苏ICP备112451047180号-6
基于虚拟仪器和数据库技术的转动测试系统的设计
摘 要
本文首先对虚拟仪器的基本概念、特点进行了介绍，并介绍了labview和它的优点，以及介绍了可用于搭建转速测量的平台-NI ELVIS，包括NI ELVIS的硬件和软件。然后通过简单介绍数据库的一些相关知识，引出了转速测量的流程和实现方法。
关键字：虚拟仪器、NI ELVIS、转速、数据库
Abstract
First，the basic concept of virtual instrument, characteristics are introduced in this paper. Then introduced labview and its advantages. And introduced NI ELVIS which can be used to establish the platform speed measurement, Including the NI ELVIS’s hardware and software. And then through a simple introduces some knowledge of database, Raises the speed measurement process and realization method.
Key words: Virtual instrument、NI ELVIS、speed、database
1.绪论
1.1选题的目的与意义
虚拟仪器技术以其具有的结构简单、一机多用、高度智能化及精度高等特点，正适应了转动测试发展的潮流方向。虚拟仪器通过计算机完成对仪器的控制、数据采集、数据分析及数据存储等，以其作为主要开发工具，研究转动测试的速度与时间关系。具有开发迅速、成本低廉、使用简单、功能强大且随时可扩展特点。在技术和经济上都能较好的满足市场的实际需要。
在进行转动测试时，多通道采集会有大量数据产生，以TDM文件保存虽然比较容易实现，但在后期数据查询时会比较困难，比如查询某一时刻或者某一时间段的转动速度数据。事实证明是很难实现的，因而有必要引入数据库技术进行采集数据的存储和管理。随着被测对象的复杂化，工程测试对转动测试系统的要求越来越苛刻，转动测试系统不但要有强大的数据分析处理能力，而且要有巨大数据管理能力。在进行转动测试测量系统设计时，数据库设计逐渐成为其中不可或缺的一部分。本文所研究课题是基于虚拟仪器与数据库技术的转动测试系统设 计，通过数据库可实现数据的检索与访问。
1.2研究课题发展现状和前景展望
近年来, 世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，便于使用者利用这些仪器提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。其中最早和最具影响的开发软件是NI公司的LabVIEW 软件和LabWindows/CVI开发软件。LabVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件，它整合了与诸如GPIB、VXI、PXI、RS232、RS485 及数据采集卡等硬件通信的全部功能，而且，具有很强的分析处理能力。 LabVIEW 6i 问世，将智能化测量与控制技术进一步扩展到了Internet 网。LabWindows/ CVI是为熟悉C语言的开发人员准备的在Windows 环境下的标准ANSIC 开发环境。除了上述的优秀软件之外，美国HP 公司的HP-VEE 和HPTIG 平台软件，美国 T ekt ro nis 公司的Ez-T est 和T ekt NS 软件，以及美国HEM Data 公司的Snap-Marter 平台软件，也都是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。 虚拟仪器的发展主要包含两个方向：一是硬件技术的发展，要保证虚拟仪器具备与传统仪器匹配的实时处理能力和可靠性，很重要的一点取决于传输测量数据的总线结构。通用仪器总线GPIB 于1978 年问世，实现了计算机与测量系统的首次结合。它标志着测量仪器从独立的手工操作单台仪器走向程控多台仪器的自动测试系统, 是虚拟仪器技术发展的第一阶段。在虚拟仪器中,其分析功能是由计算机来完成的, 或由计算机来控制的。因此,接口、总线的速度和可靠性是关键。
二是软件技术的发展，软件技术的发展和有关国际标准的建立,是推动虚拟仪器技术发展的决定性因素之一。在GPIB接口总线出现以后,关于程控仪器的句法格式、信息交换协议和公用命令的标准化,一直是人们关心的问题。标准程序命令( SCPI) 标准的建立,向解决程控命令与仪器厂家无关这一目标迈进了重要的一步,随着虚拟仪器思想的深入,用户自己开发仪器驱动器己成为技术发展的客观需要。过去仪器驱动都是由仪器厂家专门设计,缺乏标准,使得用户在仪器软件方面的投资得不到保护。开发一个由用户定制的虚拟仪器在软件技术上已经成熟。可以预计,未来的电子测量仪器和自动化测试技术的发展还将更多地渗透虚拟仪器的思想。
2 本课题主要设计内容
2.1设计任务
熟悉并掌握Labview编程语言及Labview数据库编程技术。使用NI Elvis系统搭建转速测量系统。在Labview中利用工具包labsql，从而实现对数据进行远程监控与访问，并能实现自动报警功能。
具体指标与要求如下：
(一)硬件设计要求
1、理解霍尔器件测频的基本原理，通过霍尔将电机的转速转换成具有周期性的矩形脉冲信号，实现对电机转速和频率的测量。要求对转速测频器件进行选型，对霍尔器件测频信号调理电路进行设计与调试，说明其工作原理。
2、理解NI ELVIS II数据采集平台的工作原理，通过NI ELVIS II数据采集平台对霍尔传感器及其调理电路出来的电压信号进行采集、分析与处理。
(二)软件设计要求
要求采用状态机的软件设计结构来设计转速测频系统软件。系统软件具有“系统初始化”、“系统等待”、“数据采集”、“报表生成”“打开报表”、“退出”等功能。具体要求如下：
1、系统初始化
系统软件运行后，首先进入系统初始化状态。系统初始化状态主要可以对NI ELVIS II数据采集平台，所用的数据采集通道及软件界面上的所有控件进行初始化。系统初始化结束后，软件进行等待状态中，等待其他功能的选中与运行。
2、系统等待
在系统等待状态下，用户可选择其他功能并运行。要求系统等待状态采用事件驱动结构来实现。
3、数据采集
要求系统可以对转速测频信号进行连续的实时采集、分析与显示。包括对所用NI ELVIS II数据采集平台物理通道，电压最大值、最小值、采样速率、每通道采样点数等参数的设置。将采集到的时域波形、频率(Hz)、电机转速(rpm)等参数进行实时显示。对信号进行频谱分析并显示其频谱波形。要求系统可以对转速测频信号进行连续的实时采集、分析与显示。
4、报表生成
报表生成功能可以实现对转速测频信号连续采集与分析过程中的相关参数包括所用NI ELVIS II数据采集平台物理通道，电压最大值、最小值、采样速率、每通道采样点数、时域波形、频率(Hz)、电机转速(rpm)、频谱波形等参数或波形作为报表的内容进行保存。
5、打开报表
打开报表功能可以对保存的报表进行打开以便进行离线进行分析和处理。
6、退出
按下“退出”键，将退出系统软件。
要求系统软件界面设计友好，方便操作。在系统软件界面即前面板上必须有状态显示栏，以显示软件当前运行的状态。
2.2设计目的
通过本次设计使学生具备：
(1) 初步了解测控系统的设计步骤，掌握系统设计方法，加深对专业理论知识的理解，能够综合运用所学的《传感器原理与检测技术》、《虚拟仪器技术》、《测控电路》、《测控系统原理与设计》等专业知识设计测控系统各个单元，并组成系统。
(2) 通过制定测控系统设计方案，合理选择传感器及其他元件，正确计算、选择各电路和元件参数，确定尺寸和选择材料，以及较全面地考虑制造工艺、使用和维护等要求，达到了解和掌握测控系统综合设计过程和方法的目的。
(3) 进行设计基本技能的训练。如：计算、绘图、熟悉和运用设计资料（手册、图册、标准和规范等）以及使用经验数据、进行经验估算和数据处理及计算机应用的能力。
(4)了解现代仪器科学与技术的发展前沿，学习和掌握基于虚拟仪器技术的测控系统组成和工作原理；进一步掌握虚拟仪器LabVIEW图形化软件设计方法与调试技巧。
(5)培养学生查阅资料的能力和运用知识的能力；提高学生的论文撰写和表述能力；培养学生正确的设计思想、严谨的科学作风；培养学生的创新能力和运用知识的能力。
2.3设计要求
1、了解和掌握整个以虚拟仪器技术平台构建的测控系统组成、工作原理、各单元功能和应用背景。
2、根据设计任务进行文献资料的检索，根据测控系统的功能和工作原理，确定测控系统的功能，制定设计方案和设计虚拟仪器面板。
3、合理选择传感器的种类与型号，设计信号调理电路；利用虚拟仪器技术软件开发平台LabVIEW来编写与调试系统软件。
4、按学校课程设计的撰写规范撰写且提交一份完整的设计报告。
参考文献
[1] 王福明，于丽霞，刘吉，等.LabVIEW程序设计与虚拟仪器.西安：西安电子科技大学出版社，2009
[2] 秦 丰, 狄瑞坤, 欧阳珍. 基于图形化编程语言LabVIEW的虚拟仪器开发. 《机床与液压》2004. No.18
[3] 张爱平.LabVIEW入门与虚拟仪器.北京：电子工业出版社，2004
[4] 张凯. LabVIEW虚拟仪器工程设计与开发.北京：国防工业出版社，2004
[5]National Instrument. User Guide and Specifications/USB-6008/6009.
[6]汪敏生，等. LabVIEW基础教程.北京：电子工业出版社，2007
[7] 孙传友,孙晓斌.测控系统原理与设计(第2版)[M].北京：北京航空航天大学出版社,2007.
[8] 孙传友等.测控电路及装置[M].北京：北京航空航天大学出版社,2002.
[9] 吴勤勤等.微机化仪表原理及设计[M].上海：华东化工学院出版社,1991.
[10] 夏雪生.微机化仪器设计[M].北京：科学出版社,1988.
[11] 周乐挺. 传感器与检测技术[M].北京:机械工业出版社,2005.
[12] 范晶彦.传感器与检测技术应用[M].北京:机械工业出版社,2005.
[13] 梁 森,王侃夫,黄杭美.自动检测与转换技术(第二版)[M].北京:机械工业出版社,2007.
[14] 王俊峰,孟令启.现代传感器应用技术[M].北京:机械工业出版社,2007.
[15] 宋文绪,杨 帆.自动检测技术[M].北京:高等教育出版社,2000.
[16] 徐 洁.电子测量与仪器[M].北京:机械工业出版社,2004.
[17]詹津明译1V isual C+ + 使用指南1 北京: 清华大学出版社11999
[18]林正盛1 虚拟仪器技术及其应用1 微型机与应用, 1997 (8)
[19] 刘君华1 基于L abV IEW 的虚拟仪器设计1 北京: 电子工业出版社, 2003
[20] 杨乐平, 李海涛1L abV IEW 高级程序设计1 北京: 清华大学出版社, 2003
摘 要
本文首先对虚拟仪器的基本概念、特点进行了介绍，并介绍了labview和它的优点，以及介绍了可用于搭建转速测量的平台-NI ELVIS，包括NI ELVIS的硬件和软件。然后通过简单介绍数据库的一些相关知识，引出了转速测量的流程和实现方法。
关键字：虚拟仪器、NI ELVIS、转速、数据库
Abstract
First，the basic concept of virtual instrument, characteristics are introduced in this paper. Then introduced labview and its advantages. And introduced NI ELVIS which can be used to establish the platform speed measurement, Including the NI ELVIS’s hardware and software. And then through a simple introduces some knowledge of database, Raises the speed measurement process and realization method.
Key words: Virtual instrument、NI ELVIS、speed、database
1.绪论
1.1选题的目的与意义
虚拟仪器技术以其具有的结构简单、一机多用、高度智能化及精度高等特点，正适应了转动测试发展的潮流方向。虚拟仪器通过计算机完成对仪器的控制、数据采集、数据分析及数据存储等，以其作为主要开发工具，研究转动测试的速度与时间关系。具有开发迅速、成本低廉、使用简单、功能强大且随时可扩展特点。在技术和经济上都能较好的满足市场的实际需要。
在进行转动测试时，多通道采集会有大量数据产生，以TDM文件保存虽然比较容易实现，但在后期数据查询时会比较困难，比如查询某一时刻或者某一时间段的转动速度数据。事实证明是很难实现的，因而有必要引入数据库技术进行采集数据的存储和管理。随着被测对象的复杂化，工程测试对转动测试系统的要求越来越苛刻，转动测试系统不但要有强大的数据分析处理能力，而且要有巨大数据管理能力。在进行转动测试测量系统设计时，数据库设计逐渐成为其中不可或缺的一部分。本文所研究课题是基于虚拟仪器与数据库技术的转动测试系统设 计，通过数据库可实现数据的检索与访问。
1.2研究课题发展现状和前景展望
近年来, 世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，便于使用者利用这些仪器提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。其中最早和最具影响的开发软件是NI公司的LabVIEW 软件和LabWindows/CVI开发软件。LabVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件，它整合了与诸如GPIB、VXI、PXI、RS232、RS485 及数据采集卡等硬件通信的全部功能，而且，具有很强的分析处理能力。 LabVIEW 6i 问世，将智能化测量与控制技术进一步扩展到了Internet 网。LabWindows/ CVI是为熟悉C语言的开发人员准备的在Windows 环境下的标准ANSIC 开发环境。除了上述的优秀软件之外，美国HP 公司的HP-VEE 和HPTIG 平台软件，美国 T ekt ro nis 公司的Ez-T est 和T ekt NS 软件，以及美国HEM Data 公司的Snap-Marter 平台软件，也都是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。 虚拟仪器的发展主要包含两个方向：一是硬件技术的发展，要保证虚拟仪器具备与传统仪器匹配的实时处理能力和可靠性，很重要的一点取决于传输测量数据的总线结构。通用仪器总线GPIB 于1978 年问世，实现了计算机与测量系统的首次结合。它标志着测量仪器从独立的手工操作单台仪器走向程控多台仪器的自动测试系统, 是虚拟仪器技术发展的第一阶段。在虚拟仪器中,其分析功能是由计算机来完成的, 或由计算机来控制的。因此,接口、总线的速度和可靠性是关键。
二是软件技术的发展，软件技术的发展和有关国际标准的建立,是推动虚拟仪器技术发展的决定性因素之一。在GPIB接口总线出现以后,关于程控仪器的句法格式、信息交换协议和公用命令的标准化,一直是人们关心的问题。标准程序命令( SCPI) 标准的建立,向解决程控命令与仪器厂家无关这一目标迈进了重要的一步,随着虚拟仪器思想的深入,用户自己开发仪器驱动器己成为技术发展的客观需要。过去仪器驱动都是由仪器厂家专门设计,缺乏标准,使得用户在仪器软件方面的投资得不到保护。开发一个由用户定制的虚拟仪器在软件技术上已经成熟。可以预计,未来的电子测量仪器和自动化测试技术的发展还将更多地渗透虚拟仪器的思想。
2 本课题主要设计内容
2.1设计任务
熟悉并掌握Labview编程语言及Labview数据库编程技术。使用NI Elvis系统搭建转速测量系统。在Labview中利用工具包labsql，从而实现对数据进行远程监控与访问，并能实现自动报警功能。
具体指标与要求如下：
(一)硬件设计要求
1、理解霍尔器件测频的基本原理，通过霍尔将电机的转速转换成具有周期性的矩形脉冲信号，实现对电机转速和频率的测量。要求对转速测频器件进行选型，对霍尔器件测频信号调理电路进行设计与调试，说明其工作原理。
2、理解NI ELVIS II数据采集平台的工作原理，通过NI ELVIS II数据采集平台对霍尔传感器及其调理电路出来的电压信号进行采集、分析与处理。
(二)软件设计要求
要求采用状态机的软件设计结构来设计转速测频系统软件。系统软件具有“系统初始化”、“系统等待”、“数据采集”、“报表生成”“打开报表”、“退出”等功能。具体要求如下：
1、系统初始化
系统软件运行后，首先进入系统初始化状态。系统初始化状态主要可以对NI ELVIS II数据采集平台，所用的数据采集通道及软件界面上的所有控件进行初始化。系统初始化结束后，软件进行等待状态中，等待其他功能的选中与运行。
2、系统等待
在系统等待状态下，用户可选择其他功能并运行。要求系统等待状态采用事件驱动结构来实现。
3、数据采集
要求系统可以对转速测频信号进行连续的实时采集、分析与显示。包括对所用NI ELVIS II数据采集平台物理通道，电压最大值、最小值、采样速率、每通道采样点数等参数的设置。将采集到的时域波形、频率(Hz)、电机转速(rpm)等参数进行实时显示。对信号进行频谱分析并显示其频谱波形。要求系统可以对转速测频信号进行连续的实时采集、分析与显示。
4、报表生成
报表生成功能可以实现对转速测频信号连续采集与分析过程中的相关参数包括所用NI ELVIS II数据采集平台物理通道，电压最大值、最小值、采样速率、每通道采样点数、时域波形、频率(Hz)、电机转速(rpm)、频谱波形等参数或波形作为报表的内容进行保存。
5、打开报表
打开报表功能可以对保存的报表进行打开以便进行离线进行分析和处理。
6、退出
按下“退出”键，将退出系统软件。
要求系统软件界面设计友好，方便操作。在系统软件界面即前面板上必须有状态显示栏，以显示软件当前运行的状态。
2.2设计目的
通过本次设计使学生具备：
(1) 初步了解测控系统的设计步骤，掌握系统设计方法，加深对专业理论知识的理解，能够综合运用所学的《传感器原理与检测技术》、《虚拟仪器技术》、《测控电路》、《测控系统原理与设计》等专业知识设计测控系统各个单元，并组成系统。
(2) 通过制定测控系统设计方案，合理选择传感器及其他元件，正确计算、选择各电路和元件参数，确定尺寸和选择材料，以及较全面地考虑制造工艺、使用和维护等要求，达到了解和掌握测控系统综合设计过程和方法的目的。
(3) 进行设计基本技能的训练。如：计算、绘图、熟悉和运用设计资料（手册、图册、标准和规范等）以及使用经验数据、进行经验估算和数据处理及计算机应用的能力。
(4)了解现代仪器科学与技术的发展前沿，学习和掌握基于虚拟仪器技术的测控系统组成和工作原理；进一步掌握虚拟仪器LabVIEW图形化软件设计方法与调试技巧。
(5)培养学生查阅资料的能力和运用知识的能力；提高学生的论文撰写和表述能力；培养学生正确的设计思想、严谨的科学作风；培养学生的创新能力和运用知识的能力。
2.3设计要求
1、了解和掌握整个以虚拟仪器技术平台构建的测控系统组成、工作原理、各单元功能和应用背景。
2、根据设计任务进行文献资料的检索，根据测控系统的功能和工作原理，确定测控系统的功能，制定设计方案和设计虚拟仪器面板。
3、合理选择传感器的种类与型号，设计信号调理电路；利用虚拟仪器技术软件开发平台LabVIEW来编写与调试系统软件。
4、按学校课程设计的撰写规范撰写且提交一份完整的设计报告。
参考文献
[1] 王福明，于丽霞，刘吉，等.LabVIEW程序设计与虚拟仪器.西安：西安电子科技大学出版社，2009
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[3] 张爱平.LabVIEW入门与虚拟仪器.北京：电子工业出版社，2004
[4] 张凯. LabVIEW虚拟仪器工程设计与开发.北京：国防工业出版社，2004
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[6]汪敏生，等. LabVIEW基础教程.北京：电子工业出版社，2007
[7] 孙传友,孙晓斌.测控系统原理与设计(第2版)[M].北京：北京航空航天大学出版社,2007.
[8] 孙传友等.测控电路及装置[M].北京：北京航空航天大学出版社,2002.
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[10] 夏雪生.微机化仪器设计[M].北京：科学出版社,1988.
[11] 周乐挺. 传感器与检测技术[M].北京:机械工业出版社,2005.
[12] 范晶彦.传感器与检测技术应用[M].北京:机械工业出版社,2005.
[13] 梁 森,王侃夫,黄杭美.自动检测与转换技术(第二版)[M].北京:机械工业出版社,2007.
[14] 王俊峰,孟令启.现代传感器应用技术[M].北京:机械工业出版社,2007.
[15] 宋文绪,杨 帆.自动检测技术[M].北京:高等教育出版社,2000.
[16] 徐 洁.电子测量与仪器[M].北京:机械工业出版社,2004.
[17]詹津明译1V isual C+ + 使用指南1 北京: 清华大学出版社11999
[18]林正盛1 虚拟仪器技术及其应用1 微型机与应用, 1997 (8)
[19] 刘君华1 基于L abV IEW 的虚拟仪器设计1 北京: 电子工业出版社, 2003
[20] 杨乐平, 李海涛1L abV IEW 高级程序设计1 北京: 清华大学出版社, 2003