基于虚拟仪器平台的凸轮检测数据处理系统的设计1学位论文.docx
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基于虚拟仪器平台的凸轮检测数据处理系统的设计1学位论文
基于虚拟仪器平台的
凸轮检测数据处理系统的设计
摘要
以往的对数据处理分析中，都会存在灵活性不强而且成本较高等缺点。
本次论文研究的课题是结合工厂生产要求，设计基于虚拟仪器对检测数据处理的系统。
不但提高了灵活性而且降低成本更具有实时性等优点。
工厂机械生产中，通常会对机械进行凸轮检测，这时会产生大量的数据，而且会对同一型号或同一参数进行多次检测。
这便造成时间的浪费，同样，久用的机械设备也要进行检测，如果没有参数作为参考，可能耽误生产。
本设计主要以两个工作任务来解决这些问题，一是通过对凸轮检测出来的数据进行处理，研究一种在LabWindows／CVI平台能对MicrosoftAccess存储的数据进行调用，对历史数据的存放和读取以及新数据的写入。
二是利用LabWindows/CVI与武汉亚为科技的USBAdio模块实现数据传输，通过另一台检测装置对数据的处理。
实践表明该方案对于数据管理切实可行。
关键字：
虚拟仪器；设备驱动、数据库USBAdio
Abstract
Previousanalysisofdataprocessing,thehighcostwillstillexistandflexibilityinfaults.Thispaperresearchtopiciscombinedwithfactoryproductionrequirements,thedesignofdetectiondataprocessingbasedonvirtualinstrumentsystem.Notonlycanimprovetheflexibilityandreducethecostmorehastheadvantagesofreal-timeperformance.
Factorymachineryproduction,usuallytoCAMmechanicaltesting,thenwillproducelargeamountsofdata,andmanytimesforthesamemodelorparameterdetection.Itwillcausewasteoftime,again,alongtimewiththemachineryandequipmentalsowanttotest,iftherearenoparametersforreference,mayholdupproduction.Thisdesignmainlybythetwotasktosolvetheseproblems,oneistoprocessthedatadetectedbyCAM,researchinLabWindows/CVIplatformcancallonMicrosoftAccessthedatastoredonthestorageofhistoricaldataandreadandwritenewdata.2itisusingLabWindows/CVIandRS232serialinterfacefordatatransmission,throughanothertestingdevicefordataprocessing.Practiceshowsthattheschemefordatamanagementisfeasible.
Keywords:
virtualinstrument;Devicedrivers,andthedatabase，USBAdio
第1章绪论
1.1题目介绍
20世纪80年代以后,电子技术和计算机技术的高速发展催生了新的对数据处理的方法、理论和仪器的出现。
这些新的仪器技术在许多方面冲破了传统仪器的概念,测量仪器的功能开始发生了质的变化,在这种背景下,虚拟仪器应运而生。
虚拟仪器借助于计算机的软硬件平台建立的测试与控制系统。
通过虚拟仪器,用户可以根据自己的需求设计自己所需的仪器系统并对检测出来的数据进行处理,仅仅通过修改软件就能改变仪器功能,以满足多种多样的应用需求。
LabWindows/CVI是虚拟仪器语言中应用最普遍的、最有代表性的软件平台。
LabWindows/CVI以C语言为基础,采用图形化的编程方式,无须掌握复杂的编程技巧便可完成程序设计,操作简便却功能强大,能够满足用户进行数据采集、数据处理、数据分析和数据存储的需求。
设计具有高精度、灵活性、可移植性、有强大的分析处理及存储能力的数据分析系统具有实际意义。
通过对虚拟仪器的了解和研究,本文提出了基于虚拟仪器平台的凸轮检测数据数据处理系统的设计。
文中首先对虚拟仪器的原理、特点、应用进行了分析,在此基础上阐述了数据采集系统的设计思想,并分别给出了系统设计的软件平台与数据调用和利用串行接口实现检测装置对LabWindows/CVI数据访问。
软件设计在NI公司开发环境下进行。
作者利用LabWindows/CVI编写了系统的应用程序,实现了包括数据采集、数据处理与分析、数据显示与存储在内的多个模块的功能,实现了对信号的滤波等处理,界面直观。
1.2虚拟仪器对检测数据处理的演变与发展
传统的电子测量仪器、测试系统由信号采集、数据处理与分析和处理结果的最终显示三部分组成放在一个仪表机箱内，这三部分都是用电子线路来实现的，即都是采用硬件来实现的。
传统仪器经历了从模拟仪器到数字化仪器的变革，随着现代科学技术和生产的不断发展，测试项目日益增多，测量范围日渐扩大，对测试系统在精度、速度及功能方面有了更高的要求，这就促使我们要不断的改进和完善测量仪器和测试方法，组建自动测试系统，使测试仪器逐步向智能化、自动化和虚拟化发展演变。
智能仪器是将微处理器置入测试仪器，使其能进行自动测量，并具有一定的数据处理能力。
它的全部功能都是以硬件的形式存在，并通过键盘和鼠标来实现。
近年来的一些智能仪器由于语音技术的应用实现了测量结果的自报功能，有的增加了触摸屏功能，但无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。
随着计算机技术、数字信号处理技术的进步，实现各种信号处理功能的软件算法精度越来越高，速度越来越快，在仪器的数据处理与分析部分，用软件代替硬件成为可能，即算法代替电子线路，能够实现传统仪器的信号处理功能。
同时，处理结果的最终显示原本就是计算机的长项，这样吧传统仪器的后两部分用计算机软件来实现而不再采用硬件来实现，就形成了所谓的虚拟仪器。
但是虚拟仪器的面板显示在计算机的屏幕上，仪器的操作是通过鼠标选中不同的按键和旋钮来完成的。
根据实际生产的需要，采用不同的软硬件组合，用户就能在屏幕上定义自己的仪器，生成各种不同仪器面板。
传统的独立仪器由制造商来定义它的功能，而虚拟仪器完全由用户自己来定义仪器的功能，虚拟仪器是一种功能意义上的仪器是传统仪器观念的一次巨大变革，将代表仪器未来发展的一个重要方向。
目前，虚拟仪器的应用受到了一定的限制。
这是因为面向微波、通讯等领域的专用测试仪器，包括通用仪器的高端产品一直以来是台式仪器垄断着市场，相应的模块仪器产品为数不多。
不过，近年来已有多家仪器厂商正在研制、开发面向测试高端领域的宽带、高速、复杂的模块化仪器。
由于虚拟仪器本身是以计算机为平台，具有方便、灵活的互联能力，随着通信技术、总线技术和网络化虚拟仪器的出现是一种必然。
除了必要的硬件接口支持，虚拟仪器软件开发平台使用户可以借助Windows系统远程桌面、LabWindows/CVI串口通信，可实现远程测试、诊断和维修。
1.3主要任务
本次设计的目的是对出厂机械凸轮检测出来的数据进行处理。
设计中的凸轮检测是以盘形凸轮为例。
如果产品存在不合格，长时间运作会使电动机瘫坏，甚至使工作人员得不到人身安全。
数据是通过盘形凸轮检测装置检测出厂机械获得的，并将数据送入微机RAM内存储，进行转换。
能够实现存储在Access中，并能通过LabWindows/CVI调用函数。
然后通过波形图的比较，如果波形有较大的差异，这时就需要工作人员进行对机械的重新维修。
最后利用USBADIO模块实现一台检测装置对计算机数据的访问并实现数据处理功能，这就是我们常说的远程控制，这样就不必看着电脑点着鼠标。
方便切快捷的实现功能。
第2章工作内容
2.1工作内容与实施步骤
本次设计主要从三个方面着手，第一是Access对采集来的数据进行存储，我利用检测到的数据进行整理，对两个数据进行存储一个是极坐标的角度
，另一个是极径
。
极坐标角度的范围是0~360度。
利用参数公式运算，得到升程值。
将获得的数据存储到Access中。
对于数据库的存储，最新的数据库管理系统（DBMS）是将数据保存在表的形式。
通过记录和字段的表结构构成二维形式实现字段（包括:
记录称为行,称为列）。
数据库中每个表必须有一个唯一的名称，每个表中字段也必须有一个唯一的名称。
每个领域都有其自己的数据类型,程序必须明确所有字段的数据类型,可以指定程序中的一个字段对应类型的变量,不然访问数据库数据类型会有不匹配错误的发生。
使用MicrosoftAccess创建数据库比较简单,具体实现步骤如下:
打开软件,创建一个空数据库,名为TestData.MDB,然后用表设计,创建一个数据库表。
将需要创建一个表的列名依次填在写字段名称中,如极坐标角度
，极径
。
并且根据数据填写的指定数据类型。
如果需要对字段进行说明,则在最右边一列添加必要的说明文字。
每个字段的属性有一系列需要设置,如字段大小、格式和默认值。
用户可以根据需要进行设置。
新创建的数据没有任何记录在表中,开始测试后,测试程序获得的数据将填写相应的表格中。
下面将进行第二方面设计。
利用虚拟仪器LabWindows/CVI设计出来的界面，对存储在Access中的数据进行调用。
LabWindows/CVI并没有直接通过标准函数库提供数据库的操作函数，也没有在工具包中包含数据库的驱动器。
要在LabWindows/CVI的环境下使用数据库，必须先安装CVISQLTookit工具包。
工具包中一共包含了11个子类的函数库，这些数据库编程API使LabWindows/CVI编写的上层应用程序对数据库的访问得以实现。
对界面编程的具体步骤为：
制定程序设计的基本方案。
根据任务确定程序的基本框架，其中包括程序界面和程序中所需要的函数等。
创建用户图形界面。
更具第一步制定的方案创建用户图形界面及回调函数名。
程序源代码的编制。
让计算机生成程序代码及回调函数的基本框架。
添加函数代码，完成代码的编制工作。
工程项目的完成。
编译并调试程序，把头文件，用户图形界面文件，源代码文件添加到项目文件中去，完成整个程序的编制。
虚拟仪器将接收到信息，并且将获得数据转化为波形的形式在界面中显示，接下来就是对数据进行分析，并设计出利用USBADIO模块实现计算机与检测装置的互联。
也就说，通过一台检测装置，利用串行接口，将计算机内的数据传输到检测装置中，这时的检测装置也能够实现数据以波形图显示。
本人的计算机是联想G470版，只有USB端口和VGA端口。
图2-1USBAdio模块
2.2设计流程图
本次设计的具体流程图如图所示：
图2-2设计流程图
第3章凸轮检测数据的提取与存储
3.1凸轮检测装置
3.1.1检测系统的构成
检测系统是由三部分组成：
凸轮实验台；传感器；Apple-II计算机及输出系统等外部设备。
凸轮试验台是用DY-2型手工检测台改装而成。
而传感器则包括光电脉冲发生器和带磁栅数显表的磁尺。
3.1.2系统的工作原理
凸轮试验台输出的凸轮角位移
和从动件线位移Si，通过观点脉冲发生器和磁尺发生的信号进入磁栅数显表，得到凸轮单位转角（0.5）从动件位移量Si，用汇编语言编制的程序将数据送入内存储，并进行转换，然后又输出系统间测量值输出或被调用。
3.1.3系统的特点
该系统与国内现有的检测装置比较，不但具有速度快、效率高、操作简便、不需要寻找凸轮升程的起点位置的有点；而且测得的数据可存储在磁盘中，随时可调用或进行处理。
3.1.3原始凸轮廊线计算的数值方法
若被测盘形凸轮机构的从动件型式与检测装置相同，即直动对心滚子从动件，则按检测系统采集的数组用数值方法可直接计算出廊线和刀具中心轨迹坐标，并由绘图仪绘出去廊线图
图3-1凸轮廊线图
3.1.4基本方程：
理论廊线方程：
实际廊线方程：
数控铣床铣刀中心轨迹坐标方程：
压力角和曲率半径校核：
式中：
——滚子半径；
——刀具半径；
——凸轮的法相角
3.2凸轮的误差分析
检测装置的测量（
）含有误差，主要凸轮加工误差
，检测装置的制造误差
以及测量仪表的误差
，它们的和为
=
+
+
；
从而导致凸轮从动件明显的类加速度误差为
凸轮检测时必须设法消除误差。
为此，除提高检测装置和仪表的精度外，拟用函数逼近的方法求出凸轮从动件运动的近似方程式，以提高检测的精度，同时求的其差值，还凸轮的本来面貌。
3.3函数逼近和曲线拟合
（1）按测量值（
）寻出凸轮从动件的近似运动函数
来反映自变量
和因变量
间关系，使其误差或它的平方和为最小，即
（2）被测凸轮从动件逼近函数
的形式选择
有Weierstrass定理：
设f是闭区间[0,1]上的任一连续函数，
为任一整数，则存在一多项式P，使不等式
|f（x）-P（x）|<=
对一切x
[0,1]均成立。
因凸轮从动件的传动函数通常是多项式
或三角函数形式，所以多项式和正交多项式是凸轮从动件较为理想的逼近函数。
3.4多项式曲线拟合
它的表达式为
用最小二乘使
成立，从而转化为求多元函数
的极小点
的问题。
按求多元函数极值的必要条件，可得计算系数的正规方程组：
3.5正交多项式曲线拟合
当多项式次数n>7时，系数矩阵容易出现病态，使求解发生困难。
而正交多项式则可避免上述缺陷，它的表达式为
式中，
是正交函数，即
其中，wi为权系数，通常取1
按式求误差平方和极小值的条件，并利用正交原理，求的：
3.6凸轮升程
升程是凸轮转一圈最高点和最低点的距离，因为要旋转，必须有个轴带动它，那个槽就是键槽（固定轴用的）红色方块是旋转到最高点，黑色方块是旋转到最低点，如图所示
图3-2升程
3.7凸轮检测的其他参数
假设动摆杆的运动规律为正弦加速运动，表达式为：
推程：
回程：
式中：
为从动摆杆角位移；
为从动摆杆最大角位移；
为凸轮运动角度；
为凸轮回程运动角；
为凸轮推程运动角。
凸轮与从动摆杆的运动轮廓曲线是一对共轭曲线，在一直摆杆规律、凸轮的运动和从动件轮廓曲线的条件下，利用共轭关系变能求的凸轮理论轮廓曲线，如图5-1所示，以凸轮回转中心
为坐标原点，从动件摆杆回转中心
，凸轮基圆半径r，摆杆l。
摆动从动件的处事位置在行程起始位置时的
，凸轮逆时针旋转
角度后，凸轮与动件接触点为点A。
利用反转法求凸轮轮廓A点，可以看成
绕
反转
角度到达
位置，
在摆动
角度到达
位置。
也可看成
绕点反转（
+
）角度，到达
绕点，再由
平移到
位置。
设置A点坐标可用一次坐标旋转和一次坐标平移变换得到：
整理出出来的数据存储在数据库中，如图
图3-3（a）图3-3（b）
将图3-3（b）中字段名称设置为关键字，字段1对应的是极坐标角度，字段2对应的是极径，利用Access将图3-3（a）中字段1数据与图3-3（b）中字段名称进行互联，即可在Access中点击查询便可以实现简单的查询功能，但这需要手键入极坐标角度值。
第4章CVI软件设计与功能的实现
4.1LabWindows/CVI界面设计
4.1.1LabWindows/CVI的主要功能
LabWindows/CVI是基于C的集成软件开发环境,主要用于检测和控制相关领域如软件开发,调试,具有以下功能:
1．标准ANSIC程序编辑、编译、链接和调试;
2．工程文件管理;
3．包括各种各样的仪器控制软件方案;
4．包含一个全面的数据采集、分析和图形显示工具;
5．可以自动生成的函数面板和调试软件包在相应的功能,实现代码自动生成;
6．一个方便的用户界面生成工具,各种用户界面配置和管理资源;
7．仪器驱动程序向导,可以快速生成一个标准的虚拟仪器驱动程序软件;
8．外部模块广泛的支持能力;
9．在线帮助;
4.1.2建立用户界面
从Project窗中选择：
File>>New>>UserInterface（*.uir）…创建一个用户图形接口文件（*.uir）。
下图就是本程序应该创建的UIR界面:
图4-1LabWindows/CVI用户界面
创建下列控件元素以及修改其属性：
创建一个string，修改其属性如下图所示：
图4-2string设置
创建一个BinarySwitch,修改其属性如下图所示：
图4-3quit按钮设置
创建一个放大控件,修改其属性如下图所示：
图4-4控件设置
创建一个极距和角度调整控件,修改其属性如下图所示：
图4-5调整设置
图4-6角度的设置
这些控件的选择都是在界面中鼠标右击选择控件中获得的。
选择：
File>>Save保存UIR文件，命名为EasyIOSample.uir。
设置面板和菜单属性的函数分别是SetCtrlAttribute函数和SetMenuBarAttribute，获取面板和菜单属性的函数分别为GetPanelAttribute和GetMenuBarAttribute。
当制作完了用户界面，单击用户界面编辑窗口的Code菜单生成出相对应的代码。
“产品序列号”即为型号的选择，这是个write属性可以点击从文件中获取。
坐标线选择按钮是为了方便工作人员进行波形的比较。
4.2CVI与数据库
本次设计的数据库采用Access2003，利用这款软件作为数据库存储数据比较容易，并且该软件本就容易操作。
LabWindows/CVI并没有直接通过标准函数库提供数据库的操作函数，也没有在工具包中包含数据库的驱动器。
要在LabWindows/CVI的环境下使用数据库，必须先安装CVISQLTookit工具包。
工具包中一共包含了11个子类的函数库，这些数据库编程API使LabWindows/CVI编写的上层应用程序对数据库的访问得以实现。
虽然LabWindows/CVI中通过Microsoft的ADO（活动数据对象）接口可以支持多种数据类型的数据源，但是最常使用的还是ODBC数据源。
ODBC实际上是一个函数库，它提供了一个连接到底层数据库系统的公共应用程序接口，它通过一个库驱动程序与底层数据库进行通信。
在开发数据库应用程序时无需考虑它是如何工作的，只需要为应用程序指定一个数据源，将数据源文件配置成已创建好的数据库文件，即可以在LabWindows/CVI中利用SQL语句访问由第三方工具制作的数据库。
因此，信号处理自动测试系统如果要实现对数据库的访问，必须先指定一个数据源，数据源命名为“TestData”，数据源文件配置成“TestData．mdb”。
将数据源成功添加到Windows操作系统后，就可以在LabWindows/CVI中对数据库中的5个表进行查询、修改等操作了。
运用VISA应用程序接口可以实现四通道多点采样数据库存储，采样数据精确到小数点后2位，采样数据以字符串的形式存储在DataAcquisitionLibrary（数据采集函数库）中。
这里各通道的采样均设为1000Hz，被采样信号的最高频率低于500，采样率不能低于1000Hz。
因为数据中，极坐标取小数点后两位，所以在接下来的RS232当中会取整乘以100，8个字节的形式传送。
4.3LabWindows/CVI数据调用
LabWindows/CVI的函数库（Library）
LabWindows/CVI其强大功能的所在就是基于其非常丰富的库函数。
LabWindows/CVI所提供的库函数从用户图形界面，数据采集，数据分析，仪器控制…到现在Internet时代的TCP。
所以说LabWindows/CVI在测量领域成为先锋的同时又与当前时代的新科技保持了同步。
下面我们就来谈谈LabWindows/CVI的函数库，我们把LabWindows/CVI的函数库分为了五个大的方面，各个方面又分成了不同的小类：
·数据采集方面（DataAcquisition）一共7个库：
InstrumentLibrary:
仪器驱动库
GPIB/GPIB488.2Library：
仪器控制函数库
DataAcquisitionLibrary：
数据采集函数库
EasyI/OforDAQ：
易用的数据采集函数库
RS232Library：
RS232库
VISALibrary：
VISA库
VXILibrary:
VXI库
·数据分析方面，两个库：
FormattingandI/OLibrary:
格式化以及输入输出库
AnalysisLibrary:
分析库
或者AdvancedAnalysisLibrary:
高级分析库
·数据显示方面：
UserInterfaceLibrary:
用户接口库
说明:
用户接口库中提供了许多用于与面板上各种控件元素打交道的函数，通过这些函数你可以非常容易的把一个采集来的波形画到Panel的Graph上或删除Graph上已画的图形；得到Panel上某个控件元素的数值以及把某个数值写到Panel上的某个控件元素上去（亦就是改变该控件元素的值）；修该Panel上控件元素的属性。
总之，只有熟练掌握了用户接口库函数后才能使创建的用户图形界面正正的动起来。
·网络，通信与数据交换方面，四个库：
DDELibrary:
动态数据交换库
TCPLibrary:
TCP库
ActiveXAutomationLibrary:
ActiveX自动化库
DataSocketLibrary:
DataSocket库
·其它方面：
ANSICLibrary:
标准C库
点击库Library中.NetLibrary
图4-7.NetLibrary选择
点击Select
图4-8文件类型选择
选择Select项，出现如下图界面：
图4-9文件名称选择
获取文件如图
图4-10获取文件并定义文件名
4.4实现对数据库数据提取功能
4.4.1实现ODBC数据源查询、数据库查询、显示表testres的内容
1）历史数据的写入
当一台出厂机械检测之后，需要将机械凸轮检测出来的参数写入数据库，即需要在数据库中增加新的记录，程序段中的变量idvalue为整型变量namevalue、timevalue、addressvalue、typevalue、resultvalue是从面
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