-
-
手机阅读
虚拟仪器是计算机技术在仪器仪表领域的应用所形成的一种新型的仪器种类。它用软件集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果的输出和用户界面的功能，是仪器技术发展的方向。本系统充分利用了虚拟仪器技术的优势，方便地实现了信号采集、数据处理和对仪器测／控硬件的控制。系统采用的软件是美国NI（National Instruments）公司推出的LabVIEW图形化编程语言，其功能强大、应用便捷，是最成功的虚拟仪器软件。
1 测试系统总体设计
根据准确、快速、直观的测量要求，测试系统应完成以下功能的自动测量：电位计电阻值、有效电行程、分辨率、端基线性度。此外，系统还应具有实时监控、故障诊断、应急处理与报警功能，并将检测合格的电位计进行自动配对。
测试系统分为系统监控模块、测量与控制模块和数据处理模块。其中，系统监控模块负责系统主控界面和数据库功能的实现，通过对系统监控界面的控制可以对系统测试过程中出现的各种问题进行实时的响应，并对电位计数据库的安全性和完整性提供保障。测量与控制模块主要负责微动平台的运动控制和各种数据的采集，并将各种测量数据传给数据处理模块。数据处理模块分析处理数据，计算出电位计各项参数并以图形的方式送往显示器，同时将它们输入数据库中。
2 系统的硬件构成及实现
系统主要由工业控制计、算机、数据采集卡、高精度步进电机、光栅位移测量仪、高精度直流电流／电压源以及微动平台组成，如图1所示。
硬件构成可分为2个实现单元：①运动控制单元；②电位计测量数据采集单元。
2.1 运动控制单元
由于精密电位计的测量要求，微动平台带动电刷在电位计上运动的位移分辨率为0.005mm，所以系统需要高精度的步进电机驱动微动平台。系统通过数据采集卡的数字输人输出功能，向步进电机输人数字脉冲信号驱动电机以特定的步长运动。考虑到步进电机脉冲丢失和微动平台的运动磨损所带来的运动误差，系统外加光栅位移测量仪组成运动反馈系统，光栅位移传感器将每次得实际移动距离反馈给工控机，以便调整电刷移动距离。
2.2 电位计测量数据采集单元
步进电机每运动一步长，工控机通过电压和电流测量仪采集实时数据并进行事后处理。系统的运动及数据采集流程如图2所示。启动步进电机，带动电刷和光栅位移传感器以特定的步长运动。每运动完一个步长，系统将通过光栅位移传感器检测移动距离是否等于一个步长，若不同，则计算误差值并进行补偿；若相同，则采集数据。电刷移动到终点后停止步进电机。
3 系统的软件设计与开发
检测系统软件作为检测系统的核心部分，它将系统中各部分的功能有机结合，并在相互协作和数据传递过程中起决定性作用，使整个系统有效、稳定地运行。通过LabVIEW强大的图形化编程能力，可以设计出友好的人机界面，方便操作人员使用。
本系统主要由监控子系统、测量与控制子系统、接口电路控制模块以及数据处理子系统等组成。各子系统又根据具体任务分为若干个子模块，具体如图3所示。监控子系统通过系统界面上的各个按键向其他各个模块发出控制命令，并通过图形实时显示测量结果。测量与控制子系统通过接收控制命令，实现各种部件的运动，并将测量结果传给数据处理子系统。数据处理子系统通过计算将结果反馈给监控子系统，若出现异常数据它还将向监控子系统发出报警信号，提示系统出现错误。
3.1 监控子系统
本模块为检测系统的显示界面，应友好、逼真，方便操作人员的操作，主要设计功能为：设定系统参数、监控系统工作情况、打印各种报表、管理数据库等。其中数据库管理子模块是本子系统的核心。
数据库管理系统以其整体描述性、数据独立性、数据共享性、安全完整性等众多优点使其成为管理大量测量数据的最佳方法。数据库子模块存储、管理系统数据。数据库模块中包括向其他模块／单元提供访问数据库能力的数据库访问对象，其他模块向它提交SQL请求，该模块接收到请求后向数据库系统转交，并将数据库访问结果返回给请求模块。
3.2 测量与控制子系统
本模块利用LabVIEW开发平台的Data Acquisition工具包以及其他工具包，通过数据采集卡来完成对步进电机的控制，通过串口通信采集其他测量模块的数据。LabVIEW可以对数据采集卡的各个端口直接控制，可以方便地产生数字脉冲信号。其产生方法如图4所示。
3.3 数据处理子系统
对采集的数据进行处理，保存最终结果、生成报表并根据数据处理结果决定系统是否出现故障。该子系统数据处理包括：电阻值的计算；有效电行程的计算；端基线性度的计算等。测量与计算结果同时以数据及图形方式实时显示。
（1）电阻值的计算。
采用恒流源对被测对象加激励的方法，再采样被测对象两端的电压，根据被测对象两端的电压和电流值计算电阻。由于电位计的输出受电源精度特别是纹波电压的影响较大，故测试系统应采用纹波电压较小的电源，以减少纹波的影响。
（2）有效电行程的计算。
有效电行程的开始与结束端可以根据电阻-位移的变化率来判断。开始测量后，一旦电压变化率有较大增加，则将此时对应的位置测量值作为有效行程起始端。
（3）端基线性度的计算。
在有效行程内，多次测量、记录每隔设定位移间隔的电压值与相应的位移量，绘制和记录相应曲线，并采用最小二乘法进行计算。
为了便于操作人员观察，以上的测量结果同时以图形方式实时显示。
3.4 电位计检测系统的实现
（1）主控操作界面。
在此界面内可完成检测系统的各项检测功能，并可完成数据查询和各种报表打印功能，如图5所示。点击左侧的控制键，系统将自动完成各项任务并实时显示。若检测过程发生故障，系统将立刻报警。
（2）数据查询及报表生成界面。
如果想对历史报表进行查询，可以点击“查询历史报表”键，进入报表查询界面，如图6所示。在此界面中，用户可以选择各种方式查询自己想要的报表。按“确定”键后，将弹出相应报表并可打印所需报表。
4 结束语
本设计的基于虚拟仪器技术的电位计检测系统，已经通过有关方面的验收并己经投入使用。该系统采用自动测试与运动控制相结合，与用传统方法相比较，测试精度显著提高，测试功能大为增强，测试时间缩短到5 min，操作人员减少到一人，显著地减少了劳动强度，并且降低了操作的复杂性。