虛擬儀表設(shè)計(jì)報(bào)告

1、智能儀表與虛擬儀器課程設(shè)計(jì)班 級(jí)： 測(cè)控0941班 姓 名： 梁松梅 學(xué) 號(hào)： 26號(hào) 指導(dǎo)教師： 張立新 馮璐 撰寫日期： 2012年6月28日 摘 要隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)和通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變化，NI公司于八十年代中期首先提出軟件就是儀器的概念，把虛擬測(cè)試技術(shù)帶入新的發(fā)展時(shí)期，隨后研制和推出了基于多種總線系統(tǒng)的虛擬儀器。虛擬儀器是將儀器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、總線技術(shù)和軟件技術(shù)緊密的融合在一起，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)字處理能力實(shí)現(xiàn)儀器的大部分功能，打破了傳統(tǒng)儀器的框架，形成的一種新的儀器模式。本文首先概述了虛擬儀器技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展及趨勢(shì)，然后介紹了虛擬儀器設(shè)

2、計(jì)的相關(guān)理論，給出了虛擬儀器設(shè)計(jì)的基本原理框圖，并探討了虛擬儀器的總線及其標(biāo)準(zhǔn)、框架結(jié)構(gòu)、LABVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)。在分析本系統(tǒng)功能需求的基礎(chǔ)上，介紹了數(shù)據(jù)采集卡、LABVIEW的編程模式等設(shè)計(jì)中所涉及到的硬件和技術(shù)。本次課程設(shè)計(jì)是基于NI公司的LabVIEW軟件與研華公司的PCL系列數(shù)據(jù)采集板卡進(jìn)行智能儀表與虛擬儀器的設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)計(jì)完成實(shí)驗(yàn)室信號(hào)發(fā)生器與信號(hào)采集器的開(kāi)發(fā)，逐步形成一套實(shí)驗(yàn)室虛擬設(shè)備。【關(guān)鍵詞】虛擬儀器、數(shù)據(jù)采集、LabVIEW目 錄第一章 概 述11.1 虛擬儀器的發(fā)展11.2 課程設(shè)計(jì)要求分析2第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件32.1 LabVIEW的基本概述32.2 LabVIEW的模

3、板52.3 基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì)8第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)103.1 硬件系統(tǒng)分析103.2 數(shù)據(jù)采集卡概述133.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)15第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)164.1 系統(tǒng)軟件總體構(gòu)成164.2 信號(hào)發(fā)生器器174.3 信號(hào)采集模塊17第五章 系統(tǒng)調(diào)試195.1 軟件與硬件的連接195.2 系統(tǒng)的運(yùn)行19設(shè)計(jì)總結(jié)20參考文獻(xiàn)21附錄22第一章 概 述1.1 虛擬儀器的發(fā)展現(xiàn)代儀器儀表技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和多種基礎(chǔ)學(xué)科緊密結(jié)合的產(chǎn)物。隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，新的測(cè)試?yán)碚?、測(cè)試方法、測(cè)試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，在許多方面已經(jīng)沖破了傳統(tǒng)儀器的概念，電子

4、測(cè)量?jī)x器的功能和作用發(fā)生了質(zhì)的變化。在此背景下，1986年美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instruments，NI)提出了虛擬儀器(Virtual Instrument，VI)的概念。盡管迄今為止虛擬儀器還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義，但是一般認(rèn)為：虛擬儀器是在PC基礎(chǔ)上通過(guò)增加相關(guān)硬件和軟件構(gòu)建而成的、具有可視化界面的可重用測(cè)試儀器系統(tǒng)。作為一種以計(jì)算機(jī)軟件為核心的新型儀器系統(tǒng)，虛擬儀器具有功能強(qiáng)、測(cè)試精度高、測(cè)試速度快、自動(dòng)化程度高、人機(jī)界面優(yōu)異、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，通常被認(rèn)為是第三代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的同義語(yǔ)。使用虛擬儀器系統(tǒng)可以避免儀器編程過(guò)程中的大量重復(fù)性勞動(dòng)，從而大大縮短復(fù)雜程序的開(kāi)發(fā)時(shí)間，并

5、且客戶可以用不同的模塊來(lái)構(gòu)造自己的虛擬儀器系統(tǒng)，選擇統(tǒng)一的測(cè)試策略。由于虛擬儀器的功能和性能已被不斷提高，如今在許多應(yīng)用中它已成為傳統(tǒng)儀器的主要替代方式。而虛擬儀器的各種優(yōu)點(diǎn)讓用戶可放心地舍棄舊的傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備，接受更新型、以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的虛擬儀器系統(tǒng)。由于計(jì)算機(jī)的性能價(jià)格比不斷改進(jìn)，使虛擬儀器的價(jià)格更為大眾化，用戶不必再受限于傳統(tǒng)儀器的使用限制和昂貴的價(jià)格，進(jìn)一步降低了使用成本，減少了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)費(fèi)用和系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用。此外，新型筆記本電腦又把虛擬儀器的便攜性和強(qiáng)大功能推向一個(gè)新的水平。所有這些必將加快虛擬儀器的發(fā)展，使它的功能和應(yīng)用領(lǐng)域不斷增強(qiáng)和擴(kuò)大。在測(cè)量、檢測(cè)、電信、監(jiān)控、教育等方面的應(yīng)用已

6、廣泛開(kāi)展。1.2 課程設(shè)計(jì)要求分析1.2.1設(shè)計(jì)目的本設(shè)計(jì)要求完成虛擬實(shí)驗(yàn)室中虛擬信號(hào)發(fā)生器和虛擬信號(hào)采集器的設(shè)計(jì)，并完成與數(shù)據(jù)采集板卡的通訊。本次設(shè)計(jì)的目的如下： 1、加深對(duì)LabVIEW課程內(nèi)容的理解和應(yīng)用。2、掌握虛擬儀器的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)理念。3、提高計(jì)算機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)的實(shí)際技能技巧。4、掌握虛擬儀器的硬件接口的設(shè)計(jì)方法。5、熟悉虛擬儀器的設(shè)計(jì)和調(diào)試工藝流程。1.2.2 設(shè)計(jì)要求本次設(shè)計(jì)中信號(hào)發(fā)生器的波形有正弦波、方波、三角波、鋸齒波等不同種類。信號(hào)的頻率、幅值和占空比等波形參數(shù)可按需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)以數(shù)據(jù)采集卡的物理通道進(jìn)行設(shè)計(jì)，從LABVIEW設(shè)計(jì)的程序中產(chǎn)生的模擬（數(shù)字）輸入，經(jīng)過(guò)信

7、號(hào)調(diào)節(jié)后，由數(shù)據(jù)采集卡采集并輸出信號(hào)。信號(hào)采集器可實(shí)現(xiàn)直流電壓、波形、溫度、重量等不同信號(hào)的采集。本設(shè)計(jì)以數(shù)據(jù)采集卡的物理通道進(jìn)行設(shè)計(jì)，從采集板卡的物理通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)后，由LabVIEW虛擬儀器顯示信號(hào)。本次設(shè)計(jì)任務(wù)要求如下：1、常用虛擬儀器面板效果圖設(shè)計(jì)。（AutoCAD)2、基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì)。（LabVIEW)3、虛擬儀器數(shù)據(jù)采集卡接口設(shè)計(jì)。（ADVANTECH-DAQ)4、虛擬儀器的智能儀表接口設(shè)計(jì)。（XMTA808)5、LabVIEW的虛擬儀器應(yīng)用設(shè)計(jì)。（LabVIEW)第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件2.1 LabVIEW的基本概述2.1.1 Lab

8、VIEW 的發(fā)展Labview是美國(guó)國(guó)家儀器公司開(kāi)發(fā)的，基于G語(yǔ)言（Graphics Language）的虛擬儀器開(kāi)發(fā)工具。其特點(diǎn)是用圖形化的符號(hào)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的文本語(yǔ)言，從而達(dá)到直觀，簡(jiǎn)潔，易懂的目的。1992年8月LabVIEW2.5實(shí)現(xiàn)了從MaCintosh平臺(tái)到Windows又砰臺(tái)的移植，從 LabVIEW3.0版本開(kāi)始，LabVIEW作為一個(gè)完整優(yōu)異的圖形化軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境得到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的認(rèn)可，并開(kāi)始迅速占領(lǐng)市場(chǎng)，贏得了廣大用戶的青睞。它的基本特點(diǎn)是1、具有良好的用戶接口其用戶接口類似于傳統(tǒng)儀器的面板，包括按鈕、旋鈕、圖形顯示組件、控制組件等。通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤向程序輸入數(shù)據(jù)，操作結(jié)果由軟

9、件在計(jì)算機(jī)屏幕上生成。2、編程方式簡(jiǎn)單、直觀采用圖形語(yǔ)一言(G語(yǔ)言)、圖標(biāo)和聯(lián)機(jī)代替文本形式編寫程序，是對(duì)具體編程問(wèn)題的圖形化解決方案。3、具有層次結(jié)構(gòu)和模塊化的特點(diǎn)每一個(gè)VI可以作為頂層程序，也可以作為其它程序的子程序。4、提供程序調(diào)試功能程序調(diào)試工具包括在源代碼中可以設(shè)置斷點(diǎn)，可以單步執(zhí)行，也可以啟動(dòng)。2.1.2 LabVIEW創(chuàng)建虛擬儀器過(guò)程創(chuàng)建虛擬儀器的過(guò)程分為四步:1、創(chuàng)建前面板。前面板是圖形化用戶界面，用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量。它模仿了實(shí)際儀器的面板。前面板包含了旋鈕、按鈕、圖形和其他控制與顯示對(duì)象。通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤輸入數(shù)據(jù)、控制按鈕，也可在計(jì)算機(jī)顯示器上直接觀看結(jié)果。若想要在數(shù)

10、字控制中輸入或修改數(shù)值，只需要用操作工具(見(jiàn)工具模板)點(diǎn)擊控制部件和增減按鈕，或者用操作工具或標(biāo)簽工具雙擊數(shù)值欄進(jìn)行輸入數(shù)值修改。2、創(chuàng)建框圖程序。在前面板窗口的主菜單windows中選擇 ShowDiagram將前面板窗口切換到框圖程序窗口，此時(shí)會(huì)看到與前面板對(duì)象對(duì)應(yīng)的端口。根據(jù)需要在功能模板中找到所需的節(jié)點(diǎn)，并將節(jié)點(diǎn)圖標(biāo)放置到框圖程序窗口。用數(shù)據(jù)連線將這些端口和節(jié)點(diǎn)的圖標(biāo)連接起來(lái)，形成一個(gè)完整的框圖程序。3、創(chuàng)建圖標(biāo)。一個(gè)虛擬儀器的圖標(biāo)/連接端口就像一個(gè)圖形(表示某一虛擬儀器)的參數(shù)列表。這樣，其它的虛擬儀器才能將數(shù)據(jù)傳輸給子儀器。圖標(biāo)和連接允許將此儀器作為最高級(jí)的程序，也可以作為其它程序

11、或子程序的子程序。4、運(yùn)行和調(diào)試程序。運(yùn)行和調(diào)試程序是任何一門編程語(yǔ)言編程的最重要的一步。在LabVIEW中，用戶可以通過(guò)兩種方式來(lái)運(yùn)行程序:運(yùn)行和連續(xù)運(yùn)行。如果一個(gè)VI程序存在語(yǔ)法錯(cuò)誤，則在面板工具條上的運(yùn)行按鈕將會(huì)變成一個(gè)折斷的箭頭，表示程序不能被執(zhí)行。這時(shí)這個(gè)按鈕被稱作錯(cuò)誤列表。點(diǎn)擊它，則LabVIEW彈出錯(cuò)誤清單窗口，點(diǎn)擊其中任何一個(gè)所列出的錯(cuò)誤，選用Find功能，則出錯(cuò)的對(duì)象或端口就會(huì)變成高亮。調(diào)試程序時(shí)可以利用單步執(zhí)行、設(shè)置斷點(diǎn)、設(shè)置探針來(lái)顯示數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。圖2-1 Labview前面板2.2 LabVIEW的模板LabVIEW是一種圖形化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，在一個(gè)虛擬儀器VI的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，

12、主要利用模板創(chuàng)建和運(yùn)行程序。這些操作模板可以隨意在屏幕上移動(dòng)，并可以放置在屏幕的任意位置。操縱模板共有三類:工具(Too1s)選板、控制(Controls)選板和功能 (Functions)選板或稱函數(shù)選板。圖2-2 工具選版2.2.1工具模板工具選板為編程者提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試VI程序的工具(如2-2圖所示)。該模板可以在windows菜單下選擇 ShowToolsPalette命令以顯示該模板。當(dāng)從模板內(nèi)選擇了任一種工具后，鼠標(biāo)箭頭就會(huì)變成該工具相應(yīng)的形狀，它包括了以下工具包。 操作工具:使用該工具來(lái)操作前面板的控制和顯示。使用它向數(shù)字或字符串控制中鍵入值時(shí)，工具會(huì)變成標(biāo)簽工具的

13、形狀。 選擇工具，用于選擇、移動(dòng)或改變對(duì)象的大小當(dāng)它用于改變對(duì)象的連框大小時(shí)，會(huì)變成相應(yīng)形狀。 標(biāo)簽工具:用于輸入標(biāo)簽文本或者創(chuàng)建自由標(biāo)簽。當(dāng)創(chuàng)建自由標(biāo)簽時(shí)它會(huì)變成相應(yīng)形狀。 連線工具:用于在框圖程序上連接對(duì)象。如果聯(lián)機(jī)幫助的窗口被打開(kāi)時(shí)，把該工具放在任一條連線上，就會(huì)顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)類型。 對(duì)象彈出菜單工具:用左鼠標(biāo)鍵可以彈出對(duì)象的彈出式菜單。 漫游工具:使用該工具就可以不需要使用滾動(dòng)條而在窗口中漫游 斷點(diǎn)工具:使用該工具在VI的框圖對(duì)象上設(shè)置斷點(diǎn)。 探針工具:可以在框圖程序內(nèi)的數(shù)據(jù)流線上設(shè)置探針。程序調(diào)試員可以通過(guò)控針窗口來(lái)觀察該數(shù)據(jù)流線上的數(shù)據(jù)變化狀況。 顏色提取工具:使用該工具來(lái)提取顏色

14、用于編輯其他的對(duì)象。 顏色工具:用來(lái)給對(duì)象定義顏色。它也顯示出對(duì)象的前景色和背景色。2.2.2 控件選板圖2-3 控件選版控件選板擬儀器的面板是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的。就是LabVIEW將傳統(tǒng)儀器上的各種旋紐、開(kāi)關(guān).、顯示屏等所有可能涉及到的操作部件，都做成外形相似的“控件”分類存于控制模板上。設(shè)計(jì)儀器模板時(shí)，只需根據(jù)需要選擇合適的“控件”放在面板相應(yīng)的位置上即可。每個(gè)圖標(biāo)代表一個(gè)子模板(如2-3圖所示)?？刂颇０蹇梢杂糜脩艨丶藛蔚?ShowControlsPalette功能打開(kāi)它，也可以在前面板的空白處,點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，以彈出控制模板。它只有當(dāng)打開(kāi)前面板窗口時(shí)才能調(diào)用2.2.3函數(shù)選板 圖2-4 函

15、數(shù)選板 圖2-5 函數(shù)選板子選板函數(shù)選板編程子選板功能模板就是LabVIEW將傳統(tǒng)儀器上的各種測(cè)試功能、信號(hào)分析文件操作以及輸入/輸出(1/0)接口設(shè)備的驅(qū)動(dòng)做成可供直接調(diào)用的庫(kù)函數(shù)。使用時(shí)只需根據(jù)預(yù)完成的功能與操作，從子模板上選擇相應(yīng)的“圖標(biāo)”放在流程圖編輯窗口中相應(yīng)的位置上即可。該模板上的每一個(gè)頂層圖標(biāo)都表示一個(gè)子模板(如圖所示)。它可以用Windows菜單下的Show Funetionspalette功能打開(kāi)它，也可以在框圖程序窗口的空白處點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵以彈出功能模板。而且它只有打開(kāi)了框圖程序窗口后才能出現(xiàn)。它包括結(jié)構(gòu)子模板、數(shù)值運(yùn)算子模板、布爾邏輯子模板、字符串運(yùn)算子模板、數(shù)組子模板、類

16、子模板、比較子模板、時(shí)間和對(duì)話框子模板、文件輸入/輸出子模板、儀器控制子模板、儀器驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)、數(shù)據(jù)采集子模板、信號(hào)處理子模板、數(shù)學(xué)模型子模塊、圖形與聲音子模塊、通訊子模板、應(yīng)用程序控制子模塊、底層接口子模塊、文檔生成子模板、示教課程子模板、用戶自定義的子Vl模板和選擇VI子程序等子模板。編制軟件時(shí)通過(guò)對(duì)控制和功能模塊中子模塊的靈活調(diào)用，選取相應(yīng)的功能子模塊，分別置于前后面板內(nèi)，使用連線工具即可完成虛擬儀器設(shè)計(jì)。本章介紹了當(dāng)今在測(cè)控領(lǐng)域內(nèi)的虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件LabVIEw語(yǔ)言，它滿足了實(shí)現(xiàn)虛擬測(cè)試儀器的條件，是虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境中圖形化語(yǔ)言的杰出代表之一。LabvIEW語(yǔ)言是一種面向工程技術(shù)人員的圖

17、形化編程語(yǔ)言，是一種面向?qū)ο蟮哪K化編程語(yǔ)言，使面向?qū)ο蠹夹g(shù)程序的復(fù)用性達(dá)到最佳，被譽(yù)為工程師和科學(xué)家的語(yǔ)言。2.3 基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì)LABVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)是一種圖形化的編程語(yǔ)言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LABVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/PI、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)，是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，圖形化

18、的界面使得編程及使用過(guò)程都更加形象化。傳統(tǒng)的文本式編程是一種順序的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)者必須寫出執(zhí)行的語(yǔ)句。而LABVIEW是基于數(shù)據(jù)流的工作方式，同時(shí)也是基于圖形化的編程，這使得設(shè)計(jì)者不必掌握大量的編程語(yǔ)言和程序設(shè)計(jì)技巧便可設(shè)計(jì)出虛擬儀器系統(tǒng)。利用LABVIEW ，可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件，它是一個(gè)真正的32編譯器。像許多通用的軟件一樣，LABVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh OS等多種版本。所有的LABVIEW應(yīng)用程序，即虛擬儀器(VI)，它包括前面板(Front Panel)、流程圖(Block Diagram)以及圖標(biāo)/連結(jié)器(Icon/Connect

19、or)三部分。1、前面板：前面板是圖形用戶界面，也就是VI的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對(duì)象，具體表現(xiàn)有開(kāi)關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對(duì)象。但并非畫(huà)出兩個(gè)控件后程序就可以運(yùn)行，在前面板后還有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的流程圖。2、流程圖：流程圖提供VI的圖形化源程序。在流程圖中對(duì)VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。流程圖中包括前面板上的控件連線端子，還有一些前面板上沒(méi)有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。如果將VI與傳統(tǒng)儀器相比較，那么前面板上的控件對(duì)應(yīng)的就是傳統(tǒng)儀器上的按鈕、顯示屏等控件，而流程圖上的連線端子相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器箱內(nèi)的硬件電路。在許多情況下，使

20、用VI可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，不僅在屏幕上出現(xiàn)一個(gè)惟妙惟肖的標(biāo)準(zhǔn)儀器面板，而且其功能也與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)儀器相差無(wú)幾14。這種設(shè)計(jì)思想的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在兩方面：（1）類似流程圖的設(shè)計(jì)思想，很容易被工程人員接受和掌握，特別是那些沒(méi)有很多程序設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的工程人員。（2）設(shè)計(jì)的思路和運(yùn)行過(guò)程清晰而且直觀。如通過(guò)使用數(shù)據(jù)探針、高亮執(zhí)行調(diào)試等多種方法，程序以較慢的速度運(yùn)行，使沒(méi)有執(zhí)行的代碼顯示灰色，執(zhí)行后的代碼會(huì)高亮顯示，同時(shí)在線顯示數(shù)據(jù)流線上的數(shù)據(jù)值，完全跟蹤數(shù)據(jù)流的運(yùn)行。這為程序的調(diào)試和參數(shù)的設(shè)定帶來(lái)很大的方便。3、圖標(biāo)/連接設(shè)計(jì)：這部分的設(shè)計(jì)突出體現(xiàn)了虛擬儀器模塊化程序設(shè)計(jì)的思想。在設(shè)計(jì)大型自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)一步完成一個(gè)復(fù)

21、雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是相當(dāng)有難度的。而在LABVIEW中提供的圖標(biāo)/連接工具正是為實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)而準(zhǔn)備的。設(shè)計(jì)者可把一個(gè)復(fù)雜自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)分為多個(gè)子系統(tǒng)，每一個(gè)都可完成一定的功能。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）把一個(gè)復(fù)雜自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)分為多個(gè)子系統(tǒng)，程序設(shè)計(jì)思路清晰，給設(shè)計(jì)者調(diào)試程序帶來(lái)了諸多的方便。同時(shí)也對(duì)于將來(lái)系統(tǒng)的維護(hù)提供了便利。（2）一個(gè)復(fù)雜自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)分為多個(gè)子系統(tǒng)，每一個(gè)子系統(tǒng)都是一個(gè)完整的功能模塊，這樣把測(cè)試功能細(xì)節(jié)化，便于實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)用，大大節(jié)省軟件研發(fā)周期，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性。（3） 便于實(shí)現(xiàn)“測(cè)試集成”和虛擬儀器庫(kù)的思想。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)虛擬儀器設(shè)計(jì)的靈活性提供了前提。第三章 系統(tǒng)

22、硬件設(shè)計(jì)3.1 硬件系統(tǒng)分析要從一個(gè)基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到合理的結(jié)果，依賴于系統(tǒng)的每一個(gè)組成部分，即計(jì)算機(jī)、傳感器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集硬件和軟件。下面逐一予以討論說(shuō)明。1、傳感器傳感器將被測(cè)試的物理量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的最基本的環(huán)節(jié)。如，熱電偶、熱敏電阻、集成電路傳感器、應(yīng)變片等，都可以將溫度轉(zhuǎn)化成電壓和電阻。對(duì)于每一種傳感器，電信號(hào)的大小都與被監(jiān)測(cè)信號(hào)的物理參數(shù)成正比。2、信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理器是傳感器和數(shù)據(jù)采集卡之間的橋梁，負(fù)責(zé)將傳感器的輸出信號(hào)和數(shù)據(jù)采集模塊可以接受的信號(hào)聯(lián)系起來(lái)，從傳感器輸出的信號(hào)必須經(jīng)過(guò)調(diào)理才能夠連入數(shù)據(jù)采集板，信號(hào)調(diào)理包括放大和衰減、隔離、濾波、傳感器激勵(lì)、線性化處理。

23、(1) 放大和衰減數(shù)據(jù)采集卡接收的信號(hào)是范圍很廣的電壓信號(hào)，如果太強(qiáng)，就需要衰減器把被測(cè)信號(hào)減弱后再輸入給數(shù)據(jù)采集卡，這樣一方面可以保證數(shù)據(jù)采集卡可以順利采數(shù)，另一方面有利于系統(tǒng)的安全運(yùn)行。而對(duì)于微弱信號(hào)要進(jìn)行放大，以提高分辨率和降低噪音，也使調(diào)理后信號(hào)的最大電壓值和ADC最大輸入值相等，這樣可以提高精度。在設(shè)定調(diào)理電路的放大或衰減倍數(shù)時(shí)，一般應(yīng)滿足這樣一個(gè)條件:經(jīng)調(diào)理后的信號(hào)其最大值應(yīng)盡可能地達(dá)到數(shù)據(jù)采集卡可以接受的電壓范圍，最大限度地提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。(2) 隔離隔離是指使用變壓器、光或電容禍合等方法阻礙被測(cè)系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)之間傳遞信號(hào)，避免發(fā)生直接連接，使用禍合主要有兩個(gè)方面原因:一是從安

24、全的角度把傳感器信號(hào)同計(jì)算機(jī)隔離，因?yàn)楸槐O(jiān)測(cè)系統(tǒng)可能產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，另一個(gè)原因是隔離可以使從數(shù)據(jù)采集卡出來(lái)的數(shù)據(jù)不受地電位和輸入模式的影響，減少誤差。(3) 濾波濾波的目的是消除噪音信號(hào)，提高輸入信號(hào)的信噪比。噪音濾波器通常用于直流信號(hào);交流信號(hào)通常需要抗失真的低通濾波器，因?yàn)檫@樣的濾波器有一陡峭的截止頻率，因而幾乎能夠完全消除高頻干擾信號(hào)。(4) 激勵(lì)由于電工測(cè)量試驗(yàn)中經(jīng)常要要用到正弦波、方波等信號(hào)，且有時(shí)需要為一些傳感器提供激勵(lì)信號(hào)，故由虛擬信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生各種信號(hào)并由信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行功率放大后輸出。(5) 線性化很多傳感器對(duì)被測(cè)都有非線性響應(yīng)，因而需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行線性化。3、數(shù)據(jù)采集硬件數(shù)

25、據(jù)采集硬件與眾多因素有關(guān)，要根據(jù)具體情況進(jìn)行分析，下面是通用的特征:(1) 采樣頻率采樣頻率高，就能在一定時(shí)間內(nèi)獲得更多的原始信息，見(jiàn)圖4一1(a)所示。為了再現(xiàn)原始信號(hào)，必須有足夠高的采樣頻率。顯然，如果信號(hào)變化比采樣板的數(shù)字化要快，或采樣太慢，就會(huì)產(chǎn)生波形失真，見(jiàn)圖4一1(b)。根據(jù)采樣定理，采樣頻率至少是輸入最高頻率的兩倍，才可能不產(chǎn)生失真。(2) 采樣方法要從多個(gè)通道得到數(shù)據(jù)，通常使用多路開(kāi)關(guān)把每個(gè)信號(hào)端連接到A/D轉(zhuǎn)化器(ADC)。采用連續(xù)掃描方法，要比給每個(gè)通道一個(gè)放大器和ADC要經(jīng)濟(jì)得多，但這僅僅實(shí)用于在采樣點(diǎn)之間對(duì)時(shí)間不是很重要的場(chǎng)合。如果采樣點(diǎn)之間對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格，則必須同時(shí)采

26、樣。對(duì)于低頻信號(hào)，可以用間隔掃描辦法來(lái)產(chǎn)生同時(shí)采樣的效果，而不必增加采樣保持電路。這種方法一定時(shí)間間隔掃描輸入通道，用脈沖來(lái)計(jì)算各通道兩次掃描的時(shí)間間隔。(3) 分辨率ADC的位數(shù)越多，分辨率就越高，可區(qū)分的電壓就越小。例如，三位轉(zhuǎn)化器把模擬電壓分成2(8位)段，每段用二進(jìn)制代碼在000到In之間表示，因而數(shù)字并不能真實(shí)反映原始信號(hào)，因?yàn)橐徊糠中畔⒈宦┑袅恕Ｈ绻黾拥?6位，代碼增加到，這樣就可以得到較為精確地反映原始信號(hào)的數(shù)字信號(hào)。(4) 電壓范圍電壓范圍指ADC能掃描到最高和最低電壓。一般情況下，由于DAQ卡的電壓范圍可以調(diào)節(jié)，所以將信號(hào)電壓范圍調(diào)到與微機(jī)相匹配以便利用其可靠的分辨率范圍。

27、范圍、增益、分辨率決定了可分辨的最小電壓變化，它表示ILSB。例如，某DAQ板的分辨率為16位，范圍取0一 1OV，增益取 100，則有 1LSB=(10/100xZ6)=1.5協(xié)v，這樣一來(lái)，在數(shù)字化的過(guò)成中，一位的分辨率為1.spv。(5) 模擬輸出模擬輸出電路通常是為DAQ板的系統(tǒng)提供激勵(lì)電壓或電流。DAQ輸出信號(hào)由停滯、轉(zhuǎn)換率、分辨率等構(gòu)成。停滯時(shí)間和轉(zhuǎn)換率決定了輸出信號(hào)幅值改變的快慢。(6) 定時(shí)I/0許多場(chǎng)合都要用到定時(shí)器，如數(shù)字脈沖定時(shí)、產(chǎn)生方波等。定時(shí)器包括三個(gè)重要信息:門限信號(hào)、計(jì)時(shí)信號(hào)、輸出。門限信號(hào)實(shí)際上是觸發(fā)信號(hào)一使它工作或不工作;計(jì)時(shí)信號(hào)也就是信號(hào)源，它提供了繼續(xù)其操

28、作的時(shí)間基準(zhǔn);輸出是在輸出線上產(chǎn)生方波和脈沖。他們最重要的參數(shù)是分辨率和時(shí)鐘頻率。高分辨率意味著計(jì)數(shù)器可以計(jì)更多的數(shù)，時(shí)鐘頻率決定了產(chǎn)生數(shù)據(jù)信號(hào)輸入的快慢，頻率越高，計(jì)數(shù)增長(zhǎng)得越快，因而輸入端的信號(hào)頻率高，就可以產(chǎn)生高頻的脈沖波和方波。4、驅(qū)動(dòng)軟件沒(méi)有軟件，甚至沒(méi)有好的軟件，數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)不可能發(fā)揮很大的作用。數(shù)據(jù)系統(tǒng)一個(gè)主要方面是驅(qū)動(dòng)軟件的使用。驅(qū)動(dòng)軟件是直接對(duì)數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的軟件層，管理著系統(tǒng)的操作以及和計(jì)算機(jī)資源的組合，比如CPU中斷、DMA傳送、存儲(chǔ)器等。驅(qū)動(dòng)軟件在保持高性能、提高給用戶易于理解的基礎(chǔ)的同時(shí)，隱藏了復(fù)雜、詳細(xì)的硬件及程序設(shè)計(jì)。由研華公司研發(fā)的基于LabVI

29、EW的驅(qū)動(dòng)子就是研華采集板卡高性能數(shù)據(jù)采集及驅(qū)動(dòng)程序。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是電子測(cè)量?jī)x器的基礎(chǔ)，當(dāng)然也是虛擬儀器的基礎(chǔ)。只有當(dāng)數(shù)據(jù)采集部分正確工作，整個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)才能正確工作。3.2 數(shù)據(jù)采集卡概述研華PCL-818HD板卡是16路單端或8路雙端模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口卡，并具有16路數(shù)字量輸入和16路數(shù)字量輸出，同時(shí)具有1個(gè)Intel 8254可編程計(jì)數(shù)器的計(jì)算機(jī)接口卡。PCL-818HD能確保在所有增益（X1、2、4或8，可編程）及輸入范圍內(nèi)可達(dá)到100KHz的采樣速率。該卡帶有一個(gè)1K的采樣FIFO（先入先出）緩沖器，能夠獲得更快的數(shù)據(jù)傳輸和Windows下更好的性能。研華PCL-818HD板卡共有三組

30、信號(hào)連接器，一個(gè)20腳數(shù)字量輸出連接器和一個(gè)20腳數(shù)字量輸入連接器，還有一個(gè)就是用于模擬量輸入/輸出及計(jì)數(shù)器的37腳連接器（母頭）。各連接器的接線引腳說(shuō)明如圖3-1、3-2所示。(a) 數(shù)字量輸出接線 (b) 模擬量的輸入接線圖3-1 數(shù)字量輸出和數(shù)字量輸入的接線：圖3-2 單端輸入模式PCL818HD用一組撥碼開(kāi)關(guān)SW1來(lái)對(duì)板卡的IO基地址進(jìn)行設(shè)置，其中撥碼開(kāi)關(guān)撥到ON表示0，撥到OFF表示1。開(kāi)關(guān)和地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3-1所示。表3-1 開(kāi)關(guān)和地址對(duì)應(yīng)關(guān)系3.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述數(shù)據(jù)采集(Data Acquisition，DAQ)，就是講北側(cè)對(duì)象（外部世界、現(xiàn)場(chǎng)

31、）的各種參量（物理量、化學(xué)量、生物量等）通過(guò)各種傳感器件做適當(dāng)轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)信號(hào)調(diào)理、采樣、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E送到控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或存儲(chǔ)記錄的過(guò)程。控制器一般由計(jì)算機(jī)承擔(dān)。計(jì)算機(jī)或微處理器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理。用于數(shù)據(jù)采集的成套設(shè)備成為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Data Acquisition System,DAS)，所有能夠在計(jì)算機(jī)控制下完成數(shù)據(jù)采集和控制任務(wù)的板卡都成為DAQ產(chǎn)品，可分為內(nèi)插式板卡和外掛式板卡。一般情況下，DAQ硬件設(shè)備功能包括模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字I/O(Digital I/O)和定時(shí)/計(jì)數(shù)(Timer/Counter)。3

32、.3.2 數(shù)據(jù)采集過(guò)程首先，初次裝好DAQ采集卡和驅(qū)動(dòng)程序后，PC機(jī)會(huì)初始化設(shè)置它的IO地址和中斷號(hào)，分配內(nèi)存資源，打通MCGS組態(tài)軟件通道。其次，在組態(tài)軟件設(shè)備窗口設(shè)置采樣頻率、采集通道、數(shù)據(jù)傳輸方式、數(shù)據(jù)處理方式并啟動(dòng)實(shí)時(shí)采集。采集啟動(dòng)后，下層驅(qū)動(dòng)程序就獨(dú)立地控制硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將結(jié)果存放在采集卡的緩沖區(qū)中。最后將采集卡緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀取到組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中區(qū)，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)軟件總體構(gòu)成Labview前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出值，用于模擬真實(shí)信號(hào)發(fā)生器與信號(hào)采集器的前面板。由于虛擬面板直接面向用戶，是虛擬儀器控制軟件的核心。設(shè)計(jì)前面板時(shí)，

33、主要考慮界面美觀，操作簡(jiǎn)潔，用戶可以通過(guò)前面板中的開(kāi)關(guān)和旋鈕模擬傳統(tǒng)儀器的操作，通過(guò)鍵盤和鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬示波器的控制。前面板上設(shè)有各個(gè)功能模塊按鈕，當(dāng)按下相應(yīng)按鈕時(shí)，即可調(diào)用該子程序。本系統(tǒng)包括了27個(gè)控件，其中輸入控件12個(gè)，顯示控件15個(gè)。通過(guò)選項(xiàng)卡可以選擇信號(hào)發(fā)生器與信號(hào)采集器兩種功能。在信號(hào)發(fā)生器選項(xiàng)卡中，通過(guò)信號(hào)類型選擇器可以從信號(hào)發(fā)生器中選擇不同類型的波形，如正弦波形，方波波形，三角波波形，鋸齒波形等。在選項(xiàng)卡中還可以設(shè)置所要發(fā)生信號(hào)的主要參數(shù)，如：幅值、頻率、方波占空比等等。在信號(hào)采集器選項(xiàng)卡中，有三個(gè)子選項(xiàng)卡，分別為波形信號(hào)采集、溫度采集和重量采集。而顯示屏則實(shí)現(xiàn)對(duì)各種不同信號(hào)

34、的顯示，是用戶對(duì)系統(tǒng)結(jié)果最直觀的觀察方式。圖4-1 系統(tǒng)總體前面板4.2 信號(hào)發(fā)生器器信號(hào)發(fā)生器選項(xiàng)卡中可通過(guò)信號(hào)類型列表選擇所要輸出的信號(hào)，例如：正弦信號(hào)、余弦信號(hào)、三角波信號(hào)、鋸齒波信號(hào)、方波信號(hào)等。相對(duì)應(yīng)的信號(hào)特性參數(shù)可從方波占空比、直流偏移量、頻率、持續(xù)時(shí)間、偏移量、幅值等輸入控件進(jìn)行選定。信號(hào)發(fā)生器模塊的前面板如圖4-2所示。圖4-2 信號(hào)發(fā)生器前面板圖4-3 信號(hào)發(fā)生器器程序框圖4.3 信號(hào)采集模塊信號(hào)采集模塊選項(xiàng)卡中有三個(gè)子選項(xiàng)卡，分別為波形采集選項(xiàng)卡、溫度采集選項(xiàng)卡、電子天平（重量采集）選項(xiàng)卡。數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)如圖4-4、4-5、4-6所示。 （a）波形采集前面板 （b）波形采集程序框圖圖4-4 波形采集設(shè)計(jì) （a）溫度采集前面板 （b）溫度采集程序框圖圖4-5 溫度采集設(shè)計(jì) （a）電子天平前面板 （b）電子天平程序框圖圖4-6 電子天平設(shè)計(jì)第五章 系統(tǒng)調(diào)試5.1 軟件與硬件的連接本次虛擬儀器設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)采集模塊采用研華PCL818數(shù)據(jù)采集板卡，溫度采集與XMT808模塊連