摘 要：本文介紹了虛擬儀器技術(shù)在蠶繭無損質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用。將虛擬儀器技術(shù)引入到蠶繭無損檢測(cè)中，并在虛擬儀器的軟硬件平臺(tái)上利用LabVIEW軟件的Matlab Script節(jié)點(diǎn)功能和LabVIEW圖形化的編程環(huán)境構(gòu)建了一個(gè)功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和信息處理平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器;LabVIEW;數(shù)據(jù)采集;蠶繭檢測(cè)

1.引言

虛擬儀器即在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶設(shè)計(jì)定義具有虛擬面板、測(cè)控功能和數(shù)據(jù)處理完美結(jié)合的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)[ 1 ]。它以其簡(jiǎn)單直觀的圖形化編程方式、眾多源碼級(jí)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、豐富實(shí)用的分析表達(dá)功能等為用戶快速地構(gòu)造自己的儀器系統(tǒng)提供了良好的環(huán)境。本文將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到蠶繭無損質(zhì)量檢測(cè)中，為蠶繭無損質(zhì)量檢測(cè)儀的研制提供了便捷和友好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使得數(shù)據(jù)處理結(jié)果更直觀，分析處理更方便，加快了系統(tǒng)開發(fā)的速度，節(jié)省了研發(fā)費(fèi)用。

2.檢測(cè)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

蠶繭無損檢測(cè)方法的基本原理是：將蠶繭裝在夾具中，利用LabVIEW軟件編程控制數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生正弦激振信號(hào)經(jīng)過功率放大器驅(qū)動(dòng)激振器工作，從而使夾具和蠶繭振動(dòng)，傳感器將振動(dòng)加速度信號(hào)送到信號(hào)調(diào)理器進(jìn)行信號(hào)放大，由LabVIEW軟件控制的數(shù)據(jù)采集卡采集經(jīng)過信號(hào)調(diào)理了的信號(hào)，并以此信號(hào)為依據(jù)來推斷繭殼的重量。檢測(cè)系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

圖1：檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

實(shí)驗(yàn)所用到的硬件有：美國(guó)NI公司的PCI-6014多功能16位數(shù)據(jù)采集卡、美國(guó)Lance公司的LC0120加速度傳感器及LC0208信號(hào)調(diào)理器、702所的2204永磁激振器、7111型功率放大器以及計(jì)算機(jī)一臺(tái)。

LabVIEW軟件提供了各種圖形化驅(qū)動(dòng)程序，利用LabVIEW提供的圖形化驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)各種總線的I/O接口設(shè)備，對(duì)被測(cè)信號(hào)放大和采集控制，并通過編寫相應(yīng)的處理程序?qū)Σ杉盘?hào)進(jìn)一步分析處理。LabVIEW軟件可以驅(qū)動(dòng)PCI-6014數(shù)據(jù)采集卡，能夠采集±10V的電壓信號(hào)，精度2.003mv，它不僅具有模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換功能，還具有數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）功能，可通過LabVIEW編程輸出高精度正弦激勵(lì)信號(hào)。通過LabVIEW軟件控制采集卡的工作，模擬輸出端口（AO）用于產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)激振器工作;采集卡的模擬輸入端口與信號(hào)調(diào)理器相連，采集經(jīng)過信號(hào)調(diào)理了的振動(dòng)加速度信號(hào)。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

虛擬儀器的核心內(nèi)容是檢測(cè)系統(tǒng)軟件的開發(fā)。LabVIEW軟件能極大地提高效率、縮短設(shè)計(jì)周期。為了增強(qiáng)其對(duì)底層的控制能力及充分利用現(xiàn)有的代碼資源，它提供了與Matlab、C等多種語言的接口。并且，LabVIEW軟件自身附帶的很多信號(hào)處理的子程序可以直接調(diào)用，用戶可根據(jù)需要隨時(shí)可以很方便地增加或去掉某些功能模塊，比如濾波器、窗函數(shù)、時(shí)域、頻域、自功率譜、互功率譜、自相關(guān)函數(shù)、FFT分析等信號(hào)分析功能以及信號(hào)特征量的計(jì)算和提取等。

采用LabVIEW軟件完成的檢測(cè)系統(tǒng)軟件由兩大部分組成：一是實(shí)現(xiàn)虛擬面板功能的前面板（front panel）;二是有一定測(cè)試和處理功能的程序圖或稱之為流程圖（block diagram）。各個(gè)功能模塊可以單獨(dú)創(chuàng)建子程序（Sub VI），然后在主程序中調(diào)用它。

完成所有檢測(cè)功能的流程圖部分主要分為三大部分：1）信號(hào)發(fā)生器模塊;2）數(shù)據(jù)采集和保存模塊;3）具有數(shù)據(jù)處理和特征提取功能的Matlab節(jié)點(diǎn)程序。

LabVIEW軟件是基于數(shù)據(jù)流編程的，從程序圖中就可以很清楚的看到數(shù)據(jù)的流向，要實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器與數(shù)據(jù)采集以及其他復(fù)雜的功能模塊（如自動(dòng)控制信號(hào)發(fā)生器的停止與運(yùn)行、循環(huán)自動(dòng)采集、自動(dòng)保存數(shù)據(jù)、自動(dòng)改變文件名、自動(dòng)判別系統(tǒng)狀態(tài)等）同步運(yùn)行而不相互干擾，就需要考慮精確的時(shí)序控制問題。為了減少編程難度，筆者將兩個(gè)功能分開運(yùn)行，信號(hào)發(fā)生器模塊作為一個(gè)程序單獨(dú)運(yùn)行，其他模塊則放在數(shù)據(jù)采集程序中。由于Windows操作系統(tǒng)多線程的特點(diǎn)，兩個(gè)程序均可以獨(dú)立穩(wěn)定的運(yùn)行。同時(shí)，由于LabVIEW軟件提供了全局變量的功能，使得獨(dú)立運(yùn)行的程序之間可以通過全局變量互相傳送數(shù)據(jù)和控制指令以及聯(lián)合監(jiān)督系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)在時(shí)間上的統(tǒng)一控制，為蠶繭的科學(xué)檢測(cè)進(jìn)行提供了可靠的保障。

3.1虛擬信號(hào)發(fā)生器模塊

普通的信號(hào)源一般精度不高，穩(wěn)定性也不夠好，高精度信號(hào)源價(jià)格一般比較昂貴，應(yīng)用虛擬儀器的軟硬件即可得到高穩(wěn)定性和高精度的信號(hào)發(fā)生器。如圖3所示，所設(shè)計(jì)的虛擬信號(hào)發(fā)生器與傳統(tǒng)的儀器在面板上基本上是相同的，操作起來很方便。在虛擬信號(hào)發(fā)生器的前面板中可以設(shè)置通道參數(shù)和波形參數(shù)，波形顯示區(qū)可以顯示輸出信號(hào)的波形，便于觀察和調(diào)整。信號(hào)發(fā)生器通過全局變量由數(shù)據(jù)采集程序控制，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)時(shí)序上的統(tǒng)一。

圖3：虛擬信號(hào)發(fā)生器

信號(hào)發(fā)生器節(jié)點(diǎn)程序核心部分如圖4所示。LabVIEW軟件將子程序封裝成一個(gè)個(gè)小圖標(biāo)的形式給用戶調(diào)用，用戶只需要按照自己的需要調(diào)用和連接相關(guān)子程序（Subvi）并進(jìn)行一些參數(shù)設(shè)置即可完成強(qiáng)大的測(cè)試功能。

圖4：信號(hào)發(fā)生器程序圖

3.2數(shù)據(jù)采集和保存模塊

通過前面板用戶可以設(shè)置每組的采集次數(shù)、每次采集時(shí)間間隔，還可以修改采集頻率和每次采集的點(diǎn)數(shù)。在此僅給出了數(shù)據(jù)保存模塊的框圖節(jié)點(diǎn)程序，如圖5所示。數(shù)據(jù)保存模塊可以設(shè)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的初始路徑，筆者以采集蠶繭的組數(shù)為一個(gè)變量，如圖5中的“本批已采集組”，每采集完一組數(shù)據(jù)自動(dòng)加1，應(yīng)用LabVIEW軟件提供的字符串處理功能，可實(shí)現(xiàn)每采集完一組蠶繭程序自動(dòng)根據(jù)采集的批次改變和生成文件名并進(jìn)行保存，達(dá)到了無人值守的目的，以便數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化。

圖5自動(dòng)數(shù)據(jù)保存與改變文件名程序圖

3.3數(shù)據(jù)處理Matlab節(jié)點(diǎn)程序

LabVIEW軟件雖然具有友好的人機(jī)操作界面、編程容易，但是它所提供的信號(hào)分析功能卻有限，MATLAB雖然具有強(qiáng)大的信號(hào)分析與處理能力，但它不能方便地實(shí)現(xiàn)與信號(hào)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊，且較難設(shè)計(jì)出良好的人機(jī)交互界面。LabVIEW軟件提供了與Matlab等多種語言的接口[ 2 ]，這就使得LabVIEW軟件的友好編程界面和Matlab的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力有機(jī)的結(jié)合在一起。

為了簡(jiǎn)化調(diào)用過程，LabVIEW提供了Matlab Script節(jié)點(diǎn)。LabVIEW使用ActiveX技術(shù)執(zhí)行該節(jié)點(diǎn)，啟動(dòng)一個(gè)MATLAB進(jìn)程。這樣用戶就可以很方便地在自己的LabVIEW應(yīng)用程序中使用MATLAB，包括執(zhí)行MATLAB命令、使用功能豐富的各種工具箱，如小波包工具箱、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱（Neural Network Toolbox）、優(yōu)化工具箱（Optimization Toolbox）等。圖6是LabVIEW軟件的Matlab節(jié)點(diǎn)工作原理圖。

圖 6：LabVIEW中Matlab節(jié)點(diǎn)的原理圖

LabVIEW通過數(shù)據(jù)采集或仿真生成的原始信號(hào)和信號(hào)處理參數(shù)通過LabVIEW與Matlab接口傳給Matlab相應(yīng)的功能函數(shù)，完成信號(hào)分析和處理功能，最后將處理結(jié)果回傳給LabVIEW顯示或進(jìn)行下一步數(shù)據(jù)處理。圖7以信號(hào)的小波去噪為例說明了LabVIEW軟件中Matlab Script節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用。從圖7可以看出，在LabVIEW軟件的Matlab Script節(jié)點(diǎn)中用db10小波函數(shù)對(duì)輸入信號(hào)X進(jìn)行了5層小波分解[ 4 ]，得到了高頻噪音和去噪后的低頻信號(hào)。由于篇幅有限小波去噪前面板和效果圖在此略。

圖7：LabVIEW中小波消噪Matlab節(jié)點(diǎn)程序

數(shù)據(jù)處理部分在用戶面板的后臺(tái)運(yùn)行，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，包括信號(hào)的濾波、特征提取和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別等。

3.4檢測(cè)儀器面板

所設(shè)計(jì)的檢測(cè)儀器面板如圖8所示，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后自動(dòng)啟動(dòng)檢測(cè)程序采集數(shù)據(jù)并經(jīng)過分析得到結(jié)果，給出蠶繭等級(jí)。所有過程均由檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)控制完成，同時(shí)可以根據(jù)用戶情況增加歷史數(shù)據(jù)保存功能，以便進(jìn)一步的分析處理。

圖8：檢測(cè)儀器前面板

4.結(jié)論及展望

虛擬儀器作為新興的儀器儀表，由于其突出的優(yōu)點(diǎn)使得它廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。將LabVIEW構(gòu)建的虛擬儀器應(yīng)用到蠶繭無損質(zhì)量檢測(cè)中實(shí)現(xiàn)了蠶繭振動(dòng)信號(hào)的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集和對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)和穩(wěn)定性的在線監(jiān)測(cè)以及對(duì)信號(hào)發(fā)生器的精確控制，并結(jié)合LabVIEW提供的Matlab Script節(jié)點(diǎn)程序擴(kuò)展了測(cè)試系統(tǒng)的功能，從而為蠶繭無損質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)提供了功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單、界面友好的振動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張凱, 周陬, 郭棟編著，LabVIEW虛擬儀器工程設(shè)計(jì)與開發(fā)【M】.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003，1～8

[2] 劉君華，郭會(huì)軍，趙向陽，賈惠芹編著.基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì)【M】.北京：電子工業(yè)出版社，2003，115～130

[3] 蔡輝，王志賢，張合新，信號(hào)處理在虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用【J】.國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2003年第4期，28～31

[4] 飛恩科技產(chǎn)品研發(fā)中心編著，MATLAB 6.5 輔助小波分析與應(yīng)用【M】.，北京：電子工業(yè)出版社，2003.1，37～42