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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 VISA9

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 Wright158

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 Interface271

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VI282

13.1.1 创建前面板282

13.1.2 创建程序框图283

13.2 编辑VI285

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VI293

13.3.1 运行VI293

13.3.2 调试VI294

13.4 子VI296

13.4.1 子VI创建296

13.4.2 调用子VI297

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