基于labview设备状态监测和故障诊断（一）NI软硬件介绍

随着近代工业逐步向机电一体化方向发展。设备的自动化、智能化、大型化与复杂

化程度的不断提高，设备发生故障给企业所带来的经济损失越来越大，因此对设备的运

行状况进行实时监测和故障诊断势在必行。可以这样说，机械设备的工作状况监测和故

障诊断技术是现代工业保证生产系统运行的稳定性、可靠性，提高产品质量、生产效益

的重要手段和关键技术。该技术越来越多的受到从事应用基础和工程技术研究人员的关

注，并得到迅速的发展。

状态监测 ：是指选择各种传感器，对能反应设备当前工作状况的参数（如振动、温度、

压力、流量、开关时间等），进行在线监视和记录，监测与这些参数有关的状态特征信

号，并从特征信号中提取有用的征兆信息。

故障诊断 ：又称故障分离或状态分析，对监测到的状态信息和其他辅助信息进行处理，

消除或减少噪声和干扰的影响，提取对故障最敏感、最直观的参数，找出故障源，然后，

用这些信息就故障对系统性能指标的影响程度作出估计、综合，给出故障等级。

控制决策 ：一方面，根据特征参数，参照某种规范，通过综合分析，对设备状态的发展

趋势作出预测；另一方面，当系统出现故障时，根据故障等级的评价，对系统作出修改

操作和控制或者停机维修的决定。

2 ． 3 虚拟仪器的硬件组成

近些年来，总线技术得到快速发展，以可靠性高、标准开发、结构紧凑、数据吞吐

能力强、模块可重复利用等优点，在工业测控中发挥了重要作用。虚拟仪器的硬件系统

一般分为计算机硬件平台和测控功能平台。其中计算机硬件平台可以是各种类型的计算

机，如普通台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。计算机管理着虚拟

仪器的硬软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。计算机技术在显示、存储能力、处理性能、

网络、总线标准等方面的迅速发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展。按照测控功能硬

件的不同，虚拟仪器可分为GPIB,VXI,PXI和DAQ四种标准体系结构，用来进行信号采集、

传输、控制。

2 ． 3 ． 1 GPIB （ General Purpose Interface Bus ）通用接口总线

GPIB是计算机和仪器间的标准通讯协议 [16] 。GPIB的硬件规格和软件协议已纳人国际

工业标准— IEEE 488.1和IEEE 488.2。它是最早的仪器总线，目前多数仪器都配置了

遵循IEEE 488的GPIB接口。典型的GPIB测试系统包括一台计算机、一块GPIB接口卡和若

干台GPIB仪器。每台GPIB仪器有单独的地址，由计算机控制操作，系统中的仪器可以增

加、减少或更换，只需对计算机的控制软件作相应改动，这种概念己被应用于仪器的内

部设计。在价格上，GPIB仪器涵盖了从比较便宜到异常昂贵的仪器。但是GPIB的数据传

输速度一般低于500kb/s，不适合于对系统速度要求较高的应用。（标准接口总线在20m

距离内，若每2m等效的标准负载相当于使用48mA的集电极开路式发送器，则最高工作速

率是250 kb/s，若采用三态门发送器，一般速率为500kb/s，最高可达1000kb/s）。

2 ． 3 ． 2 VXI （ VMEbus eXtension for Instrumentation ）总线体系规范

VXI是由Colorado Data System、Hewlett Packard、Racal dana、Tekronix、Wavetek

等五家公司于1987联合推出的总线标准。在VME计算机总线、Eurocard标准（机械结构

标准）和IEEE 488等的基础上，采用模块化的方式，实现了系列化、通用化、互换性及

互操作性。其开放的体系结构和即插即用方式（Pnp）完全符合住处产品的要求。其装

置主要由主机箱、“0梢”控制器、具有多种功能的模块仪器和驱动软件、系统应用软

件等组成。系统中各功能模块可随意更换，即插即用组成新系统。目前，国际上有两个

VXI总线组织：（1） VXI联盟，负责制定VXI的硬件（仪器级）标准规范，包括机箱背

板总线、电源分布、冷却系统、零槽模块、仪器模块的电气特性、机械特性、电磁兼容

性以及系统资源管理和通讯规程等内容:（2）多VXI总线即插即用（VXI Plug&Play，简

称VPP）系统联盟，宗旨是通过制定一系列VXI的软件（系统级）标准来提供一个开放性

的系统结构，真正实现VXI总线产品的“即插即用气这两套标准组成了VXI标准体系，实

现了VXI的模块化、系列化、通用化以及VXI仪器的互换性和互操作性。VXI的价格相对

较高，适合于尖端的测试领域。

a.VXI总线机械规范

VXI总线以IEEE-1014VMEbus标准为基础，等同于采用32bit的VME体系结构，并在VME

标准基础上增加了两种模块尺寸和一个连接器。如图2.2所示，A和B尺寸模块实际上是

VME总线单高度和双高度板，C和D尺寸模块是具有较宽插槽的大“欧洲插卡”标准尺寸。

P1连接器和P2连接器的中排插针严格按照VME规范的定义保留下来，增加了P3连接器并

作了定义。

 

b.VXI总线电气规范

VXI总线的电气结构逻辑上可分为8组总线和若干保留的引脚。如图2.3所示，总线

位于VXI总线背板，包括VME总线、时钟和同步总线、模块识别总线、触发总线、模拟加法总线、局部总线、星形总线、电源总线，其中全局总线由所有VXI总线模块共享 [18] 。

 

c.VXI总线软件规范

软件是成功开发基于VXI总线的虚拟仪器系统之关键，因而成为选择VXI系统时要考

虑的最重要因素之一。软件的选择不仅影响系统的整体性能与功能，而且影响系统的开

发时间和效率。VPP系统联盟（VXI Plug&Play Systems Alliance）使工业软件在兼容

性和互操作性方面前进了重要的一步。VISA标准由于得到包括TEK、HP、和NI在内的50

多家大仪器公司的支持，VISA事实上已成为面向仪器工业的软件标准。

d.VXI系统控制方案

VXI系统常见的配置方式有GPIB、嵌入式和MXI三种控制方案:（1）GPIB控制方案通

GPIB、接口把VXI主机箱与外部的计算机平台相连；（2）插入式控制方案是在VXI 0槽

中放置直接与背板总线相连的嵌入式计算机；（3）MXI控制方案是使用高速的MXI总线

连接器将外部计算机接入VXI背板总线，使外部的计算机可以象嵌入式计算机一样直接

控制VXI背板总线模块。

2 ． 3 ． 3 PXI （ PCI eXtension for Instrumentation ）总线体系规范

PXI为PCI在仪器领域的扩展，是NI公司在1997年发布的一种新的开放性、模块化仪

器总线规范。其核心是Compact PCI结构，PXI是在PCI内核技术上增加了成熟的技术规

范和要求形成的 [20]。PXI增加了用于多板同步的触发总线和参考时钟、用于精确定时的

星形触发总线、以及用于相邻模块间高速通信的局部总线等，来满足试验和测量用户的

要求。这样可保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性。制定PXI体系规范的目的

是为了将台式PC的性能价格比优势与PCI总线面向仪器领域的必要扩展完美地结合起

来，开成一种主流的虚拟虚拟仪器测试平台。

a.PXI总线机械规范

由CompactPCI规范引入的Eurocard坚固封装形式和高性能的IEC连接器被应用于

PXI所定义的机械规范，使PXI系统更适于在工业环境下使用，更易于进行系统集成。

PXI的结构形状完全采用了ANSI 310-C、IEC-297 和 IEEE 1101.1等在工业环境下

具有很长应用历史的Eurocard规范。IEEE 1101.10和IEEE1101.11等最新的Eurocard规

范中所增加的电磁兼容性（EMC）、用户可定主的关键机械要素、以及其它有关封装的

条款也被移植到PXI规范中。这些电子封装标准所定主的坚固而紧凑的系统特性使PXI产

品可以安装在堆叠式标准机柜上，并保证在恶劣工业环境中应用时的可靠性。

图2.3所示的是PXI模块的两种主要结构尺寸及其接口连接器，其中J连接器上定义

了标准的32bit PCI总线，所有的PXI总线性能定义在J2连接器上。PXI机箱背背板上包

括可连接J1和J2连接器的所有PXI性能总线，可以有选择的使用。

b.PXI总线电气规范

PXI总线通过增加专门的10MHZ系统参考时钟、触发总线、星形触发线和模块间的局

部总线来满足高精度定时、同步与数据通信要求，如图2.4所示。

 

 

PXI不仅在保持PCI总线所有优点的前提下增加了这些特性，而且比台式PCI计算机

多提供三个仪器插槽，使单个PXI总线机箱的仪器模块插槽总数达到7个。而且，利用

PCI-PCI桥技术扩展多台PXI系统，可以使扩展槽的数量理论上最多能扩展到256个。

c. PXI 总线软件规范

像其它的总线标准体系一样，PXI定义了保证多厂商产品互操作性的硬件接口规范。

另外，还在电气要求的基础上还增加了相应的软件要求，形成了PXI的软件接口规范 [21] 。

PXI的软件要求包括支持Win95/NT这样的32位标准操作系统框架，要求所有仪器模块带

有配置信息和支持标准的工业开发环境（如NI的LabVIEW, LabWindows/CVI和Microsoft

的VC/C++, VB和Borland C++等）以及符合VISA规范的设备驱动程序。

d. PXI 系统控制方案

PXI最初只能使用内嵌式控制方案，后来NI公司又发布了MXI-3接口，扩展了PXI的

系统控制，包括直接PC控制、多机箱扩展和更长的距离控制，扩大了PXI的应用范围。

2 ． 3 ． 4 DAQ （ Data AcQuisition ）数据采集

DAQ指的是基于计算机标准总线（如ISA.PCI等）的内置功能插卡。它更加充分地利

用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。利用DAQ可方便快速地组建

基于计算机的仪器（Computer-Based Instruments），实现“一机多型”和“一机多用”。

在性能上，随着A/D转换技术、仪器放大技术、抗混叠滤波技术与信号调理技术的迅速

发展，DAQ的采样频率最高已达到1Gb/s,精度更高达24位，通道数高达64个，并能任意

结合数字I/0、模拟I/0、计数器/定时器等通道。仪器厂家生产了大量的DAQ功能模块可

供用户选择，如示波器、数字万用表、串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发

生器等。在PC计算机上挂接若干DAQ功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有

若干功能的PC仪器。采用计算机插入一块PCMCIA的DAQ卡，进行信号的采集，通过软件

控制采集、存储、运算分析、显示结果等一系列功能，可根据需要对软件进行增加或改

进，以满足不同的需要。不同的测试任务对测试系统有不同的要求，一种虚拟仪器测试

系统不可能涵盖整个社会对测量的要求，对虚拟仪器测试系统的选择，尤其是对采用何

种总线应该有一个客观的认识。基于计算机标准总线的DAQ数据采集卡组成的虚拟仪器

测试系统，通常适用于一般的教学实验、实验室常规测试和低频低速的过程测控系统。

基于PXI总线的虚拟仪器测试系统由于电磁兼容性能及冷却性能的改善和它的模块式结

构，使它可用在一般要求的自动测试系统场合和系统总价格有所限制的自动测试系统

中。而基于VXI总线的虚拟仪器测试系统具有良好的性能，可用于自动测试系统，但由

于价格昂贵，主要应用于尖端测试领域，特别适合于高速大数据童自动测试系统，宽频

带自动测试系统和军用自动化测。

2 ． 4 虚拟仪器的软件组成

给定计算机的运算能力和必要的仪器硬件之后，构造和使用VI的关键在于应用软

件。这是因为应用软件为用户构造或使用VI提供了集成开发环境、高水平的仪器硬件接

口和用户接口。基于软件在VI技术中的重要作用，美国国家仪器公司（NO提出的“软件

即仪器”（The Software is the Instrument）形象地概述了软件在VI中的重要作用。

美国国家仪器公司NI的LabVIEW 是一种功能强大的图形化编程工具，具有十分丰富

的工具库，支持数据的网络传输、Internet发布、信号分析、数据库访问、图形显示等

各种功能，并且用它开发出来的系统具有虚拟仪器风格，界面美观、操作简单、使用方

便等特点，与VB、 VC等传统开发语言相比可以节省大约80%的开发时间，而运行速度几

乎不受影响，大大缩短了开发周期，降低了维护成本。因此，LabVIEW逐渐成为测控系统。

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