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集总测量系统设计及织机机械量测量的实现 中文摘要 集总测量系统设计及织机机械量测量的实现 中文摘要中又捅芰 本文以纺织机械量的测试为实例研究对象，开发了基于v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 技术的机械量虚拟测试系统。采用普及廉价的p c d a q 体系结构作为本系统的硬件 实现方案。以a d l i n k 公司的插卡式数据采集卡p c i - 9 1 1 2 进行数据采集。利用虚拟 仪器技术研制开发出基于l a b w i n d o w s c v i 软件平台的集总测量虚拟仪器系统。 论文着重对机械量虚拟测试系统的系统分析、软件模块的实现以及软件合成技术 及应用的研究。设计的集总测量系统最大限度地保证了虚拟测试系统软件模块的通用 性和重用率，实现了系统的易用性、可维护性、可扩充性以及可靠性。使用已设计好 的软件模块，可快速形成整个测试应用系统。 论文首先介绍了测试技术的发展概况以及发展趋势，同时对虚拟仪器的发展及特 点作了简述。主要阐述本课题的研究来源、研究目的及内容。 论文第二章首先简介虚拟仪器技术及其编程语言l a b w i n d o w s c v i ，其次在详述 了连续模拟信号的数字化处理原理的基础上进行了两大软件模块的设计：数据采集模 块设计和信号处理分析模块设计。其中，两大模块的设计是本章的重点，亦是本文研 究工作开展的关键。在模块的设计中，操作面板设计和功能程序设计是其设计过程中 的两大关键步骤，相辅相承，缺一不可。 在前一章测试系统软件设计完善的基础上，论文第三章以纺织机械量作为工程测 试对象，应用设计好的虚拟仪器集总测量系统对各种机械量进行测试实验。不同的传 感器结合此通用型集总系统，完成各具体测量任务。 试验结果证明，本论文提出的机械量集总测量虚拟测试系统实现方法技术上先进 可行、功能丰富、效果良好。 最后对本文的工作进行了总结，并提出了一些进一步改进的想法。 关键词：虚拟仪器，虚拟测试系统，数据采集，信号处理，机械量测量 作 者：杨晓平 指导教师：冯志华 英文摘要集总测量系统设计及织机机械量测量的实现 d e s i g no nt o t a lt e s t i n gs y s t e ma n d i t sr e a l i z a t i o no f m e c h a n i c a lm e a s u r e m e n ti nl o o m s a b s t r a c t t h e m e a s u r e m e n to ft e x t i l em a c h i n e r yi sc o n s i d e r e da sa ne x a m p l ei nt h i sd i s s e r t a t i o n v i r t u a lt e s t i n gs y s t e ma p p l i c a b l ei nt h ef i e l do ft e x t i l em a c h i n e r yb a s e do nv i r t u a l i n s t r u m e n t a t i o ni sd e v e l o p p e di no r d e rt or e s e a r c ha n du s ev it e c h n o l o g y t h el o w c o s t a n dp o p u l a rp c - d a qs t r u c t u r ei su s e da sas c h e m ef o rh a r d w a r er e a l i z a t i o ni n t h e d e v e l o p m e n to ft h et e s t i n gs y s t e m t h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r dp c i 一9 112i sb o u g h tf r o m a d l i n ki no r d e rt or e a l i z em e a s u r e m e n ta n dd a t aa c q u i s i t i o n t h et c i t a lt e s t i n gs y s t e mo n v i r t u a li n s t r u m e n tb a s e do nl a b w i n d o w s c v is o f t w a r ep l a t f o r mi sd e v e l o p e d t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h er e s e a r c ho fs y s t e ma n a l y s i s ，s o f t w a r ea c h i e v e m e n t a n ds o f t w a r es y n t h e s i s t h es o f t w a r em o d u l eo ft h i ss y s t e mc a l lb eg r e a t e s tu n i v e r s a l i t y , r e u s a b i l i t y , a n dt h ep e r f o r m a n c eo fb e u e ru n i v e r s a l i t y , m a i n t a i n a b i l i t y , e x p a n d a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yc a nb ea c h i e v e d t h ea p p l i c a t i o no ft o t a lt e s t i n gs y s t e mi s r e a l i z e db yu s i n g s o f t w a r em o d u l e sq u i c k l y t h ed e v e l o p m e n ta n dt r e n do ft h et e s tt e c h n o l o g ya n dt h ev i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n t e c h n o l o g ya r eb r i e f l yi n t r o d u c e da tt h eb e g i n n i n go fc h a p t e r1 t h es o u r c eo fr e s e a r c h t o p i ci sm a i n l yd i s c u s s e da n dt h ep u r p o s ea n dc o n t e n ta b o u tt h i sd i s s e r t a t i o na r c a l s o d e s c r i b e di nc h a p t e r1 i nc h a p t e r2 ，f i r s t l y , t h el a b w i n d o w s c v ia n dv i r t u a li n s t r u m e n ta r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y , o nt h eb a s i so ft h et h e o r yo f t h ed i g i t a lp r o c e s s i n go ft h ea n a l o gs i g n a l ，t h et w o m a i ns o r w a r em o d u l e s ，d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ea n ds i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e ，a r e d e s i g n e d t h e s et w om o d u l e sa r et h ec o r eo ft h i sc h a p t e ra n da l s ot h ek e yo fr e s e a r c h i n g f o rt h e t e s t i n gl o o m t h ed e v e l o p m e n ta n dd e s i g n o fo p e r a t i o np a n e la n df u n c t i o n p r o c e d u r e sa r et h em o s ti m p o r t a n ta n di n d i s p e n s a b l es t e p si nm o d u l ed e s i g n t h em e c h a n i c a lc h a r a c t e ro fl o o m sa st h eo b j e c to ft h ep r a c t i c a lt e s t i n gp r o j e c ti s t e s t e db yt h et o t a lt e s t i n gv i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e mi nc h a p t e r3w h e nt h es o f t w a r e m o d u l e so ft h es y s t e mh a v eb e e nf i n i s h e di nt h el a s tc h a p t e r d i f e r e n tt a s k s a r e a c c o m p l i s h e db yt h ec o m b i n a t i o no fd i f f e r e n ts e n s o r sa n dt h et o t a lt e s t i n gs y s t e m p r a c t i c a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es y s t e mo ft o t a lt e s t i n gv i r t u a li n s t r u m e n ti sa d v a n c e d 集总测量系统设计及织机机械量测量的实现 英文摘要 a n df e a s i b l e ，w h i c hh a sr i c hf u n c t i o n sa n dg o o de f f e c t a tt h el a s tp a r to ft h ep a p e r , s o m es u m m a r i e sa r eg i v e nt ot h ew h o l ed i s s e r t a t i o n s o m ei d e a st oi m p r o v et h ew o r kf u r t h e r l ya r ep u tf o r w a r d k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，v i r t u a lt e s ts y s t e m ，d a t aa c q u i s i t i o n ，s i g n a l p r o c e s s i n g ，m e c h a n i c a lm e a s u r e m e n t w r i t t e n b y ：y a n gx i a o p i n g s u p e r v i s e db y ：f e n gz h i h u a 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：日期：姗夕f 如 丁一 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：垒堕垒日 导师签名：2 毛年日 | | 期： 期： 矽鲫罗。r 如 集总测量系统设计及织机机械量测量的实现第一章绪论 1 1 测试技术的发展概况 1 1 1 测试与测试技术 第一章绪论 测量是以确定被测物属性量值为目的的全部操作。测试是测量和试验的综合【1 1 。 人类很早就进行测试工作了，测试是为了获取有用的信息，而信息是以信号的形式表 现出来的。根据所研究的对象如何估计它的模型结构，如何设计试验方法，以最大限 度地突出所需要的信息，并以比较明显的信号形式表现出来，这是测试工作的一部分。 由此可见，测试需要多种学科知识的综合运用，它是一项非常复杂的工作。当然，根 据所测任务的繁简和要求的不同，并不是每项测试工作都要经历相同的步骤。测试技 术是测量技术和试验技术的总称，依靠一定的科学技术手段定量地描述事物的状态变 化和特征。 从广义的角度来讲，测试技术涉及试验设计、模型试验、传感器、信号加工与处 理( 传输、加工和分析、处理) 、误差理论、控制工程、系统辨识和参数估计等内容； 从狭义的角度来讲，测试技术是指在选定激励方式下所进行的信号的检测、变换、处 理、显示、记录及电量输出的数据处理工作。在广大的物质世界中，面对众多的测试 对象和测试任务，被测的量千差万别、种类各异。但根据被测的物理量随时间变化的 特性，可将它们总体划分为静态量和动态量。所谓静态量是指那些静止的或缓慢变化 的物理量，因此对这些物理量的测试称为静态测试( 测量) ：相反，动态量是指随时 间快速变化的物理量，对其的测试相应地称为动态测试。测试工作的基本任务是通过 测试手段，对研究对象中的有关信息量作出比较客观、准确的描述，使人们对其有一 个恰当全面的认识，并达到进一步改造和控制研究对象的目的。研究对象所包含的信 息是相当丰富的，在实践中，我们是根据测试要求测出所感兴趣的有限的信息，而非 全部信息。测试信号是信息的载体，在实际的测试中，某些信息是可直接检测的，而 有些信息是不容易直接检测到，需通过对其相关的信息进行加工处理才能获得。一般 来说，测试工作总是采用最简捷的方法来获得与研究任务相联系的、最有用的、能表 征研究对象特征的有关信息，而不能也不需获得该事物的全部信息。 l 第一章绪论集总测量系统设计及织机机械量测量的实现 现代测试技术的一大特点是采用非电量电测方法，其测试结果通常是随时间变化 的电量，即非电量转变为电信号。在这些电信号中，包含我们所需的有用信息和不需 要的干扰信号，正因为不可避免的会存在干扰，这就给测试工作带来一定的难度，我 们需要从这些复杂的含有干扰的信号中提取有用的信息。但是应当指出的一点是，所 谓的“干扰 是相对的，在一种场合被认为是干扰信号，在另一种场合却可能是有用 信号。 测试的例子在生活中比比皆是，例如在纸张生产中对纸张厚度的检查既可采用厚 度检验仪对生产线上的纸张作分段抽样检测，也可采用传感器( 涡流或光电式传感器) 对纸张作连续检测，前者是抽样检查的静态测量，后者是连续过程的动态测试。在实 际测试中，应根据被测对象的性质和对测试的要求，选择合适的测试方法。 本文主要研究对动态量的测试，亦即动态测试的理论、方法和工程应用。 1 1 2 测试系统的一般组成 一般测试系统大体上可用图1 1 所示的原理框图来描述【l 】。 图l - l 测试系统原理框图 传感器是测试系统中的第一个环节，用于从被测对象获取有用的信息，并将其转 换为适合于测量的变量或信号。例如在测试物体的振动时，采用磁电式传感器，将物 体振动的位移或振动速度通过电磁感应原理转换成电压变化量，又如采用热敏电阻来 测温，此时温度的变化便被转换为电参数一电阻率的变化，亦可采用水银温度计作传 感器，将温度的变化转换为汞柱亦即位移的变化。由此可见，对于不同的被测物理量 要采用不同的传感器，这些传感器的作用原理所依据的物理效应也是千差万别。对于 一个具体的测试任务来说，第一步是能够有效地从被测对象取得能用于测试的信息， 故传感器在整个测试系统中的作用十分重要。 信号转换与调理部分是对从传感器所输出的信号作进一步的加工和处理，包括对 信号的转换放大、滤波、高电压衰减、储存、重放以及一些专门的信号处理。这是因 2 集总测量系统设计及织机机械量测量的实现第一章绪论 为从传感器出来的信号往往除有用信号外还夹杂有各种有害的干扰和噪声，因此在作 进一步处理之前必须将干扰和噪声滤除掉。另外，传感器的输出信号往往具有光、机、 电等多种形式，而对信号的后续处理往往都采取电的方式和手段，因而有时必须把传 感器的输出信号进一步转换为适宜于电路处理的电信号。通过信号的调理，最终希望 获得便于传输、显示和记录以及可作进一步后续处理的信号。 显示和记录部分是将调理和处理过的信号用便于人们观察和分析的介质和手段 进行记录或显示。 图1 1 中间三个方框构成测试系统的核心部分。但需要注意的是，被测对象和观 察者也是测试系统的组成部分，两者同传感器、信号调理部分以及数据显示与记录部 分一起构成了一个完整的测试系统。这是因为在用传感器从被测对象获取信号时，被 测对象通过不同的连接或耦合方式也对传感器产生影响和作用；同样，观察者通过自 身的行为和方式也直接或间接地影响着系统的传递特性。因此，在评估所设计的测试 系统的性能时应把这两个因素的影响考虑进去。 测试系统是用来测试被测信号的，被测信号经该系统的加工和处理之后在系统的 输出端以不同的形式被输出。系统的输出信号应该真实地反映原始被测信号，这样的 测试过程被称为“不失真测试”或“精确测试”。如何实现不失真测试? 所设计的测 试系统各部分应具备什么样的条件才能实现精确的测量? 这些均是本文所要研究和 探讨的问题。 1 i 3 测试技术的发展趋势 现代测试技术既是促进科学技术发展的重要技术手段，也是科学技术发展的结 果。现代科技的发展不断地对测试技术提出更新、更高的要求，从而推动测试技术的 发展。另一方面，测试技术也不断地吸取其它技术领域( 如物理学、化学、生物学、 微电子学、计算机科学等) 的新成就、新技术，开发出新的测试方法和测试装置。近 年来，测试技术在以下几个方面的发展尤为突出1 2 1 。 ( 1 ) 利用新原理制成的各种新型传感器层出不穷，可测试对象迅速增多 传感器是实现测试、获取信息的基础，只有拥有多样、性能优良的传感器，才能 适应各种各样的被测对象、测试精度及动态特性等测试要求。 第一章绪论集总测量系统设计及织机机械量测量的实现 ( 2 ) 测试装置中的电路设计得到迅速改进 在测试装置的电路设计中，广泛采用集成运算放大器和其它各种集成电路，大大 改善测试装置的特性( 负载效应、非线性误差、漂移、功耗、干扰等) ，简化了测试 装置的组成，促进测试装置的小型化。 ( 3 ) 多参量测试系统 进年来出现了各种廉价的传感器和实时处理装置，多参量测试系统得到迅速发 展。多参量测试系统可以同时对多个参量进行测试，是自动化过程控制系统必不可少 的装置。 ( 4 ) 信息技术得到广泛应用 应用计算机进行信号的采集、分析与处理，使测试技术产生巨大变化，大幅度提 高了测试系统的精确度、测试能力和测试效率，实现了测试仪器的智能化。现代测试 技术中应用了许多新的分析方法和手段( 如各种快速傅立叶变换算法、各种可实现高 速信号处理的芯片，采集板卡) ，使测试系统具有实时分析、记忆、逻辑决断、自校 准、自适应控制和某些补偿能力。 虚拟仪器技术是近年来随着计算机技术的发展而在测试技术领域引发的一场技 术革命。虚拟仪器是在通用计算机上，借助于专门的虚拟仪器开发软件( 如 l a b w i n d o w 北v i 、l a b v i e w ) ，辅之以少量的硬件，就可根据用户的需要设计仪器的 功能，用户可方便地在图形化界面上对仪器进行操作。虚拟仪器还可以用软件实现传 统仪器靠硬件才能实现的功能，以及某些传统仪器所不能实现的功能。“软件就是仪 器 是虚拟仪器的理念。虚拟仪器可实现并扩展了传统仪器的功能，可以充分利用计 算机强大的计算处理、显示、传送、存储等功能，具有开发周期短、成本低、易于维 护和升级等诸多特点，已成为当今测试仪器的主要发展方向。目前，虚拟仪器在发达 国家已经十分普及，在国内也已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统【3 】。据国内 专家预测，未来几年内，我国将有大量的仪器为虚拟仪器【4 】。 网络技术在测试技术中的应用也越来越广泛，人们可以通过i n t e r n e t 或局域网实 现数据交换与资源共享，可以在其他地方对现场工况进行监测，能够实现远程实时操 作、远程测量、远程数据采集、远程调试、远程故障诊断，从而构成遍布各处的分布 式测控网络。 4 集总测量系统设计及织机机械量测量的实现 第一章绪论 1 2 测试技术的发展方向 科学技术的飞速发展给测试技术注入了新的活力，现代电子技术，尤其是信息技 术的发展更推动测试技术的迅猛发展。同时，测试技术的发展又会促进新科技成果的 不断发现和创新。两者相辅相成。测试技术的发展方向大致有以下几个方面【l 】： ( 1 ) 测试的量程范围随着工程测试要求的提高而更加宽广 ( 2 ) 传感器向新型、微型、智能型发展 ( 3 ) 钡j j 试仪器向高精度和多功能方向发展 ( 4 ) 参数测量与数据处理向自动化发展 现代测试技术的发展离不开计算机技术，在许多测试系统中，正是由于使用了计 算机而使仪器的测量精度更高，功能更全。计算机技术的发展使测试技术产生了革命 性的变化。 本课题基于l a b w i n d o w s c v i 开发的集总测量系统就是通过购置低廉数据采集板 卡，并结合普通的个人计算机，利用普通计算机强大的数据处理分析能力，在计算机 的w i n d o w s x p 操作系统下安装虚拟仪器软件l a b w i n d w o s c v i ，在这样一个平台上， 根据本课题的集总测量实际测试要求设计类似于传统仪器的各种功能操作面板，同时 结合各种传感器实现对各种机械量的测量。简言之，一块采集卡、一台普通计算机构 成的硬件设备，个应用软件( l a b w i n d 、o s 陀) ，就方便快捷的形成一套实用测量 系统，而与传统测量中的仪器功能单一、体积庞大、笨重、不便携带，安装耗时，测 量精度不高等等相比，其优势是显而易见的。 1 3 虚拟仪器的发展及特点 电子测试仪器的发展经历了模拟仪器、分立元件式仪器、第三代数字化仪器，智 能仪器四代【5 1 。随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，测试技术与计算机深层次 的结合正引起测试仪器领域里一场新的革命。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，在许多方面已经突破了仪器的概念。电子测量仪 器的功能和作用发生了质的变化。在这种背景下，八十年代末美国成功研制出虚拟仪 器。 气 第一章绪论集总测量系统设计及织机机械量测量的实现 虚拟仪器技术( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ，v i ) 是2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初测控 技术领域出现的一项突破性进展。所谓虚拟仪器【6 】，就是在通用计算机为核心的硬件 平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪 器系统，其实质就是利用p c 机显示器的显示功能模拟传统仪器控制面板，利用p c 机强大的软件功能来实现信号数据的运算处理，利用i o 接口设备完成信号的采集、 测量，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。虚拟仪器技术是现代计算机技 术、通信技术和测量技术相结合的产物。它充分利用了计算机的运算、存储、回放显 示及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之 与计算机结合构成一台功能完全与传统硬件仪器相同，又充分享用了计算机软硬件资 源的全新仪器系统。 虚拟仪器的优点在于它是利用现有的计算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软 件，形成既有普通仪器的功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价新型仪器 【5 1 。它代替传统仪器，改变传统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，大幅 度降低仪器的价格，使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。它代表仪器发展的 最新方向和潮流。虚拟仪器的主要开发环境有b a s i c 、c 、v b 、d e l p h i 、l a b v i e w 和l a b w i n d o w s c v i 等等。其中b a s i c 和c ( 包括c + + ) 都是基于文本的传统编程 语言。目前流行的开发环境是具有良好用户界面图形的l a b v i e w 和 i a b w i n d o w s c v i 。 1 4 虚拟仪器技术在织机机械性能测试中的研究现状 随着虚拟仪器技术的进一步发展和完善，其应用领域逐渐拓宽，在工程测量中因 其方便快捷、精度高等优点，成为工程检测、数据采集等应用的首选。目前，利用虚 拟仪器软件并结合各种具备集成性的数据采集板卡，对各种工程量进行数据采集和测 试分析，譬如，温度控制、地震数据、气流流量、压力大小等等，文献报道比较多， 应用领域也越来越广泛。 对于纺织机械测试领域，其应用情况如何呢? 通过查阅相关文献资料发现：早期 对织机动态性能的测试方法多属于由仪器生产厂家定义仪器功能的传统方法，所需的 仪器和设备类型也比较多，使得现场测试和后续的数据处理极为不方便。另外，测试 6 集总测量系统设计及织机机械量测量的实现第一章绪论 的精度也受到很大程度的限制。最近几年，虚拟仪器技术被应用到织机机械性能测试 中，相继出现一些织机虚拟仪器测试系统【_ 7 咧。但应用n i 技术对织机机械性能进行测 试与分析，因其研究领域的具体且特定，涉及领域只是纺织机械这个较小的范围，故 文献并不多，鲜有报道。且这些文献中对织机性能测量大部分都停留在数据采集阶段， 也就是说，利用虚拟仪器取代能对织机机械量进行测量的传统设备，实现各机械量数 据的准确采集获取，而对这些数据进行进一步的分析处理的设计的研究文献就很少， 就是有，也只是频域中的频谱分析，仅此而矣。例如：在文【8 中，对织机性能测试 的机械量比较全面( 包括有送经量、织机主轴回转不匀率、综框运动量、经纱纬纱张 力、筘座运动、织机启动制动角、纬纱飞行时间、打纬力、织机振动、喷嘴工作压力) ， 但对采集获得的原始数据，后续的深入分析处理涉及则较少。在本文中，和这些文献 研究步骤一样，由于测试测量首先要获取第一手原始数据，故数据采集设计是首要的， 也是必不可少的。但本文不局限于此，信号数据分析处理设计开发也是很有必要的， 且是值得深入研究探讨的。现有可查知的文献资料中，利用虚拟仪器技术对纺织机械 量采集到的原始数据进行后续细处理的模块系统设计并不多，故这也就成为本课题值 得研究，有所突破之处。 1 5 课题来源、背景及意义 1 5 1 课题来源及背景 本课题属江苏省重大科技成果转化项目的一个子课题，以织机为背景，重点以织 机回转不匀率为测试量进行机械量测量，织机运行时，由于织机内部各机构能量相互 转化的结果，在织机主轴每一回转中，其角速度( 即转速) 产生很大变化，在某个瞬 时快，而在另一瞬时又慢，这种动态特性称为织机主轴回转不均匀性，一般用回转不 匀率万来表示【1 0 1 。主轴回转不匀率的值过大将造成诸多不利，如会引起很大的动力载 荷，产生振动，降低机械效率，加剧运动副的磨损而影响织机使用寿命。织机的回转 不匀对织造工艺有较大的影响，故需较好控制该巧值。因此，主轴回转不匀率的测定 是织造生产和科研中的一个重要手段，在织机的制造过程中，样机的万值测试就是一 项重要工作。 7 第一章绪论集总测量系统设计及织机机械量测量的实现 本文以此为工程背景，以这个具体的工程测试对象为入手点，设计数据采集模块 测量系统，利用主轴转速传感器，通过动态测试，获取动态曲线和经过数据处理，得 出回转不匀率的值，并分析出产生回转不匀率的主要原因和提出改进措施，确定织机 正常工作的6 值范围。当然，本文所述的织机主轴转速只是一个具体的工程测试对象， 在后续的章节中将提到的利用虚拟仪器软件l a b w i n d o w s c v i 所设计的数据采集仪， 其具有通用性，其作为一台虚拟仪器，还可测试其它各种工程量。本课题同时设计了 信号处理分析模块，就是在成功设计了数据采集模块并实现了对各种机械量的实时数 据采集并保存了这些数据的基础上，能够实现对这些原始数据的进一步分析处理，譬 如时域分析、频域分析等等，这些在下面各章节中会有具体的阐述。通用型的数据采 集仪( 数据采集模块系统) 、信号处理分析模块、不同机械量测量所对应的传感器、 在普通计算机这样一个硬件平台下就构成了本课题的集总测量系统，如图1 2 所示。 1 5 2 课题意义 图l - 2 集总测量系统简要框图 就本文设计的虚拟仪器测量系统与传统测量系统比较而言，针对本课题特点，将 虚拟仪器技术引入到纺织机械的测量中，从而研制出基于l a b w i n d o w s c v i 软件平台 的集总测量虚拟仪器系统，其意义如下【5 j ： ( 1 ) 虚拟仪器的多仪器面板能满足多功能的测量要求。 ( 2 ) 利用虚拟仪器良好的人机交互性能，以及在线帮助功能使测量具有很大的灵 活性，操作更加方便简单。将测量所得到的数据值以图形数字的形式显示出来，使测 量分析结果更加直观。 8 集总测量系统设计及织机机械量测量的实现第一章绪论 ( 3 ) 随着工程测试要求的进一步提高和计算机网络发展，虚拟仪器还能容易满足 今后功能扩展和网络互联的需要。 ( 4 ) 一套成熟的智能信号数据采集仪器价格昂贵，而利用虚拟仪器开发软件配合 低价位的采集板卡也能实现同样的测试功能，达到同样的精确测量，这就意味着大大 节约了资金，而且，相比于传统测试仪器，其重量轻，体积小，便于携带。 就本文设计的测量系统所指向的具体工程测试背景而言，本课题设计的集总测量 具体测试对象是纺织机械量，我国是一个纺织大国，织机性能的优劣直接影响纺织品 质量的提高，如不加大研发力度，提高织机的技术含量，显然会在未来的国际市场竞 争中失去立足之地。开发具有自主知识产权的高性能织机，以减小国产织机与世界先 进织机的差距，提高自身产品的技术含量和市场竞争力，无疑对摆脱高档织机依赖进 口的困局具有很大的益处。另外，对纺织企业而言，提高织机的技术含量，将使企业 取得更好的效益。因此，本课题针对纺织机械的集总测量系统设计及研究，实验所获 得的原始数据资料能够为开发纺机的工程人员进一步改进织机性能、自主研发设计新 型织机有所帮助。文中所采用的测试技术和所设计的测试方案，也可为纺织院校和科 研部门从事纺织机械研究工作有所借鉴。 1 6 本文研究的主要目的和内容 通过1 1 、1 2 、1 3 、1 4 、1 5 节的研究综述发现：我国纺织机械面临越来越激 烈的国际竞争，织机的研制技术亟待提高；运用虚拟仪器技术和非电量电测技术对 织机机械性能测试，前景光明；以虚拟仪器软件开发平台设计数据采集系统是首要 的，但开发设计信号数据的后处理系统却也很有必要，因为深入开发，对织机机械量 动态特性有深入细致的分析处理十分有益；因鲜有文献对纺织机械测试有较全面深 入研究，开发集总测量系统对今后织机性能的进一步提高和改善，大有裨益。本文尝 试着做一些基础性工作，希望能对织机性能提高有所帮助。 本文的主要工作及章节内容的安排如下： 第一章首先概述了测试技术的发展概况，测试系统的一般组成，并简要阐述了测 试测量技术的发展趋势以及发展方向。重点叙述了什么是虚拟仪器，虚拟仪器的特点 以及其发展情况。简述本文的研究背景和意义，通过对相关课题的研究进展、研究成 9 第一章绪论 集总测量系统设计及织机机械量测量的实现 果进行分析、总结，确定本文的研究目的和内容。 第二章在l a b w i n d o w s c v i 环境下集总测量系统的开发，首先简介虚拟仪器的组 成、开发环境以及软件平台l a b w i n d o w s c v i 的概述，其次是将虚拟仪器和传统仪器 进行了比较，通过比较突出虚拟仪器的优势。然后详述了连续信号的数字化处理原理， 其中包括采样定理、采集信号时“频率混叠”现象。在此理论支持基础上，最后进行 两大模块的设计：数据采集模块设计和信号处理分析模块设计。数据采集模块设计中 包括：操作前面板设计、后台运行程序设计以及采集到的数据的存储设计。而信号处 理分析模块设计包括：时域处理、频域处理、加窗处理、滤波处理四大模块的设计。 本章是全篇的重点之一，而两大模块的设计无疑是本章的核心。 第三章在前一章集总测量系统开发完善的基础上，作者利用设计的数据采集仪和 信号处理分析模块进行各种纺织机械量的动态测试实验。每个实验均在采集到原始信 号数据的基础上对数据进行各种分析处理，从中获取测量所要求的有用信息。 第四章总结全文的主要工作，指出本文的创新点以及存在的不足，为进一步完善 这方面的工作提出建议。 1 7 本章小结 测试是测量与试验的概括，通常分为静态测试与动态测试【2 】。在许多场合，测试 工作的目的不仅仅是获取被测对象的量值，更重要的是从测试信号中提取其它一些有 用信息，作为对被测对象进行工况分析，故障诊断，实时监控的技术依据。测试系统 一般由传感器、信号调理电路、显示记录装置三个基本部分组成。传感器的作用是感 受被测量并将其转换成对应的电量或电参数；信号调理电路的作用是对传感器转换输 出的电信号做放大、调制解调、滤波等进一步的处理，使之能适应后续显示记录装置 或计算机系统的输入要求；显示记录装置的作用则是对测试信号进行显示、记录、分 析。 本课题的完成除了需要坚实的理论基础外，强大的软件工具支持是本测试系统的 核心。其中检测原理基础知识为课题方案确定提供了理论基础，模拟信号的数字化处 理原理、采样定理等为数据采集模块设计提供了理论基础，频谱分析理论等为课题提 供了信号处理、数据分析的理论基础。然而，只拥有理论知识是不够的，还需要强大 l o 集总测量系统设计及织机机械量测量的实现 第一章绪论 的软件工具支持这些理论去实现、完成整个测试系统功能。而再强大的工具如果没有 理论作基础，也是无法显示其功能的。因此，理论基础和软件工具二者缺不可，只 有将它们很好的结合才能顺利完成本课题任务。 第二章集总测量系统开发 集总测量系统设计及织机机械量测量的实现 第二章集总测量系统开发 v i 是计算机技术、仪器技术和通信技术相结合的产物，它的产生为现代仪器技 术掀开了崭新的一页。虚拟仪器的目的是利用计算机强大资源使硬件技术软件化，分 立元件模块化，降低程序开发的复杂程度，增强系统的功能和灵活性。 本文将虚拟仪器技术引入到集总测量系统中，从而开发出基于l a b w i n d o w s c v i 环境下的集总测量虚拟仪器系统。该系统主要包括各种传感器检测硬件电路，数据采 集卡p c i 9 11 2 ，以及装有虚拟仪器开发语言l a b w i n d o w s c v i 的p c 机三大部分，整 个系统框图如图2 1 所示。本测量系统采用p c d a q 虚拟系统方式，此方式是由数据 采集板，信号调理电路以及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。 p c d a q 系统采用p c i 或i s a 计算机本身的总线，将数据采集卡插入计算机空槽中。 本章以下将对集总测量虚拟仪器系统开发设计做详细阐述。 2 1 虚拟仪器技术简介 图2 1 集总测量虚拟仪器系统框图 虚拟仪器由计算机、应用软件和仪器硬件组成。虚拟仪器系统将仪器硬件搭载到 计算机平台上，并辅以相应软件构成【l 。本课题中，就是采用a d l i n k 公司p c i 9 11 2 多功能数据采集卡插入p c 机空槽中，利用l a b w i n d o w s c v l 编程实现数据采集及信 号处理等功能。在后续章节中将详述之。由上所述，虚拟仪器基于计算机而形成软硬 件结合的测试平台能够代替传统的测量仪器，集多种测试功能于一体，避免了传统的 单个仪器单一功能的不足，它通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机融合，把计 1 2 集总测量系统设计及织机机械量测量的实现第二章集总测量系统开发 算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量控制能力结合，并通过软件实现对数据的 显示、存储以及分析处理功能。 2 1 1 虚拟仪器组成 虚拟仪器的构成方式主要有卞面5 种类型，如图2 - 2 所示1 6 。 一p c - d a q 系卜 一卯i b 黝 i 被测信号 。iv x i 系统 p c 机( l a b w i n d o w s c v i r i 软件) 一豚啄统| 一一j 串口系统 l r i o 接口设备 图2 - 2 虚拟仪器的构成框图 由虚拟仪器组成的三大部分( 计算机、应用软件和仪器硬件) ，我们可看出：使 用虚拟仪器的计算机是整个系统的关键因素，计算机性能的好坏直接影响虚拟仪器功 能的实现与提高。五种构成方式的硬件平台组成如表2 1 所示。 表2 1 五种类型硬件平台组成 痞巡 硬件平台组成 p c d a q 系统 数据采集板、信号调理电路、计算机( 插卡式虚拟仪器系统) g p i b 系统g p i b 标准总线仪器、计算机 v x l 系统v x l 标准总线仪器模块、计算机 p x i 系统p x i 标准总线仪器模块、计算机 串口系统s e r i a l 标准总线仪器、计算机 第二章集总测量系统开发集总测量系统设计及织机机械量测量的实现 计算机管理着虚拟仪器的软硬件资源，是虚拟仪器硬件平台的核心，无论上述哪 种虚拟仪器系统，都是通过应用软件与通用计算机相结合，其中，p c d a q 系统是构 成虚拟仪器最基本的方式，也是最廉价的方式。本文就采用此类系统。从而实现了集 总测量的开发设计。 2 1 2 虚拟仪器开发环境 在虚拟仪器的组成中，作为灵魂的应用软件开发环境是开发虚拟仪器所必需的软 件工具。目前，较流行的虚拟仪器软件开发工具有两类：一类是文本式编程语言，如 v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、l a b w i n d o w s c v i 等，另一类是图形化编程语言，如 l a b v i e w 、h p v e e 等。文本式编程语言具有编程灵活、运行速度快等特点。图形化 编程语言具有编程简单、直观、开发效率高的特点。本课题利用l a b w i n d o w s c v i 编 程语言进行虚拟仪器设计和开发。下面简介l a b w i n d o w s c v i 。 2 1 3l a b w i n d o w s c v i 简介 虚拟仪器编程语言l a b w i n d o w s c v i 是n i 公司开发的3 2 位、面向计算机测控领 域的交互式c 语言软件，可在多种操作系统下运行。它以a n s i c 为核心，将功能 强大、使用灵活的c 语言与数据采集、分析和表达等测控专业工具有机地结合起来。 它的集成化开发、交互式编程方法、丰富的功能面板和库函数大大增强c 语言功能， 为熟悉c 语言的开发人员开发检测、数据采集、过程监控等系统提供了一个理想的 软件开发环境。值得一提的是l a b w i n d o w s c v i 的强大之处在于其丰富的库函数，这 些库几乎涵盖所有数据处理各阶段的函数和仪器控制系统的函数。而这些库函数的使 用在本章的信号处理分析模块程序设计中就得到了很好的体现，正因为如此，采用 l a b w i n d o w s c v i 开发集总测量系统，可实现的测试功能更加全面多样，对工程测试 来讲，具备通用性，实用性，功能的全面性。而这也从某个层面上体现和说明了本课 题开发的集总测量系统所具备的可靠性和通用性。 14 集总测量系统设计及织机机械量测量的实现 第二章集总测量系统开发 2 1 4 虚拟仪器与传统仪器的比较 表2 2 虚拟仪器与传统仪器比较 虚拟仪器 传统仪器 共享计算机硬件资源备仪器贫源卜口j 哭孚 功能由用户自行设计，自行定义 功z 日- 匕g 由厂家定义 功能灵活开放，易与其它外设、网络相连功能单一确定，与其它设备连接受限 软件是关键，决定仪器功能硬件是关键 功能灵活，扩展性强，技术更新快功能固定，卜口j 更改，扩展住低，技术史新 慢 虚拟仪器与传统仪器比较，见表2 - 2 ，此表中的比较只是列举了主要的几个方面， 总体而言，虚拟仪器实现t n 量仪器的智能化、多样化、模块化和网络化，体现出多 功能、低成本、应用灵活、操作方便等优点。同传统仪器相比，虚拟仪器功能更强， 使用更灵活，在很多领域有取代传统仪器之趋势。 2 2a d l in k p c i - 9 11 2 数据采集卡简介 本系统选用a d l i n k 公司1 6 通道1 2 位多功能数据采集卡p c i 9 1 1 2 ，可以直接 插入到p c 机总线扩展槽中，它是本集总测量虚拟仪器系统中的i o 接口设备，它是 整个数据采集系统的核心和关键硬件，没有它则无法实现对传感器输送来的电信号进 行采集，无法得到原始信号数据量，也就无法进行后续计算机处理，它是被测电信号 进入计算机的桥梁。 p c i 9 1 1 2 是款性价比较高的实用型数据采集卡【眩j ，采样频率最高可达1 1 0 k h z ， 增益可编程，总线主控d m a 功能确保信号的实时不间断采集，具备1 6 路单端或8 路差分模拟量输入，既支持双极性又允许单极性信号的输入，卡上带有a df i f o ， 具有通道自动扫描功能选择。此外，它有