摘 要：传统应变测量仪器普遍存在功能单一，无法对数据作进一步处理，以及价格昂贵等缺点。虚拟仪器则代表着从传统硬件为主的测量系统到以软件为中心的测量系统的根本性转变。将组件技术应用于虚拟仪器领域,可以缩短仪器开发的周期，提高软件的重复使用性，为实现基于网络环境的虚拟仪器提供了思路。本文阐述虚拟仪器技术在改造传统应变测试仪器中所具有的无可比拟的优点，并结合组件技术，组建精度更高、功能更强的应变测试系统。该系统可对与应变测量有关的多类型参量进行实时测量，将信息的采集和处理一体化，数据和结果实现可视化，并大大提高工作效率。
关键词：虚拟仪器；组件技术；应变测量
中图分类号：TP302.1 文献标识码：A
1 引言
应变测量是分析研究机械结构和机械强度问题的重要手段。应用电阻应变片作为传感器件，测量应变、应力及与之相关的物理量，是一种常见的实验应力分析方法[1]。传统的应变测量系统由应变计、电阻应变仪以及显示记录仪等组成，仪器的功能是封闭的，固定的，不易扩展，给用户带来了众多不便，从而限制了仪器的使用范围。
虚拟仪器代表着从传统硬件为主的测量系统到以软件为中心的测量系统的根本性转变，它简化了应变测量仪器的设计与使用，拓展了仪器的使用范围。将组件技术与虚拟仪器技术相结合，加速了虚拟仪器的构建，提高了虚拟仪器的可重复使用性。本文探讨了组件化虚拟仪器的优点，并提出了开发组件化虚拟仪器的方法，并将这一技术成功地运用于应变测量，开发出基于组件化虚拟仪器的应变测量系统。
2 组件化虚拟仪器的概念
2.1 组件化虚拟仪器
虚拟仪器（Virtual Instrument）技术是计算机技术和传统的仪器仪表技术相结合的产物。所谓虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统[2]。软件系统是虚拟仪器的核心，软件定义各种仪器，故也可说“软件即仪器”。虚拟仪器大大突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、存储方面的限制，给仪器仪表领域带来了革命性的变化，注入了新的活力和生机，正逐步在仪器制造和测试领域代替传统硬件式仪器[3]。
组件是一种能够提供某种服务的自包含的软件模块，它封装了一定的数据（属性）和方法，并提供特定的接口，开发人员利用这一特定的接口来使用组件，并使其与其它组件交互通讯，以此来构造应用程序[4]。组件具有即插即用、以接口为核心、标准化的特点，目前在组件的标准化方面主要OMG的CORBA和Microsoft的COM/DCOM，设计人员可以选择其中的任意标准来开发组件。基于组件的软件开发技术（Component Based Development）使软件的复用程度能够得到进一步的提高，降低了对系统开发者的要求，使开发的系统更加灵活，更加便于维护和升级。
将组件技术应用于虚拟仪器领域，形成组件化虚拟仪器，其结构更加简洁易调整，开发更加容易，质量更有保证，从而更加方便地组建基于网络环境的分布式应用程序，构造出新的虚拟仪器，进一步扩大了仪器的使用范围。国内著名的基于秦氏模型的智能控件化虚拟仪器开发思想，提出虚拟仪器研制和开发的核心在于虚拟仪器控件库、功能库和硬件驱动库的构建，从而使虚拟仪器的拼塔工作就变得非常容易，这种虚拟仪器的开发方法实际上就是运用了组件技术。可以预测，在不久的将来，在以基于计算机的测量仪器开发中，组件技术与虚拟仪器开发相结合会占主导地位。
2.2 组件的软件开发模型
基于组件的软件开发一般可以分为三个过程：系统的分析与设计过程、开发组件过程以及组装组件过程。系统分析和设计过程由测试领域专家根据系统需求建立系统模型，然后由专业设计人员对系统模型作进一步修改和完善，设计出系统的总体结构，并按组件开发规则，定义系统所需的组件以及组件的接口说明和组件之间的交互协议。开发组件过程就是开发人员利用规定的接口来设计组件，开发人员根据需要进行软件编程来重新开发组件，也可以将现有的软件稍加修改封装成组件，或直接向专门的组件开发商购买所需的组件，然后将所有要使用的组件装入组件库进行统一管理，以方便组件的装配使用。最后一个过程是组装组件的过程，即按照系统设计中提供的总体结构，从组件库中选取合适的组件，按照组件接口所规定的标准或协议，用组装工具完成应用系统的连接与合成，最后对系统进行各种集成测试。基于组件的软件开发过程的模型如图1所示。
3 组件化虚拟式应变测量技术
3.1 组件化虚拟仪器的硬件
组件化虚拟式应变测量系统采用PC-DAQ体系结构，与PC计算机结合在一起来完成测试仪器功能，可实现真正的虚拟仪器。PC-DAQ系统是以数据采集板（卡）、信号调理电路和计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器系统，这种实现方案的性能价格比最佳[5]。如图2所示为基于PC-DAQ体系结构的应变测试系统的基本结构。系统由传感器（电阻应变计）、信号调理电路（测量电桥和应变放大器）、数据采集卡（板）和计算机及其外设组成。其中，信号调理电路和数据采集卡对系统的测量精度影响较大，须选用高精度应变放大器。数据采集器可选用基于USB总线技术的数据采集卡，使在野外作业时便携。
3.2 组件化虚拟仪器的软件
为了充分发挥组件技术与虚拟仪器技术的优点，我们把应变测试系统划分成四个组件：主控制组件、仪器面板组件、数据采集组件和分析功能组件，这些组件之间功能相对独立，关系松散，但具有统一的接口。在每一个组件内部由很多能完成特定功能的功能模块，这些模块被封装成组件的形式。通过主控制组件，可以操作组件之间进行通信。图3所示为组件化虚拟仪器系统的软件结构。
显然，采用组件化虚拟仪器技术设计的应变测量系统结构清晰简洁。对于设计者，若要增加功能，只需要增加新的组件（重新设计、修改或购买），而已经存在的大部分组件完全不必修改；对于使用者，除必须选择的主控制组件和数据采集组件外，只须根据需要选择相应的功能组件，而不必运行所有的组件。这使软件的结构更加容易调整 ,开发更加容易，质量更有保证 ,并且软件具有良好的开放性和易扩展性，大大提高了效率[6]。
3.2.1主控制组件
主控制模块在视图类中实现，以提供用户接口，它规定了各个组件模块之间的框架协议。在接受用户指令后，主控制组件通过统一调度各功能组件执行用户指令，从而完成应变测量。用户的操作主要由一系列功能函数来实现的。
3.2.2 数据采集组件
数据采集组件将各种硬件仪器的驱动程序模块封装在组件中，当测试要求改变需要更换新的仪器硬件时，只需更新相应的驱动程序模块，并且保证它对上层的接口保持不变，那么新的仪器硬件就能在原来的系统中正常运行。本系统在进行试验时，考虑到成本因素，采用的是DAQ。该组件实现的主要功能包括采样参数（通道号、采样频率、采样点数以及采样控制方式）设置和采样启动控制。其主要作用是将连续的模拟信号转换成离散的数字信号。
3.2.3 分析功能组件
应变测试系统的核心部分是分析功能组件。分析功能组件所实现的功能是其它传统仪器所不具备的，是虚拟仪器的优势部分。该组件的主要功能是将数据采集组件采集得到的应变信号进行分析与处理。应变测试系统的各个数据分析处理功能做成各自相对独立的组件，如时域波形分析组件、统计分析组件、相关分析组件、功率谱分析组件以及概率密度组件等。为了方便进行离线分析，还设计了其它辅助功能组件，如数据的存储与回放功能、打印输出功能等。根据需要，用户还可以添加其它功能组件。
3.2.4 仪器面板组件
仪器面板组件是由软件形成的形象逼真的按钮、旋钮、滑块、信号灯以及液晶显示器等控件，这些控件都是各自相对独立的组件，这些组件被封装在仪器面板组件中。测试时，用户通道点击相应的按钮和移动鼠标，就可以完成对仪器的全部操作。
3.3 组件化虚拟仪器在应变测量中的实例
应用VB开发了仪器驱动程序Drive.dll，利用Visual C++6.0作为仪器组件的开发环境及集成环境，开发了采样组件，并提供以下数据接口：SampleFre（采样频率）,SampleLen（采样长度）,SampleCh（采样通道），该组件调用Drive.dll中的函数来控制数据采集卡的运行。最后通过主控制组件的标准接口函数来统一调度各功能组件，从而完成应变测量。图4为某悬臂梁加载产生振动时所测得的应变波形图，从中可以看出悬臂梁的振动规律。
4 结语
虚拟仪器技术是计算机技术和传统的仪器仪表技术相结合的产物，而基于组件的软件开发技术提高了软件的重用率，降低了对系统开发者的要求，特别适合于虚拟测试仪器发展的要求。组件技术与虚拟仪器的结合，使得虚拟仪器的软件结构更加简洁易调整，开发更加容易，质量更有保证。由于组件技术遵循统一的接口标准，这也使得软件具有良好的开放性和易扩展性。本文利用组件化虚拟仪器技术，构建的应变测试系统实现了所设计的全部测试功能，从而证实了用组件技术开发虚拟仪器的优越性和可行性。另外，组件的封装性和开发性有利于虚拟仪器技术与网络技术的融合，有利于基于网络环境的分布式应变测试的发展，使得测试数据得到了真正意义上的共享，使远程测试得以实现，这必将是应变测试系统今后发展的方向。
参考文献：
[1] 秦树人，罗德扬，张明洪. 机械工程测试原理与技术[M].重庆：重庆大学出版社，2002,8.
[2] 刘君华，贾惠芹，丁辉. 虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW教程[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001,8.
[3] 秦树人，张思复，汤宝平. 集成测试技术与虚拟仪器[J].中国机械工程，1999，1，10(1):77-80.
[4] 朱晓华，冯玉田，章玉鉴. 基于组件技术的虚拟仪器开发方法的研究[J].上海大学学报(自然科学版)，1999，8，5(4)：357-361.
[5] 刘笃喜，王文军，蔡春桥. 面向对象的电阻应变虚拟测试系统设计与实现[J].测控技术，2002，1，21(1)：114 -116.
[6] 王晓峰, 秦树人. 基于虚拟仪器结构的虚拟式音频分析仪设计[硕士论文].重庆：重庆大学测试中心，2002，4.
