浙江大学
硕士学位论文
基于LabVIEW的虚拟仪器研究及其在板材厚度监测中的应用
姓名：于晓薇
申请学位级别：硕士
专业：机械制造及其自动化
指导教师：丁启全;杨世锡
20040201
第三章虚拟仪器的硬件平台
摘要
虚拟仪器是测量仪器的主要发展方向。板材厚度在线监测是具有应用价值的研究课题。本文研究基于ＬａｂＶＩＥＷ开发平台的虚拟仪器构建方法，并结合实际课题，开发板材厚度在线监洲系统。
全文共分为六章：
第一章论述了虚拟仪器的发展和虚拟仪器的特点。扳材厚度监测技术的现状，指出了扳材厚度在线监测系统项目研究的重要性。
第二章从需求分析入手，研究了构建虚拟仪器的方法。以简单实例明晰构建的步骤，对非ＮＩ公司支持板卡在ＬａｂＶＩＥＷ平台上的应用提供解决方案。
第三章研究了虚拟仪器的硬件平台。论述在ＰＣ—ＤＡＱ形式搭建的虚拟仪器系统中，一些基础信号理论在数据采集卡选择及设置方面所起的作用。
第四章以示波器和信号发生器的开发为实例，研究了基于ＬａｂＶＩＥＷ的虚拟仪器平台上信号的输入和输出功能及其实现方法。
第五章应用基于ＬａｂＶＩＥｗ的虚拟仪器构建方法开发了板材厚度在线监测软件系统。系统能满足板材厚度在线监测的常用要求并具有结构模块化、功能扩展性好的特点。
第六章为对本论文所做工作的总结和对进～步工作的展望。
关键词：虚拟仪器厚度监测ＬａｂＶＩＥＷ图形化编程硬件平台前面板框图程序
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ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｉｓａｎｅｗｗａｙｏｆｍｅａｓｕｒｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ’ｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｐｌａｔｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓ
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学号
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第一章绪论
１．１虚拟仪器概述
１．１．１仪器的发展过程
测量仪器发展至今，大体经历了四代发展历程，即模拟仪器、分立元件式仪器、数字化
仪器和智§｝仪器。
第一代——模拟仪器。是以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器，如指针式万用表、
指针式电压表、指针式电流表等。这类指针式仪器借助指针来显示最终结果。
第二代——分立元件式仪器。当２０世纪５０年代出现电子管，２０世纪６０年代出现晶体
管时，便产生了以电子管或晶体管电子电路为基础的第二代仪器。
第三代——数字化仪器。２０世纪７０年代，随着集成电路的出现，诞生了以集成电路芯
片为基础的第三代仪器。这类仪器目前相当普遍，如数字电压表、数字频率计等。这类仪器
将模拟信号的测量转化为数字信号的测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和
较高准确度的测量。
第四代——智能仪器。随着微电子技术的发展和微处理仪表的普及，以微处理器为核心的第四代仪器迅速普及。这类仪器内置微处理器．既能进行自动测试，又具有一定的数据处理功能，可取代部分脑力劳动，习惯上称其为智能仪器。其缺点是它的功能块全部都以硬件（或固化的软件）的形式存在＋无论针对开发还是针对应用，都缺乏灵活性。
由于电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器领域中的虑用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现。电子测量仪器的功能和作用己发生质的变化，其中计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧密地结合成一个有机整体，导致仪器的结构、概念和设计观点等也发生突破性的变化。在上述背景下，出现了薪的仪器概念——虚拟仪器。
１．１．２虚拟仪器概念”’“Ｉ
所谓虚拟仪器（ｖｉｆ［ｕａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，简称ｖ１），即是将现有的计算机主流技术与革新的灵
活易用的软件和高性能模块化硬件结合在一起，建立起功能强大又灵活易变的基于计算机的测试测量与控制系统。虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术深层次结台的产物，是当今计算机辅助测试（ＣＡＴ）领域的～项重要技术，是计算机硬件资源、仪器与测控系统硬件资源和虚拟仪器软件资源三者有效的结合。
虚拟仪器（ＶＩ）是计算机技术在仪器仪表领域的应用所形成的一种薪型的、富有生命力的仪器种类。虚拟仪器通过给用户提供组建自己仪器的可重用源代码库，来处理模块间通讯、定时、触发等功能。它强调在通用计算机平台的基础上，通过软件和软面板，把由厂家定义的传统仪器转变为由用户定义的、由计算机软件和几种模块组成的专用仪器。虚拟仪器的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式。由于虚拟仪器应用软件集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能，使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代替。因此，从某种意义上可以说“软件就是仪器”。如今，随着电测技术以及网络技术的发展，虚拟仪器技术必将成为仪器技术发展的主要方向。
１．１．３虚拟仪器的发展概况及种类
虚拟仪器的发展过程有两条线：
（１）适台大型高精度集成系统的ＧＰＩＢ—ＶｘＩ—ＰＸＩ总线方式。ＧＰＩＢ于１９７８年问世ｔＶＸ［丁１９８７年问世，ＰＸＩ于１９９７年问世。
（２）适合于酱及型的廉价系统，有广阔应用发展前景的Ｐｃ插卡一并１２１式一串口ＵＳＢ方式。ＰＣ插卡式于８０年代初问世，并行口方式于１９９５年问世．串口ＵＳＢ方式于１９９９年问世。
而虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型：
第一类：ＰＣ总线——插卡型虚拟仪器
这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件相结合，它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便剥。但是受Ｐｃ机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。另外，ＩＳＡ总线的虚拟仪器已经淘汰，ＰＣＩ总线的虚拟仪器价格比较昂贵。
第二类：并行口式虚拟仪器
最新发展的一系列可连接到计算机并行１２１的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。美国ＬＩＮＫ公司的ＤＳＯ．２ＸＸＸ系列虚拟仪器，它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式ＰＣ机相连，实现台式和便携式两用．非常方便。由于其价格低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。
第三类：ＧＰＩＢ总线方式的虚拟仪器
ＧＰＩＢ技术是ＩＥＥＥ４８８标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的ＧＰＩＢ系统由一台ＰＣ机、一块ＧＰＩＢ接口｝和若干台ＧＰＩＢ形式的仪器通过ＧＰＩＢ电缆连接而成。在标准情况下，一块ＧＰＩＢ接口可带多达１４台仪器，电缆长度可达４０米。ＧＰＩＢ技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。ＧＰＩＢ测量系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。
第四类：ＶＸＩ总线方式虚拟仪器
ＶＸＩ总线是一种高速计算机总线ＶＭＥ总线在ＶＩ领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的ＲＦＩ／ＥＭＩ屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。经过十多年的发展，ＶＸＩ系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合，有其他仪器无法比拟的优势。然而，组建ｖｘｔ总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。
第五类：ＰＸｌ总线方式虚拟仪器
ＰＸＩ总线方式是ＰＣＩ总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的。它增加了多板
２
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同步触发总线的技术规范和要求，增加了多板触发总线，及用于相邻模块的高速通讯的局部总线。
综上所述，对丁虚拟仪器的发展而言，计算机是载体，软件是核心，高质量的Ａ／Ｄ采集｝及调理放人器是关键。
１１．４虚拟仪器的组成
虚拟仪器（ｖＩ）一般由通用计算机（ＰＣ机）、数据采集卡及软件系统组成ａ它充分利用Ｐｃ机丰富的软埂件资源快速建立数据采集应用系统，通过数据采集卡从外界采集各种信号ｔ对信号进行实时存储、实时显示及离线分析。这是一个由通用仪器硬件平台（由计算机和数据采集卡组成，简称硬件平台）和应用软件组成的复杂系统。
１．１－４．１虚拟仪器的硬件平台
虚拟仪器的硬件平台由计算机和Ｉ／０接口设备两部分组成。Ｉ／０接口设备主要完成信号的输入、采集、放大、模／数转换任务。根据Ｔ／Ｏ接口设备总线类型的不同，虚拟仪器的构成方式主要有五种：ＰＣ．ＤＡＱ／ＰＣＩ插卡式虚拟仪器系统、ＧＰＩＢ虚拟仪器测试系统、ＶＸＩ总线虚拟仪器测试系统、串口总线虚拟仪器测试系统、ＰＸＩ总线虚拟仪器测试系统。
ｔ．１，４．２虚拟仪器的软件
虚拟仪器的应用软件是非常关键和重要的部分，然而相应的软件开发环境长期以来并不理想，用户花在编制测试软件上的工时与费用相当高，即使使用ｃ、ｃ＋＋等高级文本式编程语言，也会感到与高速测试及缩短开发周期的要求极不适应ａ因此，世界各大公司都在改进人机交互方面做了大量的工作，其中基于图形的用户接口和开发环境是软件工作中最流行的发展趋势。典型的软件产品有ＮＩ公司的ＬａｂＶＩＥＷ，ＨＰ公司的ＨＰＶＥＥ和ＨＰＴＩＧ，Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ公司的ｇｚ－ＴｅｓｔＴｅｋ－ＴＮＳ和我国哈尔滨工业大学的虚拟仪器王等。这些软件开发工具为用户殴计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条件与良好的开发环境。
ｌ＿１．５虚拟仪器与传统仪器的比较
虚拟仪器与传统仪器相比，最直观的区别就是与用户进行交互的面板。传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件．易于导致许多识别与操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样，在每个分面扳上就可以实现功能操作的单纯化与面板布置的简捷化，从而提高操作的正确性与便捷性。
同时，虚拟仪器面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受“标准件”和“加工工艺”
的限制，它们是由编程来实现的，设计者可以根据用户的认知要求和操作要求，设计仪器面板。
从表Ｌ１可以看出与传统仪器相比，虚拟仪器具有绝对的优势。决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于“虚拟仪器的关键是软件”。
表１．１虚拟仪器与传统仪器的比较
Ｉ虚拟仪器传统仪器
｝开发和维护费用低开发和维护费用高
Ｉ技术是更新周期短（ｏ．５～１年）技术更新周期长（５～１０年）
Ｊ。提供了良好的基础。虚拟仪器的概念就是用专用的软硬件配合计算机实现专有设备的功能，ｊ＿｝：使其自动化、智能化。因此，虚拟仪器适合于一切需要计算机辅助进行数据存储、数据处理、数据传输的计量场合。测量与处理、结果与分析相脱节的面貌将大为改观，数据的拾取、存储、处理、分析一条龙操作，既有条不紊又迅捷快速。推而广之，一切计量系统，只要技术上可行，都可用虚拟仪器代替，由此可见虚拟仪器应用空间是多么的宽广。
在自动控制和工业控制领域，虚拟仪器同样应用广泛。绝大部分闭环控制系统要求精确的采样，及时的数据处理和快速的数据传输。虚拟仪器系统恰恰符合上述特点，十分适台测控一体化的设计。尤其在制造业，虚拟仪器的卓越计算能力和巨大数据吞吐能力必将使其在温控系统、在线监测系统、电力仪表系统、流程控制系统等工控领域发挥更大的作用。１．１．７先进的测试与仪器软件开发平台一ＬａｂＶＩＥＷ““
本论文采用的软件是美国ＮＩ（ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ）公司的编程图形化软件、模块虚拟仪器软件开发平台ＬａｂＶＩＥＷ，其功能强大、应用便捷，是最成功的虚拟仪器软件，也是目前国际上流行的编译型图形化编程语言，它把复杂的语言编程简化成用图形编程的方式，为编程调试提供了简单方便的环境，同时除了提供了大量的其它语言所提供的常用函数外，还集成了大量的生成图形界面的模板，丰富的数值分析与处理功能。ＬａｂＶＩＥＷ是一个带有扩展功能库和子程序库的通用程序设计系统。其开发环境下提供的应用程序有１８０多种，除了具备其它语言所提供的常规函数功能和上述的生成图形界面的大量模板外，内部还包括许多特殊的功能库函数和开发工具库以及多种硬件设备驱动功能。
ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（美国国家仪器有限公司，简称ＮＩ）刨立于１９７６年，总部设于Ｔｅｘａｓ州首府Ａｕｓｔｉｎ，是一家测量行业的上市公司。ＮＩ公司自己有一个编程团队，其任务是致力于当时开发用于控制仪器的ＢＡＳＩＣ程序。他们敏感地注意到了仪器编程工作压在工程师和科学工作者身上的负担。显然，需要开发仪器软件程序的新工具。１９８６年ｌｏ月份，ＬａｂＶＩＥＷｌ０面世“１ａ随着ＬａｂＶＩＥＷ的诞生，ＮＩ提出“软件就是仪器”的口号，开辟了“虚拟仪器’’的崭新测量概念。２００３年，ＮＩ公司发布了ＬａｂＶＩＥＷ的最新版本ＬａｂＶＩＥＷ７Ｅｘｐｒｅｓｓ，其开始界面如阁１一ｌ所示，笔者也正是在这个版本的ＬａｂＶＩＥＷ平台上，进行了本论文的研究内容。
图卜ｌＬａｂＶＩＥｗ７Ｅｘｐｒｅｓｓ的开始界面
曰前，ＮＩ共提供５００多款软硬件产品，应用遍布电子、机械、通信、汽车制造、生物、医药、化．［、科研、教育等各个行业领域。从日本的Ｈｏｎｄａ汽车测试、澳洲的心脏起搏器设计，验证，到英国电信电话线路性能测试．全世界数以万计的工程师和科学家们都在使用ＮＩ
要实现虚拟仪器在网络平台上的应用最关键的问题是：如何充分考虑到虚拟仪器测量的数据量大、实时性强等特点，有效地将采集到的信号转化为适合于在以太网上传输的数据信号，从而实现在应用程序问共享现场采集的数据。尽管现在有ＴＣＰ／ＩＰ?ＤＤＥ等技术可以实现应用程序间数据共享，但是这些技术大多数都不适用于现场数据的传输，
ＤａｔａＳｏｃｋｅｔ编程技术能够非常有效地解决上述的问题。
ＤａｔａＳｏｃｋｅｔ是一个基于ＴＣＰ／ＩＰ工业标准的编程技术，对底层进行了高度封装，大大简化了同一计算机内部或网络中不同计算机间应用程序的数据交换过程，人们不用进行底层ＴＣＰ编程，就可以很方便地在测量和控制系统中共享和发布现场数据，并在Ｉｎｔｅｍｅｔ上实时发布，其具体网络结构图如图１—２所示。
ＤａｔａＳｏｃｋｅｔ包含ＤａｔａＳｏｃｋｅｔＡＰＩ和ＤａｔａＳｏｃｋｅｔＳｅｒｖｅｒ两个部分。ＤａｔａＳｏｃｋｅｔＡＰＩ是一个和协议、编程语言、操作系统无关的应用程序接口，可通过ＡｃｔｉｖｅＸ控件，ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶｌ，或ＬａｂＶＩＥＷ来实现，它所起的作用是把用户测量得到的数据自动转化为可在网络上传输的字节流，可在任何编程环境中使用。ＤａｔａＳｏｃｋｅｔＳｅｒｖｅｒ提供了在Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上高速地、并发地广播现场测量结果的功能。它是一个单独的组件，能够自动管理和客户端之间的连接，从而大大简化ＴＣＰ编程。在使用之前，要先启动ＤａｔａＳｏｃｋｅｔＳｅｒｖｅｒ服务。
１．１．８虚拟仪器的发展方向“２’”１
随着计算机、通信、微电子技术的不断发展．以及网络时代的到来和信息化要求的不断提高，网络技术应用到虚拟仪器领域中是虚拟仪器发展的大趋势。在国内网络化虚拟仪器的概念目前还没有一个比较明确的提法，也没有一个被测量界广泛接受的定义。其一般特征是将虚拟仪器、外部设备、被测试点以及数据库等资源纳入网络，实现资源共享，共同完成测试任务。使用网络化虚拟仪器，可在任何地点、任意时刻获取到测量数据信息的愿望成为现实。就如同今日的Ｉｎｔｅｍｅｔ，我们几乎可以去访问世雾上任何一个对外开放网站。网络化虚拟仪器也适合异地或远程控制、数据采集、故障监测、报警等。
与以ＰＣ为核心的虚拟仪器相比，网络化将对虚拟仪器的发展产生一次革命，网络化虚拟仪器是仪器发展史上的又一次革命。网络化虚拟仪器将由单台虚拟仪器实现的三大功能（数据获取、数据分析及图形化型示）分开处理，分别使用独立的基本硬件模块实现传统仪器的三大功能，以网线相连接，实现信息资源的共享。
１．２板材厚度检测技术概述
１．２．１板材厚度检测的重要性
在经济迅速发展的今天，中国的制造业面临着新的要求和挑战，从过去的质粗、量大
（ａ）（ｂ）
图１—３（ａ）无油滑动轴承（ｂ）板材分层结构图
７
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发展到夸大的质精、生产量可调。随着对产品要求的提高，各种各样的监测系统应运而生。本论文研究的监测对象是无油惰动轴承制板流水线的板材厚度。厂家购置的是标准扳材，即由图卜３（ｂ）中的背板及其上下两层镀铜层组成，需要在其上面镀上一层铜粉，一层ＰＶＣ（聚四氟乙烯），然后卷制成图卜３（ａ）所示的无油滑动轴承。
扳材厚度是衡量板材质量的主要指标之一，也决定了轴承的质量好坏－所以轴承厂都会对不同生产阶段的板材厚度进行检测。目前在某些工厂是用干分尺进行检测的，再手工计算出平均厚度值。这种千分尺检测的方法是以检测几个点的尺寸来代替整个面的情况，此种方法读数误差较大、效率低。所以必须解决不同生产阶段板材厚度的在线自动测量问题。１．２．２厚度检测技术的现状
众所周知，板材厚度检测是十分普通的技术问题，但要解决好并不容易。板材厚度检测方法多种多样，经济性好、精确度高、实时性好是共同的追求目标。国内外测量板材厚度（或定量１的仪器有接触式和非接触两类，在线测量应用较多的是非接触式的Ｙ射线定量仪，但价格比较昂贵，且会产生辐射。
下面几个例子包含了目前几种常见的厚度检测方法。
１在线无损检测金屑膜厚度的方法——根据电涡流传感器体积小、灵敏度高、线性范围宽、抗干扰能力强、不受油污及水蒸气等介质影响的特点，将其用于金属膜厚度检测，通过给传感器线圈施加多种频率的激磁，就可在不同金属层内感应出电涡流。电涡流密度与激励频率、各层材质的电导率及厚度有关，电涡流的大小反过来影响传感器线圈阻抗的变化，从而可以间接测得多层金属膜厚度，同时还可测出传感器与表层被测工件表面的距离，避免传感头直接接触而划伤工件表面…。。
２．以平行板结构电容作为检测元件光纤传输玻璃厚度检测系统，解决了空间电磁杂波干扰和线间分布电容变化对测量精度的影响问题，能较迅速、准确地测量出一定面积平板玻
ｌ一检测仪器２～板材３一传送滚轮图１—４检测器安装示意图
璃厚度“…。
３．随着建筑业的迅速发展，市场不但对非金属板材的需求量与日俱增，而且对板材质量包括其厚度精确性的要求也更加严格。有一种适合中小型企业的一种检测仪器．将该仪器安放在成品传送滚轮的正上方，如图卜４所示。利用超声波发射和接收装置作为传感器。超声波的发射装置受到激励后，向板材表面发射超声波，在板材表面产生反射波。超声波的接收装置接
收反射波。若该装置和传送滚轮闻的距离一定，那么发射脉冲和接收脉冲间的时间间隔Ｔ只和板材厚度有关。再设计一个转换装置，将时间间隔Ｔ转换成电信号，制成检测装置。在正常工作时，检测传送滚轮上的成品，一旦检测出板材厚度不符合生产要求，该仪器即可适时报警，从而提高产品的合格率““。
４．就覆盖层质量标准来看，覆盖层厚度是对产品表面及部件工作性能起重要作用的参数Ｚ一。考虑到经济与技术的因素，也由于尽可能节约日益增多所要消耗贵金属覆盖材料的要求，因而有让覆盖层在镀覆系统中愈加接近厚度公差范围的趋势。磁性法测量覆盖层厚度可分为两种，磁引力法与磁感应法。磁力厚度计（磁引力法）是依赖于附着力的简单仪器。
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第三章虚拟仪器的硬件平台
电磁感应测厚仪则是应用了电子测量电路以及微处理技术的测量仪器。因此，后者较前者适州性强，重现眭好，精度高。这两种方法都是非破坏性的，均可用于测量磁性基底上非磁性覆蔫层厚度””。
ｊ多频涡流检测是实现多参数检测的有效方法，它是１９７０年由美国科学家Ｌｉｂｂｙ首先提出的，该方法采用几个频率同时工作，能有效地抑制多个干扰因素，～次性提取多个所需的信号（如缺陷信号和工件厚度情况等）。７０年代后期，国外己成功地应用这项技术进行电站蒸汽发生器管道的役前和在役检测。８０年代初，为了解决同样的问题我国引进多频涡流检测设备，并开展设计研制工作。目前，已成功地研制出新一代ＥＥＣ－－３９智能全数字四频八通道涡流检测仪等检测设备，并在大亚湾核电站冷凝器管道在役和役前检测中得到实际应｝＝｝；ｊ…。
图卜５朗伯一皮尔法则
６．对钢板表面涂料膜厚的测定，以前都是采用称重法（剥离法）或接触式电磁膜厚检测法，
这两种检测方法只能是离线的破坏性检测或接
触检测，而且测定时间需要几分到几十分钟，在钢板上涂敷的工业用涂料，一般在红外波段范围
。内都具有独自的吸收频谱。当红外线照射到己经涂敷涂料的钢板时（如图卜５所示），首先，红外
线的一部分被涂膜所吸收，其余的被钢板反射回
来，反射回来的红外线又有一部分被涂膜吸收，
其余透过涂膜而返回空间，这时，照射的红外线和未被涂膜吸收而返回的红外线之比同涂膜厚度之间的关系，按朗伯一皮尔（１ａｍｂｅｒｔ－－Ｂｅｅｒ）定律可以得到“…。
１．２．３板材厚度检测的发展方向
从上面介绍的一些厚度检测技术来看，在线厚度检测已经得到认可并广泛应用于各个领域。厚度检测总体方向是趋于自动化，精确化，低成本化，可调化，而这种发展趋势与测试系统虚拟仪器化的发展趋势是～致的。将其发展方向定位在以下两个方面（１）在线实时监测（２）智能检测。
Ｉ．３本论文课题背景和研究内容
浙江双飞无油轴承有限公司是中国专业生产滑动轴承系列产品的龙头企业，浙江省“ＡＡＡ”级守合同、重信用企业，浙江省高新技术企业，ＩＳ０９００１和Ｑｓ９０００质量体系认证单位。受浙江双飞无油轴承有限公司委托，由浙江大学机械能源学院和嘉兴学院机电与建筑』二程学院联合组建了“滑动轴承板材厚度在线监测系统”课题组，研究有关板材厚度在线监测的技术问题并开发相应的系统。本课题是其中的子课题，主要研究基于ＬａｂＶｌＥＷ的虚拟监测系统。
该监测系统在硬件和软件方面分别需要满足以下要求。
硬件的配置和安装方式能够使系统得到预定的变量值并且精度符合要求。
软件部分需要实现以下功能：
≯实时显示各测点厚度，包括数字的和棒图形式
９
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≯以曲线形式显示各测点厚度变化
＞实时显示超茇点的位置和值
≯定时存储数据，遇到超差情况，提高存储密度，并记录此时的时间
》可商啕一定时间段的各测点厚度值
＞分析超差的概率密度
为了使所开发的系统具有技术先进性和功能扩展性，本系统软件部分采用基于ＬａｂＶｔＥＷ的开发平台进行开发。
本论文的主要研究内容如下：
（Ｉ）系统研究目前在测试领域占重要地位的虚拟仪器，包括其概念、发展概况、种类、组成等。重点介绍ＬａｂＶＩＥＷ这一先进的测试与仪器软件开发平台。
研究板材厚度检测的重要性、现状及发展方向。
（２）研究虚拟仪器系统的构建方法。重点研究ＬａｂＶＩＥＷ平台上虚拟仪器的实现方法。着重软件部分实现，明晰构建步骤。
（３）研究构建虚拟仪器的硬件平台。研究虚拟仪器硬件方面涉及的术语及一些理论方法。并以此作为依据，重点研究在硬件平台中占重要地位的数据采集卡，包括其组成、选择、参数设置等。
（４）在软件及硬件进行了研究的基础上，研究基于ＬａｂＶＩＥＷ的虚拟仪器输入输出功能的实现方法ａ以虚于！：｛示波器、虚拟信号发生器的实现为实例，实现Ｎ１支持硬件及非Ｎ１支持硬件在ＬａｂＶＩＥＷ平台上的应用方法。
（５）研究滑动轴承板材厚度在线监测系统的实现方法。以在ＬａｂＶＩＥＷ平台上对硬件进行信号输入输出功能实现的基础上，进行监测系统相关的软件开发。
（６）对本论文中所做的工作进行总结，对进一步的工作进行展望。
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第二章虚拟仪器系统的构建方法构建虚拟仪器系统和构建其他的应用程序一样，都需要遵循一定的方法，借此实现有计划的编程。这是非常重要的，因为它决定了虚拟仪器系统的性能。Ｆ面对虚拟仪器系统的掏建方法进行研究。
构建一个虚拟仪器应用程序的步骤如下”１：
（１）定义并理解问题
（２）指定需要的Ｉ／０硬件类型
（３）设计使用者界面的原型
（４）设计并编写程序
（５）测试并调试程序
（６）写文档
在本章中，重点介绍了以ＬａｂＶＩｇＷ为开发平台的虚拟仪器系统的构建方法。
２．１需求分析
在设计之初，最重要的是系统的设计者清楚了解系统应具有的功能，把一切可能涉及剑的问题提出来，作出有关基本的功能要求和规格的列表。要考虑下面一些重要的要求：≯表示每个信号的特性。该信号是数字信号还是模拟信号，是低频信号还是高频信号？提出或要求何种类型的Ｉ／Ｏ硬件作为合适的界面？是否可以使用ＬａｂＶＩＥＷ驱
动程序？
＞软件需要执行什么基本操作、步骤、事件序列以及过程？这个问题决定了大体的程序总体结构。
》有没有关键的执行规格要求？例如，在一个控制循环中可以需要快速的响应时间，或者要求非常高的精度以及抗噪声。
≯对于显示和控件有什么要求呢？根据类型分别显示，蜘如图表、图像、数字、字符串以及布尔量。请考虑哪个屏幕实体控制或显示哪些信号。
＞确定信号分析的需要，例如统计数字、线性化、峰值检出、频率转换、滤波等。
≯对于将被收集的数据需要做些什么呢？与其他应用程序的兼容性是个非常重要的问题。使用者始终要按合适的格式保存数据，并且应该参与分析工具的开发。同
样还要考虑各种与其他程序进行的实时交换选择（动态数据交换：内部应用程序
通信：联网）。
２．２指定需要的Ｉ／０硬件类型
往选择Ｉ／０硬件时，驱动程序的实用’ｌ生和性能是另一个要考虑的因素。在最终确定之前，应该州实际的设备和数据采集设备来傲一些初步的测试工作。要确认Ｉ，Ｏ硬件的整体吞吐鹫：数据采集的速率、处理数据速率、显示数据速率以及存储数据速率。将在第三章对此部分进行详细研究。
２．３设计用户界面的原型
虚拟仪器所涉及到的管理层功能控件都显示在与用户直接打交道的主面板上。虚拟仪器＿Ｊ灵活的进行修改并且可重复使用的特性在这个界面上表现的淋漓尽致，直观体现了虚拟仪器的虚拟化概念。下面对“虚拟”一词的含义作避一步详细的解释。
２．３．１“虚拟”一词的含义“…
在以计算机为核心的硬件平台上，虚拟仪器的功能由用户设计和定义。与用户直接打交道的虚拟面板，其测试功能是由测试软件来实现一种计算机仪器系统。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果；利用计算机强大的软件功能实现信号数据的计算、分析和处理：利用Ｉ／０接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样。因此，虚拟仪器的出现，使测量仪器与计算机的界限模糊了。
虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两方面的含义。
（ｉ）虚拟仪器的面扳是虚拟的
虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的；由各种开关、按钮、显示器等图标实现仪器电源的“通”、“断”；被测信号的“输入通道”、“放大倍数”等参数的设置，及测量结果的“数值显示”、“波形显示”等。
传统仪器面板上的器件都是“实物”，而且是由“手动”和“触摸”进行操作的：虚拟仪器前面板是外形与实物相像的“图标”，每个图标的“通”、“断”、“放大”等动作通过用户操作计算机鼠标或键盘来完成。因此，设计虚拟仪器前面板就是在前面板设计窗口中摆放所需的图标，然后对图标的属性进行设置。
（２）虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件框图程序的编程来实现的｝虚拟仪器是在以Ｐｃ为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器的功能的。田为可以通过不同测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能，所以。在硬件平台确定后，就有“软件就是仪器”的说法。这也体现了测试技术与计算机深层次的结合。
２．３．２软面板及其设计标准””
虚拟仪器最直观的特点是其没有传统意义的操作面板，对仪器的操作与显示都必须借助于计算机来完成，虚拟仪器的软面板就是一个用于实现对单个虚拟仪器操作与显示的计算机独立运行程序。
一台传统的独立仪器ｔ往往具有一个操作前面板，用户可以通过操作面板上的旋钮、开关、按键等来控制仪器，或可以通过面板上的显示屏幕作为图形化输出（如示波器）。所有仪器的功能，均需要通过仪器面板的操作来实现，这个操作面板是人与机器的交互面板，是传统意义上的人机交互界面。ＧＰＩＢ仪器的出现，使用户既可以通过操作面板进行本地仪器控制，也可以在计算机上通过发送ＡＳＣＩＩ码命令方式实现对仪器的远程控制。而随着虚拟仪器的出现，对于传统的操作面扳带来了一个革命性的冲击，虚拟仪器的最大特点就是抛弃了传统的操作面板，仪器的操作与显示需借助计算机强大的计算与显示能力来实现，用户与
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仪器的交互界面变为了由计算机软件实现，也即软面板。ＶＸＩ仪器的出现与发展，要求软件模块与便件模块一样具有标准化，也便于虚拟仪器系统集成ｎ因此，ＶＰＰ联盟对虚拟仪器软面扳的殴计也提出了统一设计原则与规范。
从实质上说，虚拟仪器软面板是一个仪器级的测试应用程序，它为虚拟仪器模块提供一个替代前面扳的控制接口。该控制接口不是在仪器前面扳上，而是在计算机显示器上，利用软面板可削交互方法控制虚拟仪器模块。虚拟仪器软面板与仪器驱动程序一样，是一个独立的软件摸块，它作为一个独立运行的可执行文件运行，开发环境可以选择具有良好可视化用户界面的ＶＢ、ＶＣ、Ｄｅｌｐｈｉ语言开发平台等，也可以选择ＬａｂＶＩＥＷ等图形化平台。
在系统集成中，虚拟仪器软面板用于检验仪器的通讯，并测试仪器的各类操作。当对用户仪器进行编程时，可以通过观察面板上的指示器和显示器来检验仪器设置是否正确。当系统集成完成之后，软面板可通过面板上的控制器来执行仪器功能，以便使用户熟悉仪器的功能和特性。软面板采用图形用户接口（ＧＵＩ）技术显示等效的旋钮、按键及控制器。用户通过鼠标或计算机键盘操作这些控制器。图形显示具有同传统的前面板方式相似的测量结果和仪器状态，从而可让用户以熟悉的方法控制仪器。
为了确保虚拟仪器软面板的合理性和有效’陛，软面板设计必须满足下列技术要求：
＞所有虚拟仪器软面板应提供一个既不过分杂乱，又不包含过多层次结构的用户熟悉的界面，并应显示和控制仪器的主要测试及测量功能。
》所有符合ＶＰＰ规范的虚拟仪器软面板必须在主面板右上端显示ＶＰＰ图标。
＞所有虚拟仪器软面板应在主窗口或“关于”显示框中标出仪器生产厂家，生产厂家
有责任去支持和维护软面板的正常运行。
》所有虚拟仪器软面板应在主窗口顶端或在窗口标题处标出仪器名称和型号，在主窗口或“关于”显示框中显示软面板版本信息。
》所有虚拟仪器软面板在执行时必须自动连接。在软面板自动连接时，如果发现多于一个的待接器件，则它必须提供一种方法让用户选择其中一个待接器件。在软面板
执行前，应检查它执行时所需要的所有文件是否存在，如果文件未找到，应向用户
提供相应的错误诊断信息（如ｉｎｐｕｔ．ｄｌｌ文件未找到）。
＞所有虚拟仪器软面板都必须具有自动连接有效指示订，且有效指示灯必须有“自动连接”标签。当仪器没有被连接时，指示灯的颜色应是暗淡的（背景颜色）。当连
接时．指示灯最好呈绿色。同时必须在主面板右上端显示自动连接的元件。自动连
接元件必须显示自动连接的槽号或逻辑地址．或者两者皆显示。自动连接的槽号是
被控仪器所占的主机箱槽号，如果显示逻辑地址，则必须以十进制数值显示。
≯虚拟仪器软面板应与计算机的应用程序分享计算机屏幕，并是可移动且可最小化的，这使用户易于在级联方式同时显示的多个软面板问进行切换。
＞如软面板可提供仪器的自检功能．应包括一个用于自检初始化操作的控件，并能在软面板上显示出自检结果。
》软面板文件有时需要以动态链接库等形式输出，为了防止文件名与仪器驱动程序中
所含文件名发生重复，软面板可执行文件名的前辍应与仪器驱动程序文件的前缀不
同。
浙江人掌顺Ｌ学位论文第三章虚拟仪器的硬件平台
（ａ）前面板
（ｂ）框图程序
（ｃ）选择需要信号
图２－２ＬａｂＶＩＥＷ７Ｅｘｐｒｅｓｓ的界面组成
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型兰尘兰塑生兰竺堡墅一一苎三兰星型堡堂堂堡堡！鱼ｒ庄ＬａｂＶｌｇＷ平台上采用ＮＩ公司板｝的框图程序，可以看到，针对硬件的驱动是由一些封
装好的图标组合而成。很多厂家给自己板卡做ＬａｂＶＩＥｗ驱动时，同样也采用了这种形式。
（１）Ｉ／Ｏ接口仪器驱动程序的设计
根据仪器的功能要求，确定仪器的接口标准。如果仪器设备具有ＲＳ一２３２串行接口，则
直接削连线将仪器殴备与计算机的ＲＳ一２３２串行接口连接即可：如果仪器是ＧＰＩＢ接口，则需
要额外配备一块ＧＰＩＢ一４８８接口扳，建立计算机与仪器设备之间的通信渠道；如果使用计算
机来控制ＶＸＩ总线设备，则也需要配备一块ＧＰＩＢ接口卡，通过ＧＰＩＢ总线与ｖｘＩ总线、ｖｘＩ
总机箱零槽模块通信，零槽模块的ＧＰＩＢ—ＶｘＩ翻译器将ＧＰＩＢ命令翻译成ＶＸＩ命令，并把各模
（ａ）前面板
（ｂ）框图程序
图２－３获取模拟信号的ＬａｂＶＩＥＷ程序
块返回的数据以一定的格式传回主控计算机。
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