虚拟仪器平台（共12篇）
虚拟仪器平台 篇1
随着生活质量的提高,速降系统在极限运动与安全救生等领域有着广泛的应用前景[1,2]。传统速降系统大多采用嵌入式的闭环控制,系统开发难度大周期长并且成本大,另外维护困难也限制了其推广与普及。
本文采用美国National Instruments公司(NI)的嵌入式采集和控制平台Compact RIO(c RIO),通过图形化开发工具Lab VIEW控制硬件步进电机,采用开环控制,使得系统结构较为简单、控制成本低且易于维护。
1 设计原理
基于最优的简单速降算法,认为下降过程由3个过程组成:匀加速下降、匀速下降与匀减速下降,并且在减速为零时着地,如图1所示。其中,Vm是允许最大速度,a1与a2分别为允许最大加速度。
在任意时刻t0开始的足够短时间Δt内,认为降落是匀速运动,且下降距离为ΔS,则在t0时刻前已降的S降与剩余的S剩均可求出。通过t0时速度V与Vm比较,以及从Vm最大减速下降距离S降max与S剩比较,确定加速、允许或者减速的策略。整个下降过程分解成若干这样的小段组成,每个小段的速度较之前增加、保持或减少实现加速度的控制。
2 系统组成
虚拟仪器具有高效开放、易用灵活、功能强大、可操作性好等明显优点[3]。NI Compact RIO是一种小巧而坚固的工业化采集和控制系统,集成了嵌入式实时(Real-Time)控制器、现场可编程门阵列(FPGA)和可重配置I/O(Reconfigurable I/O,RIO)模块[4,5,6]。Lab VIEW是一个功能完整的虚拟仪器软件开发环境,同时也是一种功能强大的编程语言。
本文采用NI Compact RIO 9012+NI 9101+NI 9401硬件系统,软件系统采用NI Lab VIEW v8.6.1+Real Time Module+FPGA Module,执行机构为步进电机,由中芯精控电机有限公司的CCC-SP3016型步进电机驱动器驱动。系统在c RIO平台下,由数字信号模块NI9401输出频率可调方波,通过CCC-SP3016驱动步进电机转动,实现快速下降的目的。
3 软件设计
Compact RIO系统的软件分为三个部分:PC上位机的控制软件,RT下位机的实时系统软件与FPGA控制软件。其中上位机方便控制并提供操作界面,FPGA为具体控制核心,RT则为两者的桥梁与缓冲,其核心部分是FPGA编程。
根据前文分析,设置降落离地安全距离为SOK,若初始的速度为V0,则每个小段内的流程如图2所示。
4 实验测试
实验采用步进电机最高转速4.887r/s,线盘外径D=152mm,厚度h=15mm,钢索直径小于1mm,长度大于10m,重物质量约为1500g。
根据实际情况,设置时间段△t=0.1s,加速度a1=0.04m/s2,a2=-0.08m/s2,重物下降最高速度Vm=1500mm/s,另外,设置安全距离为Sok=0.05S。实验结果如表1所示,可以看出速降系统动作迅捷,控制误差效果良好。
表中,T为运行时间,SΔ为下降误差
5 结论
通过NI Lab VIEW、Lab VIEW RT模块和Lab VIEW FPGA模块编程开发基于NI Compact RIO的简化速降系统,采用匀加速直线运动的控制策略,可以满足平稳速降要求,并且运行精确,具有一定的参考意义。
参考文献
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虚拟仪器平台 篇2
2005年，友联第三社区成功为辖区3000多户居民打造出了属于自己的数字化平台——“友三网”。通过这一平台的构建，拓展出了一条社区法制宣传、教育的全新渠道。
一、基本情况
友三社区成立于2003年9月，共有5个住宅小区、26万平方米，居住人员达3377户，10000余人。在社区建设和发展过程中，我们依托社区户籍家庭电脑普及率超90%的基础现状，在多次调研探索后，于2005年成功架设社区网站“友三网”。经过六年时间的运行，网站已日趋成熟，居民会员总数达到了2100多人，更有累计达近三百万次的点击次数。不仅被包括扬子晚报、苏州日报、姑苏晚报等多家媒体喻为“全国社区居委会第一网”,还接受国务院调研，得到了省、市的各类表彰。
二、成立背景：
自社区成立后，社区法制教育工作在街道的指导下，初步形成了运作机制较为合理、教育活动丰富活跃、社区居民积极参与的良好态势。但是，随着社区居民需求日益多元，我们发现，法制教育的内容和形式、手段和途径、时间和空间都受到了限制。而另一方面，如今Internet互联网的普及，使居民，尤其是年轻族、上班族的许多社会活动都在网上进行，但是缺少规范性、有序性。在这样的背景下，为了更好地解决这些问题，使社区法制教育凸现便捷性、时效性，就打造出友三网这一平台，希望通过构建这种新的平台，进一步来拓展社区法制宣传教育。
三、主要做法：
在打造“友三网”这一平台的过程中，社区从“亲民”着手，贴近民生、惠及百姓，把它做成居民自己的“草根”平台。
一是做实基础。社区在街道的帮助下，落实了软、硬件设施，制定了较为完善的规章制度，建立了优秀的管理和维护队伍，这些都为建好网站奠定了良好的基础。在后期运行上，社区参考其他网站运营经验，针对“友三网”制定了专门的工作制度和指导流程。在内容上，除让居民原创外，社区还从互联网上取得了丰富的内容，适应了居民各方面需求。
二是丰富内容。社区借助网站这个优质平台，利用电子媒介，在其上开辟专栏，增设各式窗口，内容涵盖法制宣传、科普文化、卫生医疗、技能手艺、休闲娱乐、政策规章等各个方面,为辖区居民群众、甚至企业员工搭建起极具影响力的“虚拟社区”平台。
三是形式自由。在长期的工作中，社区发现，让居民之间相互影响、相互促进的做法比社区发动更具实效。社区网站充分利用这一点，以完全自由的形式对居民开放。社区通过鼓励居民将自己的心得、成果发布在网上，与其他人分享，由此来形成居民带动居民的良好氛围。
四是指导到位。由于辖区老年居民较多，新苏州人也占有重要一席，他们都没有基本的上网知识，甚至连如何上网都一知半解。为破除这一难题，提高在职居民的参与率和“友三网”的使用率，社区专门开办了计算机能力培训班，内容涵盖了打字、浏览网页、发表帖子以及回复帖子等基础内容。通过将培训人群分类、分批、分时间，聘请专业技术人员进行计算机操作等培训，使各类人群都能利用网络学习、交流。
四、取得的成效：
在网站运行几年里，总结下来有四个方面的成果。
一是扩大宣传和参与面。“友三网”实现了“宣传教育全天候”的目标，最大限度地改变了宣传教育和居民学习的格局，突破原有的局限性，成为社区开展教育和居民学习参与的“空中课堂”。通过网站，在职居民除了接受知识外还能及时了解社区发展最新动态，打破了一直以来在职居民的法制教育受惠面较窄的局面，全面提升了宣传教育覆盖率。
二是提升社区精神文化建设。“友三网”是一个虚拟社区平台，但它并不仅仅于此。丰富多彩的内容、为居民除困解惑的特色，更带动了大量居民自主参与社区，为自己的小区考虑、为社区建设出谋划策的良好氛围。在网站上，诸如诗歌、散文、小说，或者日记、随想、通讯„„形式多样的居民原创内容，更进一步在丰富社区网络文化之余，全面提升了社区精神文明建设。
三是为草根团队的发展提供空间。社区网站为“幸福联盟”发展提供空间，通过不同主题的讨论，一些有共同爱好和兴趣的居民渐渐走到了一起，有的自发组成团体，有的则成为“幸福联盟”所辖30个组织的骨干成员，网站为民间组织的壮大提供了无限可能。如社区幸福联盟团队之一的爱心编织团队，创办人肖萍从一开始在网上交流心得，发布成品图片后，吸引了不少爱好者共同探讨。随着交流的深入，20多人走出网络，相聚在社区，没多久就正式组建了爱心编织团队。
四是为“社区自治”提供有益尝试。社区网从互动着手，鼓励和支持让居民带动居民的形式学习，通过培养草根领袖，让居民以版主甚至管理员的身份，对网站进行日常管理，对网站中涉及到日常社区建设中所能遇到的绝大多数问题，如法律咨询、社区办事、投诉举报等内容都有涉及，使居民在日常学习浏览、发贴交流等行为中，接触社区，了解社区，为社区实现自治提供了有益尝试。
桌面虚拟设计平台走向实用 篇3
工程VDI使用基于桌面虚拟技术的先进图形处理功能，允许工程师访问服务器内的虚拟三维CAD工作站，并且在桌面环境上控制这些服务器。通过该技术，日产能够在服务器内储存最新数据，供分布在全球各地的各个团队随时访问，从而提高生产力和可用性，同时提高成本效率和灾难风险管理能力。
该全新平台是一个可全面扩展的下一代汽车设计解决方案，其服务器具备最先进的图形处理功能，并提供高性能存储、软件和网络加速技术，能支持企业在全球范围内采用工程VDI。在初始阶段，日产将在两个开发中心应用此平台，即日产北美技术中心和日产欧洲技术中心。日产希望通过该平台使分布于全球各地的站点获得相同的CAD生产力，并通过整合与改进基础架构管理，来大幅降低与未来系统增强、版本升级和经营成本相关的成本。此外，由于该平台能够灵活地应用于全球汽车开发，日产还计划在未来更广泛地对其进行推广应用。
惠普企业公司（HPE）的创新型端到端工程VDI解决方案，包括硬件、软件、咨询和支持服务。惠普企业公司先后在日本、美国和欧洲组建了项目团队来部署、验证和测试该解决方案，为日产顺利实施并最终建立一个灵活、快速的可靠系统提供了强有力保障。
工程VDI解决方案包含下列惠普企业公司的技术：
HPE ProLiant WS460c Graphics Server Blades：提供工作站级高性能图形，为工程师提供一个集中的虚拟化全保真桌面体验，包括支持要求严苛的三维图形应用。
HPE 3PAR StoreServ 7400 Storage：允许日产在一个单一的、扩展性极高并且功能强大的一级储存平台中储存和管理来自下一代汽车设计解决方案的数据。
HPE Svstems Insight Manager：允许轻松管理日产的IT基础设施，增加全球各个团队的系统正常运行时间。
此外，该解决方案还利用了Citrix XenDesktop桌面虚拟技术。
日产工程VDI解决方案的软件技术基础由Siemens PLMSoftware提供。Siemens PLM Software的NX软件是日产计算机辅助设计（CAD）解决方案的核心，应用于汽车工程和开发的全过程。为了确保高VDI性能，NX已在该系统所必需的全部硬件上通过了认证。此外，Siemens PLMSoftware的Teamcenter软件还是日产VDI解决方案的数字骨干网。作为综合性产品数据管理系统，Teamcenter支持所有相关人员随时随地便捷快速地访问与产品相关的所有信息。
日产的目标是整合全球汽车设计开发，提高生产力和管理效率。日产首席信息官兼全球IS/IT负责人CelsoGuiotoko认为：“随着全球项目的增加，IT的重要性越来越突出。基于我们的全球IS/IT战略，日产将专注于在管理和IT之间建立连接，使IT为日产带来更多业务价值。”
虚拟仪器平台 篇4
传统的装甲车辆通信系统检测平台是由一系列功能单一结构固定的测试设备叠架而成,致使测试系统体积庞大,难以适用于各种检测任务,并且检测完全由人工完成,通信系统检测时间延长,对于有些时序要求精确的测试项目,传统测试系统更是显得无能为力。
1986年,美国国家仪器公司(N ational Instrument Corp.,简称NI)推出虚拟仪器(Virtual Instruments,简称VI)的概念,它是指计算机操纵的模块化仪器系统,用灵活、强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件,使仪器中的一些硬件甚至整个仪器在系统中消失,而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能。
1997年,N I公司发布了PXI规范,将Compact PCI规范规定的PCI总线技术发展成为了适合试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范。
本文设计了一种采用PXI总线接口,基于虚拟仪器技术实现通信系统检测功能的检测平台。该平台利用NI公司的PXI工控机和数据采集卡,配合自行设计的通信适配器,用虚拟仪器技术来完成通信系统检测平台的快速自动检测及评价。该平台功能齐全、性能稳定、操作简便、界面友好,并可记录检测结果,供查询使用。
1. 总体设计
在进行通信系统检测平台的总体设计时,全面贯彻了通用化、集成化、标准化、模块化、智能化的原则,保证系统不仅能满足当前检测任务的需求,而且可方便将来的扩充和升级。
1.1 功能需求分析
装甲车辆通信系统主要包括超短波调频电台、短波单边带电台和车内通话器等通信设备,不同种类的通信设备在测试项目和方法上基本不具有互换性。为完成装甲车辆通信系统的检测任务,依据通用化的原则,通信系统检测平台的设计必须符合所有通信设备测试规范所规定的测量方法和技术指标,完成规定的测试项目。
装甲车辆通信系统技术指标主要包括超短波调频电台的输出功率(平均功率)、频率误差、音频调制度、导频调制度、驻波比、接收灵敏度、静噪灵敏度、失真度、最大音量等指标,短波单边带电台的输出功率(峰包功率)、频率误差、驻波比、边带灵敏度、失真度、最大音量等指标,车内通话器的最大音量,失真度和频率响应等指标。
按照检测的技术指标和对应国标中定义的测试方法,通信系统检测平台在设计时至少需要集成9种独立的通信测量仪表,即频率计、功率计、信纳比计、调制度仪、驻波比测量仪、音频电压表、失真度仪、音频信号发生器、射频信号发生器。
1.2 总体构成
按照功能要求,通信系统检测平台主要由PXI工控机、数据采集卡、通信适配器、专用测试电缆及转接头四大部分组成,其总体构成如图1所示。其中对数据采集卡有一定要求,即实现I/O、A/D和计数等功能。综合考虑通道个数、通道精度、采样频率及与主机连接方式等因素,选用NI公司的PXI-2204多功能数据采集卡。
2. 硬件设计
2.1 系统结构
根据通信系统检测平台的功能需求及采用虚拟仪器技术的设计实现,本平台硬件设计的重点为通信适配器的设计。通信适配器采用了模块化的设计思想,其设计组成及接口如图2所示。主要分为5个模块,各模块均有独立的屏蔽单元,相互之间用电缆连接,可以单独拆卸更换。
1)信号源模块:主要包括恒温时间基准和两个DDS(直接数字频率合成器)等电路,用于产生射频和音频两类4路标准信号。
2)下变频解调及音频调理模块:主要包括射频下变频器、锁相环、解调电路和音频信号调理等电路,在电台发信机测试中,用于产生下变频后的中频信号和解调后的音频信号,在电台收信机测试中,用于产生电台解调并经此模块调理后的音频信号。
3)射频综合处理模块:主要包括定向耦合器、射频衰减器、射频通道切换继电器、正反向功率检波等电路,用于产生正向功率和反向功率的直流信号。
4)遥控模块:主要包括MCS-51单片机系统,用于产生电台全自动遥控测试时的遥控编码信号。
5)负载模块:主要包括150W标准负载和阻抗匹配电路,作为射频输出功率测试时的终端负载。
2.2 测试原理
通信系统检测平台采用了虚拟仪器技术,实现了至少9种独立的通信测量仪表的功能,其测试原理以超短波调频电台为例进行说明。
1)电台发信机技术指标的测试原理
PXI主机首先利用数据采集卡的I/O接口控制通信适配器使电台切换到发信状态,并且使射频综合处理模块切换到负载模块通道。然后利用I/O接口控制信号源模块输出一个标准幅度的1k Hz单音信号,送给电台的音频口,同时控制信号源模块产生100m V左右的本振信号,频率为电台工作频率加上中频频率。延时一定时间确保电台输出信号稳定,电台输出的射频信号经过射频综合处理模块检波出正向功率信号,通过A/D接口采集,然后计算出电台的平均功率指标。
电台输出的射频信号和信号源模块输出的本振信号经下变频器与解调模块混频出70k Hz的中频信号,通过采集卡的计数接口进行计数,然后计算出电台的频率误差指标。同时下变频器与解调模块解调出电台的音频信号,通过A/D接口采集,然后用FFT(快速傅立叶变换)计算出电台的调制度,即音频频偏指标和导频频偏指标。使射频综合处理模块切换到天线射频口通道,然后使电台切换到发信状态,按照平均功率指标的测试方法进行,此时通过A/D接口采集,可分别采集到正向功率信号和反向功率信号,然后计算出电台的驻波比指标。
2)电台收信机技术指标的测试原理
PXI主机首先利用采集卡的I/O接口控制通信适配器使电台切换到收信状态,调整电台输出音量为最大。然后利用I/O接口控制信号源模块输出一个调制频率为1k Hz,标准频偏和标准失真度幅度的射频调制信号,经过射频综合处理模块衰减后送给电台射频口,延时一定时间确保电台解调信号输出稳定,电台解调并经过下变频解调及音频调理模块的信号调理输出一个音频信号,通过A/D接口采集,然后计算得到最大音量。
调整电台输出音量为额定电压,延时并重新采集该路音频信号,然后通过FFT计算出失真度指标。利用I/O接口调整射频调制信号的输出幅度为标准信纳比幅度,延时并重新采集该路音频信号,然后通过FFT计算出信纳比,即为接收灵敏度指标。调整电台为静噪状态,利用I/O接口调整信号源输出一个调制频率为双音(1k Hz和150Hz导频)、标准频偏、标准信纳比幅度的射频调制信号,延时并重新采集该路音频信号,然后通过FFT计算出电台静噪时的信纳比,即为静噪灵敏度指标。
3. 软件设计
软件开发采用NI公司的虚拟仪器平台Lab Windows CVI8.5,数据库开发采用SQ L Server 2000,按照通信设备检测的技术条件和国标中规定的测试项目及测试方法控制平台硬件,进行模式设置、控制输入输出和采集测试数据,进行分析处理,得到通信设备的技术指标。
软件系统采用模块化设计。软件设计的重点是测试管理模块,主要包括设备选择、方式选择、参数设置、仪器控制、采集与处理、分析与显示等子模块。测试管理模块主要功能是实现通信系统技术指标的测试,其中测试方式选择子模块提供了通信设备技术指标的单项测试、发信机测试、收信机测试、整机半自动测试和整机全自动测试等5种测试方式。
4. 结论
本检测平台用德国罗德施瓦茨(R&S)公司的FSU26频谱仪进行了标定,各项指标都达到了国标的测试要求。基于虚拟仪器技术的通信系统检测平台的应用,与采用传统仪器相比,极大地提高了自动化程度和测试精度,减少了人为操作引起的误差,同时实现了测试结果的数据库存储和查询功能,利用网络通信还实现了数据共享和远程控制等功能,通过系统配置和适当的扩展,可以适应不同类型通信设备的测试需要。在装甲车辆通信系统的检测任务中,有效地提高了检测和维修的效率,对提高装甲车辆通信系统的完好率具有重要的意义。
参考文献
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虚拟仪器平台 篇5
关键词：:虚拟仿真;农业院校;实验平台;机械工程
随着经济社会的发展，各种精密机床和实验设备在高校实验室的使用越老越多。但与此同时，由于数控加工系统普遍设备昂贵，使用和维护成本高，而且带有一定的危险性，很难容纳多学生的学习。通过VR虚拟现实技术可以很好的避免这些问题。虚拟实验室是一种开放的网络虚拟实验教学系统，该系统是以教学为基础的网络技术，通过虚拟现实技术来构建，把现在实验教学中的实验资源虚拟和数字化，从而达到课程实验教学的目标。
1农业院校机械工程学科的特点
酷品趋势 霍罗全息虚拟平台 篇6
我们可以追溯到20世纪90年代，当时科学家开始对虚拟现实进行研究实验，接着发明了Oculus Rift头戴3D显示器。当然，或许还有可投射在墙上或建筑物上的3D地图。而第一个霍罗虚拟平台则出现在去年，是由纽约州立大学石溪分校建立的一个1.5亿像素房间。
这些技术对霍罗虚拟平台的发展起了至关重要的作用，但是大多数未来的历史学家可能都会赞同，其转折点来自2013年。在这一年，微软实验室将联合三星开发一款名为IllumiRoom的游戏项目。
IllumiRoom有点像某些飞利浦电视上的Ambilight流光溢彩技术，光影可以突破电视屏幕的限制而填满整堵墙壁。只不过IllumiRoom更让人目瞪口呆。当你使用次时代的Xbox时，Kinect首先会扫描整个房间，接着Xbox会将整个游戏视频映射到房间里，细节上当然不如映射到电视屏幕上的那么精细，但足以骗过玩家的视觉。你操控游戏人物经过一栋建筑物，建筑物的窗户和墙壁跟你家的一模一样。在游戏中放一把火，你会感觉家里的窗帘立即就被点着了。还有什么比这更让人身临其境的吗？它自身就够震撼了，无疑这是人类走向未来虚拟全息平台的重要一步。
虚拟仪器平台 篇7
关键词：虚拟仪器,机电一体化,柔性机械臂,实验平台,LabVIEW
0 前 言
机电一体化技术是一门实践性很强的综合技术,涉及机械、电子、材料、能源、生物、化工、自动控制、人工智能、航空、航天等各个领域,尤其是当今微电子技术的飞速发展,对机电一体化技术的发展起到了主导的作用。因此,机电一体化专业是理论与实践紧密结合的专业,它不仅要求学生有扎实的理论基础,更要求学生能够将理论有效地运用于实践中[1,2,3]。传统的实验教学存在明显不足,各门实验课程似乎毫不相干,实验偏重于理论验证,而不是应用,学生不清楚所学专业理论知识及方法在实际中如何应用,影响了学生学习的积极性。
针对以上状况,本研究提出构建基于虚拟仪器技术的开放型创新实验平台。
1 硬件结构
基于虚拟仪器技术的机电一体化教学实验平台包括伺服运动控制模块、数据采集与处理模块、机器视觉模块3个组成部分。
(1) 运动控制模块。
运动控制模块主要包括:柔性机械臂、交流伺服电机、驱动器、NI(美国国家仪器公司)运动控制卡(PCI-7342)以及计算机。该功能模块主要是为了实现对柔性机械臂进行开环、闭环以及轨迹跟踪等运动控制。
该运动控制模块硬件结构,如图1所示。
在该硬件结构图中,计算机发送运动控制位置指令,通过运动控制卡将数字信号转换为驱动交流伺服电机的模拟信号,最后通过交流伺服电机来控制被控对象(柔性机械臂)完成相应的位置控制。
(2) 数据采集模块。
数据采集模块主要包括:传感器(应变片)、动态应变仪、NI数据采集卡(PCI-6221)以及计算机。该功能模块主要实现对柔性机械臂的动态测试,可以实现数据采集与处理。与运动控制模块一起,可以实现针对柔性机械臂快速稳定定位的闭环控制以及轨迹跟踪闭环控制等一系列实验功能。
该数据采集模块硬件结构,如图2所示。
(3) 机器视觉模块。
机器视觉模块主要包括:CCD摄像头、NI图像采集卡(PCI-1405)以及计算机。该功能模块主要用于数字图像处理等实验的研究,也可作为研究生进行机器视觉研究的实验平台。
该机器视觉模块硬件结构,如图3所示。
2 软件结构
虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件,结合高效、灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。软件是虚拟仪器技术中最重要的部份[4,5,6]。通过使用正确的软件工具并设计或调用特定的程序模块,可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。利用NI公司提供的行业标准图形化编程软件—LabVIEW,不仅能轻松方便地完成与各种软、硬件的连接,更能提供强大的后续数据处理能力,设置数据处理、转换、存储的方式,并将结果显示给用户。
本研究提出的基于虚拟仪器技术的软件实验平台主要包含以下功能模块,在这些模块的基础上,学生可以就自主设计的创新型实验内容。
2.1 数据采集及信号处理功能模块进行实验
该功能模块以LabVIEW为开发工具,采用计算机多线程技术、虚拟仪器技术及信号处理技术等,实现数据采集与信号处理的软件功能。该模块主要具有以下功能:①信号采集控制功能,可实现单通道、多通道数据的采集、存储与采样信号复现等功能;②信号分析处理功能,可实现在线、离线信号分析处理功能,包括信号的时域、频域、幅值域、时频域的分析与处理、结果的显示等;③数据库管理功能,可实现对采样和分析处理后数据的管理,包括数据查询、传输、存储等工作。另外,该功能模块还具有友好的人机界面,且便于对其进行维护和实现功能扩充。利用该功能模块,可以使学生学习如何测量热电偶、RTD、电热调节器、应变传感器、压力传感器等各种传感器信号。学生还可以学习到如何根据不同的硬件配置搭建不同的信号测试系统。
2.2 运动控制功能模块
采用基于虚拟仪器技术的运动控制功能模块,完全实现了对步进电机和伺服电机的运动控制功能[7,8]。图形化的编程语言完全覆盖各种运动命令,以及支持对运动系统的初始化设置。通过该运动控制功能模块,可以实现“对运动控制系统的开环、闭环控制”以及“对控制系统的响应分析”等控制系统基本理论的实验验证。
2.3 机器视觉功能模块
NI公司的视觉开发模块专为开发机器视觉和科学成像应用的工程师及科学家而设计。该模块包括NI Vision Builder和IMAQ Vision两部分。NI Vision Builder是一个交互式的开发环境,开发人员无需编程,即能快速完成视觉应用系统的模型建立;IMAQ Vision是一套包含各种图像处理函数的功能库,它将400多种函数集成到LabVIEW和Measurement Studio,LabWindows/CVI, Visual C++及Visual Basic开发环境中,为图像处理提供了完整的开发功能。
3 基于视觉反馈的位置控制模块示例
该位置控制模块主要是通过机器视觉技术来实现位置的跟踪控制。该实验模块主要涉及控制系统的闭环控制、控制系统的PID校正、图像采集技术、图像识别等关键知识和技术。
实验中采用的图像采集系统主要包括CCD摄像头、图像采集卡。实验中使用的黑白CCD摄像头的分辨率是640×480 pixels,采样频率是20 ms/f。实验程序中所采集的图像大小为:中间的500×400 pixels,其余部分认为是边界,通常认为数字图像边界畸变较为严重,在进行图像处理时不用这部分图像。在实验的时候,利用CCD摄像头采集动态图像,通过图像采集卡转化为数字化图像,然后通过PCI总线实时传输到计算机内存中,供图像处理程序进行进一步的图像处理。
实验中需要的图像信息是目标物体的质心坐标,因此在图像处理的过程中首先要检测目标物体的边缘,得到目标的轮廓,然后计算出目标物体的质心坐标。这样就得到了目标物体的具体位置,并将其作为位置控制系统中的反馈信号。
基于视觉反馈的位置控制软件界面,如图4所示。在该界面中包含运动参数设置、PID参数调节、图像采集参数设置以及目标点质心位置坐标显示等功能模块。
4 结束语
本研究建立了基于虚拟仪器技术的机电一体化教学实验平台,将虚拟仪器技术引入教学实验,克服了传统实验仪器的缺陷和不足。在此基础上,各个实验不仅采用模块化的设计方法,而且利用基于G语言的图形化编程方法,实现了具有良好人机交互界面的软件编程。
研究结果表明,通过该教学实验平台,使学生的动手实践能力、创新能力以及综合应用各学科知识的能力都得到了充分的锻炼和提高。
参考文献
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虚拟仪器平台 篇8
现代电动汽车作为21世纪极具发展潜力的绿色产业,融合了电力电子、机械、控制、材料、化工等诸多高新技术,在节能和环保方面的显著优势已引起了人们的广泛关注[1]。牵引电机系统是电动汽车的核心,动力电池组是电动汽车主要的动力源[2]。一套适用电动汽车牵引电机及动力电池的测试平台对于整车动力系统的开发非常重要,然而目前国内的电机测试平台一般不是针对车用牵引电机而设计,而且自动化程度不高,测试标准无法完全满足性能测试的需要。因此有必要建立一套专用的测试平台系统,这对于整车动力系统的设计及优化至关重要。
虚拟仪器技术是在自动化测试和控制领域发展起来的一项技术,其代表产品为美国NI仪器公司的Lab VIEW,目前在包括汽车行业的众多领域得到广泛应用[3]。虚拟仪器由计算机、相应的硬件和驱动软件构成,功能主要由软件实现;是计算机硬件资源、仪器与测控系统硬件资源和虚拟仪器软件资源三者的有效结合;其软件平台可由用户按自己的要求自行定义、设计,变换非常灵活。
结合虚拟仪器技术开发电动汽车动力平台测试系统,可以在有限的硬件资源情况下,灵活定制符合多种电动汽车用电机试验要求的测试方案,充分解决目前测试过程中采样速度低、成本高、劳动强度大、数据分析能力弱的缺点。本文建立了电动汽车牵引电机系统的试验台架,开发了基于虚拟仪器的综合试验测试系统,在试验平台上完成了动力电池组的放电试验及牵引电机系统的测试研究。
1 牵引电机工作特性
电动汽车牵引电机系统的工作特性取决于车辆行驶受力状况,车辆行驶模型[4]为
式(1)中:Ft为总行驶阻力;Ff为滚动阻力;Fw为空气阻力;Fi为坡度阻力;Fj为加速阻力;m为电动汽车质量;g为重力加速度;f为滚动阻力系数;CD为风阻系数;A为迎风面积;va为行驶速度;α为道路坡道角;δ为汽车旋转质量换算系数;d v/dt为加速度。
牵引电机传递到车轮上的力F为
式(2)中:T为牵引电机输出转矩;ig为变速箱速比;io为主减速比;η为传动效率。
综合式(1)~(2)得
电动汽车行驶时速度经常处于不断的变化当中,在公式(3)中,存在由d v/dt决定的高动态的加速阻力,因此要求电动汽车动力测试平台实现负载的模拟,具有高动态特性的加载功能。牵引电机及驱动系统是电动汽车的关键部件,要使电动汽车有良好的使用性能,牵引电机应具有调速范围宽、转速高、启动转矩大、体积小、质量小、效率高且有动态制动强和能量回馈等特性[5,6]。
2 电动汽车动力测试平台硬件结构
针对牵引电机的工作特性,建立如图1所示的电动汽车动力平台试验台架。系统硬件主要由测功电机及其控制器、牵引电机及其控制器、动力电池组及电池管理系统(BMS)、计算机采集控制系统及水冷系统等组成。
测试牵引电机动力性能时,动力电池组或直流传动单元为牵引电机系统提供直流电。根据式(3),采用电惯量原理[7,8,9],由测功机模拟牵引电机的负载。主控机用于控制试验过程,采用软件编程实现手动控制和自动控制两种控制模式。手动模式通过手动输入数据指令控制系统的运行,自动模式下系统按照预定控制程序自动运行,两种模式可以自由切换。试验中的各种数据可以在扭矩仪、功率计上实时监控,并由主控机自动记录。
测试动力电池组放电性能时,供电电源切换到电池组,此时测试电机动力源来自动力电池组。检测系统和电池管理系统通过主控机反馈控制,可以实现电池不同电流、不同输出功率、能量反馈等工况模拟。来自于动力电池组的能量大部分通过负载电机并网发电,实现能量回收。在进行能量反馈测试时,被测牵引电机作为发电机,发电产生的电能通过直流传动单元反馈回电网或者直接对动力电池组充电。
3 测试系统软件结构与设计
3.1 测试系统软件结构
结合电动汽车的特点及驱动电机测试性能的要求,动力平台测试内容包括电机外特性、电机及其控制器的效率、堵转特性、温升试验、馈电特性、转矩响应特性、电机最高工作转速及超速测试等。为此,需要完成各种电压和电流、转速和扭矩、水冷介质的流量和温度等参数的测量,并完成相关参数间的计算,如功率、效率、图形绘制等。因此,设计的系统应该能够实时记录这些参数,并保证结果的准确性。
虚拟仪器将仪器设备与计算机连接起来协同工作,通过计算机强大的数据处理、分析、显示和存储能力,可以极大地扩充仪器的功能,提高自动化程度,保证实验过程中各个参数测试的同步性和精确性,保证测试精度。测试系统的软件结构图如图2所示,从实现的角度将系统分为三个层次:人机界面层、仪器驱动层以及硬件资源层。
人机界面层充分利用虚拟仪器技术的特点,提供实验人员与整个测试系统友好方便的交互方式,实现对测试的管理,包括参数初始设置、通信设置、测试项目选择、测试数据保存和测试报表生成等,同时以数字和图表的形式在主界面上显示测试信息。仪器驱动层提供人机界面层与硬件资源之间的接口,包括PCI、GPIB、串口RS232以及CAN接口,实现测试系统各部分之间控制指令和信号数据的高速可靠传输,其中被测牵引电机控制器、测功电机变频控制器、PLC终端模块、电池管理系统组成一个四节点的CAN-bus。硬件资源层是指执行具体任务的各个组成部件,包括被测牵引电机及控制器、测功电机及控制器、扭矩仪(负责电机输出转速与扭矩测试)、WT1600功率计(负责电量信号数据采集与处理)、动力电池组、水冷装置及传感器等。
3.2 测试系统软件设计
根据电动汽车所使用的电机系统测试内容的不同,为了便于实验,测试软件采用项目管理的组织形式。每个测试过程作为一个项目,项目负责与之关联的各种测试项目和硬件配置的选择。每个测试项目为一个特定的测试内容,如电机外特性测试、动力电池组放电特性等,不同电机系统的测试项目数量不同,通过软件实现多个测试内容的选定。硬件配置实现了测试过程中各种硬件资源的设置和标定。实验结果表明,项目管理组织方式提高了软件重用性,减少了测试劳动量,提高了测试效率。
测控软件的主程序运行控制流程如图3所示,参数初始化主要完成测试系统的配置,包括电机工作模式选择、驱动信号选择、文件存储路径选择、数据存储时间间隔设定、最高转速设定、峰值电压电流等,确保测试平台运行在安全的环境下。电机测试是软件系统的核心部分,针对不同的电机系统选择不同的测试项目,包括电机高效区测试,外特性测试等。对于不同的测试项目,可分为手动测试和自动测试。如对于外特性测试项目,主要是用于电机的转速及扭矩峰值测试,进行外特性自动测试时,可调用事先编写的子程序进行外特性点搜索测试,自动测试和手动测试可自由切换。在测试的过程中,可以实时以ACCESS或EXCEL格式存储测试项目所需的数据,测试完后自动生成电机不同测试项目的报表和曲线,同时生成动力电池组放电曲线和报表。
在采用Lab VIEW开发程序界面过程中,充分利用了其在虚拟仪器方面的优势。虚拟状态灯和系统状态码的合理使用,使操作者可以实时掌握系统运行的当前状态,并以此作为下一步操作的指导。另外,虚拟仪表盘的使用使操作者察看系统运行的转矩和转速更为轻松和方便。图4为电机外特性测试项目的测试界面,控制模式选择自动控制,此时,转速和扭矩调节控件灰掉不可操作,自动模式下系统按照预定控制过程自动运行,若转换成手动控制,则转速和扭矩调节变为可操作状态。
4 试验测试
结合国家标准[10,11],在建立的测试平台上对国内外多台车用电机动力性能进行了测试。图5至7分别是对一台30KW直流无刷车用电机在电动状态下进行测试得到的电机外特性曲线,电池组放电电流曲线,电机系统效率图。测试过程中,动力锂离子电池组为该测试电机控制器提供280V直流电力,通过自动调节搜索电机转速和扭矩工作点,测试系统实时采集电池组的放电数据、电机控制器的输入输出电参数以及电机的输出转速、扭矩等。
在图7中,横坐标为电机输出转速,纵坐标为电机输出转矩。曲线中的数值是电机驱动系统的效率,图中最外围的包络线为测试得到的电机工作外特性。可以看出,该电机驱动系统的高效区主要集中在外特性拐点和恒功率区域,并随着转速和扭矩的降低而逐渐减小,经过计算,电机系统效率大于80%的区域面积占整个区域面积的65.7%。测试结果符合电机系统的设计和控制策略,表明了该测试系统设计的合理性。
5 结论
本文分析了电动汽车牵引电机驱动系统的工作特点,建立了牵引电机系统的动力测试平台,利用虚拟仪器技术设计开发了测试系统软件,具有测量精度高、自动化程度高以及扩展性强等特点。试验结果表明,该动力测试平台能够实时跟踪监测系统的负载变化情况,可以模仿驱动电机或汽车在行驶中的负载特性,能够比较全面的测试牵引电机的各种特性指标,还能够对动力电池组进行比较全面的放电性能测试。在该测试平台上完成了对多台国内外电机及多组锂离子动力电池组进行的测试,系统运行稳定可靠,提高了测试效率并减轻了测试劳动强度,具有较高的推广应用价值。
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虚拟仪器平台 篇9
关键词：网络化虚拟仪器,LabVIEW,PXI
1 概述
虚拟化仪器是计算机技术在仪器领域应用中所形成的新型种类, 是测控仪表仪器、计算机硬件资源和用于数据分析、用户图像界面及过程通讯间的有效结合。网络化虚拟仪器, 其特征是将计算机、外部设备以及数据库等资源加载至网络, 实现资源共享, 完成一定的测试任务。将网络化虚拟仪器应用在实验室管理中, 可以构造网络化仪器技术虚拟实验室, 并通过网络实现软硬件和信息资源的共享。
2 系统总体方案设计
目前, 世界上虚拟仪器开发平台主要有两类:第一类是基于通用的VB、C++、VC语言等, 此类语言有较强的适应性和灵活性;第二类是专业的虚拟仪器开发平台, 如LabVIEW、HP-VEE等, 借助这些专用的开发工具, 可以简化仪器编程并缩短开发周期。
3 硬件设计
常用的虚拟仪器的总线有VXI和PXI两种。相比之下, PXI总线速率远高于VXI总线, 同时由于它起源于计算机总线PCI, 具有良好的兼容性, 开发成本较低。PXI总线体系结构涵盖了三大方面的内容:机械规范、电气规范和软件规范, 本文采用PXI总线构建虚拟仪器实验室监控平台系统。
3.1 PXI总线测试系统组成架构
构建一个PXI自动测试系统, 除了要选择合适的操作系统和应用开发软件以外, 更重要的是硬件选择, 主要包括: (1) PXI机箱:PXI机箱的选择与系统的应用有关。 (2) 系统控制器:根据需要确定选择外置式PC还是嵌入式控制器。 (3) PXI仪器模块:包括模拟输入和输出、图像采集、数字输入和输出、运动控制、模块化仪器、开关、定时输入和输出等。 (4) 信号调理和其它附件 (也可以在选择机箱或仪器模块时综合考虑) 。
3.2 数据采集卡
作为NI 4472产品家族的延伸, NI PXI-4472B是振动和低频交流测量的最优化方案。NI PXI-4472B为高精度频域测量提供了8通道动态信号采集。输入通道集成了IC压电式信号调理功能, 可用于加速度传感器和麦克风的信号采集。PXI-4472B的8路输入通道可在直流到45 kHz的带宽范围内同步对输入信号进行数字化处理, 可在高通道数的应用中实现两个及两个以上PXI-4472B模块之间的同步, 或通过PXI星状触发总线实现PXI-4472B模块与其他模块的同步。PXI-4472B模块与LabVIEW声音及振动工具包或其他软件分析工具共同使用时, 可进行各种时间和频率的准确测量。
4 软件设计
系统采用LabVIEW做为软件开发工具, 用图形化编程技术, 开发出面向客户应用的虚拟仪器实验室监控管理系统, 编制相应界面显示主机的各类型界面信息, 在实验室网络环境向用户发布监控主机工作界面信息。
4.1 LabVIEW开发平台
LabVIEW是一个开放式的虚拟仪器开发系统应用软件, 利用该软件组建仪器测试系统和数据采集系统可很好的简化程序设计。LabVIEW拥有用于设计数据采集程序和仪器控制程序的开发工具库和函数库。该应用软件的程序设计实质上就是设计多个“虚拟仪器”。在计算机显示器上利用开发工具库和函数库开发一个前面版。前面板界面, 可接受用户鼠标、键盘指令, 而在后台利用图形化编程语言开发用于控制前面板的框图程序。
LabVIEW的核心是VI。VI的人机对话的用户界面--前面板和的框图程序, 接收来自框图程序的指令。在VI的前面板中, 控件模拟仪器的输入装置并把信号提供给VI的框图程序;此外, 指示器模拟仪器的输出装置并显示由框图程序捕捉或产生的信号。当把一个控件或指示器置于前面板时, LabVIEW就在框图程序中产生了一个终端, 该从属于控件或指示器的终端不能随意被删除, 只有删除它对应的指示器或控件时它才会一同被删掉。
在LabVIEW编制框图程序时, 自函数面板中选择所需的函数节点, 将其置于框图上;接着用连线将各函数节点在框图程序中的端口连接起来, 用以传输信号。这些函数节点包含着众多的计算函数、分析VI和采集、存储和检索数据的网络函数和输入输出函数。
用LabVIEW编制出的图形化VI拥有分层次和模块化的特点, 可以将之应用至顶层程序, 也可用作子程序和其它程序。subVI在调用它的程序时, 同样是以一个图标的形式出现;为了区分不同的subVI, 它们的图标是可以分别编辑的, 所以LabVIEW依附并发展了模块化程序设计的特点。用户可以把一个较为复杂的问题分解成为数个子任务, 每个子任务还可以分解成众多更低一级的子任务, 直至到把这个复杂的应用任务分解成为许多更低级子任务的集合, 将之逐步组合成为能够解决最终问题的VI。
4.2 网络实验管理实现的功能
网络实验管理包含三个功能模块:用户管理、实验管理及资源和数据的管理。其中, 用户管理包含对用户和管理员两种用户的管理, 如添加、删除和修改操作, 以及对用户的身份进行验证的功能;实验管理保证了用户对虚拟实验室的正常访问, 可以进入实验室进行虚器实验操作;资源和数据管理中包含实验资源的管理, 网络实验管理模块要能够完成一些实验资源的发布和更新操作, 网络化虚拟仪器实验室管理的功能图如图1所示。
4.3 图形化程序设计
软件结构由远程客户机、Web服务器和设备服务器 (虚拟仪器客户端) 组成.Web服务器是核心, 通过Web服务器, 用户可以访问站点, 控制实验过程、处理实验数据并获得实验结果。设备服务器主要完成数据采集并传送到Web服务器端处理。
网络控制部分主要利用LabVIEW开发平台以及网页制作技术进行仿真实验、测量实验等部分的设计开发, 完成数据的采集、分析、显示和仪器的控制等功能。LabVIEW作为一个优秀的虚拟仪器开发平台, 在DataSocket技术、Web服务器和TCP、UDP协议基础上, 为构建基于计算机网络的虚拟仪器系统提供了各种丰富工具, 可以开发出功能强大的基于网络的分布式测量系统。开发仿真实验, 主要完成各种理论中涉及的原理验证和演示型实验.仿真实验在LabVIEW平台上开发完成后生成实验程序的子VI, 再利用lab VIEW自带的网页发布功能, 直接在Web服务器端生成嵌入实验平台的Web网页, 客户端只需使用网页浏览器即可通过网络访问电路远程虚拟实验室, 继而进行仿真实验。
客户端流程图如图2, 客户端主要从服务器上获得想要的信息资源, 测量数据、测量进程和从服务器上调用测量程序模块, 并向服务器反馈客户端的接受情况。
结语
本文以PXI计算机作为硬件平台结构, 应用图形化编程技术, 设计了网络化虚拟仪器实验室监控平台。网络化虚拟仪器技术, 有助于实现信息网和设备网的一体化。在研究现有网络化虚拟仪器技术的基础上, 设计并开发实现了网络化虚拟仪器实验室监控平台的软硬件结构和基本功能。在研究对比世界现行网络化虚拟仪器技术的基础上, 针对目前流行的网络虚拟仪器测试实验室, 给出了适合本平台系统的实施方案;本方案采用三层结构进行了功能划分:利用LabVIEW平台对客户端应用程序进行开发, 编程并实现了VI服务器应用程序, 对实验室多用户进行合理有效管理及资源配置。
参考文献
[1]刘君华.基于LabVIEW的虚拟仪器设计[M].北京:电子工业出版社, 2003.
虚拟仪器平台 篇10
目前国内许多学者进行了电阻点焊工艺参数动态测试系统、测试方法及焊机动态等方面的研究, 建立了多种测试手段和测试系统, 通过获得焊接动态参数, 实现焊接过程及焊接质量的在线监控。但是由于点焊工艺影响因素复杂, 单一信号采集不能准确反映点焊工艺过程及质量监控。因此多信号同步采集是目前点焊质量控制的主要研究方向, 除此之外点焊生产中信号采集还要求具有较高的同步性和实时性, 因此如何实现多信号的实时采集, 提高采集速度及准确性是点焊质量控制的研究方向[7]。
虚拟仪器 (Virtual Instrument, 简称VI) 作为一种计算机仪器系统, 可以完成各种测试功能, 因此受到了焊接工作者越来越多的重视。它是以计算机为核心, 通过计算机程序来实现其测试功能, 通过显示器模拟传统仪器的控制面板, 以多种形式输出测量结果来实现信号数据的运算、分析、处理。而且通过不同软件模块的组合来还可以实现多种测试功能。与传统的测试仪器相比[8,9]: (1) 具有灵活, 易于操作的特点, 用户可以自主设计控制面板, 随意控制和改变元器件的位置、尺寸和色彩, 也可以根据需要制作出下拉菜单和帮助文件。 (2) 具有强大的信号处理能力, 由数据采集卡所采集的信号经放大、滤波和隔离后, 通过A/D转换器对进行转换, 虚拟仪器就可以对信号进行计算、分析、判断和处理, 并将结果以图形或数字的形式显示出来。 (3) 具有通用性强, 成本低, 开发周期短, 易于应用易于维护等优点。
本研究将针对点焊工艺, 开发点焊工艺参数多通道采集系统的虚拟仪器测试平台, 实现对点焊电流、电压、压力和位移等参数的实时监控。
1 数据采集系统的构成
多信号数据采集系统由传感器、信号调理模块、数据采集设备和数据处理器构成。目前点焊工艺参数采集系统主要有两种方式: (1) 传感器-单片机-计算机; (2) 传感器-采集卡-计算机。第一种方式是利用单片机将传感器传输过来的模拟信号化为数字信号并存储下来, 单片机与计算机通讯实现命令发送和数据传输。第二种方式是传感器将检测到的信息转化模拟信号, 采集卡将模拟信号转变成数字信号传输到计算机中进行分析处理。该方式操作简单, 易于控制, 这种结构可以基本满足工业化场合, 得到了越来越广泛的应用。本设计中将采用传感器-采集卡-计算机方式进行多通道数据采集, 采集系统示意图如图1所示。所采集点焊工艺参数为电流、电压、电极位移和电极压力。通过传感器和采集卡采集四种参数信号, 计算机完成对采集信号的存储、分析和显示。
2 数据采集设备的选择
数据采集卡质量的好坏, 直接影响到信号采集系统的采集精度, 同时多参数传感器-采集卡-计算机采集系统要求数据采集卡要通道, 以满足同时采集多路信号的要求, 而且选择数据采集卡的时候要注意采样率应达到要求。
目前数据采集设备主要有插卡式、分布式, GPIB或串口设备等。插卡式数据采集设备是一种典型的虚拟仪器硬件, 其结构配置可以满足焊接参数的测试要求, 应用较广泛, 可以通过台式计算机PCI槽、笔记本电脑PCMCIA槽或USB口进行连接数据采集卡连接。为保证多通道数据采集系统的准确性和实时性等, 必须合理设置数据采集参数 (主要包括采样率, 分辨率, 以及同步采样、定时和触发、数据类型等参数) , 这对数据采集系统的构建至关重要[8]。
本设计将采用通过PCI插槽与计算机连接的数据采集卡, 该采集卡具有通用性强的特点。另外考虑到本研究开发的多通道采集系统将采用Lab VIEW编程实现对数据采集过程的控制, 因此为了保证系统兼容性, 设计中采用NI公司的具有Lab VIEW的接口驱动程序的采集卡USB6211, 该采集卡具有16个采集通道, 最高采集频率为250 k S/s, 可以同时采集16种模拟信号。所设计的点焊工艺参数采集系统采集四种信号数据, 采样频率定为10k S/s, 因此采集卡完全可以满足设计需求。
3 多通道点焊数据采集系统构建
本设计旨在创建点焊过程的多通道数据采集系统, 实现采集点焊电压、电流以及电极压力和位移信号四种点焊工艺参数, 自动完成四种信号的分析处理以及显示和存储。
由于点焊过程时间短, 只有2~3s, 根据经验将采样频率设为10000S/s, 采样时间设为2.6s。点焊信号采集程序如图2所示。数据采集卡根据设定的采集参数对点焊参数进行信号采集, 采集的数据被传递到缓冲区内。在进行有限数量的数据采集时, Lab VIEW将在内存分配缓冲区, 其大小为每通道采样数和通道数之积。当采集完成后, 然后Lab VIEW将缓冲区内数据数据传递到程序中进行处理、显示及保存, 程序如图3所示。
以Lab VIEW为基础编制的数据采集系统包括了数据采集、显示以及保存三种功能, 如图4所示。首先确定数据采集卡采集通道, 对点焊工艺参数电流、电压、电极压力和电极位移四种参数进行同步采集。采集卡通道设置可以在测试与自动化资源管理器MAX中完成。在MAX中可以创建新的通道、任务和标度, 查看连接到系统的设备和仪器, 对NI硬件进行安装与设置等, 图5为所设计的采集系统前面板, 可以直接对采集信号进行观察分析。
4 结语
采用具有Lab VIEW接口驱动程序的USB6211采集卡, 以Lab VIEW为基础构建了基于虚拟仪器的点焊信息多通道采集系统, 对点焊电压、电流、电极压力及电极位移四种信号进行数据采集, 并通过数据采集系统前面板对采集数据进行实时显示和分析处理, 从而实现点焊质量的在线实时监测和控制。
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浅析虚拟化云计算服务平台的构建 篇11
关键词：虚拟化；服务平台；云计算
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2014） 18-0000-01
基础设施即服务是将云计算系统的底层资源开放，服务器等的物理资源进行整合集中，提供给客户一个资源共享接口。这个接口使得IT行业能为其他行业提供虚拟的计算和数据资源，使得网络中的计算单元、存储设备、输入输出设备以及网络带宽等硬件资源集成，作为一个虚拟的资源中心，为整个计算网络中的客户服务。相当于把不同位置或者不同公司的服务器集成为网络可访问的云端设备，使得有资源需求的客户能够使用。这样通过虚拟的资源中心提供给客户使用，而资源中心通过开放硬件的使用权，而使用者付费来获得一定程度的使用权。
通过分析比较云计算和传统的网络计算，我们发现云计算的优势可以归结为如下所示：（1）网络访问的便利性。云计算系统内，网络资源可以完成的功能比较多样，而使用者经由一致的标准机制，来达到由不同的客户端及网络连接访问资源中心，进而获得相应的服务功能。（2）资源共享中心。云计算服务商将各种资源集成到资源中心，多个用户可以同时访问资源中心，根据用户的不同需要动态地分配物理资源和各种虚拟资源，而由于资源的地理地址是对使用者保密的，服务使用者一般不会关心所使用资源的地理位置等信息，也没有权限去控制这些资源的分配，而用户能够通过付费来利用这些资源。（3）服务是由用户申请而定的。客户根据自身的需求，来确定所需要的云计算资源，甚至不需要有和云计算服务提供商的交互沟通问题。（4）动态而灵活。对云计算服务的使用者来说，云计算服务资源是比较多样的，用户可以随时购买并使用。
（5）计量付费服务。云计算系统通常都是付费使用模式，以此来达到资源的合理控制及优化，而其费用计量的度量指标也要由服务类型不同而变化。
一、虛拟化技术在云计算中的应用
云计算实现是一个关系到很多问题的过程，而虚拟化技术是比较关键的环节，虚拟化的顺利应用与否影响到云计算服务的发展。（1）全虚拟化。这种虚拟化方式是利用虚拟机管理器，把需要虚拟化的硬件设备进行彻底虚拟化，通过这样的技术手段，使得虚拟化处理后的硬件设备具有传统计算机的功能，能够进行计算，网络访问等各种功能。这种虚拟化计算机组中的每个计算机，可能具有不同的操作系统，这并不影响它们组合；而且操作系统不需要修改内核，也能在虚拟化计算机组中运行。操作系统中的指令大部分可以虚拟化，不能虚拟化的指令，可使用虚拟机管理器来将这些指令进行译码，使得操作系统和虚拟计算机组基本可以很好对兼容，总体上节约了硬件资源，而且也使得服务更加完善。（2）半虚拟化。和上述与操作系统的很好地兼容不同，这种方式需要通过操作系统来达到虚拟化的目的。而且该方式需要修改一部分操作系统的内核，以达到部分不能直接虚拟化指令的通用性，也就是非底层软件不能直接使用的指令用修改后的指令更换，这样来实现操作系统的完整功能；（3）硬件虚拟化。相对于上述涉及软件虚拟化来说，硬件虚拟化能够一定程度增加资源的利用率，使得计算机计算速度更快，减少了中间译码的时间，而且虚拟机管理器的结构与原理变得容易设计，系统的性能变得稳定可靠。
二、云计算平台的构建
云计算服务的兴起，使得传统的IT行业经历了新的变迁，逐渐由原来的购买软硬件资源向购买服务过渡，而且是由云计算供应商经网络提供相应的软硬件资源。本文研究如何构建动态的IaaS云计算平台，使得服务使用者能够方便快捷的获得软硬件资源的使用权限。
（1）云计算平台的组成部分。本文中的管理平台主要是由以下部分组成：虚拟化内核平台（操作系统级）、虚拟化管理系统（应用软件级）以及云业务管理中心。虚拟化内核平台的实际作用是硬件设备层以及操作系统的连接与过渡，平台中的操作系统需要使用底层硬件资源时，由于硬件的底层结构可能不同，为了减少这种差异对操作系统的正常运行的影响，避免操作系统因硬件结构不同而采用不同的驱动，导致驱动过多，从而降低系统运行速度。也一定程度的提升了硬件的兼容性以及可靠性等。虚拟化管理系统的作用则是使数据中心内的运算及存储等硬件资源的虚拟化，使得上层应用可以在不同的硬件设施上执行，同时也可以使得上层应用的运行环境得到自动化的保护。业务范围一般有：虚拟计算、虚拟网络等。云业务管理中心则是一系列云基础业务模块组成的，把云计算数据中心的计算、存储等架构资源按一定的方式集成，使用户根据需求来确定资源组合，最终构成用户的组合集。（2）虚拟化平台的特征。管理平台能够把服务器计算机和虚拟机集成到整个云计算系统中，不但有比较分明的分层结构，展示了数据中心、主机等之间的逻辑及功能联系，极大地减少了资源管理的负担。而对于这样将整个集群进行管理还有如下的优势，如：1）管理员可以经过一个友好而功能完善的人机接口，对整个云计算系统监控及实时调整，达到缩减管理过程及减少成本的目的；2）管理的难度降低，同时也具有了很高的可靠性，当某一主机出现异常时，在云计算系统中的另一台计算机上重启受到影响的虚拟机；3）云计算系统的管理平台中的文件系统，不同于普通操作系统的文件系统，能够使得不同的云计算节点同时访问同一虚拟机文件。（3）云计算平台的设计。后台管理模块是负责依据一定的规则，使得资源使用者依据一定的规则，获取云计算中计算机的虚拟机管理权限，每隔一定的时间获取一次访问计算机及虚拟机信息，使得用户也能实时跟踪云计算系统的硬件变化。辅助功能模块则主要是事件追踪等功能，是借由日志记录实现的。界面功能模块则是把云计算系统中的软硬件信息反馈给管理员，使得云计算系统的软硬件得到实时监控。Vnc功能模块则是实现虚拟机的网络人机接口，可以在用户计算机上，远程访问云计算主机的虚拟机中。
参考文献：
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[作者简介]郭涛（1979.12-），男，甘肃西峰人，副教授，硕士，研究方向：软件开发技术研究。
虚拟仪器平台 篇12
双光子吸收是一种重要的三阶非线性光学效应,是材料长波吸收短波发射的过程[1]。长波吸收使得入射光在材料表层的损耗较小,可穿透表层,深入到介质内部,提高吸收效率。对于激光工作介质,双光子吸收效应也可以有效拓展材料的泵浦波长范围。目前常用来研究双光子吸收的实验方法有:Z-scan法、双光子诱导荧光法[2],双光子瞬态吸收光谱法[2]等。双光子诱导荧光法虽然准确度很高,但难以测出非荧光材料的双光子吸收截面,且它必须首先测出样品的荧光量子效率,并且其测量值的准确度很大程度上依赖于所选择的标准样品,因此实验过程较为复杂,极大地限制了该种方法的实际应用。双光子瞬态吸收光谱法由泵浦探测瞬态吸收光谱法发展而来,虽然具有时间分辨能力,但其测试双光子吸收截面精度不高,且实验操作较为复杂。尤其是在研究双光子吸收效应的过程中通常存在多种非线性光学效应,这给测试测量带来了一定困难。1989年Sheik-Bahae[3]等人提出的Z-scan法是一种单光束测试材料三阶非线性极化率的技术,具有装置简单,灵敏度高,并能同时测量三阶非线性极化率的实部和虚部,因此在实践中获得了广泛的应用。目前对Z扫描方法的研究主要集中于实验研究,理论仿真工作相对较少。由于理论仿真可以获得有关实验参数与实验结果的规律,有效提高实验工作效率。本文基于数值仿真平台,利用虚拟仪器技术对利用Z-scan方法测试双光子吸收截面的实验进行理论仿真,获得了满足薄样品近似条件的开孔Z-scan实验系统参数选择范围及实验参数对测试结果的影响。
1 Z-scan理论
测量材料的双光子吸收系数时,采用的是开孔Z-scan技术,根据Z-scan技术原理[1,4,5,6,7],对于瞬时高斯脉冲,在薄样品近似的条件下,非线性吸收介质的归一化光强透过率可以表示为:
其中,
Z0表示光束的瑞利长度,k=2π/λ表示波矢,ω0表示高斯光束的束腰半径,L表示样品介质的长度,α表示线性吸收系数,β为双光吸收系数。当|q0(Z,0)|<1时,即满足薄样品近似的条件下,归一化透过率可以用式(2)的形式表示,以便于数值计算:
实验中,待测样品沿着光传播的方向,从-Z往+Z方向移动,探测器记录下样品处于不同位置时的透射光强,从而得到归一化光强透过率和Z轴位置之间的关系曲线。利用(2)式对测得的实验数据进行数值拟合,就可得到双光子吸收系数,并可求得双光子吸收截面。
用(2)式对实验中获得的随输入光强变化的非线性透过率的数据进行拟合,可以求得非线性介质的双光子吸收系数β。此外,如果知道吸收介质分子的摩尔浓度C(单位为mol/L),就可以由双光子吸收系数β进一步求得双光子吸收截面δ(单位为cm4·s·photon-1),β与δ之间有如下关系:
其中h为普朗克常数,υ为入射光频率,NA=6.023×1023为阿伏加德罗常数。
2 理论仿真
我们已利用Z-scan技术对多种材料的非线性光学性质进行了实验研究[8,9,10,11,12]。本文采用NI公司的虚拟仪器平台LabVIEW构建了Z-scan仿真系统。为使仿真实验接近于实际,仿真时使用的基本参数均参考已搭建的Z-scan系统。
2.1 仿真参考的实验系统参数
图1是实验室所用的实验装置图。光源为相干公司的千赫兹飞秒激光器,输出中心波长为800 nm,脉冲宽度为40 fs,重复频率为1 kHz,发散角为0.2 mrad。实验中所用的聚焦透镜焦距为F=12 cm,由PN光电二极管探测光强变化,送入锁相放大器,最后由计算机采集数据。被测样品固定在特制的镜架上,然后放在北京光学仪器厂提供的一维扫描平台上,平移台连接到计算机上,由计算机来控制它的步长和停顿时间。目标样品选用Rhodamine 6G,文献报道的在800 nm波长处,它的双光子吸收截面为13.4 GM[5,6]。(1 GM=10-50 cm4·s·photon-1)
2.2 仿真结果
2.2.1 光阑半径—归一化透过率曲线谷值依赖关系
假设飞秒激光器入射至光阑上的光功率为P,通过光阑后衰减为P2,则:
其中,r为光阑半径,ω为光斑束腰半径。
从方程(2)和方程(4),我们可以得到Z-scan归一化透过率曲线表达式:
其中
一般来说,在满足薄样品近似条件的情况下,N越大,Tm越小。因此N的取值应该足够大,以保证(2)式的截断误差足够小。其中,r为光阑半径,P为入射光功率,τ为飞秒脉冲脉宽,f为飞秒脉冲重频。F为前透镜焦距。
图2,3,4中的相关参数取值为:双光子吸收截面δ=13.4 GM,飞秒激光重频f=1 000 Hz,样品浓度C=1 mol/L,脉宽τ=40 fs,透镜焦距F=12 cm,样品厚度d=1.3 mm,线性吸收系数0.97,波长λ=800 nm,光斑半径r=6 mm,光阑前入射功率P=6 mW。
图2是Tm(样品位置Z=0)与阶次m的关系曲线。由图2和方程(6)知:
(a)光阑半径r足够小,使得薄样品近似条件|βI(r)L|<1成立时,Tm随m增大而减小,归一化透过率级数T(Z)收敛(见图2中(a));
(b)当光阑半径r的取值使得1<|βI(r)L|<23/2成立时, Tm随m的增大,先减小而后又急剧增大, 归一化透过率级数T(Z)发散(见图2中(b));
(c)当光阑半径r的取值使得|βI(r)L|>23/2成立时,Tm随m增大而急剧增大,归一化透过率级数T(Z)发散(见图2中(c))。
图3是相同入射光功率条件下,式(6)中的拟合阶数N分别取到奇数和偶数时的Z-scan归一化
透过率曲线。图4是焦点处归一化透过率值T(Z=0)随光阑半径r的变化曲线。由图3和4可知,随着光阑半径r的不断增大,入射光功率进一步增强,谷深凹陷程度进一步加大。当增大到r=3.15 mm时,这时|βI(r)L|=1,薄样品条件不再满足,由式(5)表达的透过率级数不再收敛,这又分为两种情况:
(a)拟合阶数N取至奇数时,焦点处归一化透过率T(Z=0)随光阑半径先减小,随之急剧增大,归一化透过率级数T(Z)不再收敛。
(b)拟合阶数N取至偶数时,焦点处归一化透过率T(Z=0)随光阑半径逐步下降,增大到一定程度时急剧下降,并且焦点处归一化透过率出现负值,归一化透过率级数T(Z)不再收敛。
通过以上分析,可以确定r=3.15 mm为本文中Z-scan系统满足薄样品近似条件的临界值,只有当光阑半径小于该临界值时,薄样品近似条件才能得到满足,才能保证由式(5)表达的透过率表达式收敛。因此,我们在Z-scan实验过程中,确定光阑尺寸的时候应充分考虑。如果入射光功率比较大,我们可以通过衰减入射光功率来保证Z-scan系统满足薄样品近似条件。如果光阑尺寸应当足够小,以保证薄样品条件得到满足。如果不能改变光阑尺寸。
2.2.2 光阑半径——拐点位置参数依赖关系
式(2)在符合薄样品近似条件下,归一化透过率函数二阶导数反映了样品透过率曲线的凸凹性,由归一化透过率曲线的形状可知,在该对称曲线的两侧存在凸凹临界点,即拐点,该拐点的位置可用下式求出:
由图5可以看出,该拐点距离光斑焦点的距离随光阑半径成双曲线变化趋势。随着光阑半径不断
增大,拐点越来越靠近焦点位置,而趋于一个常数。这说明,在其他实验条件不变的情况下,满足薄样品近似的实验结果曲线当光阑直径增大时,曲线“变窄”,如图3所示。因此,在实验中如果存在条件限制,当待测材料的扫描范围(即图3中Z的变化范围)有限时,可考虑适当增加入射光阑的尺寸来获得完整的实验曲线。
3 结 论
本文基于虚拟仪器LabVIEW平台在真实实验系统的基础上,构建了Z扫描虚拟仿真系统,给出了光阑半径变化时,归一化透过率谷深,拐点位置变化规律。从仿真结果来看:
(a)在不满足薄样品近似条件时,归一化透过率级数T(Z)不再收敛,并且,拟合阶数N取到奇数和偶数时发散趋势并不相同。应该指出,不满足|βI(r)L|<1条件时,采用式(2)拟合实验数据将有很大误差。我们在实验当中应当予以充分考虑。根据仿真结果,对于具体的测量若丹明6 G的实验,入射光阑尺寸应小于3.15 mm方能获得理想的实验结果。
(b)在Z-scan实验中,应该充分考虑入射光功率、材料扫描范围等因素来最终确定光阑半径尺寸大小。光阑半径太大,薄样品条件得不到满足,光阑半径太小,待测材料的扫描范围(即图3中Z的变化范围)可能太小,得不到完整的实验曲线。当待测材料的扫描范围有限时,可考虑适当增加入射光阑的尺寸来获得完整的实验曲线。
摘要：双光子吸收材料的非线性光学性能在光限幅、3D微制造、高密度存储和双光子荧光显微镜等领域具有广泛的应用前景和潜在的实用价值。寻找具有大双光子吸收截面的材料已成为光学及其交叉学科中最诱人,最活跃的研究领域之一。目前用于双光子吸收效应测量的主要手段有Z-scan法,双光子诱导荧光法,双光子瞬态吸收光谱法等。由于Z-scan法具有光路简单、灵敏度高及可同时测量三阶非线性极化率实部及虚部等诸多优点,已在相关领域获得了大量应用。目前有关该技术的研究基本集中在实验测试方面,理论仿真相对较少。利用虚拟仪器平台对应用于双光子吸收测试的Z-scan实验进行了仿真研究,讨论了实验参数合理性选择及实验参数间的依赖规律。通过仿真分析,重点给出了光阑半径对实验结果的影响规律,同时对扫描曲线拐点位置的变化规律也进行了详细的讨论。
关键词：双光子吸收,虚拟仪器,Z-scan
参考文献
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