基于虛擬儀器的分布式速度檢測系統(tǒng)設計.doc

基于虛擬儀器的分布式速度檢測系統(tǒng)設計目錄1引言.11.1速度檢測系統(tǒng)研究的背景和意義.11.2虛擬儀器技術介紹.21.3虛擬儀器技術在速度檢測系統(tǒng)設計中的應用.22系統(tǒng)總體設計.32.1分布式速度檢測系統(tǒng)的基本原理.42.2系統(tǒng)軟硬件設計方法.42.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方案.42.4操作面板的設計.52.5系統(tǒng)抗干擾設計.53分布式速度檢測系統(tǒng)的硬件結構.53.1計算機的選擇.73.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).73.2.1傳感器裝置.83.2.2信號處理電路.93.2.3信息傳輸電路.103.3到位檢測及傳感器控制電路.104分布式速度檢測系統(tǒng)的軟件設計.114.1速度檢測系統(tǒng)檢測流程.114.2系統(tǒng)軟件結構.134.2.1到位信號檢測模塊.134.2.2數(shù)據(jù)采集模塊.144.2.3數(shù)據(jù)計算處理模塊.144.2.4數(shù)據(jù)存儲模塊.144.2.5網(wǎng)絡通信模塊.155系統(tǒng)調(diào)試.166結束語.17參考文獻.18附錄1系統(tǒng)主程序框圖.19附錄2數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖.20附錄3數(shù)據(jù)計算處理與數(shù)據(jù)存儲模塊程序框圖.21附錄4網(wǎng)絡通信模塊程序框圖.22致謝.241摘要：本文提出了一種基于虛擬儀器的分布式速度檢測系統(tǒng)方案，實現(xiàn)了對較大范圍內(nèi)物體運動速度的實時跟蹤檢測。本系統(tǒng)的設計思路主要是通過記錄物體在一段較短距離內(nèi)的運動時間來計算出物體在該段路程中的平均速度，并把這個平均速度近似看做物體運動的即時速度。將若干個這樣的短距離中的平均速度描點、連線，繪制出速度曲線，并以此來表現(xiàn)出物體的運動情況。針對速度檢測信息量大的特點，本系統(tǒng)采用虛擬儀器技術建立一個數(shù)據(jù)存儲、處理和顯示平臺，將速度數(shù)據(jù)實時顯示在顯示屏幕上，達到實時監(jiān)測的目的，同時還可以遠離現(xiàn)場進行遠程監(jiān)控。關鍵字：虛擬儀器；LabVIEW；速度檢測；分布式系統(tǒng)DistributedSpeedDetectionSystemBasedonVirtualInstrumentAbstract:Adesignofdistributedspeeddetectionsystembasedonvirtualinstrument,whichisabletodetectanobjectsspeedinacomparativelywidescale,iscarriedoutinthispaper.Byrecordingmovingtimeoftheobjectinashortdistance,theaveragevelocity,whichisregardedasaninstantvelocityoftheobject,iseasytobecalculated.Withmanyofthoseaveragevelocities,itisabletodrawavelocitycurvetoshowmovementoftheobject.Thatishowthesystemisdesigned.Becauseofthegreatdealofinformationduringspeeddetection,virtualinstrumenttechnologyisusedinthissystemtocreateaplatformtostore,processanddisplaydata.Thereal-timespeedoftheobjectisshowninthescreentomakeareal-timemonitoring.Itisalsocapableofremotedetection,beingfarawayfromindustrialfield.Keywords:VirtualInstrument；Labview；SpeedDetection；Distributedsystem1引言1.1速度檢測系統(tǒng)研究的背景和意義隨著機械化大生產(chǎn)的發(fā)展，對運動物體的速度進行檢測始終是工業(yè)生產(chǎn)領域的一個重要話題。特別是隨著流水線工藝在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應用，在較大范圍內(nèi)對移動工件進行實時速度檢測逐漸成為了生產(chǎn)過程中必不可少的一個環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)外對物體運動速度的檢測大致存在兩種方法：一種是測量物體的平均速度，如公路運輸系統(tǒng)中通過相鄰站點的IC卡確定車輛經(jīng)過兩個站點之間所用時間類求得平均速度1；另一種是利用測量物體的實時速度，也稱多普勒雷達測速,即利用移動物體的多普勒效應實現(xiàn)測速。這兩種方法在日常生活的方方面面都有著非常廣泛的應用。但是，二者都存在著一定的2不足之處。一般的平均速度法只能在短距離內(nèi)對物體的平均速度進行測量，測量精度較低，不能反映物體長時間的運動情況；而且這樣的粗放式測量只能就近實現(xiàn)速度檢測，不適合遠程分布式監(jiān)控。與之相反，多普勒雷達測速具有相當高的測量精度，而且可以實現(xiàn)大規(guī)模遠程監(jiān)控，在工業(yè)上，尤其是在軍事工業(yè)上，具有極高的價值。只不過這種方法系統(tǒng)復雜而且成本太高，不適合一般的工業(yè)應用。在這樣的形勢下，一種簡單易用、功能較全面、價格相對低廉的速度檢測系統(tǒng)勢必有著廣泛的市場需求。使用虛擬儀器技術就可以設計出這樣的系統(tǒng)。1.2虛擬儀器技術介紹虛擬儀器是指在以通用計算機為核心的硬件平臺上，由用戶自己設計定義，具有虛擬的操作面板，測試功能由測試軟件來實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)。虛擬儀器突破了傳統(tǒng)電子儀器以硬件為主體的模式。實際上，測量時使用者是在操作具有測試軟件的計算機，猶如操作一臺虛擬的電子儀器，虛擬儀器因此得名?！败浖磧x器”(SoftwareisInstrument)，最本質(zhì)地刻畫出虛擬儀器的特征。虛擬儀器是現(xiàn)代儀器技術和計算機技術相結合的產(chǎn)物，它比傳統(tǒng)的電子儀器更為通用，具有數(shù)字化、模塊化、虛擬化、網(wǎng)絡化的特點。通過采用虛擬儀器技術，大大突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)采集、顯示、傳送、處理等方面的限制，使得用戶可以方便地對被控對象進行遠程監(jiān)控，同時還能夠節(jié)約使用傳統(tǒng)儀器設備的成本2。虛擬儀器中“虛擬”的含義表現(xiàn)在兩個方面：一是指虛擬儀器面板上的各種“控件”與傳統(tǒng)儀器面板上的各種“控件”所完成的功能是相同的，使用鼠標或鍵盤進行操作就如同使用一臺實際的儀器；二是指虛擬儀器的測控功能是通過軟件編程實現(xiàn)的2。虛擬儀器技術代表著一個重要的轉(zhuǎn)變，因為它從傳統(tǒng)的以硬件為中心的儀器轉(zhuǎn)變到以軟件為中心的儀器系統(tǒng)。它利用了普及的臺式機和工作站的計算能力、生產(chǎn)效率、顯示方法以及方便的連接能力。雖然PC機和集成電路技術在過去的20年中經(jīng)歷了巨大的發(fā)展，但軟件才是虛擬儀器這一強大技術中的最大優(yōu)勢。軟件的靈活性與強大的模塊化硬件方案相結合，使得虛擬儀器技術具有強大的用戶自定義和擴展功能，用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。同時，由于虛擬儀器本質(zhì)上是基于計算機的，可充分發(fā)揮計算機的能力，有強大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強的儀器3。1.3虛擬儀器技術在速度檢測系統(tǒng)設計中的應用在基于虛擬儀器的系統(tǒng)中，傳統(tǒng)儀器的某些硬件在虛擬儀器中被軟件代替，這使得3虛擬儀器既可以作為測試儀器獨立使用，又可以通過高速計算機網(wǎng)絡構成復雜的分布式測試系統(tǒng)，進行遠程測試、監(jiān)控與故障診斷4。此外，用基于軟件體系結構的虛擬儀器代替基于硬件體系結構的傳統(tǒng)儀器，還可以大大節(jié)約儀器購買和維護費用。這就有效地克服了前述兩種測速方法存在的缺陷，便于在工業(yè)生產(chǎn)中推廣應用。本系統(tǒng)設計側重于虛擬儀器軟件結構的設計。通過虛擬儀器技術中最熱門的LabVIEW軟件平臺設計出系統(tǒng)的軟件結構，即使用LabVIEW中的控件實現(xiàn)虛擬儀器的測控功能，然后通過仿真信號進行虛擬儀器系統(tǒng)的輸入輸出實驗。實驗結果表明使用虛擬儀器技術進行系統(tǒng)設計是完全可行的。2系統(tǒng)總體設計基于虛擬儀器技術的系統(tǒng)主要由三個部分組成。首先，是安裝有強大應用軟件的計算機平臺或工作站；其次，是具有高性價比的硬件部分，比如，插入式板卡，或者是模塊化儀器；第三部分檢測單元，或者是傳感器。這三部分協(xié)同工作，構成了虛擬儀器框架，不僅完成了傳統(tǒng)儀器的功能，并且具有強大的擴展功能3?；谔摂M儀器技術的分布式速度檢測系統(tǒng)的總體結構框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)總體框架圖Fig.1Overallstructureofthesystem圖1中，上位機安裝有應用軟件作為計算機平臺或工作站，若干個單片機（MCU）組成的信號處理電路構成了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集電路的核心部分，傳感器則是直接采集現(xiàn)場信號的裝置。這三部分共同組成了基于虛擬儀器技術的系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)需求分析，列出技術要求如下表所示。表1系統(tǒng)技術要求Table.1Technicalrequirementofthesystem系統(tǒng)總線速度報警值采樣速率軟件平臺工作環(huán)境4設定(m/s)（點/s）（）RS232總線a10LabVIEW8.5-2080正常工作注：表中速度報警值a可以由用戶依據(jù)實際需要自行設定上表中，速度報警值指的是系統(tǒng)允許的物體運動的最大速度，采樣速率與單片機輸入端口的刷新頻率成正比，與系統(tǒng)的檢測精度密切相關。2.1分布式速度檢測系統(tǒng)的基本原理多普勒方式測速應用廣泛，但技術較復雜，成本較高。而遠距離測平均速度又使得所測速度過于模糊，限制了它的應用。因此在設計中另辟蹊徑，以短距離內(nèi)的平均速度近似作單點速度。即利用間隔一定距離s的2套紅外線激光傳感器分別給單片機產(chǎn)生中斷信號，由單片機對2次中斷的時間差t進行計時，根據(jù)公式v=s/t即可獲取速度值1。兩套傳感器之間的距離s可以預先設定，而目前單片機的計時精度相當高，足以保證速度數(shù)據(jù)有很高的精確度。2.2系統(tǒng)軟硬件設計方法虛擬儀器系統(tǒng)是由硬件和軟件共同組成的。因此，在虛擬儀器系統(tǒng)的設計過程中就需要綜合考慮系統(tǒng)設計的靈活性、成本以及工作速度。在速度檢測系統(tǒng)設計中，硬件部分主要是現(xiàn)場的傳感器以及信號處理電路，負責信號的采集、傳輸以及處理功能；而軟件部分主要是上位機上的LabVIEW軟件，負責系統(tǒng)的核心檢測功能以及遠程監(jiān)控功能。由于本系統(tǒng)的設計目標主要是為了進行實時速度檢測，功能要求不高，所以在設計過程中更多考慮到上位機的軟件需求。整個系統(tǒng)設計正是基于這一設計理念。2.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方案對于虛擬儀器系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集，確定I/O通道方案是總體設計中的重要內(nèi)容。選擇I/O通道方案的實質(zhì)是選擇滿足系統(tǒng)要求的芯片以及相應的電路結構形式2。在本系統(tǒng)中，輸入信號采用紅外激光傳感器的開關信號。紅外激光傳感器的激光發(fā)射接收模塊由紅外激光發(fā)射器件和探測器組成，它們分別被安放在待測物體兩側5。當沒有物體經(jīng)過時探測器中有恒定的信號，不觸發(fā)單片機中斷。當有物體阻斷其光路時產(chǎn)生有效信號進入單片機觸發(fā)中斷。這樣的數(shù)字量輸入信號不需要進行濾波即可以直接到達信號處理電路進行處理。另外，由于計算機的數(shù)據(jù)通道是串行操作，所有的通道都需要使用同樣的數(shù)據(jù)傳輸5速率，并且按照預先設定的順序工作。2.4操作面板的設計由于虛擬儀器強調(diào)軟件的應用，在虛擬儀器系統(tǒng)中，需要設計一個用戶友好型的操作界面，供操作人員進行人機對話或相關控制操作6?？紤]到本系統(tǒng)的實際需要，操作面板的設計如圖2所示。圖2操作面板的設計Fig.2Designoftheoperationpanel圖2中，儀表盤和波形圖位于屏幕中央，方便操作員監(jiān)視物體速度變化情況。報警指示燈放在左上方，到位檢測指示燈則位于報警指示燈之下，便于直接查看系統(tǒng)情況。另外，工件信息在左下方，參數(shù)設置在右上方，同樣便于操作人員進行操作。2.5系統(tǒng)抗干擾設計一個合格的虛擬儀器系統(tǒng)應該具有較強的抗干擾能力。分布式速度檢測系統(tǒng)設計除了考慮到系統(tǒng)性能之外，也需要考慮在工業(yè)現(xiàn)場經(jīng)受一定程度干擾信號的能力。在本系統(tǒng)中，干擾主要來自現(xiàn)場的紅外激光傳感器檢測時遇到的雜散光干擾，以及信號傳輸處理過程中的電信號干擾。當然，抗干擾設計應貫穿于整個系統(tǒng)設計的全過程，下面的各項設計都在不同程度上考慮到系統(tǒng)的抗干擾能力。3分布式速度檢測系統(tǒng)的硬件結構硬件是虛擬儀器工作的基礎，主要完成被測信號的采集、傳輸、存儲處理和輸入/輸出等工作，由計算機和I/O接口設備組成。計算機一般為一臺PC或工作站，是硬件6平臺的核心，它包括微處理器、存儲器和輸入/輸出設備等，用來提供實時高效的數(shù)據(jù)處理工作。I/O接口設備即數(shù)據(jù)采集調(diào)理部件，包括PC總線的數(shù)據(jù)采集（DataAcquisition，DAQ卡）、GPIB總線儀器、VXI總線儀器模塊、PXI總線模塊、LXI總線儀器模塊、串口總線儀器和現(xiàn)場總線儀器模塊等標準總線儀器，主要完成被測信號的采集、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換2。虛擬儀器系統(tǒng)中實現(xiàn)檢測的參數(shù)多種多樣，檢測的方法也不盡相同，因此不同的系統(tǒng)的具體結構也會千差萬別。速度檢測系統(tǒng)硬件結構如圖3所示。圖3系統(tǒng)硬件結構圖Fig.3Hardwarestructureofthesystem分布式速度檢測系統(tǒng)可分為傳感器電路、信號傳輸及處理電路和計算機系統(tǒng)三部分。實際試驗平臺包括N個（50N100）紅外激光傳感器，1個到位檢測傳感器，N個單片機，傳感器控制電路和微型計算機系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)的硬件設計方法是：在計算機系統(tǒng)中，通過RS232串行總線接口完成數(shù)據(jù)采集功能；通過I/O接口電路對物體到位信號進行檢測并控制傳感器電路；使用LabVIEW圖形化編程語言開發(fā)測控程序。檢測系統(tǒng)的工作過程是：由一個紅外激光傳感器檢測物體的到位信號并通過I/O接口電路傳送給計算機，計算機檢測到到位信號之后，再通過I/O接口電路發(fā)送指令打開傳感器檢測電路開關，紅外激光傳感器開始工作。N個紅外激光傳感器依次將檢測到的數(shù)字信號送到信號處理電路，然后經(jīng)由信號傳輸電路送入計算機系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)對接收到的信息進行計算處理后將最終結果顯示在顯示器上。另外，可以通過計算機對速度報警值進行設定，一旦超過此值，系統(tǒng)將發(fā)出報警信號。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)7檢測系統(tǒng)主要硬件單元的設計說明如下。3.1計算機的選擇虛擬儀器系統(tǒng)的計算機既可以是工控計算機，也可以是普通的個人計算機。在本系統(tǒng)設計中，由于對系統(tǒng)硬件要求不高，只需要普通的PC機就足以應付檢測任務了。實際系統(tǒng)選擇的PC機基本參數(shù)如下：操作系統(tǒng)：MicrosoftWindowsXPProfessionalCPU類型：DualCoreAMDAthlon64X2,1908MHz系統(tǒng)內(nèi)存：1024MB通訊端口：通訊端口(COM1)顯示器：即插即用監(jiān)視器3.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在計算機廣泛應用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是不言而喻的。它是計算機與外部物理世界連接的橋梁。隨著計算機和總線技術的發(fā)展，基于PC的數(shù)據(jù)采集（DataAcquisition，DAQ）板卡產(chǎn)品得到了廣泛應用4。許多應用使用插入式設備采集數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)直接傳送到計算機內(nèi)存中，而在一些其他應用中數(shù)據(jù)采集硬件和PC分離，通過并行或串行接口和PC相連。具體到以PC為基礎的虛擬儀器系統(tǒng)中，插入式數(shù)據(jù)采集卡是虛擬儀器中常用的接口形式之一，其功能是將現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集到計算機中，或?qū)⒂嬎銠C中數(shù)據(jù)輸出給被控對象。其典型結構如圖4所示。圖4基于數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器的典型結構Fig.4Typicalstructureofvirtualinstrumentbasedondataacquisitionunit這種系統(tǒng)采用PC本身的PCI或ISA總線，將數(shù)據(jù)采集卡插入到計算機的PCI或ISA總線插槽中，并與專用的軟件相結合，完成測試任務。它充分利用了微型計算機的軟、硬件資源，更好地發(fā)揮了微型計算機的作用，大幅度地降低了儀器