摘 要：二階系統動態特性時域測試儀是在時域中測試控制系統動態特性并輸出其時域指標的一種實驗儀器，本文介紹了基于虛擬技術的二階系統動態特性時域測試儀硬件平臺的構建及軟件系統的設計，論述了該儀器的測試原理以及基于虛擬技術的優越性。 關鍵詞：測試 虛擬技術 動態特性 1 引言 　　虛擬儀器的概念由美國NI 公司于1986年提出，它主要應用于各種測控領域，如設計性能驗證、制造業中的功能測試以及數據采集和控制。虛擬儀器是指通過應用程序將通用計算機與功能化的通用模塊硬件結合起來，用戶可以通過友好的圖形界面來操作這臺計算機，就象操作原傳統儀器一樣，虛擬儀器用軟件取代了傳統儀器中的大部分硬件，所以美國NI 公司提出了“軟件即儀器”的口號。虛擬儀器概念的提出是儀器發展史上的一場革命，代表著儀器發展的最新方向。 　　系統的動態特性是分析系統和設計系統的重要技術指標，系統的時域測試實驗是控制工程課程的一個重要實驗，系統的時域測試通常是指在系統上人為的輸入一單位階躍信號，測定系統的輸出響應信號，然后分析系統輸出信號曲線的一些參數，包括系統輸出信號曲線偏離輸入的階躍曲線的最大值，我們稱之為超調量（用δ表示），階躍響應到達穩態值的50%所需的時間（稱之為延遲時間td）,從零到第一次到達穩態值所需的時間（稱之為上升時間tr）,響應曲線到達第一個峰值所需的時間（稱之為峰值時間tp），響應曲線衰減到穩態值的95%所需的時間（稱之為調節時間ts）。二階系統動態特性測試儀主要獲取二階系統對單位階躍響應的輸出響應曲線，從中提取以上5個參數，對其進行分析。基于虛擬技術的二階系統動態特性測試儀主要由以計算機為核心的硬件平臺和數據采集及數據處理與分析等軟件組成。 2 硬件平臺的構建 　　系統硬件主要由計算機、ACLD-9118端子板、PCI9114數據采集卡和單位階躍信號發生器組成。如圖1所示。單位階躍信號加在被測系統上，系統對該信號的輸出響應通過ACLD-9118和PCI9114送入計算機中，由軟件系統對其進行分析處理和輸出。 [align=center] 圖1 系統硬件平臺[/align] 　　計算機在系統中主要完成以下一些工作，用LabVIEW語言編制儀器輸入輸出和控制的虛擬面板，完成測試的輸入輸出和控制工作;與接線端子板ACLD-9118和數據采集卡PCI9114相互配合完成數據采集工作，以獲得系統對單位階躍響應的輸出響應曲線;分析系統的響應曲線以提取所需的5個動態參數; 　　PCI9114是一個基于32位PCI總線結構的數據采集卡，它有32個單端模擬輸入或16個差動模擬輸入通道，16位高分辨率A/D（模擬/數字）轉換，有1、10、100、1000四種放大倍數。單通道采集速率可達到100KHZ，有兩種AD（模擬數字）觸發模式，分別為軟件觸發和定時器觸發，板上有1K字的FIFO（先入先出）存儲，可自動掃描通道，16位隔離數字輸入通道，16位隔離具有高驅動能力的數字輸出通道。是測量、過程控制中理想的數據采集卡，動態特性測試儀使用其中的通道2，其它通道由另外一些測量儀器占用，該產品提供相應的驅動程序和與LabVIEW語言連接的軟件包，它們與計算機一起組成虛擬測控平臺，所以基于虛擬技術的二階系統動態特性測試儀的研制工作大部分在算法的設計及編程實現上，充分體現了虛擬儀器的“軟件即儀器”的宗旨。 3 系統的軟件設計 　　為使該軟件系統符合虛擬儀器軟件標準，我們使用美國NI公司的LabVIEW編程語言，LabVIEW是一種面向科學家和工程師的編程語言，也是一種圖形化、結構化的編程語言。它的應用程序由三部分組成：前面板、框圖程序和圖標/連接器。前面板是由輸入控件和輸出指示器構成，控件是用戶輸入數據到程序的部件，指示器是顯示程序執行結果的部件，LabVIEW提供了多種控件和指示器，使編程人員可以編制出非常直觀類似于傳統儀器面板的虛擬儀器控制面板。程序框圖由節點、端口和連線組成，節點是程序執行的元素，類似于文本語言的語句、函數和子程序，端口是數據在前面板和框圖程序之間以及框圖程序的節點之間傳輸的接口，連線是端口間的數據通道。LabVIEW的編程關鍵理解和使用VI的分層屬性，即將低層程序放入一個圖表中，并將其圖標化，然后為該圖標創建連接器，從而可以被高層程序調用，數據通過該連接器與上層VI交換。利用VI的分層屬性我們在本系統中共設計了9個層次。其結構圖如圖2所示。該圖為LabVIEW根據用戶編制的應用程序自動生成的層次結構圖，圖中的每一個圖標代表著一個子VI（即傳統編程語言中的子程序），處于上下層的屬于調用關系，處于同層的屬于平級子VI，同時被它的上一層所調用。 　　處于層次結構中最高層的是儀器控制面板子VI，它完成測試控制和輸入輸出工作。層次結構圖中的第二層為完成控制算法子VI。層次結構圖中的第三層分別為數據采集濾波、信號分析以及生成測試報告子VI。第四、五、六、七層分別為編制測試報告時用到的一些函數節點和提取系統動態特性的5個指標子VI。第八、九層為檢測軟件差錯子VI。 [align=center] 圖2 系統軟件層次結構圖[/align] 4.虛擬儀器儀器控制面板及測試原理 [align=center] 圖3 儀器控制面板[/align] 　　虛擬儀器控制面板是儀器的輸入輸出及測試控制的人機接口。該面板子VI處于層次結構中的最高層，是整個軟件系統的核心，它的前面板為類似于傳統儀器的虛擬儀器面板如圖3所示，它的后端框圖程序為系統主程序，當點擊開始測量按鈕時，它調用控制算法子VI發出一控制信號，通過PCI9114和ACLD-9118激勵單位階躍信號發生器產生一階躍信號，該信號作用于系統上，系統輸出一響應信號，該響應信號通過ACLD-9118端子板送入PCI9114，同時面板程序調用數據采集濾波子VI對系統的輸出響應進行采集和濾波，然后調用信號處理及提取動態特性參數子VI進行結果計算，最后再一次調用控制算法子VI，將結果分別以圖形及數據的形式在前面板上輸出，結果如圖3所示。 　　點擊生成報告按鈕，面板程序調用生成報告子VI，將所有測試結果通過程序中專門為之設計的數據通道傳送給測試報告，通過調用一些系統的函數節點生成所需風格的測試報告，然后打印輸出，其圖形代碼如圖4所示。整個軟件系統的編程工作全部用如圖4所示的圖形代碼實現，這就是面向對象的圖形化編程語言與傳統編程語言的區別。 [align=center] 圖4 虛擬儀器面板程序的圖形代碼[/align] 5 結論 　　虛擬二階系統動態特性實域測試儀充分體現了“軟件即儀器”的概念，使測試工作大部分在軟件的控制下完成，虛擬儀器面板的設計使操作人員象操作傳統儀器一樣操作虛擬儀器，只是將過去用手旋轉旋鈕和操作開關改成用鼠標控制虛擬的旋鈕和開關，但因用軟件取代了很多硬件，從而解決了電子器件因質量和溫漂等因素造成的一些測量誤差，同時儀器的成本及維修費用也大大的降低，從開發角度講開發的時間被縮短，又因虛擬儀器的軟硬件具有開放性的平臺，可以方便的更改和添加儀器功能，目前我們已在其硬件平臺開發出了虛擬頻率特性測試儀，圓度測量儀等虛擬儀器。同時制作在顯示器上的虛擬儀器輸出面板使測量結果更方便更直觀的得到表達，虛擬儀器的眾多優點使其成為當前測量測試儀器的發展方向。 主要創新點 ： 　　1. 將虛擬技術應用于二階系統時域動態測試; 　　2. 創建了開放式的開發平臺。 參 考 文 獻 　　[1] 楊叔子，楊克沖.《機械控制工程基礎》華中理工大學出版社，2000 　　[2] 周斌，倪榮慶.《自動控制系統實驗技術》機械工業出版社，1986.. 　　[3] National Instruments上海分公司. 虛擬儀器─測試與測控儀器的最佳選擇.機電一體化，2000 （2）： 　　[4] 畢虎，律方成. LabVIEW中訪問數據庫的幾種不同方法.微計算機信息，2006（1-1）：131～134 　　[5] 嚴克寬.虛擬儀器技術及計算機輔助教學.中國儀器儀表，1998 （1）： 　　[6] Johnson G W.LabVINE POWER Programming.McGrawHillCompanies,Inc.,1999 　　[7] 黎水平.虛擬儀器技術在梯度材料制備實驗中的應用.武漢工業大學學報，2000 （8）：