基于虚拟仪器的模拟加载测试系统设计.pdf

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1、于虚拟仪器的模拟加载测试系统设计 I I 】【 1 1 1 2 国内外研究现状和发展趋势1 1 2 1 加载测试系统的研究现状。1 1 2 2 虚拟仪器的研究现状4 1 3 任务的来源和主要技术指标5 1 4 论文的主要工作及内容安排5 2 加载测试系统的总体设计方案7 2 1 技术方案一7 2 2 随动系统负载特性的分析斌7 2 2 1 摩擦力矩：7 2 2 2 不平衡力矩8 2 2 3 干扰力矩。囊9 2 3L a b V I E W 和各总线的集成实现测试系统分析、比较1 0 2 4 加载测试系统总体设计方案1 2 2 5 加载测试系统的上位机设计点1 3 2 6 加载控制器的设计1 4

2、 2 7 本章小结。15 3 基于虚拟仪器软件的上位机设计l7 3 1 上位机硬件的设计1 7 3 2 上位机软件的设计1 9 3 2 1 程序设计的流程图1 9 3 2 2 上位机软件的功能2 0 3 2 3 典型加载波形的产生。2 0 3 3 串口通信的实现3 2 3 3 1L a b V I E W 中串口通信功能函数3 2 3 3 2L a b V I E W 串口通信的步骤3 3 3 4 本章小结3 4 4 加载控制器的设计3 5 4 1T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 最小系统的设计3 5 I I I 目录 硕士论文 4 1 1T M S 3 2 0 L F 2

3、4 0 7 A 电源的设计3 6 4 1 2 时钟电路设计3 7 4 1 3 复位电路设计。3 8 4 1 4J T A G 仿真模块3 8 4 1 5 外部存储器设计3 9 4 2 串口通信模块4 0 4 3 光电隔离模块4 2 4 4 信号调理模块4 3 4 5 加载控制器的软件设计4 4 5 调试结果分析4 7 5 1 系统输出测试4 7 5 1 1 摩擦力矩( 静阻力矩) 的测试一4 8 5 1 2 正弦波测试4 9 5 1 3 单向三角波测试。5 2 5 1 4 单向矩形波的测试5 4 5 1 5 双向矩形波的测试5 6 5 1 6 双向三角波的测试。5 8 5 2 系统加载测试6

4、0 5 2 1 系统在斜坡3 0 0 s 时的响应6 0 5 2 2 系统正弦信号的响应6 1 5 3 本章小结6 2 6 总结与展望6 3 6 1 总结6 3 6 2 展望6 4 致谢6 5 参考文献6 7 I V 修过程中对这些设备的性能参数进行测试已经成为一个必不可少的环节【l J 。诸如 高精度，快速响应在随动系统的研制过程中就是两个非常重要的参数I z J 。随动系 统在工作的过程中，转动惯量、摩擦力矩和冲击力矩的变化对系统跟踪精度、跟 踪速度以及稳定性都有着不可忽视的影响。因此，模拟实际转动的转动惯量、摩 擦力矩以及冲击力矩对系统跟踪速度和精度的影响，为随动系统的研发提供实验 数据

5、，能够有效地提高随动系统的性能。 目前国内已经有很多高校和研究所都在从事模拟加载系统的研究。比如西北 工业大学对电动伺服加载系统控制方法的研究、哈尔滨工业大学对旋转舵机电动 式自动化加载测试系统的研究【3 】、南京航空航天大学对发动机模拟加载测试台架 的研究【4 】，以及航天二院、航天三院对模拟加载系统的研究。这些研究为后续对 加载系统的研究提供了很宝贵的数据和经验。以前很多加载系统的上位机软件都 是基于传统语言设计完成的，如V i s u a lC + + 、V i s u a lB a s i c 等，这类开发语言应用 比较广，但是开发测试工程软件难度大，周期长、费用高。本文采用了虚拟仪器

6、 软件作为系统的软件开发平台，它具有编程效率高、通用性强、交叉平台互换性 好等特点。 针对北京某研究所的横向研究课题，本文进行了基于虚拟仪器的模拟加载测 试系统的研制，主要用于对随动系统动静态负载模拟试验和随动系统的性能测 试，能够方便地完成随动系统在实验室条件下的调试、检修和维护工作。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 1 2 1 加载测试系统的研究现状 加载测试系统：是在实验室条件下，模拟随动系统在实际转动过程中所受真 实载荷的加载试验装置，在工程领域通常又被称为负载模拟器p J 。 近几十年来，各类研发人员为了随动系统在实际工作过程中的性能有更好表 现，在模拟加载的研制方面投入了大量的人

7、力、物力。综合目前所用的模拟加载 方式，大致有直流发电机加载、磁粉离合器加载、电液伺服加载和电动伺服加载 四种加载方式1 6 , 7 , 8 】。 l 绪论硕士论文 ( 1 ) 直流发电机加载 对于直流发电机的加载方式，力矩M = C M O l a ，其主要工作原理是通过改 变滑线变阻器阻值去改变电枢电流屹的大小，继而可以改变加载力矩M 的大 小。在实际的加载过程中，由于滑线变阻器长时间流经电流会产生巨大的热量， 而且变阻箱体积比较大、很笨重，这都给具体的加载增N T 难度【9 】。而且对于负 载力矩时有时无，时正时负【l0 1 ，周期性等复杂的力矩加载环境，直流发电机的加 载方式就无法模拟

8、了。 ( 2 ) 磁粉离合器加载 磁粉离合器加载方式结构非常简单，而且响应快。加载时具有振动小、噪音 小等特点。图1 1 为磁粉离合器示意图，它是基于电磁原理设计的，通过磁粉来 传递力矩，改变激磁电流值的大小就可以实现力矩的大小的变化【1 1 , 1 2 】。在额定转 矩的5 到1 0 的范围内，激磁电流和传递的力矩可以保持线性关系，因此加载 的精度不是很高。磁粉离合器加载不能实现在正反加载过程中的快速响应，只适 合单向加载和一般情况下的力矩模拟【1 3 1 。此外，由于在运输过程中或放置时间 过长可能导致在两组单元之间填有的磁粉散落一边，这时就会出现“卡死”现 象，操作起来很不方便【1 4

9、】。 图1 1 磁粉离合器 ( 3 ) 电液伺服加载 电液伺服加载能实现连续的加载，具有频带宽、力矩输出大等优点。但是它 也有体积比较大、结构复杂、造价高等缺点，而且由于电液伺服自身结构的原因 还会出现多余力矩的问题，当多余力矩的值较大时会严重影响实际加载的精确 性。 在国外，已经有很多著名的公司都展开了对电液伺服加载的研究，其中杰出 代表有美国的B O E I N G 公司、C A R C O 公司和瑞士的C O N 删E S 公司，它们 都相继推出了自己的产品【l5 1 。B O E I N G 公司研制出C S A L 型导弹舵面空气动力 舵力矩负载模拟器【1 6 】；C A R C O

10、 公司研发的S 5 系列四轴空气动力负载模拟器， 共有七个型号【1 7 】：瑞士的C O N T R A V E S 公司也研制出A D F L 2 型导弹空气动力舵 机负载模拟器。 从7 0 年代开始，国内的高校和研究所对电液模拟加载也展开了大量的理论 2 硕士论文基于虚拟仪器的模拟加载测试系统设计 研究和实际的研制工作并取得了一定的研究成果。应航天部二院要求，北京航空 航天大学在1 9 9 0 年为其研制了一台Y C K - I 型导弹空气动力负载模拟器【l 列；哈尔 滨工业大学机械工程系对克服多余力矩也进行了大量的理论分析和实验研究I l 州； 在1 9 8 8 年洛阳0 1 4 中心自

11、行研制了一台导弹舵面空气动力负载模拟器【2 训。目前 电液伺服加载方式已经被广泛的应用。 ( 4 ) 电动伺服加载 2 0 世纪8 0 年代以来，随着集成电路、电力电子技术、电机的发展，使得电 动伺服加载成为可能【2 l 】。电动伺服加载具有响应快、速度高、输出力矩稳定等特 点。而且电动伺服加载可以输出很小的力矩，小信号跟踪能力强、加载精度高。 图1 2 为电动伺服加载的结构图。 被加 可 厂飞 H丁r 卜_ 一_ 口卜h 叫 J _ 一苎卜一一 一卜 气广 | 载对象 联结法兰 力矩传感器 加载电机 图1 2 电动伺服加载结构图 图1 2 右侧的加载电机一般选用力矩电机，左侧的被加载对象一般

12、由伺服电 机和减速箱构成，两者在机械上同轴相连。在实际的加载过程中，被加载对象做 主动运动，加载电机一边跟随被加载对象转动，一边完成力矩的加载任务【2 2 。可 以看出，被加载对象也就是所谓的伺服系统和加载电机组成的模拟加载系统是相 互影响的两个系统。这也是电动伺服加载区别于其它伺服加载的一个重要方面 【2 3 】 o 电动伺服加载在国内的研究还处于起步阶段。其中哈尔滨工业大学的王明彦 展开了对基于迭代学习控制的电动负载模拟器的研究【2 4 】；西北工业大学的张举中 在电动伺服加载控制方法的研究【2 5 】一文中提出了位置伺服系统电流补偿法去解 决伺服加载系统多余力矩的问题；北京航空航天大学关

13、静丽、任志婷采用前馈补 偿技术，完成了电动负载模拟器的实验室样机的设计【6 J 。 近年来，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，目前世界上，很多著名的 电气公司都在致力于交流伺服电动机和伺服驱动器的研究【2 6 2 7 2 引。它有着更好的 优良性能，如控制精度高、低频特性好、过载能力强、加速性能好。这使得交流 伺服系统已经成为当代高性能伺服系统的研究方向，可以预见电动伺服加载方式 的应用面将越来越广泛。 壹 l 绪论 硕士论文 1 2 2 虚拟仪器的研究现状 随着微处理器和信号处理技术的发展以及面向对象技术可视化开发语言在 硕士论文 基于虚拟仪器的模拟加载测试系统设计 G P I B ，V

14、X I ，P X I 等配套产品，并开展了应用研究和培训工作。另外在国内已经 有部分高校也在开展了虚拟仪器的研究工作，例如清华大学B O B 学生团队设计 的“3 D 幻影显示系统”作品利用虚拟仪器的图像采集、运动控制和信号处理的综 合技术优势，构建了一个低成本、可互动的裸眼3 D 显示系统模型，体现了设计 思想的创新性，技术发展的实用性和对光电一体化应用的深刻理解【3 4 1 。浙江大学 也开展了基于虚拟仪器技术发动机油耗系统的研究【3 5 J 。石油科学研究院将虚拟仪 器技术应用在小型石油精炼实验系统中。电子部三所利用虚拟仪器技术研制出了 仪器自动化计量控制系统【3 引。 虚拟仪器的出现是

15、仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的方向和趋 势，目前虚拟仪器已经被应用到电子测量、航空航天、生物医疗、教学科研等领 域，且应用领域还将不断的拓宽【3 6 37 1 。勿容置疑，虚拟仪器对科学技术的发展和 生产将产生不可估量的影响。 1 3 任务的来源和主要技术指标 本文的任务主要是研制基于某随动系统的加载测试装置。通过加载装置来模 拟随动系统在实际工作过程中所受到的干扰，以此来检验随动系统的工作性能。 具体的包括： ( 1 ) 能够实现指定波形加载、指定周期加载、指定位置加载等复杂加载形式。 ( 2 ) 加载的力矩可调范围为：0 , - - 1 0 N m ，最小可调范围为0 0 5 N

16、 m 。 ( 3 ) 系统加载波形的最快频率可达2 5 H z 。 ， 1 4 论文的主要工作及内容安排 本文的主要任务是利用虚拟仪器技术研制一套基于某随动装置的模拟加载 测试系统，用于模拟装置实际转动的摩擦力矩、不平衡力矩和冲击力矩。首先本 文对随动系统的负载特性进行了分析，并在此基础上给出了系统的整体设计方 案。 本文对模拟加载测试系统的设计给出了详细的分析，主要包括上位机和下位 机( 加载控制器) 的设计。P X I 机箱配合L a b V I E W 软件完成了系统上位机的搭 建，主要实现各种典型加载波形的生成，完成实时的数据采集和输出功能。下位 机( 加载控制器) 由硬件控制板构成，

17、能够实现与上位机的对接和对上位机加载 指令的处理，完成各种加载控制要求。 以下为各章的内容安排： 第一章：论述了加载测试系统的背景和意义，分析了国内外研究的现状和 发展，介绍了本课题的来源及相关技术指标，最后给出了本论文的内容安排。 5 1 绪论 硕士论文 第二章：对随动系统的负载特性和基于不同总线组成的虚拟仪器系统进行 了分析，并在此基础上给出了加载测试系统的整体设计方案。 第三章：详细分析了基于虚拟仪器上位机的设计，其中包括上位机硬件和、 软件的设计，重点阐述了各种典型加载波形的实现方法。 第四章：详细的分析了加载控制器的设计。主要包括D S P 为核心芯片的最 小系统的设计、串口通信模块

18、、光电耦合模块、信号调理模块和相应的软件设计。 配合上位机共同完成加载控制要求。 第五章：系统调试结果分析。对实现的典型加载波形进行了实际的测试， 并给出了分析。 第六章：对本论文的总结以及对本课题的展望。 6 硕士论文基于虚拟仪器的模拟加载测试系统设计 2 加载测试系统的总体设计方案 2 1 技术方案 本课题设计的加载测试系统主要是用于完成对随动系统的加载，检测随动系 统的性能。系统由控制计算机、P X I 机箱、加载控制器、交流伺服电机及与之相 适应的交流驱动器、减速箱、可调惯性负载、试验台架等部分组成。具体的加载 过程大致可以分为这样几个环节：首先根据加载的要求，由虚拟仪器P X I 机

19、箱实 现的上位机给加载控制器发送加载指令，加载控制器对指令完成处理后送给电机 驱动器，最后由电机驱动器作用伺服电机完成加载任务。 2 2 随动系统负载特性的分析 随动系统运行在不同的状态下，负载特性和系统本身的参数都会发生变化， 特别地，当负载扰动力矩变化很大时，转动变量也会发生很大的变化【3 引。所以本 节首先对随动系统工作在不同状态下的负载特性进行详细的分析和阐述。然后在 此基础上，结合本文具体的加载要求给出了系统总体的设计方案。 2 2 1 摩擦力矩 随动系统处于低速跟踪状态时，摩擦力矩会对系统运行造成不可忽视的影 响。一方面是摩擦力矩给系统带来的静态误差；另一方面摩擦力矩的存在可能会

20、使系统发生突然跳动，这种情况下会造成系统跟不上目标甚至跟丢目标【3 9 】。因此 研究摩擦力矩对随动系统的影响具有很大的实际意义。 摩擦力矩的大小与转速无关，方向却随着系统转动的方向而变化，即摩擦力 矩的方向和随动的方向始终是相反的。随动系统的运行状态又影响转动轴上的干 摩擦，它们之间的关系非常复杂。简化以后，摩擦力矩可以表示为转速的非线性 函数【4 0 1 ，其简化的特性如图2 1 所示： 7 2 加载测试系统的总体设计方案硕士论文 JL M JL w k 2 I r ，。 一气 JL r 一坼 1 图2 1 摩擦l 司转动轴角速度的关系 其中M 1 为转动轴的静摩擦力矩，M 2 为转动轴的

21、动摩擦力矩，Q 0 表示转 动轴旋转角速度。 摩擦对转动轴的影响可以从静态和动态两方面去看：从静态上讲，它相当于 转动机构未运行起来的死区。它一方面会造成系统低速运动的不平稳；另一方面 由于摩擦的作用会使系统过度的时间明显增长。从动态上讲，摩擦力矩的存在， 系统在运行的开始并不会马上旋转起来，只有当执行机构的误差角引起的转矩值 增加到等于静摩擦转矩时，系统才开始转动。这时摩擦力矩的值会瞬间从静摩擦 力矩M 1 变为动摩擦力矩M 2 ，执行轴开始做加速运动，输出角开始增加，误差 角会开始减小，系统的驱动力矩也随着减小。当减小到等于摩擦力矩时，总力矩 为零，系统开始做减速运动，继续运动直至某一时刻

22、出现角速度为0 ，此时输出 轴停止运动，摩擦力矩又增加到M 1 。之后执行力矩增加到摩擦力矩时又开始新 的加速运动。就这样转动轴重复着上述的过程，在启动和制动两个状态间转换。 在实际的随动系统跟踪过程中，这种跳动显然会对系统跟踪的精度造成很大的影 响，因此模拟摩擦力矩对随动系统的影响具有很大的实际意义。 2 2 2 不平衡力矩 火炮系统起落部分的中心没有通过炮耳轴就会产生不平衡力矩，现在火炮通 过降低火线高度来达到改善其射击时的稳定性。为了减轻炮架的负荷常常会通过 增加后座长度，这样在大角度射击时就有炮身后座碰到地面的可能，为了解决这 种矛盾就有了平衡机的出现。但是有时这样还是不能满足要求，因

23、为当射击角度 很大时，还要保证自动和半自动装填，因此还需把后座部分进一步前移，这就造 成了起落部分对耳轴的重力矩M k 变大了【4 l J 。 如图2 2 所示，取系统起落部分重心G 至耳轴D 的距离为踣，起落部分重量 鲰作用在重心上，而且始终垂直向下【6 l 。当9 ：o 时，G 相对于耳轴的位置坐标 8 蘸 图2 2 起落部分重心位置 可见不平衡力矩对于随动系统的速度和精度都有着不容忽视的影响，所以可 以通过加载系统模拟不平衡力矩对随动系统的影响，进而设法减少甚至是克服不 平衡力矩带来的负面影响。 2 2 3 干扰力矩 o 在系统实际发射的过程中，引起干扰力矩的因素有很多，这些因素的存在也

24、 会导致静态力矩和动态力矩的变化。综合来看，干扰力矩的产生来自于两个方面 【4 2 】：一方面是小齿轮对高低齿轮产生的一个反作用力会引起高低机和方向机上摩 擦力矩显著增大；另一方面是起落部分转动惯量也会由于系统后座的起落和复进 而发生变化。因此干扰力矩的出现对于随动系统的影响不容忽视。其实干扰力矩 的产生是一个很复杂的过程，为了问题的简化，通常把发射引起的扰动力矩都看 成冲击力矩。 这里指出，要想将系统发射引起的干扰力矩准确的折算出来是很难的，比如 构件的弹性形变、传动链中的间隙，以及振动等各方面的影响。所以基于以上的 考虑，最需要关注的是作用在炮架上的力产生的力矩，在实际加载测试时应按照 可

25、能产生最大扰动情况去模拟。通过一些典型的载荷曲线来模拟系统实际转动中 摩擦力矩、不平衡力矩和干扰力矩产生的影响。本文的加载测试系统正是基于正 弦波、三角波、矩形波等这些典型的载荷谱设计的。 9 2 加载测试系统的总体设计方案硕士论文 2 3L a b V I E W 和各总线的集成实现测试系统分析、比较 简单的说，虚拟仪器在结构上是由硬件平台和软件平台构成。计算机和仪器 硬件共同组成虚拟仪器的硬件平台，这里计算机可以是各种类型的，如工作站、 笔记本、嵌入式计算机等，仪器硬件是指模块化的I O 接口硬件。虚拟仪器软件 开发平台可以分为两大类：一种是基于传统编程语言的，比如C 、V C + + 、

26、V B 等； 另一种是基于图形化的编程软件，如N I 公司的L a b V l E W 、H P 公司的V E E 等。 本文选用的应用软件是N I 的L a b V I E W ，L a b V I E W ( L a b o r a t o r yV i r t u a l I n s t r u m e n tE n g i n e e r i n gW o r k b e n c h ) 是一种用图标代替文本创建应用程序的图形化 编程语言【4 3 】。L a b V I E W 中的函数用图标表示、用连线表示数据流向，它具有编 程效率高、通用性强等特点。用户可以根据自己的要求来编程以实

27、现特定的功能， 因此开发起来非常方便。 根据I 0 接口设备总线类型的不同，虚拟仪器的构成方式主要有m 】：插卡式 D A Q 、G P I B 、V X I 、P X I 、串口总线和现场总线六种标准的硬件体系结构，如图 2 3 所示： I 信号调理卜叫数据采集卡l IG P I B 义器HG P I B 接口卡卜 串行接口仪器 P C 工作站 测控 。IT 1 、，T - c 、1 ，l 对象 P X I 仪器 1 一I 。4 。1 。I 现场总线设备 V X I 仪器 其他总线设备 图2 3 虚拟仪器的构成方式 ( 1 ) 基于P C 机的插卡式( P C D A Q ) 虚拟仪器 基于

28、P C 机的插卡式虚拟仪器的结构非常简单，即在P C 机内直接插入一块 多功能的D A Q 卡，再配以相应的调理电路组件即可组成虚拟仪器硬件平台。具 体的工作原理：D A Q 卡将送来的模拟信号采集到计算机，直接经过P C I 总线， 经过C P U 处理、分析再送由显示器显示。这种仪器功能灵活、通用性强、可靠 性高、性价比高，是一种非常实用的虚拟仪器结构方案，应用非常广泛。 l O 硕士论文基于虚拟仪器的模拟加载测试系统设计 ( 2 ) 基于G P I B 总线的虚拟仪器 通用接口总线( G e n e r a lP u r p o s eI n t e r f a c eB u s ，G

29、P I B ) 是计算机和仪器间的 标准通信协议，也是最早的仪器总线。G P I B 是一种8 位数字并行通信接口，最 高速度可达8 M B s 。该接口总线在连接长度小于2 0 m 时，可以为系统同时提供 多达1 5 台仪器的连接。如果想增加连接的设备数和长度，可以使用G P I B 增强 和扩展设备。G P I B 总线一般适用于电气干扰轻微的实验室和生产现场【4 5 】。 ( 3 ) 基于V X I 总线的虚拟仪器 V X I b u s 是V M E ( V M Ee X t e n s i o nF o rI n s t r u m e n t a t i o n ) 在仪器领域的扩

30、展。 是计算机操纵的模块化自动仪器系统。V X I 总线因为其开放性好、数据吞吐能力 强、即插即用等众多优点已经被广泛的应用。V X I 和规范使得用户在组建V X I 系统时可不必局限于一家厂商的产品，可以根据要求进行选购，从而使系统达到 最优。 在组建大种规模特别是对速度和精度都要求很高的自动测量控制系统时， V X I 总线仪器占有很大的优势。此外，V X I 总线的组建方案功能十分强大，组建 的系统也比较稳定，但要实现其强大的功能，价格也十分昂贵。 ( 4 ) 基于P X I 总线的虚拟仪器 P ( P C Ie X t e n s i o nf o rI n s t r u m e

31、n t a t i o n ) 是一种由N I 公司发布的坚固的基于 P C 的测量和自动化平台。虽然标准的P C 提供一个非常低成本的选择来用于仪 器系统，但是它们不能满足许多工业应用的需要。V X I 和G P I B 系统满足仪器用 户的特定要求，但是通常对于主流的应用显得太大且昂贵，这也是开发P X I 的目 的。 P X I 技术来源于现成的P C 技术，所以对比V X I 系统，其性能提高更快，成 本更低而且体积紧凑。P X I 的传输速度可达1 0 0 M b i t s 。因此，P X I 总线目前己成 为搭建虚拟仪器平台的首选硬件平台。表2 1 为P X I 和V X I 仪

32、器性能的比较。 表2 1P X I 和V X I 仪器性能的比较 仪器名称局部总线触发器时钟星形总线 V X I 1 2 线8 个T T L ，2 个 1 0 M H z ，E C L ， 仅D s i z e E C L ，4 个附加I O O M H Z ( 仅 D s i z e 的E C L D s i z e ) P X I 1 3 线8 丌L 1 0 n z ，T T L每槽1 个 ( 5 ) 基于串口总线的虚拟仪器 通过串行口可实现仪器与计算机、仪器与仪器之间的相互通信，从而组成由 多台仪器构成的自动测试系统。R S 2 3 2 总线是早期采用的P C 通用串行总线【4 6 1

33、， 它连接长度最长只能达到1 5 m ，而且只能点对点通信，控制性能比较差，不适合 2 加载测试系统的总体设计方案 硕士论文 工业现场应用。因此出现了R S 4 8 5 来解决这些问题，它采用差分的信号传输方 式，最长距离可以达到1 2 0 0 m 。P C 上都不带R S 4 8 5 的接1 2 1 ，在接入计算机时需 要通过4 8 5 2 3 2 转换器或4 8 5 U S B 转换器才能接入计算机。 ( 6 ) 基于现场总线的虚拟仪器 现场总线( F i e l d B u s ) 是自动化领域中底层数据通信网络，又称现场网络， 它是一种工业数据总线。简单的说就是将传感器、各种终端及控制

34、器之间的通讯 进行特化的网络。现场总线的通信标准公开、一致，使系统具有开放性，它已经 被广泛的应用于制造业、交通、楼宇、电力等自动化系统中。 表2 2 对比了目前几种仪器平台的优缺点。 表2 2 几种仪器平台的比较 G P I BV X I 标准P C P X I C o m p a c t P C I 传输位宽( 位) 8 8 ，1 6 ，3 2 8 ，1 6 ( I S A ) ：8 ， 8 ，1 6 ，3 2 ，6 4 1 6 ，3 2 ，6 4 ( P C I ) 吞吐率( M b s ) 1O r8 ( H S 4 8 8 )4 08 0 ( V M E 6 4 ) I 2 ( I

35、S A ) 1 3 2 2 6 4 13 2 - 2 6 4 ( P C I ) 定时和同步无有定义有有定义 可用产品 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 尺寸大中小中小中 标注软件框架无 V X Ip l u g & p l a y 无有定义 有定义 标准化否是否是 E M l 防护可选有定义视具体板卡而定 视具体模块而定 成本高中高低 低中 对比以上各总线组建的虚拟仪器平台，本文最终选择了基于P X I 总线的虚拟 仪器平台，它具有高性能，抗干扰能力强等优点，适合组建测量和自动化系统布 置平台。本文选用N I 公司的P X I e - 1 0 6 2 Q

36、 机箱作为虚拟仪器的硬件平台，配合 数据采集卡完成数据的实时采集和输出。 2 4 加载测试系统总体设计方案 根据加载的要求和系统的功能指标，结合上文对随动系统负载特性及基于不 同总线组成的虚拟仪器系统的分析，最终确定了加载的总体方案。总的来说可以 分为两个部分：上位机和下位机( 加载控制器) 的设计。 系统的上位机是基于P X I 总线的虚拟仪器完成的，能够完成实时数据采集和 输出功能。数据采集卡把从上位机采集来的数据送给加载控制器处理，最后由加 1 2 硕士论文基于虚拟仪器的模拟加载测试系统设计 载控制器控制电机驱动器完成加载任务。 在实际的加载过程中，加载电机工作在力矩模式下，此时加载电机

37、输出力矩 的大小和驱动器外部输入的电压值成正比关系。电机驱动器提供了数字和模拟的 输入方式，这里选用的是模拟输入方式。当上位机设定好需要模拟的典型信号， 通过加载控制器就可以把控制指令送给电机驱动器，完成加载任务。 模拟加载试验台的结构如图2 4 所示： 惯量盘 图2 4 模拟加载试验台结构 图2 4 所示加载测试系统与被测的随动系统同轴相连，本系统采用电动加载 方式，加载电机选用进口的伺服电机和与之适应的全数字交流驱动器。中间的减 速比可变的减速箱一方面起到了传递功率的作用，另一方面能够调节加载电机和 被测随动系统的速度比。由虚拟仪器P X I 机箱组成的上位机主要负责典型加载波 形的生成和

38、加载指令的输出，可以实现对摩擦力矩和冲击力矩的模拟，从而能够 很好检验随动系统的动静态性能，达到提高随动系统跟踪的快速性和稳定性的目 标。 2 5 加载测试系统的上位机设计 系统的上位机采用虚拟仪器来实现，上位机硬件平台选用P X I 机箱搭建，应 用软件选用N I 公司的L a b V I E W 软件编写。L a b V I E W 软件里提供了很多直观、 丰富的仪器图形控件，具有强大的数据处理功能、有着友好的人机界面【4 7 1 。这些 都是传统开发语言所不能比拟的。另外这种开发方式周期比较短，费用少，软件 的升级也很方便。 本文所用的L a b V I E W 8 5 是预装在P X

39、I 机箱里的，P X I 机箱具有高性能背板 和可靠的机械封装，能在环境恶劣的情况下正常工作。经过对随动系统具体加载 要求的分析，设计了相应的上位机软件。图2 5 为加载上位机软件主要功能的结 构图。 2 加载测试系统的总体设计方案硕士论文 图2 5 加载上位机软件的结构 数据读写模块主要由两部分组成：第一，数据采集卡把从上位机采集的数据 送给加载控制器处理，由加载控制器控制电机驱动器完成具体的加载；第二，上 位机从加载控制器上读取随动的状态信息。 加载信号模块主要分为两部分：一是工作模式的选择，这里有非限位和限位 两种模式。非限位模式，即通过对信号的设定，就可以完成指定波形，指定周期 加载；

40、限位模式，即根据随动系统的要求，可以保证在指定波形、指定周期下完 成指定位置的加载，也就是随动系统运行到某一个角度时开始加载，这样可以更 好的实现对随动系统性能的测试；二是加载波形以及参数的设置，特别的在限位 模式下，还要设置加载的角度。这里模拟的都是一些典型的波形，分别为：摩擦 力矩、单向矩形波、双向矩形波、单向三角波、双向三角波和正弦波。 显示模块就比较简单了，主要可以分为三个部分：第一部分是加载波形的实 时显示；第二部分是通过数据采集卡对加载控制器电压输出值的采集，其测量值 应该与软件设置的理论值保持一致，保证加载的准确性；第三部分对随动的角度 的采集可以监测到随动的位置变化。 2 6

41、加载控制器的设计 为了配合上位机，更好地满足加载控制的要求，本文设计了加载控制器。加 载控制器的核心处理器选用的是T I 公司的T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 芯片，该芯片的性 价比高，具有嵌入式的控制功能和强大的数据管理能力，被广泛的应用于电机控 制、数字信号处理等诸多领域。图2 6 为加载控制器的总体结构图，可以看到加 载控制器的设计分为两个部分： 1 4 硕士论文基于虚拟仪器的模拟加载测试系统设计 ( 1 ) 完成对随动状态信息的读取。随动系统传过来的是8 位的数字信号，D S P 芯片对数据采集处理，最后以串口的通信形式送给上位机，这样就可以监控到随 动的状态信息。

42、在采集随动信息时，为了防止随动系统对加载控制器造成干扰， 本文还设计了光电耦合电路，起到了相互隔离的作用。 ( 2 ) 采集上位机软件的数据送给电机驱动器。上位机的加载指令经数据采集 卡采集送给电机驱动器时，为了保证加载的精确性，还需要经过加载控制器的限 幅调零电路的处理。电机驱动器工作在力矩模式下，当输入的电压值越大，力矩 输出也就越大，当外部输入电压为7 2 V 时，对应的电机转矩最大，为1 0 N m 。 2 7 本章小结 图2 6 加载控制器的结构图 本章首先对随动系统的负载特性和基于不同总线组成的虚拟仪器系统进行 了分析，在此基础上根据加载系统技术指标的要求，最终确定了加载系统的整体

43、 方案。加载系统的设计主要分为上位机和下位机( 加载控制器) 两部分，这里已 经简单的对它们的结构和功能进行了介绍，并作了相应的分析。在以下的章节中 还会更加详细的阐述上位机功能实现的方法及加载控制器的具体设计。 硕士论文基于虚拟仪器的模拟加载测试系统设计 3 基于虚拟仪器软件的上位机设计 本文系统的上位机是借助于虚拟仪器完成的。这里选用P X I 机箱作为上位机 的硬件平台，基于P X I 总线的虚拟仪器有着成本低、运行速度快，体积紧凑等优 点。应用软件部分选用的是L a b V I E W ，它采用术语、图标等图形化符号代替基 于文字的语言程序，具有编程效率高、开发周期短等优点。 3 1

44、上位机硬件的设计 本文上位机硬件设计选用的N I 公司的P X I 机箱( P X I e 1 0 6 2 Q ) 来完成的， 数据的采集是由数据采集卡P X I e 6 3 6 1 配合P X I 机箱实现的。该机箱配备的是 2 5 3 G H z 双核P X IE x p r e s s 嵌入式控制器N IP X I e 8 1 0 8 ，该控制器提供了 1 0 1 0 0 1 0 0 0 B A S E T X ( 千兆) 以太网、高速U S B 、G P I B 、串口及其它I O ，完 全可以满足系统设计的需要。图3 1 为P X I e 1 0 6 2 Q 机箱，机箱的左侧为嵌入式 控制器。 图3 1P X I e - 1 0 6 2 Q 机箱 P X I e 1 0 6 2 Q 具有以下的特性： ( 1 ) 提供了4 个P X I 插槽、1 个P X IE x p r e s s 系统定时插槽、2 个P X IE x p r e s s 混合插槽。 ( 2 ) 与P X I 、P X IE x p r e s s 、C o m p a c tP C I 和C o m p a c tP C IE x p r e s s 外设模块兼 容。 ( 3 ) 具有每插槽高达1 G B s 的专用带宽和超过3