虚拟仪器在机械工程测试技术中的应用研究

郭盈功 牛兆鹏

【摘要】随着现代信息技术的发展，利用高性能模块以及各类软件处理技术，模拟出机械工程领域的各种仪器设备技术，进行各种测试、测量和自动化应用的虚拟仪器技术，已经在我国机械制造业中得到了普及。本文对虚拟仪器的构成及特点，以及应用进行了分析。

【关键词】虚拟仪器 软硬件 测试系统 机械工程

O引言

随着现代信息技术的发展，利用高性能模块以及各类软件处理技术，模拟出机械工程领域的各种仪器设备技术，进行各种测试、测量和自动化应用，已经得到了普及。这项技术的使用，极大地提升了机械设备各项功能的测试效果，所得到的大数据，可以为后期仪器功能的改进提供必要的数据支持。

1 虚拟仪器的构成及特点

1.1 虚拟仪器系统的构成

虚拟仪器由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。其中，硬件设备与接口可以是各种以PC为基础的内置功能插卡、通用接口总线接口卡、串行口、VXI总线仪器接口等设备，也可以是其他各种可程控的外置测试设备。设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序，虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通讯，并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各种部件。用户用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样真实、方便。

1.1.1 虚拟仪器系统的硬件构成

虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如台式计算机、便携式计算机、工作站及嵌入式计算机等。它管理着虚拟仪器的软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。因此，计算机技术在显示、存储能力、处理器性能、网络和总线标准等方面的发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展。

按照测控功能硬件的不同，VI可分为DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口总线5种标准体系结构，它们主要完成对被测输入信号的采集、放大和模/数转换。

1.1.2 虚拟仪器系统的软件构成

测试软件是虚拟仪器的主心骨。在虚拟仪器系统中用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特性的分析，使仪器中的一些硬件甚至整个仪器从系统中消失，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能。虚拟仪器测试系统的软件主要分为以下4个部分。

（1）仪器面板控制软件。仪器面板控制软件即测试管理层，是用户与仪器之间交流信息的纽带。利用计算机强大的图形化编程环境，使用可视化的技术，从控制模块上选择所需的对象，放在虚拟仪器的前面板上。

（2）数据分析处理软件。利用计算机强大的计算能力和虚拟仪器开发软件功能强大的函数库可以极大提高虚拟仪器系统的数据分析处理能力，节省开发时间。

（3）仪器驱动软件。虚拟仪器驱动程序是处理与特定仪器进行控制通信的一种软件。仪器驱动器与通信接口及使用开发环境相联系，它提供一种高级、抽象的仪器映像，以及特定的使用开发环境信息。仪器驱动器是虚拟仪器的核心，是用户完成对仪器硬件控制的纽带和桥梁。虚拟仪器驱动程序的核心是驱动程序函数/VI集，函数/VI是指组成驱动的模块化子程序。驱动程序一般分为两层，底层是仪器的基本操作，如初始化仪器配置仪器输入参数、收发数据及查看仪器状态等。高层是应用函数/VI层，它根据具体测量要求调用底层的函数/VI。

（4）通用I/O接口软件。在虚拟仪器系统中，I/O接口软件作为虚拟仪器系统软件结构中承上启下的一层，其模块化与标准化越来越重要。VXI总线即插即用联盟，为其制定了标准，提出了自底向上的I/O接口软件模型即VISA。作为通用I/O标准，VISA具有与仪器硬件接口无关性的特点，即这种软件结构是面向器件功能而不是面向接口总线的。应用工程师为带GPIB接口仪器所写的软件，也可以用于VXI系统或具有RS232接口的设备，这样不但大大缩短了应用程序的开发周期，而且彻底改变了测试软件开发的方式和手段。

1.2 虚拟仪器的特点

在机械工程测试系统中应用虚拟仪器，实现了功能的自定义，用户可利用不同的编程语言在不违反使用规则的前提下对各功能模块进行变换、自由组合，以实现不同用户的测试目标，满足不同用户的个性化需求。另外，运用虚拟仪器的机械工程测试系统相比于传统的测试系统来说，实现了各功能的软件化，在很大程度上减少了研发及运用硬件的成本，同时还减少了资源及能源的消耗，在保护了环境的同时还促进了企业的发展。在未来的机械工程测试系统当中，虚拟仪器的使用将成为主流，并有着广阔的发展及应用前景。

2 虚拟仪器在机械工程测试技术中的应用

虚拟仪器的发展非常迅速，已广泛应用于各个领域。而在机械工程测试系统中应用虚拟仪器，通常来说是根據用户的具体测试需求来对系统的软件及硬件进行设计，以实现不同的检测需求，同时针对检测结果进行分析。

2.1 对机械产品参数进行测量

可对机械的振动幅度、油压力的最大值、平均值及变化规律、振动频率、发动机的转速与振动力之间的关系进行测试，得到相关的参数。

2.2 机械工程测试系统的软件

软件部分是虚拟仪器最关键的组成部分，主要由系统程序以及应用程序构成。软件功能的编程主要是利用LabVIEW来实现，用户接口则利用图形的方式来实现，这给用户带来了便利，用户可将系统当作按键仪器，根据自己的测试需求来选择不同的测试功能，同时还可对数据的处理及分析方法进行选择，以上这些都体现了测试系统的方便、快捷。

3 结语

随着信息技术的突飞猛进，机械工程利用软件模块将计算机所拥有的资源以及系统硬件存在的测试功能，通过对软硬件模块的变换进行不同设置，从而让机械工程所需要的不同测试任务得以完成。这不但使测试功能多样化，而且很大程度上降低了测试成本，同时还为产品研发提供了技术保障，使研发效率得以提高。当前，我国许多大型机械设备制造行业已经使用了该项技术，随着我国工业4.0时代的来临，实现弯道超车，从制造业大国向强国转变，需要更多的信息技术应用到机械制造业之中。

参考文献：

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