譚延軍，聶友偉

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽 110032;2.沈陽軍區(qū)65042部隊(duì)，沈陽 110035)

1 引言

1.1 虛擬儀器系統(tǒng)

虛擬儀器(VI)是指通過應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)與功能化模塊結(jié)合起來，通過圖形界面操作計(jì)算機(jī)，就像操作自己設(shè)計(jì)的儀器一樣，從而完成數(shù)據(jù)采集、分析、處理、顯示、存儲和打印。

虛擬儀器的突出優(yōu)點(diǎn)是不僅可以利用PC組建成為靈活的虛擬儀器，還可以通過各種不同的接口總線，組建不同規(guī)模的自動(dòng)測試系統(tǒng)，因此具有定制面板、定制功能、研發(fā)成本低、研發(fā)周期短、儀器升級與計(jì)算機(jī)同步、儀器開放靈活，方便與網(wǎng)絡(luò)及周邊設(shè)備互聯(lián)等優(yōu)點(diǎn)。虛擬儀器分類有多種，一般以計(jì)算機(jī)及其總線控制方式不同，分為下述5類:

(1)PC－DAQ插卡式虛擬儀器

(2)并行口式虛擬儀器

(3)GPIB總線方式虛擬儀器

(4)VXI總線方式虛擬儀器

(5)PXI總線方式虛擬儀器

1.2 LabVIEW開發(fā)系統(tǒng)

LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的簡稱，是美國國家儀器公司(NATIONAL INSTRUMENT，簡稱NI)的創(chuàng)新軟件平臺，又稱為G語言。

LabVIEW被廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)，包括汽車、半導(dǎo)體、航空航天、交通運(yùn)輸、電信、生物工程等領(lǐng)域。它的功能非常強(qiáng)大，可擴(kuò)展函數(shù)庫和子程序庫，可方便地調(diào)用Windwos動(dòng)態(tài)鏈接庫和自定義的庫函數(shù)，內(nèi)置了用于GPIB設(shè)備控制、VXI總線控制、串口控制，以及數(shù)據(jù)分析、顯示和存儲等的應(yīng)用模塊。對大數(shù)據(jù)塊解析而言，它支持DDE和SQL，對數(shù)據(jù)傳輸而言，它支持TCP/IP和PDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。從本質(zhì)上講，它在宏觀上已經(jīng)不再是傳統(tǒng)的馮·諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的執(zhí)行方式了，而是一種帶有圖形控制流結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流模式。因此，LabVIEW的程序是數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的，編程人員可以通過相互連接功能方框圖快速簡潔的開發(fā)應(yīng)用程序，甚至可以有多個(gè)數(shù)據(jù)通道同步運(yùn)行。

本文充分運(yùn)用了LabVIEW編程的這些優(yōu)點(diǎn)，以驅(qū)動(dòng)串口為例，設(shè)計(jì)一款伺服電機(jī)控制器，通過控制電流和轉(zhuǎn)速，讀取電機(jī)扭矩值，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的全功能測試。最后將設(shè)計(jì)的虛擬儀器實(shí)際用于控制ABB公司的伺服控制器和BSM系列電機(jī)中，取得了很好的效果。目前這款虛擬儀器已經(jīng)成功運(yùn)行在某大型儀器設(shè)備上。

2 LabVIEW串口編程

2.1 串口編程控制方式

LabVIEW的串口控制，可以通過多種方法實(shí)現(xiàn)。

(1)最基本的IN OUT控制。LabVIEW提供了In Port和Out Port兩個(gè)基本輸入輸出VI，通過它就可以直接讀寫寄存器，對于計(jì)算機(jī)的COM1，它的端口地址是0X3F8，完全可以通過它來完成串口通訊。

(2)利用API的WriteFile函數(shù)實(shí)現(xiàn)串口通訊，這是VC進(jìn)行串口通訊的方法。

(3)利用VB提供的MSCOMM控件(這是目前用的最多的，它支持查詢和中斷兩種模式，既可以發(fā)送文本型數(shù)據(jù)(ASCII)，也可以發(fā)送二進(jìn)制(BIN，實(shí)際是BYTE ARRAY)。

(4)利用LabVIEW特有的VISA通訊。下面采用的通訊模式是VISA通訊。

2.2 LabVIEW中的VISA通訊

LabVIEW用于串行通訊的節(jié)點(diǎn)為VISA節(jié)點(diǎn)，打開LabVIEW程序選項(xiàng)，選擇VISA子選板，包括8個(gè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)配置串口、串口寫入、串口讀取、關(guān)閉串口、監(jiān)測串口緩沖區(qū)等。如圖1所示。

圖1 打開并配置串口節(jié)點(diǎn)

基于此節(jié)點(diǎn)的串口通訊框圖程序如圖2所示。

圖2 串口通訊程序

通過圖2可以看出，LabVIEW的編程是非常直觀簡單的，使用內(nèi)置的節(jié)點(diǎn)和函數(shù)，甚至不用寫一行代碼，開發(fā)人員可以把節(jié)省的很多精力用于虛擬儀器的設(shè)計(jì)及儀器功能的完善上。

3 利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)虛擬儀器系統(tǒng)

3.1 虛擬儀器功能介紹

本文要實(shí)現(xiàn)的虛擬儀器是測量水泥漿的稠度和靜膠凝強(qiáng)度，為此需要直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)盛放泥漿樣品漿筒內(nèi)的旋轉(zhuǎn)槳葉，通過測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)電流，計(jì)算出槳葉的扭矩和剪切力，從而計(jì)算出泥漿樣品的稠度和靜膠凝強(qiáng)度。

基于LabVIEW平臺，設(shè)計(jì)的虛擬儀器如圖3所示。

圖3 虛擬儀器面板功能圖

3.2 虛擬儀器功能實(shí)現(xiàn)

以靜膠凝強(qiáng)度測試為例，儀器實(shí)現(xiàn)的主要功能有:

(1)膠凝強(qiáng)度初始化標(biāo)定

相當(dāng)于儀器校準(zhǔn)，在設(shè)備開始測試數(shù)據(jù)前，標(biāo)定基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以此作為后續(xù)測量的基準(zhǔn)值。標(biāo)定過程通過在漿筒上加掛不同重量的砝碼，在恒定轉(zhuǎn)速下，測試驅(qū)動(dòng)電流和扭矩。測試值通過濾波、降噪處理后保存在標(biāo)定文件中。

(2)膠凝強(qiáng)度測試

完成儀器的初始化標(biāo)定后，漿筒中裝入固定容積的泥漿(792ml)，首先設(shè)定電機(jī)高轉(zhuǎn)速，測量泥漿的驅(qū)動(dòng)電流和扭矩，此時(shí)得出的泥漿特性值為稠度值。在稠度升到一定值后，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入低轉(zhuǎn)速，此時(shí)測得的泥漿特性值為真實(shí)的膠凝強(qiáng)度值，經(jīng)過整形濾波降噪處理，該值以曲線形式顯示在示波器上，數(shù)值保存在計(jì)算機(jī)。根據(jù)泥漿體系配方的不同，整個(gè)測量過程需要幾個(gè)小時(shí)。測量達(dá)到預(yù)定值后，系統(tǒng)自動(dòng)停止。

4 虛擬儀器功能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的虛擬儀器功能，我們加載ABB公司的伺服電機(jī)控制器 Microflex_e100，電機(jī)采用BSM50N－133ABX，驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)的通訊接口采用BISS接口，控制器與計(jì)算機(jī)接口為USB。以此為原型設(shè)備，測量泥漿的稠度和膠凝強(qiáng)度，比較數(shù)值見表1所示。

從表1可以看出，在采用相同的濾波和降噪方式下，膠凝強(qiáng)度值在虛擬儀器和原型機(jī)上反映的數(shù)值吻合的非常好，這就充分驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的虛擬儀器完全滿足了原型機(jī)的功能需求。目前，該儀器已成功應(yīng)用于某大型數(shù)字采集設(shè)備中。

表1 測量泥漿的稠度和膠凝強(qiáng)度數(shù)值對比表

5 結(jié) 束 語

結(jié)合ABB公司的伺服控制器和電機(jī)，采用LabVIEW平臺開發(fā)具有定制復(fù)雜功能的虛擬儀器，開發(fā)周期短，儀器設(shè)計(jì)成本低，易于功能拓展。通過本文的成功實(shí)踐，證明了采用LabVIEW開發(fā)虛擬儀器的極大優(yōu)越性。

［1］胡仁喜，高海賓.LabVIEW 2010虛擬儀器從入門到精通［M］.北京 機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［2］Baldor Comp.Microflex e100 Servo Drive Installation Manul［DB/OL］.http://www.baldor.com/support/Literature/Load.ashx/MN1942?ManNumber=MN1942.

［3］ABB Comp.MINT Basic Programming ［DB/OL ］.http://www.baldor.com/support/Literature/Load.ashx/MN1955WEN?ManNumber=MN1955WEN.