虚拟仪器设计技术（精选12篇）
虚拟仪器设计技术 篇1
摘要：本文以实现砖窑生产过程中温度监测为目标, 利用虚拟仪器技术功能模块对砖窑在生产过程中实现了实时温度数据的采集及监测, 便于人机交换界面管理。所做的工作主要包括以下三方面:1根据功能要求设计了系统总体方案, 2利用LABVIEW软件平台完成了系统软件的设计和编程工作, 3连接了硬件, 进行了系统监测实验。
关键词：砖窑,虚拟仪器,LABVIEW,温度监测
0 引言
砖块作为建筑业的主要材料之一, 在社会房地产发展中的需求越来愈大, 对砖块质量的要求也越来越高。 传统的砖块往往会因火力不够, 窑温过低, 而无法烧透。而如果火力太猛, 空气对流太剧烈, 窑内的火苗会被气流卷起, 这样会导致砖烧得过火, 出窑后砖会变形。而且传统烧砖过程也需要有人看护, 用肉眼观察火候来生产, 造成烧结质量不稳定, 经济效益不高, 环境污染大等缺点, 为解决这些问题, 无论从考虑社会价值还是经济价值的角度, 都有必要采用现代的监测与控制手段, 对砖块生产进行监测。
而用虚拟仪器技术建立一个砖窑监测系统, 提高生产效率, 改善工作环境, 改进砖坯质量, 已成为适应时代的需要。虚拟仪器是基于计算机的仪器。 简单的说, 虚拟仪器就是在通过计算机上加上LABview软件和硬件, 使得使用者在操作这台计算机时就像是在操作他自己设计的专用的电子仪器。 在虚拟仪器系统中, 硬件仅仅是为了解决信号的输入输出, 软件才是整个仪器系统的关键, 任何一个用户都可以通过改写软件的办法方便的改变和增减仪器系统的功能, 即“ 软件就是仪器”。 而NI-DAQMX是虚拟仪器软件数据采集驱动发展的新一代产品, 能够更快速得创建、测试并发布使用高性能的测试测量应用程序。NI-DAQMX测量服务软件, 除了具备数据采集驱动的基本功能之外, 还具备更高的工作效率, 更多的性能优势, 在虚拟仪器技术领域仪器基于计算机技术的数据采集方面保持着行业领先地位。
1 系统方案的确定
本次设计针对砖窑群主要是采用了装有Lab VIEW软件的计算机、对于温度监测部分每个砖窑体分配了32 个热电偶传感器、32 个信号调理器和4 个多路开关, 每个窑体的32 个热电偶在窑内的平面分布:在窑体的顶部一共摆放三排, 左边和右边一排8 个热电偶, 中间16 个热电偶, 热电偶温度传感器将采集到的信号通过调理器隔离, 放大, 滤波等操作, 在经数据采集卡进入计算机。计算机上运行的测试软件程序对输入的数据进行分析处理, 将结果由计算机显示出来, 同时通过数据采集卡输出控制信号, 发送给外部调理设备选择温度点信号, 系同一温度循检的形式进行温度测量。
对焙烧温度实时监测软件结构进行总体设计, 其功能主要满足如下要求:
1) 砖窑温度采集。 选择合适的传感器和其调离器, 构建砖窑多路温度采集系统, 实现温度信号采集。 要求温度监测范围在300~1200℃, 精度控制在1℃以内。
2) 数据处理显示等。 对采集的温度信号的标定、补偿处理、数据显示和温度数据保存等。
3) 超限报警处理。温度超出设定范围时, 需进行声光报警。
4) 数据查询。能够对采集的温度数据查询。
5) 图形显示。 能够把采集到的数据用图形显示和理想温度曲线进行比较。
6) 用户登录和管理。 用户合法性登录验证, 管理员能够进行用户管理。
2 虚拟仪器软件模块设计
虚拟仪器设计软件分为两大模块:管理模块和测试模块。其功能、软件面板图如下所示 ( 图1、图2) 。
此画面为1 号窑的没启动时温度监测系统主画面, 指示灯都是闪烁灯, 每个点代表一个温度监测点, 也即为温度超限报警点, 没启动时指示灯全为黑色, 当闪烁灯为绿色时即为温度正常显示点, 显示为青色时为温度高温报警点, 显示为蓝色是为温度低温报警点。
3 连接硬件, 进行系统监测实验
所有的实验程序都编好后, 就可以连接硬件进行仿真。 为了事先了解设备的连接情况, 需要先对设备数据采集卡及信号调理器进行测试, 对设备的测试过程, 是利用数据采集技术 ( DAQ) 在MAM上创建任务选择测试设备, 进入设备测试窗口。 这里LABVIEW的任务和MAM上的任务的设置必须一样。 如果有不一样, 则LABVIEW采集程序会报告出错。 由于实验设备的欠缺, 本次实验只用一个热电偶传感器和SCC调理器进行测试, 首先按照系统硬件设计连接好线, 将传感器接到SCC调理器的J7 模块2, 3 端口, 如图3 所示。再将调理器连接计算机进行验证。
4 实验结果
连接设置好后调试SCC调理器, 调好后退出MAX程序, 运行LABVIEW软件, 实验结果如下图所示, 由于本次实验只采集一路温度测点信号, 即设计程序左一号测点为实验测点, 其他测点用虚拟运行仿真。图中的青色点为超温报警测点, 蓝色点为低温报警测点, 绿色点为正常显示测点, 白色曲线 ( 温度曲线1-8) 为实际温度曲线, 红色曲线为设定的理想温度曲线。 切换中、右可以看到中间和右边监测点的温度曲线变化 ( 图4) 。
对应于以上的实验结果, 数据显示中会有相应的采集时间、报警明细点及各个监测点的温度显示, 这有助于工作人员很快了解哪一点的温度超限及超限温度的程度。 其相应数据显示如图5 所示, 1 号为实验结果, 给热电偶传感器加热时数据值会变大。
至此, 用LABVIEW设计的砖窑温度监测系统已全部结束, 其仿真实验监测结果取得较理想的效果。总的来说, 设计基本达到目的, 符合要求。
5 总结
砖窑窑群多路温度监测系统是一种新型的工业自动监测系统, 并且以此为基础只要根据温度传感器测出的温度值与理想值进行比较, 由控制中心发出控制指令即可以实现理想目的。其系统可以节省大批人力, 并能成倍的提高制砖的效率和成品的质量。 而温度是工业设备中需要检测的重要物理参数, 随着测试技术的发展, 分布式温度测试系统成为趋势。虚拟仪器技术综合运用了计算机技术, 网络技术, 数字处理、标准总线技术和软件工程方法, 代表了测量仪器与自动测试系统未来的发展方向, 将其应用于多路温度测试取得了较好的测试效果, 达到了基于虚拟仪器的砖窑温度监测系统设计的预期目的。
本文主要完成了如下的研究工作:
1) 查阅了大量文献资料, 对热电偶温度传感器的性能及测温方法和虚拟仪器技术有比较深入的认识。
2) 完成了温度测试系统的硬件部分设计。 根据测量要求, 选择了合适的温度测量元件和数据采集卡, 利用这些器件组建了温度数据采集系统, 满足测温系统的测试需求。
3) 设计并开发了基于Lab VIEW的虚拟仪器的砖窑温度监测系统软件。 对软件功能模块进行了划分, 完成了管理模块和测试模块设计和编程工作。 编写了数据采集程序, 处理标定程序、数据存储、超限报警程序、用户登录和管理程序、数据查询程序等, 实现对外部温度信号的采集、处理等功能
4) 进行了温度采集测试实验。 利用硬件系统配合系统软件, 在实验室进行了测试, 经过实测得到温度数据。
参考文献
[1]张邦星.隧道机砖窑窑内温度检测系统的研究[N].宜宾师专学报, 1991, 1:59-61.
[2]郑林伟.闽南红砖窑的传统烧制工艺[J].中国科技史杂志, 2005, 3 (26) :249-256.
[3]松桂, 范军.高精度砖窑专用测温仪投入生产[J].砖瓦世界, 1986, (18) :16.
[4]黄定先, 孟兴寿.砖窑企业的粉尘高温危害因素调查[J].浙江预防医学, 2000, 12 (11) :29-30.
[5]李彦军.浅析煤矸石制砖窑炉焙烧控制要点[J].2005, 6:24.
[6]史君洁.节能省钱的新型砖窑[J].农业工程技术, 1988, 4:22.
[7]杨永军.温度测量技术现状和发展概述[J].计测技术, 2009, 29 (4) :62-65.
[8]倪震楚.现代温度测量技术综述[J].消防理论研究, 2003, 22 (4) :270-272.
[9]龙华伟, 顾永刚.Lab VIEW8.2.1与DAQ数据采集[M].北京:清华大学出版社, 2008.
虚拟仪器设计技术 篇2
一、什么是虚拟现实技术
虚拟现实技术(VR)，也称“灵境技术”、“临境技术”、“幻真技术”，是模拟人类视觉、听觉、力觉、触觉等感知行为的高度逼真的人机交互技术。它具有沉浸感、交互性、构想性。它可以把抽象、复杂的计算机数据空间表示为直观的、用户熟悉的实物。
利用这种计算机生成的交互式三维环境，不仅使参与者能够感到景物或模型十分逼真地存在，而且能对参与者的`运动和操作做出实时准确的响应。
二、虚拟现实技术在建筑设计中的应用
(一)在城市规划设计中的应用
城市的规划具有非常的超前性和可延续性，所以在其中引入虚拟现实技术是非常明智的举措。随着世博会的召开，世界各国所有大中小型展区均使用虚拟现实技术进行展示，也提升了虚拟现实技术在城市规划中应用的广泛度。在数字城市的制作中，我们可以提前数年预计到以后可能发生的各种状况，比如一个楼层的高低对周围光照的影响，可以在虚拟现实中通过实时光照来表现出阴影的范围，从而进行整体的城市规划。
(二)在建筑装饰设计中的应用
建筑装饰在设计和施工阶段可能出现无法预期的问题，而工期延误或者成本增加。而在虚拟世界中，我们可以提前模拟出需要的效果，从而在功能性上，房屋空间比例尺寸上，消防安全性上色彩上，材质上，以及采光效果上提前预知会发生的问题，只要前面花少量时间对最终效果进行推敲，就可以非常直观的给施工人员和客户一个满意的交代。
(三)在设计成果展示中的应用
建造建筑并不是投资方的主要目的，其主要目的是由一座成功的建筑达成最大化的商业目的。虚拟现实系统以其独有的“沉浸感”给消费者带来全新的感受，不失为一个展示建筑美观度和功能的最佳手段。
三、虚拟现实技术的现实意义
(一)项目的技术论证
建筑行业与其他行业有着很大的不同，一座建筑的落成对社会的影响，人民的生命安全，都起到非常重要的作用。在当今众多大型建筑场馆的设计工作和施工过程中，我们要面临巨大的经济压力。前期设计出现的任何一个问题，都可能在将来的施工过程中出现巨大失误。在竣工之后，建筑的功能性，安全性，环保型方面也需要时间进行考察。所以我们一定要在前期以三维成像技术来展示最终效果，才可能在最低的成本压力下把安全系数提到最高，同时也节省了人力物力，达到很好的先前期论证效果。
(二)改善建筑设计
建筑设计是一项非常具有科学性、严肃性的过程，它需要在建筑设计的过程中，不断地进行技术论证及可行性的分析，对以往设计做出更好的改变，以避免建筑在建造过程中或者使用过程中出现由于设计而出现的问题。虚拟现实系统就可以为我们的建筑师门提供这样的机会。采用虚拟现实系统，建筑师可以将其作为一个建筑性能评价的工具，在其中来发现建筑设计出现的缺陷，同时可以采用系统模拟出不同的解决问题的方案，在极低成本下，完善建筑项目的设计。
(三)节省投资和运行费用
采用虚拟现实技术进行先期技术成果的演示和论证有助发现设计中多余的措施和各专业不协调的部分，及时修正以节省投资和运行费用。同时，演示论证也可发现设计中可能导致无法满足要求的设计不当之处，避免了建筑物建造完成后的返工。
四、结语
虚拟现实技术在建筑设计中的应用，有着不可估量的应用前景。借助虚拟现实技术，能够极大的丰富建筑师的设计方法，增强设计师的创新能力。信息时代的建筑师，除了需要了解已有的建筑技术和设计方法外，更要善于从计算机应用中吸取一些先进的方法。只有不断更新观念，不断掌握新技术，才能赢得未来。
参考文献：
[1]贾滨.进入数字化时代的建筑学仁 J3 科技情报开发与经济,,6
[2]刘正旭.3dsmaxs建筑动画表现技法.中国电力出版社,2006
虚拟仪器设计技术 篇3
【关键词】机械设计；虚拟样机
Mechanical design careless fitting prototype technology of efficiently
PENG Guang-lin
（Anhui province the new town.it FengTaiXian rapid-developing xinji equipment management center JiShuKeAnHuiFengTai232170）
【Abstract】Virtual prototype technology in automobile manufacturing, mechanical manufacturing, spaceflight, national defense industry and mechanical electronics and shipbuilding industry and other fields have a wide range of applications, using the virtual prototype technology can save the cost of manufacturing physical prototype, and shorten the construction period, not only drop the product investment, and performance is superior. This paper aimed at mechanical design of virtual prototype technology application is also discussed.
【Key words】Mechanical Design;Virtual Prototype
1.虚拟样机的定义及优势
所謂虚拟样机是在制造物理样机前工程师利用计算机技术所建立的数字化模型，即数字模拟机械系统，然后进行仿真实验，那么该系统就可以以图形的方法显示出处于真实环境中系统的特性，工程师可以根据该仿真模型对设计方案进行修改。工程师利用该技术在计算上建立起机械系统的模型，再辅助可视化的相关处理，将系统的动力、动力特性在一个真实的环境下做模拟运行，再按照仿真结果对系统进行精化以及优化。它是以CAD模型为基础，采用仿真技术结合虚拟技术，从而为产品的研发提供一个新的设计方法。
2.虚拟样机技术在机械设计中的应用
2.1建模
2.1.1建立三维模型
要实现虚拟样机的前提条件就是要建立一个机械系统的三维实体模型，所有的仿真实验都是建立在三维模型的基础上的。数字化机械系统的模型的建立是一个非常复杂的过程中，工程师常为两个问题所困扰，一是诸如齿轮、扇页等零件的外形比较复杂，二是各种驱动力、运动副等约束关系比较复杂，所以如果要建立一个复杂机械系统的虚拟样机，就要比较专业的CAD软件进行。现在市场上有多种三维的CAD软件，这些软件比二维CAD更具优势，一般二维CAD系统主要是取代手工绘图所用，但是三维CAD则更能对产品的技术以及诸如转动惯量以及质心位置等相关生产管理信息进行完整的表达。
2.1.2添加约束
完成三维模型的建模后，为了对物体间发生的相对运动做出定义，那么就要用约束副将其进行连接。在添加约束副时要尽可能符合实际的约束情况。现在多数三维CAD软件都装有运动/动力学的插件，这些插件可以实现约束关系以及装配关系的映射，从而将虚拟装配过程和预约束添加过程进行统一。另外还有一种作法是先在CAD中完成预装配，再将其导入ADAMS中，该软件是专业分析机械系统运动/动力学的，因此分析工作可以更完备。下图为建成的某蠕动泵传动部件的三维模型：
2.1.3施加模型驱动
如果确定了零件模型之间的各种连接关系，以及它们的相对运动，那么接下来就要给模型添加驱动力以及驱动转矩，或者让模型按照设计师所设定的运动规律运动。例如上述蠕动泵传动部件模型中，本例为凸轮轴子装配施加的驱动，促使凸轮轴按照一定的速度转动，其可以用下式表达：凸轮轴的角位移=360°×时间，完成上述步骤以后，蠕动泵传动部分的虚拟样机就建立完成了。
2.1.4虚拟样机的仿真
完成了上述工作后，就能对机械系统运动做仿真试验，然后求取运动的全部物理量，包括位移量、速度和加速度以及作用力与反作用力等等，同时还能为后续的有限元分析提供边界条件。
2.2有限元分析
有限元法可以精准的分析出各结构件的动态特性以及结构的强度，它最显著的特点就是其通用性。对于结构形状以及边界条件都相对随意的力学问题都可以通过它来求解，现在在机械设计中已经被广泛的应用。而对于虚拟样机技术来说，该计算方法的可靠性高，因此也是必不可缺的工具。
2.3优化
机模设计中的优化是常见的问题，一般机械优化可以分为以下几种：在各种设计条件都满足的前提下，在所制定的变量变化的范围内，采用自动选择来设计变量，目标函数最大值可以利用分析函数来求取，其借助于计算机的计算能力，通过计算机来改变设计变量迭代求解，以实现多次仿真。每经过一次仿真试验都会对模型的设计变量做一部分的修改，直到得出设定物理量最优解为止。
2.4控制、机械系统联合仿真
在传统的机械开发过程中，机械系统是独立于控制系统之外的，其设计和测试都是相对独立的。那么二者之间没有互动，因此设计效果就会受到直接的影响。但是虚拟样机技术具备机构控制一体化的特点，其对机电进行整体的设计，那么诸如控制规律是否合理或者控制品质的高低等问题就会迎刃而解。控制和机械系统的联合仿真设计思路如下：利用ADAMS等仿真软件提供设计目标的三维模型、动力以及运动学的模型，再由MATLAB等控制系统软件提供相应的控制算法以及电机模型。运动学仿真软件接受到控制系统软件发送的控制命令后，就会利用虚拟位置传感器把各种物理量向控制系统进行实进反馈，从而形成完整的控制系统和机械系统的联合仿真。
3.总结
虚拟样机技术是通过计算机技术建立起所设计的机横的模型，再借助相关的仿真软件对虚拟样机模型做仿真实验分析。先将特定的约束以及驱动施加到虚拟样机模型中，从而使得该模拟系统可以处于一个模拟的真实工作环境中，从而进行运动学以及动力学特性的分析，研究其在实际情况中会出现的情况，并做出虚拟响应，再根据响应结果进行优化设计，得出各项设计参数。■
【参考文献】
［１］毛君,李娜,刘春华.虚拟样机技术在机械工业中的发展与应用［J］.CAD/CAM与制造业信息化.2009(7)。
［２］王忠平,张光伟,陈桂娟.虚拟样机技术在机械产品设计中的应用［J］.内蒙古石油化工,2008(5)
［３］熊光楞,郭斌,陈晓波等.协同仿真与虚拟样机技术［M］.北京:清华大学出版社.2008.
虚拟仪器设计技术 篇4
关键词：虚拟仪器技术,labview交通灯
交通灯通常指由红、黄、绿三种颜色灯组成用来指挥交通的信号灯。在道路十字路口,每条道路上有一组红,黄,绿灯和倒计时显示器,用以指挥车辆和行人有序地同行。
基于虚拟仪器技术,利用labview而设计的交通灯,可以用来模拟真实交通灯而进行工作。使用虚拟仪器技术,工程师可以利用图形化开发软件labview方便、高效的创建完全自定义的解决方案,以满足灵活多变的需求趋势。[1]
设计的交通灯是利用虚拟仪器技术labview而完成的,可以完成用于自动控制十字路口交通灯的明暗和倒计时器的状态,指挥各种车辆和行人安全通行。
1 总体设计方案
1.1 实现的功能
要完成一个十字交通信号灯的设计,这个交通信号灯系统能为向北和向东两个方向行驶的车辆指示能否通行。这个交通路口每一个方向上的红绿黄灯按绿—黄—红的顺序循环,每个循环的时间为70s,其中通行(绿灯)的时间为30s,等待通行(黄灯)的时间为5s,禁止通行(红灯)的时间为35s。当停止键按下时,循环停止。
1.2 设计思路
通过采用基于虚拟仪器labview的交通灯控制系统的设计,自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口交通管理的自动化。同时还提供人行横道的指示和时间显示。(图1-1)
2 程序的设计
2.1 主界面的设计
主界面的设计尽量符合实际应用情况。北灯下面有个数字显示的是相应灯亮的倒计时,东灯左边显示的数字也是相应灯亮的倒计时。(图2-1)
2.2 时间信号的分段
将得到的时间信号除以每个循环所用的时间70s,取余数。得到的余数x的范围为0<=x<70,当0<=x<5时,条件满足,执行第一个条件结构里面的程序,北黄和东红灯点亮。当5<=x<35时,条件满足,执行第二个条件结构里的程序,北红和东绿灯点亮。当35<=x<40时,条件满足,执行第三个条件结构里的程序,东黄和北红灯点亮。当40<=x<70时,条件满足,执行第四个条件结构里的程序,北绿和东红灯点亮。时间分段的labview程序结构如图2-2所示。
2.3 关键技术
运用虚拟仪器技术labview设计交通灯,有自己独特的技术特色。
2.3.1 判定范围并强制转换
Labview中有判定范围并强制转换控件,应用这个控件可以判定输入的数是否在上限和下限之间。它的图标和作用如图2-3所示。如果输出信号在范围之内,“?”接口将产生一个信号,此信号恰可以输入到条件结构作为分支选择器信号。
2.3.2 倒计时的实现
按照图1-1所示和2.2时间信号分段,运用四个条件结构就可以控制按照预定的规律交通灯的亮和灭。但倒计时会有问题:
(1)当5<=x<35和35<=x<40时,两个相连的时间段北红灯都是亮,要是分开倒计时显然不符合实际。通过添加一个条件结构,把5<=x<35和35<=x<40时间段红灯亮的事件合为5<=x<40,这样就方便了两个相邻的时间段北红灯的倒计时的实现。
(2)当0<=x<5和40<=x<70时,似乎不是相邻的时间段,其实是。这两个时间段是循环的首尾,东红灯亮40<=x<70,然后就是下一个0<=x<5东红亮,显然时间上应该是相连,要是分开倒计时肯定是错误的。但解决方案不能像(1),因为4 0<=x<7 0和下一个0<=x<5时间段的合并变成了40<=x<75,而x范围是不禁止超过70的。解决方案是:让当40<=x<70时,倒计时模块30秒变成35秒,结束时不是0秒而是5秒,而5秒正好是下一个0<=x<5模块的倒计时的时间起点。
2.4 交通灯的系统设计程序框图
本程序框图通过一个while循环套用六个条件结构,其中4个条件结构是实现基本时间段的功能,另外2个条件结构是为了实现相邻时间段的红灯亮的倒计时。(图2-4)
2.5 运行结果分析
运行结果分析:红绿黄灯交替亮灭,伴随着相应的倒计时,符合设计预期。
3 讨论
运用虚拟仪器技术labview设计控制交通灯系统,思路清晰,编程、调试和增加功能十分简单,非常适合大学生实践创新项目和毕业设计项目。[2]该文采用的是定周期程控技术,即主要依靠经验和已往统计数据红绿黄亮灭的时间,而不是根据不同方向的车辆和行人数量的多少,来自动控制交通灯的亮灭。[3,4]
参考文献
[1]郑对元.精通LabVIEW虚拟仪器程序设计[M].清华大学出版社,2012,05:3.
[2]基于NI+ELVIS平台的交通灯控制系统设计[J].电脑知识与技术,2010,06:9123.
[3]智能交通信号灯控制系统设计与Labview仿真实现[J].电子技术,2008,01:78.
虚拟仪器设计技术 篇5
1.1虚拟现实技术概述
虚拟现实技术简称VR技术，是现代化科学技术应用发展实施之后形成的一种新型技术，在其技术的应用形成中，借助电脑模拟产生三度空间折叠的虚拟世界，能够在视觉、听觉以及触觉上进行感官模拟，让其使用者，能够如临其境一般的感受到其技术应用带来的冲击。按照虚拟现实技术在现代化社会发展中的技术应用表现来看，其整体的技术应用和现代化三维立体整合技术相关，也就是在三维立体整合技术应用实施中，将整体的技术应用控制和现实技术应用结合，保障在现实技术应用结合处理中，能够为整体技术应用控制性能转化奠定基础。从虚拟现实技术应用的技术表现形式来看，其整体技术应用中的表现形式共分为以下几点：一是对于显示技术的应用，主要是建立在三维立体展现技术实施之上，将三维立体化技术展示作为整个技术应用实施中的关键性技术展现。二是对于声音技术的应用展示，借助虚拟现实技术应用，能够按照声音的特性化分析进行对应的信号传达转变。三是对于语音技术及感官技术的应用，整个技术应用中采用的是自然语言，将自然语言和技术应用结合，从而发挥出其技术应用中的整体性技术控制能力，实现技术应用的智能化发展[1]。
1.2现代环境艺术设计概述
虚拟仪器设计技术 篇6
前言
虚拟现实技术可以称作灵境技术，具体就是结合计算机网络技术、多媒体技术、多传感技术、图形技术、仿真技术、以及智能技术等等方式，通过构建三维虚拟模式，同时利用专门的设备来实现。也就是说，虚拟现实技术作为一种全新的信息技术，可以生成多维信息环境，对于环境艺术设计具有至关重要的意义，可以使环境艺术设计更加完善。
虚拟现实技术的应用特征
1.效率性
将虚拟现实技术运用到环境艺术设计中，可以极大程度的改变传统的环境设计模式，突破了其中存在的各种复杂性问题，比如说摒弃沙盘或者模型的方式，有利于控制设计成本，节约了设计时间。通过高科技技术手段，能够以多媒体模式、数字化模式真实形象的展示出虚拟设计的项目，而用户只需要在虚拟现实技术的平台中，即可观看模型效果，以此将网络资源的优势有效全面的发挥出来，更加充分的展示出作品的效果，以此实现宣传目标，促进工作效率的提升。
2.交互性
通过虚拟现实技术，可以将环境艺术设计作品更加全面、更加形象的展示出来。在虚拟世界中，利用数字化技术，能够对展示物的一些数据信息进行传输，同时可以接受信息、认知信息、以及反馈信息等过程。虚拟现实技术所创建的环境，更加向真实化方向发展，通过计算机所构建的三维数字模型，内嵌虚拟现实场景，能够使用户的各种感官感受有效激发出来，产生真实的交互感受。比如说，在虚拟空间中，用户可以用手去获取虚拟环境中的物品，同时还能够真实的感受到物品的重量，并且可以让被抓住的物体随着是自身移动。
3.艺术性
在环境艺术设计中，通过使用虚拟现实技术，需要具备较高性能的图像处理工艺。比如说3D虚拟建模、Flash、全景图片等方式，可以以高清的形式，展示出各种图像，从而使设计作品更加具有艺术性和真实性。用户在观察图像之后，可以对项目的整体结构做到全方位了解，并且了解所使用的材料和工艺等等。所以说，虚拟现实技术具有更加良好的艺术性效果。
4.侵入性
虚拟现实技术具有侵入性，其可以让用户感觉到更加真实的环境效果，有些时候，还可以让用户感受到身临其境的感觉。产生此种感受的主要因素，在于虚拟现实技术的设计正是充分基于人的感官感受、以及心理特点出发，同时通过计算机技术，使图形更加具有立体效果，从而使用户置身于三维空间中。对于侵入性来讲，在某种程度上来讲，其可以理解为临场性和存在性，关键是对用户在虚拟环境中的真实感受程度进行反映。用户需要提前佩戴专门的头盔和手套，才可以真实的感受到虚拟环境中的立体效果，同时在此种虚拟环境中，不会受到外界因素影响，能够全身心的投入到虚拟世界中。假如用户无法分辨出真假效果，也就是好比置身在真实的环境中，那么可以说是最为理想的侵入性效果。
5.多感知性
考虑到虚拟现实环境中，均会配备齐全各种感官装置，包括有视觉、听觉以及触觉。用户不仅仅具有视觉感知，还可以形成听觉感知、触觉感知、以及力觉感知，特别情况下还会产生嗅觉感知以及味觉感知。所以说，虚拟现实技术具有非常良好的多感知性，可以让用户感受到身临其境的感觉。就现阶段的虚拟现实技术来讲，尚未实现所有感知功能，也就是无法达到最理想的虚拟技术状态。
虚拟现实技术在环境艺术设计中的应用
1.应用到环境艺术模型设计当中
由于虚拟现实技术具有交互性、多感知性、侵入性等等特征，通过上述种种特征，可以让用户进入到交互式的、三维虚拟环境中，同时可以与虚拟环境进行一些互动沟通，用户的各个感官受到刺激，会产生到身临其境的感觉。在环境艺术设计过程中，通过使用虚拟现实技术，可以说非常具有必要性，设计可以通过计算机进行虚拟现实技术系统处理，能够虚拟系统中，展示出现实生活中的事物。通过此种设计过程，能够让设计人员更加真实、直观的感受到，在实际生活中设计作品的相同感受，并且有利于设计人员更加全面、准确的把握每一个设计细节，以此构建良好的环境艺术模型，确保自己的设计想法可以顺利的转换成设计成果。可以说，极大程度的增加了环境艺术设计的感知性与直观性。
2.更加便捷的对环境艺术设计作品进行完善
对于设计作品来讲，需要反反复复的不断修改，一直到完善，最终成为一个优秀的设计做你。在以往的环境艺术设计过程中，在完成设计作品时，设计人员很难对作品做到全面直观的感受，抽象性的概念影响作品的完整性。通过使用虚拟现实技术，可以有效解决此项问题。虚拟现实技术可以在最开始，将设计构建成虚拟的现实模型，通过观察模型，便于设计人员更加直观的观察每一个设计环节。在具体方案实施之前，利用模型，设计人员能够全面的进行观察，及时发现设计方案中存在的一些不足之处，并且在此情况下，对方案反复修改完善，直到其符合设计要求。所以，虚拟现实技术一方面使完善环节得到简化，另一方面还能够使修改更加具有针对性。
虚拟现实技术在环境艺术设计中应用效果
1.增强了环境艺术设计的直观性
在环境艺术设计的发展过程中，逐渐经历了手绘图纸、电脑效果图和建筑动画三个过程。在此阶段，可以看出人们都不断追求高科技，新型的科学技术，从而获取更加高层次的艺术品质，实现最佳的艺术表现效果。在如今的环境艺术设计中，通过使用虚拟现实技术，在各种软件和硬件的作用下，可以创建非常真实的虚拟环境，基于此种环境考虑，利用技术手段，将环境艺术作品转换为此种环境，在创建的虚拟环境中，用户能够感受到类似真实的听觉刺激、视觉刺激、触觉刺激。可以说虚拟现实技术能够将环境艺术设计作品中的细节全面表达出来，有利于吸引用户注意，提升环境艺术设计作品的接受程度。
2.提高预算精准度
环境艺术设计，需要将所设计内容转换成实践应用的项目。在以往的设计作品中，普遍存在预算精确性不理想的情况，对于工程建设的成本控制均产生一定影响。通过使用虚拟现实技术，能够有效解决此类问题，在虚拟模型中，可以全面了解项目所需要的材料预算等内容，可以实现材料预算、结构的精准度提升，防止出现由于预算失误而导致的各种问题。
3.增强了设计双方的互动性
在完成设计方案之后，在同客户沟通阶段，需要营造良好的双方互动性，对于汇报沟通具有重要帮助。通过运用虚拟现实技术，有利于提升双方互动性。利用此种技术，用户能够在设计作品中，感受到每一个设计细节和设计成果，全买呢了解每一个设计部位的演示状况，并且可以了解不同设计方案之间的关联性。对于存在的设计问题，双方之间还可以展开协商探讨。
总结
综上所述，虚拟现实技术具有各种先进的优势，可以在环境艺术设计中发挥出重要的作用，其能够有效解决传统环境艺术设计中存在的问题，防止出现操作潜在的风险，对于环境艺术设计具有巨大的推动和发展作用。因此，需要设计人员加强对虚拟现实技术的运用，以此设计出更加优秀的作品。
虚拟仪器设计技术 篇7
本文介绍一种基于虚拟仪器技术的LED点阵显示方法, 具有显示效果优秀, 控制简单, 成本低廉的特点。本设计包含上位机与下位机两个部分, 如图1所示。上位机使用虚拟仪器技术, 控制系统运行与显示数据;下位机由单片机系统构成, 包括单片机控制器与驱动模块。
1 下位机设计
下位机采用AT89S51单片机作控制器, 主要由单片机控制电路、LED点阵屏及驱动电路、RS232C通信电路等部分组成。AT89S51通过串行通信与上位机进行数据交换, 通过I/O扩展芯片来驱动LED显示器的电路。系统中采用串行移位寄存器扩展并行口, 构建点阵显示的行、列驱动。
下位机随时接收上位机传送的数据, 并替换数据显示, 否则一直保持原有数据显示。图2为下位机系统流程图。
2 上位机设计
2.1 上位机流程
上位机通过虚拟仪器实现字模转换, 并控制下位机显示。上位机还能提供优秀的人机交互界面, 数据处理与保存的功能, 以及不同的显示方式及功能选择。具体功能的设计, 流程如图3所示。
2.2 上位机取模设计
在汉字显示取模处理中, 首先根据汉字字模库原理进行汉字取模区码定位设计。每个汉字的内部区位码分解成32字节的空间, 每页94个汉字, 且添加161的偏移数据, 防止汉字与ASCII码混淆。此部分程序设计如图4所示。
在定位汉字位置的基础上, 调用系统汉字字库文件。以Windows系统宋体汉字库文件HZK16为例, 为从文件中读取指定位置、指定数量的数据, 具体程序如图5所示。
从字库中取出的数据需根据硬件设计整理成所需字模形式, 如本设计中采用16×16的字模, 逐行逆序显示。图6中所示“数组”为每一行的显示码, “数组2”为整个字的显示码, 多个字则重复这个过程。
3 系统调试
在上位机选择字模模式, 输入“2016学年”, 下位机流动显示对应信息, 两者按RS232C协议通过串行通信连接。具体传输时, 下位机串口号为COM4, 波特率采用115200bps。上位机测试效果如图7所示。
下位机由于点阵大小限制, 采用流动显示的方式, 显示“2016学年”字样。如图8所示, 下位机流动显示为“学”, 能够全部显示完整字段, 并且能够显示汉字与ASCII码。在上位机不工作的情况下, 下位机能够独立离线显示, 具有良好的节能环保优势。
摘要：本设计通过虚拟仪器技术, 构建LED点阵显示系统。上位机使用虚拟仪器技术, 控制系统运行与显示数据;下位机由单片机系统构成, 包括单片机控制器与驱动模块, 具有使用便捷, 设置简单, 显示效果好的特点。
关键词：虚拟仪器,LabVIEW,单片机,LED点阵显示,字模
参考文献
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虚拟仪器设计技术 篇8
在雷达系统中,伺服系统的主要任务是采用各种有效方式使天线电轴对准目标,或使天线光轴(机械轴)随动位置指令。因而,伺服系统具有很重要的地位,而驱动电机是伺服系统的核心设备。船载雷达工作在大洋之上,工作环境比较特殊,伺服电机要长期保持良好的工作状态比较困难,同时也很重要。因而,设计一种电机检测系统,定期检测电机的工作性能和参数就很有必要且极具意义。关于虚拟仪器在伺服电机中的应用,国内已经开展了很多研究[1,2,3,4,5,6,7]。本文设计了一种直流电机性能虚拟仪器测试系统,该系统采用National Instruments公司的LabVIEW和LabVIEW RT虚拟仪器软件平台以及与其配套的PCI,SCXI和compactFieldPoint(cFP)虚拟仪器硬件来完成。该系统可以实现电机负载控制以及对扭矩、转速、功率及机体温度的实时监控;并且通过TCP/IP协议测试数据的远程共享和用户实现对测试系统的远程操控。
1 系统组成及工作原理
1.1 系统组成
电动机性能虚拟仪器测试系统主要由主控机、实时监控模块、测功机以及待测直流电机四部分组成,如图1所示。
主控机为一台工作站,用于提供图形化用户界面,完成对系统软硬件的配置和设置,实时更新各指标参量对时间的波形显示和经曲线拟合后电动机的特性曲线,完成测试数据的记录工作。与此同时,主控机还通过嵌入式PCI数据采集卡完成对非控制参量(如输入电压和工作电流)的测量工作。
测功机为电涡流测功机,用于为待测电机提供负载,并由其内部的传感设备将待测电机在该负载下的扭矩、转速以及输出功率等待测指标参量转换为cFP实时监控模块A可以接收的电压信号。
1.2 工作原理
电动机性能虚拟仪器测试系统可在自动和手动两种工作模式下运行。主要测试项目有:输入电压、输入电流、输入功率、扭矩、转速、输出功率、机体表面温度、机体内部温度等。自动工作模式下,主控机首先等待用户完成软硬件的设置和配置,然后提请用户选择负载测试或定参数测试。负载测试下,用户需要设置负载曲线、负载时间、循环时间以及测试时间等测试参数;定参数测试下,用户可以选择指定扭矩、转速或者功率,并设置相应的定标参数、控制参数以及测试时间。完成以上步骤以后,就可以启动测试程序,测试系统即按照用户制定的负载自动加载,同时完成对待测电机性能的测试,或者通过一定的控制算法保持定标参数的稳定,并对该状态下待测电机进行自动测试。系统运行的同时,用户可以在实时监测图表中观察各指标参量对时间的波形显示和经过曲线拟合后得到的电动机特性曲线,并可将有价值的图表导出存盘。当测试时间到达时,系统自动终止测试。
2 硬件结构
电动机性能虚拟仪器测试系统硬件组成框图如图2所示,下面对其主要的组成部分进行介绍[3]。
2.1 主控机
主控机选用一台工作站,内嵌了一块PCI-6052多功能数据采集卡,PCI-6052多功能数据采集卡前置了一块SCXI-1120信号调理卡和配套的SCXI-1327衰减终端,用于采集待测电机工作电压和工作电流的输入信号。
2.2 实时监控模块
实时监控模块选用cFP分布式I/O实时系统,该系统具有FIFO数据队列、断电数据缓存、看门狗状态监测等单元以及高抗冲击性和高抗扰性等特性,用于完成系统最核心的实时采集与控制功能。采用cFP-2020作为实时系统控制器,支持LabVIEW RT实时模块,可脱离LabVIEW编程环境独立实时地运行下载到控制器存储器中的应用程序,并通过控制器内嵌的10/100 Base TX以太网接口实现测试数据的网络共享[8]。
一块cFP DI-330板用于响应紧急停车开关,紧急关闭系统,防止意外事故发生;一块cFP DO-403用于控制与各待测电机相连的固态继电器SSR,以实现系统对工作电路的闭合或断开;一块cFP AO-210板用于为测功机提供加载信号,以增大或减小待测电机所承受的负载,从而在一定的负载下对电动机进行控制。转矩转速测量仪输出的信号直接与计算机串口相连,利用LabVIEW的串口功能实现数据采集。
2.3 实时测温模块
实时测温模块同样选用cFP分布式I/O实时系统,采用cFP-2020控制器,配以4块cFP TC-120八通道热电偶模块,可直接用于测量标准J型热电偶,并提供相应的信号调理、输入噪声过滤、冷端补偿以及热电偶的温度算法,用于在电动机工作端实施前端数据采样,并利用基于TCP/IP协议的分布式I/O网络共享功能实现数据的远程共享。
2.4 测功机
电涡流测功机由制动器、测力机构和测速装置等几部分组成。制动器调节原动机的载荷,并同时把所吸收的原动机功率转换为热能,水冷系统进行热量的转移。测功机是根据作用力矩与反作用力矩大小相等方向相反的原理来测量扭矩,因此所测扭矩可以通过作用在测功器上的旋转力矩(即制动器外壳反力矩)来指示。
电涡流测功机主要由旋转部分(感应体)、摆动部分(电枢和励磁部分)、测力部分和校正部分组成。感应体产生涡流的地方在导磁涡流环的孔壁上。给励磁绕组通上直流电后,围绕励磁绕组产生一个闭合磁通。当感应体被原动机带动旋转时,气隙磁密随感应体的旋转而发生周期性变化,在涡流环孔壁表面及一定深度范围内将产生涡流电势,并产生涡流,该涡流所形成的磁场又与气隙磁场相互作用,产生了制动转矩,采用相位差转矩转速传感器测量转矩和转速[8]。
2.5 转矩转速传感器
海安航天机电生产的CGQ型转矩转速传感器,主要由扭力轴、转筒及壳体等三部份组成。磁检测器包括配对的两组内、外轮,永久磁钢和感应线圈。外齿轮安装在扭力轴测量段的两端,内齿轮装在转筒内,和外齿轮相对,永久磁钢紧接内齿轮安装在转筒内,感应线圈安装在壳体的两端盖内。在驱动电机的带动下,内齿轮随同转体旋转。永久磁钢,内外齿轮构成环状闭合磁路[9]。
当扭力轴受到扭矩时,产生扭角。扭角的变化即扭矩的变化,也即相位差的变化。
2.6 控制机柜
控制机柜主要由控制开关、开关电源、滤波器以及连接线路组成,为各路传感模块提供相应的多路接口,使之与待测电机连接,并提供安全的系统供电、激励注入、信号隔离、幅度调节以及风冷控制等辅助功能,为整个电动机测试系统提供强电支持及系统应急措施。
3 软件结构及算法
3.1 软件结构
电动机性能虚拟仪器测试系统总体采用一种基于TCP/IP协议的客户机/服务器(CS)结构。服务器架构为cFP分布式I/O体系,利用其内嵌的独立式实时系统实现目标参量的信号采样,并完成对目标参量的实时监测和控制。客户机则采用通用的PC机结构,借助TCP/IP协议实现与服务器之间控制参量及检测数据的通信,并提供GUI图形化用户界面,实现人机交互,完成控制参数的输入以及检测数据的分析、运算和图表显示[10]。
3.2 PID控制算法
该系统试验了位置式、增量式和积分分离式三种PID控制算法[1]。
3.2.1 位置式控制算法
位置式PID控制算法描述为:
式中:k为采样序号,k=0,1,2…;u(k)为第k次采样时刻的计算机输出值;e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值;KI为积分系数,KI=KPT/TI;KD为微分系数,KD=KPTD/T;KP为比例系数,TI为积分时间常数,TD为微分时间常数,T为采样周期。
该算法的优点是原理简单,易于实现;缺点是每次输出均与先前状态有关,要对e(k)进行累加,运算工作量大,而且输出的u(k)对应的是执行机构的实际位置,如计算机出现故障,u(k)的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。
3.2.2 增量式控制算法
增量式PID控制算法为:
式中Δe(k)=e(k)-e(k-1)。
该算法的优点是:由于计算机输出增量,误动作时影响小。当计算机发生故障时,由于输出通道或执行装置具有信号锁存作用,故仍能保持原值。控制增量Δu(k)的确定仅与最近k次的采样值有关,易通过加权处理而获得较好的控制效果;其不足之处在于积分截断效应大,有静态误差,溢出的影响大。
3.2.3 积分分离式控制算法
积分分离PID控制算法为:
式中:β=1;|e(k)|≤εβ=0;|e(k)|>ε。
当|e(k)|>ε,即偏差值|e(k)|比较大时,采用PID控制,可避免过大的超调,又使系统有较快的响应;
当|e(k)|≤ε,即偏差值|e(k)|比较小时,采用PID控制,可保证系统的控制精度。
经过试验比较,采用积分分离式PID控制算法将过渡过程时间由位置式的19.5 s和增量式的16 s缩短为12 s,最大超调量由位置式的36%和增量式的25%缩小为18%,具有超调小,响应速度快,稳定性能好,遇干扰回复能力强等优点。
4 结 语
该电动机性能虚拟仪器测试系统,理论上可以实现直流电机的负载控制以及对扭矩、转速、功率以及温度的实时监测,并利用TCP/IP协议可实现主控机对直流电机的远程操控以及测试数据的网络共享。
摘要：虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术两门学科的结晶,在此将现代虚拟仪器技术应用于船载测控雷达直流电机测试,设计了船载测控雷达直流伺服电机的在线测试系统,使用PID控制算法控制定标参量,通过TCP/IP协议实现了测试数据的远程共享和用户对测试系统的远程操控。该系统可以实现直流电机的负载控制以及对扭矩、转速、功率以及温度的实时监测。
关键词：虚拟仪器,电机测试,PID,TCP/IP
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虚拟仪器设计技术 篇9
关键词：虚拟仪器技术,输电线路,故障仿真,故障录波
0 引言
随着电网的发展,电网故障时产生信息量越来越大,故障类型越来越复杂,研究新的适应电网发展的继电保护原理对确保整个电网安全稳定运行尤为重要[1]。任何继电保护新原理的提出必须经过仿真验证,确保保护原理的可靠性和有效性。
故障仿真一般可分为数字仿真和物理模型试验。数字仿真一般用软件实现,如EMTP、EMTDC等,也有软件硬件相结合的实时仿真系统,如RTDS、RT-LAB。物理模型实验是根据系统模型参数按一定比例缩小的一个用物理元件建立的电力系统模型[2]。业内人士认为动模试验是最接近电力系统实际运行的仿真手段,但动模试验耗资巨大,因此研究一个低成本的物理模型和数字仿真相结合的输电线路物理仿真系统具有重要意义。
虚拟仪器(Virtual Instrument)是一个按照仪器需求组织的数据采集系统[3],为故障数据分析的可视化研究提供了良好的平台。本文建立低成本的输电线路微型物理模型,采用数据采集卡获取故障电气量信息,利用LabVIEW+MATALB进行故障数据分析。本文所研究基于虚拟仪器技术的输电线路微型物理仿真系统能够直观展示故障过程和故障信息。
1 输电线路物理模拟仿真系统
基于虚拟仪器的输电线路微型物理仿真系统主要包括输电线路微型物理模型和故障信号采集与分析两部分。仿真系统的框图如图1所示。
故障信号由输电线路微型物理模型产生,微型物理模型以电力电容、电力电感等真实物理元件组成。数字仿真软件和实时仿真系统的故障信号均以程序计算产生,因此本仿真系统具有一定优势。故障信号经信号调理电路和数据采集卡进入计算机进行分析与储存。
1.1 输电线路微型物理模型
本文以单端电源、双端带并联电抗器的输电线路系统为设计对象,系统示意图如图2所示。
图2中,L1、L2为输电线路并联电抗器,R为变压器内阻,S为三相负载,KM1、KM2为接触器,CT1、CT2为电流互感器、PT1为电压互感器。K1～K5为线路模型故障点。
输电线路微型物理模型与动模试验物理模型类似,但系统容量小,电压低,因此成本比动模试验要低的多。如图3所示,线路微型物理模型主要有电源、负载、线路模型、继电保护、故障控制这5个模块组成。
故障仿真系统以自耦调压器的副边输出作为模型系统电源;3个调节变阻器以星形方式连接作为系统负载阻抗;短路控制模块由单片机、中间继电器、接触器和故障电阻组成,通过编写单片机程序控制故障性质、故障持续时间,中间继电器实现微机与短路点的电磁隔离,接触器作为短路的接入点;继电保护功能由电流继电器配合接触器完成,接触器不仅完成跳闸任务,还实现跳闸后自锁功能。
线路模型是整个故障仿真系统最重要的组成部分,直接关系到仿真系统产生的故障信息的准确性,线路模型由集中参数的∏模型代替分布参数模型,∏模型的结构如图4所示。
图4中,R1、X1为线路阻抗,RD、XD为零序补偿阻抗,Cm为相间电容,C0为零序电容。理论上,∏模型越多,物理模型越接近实际线路,仿真结果越准确,但成本越高。一般100 km以上输电线路应由5个以上的T模型才保证波形的局部误差较小。因此输电线路模型∏的数量由线路长度决定。∏模型中的参数由线路原型系统和系统模拟比决定。线路元件电感、电容为电力元件,由于线路电阻和地电阻阻值较小,在模型设计时将线路电感和补偿电感的电阻作为线路电阻和地电阻。
1.2 故障数据采集与分析
1.2.1 故障数据采集
故障信号采集模块的采集由信号调理电路、数据采集板卡、上位机软件组成。仿真系统的故障电压和故障电流由微型电压互感器和电流互感器将信号传变到信号测量端,再由信号调理电路将信号转换到数据采集卡允许的电压范围内。
微型互感器的接线方式主要由两种方法:1)互感器二次侧直接并入电阻取得电压,但电阻太大时互感器线性变差,相移曾大;2)互感器二次侧接运算放大电路,保证信号采集电路的驱动能力。本文采用第2种方法,以微型电流互感器为例,信号采样电路的接线示意图如图5所示。
信号采样驱动电路的输出端接数据采集卡。一般信号测量模式可分为单端测量模式和差分测量模式,差分测量模式比单端测量模式更为准确,但采样1路信号需要占用数据采集卡的2个模拟输入端口,在模拟输入端口够用的情况下应优先采用差分模式测量。考虑到采样电气量较少,采样频率不高,因此本文选用NI公司的数据采集卡USB6009。USB6009提供了8个模拟输入/4个差分输入、48 kS/s最大采样频率、14位单端模式分辨率/13位差分模式分辨率,且其数据传输总线采用USB2.0,能够方便的实现与上位机的连接。
上位机软件LabVIEW与数据采集卡的连接需要驱动软件DAQmax。数据采集任务的创建可由3种不同方式实现。1)DAQmax软件不仅是采集卡与LabVIEW的驱动,在其软件界还可以直接创建数据采集任务,任务创建完成后可在LabVIEW软件程序框图中自动生成LabVIEW代码。2)LabVIEW提供了数据测量VI,使用这些vi创建数据采集任务。3)使用Express VI中的数据采集助手可更方便的创建任务,大大缩短项目开发周期。在创建数据采集任务时可根据需要配置测量模式、采样通道、采样模式、采样率和采样数。
1.2.2 故障数据分析
采集到的故障数据可直接在Lab VIEW中实时或离线的进行分析,也可以间接利用常用数据处理工具MATLAB进行分析。LabVIEW提供了大量的信号处理vi,如FIR滤波器、IIR滤波器、FFT频谱分析、信号普分析、信号幅值测量、对齐重采样等,对于运算量小的信号处理算法可实现实时信号处理。LabVIEW在信号处理之后可将数据以多种方式储存,如Excel、文本(LVM)、TDMS或TDM格式。
通常LabVIEW能够独立完成对信号的分析处理,但在—些特殊情况下需要更专业的信号处理工具MATLAB对信号进行分析。这涉及到Lab VIEW和MATLAB的混合编程,混合编程主要可由以下3种方式实现[4]。
(1)MathScript节点。MathScript节点是LabVIEW8以后推出的面向数学的文本编程语言,其语法与MATLAB相似,可直接在MathScript节点中编写M文件[6]。本文经试验证明,其矩阵运算速度与MATLAB相比相差甚多。
(2)MadabScript节点。MatlabScript节点实际上是调用MATLAB程序,因此使用MatlabScript节点实现与LabVIEW的混合编程的计算机必须装有MATLAB软件。MatlabScript节点可直接导入M文件,在程序运行时会弹出MATLAB Command窗口。
(3)ActiveX技术。Lab VIEW提供了ActiveX模块,通过参考(refnum)来调用MATLA B ActiveX提供的接口函数与MATLAB进行交互,此方式对MATLAB具有更加强的控制。
此外,NI提供了可将TDMS或TDM格式的数据导入到MATLAB中的M文件,利用此方式处理信号可以完全脱离LabVIEW软件,在熟悉的MTALAB界面方便的对信号进行分析处理。
2 仿真测试
利用输电线路微型物理仿真系统对以下几个方面进行测试。
(1)故障过电压。过电压在确定设备绝缘水平中起着决定性作用,直接关系到电力系统能否安全稳定运行[7]。采用差分测量模式,连续采样方式,采样频率10 kS/s,采样数1 000。端电压和并联电抗器过电压过电流故障波形如图6所示。
由图6可知,在故障切除瞬间,端电压有约1.5倍的过电压,并联电抗器电流有约1.25倍的过电流。
(2)故障恢复电压。故障恢复电压特性研究对自适应重合闸领域的故障性质识别具有重要意义[8]。瞬时性故障和永久性故障的恢复电压波形如图7所示。
将故障数据导入MATLAB,利用MATLAB提供的Prony信号处理工具对恢复电压进行分析,Prony分析结果的信号主要分量如表1所示。
3 结论
基于虚拟仪器的输电线路微型物理仿真系统能够较好的反映输电线路故障特征信息。本文设计的基于虚拟仪器的输电线路微型物理仿真系统具有以下优点。
(1)仿真系统由真实物理元件组成,测量得到的故障信息接近实际故障信息。
(2)与动模试验相比,仿真系统不需发电机等大型电力设备,成本低,实现简单。
(3)虚拟仪器技术方便的实现了仿真系统故障数据的获取与分析。
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虚拟仪器设计技术 篇10
靶场承担武器系统研制、鉴定和已定型武器的批检等试验任务。长期以来，受武器系统研制部门体制、采用技术、使用目的和载体等诸多因素限制和影响，国内一直没有统一的武器系统靶场试验对外信息传输标准和规范。因而，传统武备数据采集设备一直沿用针对被试武器系统型号的思路和方法进行设计，导致此类设备型号复杂、通用性差、采集信号种类单一、通道容量小、升级改造困难。直到虚拟仪器技术的出现，才使得上述问题得以解决。
虚拟仪器(Virtual Instrument, VI)由计算机硬件资源、模块化仪器和应用软件组成。通过软件控制，由模块化仪器对测量信号进行采集，采集完毕后，再由相应软件进行数据分析处理，最后通过图形用户界面等方式将结果提供给用户。因为虚拟仪器的功能和面板可以由用户根据需要自行定义或扩展，而不是由厂家事先设置且固定不变，所以用户不必购买多台功能不同的仪器或昂贵的多功能传统仪器，从而节约了大量经费。
在虚拟仪器的实际应用中，由于开发商是针对大部分用户进行设计，将其引入靶场数采系统，还应解决时间同步与实时性等问题，目前这些问题已找到了解决方法。
（二）设计原则
1. 引入虚拟仪器测试概念，利用软件重组与重构等先进技术，使系统具有模块化、网络化、分布式、通用性强等特点;
2. 满足武器系统数据录取方案文件的要求，采用先进的系统总线，组成性能高和扩充性好的采集与处理系统，提高系统的硬件扩充性、软件支持性、计算速度、计算精度、总线带宽等;
3. 外购部件选用如NI、研华等知名厂家的高性能工业控制产品, 自主开发部件采用经过试验证明是成功和成熟的技术;
4. 在满足技术协议书要求的前提下，综合平衡的开展可靠性、维修性、安全性、电磁兼容性设计，以求获得最佳的效能;
5. 实时、适用、可靠、配置和管理简单灵活、界面友好。
（三）硬件设计
1. 系统组成
该数据采集系统由采集器1、采集器2、采集器3、信号模拟子系统、信号调理箱、事后数据处理设备和软件等组成。系统组成如图1所示。
介于系统规模较为庞杂, 各采集器内部仅仪器模块配置有所不同，下面只对采集器1的组成进行详细介绍。
采集器1由美国NI公司的基于工业环境的PXI数据采集产品组成，是具有开放的硬件体系结构和软件开发平台的多功能多目标采集器。采集器1机箱为PXI机箱 (PXI-1010) ，内部配置为一个PXI控制器 (NI-8175) 、一块RS232通讯接口模块 (PXI-8240) 、一块RS422/485通讯接口模块 (PXI-8241) 、一块直流电压量采集模块 (PXI-6030E) 、一块指令信号采集模块 (PXI-6527) 、一块脉冲频率/IRIG-B码(或GPS)信号采集模块 (PXI-6608) 、两块直流电压量调理模块 (SCXI-1120D) 、一块以太网接口卡(PXI-8210)、一套计算机外部设备、一套信号调理箱。
PXI主机和显示器构成一个监测主机，被测信号通过信号调理系统进行电平转换、功率放大及滤波等处理后，输入给信号采集模块。采集的数据和处理结果可在显示器上进行显示。图2是采集器1的仪器模块组成图。
2. 系统功能
系统可以采用独立工作模式，也可以采用组网工作模式，以适应不同试验任务的需求。各采集器之间可以通过IRIG-B码、GPS或者内同步信号方式实现同步采集。
采用独立工作模式时，采集器1、采集器2、采集器3可以独立工作，完成各自的数据采集与处理任务。采集的数据及处理结果存储于各自的存储设备上，并可在显示设备上以图形及表格形式显示。
采用组网工作模式时，三个采集器通过网络连接组成一个以太网，实现集中操作和管理，即可在任意一台采集器上对系统进行操作和管理。
信号模拟子系统可模拟多种不同类型信号，并通过测试电缆传送给采集器，完成系统调试、自检、维护等工作;或模拟空中或海上目标信息供其它参试设备调试时使用;也可用于水兵训练时的目标指示信息模拟。
信号调理箱可将被测设备输出的小信号模拟电压放大到能满足A/D转换要求的输入电压，对于超过A/D转换模块输入电压幅度范围的信号进行等比例衰减。当被测设备以电流为输出信号时，将电流信号转换成电压信号。当被测设备输出脉冲频率信号满足TTL电平要求时，直接连入采集器相应仪器模块进行采集;不满足时，进行放大或衰减后再送入相应的采集器。
事后数据处理设备通过以太网与各采集器连接，接收其采集、录取的数据，并对其进行事后分析处理。
（四）软件设计
操作系统选Windows2000专业版，开发软件平台使用基于虚拟仪器概念的美国NI公司的LabVIEW7.1和Microsoft公司的Visual C++6.0，数据库管理软件采用Microsoft SQL Server 7。下面以采集器1为例进行说明。
1. 采集器1的软件实现
基于G语言的LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)将简单易用的图形化开发方式和灵活强大的编程语言的优势合二为一，提供了直观明了的图形化开发环境，是开放且符合工业标准的软件，其内置编译器加快了运行速度，可与大量硬件接口紧密结合。以Lab VIEW为平台开发的应用软件具有通用性和可重构性，将各采集卡的采集功能编写成模块，使得用户可以根据具体的任务需求选择和配置采集通道，并调用相应的模块完成特定的采集工作。
2. 采集器1软件结构
采集器1主要由5个模块组成：SETTING模块、COLLECT模块、FILEMANAGE模块、REC_NET.VI模块、HELP.VI模块。
SETTING模块：实现对采集任务的任务名称、采样通道和采样方式的设置，以及对采集器主、从工作模式的设置;
COLLECT模块：实现采集器的数据采集、处理和显示数据信息;
FILEMANAGE模块：实现采集器数据文件的管理和通过网络上传或下载数据文件;
REC_NET.VI模块：实现回显数据库中保存的试验数据;
HELP.VI模块：实现显示数据采集与处理系统工作原理、组成、操作使用说明等。
3. 采集器1软件功能：
a.实现RS-232、RS422/485的数据采集;
b.实现脉冲频率信号采样;
c.实现指令信号采样;
d.实现直流电压量采样;
e.接收同步信息;
f.采集设备自检;
g.实现数据的网络接收和上传;
h.实现对采集数据的显示、处理、保存、查询、检索等功能。
4. 数据库设置
LabVIEW可以提供对数据库的访问，但是必须通过某个工具软件。在本系统的开发中使用的是LabSQL。它的安装步骤是把LabSQL共享工具解压缩后放在LabVIEW安装路径下的LabVIEW 7.1文件夹里面的user.lib文件夹下，而后打开LabVIEW，在子VI的Diagram面板察看Functions下的user libraries下是否有LabSQL控件。如果有就可以打开本控件，使用里面的功能函数编写程序了。
5. 数据文件说明
本系统使用的文件有三种：任务设置文件、任务数据记录文件和单板模块数据记录文件。任务设置文件用于记录数据采集任务的运行参数信息，任务数据记录文件用于记录数据采集的原始信息，单板模块数据记录文件用于记录单板模块测试的原始数据，该文件为二进制文件。任务设置文件存储在数据库中，名称为“任务设置记录表”;任务数据记录文件同样由数据库管理，文件名称由任务名称和系统当前时间组成;单板模块数据记录文件的名称由用户自行定义，以二进制文件形式存储在硬盘的任意位置，文件扩展名为.bin。
“软件就是仪器”为现代数据采集系统的设计提供了新的思路，即在硬件结构搭建完毕后, 系统功能依靠软件定义来确定，从而实现系统灵活配置，便于设备更新和功能转换与扩充。
（五）结束语
该系统具有模块化、网络化、通用性强等特点，其通过软件重组与重构等技术，可适用于多种不同型号的武备试验数据采集任务需求。由于该系统采用分布式结构，明显减少了内部电缆使用数量，因而便于在舰船上任意方便的位置进行安装，并且无须考虑被测信号长距离传输造成的测试精度下降和对被试设备可能产生的影响。以模块化仪器替代传统仪器，不仅能够有效降低研制成本，加快研发进度，同时也减少了设备的体积和重量，这对于在空间狭小的舱室内进行试验工作具有一定的便利性。
参考文献
[1]扬乐平, 李海涛, 等.LabVIEW高级程序设计[M].清华大学出版社, 2003, 4.
[2]蔡小斌.综合数据采集技术的发展及应用[J].测控技术, 1999, 9.
虚拟现实技术在景观设计中的应用 篇11
关键词：三维模型；虚拟现实技术；景观设计；辅助工具
三维虚拟现实技术又称为灵境技术，它是一门崭新的综合性信息技术，融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，从而大大推进了计算机技术的发展。虚拟现实根据设计者的构想，用户可以沉浸到数据空间中，将用户在一定时间内与现实环境相隔离，然后投入到可实时交互的虚拟环境中，并且驾驭其中的数据，使人有一种身临其境的感觉。
一 虚拟系统的组成
虚拟景观环境主要包括两个部分模型环境和实时漫游环境（见图）：
二 运用虚拟现实技术辅助景观设计的工作流程
工作流程：收集资料→构建三维场景→基于平台实现集成。
（1）模型制作
设计一个虚拟现实系统最关键的问题在于如何构建一个逼真的虚拟环境，包括三维场景、立体声音等等。在人的感觉中，视觉摄取的信息量最大，约占70%，反应亦最为敏捷。场景太简单，会使用户觉得虚假，而复杂逼真的场景又势必会增加交互的难度，并影响实时性。虚拟景观环境视觉建模中可分为：地形模型、建筑模型、地物模型三类。
（2）地形模型建模
地形是自然界最复杂的景物，对于地形平坦或起伏较小的作业区，一般不考虑地形变化而用简单的几何模型来代替，如城市的街道等。对于公园、广场等地形变化不是很复杂的区域，则可以选用手工生成地形的方式。可以在3DSMAX中跟踪绘制等高线，然后根据每根等高线的高程分别移动，应用“合成物体”中的“山脉生成命令”，将各条等高线曲线加入山体中，这样地形就大体形成了。如果只是少量的地形变化，可以采用“NURBS Surfaces”命令，创造一个控制点曲线，通过编辑个别曲面控制点来达到所需地形效果的目的。对于山丘、山林等复杂地形的地域，可以借助灰度图像来完成。使用3DSMAX中的位移（Displace）修改器制作。位移修改器通过对三维物体施加一个灰度图，利用图像的灰度明暗变化来改变对像表面结构以形成高低错落的地形地貌。
（3）建筑模型建模
对于简单的建筑，按照实际尺寸大小根据平面图在3DSMAX中用Line勾勒出建筑的底线轮廓，Extrude拉伸一定高度，形成建筑的大体轮廓，然后采用一系列操作添加门、窗、楼梯、栏杆等细节。对于结构复杂的景观古建筑，我们则采用贴图代替法。如南宁市“金汇如意坊”模型的建造。“金汇如意坊”是南宁市政府重点建设项目，它汲取中国传统建筑的精粹，整个建筑群呈现“如意”的形状，中式花街建筑群空间错落有致，其中十层高的“邕城楼”，雍容大度、气势非凡。该模型的建造就是利用逼真的纹理来表现模型的细节，在保证真实度的同时又不增加三维几何造型的复杂度，达到减少模型多边形数量的目的。尽管纹理贴图增加了下载时间和屏幕重画时间，但这比建造物体细节代价要小得多。
三 注意事项
一个VR模型的基本内容包括场景尺寸、单位、模型归类塌陷、命名、节点编辑，纹理、坐标、纹理尺寸、纹理格式、材质球等，它们必须是符合制作规范的。一个归类清晰、面数节省、制作规范的模型文件对于程序控制管理是十分必要的。在建模过程中还需要注意一下几点。
（1）比例、尺寸
在建模之前首先要确定单位，一般应用mm。在制作场景中的单体时，在有CAD图的情况下要严格按CAD建模，没有CAD图时，要参考照片、视频等资料进行建模，参照其他物体尺寸，符合常理。
（2）材质和贴图
材质标准：材质类型只能是标准材质和多维材质。Specular Level和Glossiness属性在导入到map中后将不可调节，必须前期在max中将其设置好。一般模型的材质不勾选双面；对于带有透明贴图的单面物体必须选择双面，如栅栏、树木、花草等。Ambient: 默认灰色。Diffuse: 默认灰色Self-Illumination:一般设为20-30°多维材质中没有空的（指没有指定贴图同时也没用到的）子材质。子材质的ID号必须是连续的。不能出现多维材质嵌套。材质属性Coordinates一栏中的参数都禁止改动。
（3）模型的细化
当场景模型经过最初建立、简化后，需要进一步的细画。在进行细化时，首先考虑添加能够使场景能够丰富的元素。为节省面数而用纹理表现的部分大多是建筑的细节，例如建筑立面的线条、窗框、立面上的突出物。制作时只需要在原有简模的基础上添加这些细节，使用目前建筑所用的纹理即可，这样可以在不增加纹理的基础上丰富场景。这些细节可以通过LOD控制在场景中的计算显示。模型细化在操作时布尔减操作通常要避免使用，因为它容易出错如扭曲模型、丢失面和增加许多无用的面。有两种方法可以取代布尔操作：通过样条突出二维图形和在网格模式编辑副选项。
（4）模型的优化
影响虚拟平台最终运行速度的三大因素为：VR场景模型总的面数、VR场景模型总的个数、VR场景模型总的贴图量。采用的应对办法有：① 忽略看不见的细节，忽略对整体视觉效果影响不大的细节。例如，如果建筑内部不必显示，则用实心体来代替。② 用纹理表现一些细节。③在不失精确度的前提下缩减模型的段数。段数和视觉效果之间的平衡是很重要的。当模型的段数增加，模型的平滑性会更好，但是数据量也就随之变得更大。④编辑模型的子对象和删除对场景效果影响甚微的子节点。
（5）灯光烘焙
为了让产品表现真实的光影效果，需要在3DSMAX里进行灯光设置，进行Rendertotextur烘焙处理。烘焙能把在非实时环境中渲染完成的灯光材质等效果转换到实时交互的环境中去，因此烘焙纹理的质量直接影响最终效果，提高烘焙技术非常重要。
参考文献
[1] 吴启迪.系统仿真与虚拟现实[M]. 北京:化学工业出版社，2002（10）.
虚拟仪器设计技术 篇12
随着电力系统的快速发展, 设备运行的可靠性显得越来越重要, 因此提高设备的运行可靠性是保证电力运行的关键[1,2]。介质损耗因数tanδ 是反映高电压电气设备绝缘性能的一项重要指标, 通过测量tanδ 可以反映出绝缘的一系列缺陷, 尤其是电容型设备, 电容型设备的tanδ 检测是极为重要的, 通过检测介质损耗角来及时发现设备的绝缘缺陷, 是保证高压电力设备运行的有效手段之一。因此如何有效排除测试现场强大的电场干扰, 准确地测出电力设备的绝缘介质损耗角tanδ 是当前介损测量技术的重点[3,4]。
因此, 文章利用过零时差比较法检测方法, 设计了一套集高精准电压与电流检测传感器、高速度数据采集装置以及过零时差比较计算介质损耗因数算法于一体的介质损耗在线检测装置, 并采用美国NI公司的LABVIEW软件作为开发平台, 编写了一套稳定、方便、实用、有效的介质损耗在线检测软件。
1 介质损耗因数检测原理
检测介质损耗因数传统的方法是电桥测量法, 但是其受各种硬件的问题以及外界干扰的影响不能得到广泛的使用。为了具有较好的抗干扰性与提高检测精度, 文章采用过零时差比较法对电容型设备的介质损耗因数进行检测。过零时差比较法是一种相位转化为时间测量手段的方法, 根据信号采集系统采集的电流和电压信号, 再用软件进行过零点的提取, 并通过数值计算得到电压电流的信号相位差[5,6], 通过相位差计算出设备的介质损耗因数tanδ。
通过测得时间差, 然后时差△T转换为相位角, 再根据已知正弦波的周期T, 按公式 (1) 中计算, 进而根据公式 (2) 计算介质损耗因数tanδ。
这种方法具有测量分辨率高, 线性好, 易数学化的优点[7,8], 正好结合虚拟仪器在信号处理上优势, 使其实现起来更加简便与精准。
2 装置的结构与功能设计
文章利用过零时差比较法检测介质损耗因数原理与虚拟仪器技术, 设计一套集高精准电压与电流检测传感器、高速度数据采集装置以及过零时差比较计算介质损耗因数tanδ 算法于一体的介质损耗在线检测装置。
文章通过电流互感器采集电容型设备的电流信号, 使用分压器进行电压信号的采集, 由于采集的电压与电流信号有可能会出现过电压与过电流损害装置, 因此电流互感器与分压器的信号都接入信号保护单元, 信号保护单元将限制了过高电流与过高电压对采集装置的影响, 信号保护单元与采集装置可能出现阻抗不匹配的情况, 由此必须设计阻抗匹配电路来保证采集装置能够准确采集信号。
文章设计的基于虚拟仪器技术的介质损耗在线检测装置具有如下几个功能:
(1) 利用过零时差比较法计算介质损耗因数; (2) 以具有较强特性的虚拟仪器为平台开发了监测软件; (3) 设计的电流电压传感器精度高, 抗干扰能力强; (4) 实时检测采集的电压信号与电流信号; (5) 界面具有较强的人机互动性。
3 上位机软件系统设计
结合虚拟仪器技术进行检测系统的设计, 利用LABVIEW进行系统设计具有操作简便, 算法实现简便等特点[9,10]。根据对系统功能的要求, 文章监测系统采用NI公司的LABVIEW 2014 作为软件开发平台。
就地监测层采集了电压与电流数据后, 上传到主机后, 主机进行时差与相位计算后得到介质损耗角 (文章显示的是介质损耗因数tanδ) , 软件监测界面如图1 所示:
4 结束语
文章所设计的利用过零时差比较法检测方法与虚拟仪器技术相结合的介质损耗因素检测装置, 首先建立了过零时差比较法检测数学模型, 其次分析了硬件电路的具体实现方法, 其次设计了电压与电流信号采集传感器、高速信号采集装置以及阻抗匹配电路, 最后结合虚拟仪器开发平台, 完成软件界面的设计, 数据的分析与调用等。
参考文献
[1]徐志钮, 律方成, 汪佛池, 等.用加Hanning窗插值高正弦拟合法测介损角[J].高电压技术, 2007, 33 (4) :50-53.
[2]李丽.电容型设备介质损耗因数在线检测技术的研究[D].河北农业大学, 2006:5-12.
[3]金鑫.虚拟仪器及小波分析技术在电容设备绝缘介损在线检测中的应用研究[D].广西大学, 2005:6-13.
[4]李冰林.介质损耗因数在线检测的研究与实现[D].景德镇陶瓷学院, 2007:4-11.
[5]郝西伟, 杨大伟, 刘广艳, 等.高精度FFT算法在介损监测中的理论与仿真研究[J].高压电器, 2009, 45 (2) :57-61.
[6]柴旭峥, 关根志, 文习山, 等.tanδ高精度测量加权插值FFT算法[J].高电压技术, 2003, 29 (2) :33-34.
[7]万全, 高云鹏, 罗志坤, 等.基于Nuttall窗频谱校正的介质损耗因数测量[J].仪器仪表学报, 2010, 33 (1) :15-20.
[8]黄顺建, 刘建华, 孙亮, 等.介质损耗监测算法的MATLAB仿真分析[J].中国新技术新产品, 2009 (10) :38-39.
[9]National Instruments Corporation.Using External Codein LabVIEW[Z].2000:23-28.
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