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第1篇 虚拟仪器系统原理 1

第1章 引论 1

1.1 虚拟仪器的源起 1

1.2 仪器仪表的发展进程与虚拟仪器 1

1.2.1 仪器仪表的发展进程 1

1.2.2 虚拟仪器的开发方法和系统 2

1.3 虚拟仪器的特点及其在仪器领域中的地位和作用 6

1.3.1 虚拟仪器的特点 6

1.3.2 虚拟仪器在仪器仪表领域中的地位和作用 7

第2章 虚拟仪器系统基础 9

2.1 虚拟仪器的概念 9

2.2 虚拟仪器的软件系统 9

2.2.1 VISA 9

2.2.2 驱动程序 10

2.2.3 开发软件 10

2.3 虚拟仪器和虚拟仪器库的形成 10

2.3.1 测试功能集成 10

2.3.2 虚拟仪器的形成过程 10

2.3.3 测试集成与虚拟仪器库的形成 11

2.3.4 智能虚拟控件与智能控件化虚拟仪器 13

2.4 虚拟仪器的开发系统 14

2.4.1 概述 14

2.4.2 VMIDS开发系统 15

2.4.3 LabVIEW开发系统 17

2.5 虚拟仪器的构成 19

2.5.1 基于PC机平台的虚拟仪器 19

2.5.2 基于嵌入式计算机平台的虚拟仪器 20

2.6 虚拟仪器的硬件装置 23

第3章 基于PC机的虚拟仪器总线系统 25

3.1 ISA、EISA总线系统 25

3.2 PCI总线系统 25

3.2.1 PCI总线的发展 25

3.2.2 PCI总线的结构 26

3.2.3 PCI总线的接口 27

3.2.4 PCI总线的操作 28

3.2.5 PCI总线的信号组 30

3.2.6 PCI总线的电气特性 34

3.2.7 PCI总线的综合特点 34

3.3 PCI总线设备驱动程序 36

3.3.1 WDM驱动程序模型 36

3.3.2 基于PCI总线的数据采集卡的驱动程序设计 38

3.4 USB通用串行总线系统 39

3.4.1 USB外设结构 39

3.4.2 USB设备的启动和数据传输 40

第4章 信号调理器与数据采集器 42

4.1 放大器 42

4.1.1 典型的运算放大器 42

4.1.2 调理电路中的电荷放大器 43

4.1.3 集成运算放大器的选用 44

4.2 滤波器 45

4.2.1 滤波的概念及特性 45

4.2.2 滤波器原理 46

4.2.3 集成电路模拟滤波器 50

4.3 常用传感器特性与信号调理的要求 51

4.3.1 热电偶 51

4.3.2 RTD温度传感器 52

4.3.3 应变片 52

4.3.4 压电式加速度传感器 53

4.4 数据采集系统概述 54

4.4.1 数据采集系统的基本组成 54

4.4.2 数据采集系统与总线技术 55

4.4.3 数据采集系统的主要性能指标 56

4.4.4 数据采集系统的特点 57

4.5 数据采集系统原理 58

4.5.1 数据采集原理 58

4.5.2 典型模拟信号采集系统的基本组成 59

4.5.3 与数据采集有关的概念 61

4.6 基于PC总线的数据采集系统设计 64

4.6.1 ISA总线数据采集卡的设计 64

4.6.2 PCI总线数据采集卡的设计 69

4.6.3 基于串口的数据采集器的设计 72

4.6.4 并口数据采集器的设计 74

4.6.5 USB接口采集器的设计 74

第5章 文本式虚拟仪器 77

5.1 文本式编程语言简介 77

5.2 文本式虚拟仪器的开发 78

5.2.1 数据采集模块 79

5.2.2 数据分析模块 82

5.2.3 结果显示模块 83

5.2.4 辅助模块 85

5.2.5 主控模块 85

5.3 文本式虚拟仪器的产品 87

5.3.1 文本式虚拟示波器 87

5.3.2 文本式虚拟信号分析仪 90

5.3.3 文本式虚拟扭矩测试仪 92

5.3.4 文本式虚拟心电图仪 93

第6章 秦氏模型智能虚拟控件 95

6.1 智能虚拟控件的概念 95

6.2 智能虚拟控件的模型原理 96

6.2.1 非智能虚拟控件及其模型要素 97

6.2.2 功能“赋予”与“融合” 97

6.2.3 E-F函数与秦氏模型智能虚拟控件 99

6.3 仪器拼搭与拼搭场 103

6.3.1 仪器拼搭 104

6.3.2 拼搭场 104

6.3.3 随机置位 105

6.3.4 拼搭方法 106

第7章 智能虚拟控件及控件化虚拟仪器的建模原理与方法 111

7.1 非智能虚拟控件 111

7.1.1 虚拟旋钮的建模 111

7.1.2 虚拟表盘的建模 112

7.1.3 虚拟选择开关的建模 114

7.1.4 虚拟拨盘的建模 118

7.1.5 虚拟温度计的建模 119

7.1.6 虚拟信号灯的建模 121

7.2 非智能虚拟控件的设计 122

7.2.1 非智能虚拟控件的计算机表达 122

7.2.2 非智能虚拟控件的分类电子档案 124

7.2.3 非智能虚拟控件的设计实例 124

7.3 智能虚拟控件模型的分类 130

7.4 智能虚拟控件的系统模型 131

7.4.1 简单系统模型 131

7.4.2 复杂系统模型 131

7.5 建模的原理与方法 133

7.5.1 系统建模方法 133

7.5.2 模块化建模方法 134

7.5.3 Meyer标准 135

7.5.4 模块化建模的优点 135

7.6 智能控件化虚拟仪器开发系统的模型 135

7.6.1 开发系统的模型 135

7.6.2 数据获取 137

7.6.3 处理与控制 137

7.7 智能控件化虚拟仪器的建模 139

7.7.1 智能控件化虚拟仪器的统一模型 139

7.7.2 数据获取 140

7.7.3 处理与控制 140

7.7.4 结果输出 141

7.8 显示建模 141

7.8.1 显示的框架模型 142

7.8.2 图形变换数学模型 143

7.8.3 快速显示模型 145

第8章 智能控件化虚拟仪器系统的软件体系结构 147

8.1 软件体系结构 147

8.1.1 定义 147

8.1.2 软件体系结构的多视图 149

8.1.3 软件体系结构的基本模型 151

8.1.4 软件体系结构的模式 152

8.1.5 软件体系结构的核心模型 156

8.1.6 软件体系结构的描述语言 157

8.1.7 Wright 158

8.1.8 软件体系结构在软件开发中的地位和作用 160

8.2 基于层次消息总线（HMB）的软件体系结构 162

8.2.1 层次消息总线（HMB）的模式 162

8.2.2 HMB模式的描述 162

8.2.3 HMB模式的组成要素 163

8.2.4 HMB模式的特点 165

8.3 动态路由层次消息总线的模式 166

8.3.1 动态路由HMB提出的背景 166

8.3.2 动态路由HMB模式的描述 167

8.3.3 构件——智能虚拟控件 169

8.3.4 连接件——消息总线 171

8.3.5 配置 173

8.3.6 智能虚拟控件的动态行为 174

8.3.7 动态路由HMB模式系统的动态演化 174

8.4 DR-HMB模式的系统开发 175

8.4.1 智能虚拟控件的规约 175

8.4.2 智能虚拟控件的实现 178

8.4.3 系统开发 179

第9章 智能虚拟控件的设计 184

9.1 可复用智能虚拟控件的软件设计 184

9.1.1 软件复用的特征 184

9.1.2 HMB软件体系结构模式的特点 184

9.2 智能虚拟控件的设计方法与准则 185

9.2.1 智能虚拟控件的可替换性与替换方法 186

9.2.2 软件体系结构级的智能虚拟控件的替换 188

9.2.3 智能虚拟控件替换的剧情环境 189

9.3 设计方法 189

9.3.1 智能虚拟控件的内聚 189

9.3.2 智能虚拟控件的耦合 191

9.3.3 智能虚拟控件的复用 193

9.3.4 智能虚拟控件的功能独立性 194

9.3.5 智能虚拟控件的组态性 194

9.3.6 智能虚拟控件的优化设计准则 196

9.4 仪器功能库的设计 197

9.4.1 算法设计 197

9.4.2 功能库模型 200

9.4.3 功能接口设计 200

9.5 智能虚拟控件设计 203

9.5.1 智能虚拟控件的设计步骤 203

9.5.2 智能虚拟控件的组态描述 204

9.5.3 数据池与数据通信 206

第10章 智能虚拟控件开发系统规范和控件化虚拟仪器规范的实现 208

10.1 VMIDS开发系统的零编程机理 208

10.1.1 综合集成 208

10.1.2 基于知识的柔性综合集成系统 214

10.1.3 零编程开发系统的动态模拟运行与演化 218

10.2 VMIDS系统的发展 221

10.2.1 VMIDS开发系统的发展 221

10.2.2 VMIDS开发系统的本质特点 224

10.2.3 VMIDS开发系统与LabVIEW系统的比较 227

10.3 VMIDS开发系统的实现 231

10.3.1 VMIDS开发系统的结构 231

10.3.2 系统环境初始化 233

10.3.3 数据获取与管理模块设计 238

10.3.4 虚拟控件的选择、创建与删除 241

10.3.5 虚拟控件的功能“赋予”、融合和属性修改 243

10.3.6 统一的属性页管理设计 244

10.3.7 仪器属性 245

10.3.8 智能控件化虚拟仪器的基本要素 246

第11章 LabVIEW图形开发系统概述 249

11.1 LabVIEW系统的起源及发展历程 249

11.2 LabVIEW系统的优势和特点 250

11.3 LabVIEW系统的发展前景及存在问题 252

第12章 LabVIEW开发系统中数据采集与仪器驱动 255

12.1 数据采集 255

12.2 NI-DAQmx软件 256

12.2.1 Measurement ＆ Automation Explorer（MAX） 256

12.2.2 安装硬件设备 257

12.2.3 配置DAQ系统 258

12.2.4 DAQ编程 263

12.3 仪器总线技术 268

12.3.1 外部总线 268

12.3.2 内部总线 269

12.4 仪器驱动器 269

12.4.1 概述 269

12.4.2 GPIB标准 270

12.4.3 VPP规范 270

12.4.4 IVI规范 271

12.4.5 IVI-MSS和IVI-Signal Interface 271

12.5 LabVIEW中的仪器控制 271

12.5.1 仪器驱动程序 272

12.5.2 IVI仪器驱动 273

12.5.3 仪器I/O助手 274

12.5.4 VISA仪器控制 275

12.5.5 GPIB仪器控制 277

12.5.6 串行通信 279

第13章 LabVIEW系统的软件程序开发 282

13.1 创建新VI 282

13.1.1 创建前面板 282

13.1.2 创建程序框图 283

13.2 编辑VI 285

13.2.1 选择对象 285

13.2.2 删除对象 285

13.2.3 变更对象位置 285

13.2.4 改变对象大小 286

13.2.5 改变对象颜色 288

13.2.6 对齐对象 289

13.2.7 分布对象 289

13.2.8 改变对象在窗口中的前后次序 291

13.2.9 组合与锁定对象 291

13.2.10 设置对象的字体 292

13.2.11 在窗口中添加标签 293

13.3 运行调试VI 293

13.3.1 运行VI 293

13.3.2 调试VI 294

13.4 子VI 296

13.4.1 子VI创建 296

13.4.2 调用子VI 297

13.5 文件输入输出 299

13.5.1 文件I/O的基本概念和术语 300

13.5.2 文件I/O操作 302

13.5.3 打开和关闭文件操作 302

13.5.4 文件读操作 303

13.5.5 文件写操作 308

第2篇 虚拟仪器的应用 313

第14章 智能控件化虚拟仪器的拼搭实例 313

14.1 波形显示与数据记录仪 313

14.1.1 波形显示与数据记录仪的原理与基本功能 313

14.1.2 智能控件化波形显示与记录仪的典型拼搭方案 316

14.2 机械噪声测试分析仪 317

14.2.1 噪声测试与分析的原理 317

14.2.2 智能控件化噪声测试与分析仪的典型拼搭方案 319

14.3 音频信号分析仪 320

14.3.1 音频分析原理 320

14.3.2 智能控件化音频分析仪的典型拼搭方案 321

14.4 单通道FFT信号分析仪 323

14.4.1 仪器的主要功能及其数学模型 323

14.4.2 智能控件化单通道FFT分析仪的拼搭方案与过程 325

14.5 传递相干分析仪 330

14.5.1 仪器主要功能及数学模型 330

14.5.2 智能控件化传递相干分析仪的典型拼搭方案 330

14.6 小波变换信号分析仪 331

14.6.1 小波变换基本理论与仪器主要功能的数学模型 332

14.6.2 智能控件化小波变换信号分析仪的典型拼搭方案与拼搭过程 334

14.7 齿轮传动链精度测量仪 337

14.7.1 传动链动态精度测试的方法与原理 337

14.7.2 智能控件化齿轮传动链精度测量仪的典型拼搭方案 339

14.8 扫频信号发生器 340

14.8.1 扫频测试原理 340

14.8.2 智能控件化扫频仪的典型拼搭方案 341

第15章 虚拟仪器在机电设备测试诊断中的应用 344

15.1 镁铝合金熔炼过程中电炉温度变化的监测 344

15.1.1 仪器简介 344

15.1.2 现场应用 345

15.2 石油钻井振动筛动态特性测试 346

15.3 音箱的音频信号分析 347

15.3.1 时域分析 348

15.3.2 频域分析 348

15.3.3 失真度分析 349

15.4 风电场功率特性分析 351

15.5 风力发电机噪声音调与能听度的测试 353

15.6 MG1432A万能外圆磨床砂轮架轴承的FFT分析及小波变换分析与诊断 355

15.6.1 FFT分析 355

15.6.2 小波变换分析 356

15.7 测量电量的虚拟式万用表 357

15.8 JZQ200型减速器齿轮箱故障诊断 359

15.8.1 齿轮箱简介 359

15.8.2 测试诊断 359

15.9 电器噪声倍频程测试与分析 363

第16章 虚拟仪器在机械参量测试中的应用 366

16.1 扭矩、转速和功率的测量 366

16.2 多通道温度测试与控制 368

16.2.1 温度测试 369

16.2.2 虚拟式温度控制器 369

16.3 应变测试 370

16.3.1 测试装置 370

16.3.2 应变测试过程 371

16.4 流量测试 373

16.5 转轴轴心轨迹测试 374

16.5.1 测试装置及原理 374

16.5.2 现场测试 375

16.6 机械零件尺寸的测量 377

16.6.1 测量仪器系统的结构及原理 377

16.6.2 测量仪测量实例 377

16.7 基于DSP的虚拟式FFT分析仪 380

第17章 虚拟仪器在汽车测试与诊断中的应用 384

17.1 汽车变速齿轮箱测试与诊断仪 384

17.1.1 汽车变速齿轮箱 384

17.1.2 测试仪器 385

17.1.3 测试诊断实例 385

17.2 汽车变速齿轮箱预测分析 391

17.3 基于虚拟仪器的汽车车载信息平台 394

17.3.1 主控模块 394

17.3.2 数据采集模块 395

17.3.3 数据分析模块 396

17.3.4 显示模块 396

第18章 虚拟仪器在旋转机械测试与诊断中的应用 400

18.1 旋转机械典型故障及其振动特征 400

18.2 虚拟式旋转机械特征分析仪的功能 401

18.3 虚拟式旋转机械特征分析仪应用实例 402

18.3.1 偏心电动机升降速测试试验 402

18.3.2 直流电动机驱动的涡轮减速箱振动测试 406

18.3.3 齿轮箱振动测试试验 408

18.3.4 风扇升速振动测试试验 414

第19章 虚拟仪器在模态分析中的应用 419

19.1 模态分析的基本原理 419

19.2 虚拟仪器在简支梁模态分析中的应用 420

19.2.1 简支梁的结构及试验装置 420

19.2.2 简支梁测点的布置 421

19.2.3 简支梁频响函数的求取 421

19.2.4 简支梁模态参数的识别 422

19.2.5 简支梁的模态输出 423

19.3 虚拟仪器在框架结构模态分析中的应用 425

19.3.1 框架结构 425

19.3.2 框架结构测点布置 425

19.3.3 框架结构频响函数求取及模态参数识别 425

19.3.4 框架结构模态输出 426

19.4 虚拟仪器在摩托车车架模态分析中的应用 429

19.4.1 摩托车车架结构及测点布置 429

19.4.2 摩托车车架频响函数求取及模态参数识别 429

19.4.3 摩托车车架模态输出 429

第20章 虚拟仪器在机械振动基本测量中的应用 432

20.1 机械振动测试装置的组成结构 432

20.2 简支梁谐振频率的测量一 432

20.2.1 测量装置 432

20.2.2 测量方法 434

20.3 简支梁谐振频率测量二 434

20.3.1 测量装置和原理 434

20.3.2 测量方法 435

20.4 简谐振动的幅值测量 436

20.4.1 测量装置和原理 436

20.4.2 测量方法 437

20.5 机械振动系统固有频率的测量 437

20.5.1 测量装置和原理 437

20.5.2 测量方法 439

20.6 单自由度系统固有频率的测量 439

20.6.1 测量装置和原理 439

20.6.2 测量方法 439

20.7 单自由度系统强迫振动的幅频特性、固有频率和阻尼的测量 440

20.7.1 测量装置和原理 440

20.7.2 测量方法 441

20.8 单自由度系统自由衰减振动、固有频率和阻尼比的测量 442

20.8.1 测量装置和原理 442

20.8.2 测量方法 444

20.9 简支梁各阶固有频率及主振型的测量 444

20.9.1 测量装置和原理 444

20.9.2 测量方法 445

20.10 拍振测量 446

20.10.1 测量装置和原理 446

20.10.2 测量方法 447

20.11 机械系统主动隔振测量 448

20.11.1 测量装置和原理 448

20.11.2 测量方法 449

20.12 机械系统被动隔振测量 449

20.12.1 测量装置和原理 449

20.12.2 测量方法 450

20.13 油阻尼减振测量 451

20.13.1 测量装置和原理 451

20.13.2 测量方法 452

20.14 单式动力吸振器吸振测量 452

20.14.1 测量装置和原理 452

20.14.2 测量方法 454

20.15 复式动力吸振测量 455

20.15.1 测量装置和原理 455

20.15.2 测量方法 457

20.16 振动信号的测试分析 457

20.16.1 测量装置和原理 457

20.16.2 测量方法 459

20.17 简支梁传递函数与相干分析 459

20.17.1 测量装置和原理 459

20.17.2 测量方法 461

第21章 虚拟仪器在生物医学测量中的应用 462

21.1 虚拟式生物医学仪器的基本功能及应用 462

21.1.1 生物医学信号的测量与记录 462

21.1.2 编辑、打印功能的实现 463

21.2 虚拟式生物医学仪器系统的特征分析功能 466

21.2.1 虚拟式心电信号检测分析仪的特征信息提取 466

21.2.2 虚拟式脑电图仪的脑电信号特征信息的时频提取 469

21.2.3 颅内压无创检测分析仪的无创检测功能 470

第22章 LabVIEW系统在虚拟仪器开发和工程测试中的应用 472

22.1 网络虚拟实验室构建 472

22.2 比较法相位型振动测量系统 474

22.3 航空机载电子设备自动测试系统 475

22.4 纳米性材料动态测量交流B—H曲线测试仪 477

22.5 压气机管道声模态及不稳定特性测量的数据采集与分析 478

22.6 基于LabWindows/CVI的通信系统与信号处理 481

22.7 摩擦力测试及处理系统 482

22.8 偏振态实时监测系统 483

22.9 柴油机测试诊断系统的开发 485

22.10 雷达发射机高压测试系统 487

22.11 基于小波神经网络的矿井局部通风机故障检测与诊断研究 489

22.12 心音分析系统 490

22.13 汽轮机振动的倒谱分析系统 491

22.14 电能质量综合监测LabVIEW虚拟仪器系统的开发 493

22.15 基于LabVIEW系统的多功能信号发生器 494

22.16 基于LabVIEW的浅层地震仪 495

22.17 声强测量分析系统 496

22.18 基于LabVIEW和PXI平台的焊机自动测试系统 497

22.19 基于虚拟仪器的淡水鱼阻抗特性检测系统 499

参考文献 501