虚拟技术在动态特性时域测试仪中的应用

摘 要：二阶系统动态特性时域测试仪是在时域中测试控制系统动态特性并输出其时域指标的一种实验仪器，本文介绍了基于虚拟技术的二阶系统动态特性时域测试仪硬件平台的构建及软件系统的设计，论述了该仪器的测试原理以及基于虚拟技术的优越性。

关键词：测试 虚拟技术 动态特性

1 引言

　　虚拟仪器的概念由美国NI 公司于1986年提出，它主要应用于各种测控领域，如设计性能验证、制造业中的功能测试以及数据采集和控制。虚拟仪器是指通过应用程序将通用计算机与功能化的通用模块硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机，就象操作原传统仪器一样，虚拟仪器用软件取代了传统仪器中的大部分硬件，所以美国NI 公司提出了“软件即仪器”的口号。虚拟仪器概念的提出是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向。

　　系统的动态特性是分析系统和设计系统的重要技术指标，系统的时域测试实验是控制工程课程的一个重要实验，系统的时域测试通常是指在系统上人为的输入一单位阶跃信号，测定系统的输出响应信号，然后分析系统输出信号曲线的一些参数，包括系统输出信号曲线偏离输入的阶跃曲线的最大值，我们称之为超调量（用δ表示），阶跃响应到达稳态值的50%所需的时间（称之为延迟时间td）,从零到第一次到达稳态值所需的时间（称之为上升时间tr）,响应曲线到达第一个峰值所需的时间（称之为峰值时间tp），响应曲线衰减到稳态值的95%所需的时间（称之为调节时间ts）。二阶系统动态特性测试仪主要获取二阶系统对单位阶跃响应的输出响应曲线，从中提取以上5个参数，对其进行分析。基于虚拟技术的二阶系统动态特性测试仪主要由以计算机为核心的硬件平台和数据采集及数据处理与分析等软件组成。

2 硬件平台的构建

　　系统硬件主要由计算机、ACLD-9118端子板、PCI9114数据采集卡和单位阶跃信号发生器组成。如图1所示。单位阶跃信号加在被测系统上，系统对该信号的输出响应通过ACLD-9118和PCI9114送入计算机中，由软件系统对其进行分析处理和输出。

　　计算机在系统中主要完成以下一些工作，用LabVIEW语言编制仪器输入输出和控制的虚拟面板，完成测试的输入输出和控制工作;与接线端子板ACLD-9118和数据采集卡PCI9114相互配合完成数据采集工作，以获得系统对单位阶跃响应的输出响应曲线;分析系统的响应曲线以提取所需的5个动态参数;

　　PCI9114是一个基于32位PCI总线结构的数据采集卡，它有32个单端模拟输入或16个差动模拟输入通道，16位高分辨率A/D（模拟/数字）转换，有1、10、100、1000四种放大倍数。单通道采集速率可达到100KHZ，有两种AD（模拟数字）触发模式，分别为软件触发和定时器触发，板上有1K字的FIFO（先入先出）存储，可自动扫描通道，16位隔离数字输入通道，16位隔离具有高驱动能力的数字输出通道。是测量、过程控制中理想的数据采集卡，动态特性测试仪使用其中的通道2，其它通道由另外一些测量仪器占用，该产品提供相应的驱动程序和与LabVIEW语言连接的软件包，它们与计算机一起组成虚拟测控平台，所以基于虚拟技术的二阶系统动态特性测试仪的研制工作大部分在算法的设计及编程实现上，充分体现了虚拟仪器的“软件即仪器”的宗旨。

3 系统的软件设计

　　为使该软件系统符合虚拟仪器软件标准，我们使用美国NI公司的LabVIEW编程语言，LabVIEW是一种面向科学家和工程师的编程语言，也是一种图形化、结构化的编程语言。它的应用程序由三部分组成：前面板、框图程序和图标/连接器。前面板是由输入控件和输出指示器构成，控件是用户输入数据到程序的部件，指示器是显示程序执行结果的部件，LabVIEW提供了多种控件和指示器，使编程人员可以编制出非常直观类似于传统仪器面板的虚拟仪器控制面板。程序框图由节点、端口和连线组成，节点是程序执行的元素，类似于文本语言的语句、函数和子程序，端口是数据在前面板和框图程序之间以及框图程序的节点之间传输的接口，连线是端口间的数据通道。LabVIEW的编程关键理解和使用VI的分层属性，即将低层程序放入一个图表中，并将其图标化，然后为该图标创建连接器，从而可以被高层程序调用，数据通过该连接器与上层VI交换。利用VI的分层属性我们在本系统中共设计了9个层次。其结构图如图2所示。该图为LabVIEW根据用户编制的应用程序自动生成的层次结构图，图中的每一个图标代表着一个子VI（即传统编程语言中的子程序），处于上下层的属于调用关系，处于同层的属于平级子VI，同时被它的上一层所调用。

　　处于层次结构中最高层的是仪器控制面板子VI，它完成测试控制和输入输出工作。层次结构图中的第二层为完成控制算法子VI。层次结构图中的第三层分别为数据采集滤波、信号分析以及生成测试报告子VI。第四、五、六、七层分别为编制测试报告时用到的一些函数节点和提取系统动态特性的5个指标子VI。第八、九层为检测软件差错子VI。

4.虚拟仪器仪器控制面板及测试原理

　　虚拟仪器控制面板是仪器的输入输出及测试控制的人机接口。该面板子VI处于层次结构中的最高层，是整个软件系统的核心，它的前面板为类似于传统仪器的虚拟仪器面板如图3所示，它的后端框图程序为系统主程序，当点击开始测量按钮时，它调用控制算法子VI发出一控制信号，通过PCI9114和ACLD-9118激励单位阶跃信号发生器产生一阶跃信号，该信号作用于系统上，系统输出一响应信号，该响应信号通过ACLD-9118端子板送入PCI9114，同时面板程序调用数据采集滤波子VI对系统的输出响应进行采集和滤波，然后调用信号处理及提取动态特性参数子VI进行结果计算，最后再一次调用控制算法子VI，将结果分别以图形及数据的形式在前面板上输出，结果如图3所示。

　　点击生成报告按钮，面板程序调用生成报告子VI，将所有测试结果通过程序中专门为之设计的数据通道传送给测试报告，通过调用一些系统的函数节点生成所需风格的测试报告，然后打印输出，其图形代码如图4所示。整个软件系统的编程工作全部用如图4所示的图形代码实现，这就是面向对象的图形化编程语言与传统编程语言的区别。

5 结论

　　虚拟二阶系统动态特性实域测试仪充分体现了“软件即仪器”的概念，使测试工作大部分在软件的控制下完成，虚拟仪器面板的设计使操作人员象操作传统仪器一样操作虚拟仪器，只是将过去用手旋转旋钮和操作开关改成用鼠标控制虚拟的旋钮和开关，但因用软件取代了很多硬件，从而解决了电子器件因质量和温漂等因素造成的一些测量误差，同时仪器的成本及维修费用也大大的降低，从开发角度讲开发的时间被缩短，又因虚拟仪器的软硬件具有开放性的平台，可以方便的更改和添加仪器功能，目前我们已在其硬件平台开发出了虚拟频率特性测试仪，圆度测量仪等虚拟仪器。同时制作在显示器上的虚拟仪器输出面板使测量结果更方便更直观的得到表达，虚拟仪器的众多优点使其成为当前测量测试仪器的发展方向。

主要创新点 ：

　　1. 将虚拟技术应用于二阶系统时域动态测试;

　　2. 创建了开放式的开发平台。

参 考 文 献

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