摘 要：本文介绍了虚拟仪器技术在蚕茧无损质量检测中的应用。将虚拟仪器技术引入到蚕茧无损检测中，并在虚拟仪器的软硬件平台上利用LabVIEW软件的Matlab Script节点功能和LabVIEW图形化的编程环境构建了一个功能强大的数据采集和信息处理平台。
关键词：虚拟仪器;LabVIEW;数据采集;蚕茧检测
1.引言
虚拟仪器即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、测控功能和数据处理完美结合的一种计算机仪器系统[ 1 ]。它以其简单直观的图形化编程方式、众多源码级的设备驱动程序、丰富实用的分析表达功能等为用户快速地构造自己的仪器系统提供了良好的环境。本文将虚拟仪器技术应用到蚕茧无损质量检测中，为蚕茧无损质量检测仪的研制提供了便捷和友好的实验平台，使得数据处理结果更直观，分析处理更方便，加快了系统开发的速度，节省了研发费用。
2.检测系统的硬件构成
蚕茧无损检测方法的基本原理是：将蚕茧装在夹具中，利用LabVIEW软件编程控制数据采集卡产生正弦激振信号经过功率放大器驱动激振器工作，从而使夹具和蚕茧振动，传感器将振动加速度信号送到信号调理器进行信号放大，由LabVIEW软件控制的数据采集卡采集经过信号调理了的信号，并以此信号为依据来推断茧壳的重量。检测系统的组成框图如图1所示。
图1：检测系统原理图
实验所用到的硬件有：美国NI公司的PCI-6014多功能16位数据采集卡、美国Lance公司的LC0120加速度传感器及LC0208信号调理器、702所的2204永磁激振器、7111型功率放大器以及计算机一台。
LabVIEW软件提供了各种图形化驱动程序，利用LabVIEW提供的图形化驱动程序驱动各种总线的I/O接口设备，对被测信号放大和采集控制，并通过编写相应的处理程序对采集信号进一步分析处理。LabVIEW软件可以驱动PCI-6014数据采集卡，能够采集±10V的电压信号，精度2.003mv，它不仅具有模数（A/D）转换功能，还具有数模转换（D/A）功能，可通过LabVIEW编程输出高精度正弦激励信号。通过LabVIEW软件控制采集卡的工作，模拟输出端口（AO）用于产生激励信号驱动激振器工作;采集卡的模拟输入端口与信号调理器相连，采集经过信号调理了的振动加速度信号。
3.系统软件设计
虚拟仪器的核心内容是检测系统软件的开发。LabVIEW软件能极大地提高效率、缩短设计周期。为了增强其对底层的控制能力及充分利用现有的代码资源，它提供了与Matlab、C等多种语言的接口。并且，LabVIEW软件自身附带的很多信号处理的子程序可以直接调用，用户可根据需要随时可以很方便地增加或去掉某些功能模块，比如滤波器、窗函数、时域、频域、自功率谱、互功率谱、自相关函数、FFT分析等信号分析功能以及信号特征量的计算和提取等。
采用LabVIEW软件完成的检测系统软件由两大部分组成：一是实现虚拟面板功能的前面板（front panel）;二是有一定测试和处理功能的程序图或称之为流程图（block diagram）。各个功能模块可以单独创建子程序（Sub VI），然后在主程序中调用它。
完成所有检测功能的流程图部分主要分为三大部分：1）信号发生器模块;2）数据采集和保存模块;3）具有数据处理和特征提取功能的Matlab节点程序。
LabVIEW软件是基于数据流编程的，从程序图中就可以很清楚的看到数据的流向，要实现信号发生器与数据采集以及其他复杂的功能模块（如自动控制信号发生器的停止与运行、循环自动采集、自动保存数据、自动改变文件名、自动判别系统状态等）同步运行而不相互干扰，就需要考虑精确的时序控制问题。为了减少编程难度，笔者将两个功能分开运行，信号发生器模块作为一个程序单独运行，其他模块则放在数据采集程序中。由于Windows操作系统多线程的特点，两个程序均可以独立稳定的运行。同时，由于LabVIEW软件提供了全局变量的功能，使得独立运行的程序之间可以通过全局变量互相传送数据和控制指令以及联合监督系统的运行状态，从而实现了系统在时间上的统一控制，为蚕茧的科学检测进行提供了可靠的保障。
3.1虚拟信号发生器模块
普通的信号源一般精度不高，稳定性也不够好，高精度信号源价格一般比较昂贵，应用虚拟仪器的软硬件即可得到高稳定性和高精度的信号发生器。如图3所示，所设计的虚拟信号发生器与传统的仪器在面板上基本上是相同的，操作起来很方便。在虚拟信号发生器的前面板中可以设置通道参数和波形参数，波形显示区可以显示输出信号的波形，便于观察和调整。信号发生器通过全局变量由数据采集程序控制，实现了整个系统时序上的统一。
图3：虚拟信号发生器
信号发生器节点程序核心部分如图4所示。LabVIEW软件将子程序封装成一个个小图标的形式给用户调用，用户只需要按照自己的需要调用和连接相关子程序（Subvi）并进行一些参数设置即可完成强大的测试功能。
图4：信号发生器程序图
3.2数据采集和保存模块
通过前面板用户可以设置每组的采集次数、每次采集时间间隔，还可以修改采集频率和每次采集的点数。在此仅给出了数据保存模块的框图节点程序，如图5所示。数据保存模块可以设置数据存储的初始路径，笔者以采集蚕茧的组数为一个变量，如图5中的“本批已采集组”，每采集完一组数据自动加1，应用LabVIEW软件提供的字符串处理功能，可实现每采集完一组蚕茧程序自动根据采集的批次改变和生成文件名并进行保存，达到了无人值守的目的，以便数据处理的自动化。
图5自动数据保存与改变文件名程序图
3.3数据处理Matlab节点程序
LabVIEW软件虽然具有友好的人机操作界面、编程容易，但是它所提供的信号分析功能却有限，MATLAB虽然具有强大的信号分析与处理能力，但它不能方便地实现与信号采集设备的数据通讯，且较难设计出良好的人机交互界面。LabVIEW软件提供了与Matlab等多种语言的接口[ 2 ]，这就使得LabVIEW软件的友好编程界面和Matlab的强大数据处理能力有机的结合在一起。
为了简化调用过程，LabVIEW提供了Matlab Script节点。LabVIEW使用ActiveX技术执行该节点，启动一个MATLAB进程。这样用户就可以很方便地在自己的LabVIEW应用程序中使用MATLAB，包括执行MATLAB命令、使用功能丰富的各种工具箱，如小波包工具箱、神经网络工具箱（Neural Network Toolbox）、优化工具箱（Optimization Toolbox）等。图6是LabVIEW软件的Matlab节点工作原理图。
图 6：LabVIEW中Matlab节点的原理图
LabVIEW通过数据采集或仿真生成的原始信号和信号处理参数通过LabVIEW与Matlab接口传给Matlab相应的功能函数，完成信号分析和处理功能，最后将处理结果回传给LabVIEW显示或进行下一步数据处理。图7以信号的小波去噪为例说明了LabVIEW软件中Matlab Script节点的应用。从图7可以看出，在LabVIEW软件的Matlab Script节点中用db10小波函数对输入信号X进行了5层小波分解[ 4 ]，得到了高频噪音和去噪后的低频信号。由于篇幅有限小波去噪前面板和效果图在此略。
图7：LabVIEW中小波消噪Matlab节点程序
数据处理部分在用户面板的后台运行，对采集的数据进行相应的处理，包括信号的滤波、特征提取和神经网络识别等。
3.4检测仪器面板
所设计的检测仪器面板如图8所示，系统进入稳定状态后自动启动检测程序采集数据并经过分析得到结果，给出蚕茧等级。所有过程均由检测系统自动控制完成，同时可以根据用户情况增加历史数据保存功能，以便进一步的分析处理。
图8：检测仪器前面板
4.结论及展望
虚拟仪器作为新兴的仪器仪表，由于其突出的优点使得它广泛应用于工业生产的各个领域。将LabVIEW构建的虚拟仪器应用到蚕茧无损质量检测中实现了蚕茧振动信号的自动数据采集和对检测系统状态和稳定性的在线监测以及对信号发生器的精确控制，并结合LabVIEW提供的Matlab Script节点程序扩展了测试系统的功能，从而为蚕茧无损质量检测系统提供了功能强大、操作简单、界面友好的振动检测平台。
参考文献
[1] 张凯, 周陬, 郭栋编著，LabVIEW虚拟仪器工程设计与开发【M】.北京：国防工业出版社，2003，1～8
[2] 刘君华，郭会军，赵向阳，贾惠芹编著.基于LabVIEW的虚拟仪器设计【M】.北京：电子工业出版社，2003，115～130
[3] 蔡辉，王志贤，张合新，信号处理在虚拟仪器测试系统中的应用【J】.国外电子测量技术，2003年第4期，28～31
[4] 飞恩科技产品研发中心编著，MATLAB 6.5 辅助小波分析与应用【M】.，北京：电子工业出版社，2003.1，37～42