明之一。中国虚拟仪器DASP软件和INV移动实验室系统是与美国NI同步并行研发的,其中自主创新115项新技术,其中20多项达国际领先水平,是研发最早且核心技术搞得最好的科研成果。
中图分类号:TH122文献标识码:A文章编号:16723198(2010)01029302
1 机械工程测试系统概述
机械工程测试系统的基本任务是从测试对象获取反映其变化规律的动态信息,一个功能完善的机械工程测试系统由传感器、信号转换装置、信号分析处理装置和显示与记录等功能模块组成,无疑,讨论和设计机械工程测试系统及其构成要素,是十分有意义的。
测试系统的第一个环节是信号的传感,即是将被测量的量或被观察的量通过一个被测量传感器或敏感元件转换成一个电的、液压的、气动的或其他形式的物理量,被测的或被观察的量与被转换的输出量之间根据可利用的物理定律应该具有一种明确的关系。传感器就是用来完成这种转换的装置。
第二个环节为信号的转换和调理。被测物理量经传感环节被转换为电阻、电容、电感或者电压、电流、电荷等电参量的变化,由于在测试过程中不可避免地遭受各种内、外干扰因素的影响,且为了用被测信号驱动显示、记录和控制等仪器或进一步将信号输入计算机进行数据处理。因此经传感后的信号尚需进过调理、放大、滤波、运算分析等一系列加工处理,以抑制干扰噪声、提高信噪比,便于进一步传输和后续环节中的处理。
第三个环节是是对这些信号进行分析处理以及显示记录,包括信号的时域分析、频域分析、相关分析等。原始波形显示、处理后波形显示等。从而还可以分析出机械运转的工况等。
2 虚拟仪器技术在机械工程测试系统中的应用现状
科学技术的日益发展,对现在的机械工程测试系统影响很大,特别是相对于传统的测试系统来讲。以前要用特定的仪器对信号进行分析,但是利用虚拟仪器组建的机械工程测试系统却不用专用的仪器,而是利用计算机作为连接虚拟仪器软硬件的平台,信号源通过调理后数据采集卡就可以获取数据进行分析处理。现代计算机技术对机械工程测试技术和仪器的发展产生了革命性的影响。
测试系统的发展经历了模拟测试仪器、计算机测试系统及虚拟仪器三个阶段。现代机械工程测试技术以计算机为中心,计算机的发展必然促进测试技术和仪器的发展。在此背景下,虚拟仪器的产生也就水到渠成。
在虚拟仪器中,软件是虚拟仗器系统的关键,目前国内外这种软件主要有美国DSP公司的DADISP软件,以实验后数据处理分析和表示见长美国NI公司的系列虚拟仪器开发平台(LabVIEW、LabWindows/CVI、Virtual Bench和Component Works)、美国QUATECH公司的DASLab软件包和惠普公司的VEE软件平台都是可以搭建虚拟测试系统的软件平台,以图形化编程和界面灵活见长。
由于PC的功能变得越来越强大,速度快,价格低,在标准PC上连接一个或多个仪器模块构成测试仪器成为一种趋势。这种仪器即为虚拟仪器。
虚拟仪器的软件开发平台LabVIEW中,“所见即所得”的可视化技术是应用于测试领域的雏形。虚拟仪器注重测试人员在进行工作中的感觉。用仿真的面板给人以真实仪器的感觉,用丰富的曲线图像向测试人员传递信息,是虚拟现实技术在机械工程测试领域中的广泛应用趋势。
在机械工程测试系统中,应用虚拟仪器编的越来越普遍,因为很多传统的硬件设备在虚拟仪器中都可以用软件代替,从而降低了大量的设备浪费,降低了成本,并且还可以直观化的显示其结果,将多种的传统仪器合并到一套虚拟仪器测试系统中,有利于编程,也有利于增强测试系统的准确度。
3 机械工程测试系统开发环境
3.1 应变测试系统
虚拟应变测试硬件系统组成如下:
虚拟式应变测试仪由硬件和软件两大部分组成,这里采用PCDAQ体系结构组建虚拟仪器。其原因是因为PCDAQ系统是以数据采集板、信号调理电路和计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器系统,它充分利用了主流和普及的PC机总线、机箱、电源以及丰富的软件,以极少的硬件就能形成功能完备的应变测试系统平台,这种方案的性价比最佳。
下图是一个模拟信号的数据采集过程示意图,从这个图中可以看到模拟的信号通过设定的通道以后,再经过多路开关,经过刀D转换等将模拟信号变为数字信号,这些信号到达计算机中,计算机中的已经编好的LabVIEW程序对其信号进行分析处理。
对信号进行采集时,采样频率、采样通道以及采样点数是需要用户设定的参数,用户通过前面板的参数选择项根据实际需要进行设置,这些范围和数据采集卡的精度有关。本文设计的应变测试这一块,对与满足数据采集卡精度要求的应变信号,都可以通过数据采集卡,并对其进行相关设定的分析。
3.2 位移测试系统
位移检测技术在工业生产中有着广泛的应用。位移检测是机械量检测的基础,将机械量转化成位移量来检测是机电一体化技术的重要组成部分之一。对位移的检测不仅为提高产品质量和生产安全提供了重要数据,同时也为其他参数的检测提供了基础。
实现位移测量的关键是信号的转换即传感器的选用。本文对位移的测量通过电涡流位移传感器CWYDO504将位移信号转化为电压信号进行测量;通过传感器把非电量转化成相应的电压信号,再经过信号调理电路进行测量。在测量过程中,为了保证测试系统的可靠性与测试精度,在测试系统的设计过程中必须注意传感器地选择、信号调理模块的选择以及系统抗干扰设计。
在进行位移测量时,本检测系统可以将位移量转换成电压信号供数据采集卡。在执行机构带动位移传感器运动时可以进行电压信号的采集,最后通过标定将电压信号转换成相应的位移信号,实现位移的测量。位移信号经过调理后,传输到数据采集卡中,数据采集卡选用NI公司生产的PXL-6251多功能数据采集卡。
3.3 压力测试系统
本测试系统是以液压试验平台为测试平台而进行的一系列机械量测量测试,以此液压实验台做压力信号源,随着液压系统向高压、大功率、高精度方向发展,液压系统的结构变得越来越复杂,故障率也随之增加,安全问题日益突出,因此,在液压系统工作过程中,需要确切的了解液压系统内部的压力和流量等,这对于防止系统出现意外故障和有效提高系统工作效率具有十分重要的意义。所以本系统选取液压试验平台的液压管道压力为被测对象。
数据采集是LabVIEW的核心技术之一,也是LabVIEW与其他编程语言相比较的优势所在。使用LabVIEW的DAQ技术,模拟信号数据采集是LabVIEW的DAQ中的一个主要功能,为用户提供了功能强大、方便快捷的模拟信号采集解决方案。
压力信号经过调理后,传输到数据采集卡中,数据采集卡选用NI公司生产的PXI-6251多功能数据采集卡,其主要功能参数如下:
(1)16路模拟输入通道,16位精度,1.25MS/S采样率;
(2)2路模拟输出,16位精度,2.8Ms/s输出速度;
(3)24路数字I/O,2路定时计数器。
3.4 流量测试系统
本测试系统是以液压试验平台为测试平台而进行的一系列机械量测量测试,以此液压实验台做流量信号源,以液压实验台的对于液压系统来说,最重要的两个参数就是流量和压力,两个参数要求精度高,稳定性好,易于调节。在多功能液压测试试验台中,流量调节控制涉及到电机、变量泵、流量调节阀、排量反馈传感器、电控模块、流量传感器、计算机、管路等多个环节,影响流量的有负载、压力、温度、泄漏等因素。在液压测试中,要得到准确的流量参数、必须对流量调节各环节进行分析计算,确定各环节对流量的影响。并采取措施改善流量调节的精确性和稳定性。以提高流量控制精度。
根据本液压系统实验台,流量传感器要求流量变化范围:0.6-6m3/h,精度要求:1级。
通过信号调理后的信号可以与数据采集卡设备相连,通常情况下数据采集设备是一个数据采集卡,与计算机的连接可以采用多种方式。NI的数据采集设备支持的总线类型包括PCI、PCIExpress、PXI、PCMCIA、USB、Compact Flash、Ethernet以及火线等各种总线。本文选用PXI总线的PXL-6251多功能数据采集卡。利用LabVIEW的NI-DAQmx软件,选择物理通道和任务输入通道进行流量信号采集。
3.5 温度测试系统
温度是机械工业生产和科学研究实验中的一个非常重要的参数,许多系统的工作都是在一定的温度范围内进行的,需要测量温度和控制温度的场合及其广泛。目前的温度测量控制系统常采用单片机控制,该技术应用十分广泛,但其编程复杂,控制不稳定,系统的精度不高。而利用虚拟仪器开发和设计的温度测量系统,采用普通PC机为主机,利用图形化可视软件LabVIEW为软件开发平台,来监测温度的变化情况,采集数据并进行处理、存储、显示等。设备成本低,使用方便灵活。
模块化设计数据采集,数据采集模块的设计对后续的数据显示和分析结果以及整个系统功能的实现,具有直接影响,本文利用M公司的DAQ(Data AcQulsition)卡及其驱动程序设计这一模块,充分利用集成的功能全面的DAQ函数库和子VI,设计可以实现对数据采集的控制,包括触发控制、通道控制等的数据采集模块。
4 机械测试系统总体设计思路
在对传统的机械工程测试系统测试过程及传统的测试仪器和现有的虚拟测试系统进行对比研究后,本文的系统总体的结构为:
(1)本文设计开发的机械工程测试系统采用模块化结构,可以在一个测试系统中同时组建应变、位移、压力、流量和温度测试系统。并且每个测试系统用模块化进行设计前后面板,方便程序设计和用户操作与控制。
(2)采用数据库对数据进行存储、管理和查询。基于需要对测试数据进行存储、调用、管理和查询,并且处理的数据量大,本文设计通过数据库来存储、管理和查询数据。建立一个Access数据源,通过ADO数据库访问技术,充分利用ADO的灵活性,通过编程模型实现对数据库的操作,执行用户命令,实现对数据的管理。利用ADO技术的LabVIEW数据库访问包-LabSQL,用户可以直接在LabVIEW中以调用子VI的方式实现对数据库的访问。
(3)每个测试仪在进行设计时,选用的模型是“菜单选择结构”。在后面板中利用“case”结构完成在前面板中不同的按钮选择,选择好一个测试以后,这个测试仪就可独立的工作。在完成相关的需要的工作后可以选择退出,也可以选择进入到另一个测试仪。利用菜单编辑器对程序进行编辑,要改变程序的操作项直接从菜单编辑器中修改,为程序作总体设计。
(4)前后面板的人性化设计。程序设计包括前面板和程序框图两部分,系统前面板由参数设置和五个测试系统构成。当用户在前面板操作相应的功能时,后面板的程序框图有与之协调的字VI运行,这样可以保证运行操作的同步性和准确性。同时在前台对话框有供测试人员填写参数或者选择功能界面。为了便于后续人员按自己的要求进行小范围修改,后面板程序框图也以直观简洁的方式进行设计。
5 结论
本文以虚拟仪器LabVIEW为开发平台,按照机械工程测试系统的要求,充分利用已有的标准化系统资源,开发了便于更新、机动灵活、成本低廉、中文界面的机械工程测试系统,提高了测试的综合应用效率。
参考文献
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中图分类号:TN274文献标识码:B
文章编号:1004-373X(2009)20-178-03
Design of Real-time Data Acquisition System Based on NI Scope
LIAO Jing,ZHOU Weixing,LIAO Huan
(School of Physics & Telecommunication Engineering,South China Normal University,Guangzhou,510006,China)
Abstract:In order to display the result of real-time data acquisition,combining to the idea of virtual instrument by using the virtual instrument of the development software LabVIEW,the real-time data acquisition system can be built quickly by using IVI device driver NI Scope and the queue for synchronizing control.The result indicates that the system can preferably realize and display the real-time data acquisition from analog input signal,data memory and so on.Especially by using the graphics programming language,the system can simplify codes,more convenient to operate with friendly interface and strong scalability.
Keywords:LabVIEW;NI Scope;virtual instrument;real-time data acquisition
0 引 言
虚拟仪器的概念最早是由美国国家仪器公司(National Instrument)提出来的,经过十几年的发展,目前正沿着总线与驱动程序标准化、硬件、软件模块化、编程平台图像化和硬件模块即插即用方向发展。随着计算机技术和网络技术的飞速发展,虚拟仪器将在数据采集、自动测试和测量仪器领域得到广泛应用,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,尤其是在高校科研和工业生产领域中发展前景非常广阔。
1 虚拟仪器概述
1.1 虚拟仪器简介
虚拟仪器核心技术思想是“软件即是仪器”,在通用的集成硬件平台上,结合高性能的模块化硬件和高效灵活的软件使本来需要硬件实现的技术软件化。一般当标准化硬件平台确定后,通过标准的仪器驱动软件可实现模块化的硬件(如GPIB,VXI,DAQ板等)之间的通信、定时应用等需求;而灵活高效的开发应用软件能创建完全自定义的用户界面和系统,实现传统仪器中由硬件完成的仪器功能。虚拟仪器技术的优势在于仪器性能的改进和功能扩展只需用户选择适合其应用要求的硬件模块以及更新相关软件程序设计,即可重新配置现有系统,增加程序可复用性,大大缩短整个系统开发换代周期,降低成本,方便实现多种功能。
1.2 虚拟仪器构成
虚拟仪器一般由通用仪器硬件平台和应用软件组成,如图1所示。
图1 虚拟仪器结构图
虚拟仪器硬件平台主要有两部分,分别是用于集成的硬件平台和模块化I/O接口设备。虚拟仪器的软件部分包括应用软件和I/O驱动软件两部分,应用软件包含实现虚拟面板功能的前面板的软件程序和定义测试功能的流程图软件程序,如LabVIEW等;I/O接口仪器驱动程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱动和通信,可以由虚拟仪器开发环境提供。只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分,才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少以及出色的集成这四大优势。
1.3 图形化编程语言LabVIEW
LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言,采用数据流编程方式,程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序,用图表表示函数,用连线表示数据流方向。LabVIEW程序称为虚拟仪器(Virtual Instrument,VI)程序。一个最基本的VI由前面板(Panel)、框图程序(Diagram Program)和图标/连接端口(Icon /Terminal)三部分组成。LabVIEW为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境,不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接,还提供强大的后续数据处理能力,交互式的测量工具和更高层的系统管理软件工具。LabVIEW能够支持串行接口、GPIB,VXI,PXI等标准总线和多种数据采集板,以驱动不同仪器公司的仪器,用户可以高效、快速地编写出相应的应用程序,自行设计仪器驱动程序,完成诸如数据采集、数据处理、数据显示以及仪器控制和通信等多种功能。在较高性价比的条件下,降低系统开发和维护费用,缩短技术更新周期。
2 系统结构设计
该系统使用NI公司PXI-1042Q机箱和NI PXI-5122高速数字化仪模块组建数据采集硬件平台。PXI(PCI Extensions for Instrumentation),它的主要优势在于利用了已经验证的,符合工业标准的技术,在高速的Compact PCI总线基础之上,加入类似VXI所具有的定时、触发和同步功能。PXI作为一种专为工业数据采集与自动化应用高性能模块化硬件平台,具有开放式架构,内有高端的定时和触发总线,结合模块化的I/O硬件和相应的测试测量开发软件,便可以较好地完成数据采集任务。
2.1 系统硬件部分
PXI-5122高速数字化仪是硬件部分的核心,可直接插入PXI-1042Q机箱插槽中,属于内置式驱动。通过LabVIEW嵌入的驱动函数可配置其触发方式,如即时触发、软件触发、数字触发等,还可配置采样速率,采样记录长度等。PXI-5122提供双输入通道,每个通道最高100 MS/s实时采样率,分辨率14 b,采用交叉采样方式的采样率可提高到200 MS/s,带有去噪和100 MHz抗混叠滤波器,具有动态范围大、板上采样存储器容量大等特点。这里配置为单通道即时触发模式,以便实现实时的连续采样。根据采样定理,设置的最小采样速率至少是被采样信号频率的两倍。数据采集系统示意图如图2所示。
图2 PXI数据采集系统结构图
2.2 系统软件部分
系统软件部分主要由标准I/O模块驱动,采用队列同步控制和数据显示三大部分组成。系统程序流程图如图3所示。
图3 队列同步控制程序流程图
首先通过NI,Scope示波器驱动来完成PXI-5122的配置和初始化,将此部分放置到由单个while循环控制的独立线程中便可以实现连续数据采集。被采集的数据被放入队列中,队列允许多个任务同时访问,其他独立线程的模块可同时并行地从中读取数据,实时完成各自的功能,如数据存储、数据显示等。
2.2.1 I/O驱动模块
NI Scope示波器驱动是NI公司提供的八类可互换的虚拟仪器IVI(Interchangeable Virtual Instrument)规范驱动之一,由于IVI规范驱动是基于虚拟仪器软件架构VISA(Virtual Instrument Software Architecture),可以实现程序与硬件接口的不相关。此外,NI Scope提供了规范和标准API函数和DAQ驱动程序库,它将仪器的功能完整封装,让用户更快更容易地开发系统。成功安装NI Scope示波器驱动后,在LabVIEW程序框图中,打开“函数”菜单下,打开“测量I/O”可以看到“NI Scope”工具包,选择初始化、水平方向设置、竖直方向设置、通道设置、触发方式设置等函数,自定义NI PXI-5122驱动程序。该系统设置偏移量为零,即时触发采样模式,采样记录数值默认为1,采样频率和采样记录长度由输入控件控制,采样的通道名称默认为“channel 0”,实现连续采样。NI PXI-5122驱动程序具体如图4所示。
2.2.2 同步技术
系统各模块分别由单个循环控制,并且各循环之间相互独立,每一个循环都有一个独立的线程独自运行,构成了一个包含多个并行任务虚拟仪器系统。各个循环之间也有数据交流,相互关联,为了实现在同一个程序中处理好各循环或并行任务之间的同步或通信,则需要使用同步控制技术。系统选用队列(Queue)技术来控制这些循环可以避免对设备的访问冲突。
图4 PXI-5122驱动程序示意图
队列结构是一种先进先出的结构。队列可以保证有序的数据传递,避免竞争或冲突。一般当多个用户需要使用同一个资源时,就可以通过队列来对多个用户进行排队处理;同时,也允许多个用户访问一个队列,这样就可以加快队列的处理速度。
同样,在程序框图中打开“函数”,选择“编程”中的“同步”,可看待“队列”函数包。通过“获取队列引用”先建立一个队列,可设置队列名称,元素类型,队列大小等属性。图5中显示数据采集循环,数据存储循环,数据显示循环共同使用一个队列,即数据循环中使用“元素入队列”函数将采集数据不断地存放到队列中,数据存储和数据显示循环使用“元素出队列”函数从队列中不断地读取数据,实现了系统实时采集和存储的功能。若某个模块的任务运行过快或过慢,队列可以起到缓存作用,进行约束或补偿,不会导致数据丢失或重复读取。
2.2.3 数据存储
高速数据流文件TDM Streaming文件以流文件形式存储数据,读写速度比较快,适合用来存储海量数据,常用于实时系统。TDMS文件除了可以存储信号数据外,还可以为每个信号添加附加信息:文件、组、通道等。通过TDMS文件操作函数可对被采集的信号进行快速的读,写,属性设置及提取,管理简单;在写操作后可以调用TDMS File Viewer VI函数,打开TDMS文件浏览器,查看数据和属性值。TDMS的写操作如图5所示。
图5 TDMS文件写操作程序示意图
3 实验结果
数据采集系统前面板如图6所示,根据所设计的数据采集系统,分别进行了数据采集、数据输入,数据存储及波形显示等实验。数据保存在以.tdms为后缀名的波形文件中。图6所示为对频率10 kHz,幅度为0.5 V的模拟正弦波信号使用单通道采样,输入的采样频率为1 MHz,实际采样频率为1 MHz。经过实际验证,对三角波,方波等合理采样,结果比较满意。
图6 数据采集系统前面板
4 结 语
该数据采集系统实际是用于对中波段范围内调幅信号的实时采集,方便对采集后的数据直接进行各种数学分析。一方面可将结果直观的显示在前面板上,另一方面也可同时将数据进行存储,以供日后分析使用。此外,由于LabVIEW是一个功能强大的虚拟仪器编译环境,简化编程过程,尤其是使用IVI驱动程序,极大地简化代码,用户不需要关心仪器底层是如何通信,只需要关注任务本身,给予系统更多的灵活性。以后只需要根据实际功能要求,修改相应的软件编程即可进行系统拓展。整个数据采集系统在实际使用中方便活,不受具体线路的限制。
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中图分类号:G642.2文献标识码:A文章编号:1671―1580(2014)01―0046―03
一、引言
硕士研究生教育是我国教育体系中培养高层次人才的重要环节,肩负着培养高素质、创新性人才的重任,对于提高我国综合实力和实现民族复兴有着至关重要的影响。我国硕士研究生教育经过几十年的发展,在教学观念、教学内容、教学方法和考核方式等方面有了长足进步,取得了斐然的成绩,培养了大批优秀专业人才。硕士研究生教育是由基础课程教学、课程考核、社会实践和学位论文等诸多环节组成的一个缜密、严谨的知识架构和体系,它直接服务于研究生培养目标。为了提升硕士研究生培养质量,各研究生培养单位采取优化顶层设计、深化教学内容改革、丰富教学方法和强化学位论文研究等多种手段。
国防科学技术大学为推进研究生培育机制创新,深化教学模式改革,促进拔尖创新人才培养启动了“硕士研究生强化培训计划”。计划以满足“拔尖创新人才成长需求,以夯实数理基础,培养实践技能,提升外语水平,拓展学术视野,强化创新能力”为主要着眼点,进行专题性强化培养,为拔尖创新人才脱颖而出奠定基础。本论文以主要面向光学工程专业硕士研究生的《虚拟光电仪器与综合实验》强化培训课程建设实践为例,从硕士研究生强化培训课程设立的必要性、教学内容选择和教学过程应注意问题等几个方面探索硕士研究生强化培训课程建设。
二、硕士研究生强化培训课程设立的必要性
多年来,国内研究生培养单位对硕士研究生课程教育进行了有益的创新和改革,在教学内容和教学模式方面取得了巨大的进步,但是仍然存在一些不足。首先,硕士研究生课程学习中知识性课程仍偏多,实践性课程偏少。我校光学工程一级学科硕士研究生培养方案中课程学习要求24个学分,其中实验课程仅3个学分,可选的课程也只有2门。这导致一般硕士研究生在专业实践能力上培训不足,在进入课题研究时,对专业研究所需的重要手段、实验仪器和实验技术掌握不够,致使部分研究生课题开展前期进展缓慢。其次,课程设置普遍性较强,针对性不够。近年来,国内研究生培养单位鼓励跨学科人才培养,硕士研究生的来源比本科生和博士生都要复杂,学生经历也千差万别。有些学生在本科阶段即经过了创新实践训练,动手能力较强,而有些学生则完全没有基础。跨专业报考学员对本专业知识了解较少,部分导师会要求学生选修部分本科生课程来弥补专业知识的缺失。面对不同知识结构和能力层次的生源,我们缺乏因材施教的教学内容和方案设计。第三,教学内容与前沿技术脱节。硕士研究生课程内容以基础专业知识为主,虽然有部分涉及学科前沿的800级课程,但多为介绍性质,而相应的研究手段、测试技术以及实验方法几乎没有涉及。硕士研究生了解和掌握的学科研究技术与实验室实际使用的技术存在较大差别。
产生以上不足的主要原因是:现有课程体系灵活性不足,培养方案与教学内容改革通常要求一定的稳定性,改革还具有一定的周期性,因此最新的学科发展成果不可能及时在教学中得到体现;其次,研究生进入课题后的研究方向比较分散,不是所有学员都对某方面技术感兴趣,组织开课比较困难;另外,最新的科学仪器和实验技术通常价格昂贵、数量有限,科研工作安排也非常繁重,科研人员一般不愿将其投入到教学中去。
但是我校硕士研究生的研究课题通常以教研室当前项目为依托,一般要应用到最新的实验仪器、测试手段和研究方法。而这些学员又没有得到培训,这就造成了课程学习与课题研究之间的脱节。学员需要较长时间,通过边干边学的形式逐步掌握。但是这种方法的不足是培训效率低,学员进入角色慢,加之硕士研究生课题研究时间有限,在掌握专门技术后用于真正课题研究的时间就不足了。我们调研了英国南安普顿大学的光电研究中心和加拿大渥太华大学的物理系对研究生的培养情况,发现他们研究生跨学科的现象较为普遍,但是不少跨学科研究生可以在较短的时间内进行独立研究,并取得较好的成绩,这与他们在研究生入学后的专题技术培训有关。他们采取的措施是针对研究生课题研究中可能用到的实验技术和科学仪器,结合前沿研究内容开展集中培训。该培训既可以让学员在短时间内对研究室的研究内容有一个深入了解,又可掌握最新的实验技术和科学仪器。学生在学习过程中不仅可以对以往知识进行复习整理,更重要的是可以学习如何将所学知识应用到实践中去解决问题,同时对知识的了解更加深刻,因此学生学习积极性很高。
三、硕士研究生强化培训课程教学内容的设计及案例分析
1.基础性
强化培训课程虽然是一种专题培训,但目标是针对特定学生群体的能力培养,而不仅仅是教一些具体的技巧。同时为了扩大收益面,应尽量选择适合面更广的教学内容。我们在《虚拟光电仪器与综合实验》硕士研究生强化培训课程内容选择过程中,通过调研发现,虽然我们光学工程的学员在本科阶段都学习过c、fortran等编程语言,但不少学员从来没有利用这些语言解决一个实践问题。究其原因是因为这些语言与硬件结合困难,例如在实际工作中学员往往会选用单片机、DSP或FPGA来实现数据采集和设备控制,完成这一任务需经历硬件知识学习、电路制作及软件编程等几个阶段,同时要开发硬件,导致开发周期长,甚至会让部分学员望而却步。虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬件结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。LabVIEW是集成高效软件和模块化硬件的开发平台,可以充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强和开发时间短的优势。硕士研究生如果掌握了基于LabVIEW的虚拟仪器技术,配合必要的硬件模块,对于完成课题研究将会有很大帮助。因此,我们选择基于LabVIEW的虚拟仪器技术作为强化培训课程的基础内容,并以此为基础开展专业实验仪器和测量技术的教学工作。
2.实践性
在目前,我国研究生教育的教学方式主要以课堂授课为主,多认同性而缺乏创造性。分析原因,除了长期“单向灌输式”教育方式的惯性外,硬件制约也是非常重要的因素。一方面研究生专业方向多,实验仪器要求多样,使得配备实验设备困难。加之仪器设备更新速度较快,易使实验设备过时。另一方面,这些年硕士研究生招生规模不断扩大,使得实验条件更难满足需求,最终导致硕士研究生教学的实践性较差。《虚拟光电仪器与综合实验》强化培训课程的目的就是要培养硕士研究生的创新实践能力,为开展研究生课题研究奠定技术基础,因此非常重视实践性,要求每次课都有操作或练习内容。利用虚拟仪器技术的模块化硬件可以大大降低学生实践操作所需的成本,缩短实验的时间。在讲授数据采集技术时,我们购置了一批NI公司的MyDAQ多功能数据采集卡,并结合实验室已有数据采集设备,保证上课的学生都可以动手操作,甚至可以把设备带回去继续练习。在仪器控制与远程通讯教学过程中,我们为学员笔记本电脑配备了USB转RS232数据线,使学员不仅可以相互之间进行串口通讯,还可以带回实验室对光电仪器进行通讯和远程控制练习。
3.针对性
针对性是强化培训课程的重要指标。强化培训课程教授的内容应该是针对传统课题教学的薄弱环节、研究生创新实践能力方面的短板进行有益的加强。我校光学工程硕士研究生在计算机测试应用能力方面存在不足,一般学员只能利用计算机进行数值模拟或数据处理,但是不会用计算机进行信号采集、信号处理和设备控制。《虚拟光电仪器与综合实验》强化培训课程主要针对硕士研究生计算机测试应用能力不足,利用虚拟仪器技术,并结合典型光电测试系统开展信号采集、数据处理和仪器远程控制方面的培训。
4.前沿性
我国研究生教育非常注重前沿性,一方面要求课堂教学内容设计上与时俱进,另外开设专门课程介绍学科前沿技术。但是,一般课程教学以前沿技术理论介绍为主,对最新的实验仪器、测试手段和研究方法涉及较少。不少硕士研究生会感觉当前科技很先进,但是自己掌握的手段很落后,很难完成课题研究。其实,我校光学工程学科通过985和211项目的支持,已经建成了非常现代化的实验室,各种先进实验仪器已频繁地在科研中得以应用,《虚拟光电仪器与综合实验》强化培训课程的一项重要任务就是向学员介绍一些常用先进光电仪器的操作和应用。
四、《虚拟光电仪器与综合实验》研究生强化培训课程实施
1.招收确实需要的学员
强化培训课程是面向各个学科方向的有特定需求的学员开设的专题选修课,目的是提升他们的创新实践能力,尤其是在课题研究中所需的能力的提升。比如,生物学方面的学生希望采用光学的方法进行相关课题研究,这种强化培训课程对他们是十分有益的。因此,我们采取广泛宣传和导师推荐相结合的方式进行招生。我们通过宣传让学员和导师准确地知道本强化培训课程的定位和教学内容,学员根据自己能力提升或课题研究需要,并经导师同意后申请报名。通过这种形式,基本保证学员都是带着目的来学的,不要浪费学员自己的时间和宝贵的教学资源。
2.实践环节成为课程主题
强化培训课程是针对硕士研究生某方向能力的专题培训,目的是要在有限的时间内使学员的实践能力得以提升,并具备在后续课题研究中应用的能力,因此实践性尤为重要。《虚拟光电仪器与综合实验》课程的主要目的是使学员掌握光学工程相关研究中的数据采集、仪器控制、基本信号处理和简单控制反馈方法,因此每次课我们都安排了课堂练习。比如在数据采集教学过程中,我们配备了数据采集卡给学员,让他们在课堂上对实际信号进行采集;在仪器控制教学过程中,我们利用USB转RS232数据线,让学员实现相互之间的计算机通讯和与多种光电仪器进行数据通讯。最后我们还设计了光纤迈克尔逊干涉仪,要求学员利用学习的知识实现信号调制、数据采集、信号处理和报告生成完整过程,充分体验科研实践的全过程。
3.解决学员的实际问题,提高学员学习的积极性
虚拟仪器技术不仅具有强大的功能,而且具有巨大的灵活性,可以解决硕士研究生课题研究中的绝大部分问题。如果一门课程可以解决学员在实际工作中遇到的问题,将极大地提高学员的学习积极性,并能引发学员探索钻研的兴趣。因此,我们在开课初期就对学员征集科研过程中的工程问题,通过对问题的整理,我们提炼出典型案例,并给出初步解决方案,在课堂上进行分析,让学员知道哪些课程内容可以解决相应问题。比如,有学员提出多光路大功率激光泵浦的安全监测问题,我们设计了用NI6251对32路温度传感器进行同步采样,通过LabVIEW平台进行信号处理,并用电脑内部音频输出设备发出报警信号的方案。还有同学提出如何对飞秒激光器相位补偿单元进行控制的问题,结合系统的硬件条件我们提出了利用LabVIEW图像处理插件进行误差量解算,再通过多功能卡输出控制电平调整相位补偿单元的方案,学员对整个工作豁然开朗,明白了自己的核心工作应该在误差信号的解算上,其他问题通过虚拟仪器技术就可以完全解决。学员带着问题来学习,主动性会大幅增强,问题得到解决后成就感也较高,教学效果明显好于灌输式教学方法。
五、结束语
硕士研究生强化培训课程是研究生培养体系改革的重要创新探索,通过专题培训的方式可以对硕士研究生能力薄弱方面进行针对性训练,使研究生的创新实践能力得到全面提升。本文以《虚拟光电仪器与综合实验》硕士研究生强化培训课程的建设为例,探讨了硕士研究生强化培训课程建设应该重视的特点及在课程教学过程中应该把握的重点,为硕士研究生强化培训课程建设提供一定的参考。
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作者简介:徐小玲(1984-),女,福建建瓯人,广东石油化工学院计算机与电子信息学院,讲师;刘美(1967-),女,广东廉江人,广东石油化工学院计算机与电子信息学院,教授。(广东 茂名 525000)
基金项目:本文系广东省高等教育教学改革工程项目(项目编号:BKZZ2011041)、广东省高等教育教学成果奖培育项目(项目编号:201139277)、2011年校级教育教学改革研究项目的研究成果。
中图分类号:G642.0 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2013)01-0096-02
测控技术与仪器专业是测量和仪器科学领域唯一的本科专业,而作为测控专业核心课程的传感器技术、检测技术等系列课程集成了机械、电子、光学、电磁学等方面的知识,与生产、科研实践联系紧密,是自动检测与控制系统中不可缺少的技术。但由于该方面课程内容多、发展快、涉及知识面广,虽然本专业在原有的教学内容、方法上已作了许多改革,但仍没从系统优化角度统一研究,还不足以激励学生学习的主动性和创造性思维的发展。课程实施和评价环节不断暴露出不足,主要有两点:一是课程内容起点低、知识重复性多,课程的学时分配不适应当前的教学要求。二是课程内容的选择较少考虑课程之间的自然衔接和相互配合,没有从学科的发展来考虑学生的知识结构、能力培养和学科素质培养。实践性教学环节还比较薄弱,存在着实践层次低,系统性差等问题。
为了适应教学内容和课程体系改革的需要,提升教学效果,本文将传感器技术和检测技术教学内容进行整合,并加入虚拟仪器相关内容,扩充教学信息量,优化教学内容,提高教学培养质量。
一、课程现状
广东石油化工学院测控专业开设传感器技术课程共36学时,其中理论教学28学时,实验教学8学时,主要讲授各种物理量的电测变换技术,介绍各类传感器工作原理、应用方法。实验主要通过CSY2000系列传感器与检测技术实验成。检测技术课程共36学时,其中理论教学30学时,实验教学6学时。主要介绍各种被测物理信号的提取分析和处理的理论方法,实验主要为温度、流量、物位、压力等信号的测量与标定。两门课[1]都作为介绍信息获取的重要课程,通过学习要求学生能够了解常用传感器、控制元件的性能并会选用传感器,并掌握常用测量仪器的使用方法,熟知典型物理量的检测,掌握信号获取、传输、处理及检测的一般方法。在能力上能将所学的基础理论与专业知识融会贯通,灵活地综合应用于工程实践中。
同时传统的测控仪表越来越不能满足时代需求,尤其是在石化领域,很多待测变量与生产密切相关,但由于技术水平、工作环境等原因,不能在线测量这些变量,为解决这类变量的估计和控制问题,虚拟仪器[2]以其独特的优势为人们所关注。本校作为具有石化特色的本科院校,要求测控专业的学生不但要有过硬的检测知识,还应顺应虚拟仪器技术在测控领域引领的发展潮流,具备根据不同应用而开发数据采集和仪器控制的能力,使他们在今后测控和设计工作中更加得心应手、游刃有余。
随着测控领域不断提高的测试要求,如若根据各自的侧重不同将”传感器技术”、”检测技术”与”虚拟仪器”课程中部分内容进行整合,组成一个完整的专业知识体系,不但可以促进学生理论知识的学习,而且可以提高学生全面运用知识的能力。
二、课程整合
1.课程内容整合
在课程内容中,传感器课程选择比较片面,较少考虑课程之间的自然衔接和相互配合,而检测技术课程的众多知识点与其他课程有复杂的联系。教师在课程讲授中,难免会出现有些内容重复讲授,而有些内容在各门课程中都没有深入阐述的情况,因此,将传感器技术和检测技术两门课程的主要内容有机地整合为一门课程,整合后的课程从系统角度出发,以具体的检测实例入手提出检测问题,激发学生的学习兴趣,并使学生认识到传感器的重要性及意义所在。[3]针对学校的石化特点,笔者首选化工检测问题,其次是生产、生活问题,全面介绍传感器、检测技术,并将更多的学时用于介绍现代检测方法和以化工为背景的系统实例,更贴近于工程实际。[4]
虚拟仪器[5]是一种计算机技术介入仪器领域所形成的富有生命力的仪器,将之应用于检测,可以实现对现场实时、在线、灵活、方便的检测,节省用户的开发时间,提高测量的精度。同时通过对不同传感器信号的采集,A/D转换,分析并采用虚拟仪器使检测系统构成简便实用,人机界面采用LabVIEW的编程语言让学生容易掌握且富有个性,学生在学习过程中充分体验到了检测和过程控制的乐趣,是对传感与检测课程知识的扩展与延伸,虚拟仪器使学生更深入地了解课程的理论及应用,同时也让学生对虚拟仪器和实现虚拟仪器测量功能的基本原理有更深入的认识。
实验采用由CSY2000系列传感器与检测技术实验台、数据采集模块与LabVIEW开发软件及PC机构成一个完整的虚拟仪器系统。CSY系列实验平台是用于提供各种传感器、信号激励源、处理电路;数据采集卡采集各类电量信号并传输给PC机,通过开发软件编程组成各类不同的检测系统如图1所示。
实验过程中,学生依据被控对象自行选择传感器,对所有来自传感器检测到的或者直接由信号发生器产生的各种信号,经过预处理,由数据采集卡输入通道完成数据采集,采用LabVIEW进行程序设计,对所采集到的数据进行数据处理,实现信号的存储、显示等功能,这个过程让学生完整地体会到过程检测基本原理和方法。[6]使学生从信号的发生、采集、处理、显示中得到训练,真正使学生的计算机能力、设计能力、工程实践能力等综合能力得到强化和提高。
2.教学具体实施
由于传感器与检测课程都是实践性很强的课程,因此在教学上教师以工程实践中最通用的测量案例和课堂实验为主线,采用项目教学,将教学目标浓缩在项目中,以实际工程项目为对象,对项目进行分解,让学生围绕项目各个方面进行讨论。学生在讨论过程中发现问题,分析问题最后解决问题,这样完成了项目也就实现了教学目标。项目教学导向由五个基本步骤构成。
(1)项目描述。项目要有明确的目标,才能让学生切身感受到学以致用的快乐,因此学生首先了解生产实际是项目教学的第一步,进而才能得到实用的适合的项目主题,如在化工生产过程中,经常需要检测和控制反应釜中液体的温度,使之能够稳定在一定的范围内,才能得出可靠的试验数据或是合格产品。同样压力监控应用也非常广泛,如锅炉蒸汽与水的压力监控,炼油厂减压蒸馏的真空压力监测等等,而随着工业水平的不断提高和国家对环保的日益重视,对有毒、有害气体的监测也成为需要。根据这些工程应用,培养学生对项目的文献检索能力。通过生产调研、文献检索来撰写调研报告,确定设计任务及思路,同时培养学生撰写科技论文的能力。本项目以反应釜中液体的温度检测为项目背景,说明整个项目驱动教学在课程中的具体实施。
(2)项目要求。根据项目任务设定项目要求。在“反应釜液体温度检测”这一项目中要求学生了解温度测量的原理,掌握热电偶、热电阻和热敏电阻的原理、种类、结构与应用,重点掌握热电偶的基本定理、基本类型、温度补偿方法及使用热电偶测温的方法,掌握热电阻内部引线方式及其适用场合,热敏电阻的电阻-温度特性,并会使用分度表,学会设计测量转换电路,并能根据项目任务,以组或个人为单位,让其在规定时间内完成项目任务。
(3)项目分析及设计。项目任务确定后,教师不急于讲解,先让学生分析讨论,提出其中隐含的知识点。学生在教师的引导启发下理解掌握新知识,并运用其解决相关项目问题。在检测反应釜中液体温度这一项目中,温度传感器的选择是一大重点。因为在石油、化工、冶金等领域,有相当多的重要工艺是在高温、高压和强腐蚀环境中实施的,因此对于传感器的选择,同样也必须具有耐高温、高压及抗腐蚀的特点。这些都需要学生分析了解。其次,还需要让学生解决以下问题:1)根据信号给传感器选用调理电路;2)根据传感器设计运放、模数/数模转换及选用专用芯片设计检测电路;3)设计单片机与温度传感器接口电路并完成相应软件设计等。整个设计过程让学生掌握检测系统各部分的功能及其特性。
项目在实验台上完成试验调试。采用模块化结构的CSY-2000实验平台,利用传感器和相应实验模块开展实验。再引入虚拟仪器开发软件LabVIEW,完成数据采集、处理、显示、查询程序设计,实现虚拟仪器开发。
(4)项目完成。整个项目[7]框架为:被测信号传感器信号处理板数据采集卡 PC/LabVIEW。在分析完每一步骤后,每组学生各自通过不同设计完成项目。项目完成流程:首先绘制电路原理图,并根据需要列出元件仪器设备清单。其次学生自行选择元器件组建实验平台,完成系统的整体设计及调试,再通过采用LabVIEW完成虚拟仪器功能。项目中LabVIEW采用串口通信方式,在LabVIEW平台下采用标准的输入输出应用程序接口VISA处理串口,同时设计前面板,如图2所示,实现数据采集及显示,执行程序可在屏幕上看到当前温度的动态采样值和图表显示及最高温度、最低温度、平均温度显示。并可实现温度上限报警功能同时还可将采样数据保存到用户指定文件中。整个项目使学生从设计到实现、从局部到系统、从硬件连接到软件设计得到多方面的训练,既拓宽了知识面又提高了综合能力。
教师分阶段及时跟进,促其达到预期目标。最后,完成项目报告,报告内容应包括:设计方案、设计步骤等方面的总结性阐述;还应有对原始数据的记录、处理及分析。整个实验过程拓展了实验内容,锻炼了学生的动手能力,拓宽了知识面,提高学生实验的主动性和积极性。
(5)项目评估及考核。项目完成后,教师首先要求学生结合项目进行自我评估,由每组学生分别介绍项目实施的具体任务、目标、方法以及收获和体会。教师的评估除了考核项目成果外,还要指出学生项目整个过程中存在的问题及解决的方法,重点分析项目相对应的知识点掌握情况,[8]并总结、比较各组的特点,重在考核学生在学习过程中的积极性和主动性,包括与人合作的能力等,引导学生积极参与项目学习,掌握好基本技能。在评定学生成绩时注重鼓励学生的创新思想,及时表扬新思想、新创意、新方案,培养学生的创新能力,实现教与学最佳的统一。
三、结束语
在实际教学中,这种基于项目驱动模式下“传感器技术”与“检测技术”课程整合已经在逐步应用,借助虚拟仪器技术进一步丰富了教学内容,淡化了理论教学,强化了实验教学及应用,这些改进使学生更透彻地掌握了理论知识,极大地扩展了课程知识,开阔学生视野,同时增强他们的动手、创新、交流和组织的能力,真正培养了技能,提高了综合素质和学生参加课外科技活动的兴趣和信心。测控2007级至2009级学生中超过30%的学生参加了课外创新实践活动,包括积极参加校级电子科技大赛、省级电子设计大赛、“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛等等,例如结合当前的物联网、无线传感器网络等研究热点完成环境监测、智能家居等等,并获得很好的奖项。可见,课程改革已取得了初步的成效,当然,在实施过程中也遇到一些问题,例如设备资金不足、师资力量欠缺等等,还需不断改进、完善、实践,进一步全面提高学生的综合能力。
参考文献:
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[2]姚素芬,膝建辅.LabVIEW在过程检测与仪表教学中的应用[J].太原理工大学学报(社会科学版),2005,(S1):166-168.
[3]周冀馨.检测控制技术综合应用课程改革探讨[J].中国电力教育,2012,(21):69,76.
[4]乐恺,郭美荣.热工自动检测与控制系列课程的整合与优化[J].中国冶金教育,2011,(4):40-41,44.
[5]蒋彦,袁锋伟,朱慧玲,等.测控技术与仪器专业学生虚拟仪器技术应用能力的培养研究[J].中国现代教育装备,2011,(7):32-33.
中图分类号:G648 文献标识码:B 文章编号:1672-1578(2013)12-0013-02
目前主要的电子设备包括电台、无线电罗盘、高度表、雷达等,其主要功能是获取信息、传输信息并进行显示。由于电子设备涉及到多个学科和专业,设备复杂,在工作中故障率很高。对电子设备的维修能力是正常使用电子设备的前提。采用实际设备进行维修训练,可以获得较好的训练效果。但由于电子设备昂贵的造价,使得实装训练变得比较困难。并且,使用实际设备直接进行训练,尤其是让新手进行训练,带有很大的风险,容易损害正常的设备。采用计算机软件配合简单的硬件构造虚拟化的维修训练环境,用于训练电子设备维护人员,既可以降低训练成本,又可以避免新手操作不熟练造成对设备的损害,训练效果也有一定的保证。
然而,目前虚拟维修主要应用于机械设备的维修训练,电子设备的虚拟维修较少提及。这是由于电子设备的特殊性。电子设备的虚拟维修训练系统特殊之处包括三点,一是电子设备所产生或接收的各种信号。一般情况下,电子设备通过产生或者接收大量的信号进行工作,这些信号的特性各异,并且信号之间的依赖关系复杂。二是与电子设备状态相关的多种显示符号。不同的设备操作会导致不同的显示符号。三是维修过程中用于测量信号的仪器。因此,开发电子设备的虚拟维修训练系统,关键在于建立电子设备的信号模型,根据信号的依赖关系,建立电子设备的故障模型,同时利用虚拟仪器模拟信号的测量,实现故障维修训练。
本文采用虚拟现实技术和多信号模型,设计并开发了电子设备的虚拟维修训练系统,用于新手的维修训练。本系统采用3DMax建立电子设备的三维模型,用于展示设备的外形;采用GL-Studio建立设备的响应模型,用于训练电子设备的各种操作;采用多信号模型,建立电子设备的故障模型,用于模拟电子设备的各种常见故障;采用虚拟仪器,实现设备主要射频、低频信号的虚拟测试;最后采用专家系统对训练过程进行评估。本论文分为以下几部分:首先介绍虚拟维修的现状,然后介绍了电子设备虚拟维修的关键技术,接着给出了电子设备虚拟维修训练系统的硬件架构和软件架构,并对主要部分进行分析;最后总结了电子设备虚拟维修训练系统的主要特点和发展方向。
1.虚拟维修的研究现状
德国Fraunhofer计算机图形研究所与宝马公司联合开展以宝马汽车装配和维修过程的核查与确认为目的的虚拟装配仿真,美国Lockheed Martin公司在F-16飞机设计过程中采用虚拟维修确认和人素分析[1],英国Salford大学虚拟环境中心对包括碰撞检测、约束建模等关键性问题展开研究。华中科技大学对虚拟维修拆卸过程规划与仿真进行了深入的研究,该文研究了基于零件约束关系的Petri网拆卸序列规划,对模型特性进行了分析和验证,用获得的拆卸序列建立拆卸序列数据链表,存储零件的信息。
文献[2]对于三维环境下的路径规划,本文先是对三维路径规划中所需要采用的一些关键技术作了研究,包括关键帧路径动画、人体步行周期以及OSG骨骼动画技术。然后本文将这些技术应用于虚拟应急演练系统中,完成了基于OSG的虚拟人路径规划模拟系统。可获得外界数据,达到人机交互,呈现相应信息给用户。
文献[3]设计了某型雷达结构虚拟维修的总体方案和维修仿真规划,建立了维修仿真环境,给出了某型雷达结构虚拟维修的操作流程及可视化的碰撞检测结果,同时对其维修性和人机工效学进行了评估与验证。
2.电子设备虚拟维修训练系统软件架构
该系统通过任务选择和角色指派为受训对象提供虚拟化维修场景和维修训练环境,训练科目包括外场维护和内场维修,主要建设内容包括设备拆装建模、设备信号建模、虚拟仪器建模、三维虚拟场景建模、维修过程建模和维修评估建模等。
装备的三维模型用于展示装备的外观,装备的拆装模型用于训练装备拆装顺序。装备的信号模型用于模拟装备的工作过程和各种故障。装备是否发生故障,在实际训练过程中需要采用虚拟仪器进行虚拟化测试,根据测试得到的结果对装备的状态进行判断。总之,装备的三维与拆装模型、装备的信号模型和虚拟仪器构成电子设备虚拟维修训练系统的维修场景,维修场景编辑器通过编辑装备的状态、设定维修科目实现虚拟化维修训练。
三维虚拟场景用于展示整个的飞机维修场景,维修过程建模将设备所有的标准化维修步骤进行建模,虚拟维修训练系统通过比对训练者每个步骤的操作与标准化维修步骤之间的差别,实现对维修训练效果的评估。
从以上分析可以看出,机载电子装备虚拟维修的核心问题是建立各种模型。尤其是信号模型、故障模型和虚拟仪器模型。这些模型通过模拟真实装备的工作过程,构建虚拟化的训练环境。另外比较重要的模型是维修过程的建模和维修效果的评估,维修过程建模需要考虑多种装备在不同状态和不同任务阶段的维护需求,尤其是在故障排查和维修时,需要考虑多种不同的排故策略。
3.电子设备虚拟维修训练系统关键技术
3.1 交互式操作的仿真。在电子设备的操作过程中,需要通过一些按键、开关或遥感的操作实现对设备状态的改变和监控。因此,电子设备虚拟维修训练系统中,必须实现各种交互式操作的仿真。
为了实现电子装备的交互式操作,本系统采用GL Studio为开发工具,开发了虚拟座舱,图3给出了多功能显示器和平显的交互式操作模型。训练人员可以通过操作各种按键或旋钮,获观察平显上的符号,操控装备。
3.2 虚拟仪器建模。电子设备在维修过程中需要用到必须用到两类仪器,一类是通用仪器;一类是专用仪器。通用仪器包括信号源、频谱仪、示波器、万用表、功率计等;专用仪器是指为电子设备专门研制的外场和内场测试设备,包括雷达信号模拟器、电台模拟器等。这两类仪器的使用熟练程度又直接决定着维修效果,所以必须建立与之对应的虚拟仪器。虚拟仪器是以通用计算机作为系统控制器、由软件来实现人机交互和大部分仪器功能的计算机仪器系统。虚拟仪器的操作和测量结果的显示是以虚拟面板的形式借助于计算机显示来显示的,而且数据的传送、分析、处理等都是由计算机软件来完成的,可提供多人次、多场位的训练环境,改进训练效果,提高仪器的使用水平。
4.小结
为节约训练成本,降低训练风险,采用虚拟现实技术,构建了电子设备虚拟维修训练过程,给出了软件架构和关键技术的实现。该虚拟维修训练系统可以用于多种飞机航空电子设备的虚拟维修训练,具有较大的推广应用价值。
参考文献
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