摘 要：本文介紹了虛擬儀器技術在蠶繭無損質量檢測中的應用。將虛擬儀器技術引入到蠶繭無損檢測中，并在虛擬儀器的軟硬件平臺上利用LabVIEW軟件的Matlab Script節點功能和LabVIEW圖形化的編程環境構建了一個功能強大的數據采集和信息處理平臺。

關鍵詞：虛擬儀器;LabVIEW;數據采集;蠶繭檢測

1.引言

虛擬儀器即在以通用計算機為核心的硬件平臺上，由用戶設計定義具有虛擬面板、測控功能和數據處理完美結合的一種計算機儀器系統[ 1 ]。它以其簡單直觀的圖形化編程方式、眾多源碼級的設備驅動程序、豐富實用的分析表達功能等為用戶快速地構造自己的儀器系統提供了良好的環境。本文將虛擬儀器技術應用到蠶繭無損質量檢測中，為蠶繭無損質量檢測儀的研制提供了便捷和友好的實驗平臺，使得數據處理結果更直觀，分析處理更方便，加快了系統開發的速度，節省了研發費用。

2.檢測系統的硬件構成

蠶繭無損檢測方法的基本原理是：將蠶繭裝在夾具中，利用LabVIEW軟件編程控制數據采集卡產生正弦激振信號經過功率放大器驅動激振器工作，從而使夾具和蠶繭振動，傳感器將振動加速度信號送到信號調理器進行信號放大，由LabVIEW軟件控制的數據采集卡采集經過信號調理了的信號，并以此信號為依據來推斷繭殼的重量。檢測系統的組成框圖如圖1所示。

圖1：檢測系統原理圖

實驗所用到的硬件有：美國NI公司的PCI-6014多功能16位數據采集卡、美國Lance公司的LC0120加速度傳感器及LC0208信號調理器、702所的2204永磁激振器、7111型功率放大器以及計算機一臺。

LabVIEW軟件提供了各種圖形化驅動程序，利用LabVIEW提供的圖形化驅動程序驅動各種總線的I/O接口設備，對被測信號放大和采集控制，并通過編寫相應的處理程序對采集信號進一步分析處理。LabVIEW軟件可以驅動PCI-6014數據采集卡，能夠采集±10V的電壓信號，精度2.003mv，它不僅具有模數（A/D）轉換功能，還具有數模轉換（D/A）功能，可通過LabVIEW編程輸出高精度正弦激勵信號。通過LabVIEW軟件控制采集卡的工作，模擬輸出端口（AO）用于產生激勵信號驅動激振器工作;采集卡的模擬輸入端口與信號調理器相連，采集經過信號調理了的振動加速度信號。

3.系統軟件設計

虛擬儀器的核心內容是檢測系統軟件的開發。LabVIEW軟件能極大地提高效率、縮短設計周期。為了增強其對底層的控制能力及充分利用現有的代碼資源，它提供了與Matlab、C等多種語言的接口。并且，LabVIEW軟件自身附帶的很多信號處理的子程序可以直接調用，用戶可根據需要隨時可以很方便地增加或去掉某些功能模塊，比如濾波器、窗函數、時域、頻域、自功率譜、互功率譜、自相關函數、FFT分析等信號分析功能以及信號特征量的計算和提取等。

采用LabVIEW軟件完成的檢測系統軟件由兩大部分組成：一是實現虛擬面板功能的前面板（front panel）;二是有一定測試和處理功能的程序圖或稱之為流程圖（block diagram）。各個功能模塊可以單獨創建子程序（Sub VI），然后在主程序中調用它。

完成所有檢測功能的流程圖部分主要分為三大部分：1）信號發生器模塊;2）數據采集和保存模塊;3）具有數據處理和特征提取功能的Matlab節點程序。

LabVIEW軟件是基于數據流編程的，從程序圖中就可以很清楚的看到數據的流向，要實現信號發生器與數據采集以及其他復雜的功能模塊（如自動控制信號發生器的停止與運行、循環自動采集、自動保存數據、自動改變文件名、自動判別系統狀態等）同步運行而不相互干擾，就需要考慮精確的時序控制問題。為了減少編程難度，筆者將兩個功能分開運行，信號發生器模塊作為一個程序單獨運行，其他模塊則放在數據采集程序中。由于Windows操作系統多線程的特點，兩個程序均可以獨立穩定的運行。同時，由于LabVIEW軟件提供了全局變量的功能，使得獨立運行的程序之間可以通過全局變量互相傳送數據和控制指令以及聯合監督系統的運行狀態，從而實現了系統在時間上的統一控制，為蠶繭的科學檢測進行提供了可靠的保障。

3.1虛擬信號發生器模塊

普通的信號源一般精度不高，穩定性也不夠好，高精度信號源價格一般比較昂貴，應用虛擬儀器的軟硬件即可得到高穩定性和高精度的信號發生器。如圖3所示，所設計的虛擬信號發生器與傳統的儀器在面板上基本上是相同的，操作起來很方便。在虛擬信號發生器的前面板中可以設置通道參數和波形參數，波形顯示區可以顯示輸出信號的波形，便于觀察和調整。信號發生器通過全局變量由數據采集程序控制，實現了整個系統時序上的統一。

圖3：虛擬信號發生器

信號發生器節點程序核心部分如圖4所示。LabVIEW軟件將子程序封裝成一個個小圖標的形式給用戶調用，用戶只需要按照自己的需要調用和連接相關子程序（Subvi）并進行一些參數設置即可完成強大的測試功能。

圖4：信號發生器程序圖

3.2數據采集和保存模塊

通過前面板用戶可以設置每組的采集次數、每次采集時間間隔，還可以修改采集頻率和每次采集的點數。在此僅給出了數據保存模塊的框圖節點程序，如圖5所示。數據保存模塊可以設置數據存儲的初始路徑，筆者以采集蠶繭的組數為一個變量，如圖5中的“本批已采集組”，每采集完一組數據自動加1，應用LabVIEW軟件提供的字符串處理功能，可實現每采集完一組蠶繭程序自動根據采集的批次改變和生成文件名并進行保存，達到了無人值守的目的，以便數據處理的自動化。

圖5自動數據保存與改變文件名程序圖

3.3數據處理Matlab節點程序

LabVIEW軟件雖然具有友好的人機操作界面、編程容易，但是它所提供的信號分析功能卻有限，MATLAB雖然具有強大的信號分析與處理能力，但它不能方便地實現與信號采集設備的數據通訊，且較難設計出良好的人機交互界面。LabVIEW軟件提供了與Matlab等多種語言的接口[ 2 ]，這就使得LabVIEW軟件的友好編程界面和Matlab的強大數據處理能力有機的結合在一起。

為了簡化調用過程，LabVIEW提供了Matlab Script節點。LabVIEW使用ActiveX技術執行該節點，啟動一個MATLAB進程。這樣用戶就可以很方便地在自己的LabVIEW應用程序中使用MATLAB，包括執行MATLAB命令、使用功能豐富的各種工具箱，如小波包工具箱、神經網絡工具箱（Neural Network Toolbox）、優化工具箱（Optimization Toolbox）等。圖6是LabVIEW軟件的Matlab節點工作原理圖。

圖 6：LabVIEW中Matlab節點的原理圖

LabVIEW通過數據采集或仿真生成的原始信號和信號處理參數通過LabVIEW與Matlab接口傳給Matlab相應的功能函數，完成信號分析和處理功能，最后將處理結果回傳給LabVIEW顯示或進行下一步數據處理。圖7以信號的小波去噪為例說明了LabVIEW軟件中Matlab Script節點的應用。從圖7可以看出，在LabVIEW軟件的Matlab Script節點中用db10小波函數對輸入信號X進行了5層小波分解[ 4 ]，得到了高頻噪音和去噪后的低頻信號。由于篇幅有限小波去噪前面板和效果圖在此略。

圖7：LabVIEW中小波消噪Matlab節點程序

數據處理部分在用戶面板的后臺運行，對采集的數據進行相應的處理，包括信號的濾波、特征提取和神經網絡識別等。

3.4檢測儀器面板

所設計的檢測儀器面板如圖8所示，系統進入穩定狀態后自動啟動檢測程序采集數據并經過分析得到結果，給出蠶繭等級。所有過程均由檢測系統自動控制完成，同時可以根據用戶情況增加歷史數據保存功能，以便進一步的分析處理。

圖8：檢測儀器前面板

4.結論及展望

虛擬儀器作為新興的儀器儀表，由于其突出的優點使得它廣泛應用于工業生產的各個領域。將LabVIEW構建的虛擬儀器應用到蠶繭無損質量檢測中實現了蠶繭振動信號的自動數據采集和對檢測系統狀態和穩定性的在線監測以及對信號發生器的精確控制，并結合LabVIEW提供的Matlab Script節點程序擴展了測試系統的功能，從而為蠶繭無損質量檢測系統提供了功能強大、操作簡單、界面友好的振動檢測平臺。

參考文獻

[1] 張凱, 周陬, 郭棟編著，LabVIEW虛擬儀器工程設計與開發【M】.北京：國防工業出版社，2003，1～8

[2] 劉君華，郭會軍，趙向陽，賈惠芹編著.基于LabVIEW的虛擬儀器設計【M】.北京：電子工業出版社，2003，115～130

[3] 蔡輝，王志賢，張合新，信號處理在虛擬儀器測試系統中的應用【J】.國外電子測量技術，2003年第4期，28～31

[4] 飛恩科技產品研發中心編著，MATLAB 6.5 輔助小波分析與應用【M】.，北京：電子工業出版社，2003.1，37～42