现代检测技术

虚拟仪器的软件 虚拟仪器软件主要由两部分组成，即应用程序和I/O接口仪 器驱动程序。 目前的虚拟仪器软件开发工具有以下两类： ①文本式编程语言，如Visual C++，Visual Basic， Labwindows/CVI等。 ②图形化编程语言，如LabVIEW，HPVEE等。
2）虚拟仪器的特点 虚拟仪器与传统仪器相比，具有以下特点： 传统仪器的面板只有一个，其表面布置着种类繁多的显示与 操作元件。 在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完 成仪器的功能。 仪器的功能可以由用户根据需要由软件自行定义，而不是由 厂家事先定义的，增加了系统灵活性。 仪器性能的改进和功能扩展只需要更新相关软件设计，而不 需购买新的仪器，节省了物质资源。 研制周期较传统仪器大为缩短。 虚拟仪器是基于计算机的开放式标准体系结构，可与计算机 同步发展，与网络及其周设备互联。 虚拟仪器的关键是软件
图8.2中给出了DAC0832与803l单片机连接成单缓冲方式的接口 电路。
图8.3 为DACl208与8031单片机的接口电路示意图
8.1.4 计算机检测系统的设计 （1）传感器的选择 选择传感器时应从以下几方面的条件考虑： 1）与测量条件有关的因素：输入信号的幅值，频带宽度、精度 要求、测量所需要的时间。 2）与传感器有关的技术指标有：精度、稳定度、响应特性、模 拟量与数字量、输出幅值、对被测物体产生的负载效应、校正 周期、超标准过大的输入信号保护等。 3）与使用环境条件有关的因素有：安装现场条件及情况、环境 条件(湿度、温度、振动等)、 信号传输距离、所需现场提供的 功率容量等。 4）与购买和维修有关的因素有：价格、零配件的储备、服务与 维修制度、保修时间、交货日期等。
2）开关量输出信号 从性质上讲，开关量是一种二值型的输出量，即表征“开” 与“关”，或者“是”与“非”等二种状态。控制系统及智能 仪器系统中的开关量输出信号具有以下几种基本的表现形式。 开关量控制 越限报警 反映系统本身的工作状态 3）数字量输出信号 数字量的输出方式是计算机控制系统中重要的信号输出形 式。数字量输出信号分为串行和并行两种。 串行用于较远距离的数据传输和信息交换，例如系统与上 位计算机之间通信多为串行。 并行方式传输速度快，但所需导线条数多，只适合于较短 距离的传输，例如系统与周围的其他智能设备之间的数据交换。 图7.4 测试系统的信号传输过程
8.2.3 虚拟仪器系统开发环境 目前世界上最具有代表性还是美国国家仪器公司（NI）两个虚 拟仪器开发平台：LabWindows/CVI和LabVIEW。 （1）LabWindows/CVI 1）LabWindows/CVI下虚拟仪器软件组成 在LabWindows/CVI软件平台中，设计完成的虚拟仪器软件组 成框图如图8.15所示。
典型计算机检测系统的组成如图8.1所示。
8.1.2 输入通道的计算机接口技术 在计算机检测系统中，往往需要同时采集多个传感器的参 数，然后进行模数转换。这种多线巡回采集系统，从降低成本 的角度出发，—般只采用一个A/D 转换器，由计算机对各参数 分时进行采样。为此，需要有—个多路开关，轮流把各传感器 输出的模拟信号切换到A/D转换器。 由于A/D转换器的转换过程需要—定的时间，因而需要采样 值在A/D转换过程中能够保持不变。否则，转换精度可能会受到 影响，尤其是当被测信号是快速变化量时更是如此。有效的措 施是在A/D转换器的前级设置采样保持电路。另外，模拟量输出 系统(D/A转换过程)也可能是分时工作的，对于每一个输出信号， 也需要保持输出值在一定时间内不变，能够完成这一工作的电 路，称之为采样保持器(简称为S/H)。采样保持电路和多路模拟 开关是不少计算机检测系统中输入、输出通道的重要组成部分， 目前已有较多的此类芯片供选用。（有关内容见第7章）。
2）系统软件组成 图8.5所示为检测系统的软件组成框图，它包含有初始化管理模 块、数据采集模块、人—机接口、测试算法、通信与控制程序、 时钟管理模块、故障诊断与处理、中断服务程序、监控主程序 等。
（6）计算机检测系统设计的基本步骤 计算机检测系统设计大致可分为总体设计与详细设计两个 阶段。 1）系统总体设计 确定所需的信息、同时确定为提供所需信息而测量的系统 物理参数 测试方法的选择 检测系统采用的测试方法取决于系统的性能指标，诸如非 线性度、精度、分辨率、误差、零漂、温漂、可靠性等，在这 些性能指标确定后。根据成本预算、人机界面、测量模块与其 它模块的界面要求选择合适的测试方法。
第8章

现代检测系统
8.1 计算机检测技术 8.2 虚拟仪器 8.3 网络监控系统


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8.4 视觉检测技术
8.1 计算机检测技术
8.1.1概述 所谓计算机检测，是将温度、压力、流量、位移等模拟量 采集、转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或 打印的过程。 随着计算机技术和传感器技术的发展，计算机检测技术融 合了许多领域的新技术、新器件、新方法，计算机检测系统也 有许多的类型。但就其共性来说，一般包括硬件及软件两大部 分：软件部分除了具有必要的计算机操作系统软件外，主要包 含有信号的采集、处理与分析等功能模块软件；硬件部分主要 是由信号调理、采样/保持、模/数转换、数/模转换、定时/计 数器、总线接口电路等部分组成 。
2）系统详细设计 总体设计完成之后，即可开始进行详细设计。详细设计宜 采用模块化设计方法，需要考虑以下因素： 根据性能要求选择相应的测量方法； 选择适当的传感器或转换器； 考虑系统所处现场需要的处理功能； 与传感器、转换器相配合的硬件和机电装置的规格，以及 专用器材的制造； 有关的应用软件的选择及软件的编制。
8.1.6 计算机检测技术应用实例 （1）转轴等回转体转速的实时测量、数据处理 图所示为系统硬件电路原理图
（2）汽车万向节、传动轴扭转疲劳试验台计算机测控系统 1）试验台对计算机测控系统的要求 该试验台用于汽车万向节、传动轴的扭转疲劳试验，图 8.8为该试验台的结构示意图，图8.9为试件在试验过程中应承 受的扭矩载荷示意图
8.2 虚拟仪器
8.2.1 虚拟仪器的概述 （1）虚拟仪器的基本概念 虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI）就是在以计算机为核心 的硬件平台上，由用户设计定义具有虚拟面板，其测试功能由测 试软件实现的一种计算机仪器系统（如图8.13） 。
（2）虚拟仪器的构成及其特点 1）虚拟仪器的构成 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 个部分构成。 虚拟仪器的硬件平台 虚拟仪器的硬件平台一般分为计算机硬件平台和测控功能 硬件（I/O接口设备）。 虚拟仪器的硬件构成有多种方案，通常采用以下几种（如 图8.14所示） ①基于数据采集的虚拟仪器系统 ②基于通用接口总线GPIB接口的仪器系统 ③基于VXI总线仪器实现虚拟仪器系统 ④基于串行口或其它工业标准总线的系统
（2）输出通道的计算机接口 一般来说，模拟量输出通道主要包括有： D/A转换器；多路 模拟开关；采样/保持器等部分。 1）8位D/A转换器与CPU的接口 D/A转换器与CPU的接口电路有两种基本形式。一种是通过 I/O接口(输入/输出接口或锁存器)与CPU的数据总线相连；另一 种是与数据总线直接连接。采用那一种接口电路主要取决于D/A 转换器芯片内部是否设置了数据锁存器。对于芯片内部已有锁 存器的芯片，则可采用直接连接，也可用并行接口或锁存器连 接，应用较灵活。但内部没用锁存器的D/A转换器，如AD7520、 DAC0808等，必需使用并行接口或锁存器进行连接。
2）LabWindows/CVI编程环境 LabWidows/CVI开发环境可以分为四个区域：菜单区、工程列 表区、函数库区、编译区。
4）用LabWindows/CVI设计虚拟仪器的步骤与方法 在LabWindows/CVI虚拟仪器开发平台上，利用其丰富的函 数库和强大的接口功能，可方便地设计出符合用户要求的程序。 使用LabWindows/CVI编程的基本步骤如下。 制定程序的基本框架 根据测量任务确定程序的基本框架、仪器面板及程序中所需 的函数。 创建用户界面 根据第一步制定的方案，创建用户界面、设置控件属性和回 调函数名称。 程序源代码的编写 在创建好用户界面后保存用户界面时，计算机自动生成头文 件（*.h文件）。利用计算机自动生成源程序（*.c文件）代码框 架，并在框架中添加函数代码来完成代码的编写。
8.1.3 输出通道的计算机接口技术 将微型机处理后的数字信号，用于控制执行机构时，就必须 考虑输出信号的形式。实际工程应用中，根据不同的受控对象和 具体要求，信号输出可以有多种。所以，微型机与执行装置之间 还要有一个接口部分，以实现信号转换、参数匹配及功率放大等 功能。 因大多数的执行装置为电动或气动执行器等形式，它们只能够接 收模拟信号。 （1）输出通道信号种类 根据输出对象的不同，计算机检测系统输出信号有：模拟量、 开关量、数字量等输出信号。 1）模拟量输出信号 模拟量输出信号是最常见的输出信号方式，通常有直流电流、 电压两种输出形式。
（2）主计算机选型 微型计算机是计算机检测系统的核心，对系统的功能、性能 价格以及研发周期等起着至关重要的作用。对“微机内置式” 系统，需要选择微处理器、外围芯片等构成嵌入在系统之中的 微型计算机；而对“微机扩展式” 系统，则需要选择适用的微 型计算机系统作为开发和应用平台，搭建“微机扩展式” 检测 系统、虚拟仪器系统等。 （3）输入、输出通道设计 输入通道数应根据需检测参数的数目来确定。输入通道的结 构可综合考虑采样频率要求及电路成本按前述的几种基本结构 来选择。输出通道的结构主要决定于对检测数据输出形式的要 求，如是否需要打印、显示，是否有其他控制、报警功能要求 等。
图8.10 计算机测试与控制系统组织方框图
（3）齿轮传动部件试验中的测量和控制系统 图8.11为齿轮传动部件试验中的测量和控制系统。在试验系统 中驱动转速和负载控制由工业控制计算机通过RS232等串行接 口控制直流或交流变频调速系统和耦合或负载控制装置来实现。
（4）液压泵试验 液压泵的试验在液压泵试验台上进行，试验台的基本回路如图 8.12所示。图（a）为溢流阀加载的试验回路，而图（b）为调 节阀加载的试验回路。
（4）软件设计 计算机检测系统的软件应具有两项基本功能：其一是对输 入、输出通道的控制管理功能；其二是对数据的分析、处理功 能。对高级系统而言，还应具有对系统进行自检和故障自诊断 的功能及软件开发、调试功能等。 （5）典型计算机检测系统的组成 系统通常由系统硬件与软件两大部分组成。 1）系统硬件组成 图8.4所示为智能检测系统的典型结构图，它主要包含有微机子 系统、数据采集子系统及接口、基本I/O子系统及接口、通信子 系统及接口、控制子系统及接口等部分。
（3）虚拟仪器技术的应用 虚拟仪器技术作为计算机技术与仪器技术相结合的创新技 术，应用前景十分广泛。从总体上而言，虚拟仪器是测量/测试 领域的一个创新概念，改变了人们对仪器的传统观念，适应了 现代测试系统网络化、智能化发展趋势。虚拟仪器技术应用方 式多种多样。
8.2.2 虚拟仪器的整体设计 虚拟仪器的设计方法与实现步骤和一般软件的设计方法和 实现步骤基本相同，只不过虚拟仪器在设计时要考虑硬件部分。 步骤如下： （1）确定所用仪器或设备的接口形式 （2）确定所选择的接口卡是否具有设备驱动程序 （3）确定应用管理程序的编程语言 专业的图形化编程软件，如LabVIEW、LabWindows/CVI，采 用通用编程语言，如Visual C++、Visual Basic或者Delphi。 （4）编写用户的应用程序 根据仪器的功能，确定软件采用的算法、处理分析方法和显示 方式。 （5）调试运行应用程序 用数据或仿真的方法，验证仪器功能的正确性，调试并运行仪 器。