基于虛擬儀器的壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)的智能監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的重要標(biāo)志，監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、傳送、處理。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬儀器率先由美國(guó)于20世紀(jì)80年代末研制成功，它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與儀器系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。其運(yùn)用配套的虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件，借助PC機(jī)超強(qiáng)的計(jì)算處理能力而被廣泛的運(yùn)用于工廠的各種數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與處理。本設(shè)計(jì)為多通道壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用來(lái)監(jiān)測(cè)來(lái)自各處不同的壓力變化情況。實(shí)現(xiàn)4路壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、波形顯示。具體為應(yīng)用LabVIEW 圖形化編程軟件和LabJackU12數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)4通道壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用壓力傳感器，對(duì)4路壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析處理、存儲(chǔ)顯示，實(shí)現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)的曲線和數(shù)字實(shí)時(shí)顯示

2、，并具有超限報(bào)警功能，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用EXCEL工具箱實(shí)現(xiàn)報(bào)表輸出。本系統(tǒng)包括三個(gè)基本硬件部分：壓力傳感器，數(shù)據(jù)采集卡，PC機(jī)。其中，壓力測(cè)量利用AK-4型數(shù)字壓力傳感器，傳感器輸出的4-20mA信號(hào)送入調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為1-5V電壓信號(hào)，再送入LabJack U12數(shù)據(jù)采集卡將模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，并輸入到PC機(jī)中，然后利用PC機(jī)中的LABVIEW圖形化編程軟件將輸入的電壓信號(hào)處理輸出并且顯示，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析對(duì)超限信號(hào)起到報(bào)警功能。關(guān)鍵詞：壓力監(jiān)測(cè) LABVIEW 數(shù)據(jù)采集ABSTRACTIntelligent monitoring of the production paramet

3、ers is an important symbol to automate.The monitoring of the data requires real-time acquisition, transmission, processing. With computer technology, communication technology, the rapid development of the first virtual instrument was developed in the late 80 by the United States in the late 20th cen

4、tury, the successful development of computer systems and equipment, it is the product of the combination system technology. Its application supporting the development of virtual instrument software, with PC-super-computing processing power has been widely used in a variety of plant data monitoring a

5、nd processing. The design for the multi-channel pressure monitoring system, used monitor the pressure from changes in various parts. Pressure to achieve 4-way real-time monitoring, waveform display. Specifically for the application of LabVIEW graphical programming software and LabJackU12 Data Acquis

6、ition Card Design 4-channel pressure monitoring system, using pressure sensors, pressure on the 4-way data collection, analysis and processing, storage, display, realization of the curve of pressure data and digital real-time display, and has The more limited alarm functions, and statistical analysi

7、s of data using EXCEL toolbox to achieve report output. The system consists of three basic hardware components: pressure sensors, data acquisition card, PC machine. Among them, pressure measurement using AK-4 type digital pressure sensor, the sensor output 4-20mA signal into the conditioning circuit

8、 is converted to 1-5V voltage signal, and then into the LabJack U12 data acquisition card will be analog to digital conversion, and enter the to a PC machine and then use the PC, the LABVIEW graphical programming software to input the output voltage signal processing and displays, and signal analysi

9、s of the overrun alarm signal to play. Key words:Pressure monitor Labview Data acquisition目 錄第一章 緒論5引言51.2 課題的提出與意義66第二章壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)77第三章 壓力傳感器93.1 壓力傳感器定義93.2 壓力傳感器分類93.3 傳感器的使用原則93.4 傳感器的選用113.4.1 傳感器的選用113.4.2 AK-4型壓力傳感器特點(diǎn)123.4.3 AK-4型壓力傳感器性能技術(shù)指標(biāo)12第四章 數(shù)據(jù)采集131313141515第五章 虛擬儀器的概述175.1 虛擬儀器的概念175.2 虛

10、擬儀器的組成185.3 虛擬儀器的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)205.4 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較21第六章 軟件設(shè)計(jì)232324板界面246.2.2 Labjack信號(hào)采集256.2.3 信號(hào)采集的通道設(shè)置26功能的實(shí)現(xiàn)27總 結(jié)29謝 辭30參考文獻(xiàn)31第一章 緒論1.1 引言壓力是人們所熟知的名詞，在認(rèn)知中的壓力定義有很多,施加在物體上的力則是普遍認(rèn)為。在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中壓力則定義為不是一種想象出來(lái)的疾病而是身體“戰(zhàn)備狀態(tài)”的反應(yīng)，這是當(dāng)我們意識(shí)到某種情形，或者某個(gè)人，或者某件事情具有潛在的威脅性的時(shí)候做出的反應(yīng)1。而本論文所研究的壓力不涉及到醫(yī)學(xué)，而主要關(guān)注與普遍的認(rèn)知物體所施加的力。生活中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)這一詞應(yīng)用

11、廣泛，很多人只是聽(tīng)說(shuō)過(guò)卻無(wú)法準(zhǔn)確的定義什么是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在本設(shè)計(jì)中我也通過(guò)用心去體會(huì)并在網(wǎng)上找到準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的定義。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)和各行各業(yè)都是不可缺少的。隨著各種現(xiàn)代化設(shè)備的增加，各種數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測(cè)量和分析成了通訊企業(yè)工作量較大的內(nèi)容。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)幫助管理人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，預(yù)防故障的發(fā)生或者在故障發(fā)生后提供最及時(shí)的資料。自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以減少配備人員的數(shù)量并提高監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的效率3。壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是本論文的中心內(nèi)容，同時(shí)也是科技社會(huì)的主流研究?jī)?nèi)容。顧名思義，壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是上述兩項(xiàng)定義的結(jié)合，壓力監(jiān)測(cè)是通過(guò)利用先進(jìn)的儀器儀表系統(tǒng)對(duì)工業(yè)機(jī)械上所產(chǎn)生或應(yīng)用的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控并進(jìn)行控制。而監(jiān)控的手段

12、就要涉及到我所學(xué)的專業(yè)，測(cè)控技術(shù)。測(cè)控技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防科技等諸多領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛，它的現(xiàn)代化已被認(rèn)為是科學(xué)技術(shù)、國(guó)防現(xiàn)代化的重要條件和明顯標(biāo)志。20世紀(jì)70年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)、微電子等技術(shù)迅猛發(fā)展，在其推動(dòng)下，測(cè)控儀器與技術(shù)不斷進(jìn)步，相繼誕生了智能儀器、PC儀器、VXI儀器、虛擬儀器及互換性虛擬儀器等微機(jī)化儀器及其自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化儀器設(shè)備間的界限日漸模糊，測(cè)控領(lǐng)域和范圍不斷拓寬1 。電子測(cè)量技術(shù)作為測(cè)控技術(shù)的一部分，其發(fā)展總是與自然科學(xué)，特別是電子技術(shù)的最新發(fā)展緊密相連。從傳統(tǒng)的電測(cè)量指示儀表、數(shù)字化儀表到智能儀器，再到虛擬儀器，電子測(cè)量技術(shù)發(fā)生了革命性變化。虛擬

13、儀器改變了傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器的概念、模式和結(jié)構(gòu)，用戶完全可以自己定義一起的功能和參數(shù)，即“軟件即是儀器”，虛擬儀器以其特有的優(yōu)勢(shì)顯示了強(qiáng)大的生命力2。虛擬儀器技術(shù)綜合運(yùn)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)和軟件工程技術(shù)，代表了測(cè)量?jī)x器與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展方向。采用虛擬儀器構(gòu)建測(cè)試儀器，開(kāi)發(fā)效率高，可維護(hù)性強(qiáng)，測(cè)試精度、穩(wěn)定性和可靠性能夠得到充分的保證，具有很高的性能價(jià)格比，節(jié)省投資，便于設(shè)備的更新和功能的轉(zhuǎn)換與補(bǔ)充。因此，虛擬儀器在產(chǎn)品性能測(cè)試、設(shè)備故障診斷、生產(chǎn)過(guò)程控制中得到普遍應(yīng)用。1.2 課題的提出與意義壓力是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)重要參數(shù),準(zhǔn)確地測(cè)量壓力進(jìn)而控制壓力,對(duì)保證設(shè)備安

14、全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重要意義。影響到整個(gè)設(shè)備的安全和經(jīng)濟(jì)效益。因此，準(zhǔn)確測(cè)量壓力意義十分重要。高速發(fā)展的工業(yè)控制領(lǐng)域離不開(kāi)壓力的測(cè)量，測(cè)量技術(shù)和儀器變得越來(lái)越重要。但由于弊端的傳統(tǒng)手段，如價(jià)格昂貴、功能單一、可擴(kuò)展性不好等，很難滿足業(yè)界的要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬儀器的發(fā)展，用戶的設(shè)計(jì)范圍變得比較廣泛。采用虛擬儀器構(gòu)建測(cè)試儀器，開(kāi)發(fā)效率高，可維護(hù)性強(qiáng)，測(cè)試精度、穩(wěn)定性和可靠性能夠得到充分的保證，具有很高的性能價(jià)格比，節(jié)省投資，便于設(shè)備的更新和功能的轉(zhuǎn)換與補(bǔ)充。本課題也由此而提出。對(duì)于本課題，有很多的實(shí)現(xiàn)方法，然而對(duì)于我來(lái)講因?yàn)橘Y金與實(shí)驗(yàn)條件的多種限制，使我只能用很簡(jiǎn)單的方式來(lái)模擬這種壓力監(jiān)測(cè)。而如今

15、的科技發(fā)展離不開(kāi)計(jì)算機(jī)，而作為PC機(jī)應(yīng)用程序的Labview作為一種圖形化編程的語(yǔ)言不但使用方便而且滿足功能因此被我選擇使用設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)此課題。Labview是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研制開(kāi)發(fā)的，類似于C和BASIC開(kāi)發(fā)環(huán)境，但是Labview與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而Labview使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式3。虛擬儀器實(shí)際上是一個(gè)按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。虛擬儀器的研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言是美國(guó)NI公司的Labvi

16、ew。圖形化的程序語(yǔ)言，又稱為“G”語(yǔ)言。使用這種語(yǔ)言編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語(yǔ)、圖標(biāo)和概念，因此，Labview是一個(gè)面向最終用戶的工具。它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。第二章 壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)為壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并通過(guò)Labview進(jìn)行圖形化編程。整體設(shè)計(jì)思路如下：利用壓力傳感器監(jiān)測(cè)壓力信號(hào)此信號(hào)為模擬信號(hào)，并由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入PC機(jī)。進(jìn)入P

17、C機(jī)的數(shù)字信號(hào)由Labview軟件采集，通過(guò)設(shè)計(jì)圖形化的界面實(shí)現(xiàn)多通道（4通道）的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)（波形）顯示。在采集信號(hào)的同時(shí)可設(shè)定信號(hào)上限，超出的信號(hào)不能顯示出來(lái)并使路燈閃亮。最終收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)報(bào)表的形式輸出。對(duì)于虛擬儀器LABVIEW，軟件才是它的核心。在規(guī)劃、設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)軟件時(shí)應(yīng)堅(jiān)持以下幾個(gè)原則：操作界面友好，使用方便。以方便習(xí)慣使用現(xiàn)有測(cè)量?jī)x的人員的使用；另一方面也是讓工作人員更容易接受這套系統(tǒng)。labview軟件設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、波形顯示、靜態(tài)特性分析、數(shù)據(jù)保存及回放等功能。這些功能主要通過(guò)Labview軟件實(shí)現(xiàn)的。本實(shí)驗(yàn)的軟件部分主要設(shè)計(jì)四個(gè)部分：信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)的寫

18、入、數(shù)據(jù)的讀出、數(shù)據(jù)的擬合。最后在軟件的前面板顯示出動(dòng)態(tài)特性測(cè)試結(jié)果。圖2-1為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖。信號(hào)輸入輸出信號(hào)數(shù)據(jù)采集PC機(jī)LABVIEW圖2-1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖利用壓力傳感器，傳感器輸出的信號(hào)送入電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再送入數(shù)據(jù)采集卡將模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，并輸入到PC機(jī)中，然后利用PC機(jī)中的LABVIEW圖形化編程軟件將輸入的電壓信號(hào)處理輸出并且顯示，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析對(duì)超限信號(hào)起到報(bào)警功能，數(shù)據(jù)可由EXCEL生成報(bào)表。圖2-2為系統(tǒng)的總細(xì)節(jié)框圖。報(bào)警(綠燈亮)EXCEL工具箱實(shí)現(xiàn)報(bào)表輸出LABVIEW數(shù)據(jù)處理壓力傳感器接受壓力信號(hào)數(shù)據(jù)采集卡接受模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)壓力信號(hào)（電

19、流信號(hào)）通過(guò)接入電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)存儲(chǔ)顯示壓力數(shù)據(jù)的曲線和數(shù)字實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)接收?qǐng)D2-2 系統(tǒng)總體細(xì)節(jié)框圖 第三章 壓力傳感器3.1 壓力傳感器定義壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)，面就簡(jiǎn)單介紹一些常用傳感器原理及其應(yīng)用。3.2 壓力傳感器分類1.應(yīng)變片壓力傳感器電阻應(yīng)變片是一種將被測(cè)件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的敏感器件。2.陶瓷壓力傳感器抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器沒(méi)有液體的傳遞，壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產(chǎn)生微小的形變。3.擴(kuò)散硅壓力傳

20、感器工作原理被測(cè)介質(zhì)的壓力直接作用于傳感器的膜片上（不銹鋼或陶瓷），使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發(fā)生變化，和用電子線路檢測(cè)這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)。4.藍(lán)寶石壓力傳感器利用應(yīng)變電阻式工作原理，采用硅- 藍(lán)寶石作為半導(dǎo)體敏感元件，具有無(wú)與倫比的計(jì)量特性。5壓電壓力傳感器壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過(guò)這個(gè)范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失。3.3 傳感器的使用原則現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬(wàn)別，如何根

21、據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象以及測(cè)量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量的測(cè)量時(shí)首先要解決的問(wèn)題。當(dāng)傳感器確定之后，與之相配套的測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備也就可以確定了。測(cè)量結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理6。 1根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類型要進(jìn)行個(gè)具體的測(cè)量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)椋词故菧y(cè)量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問(wèn)題：量程的大??；被測(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求；測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式；信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸

22、測(cè)量；傳感器的來(lái)源，國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問(wèn)題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。2靈敏度的選擇通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測(cè)量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值才比較大，有利于信號(hào)處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測(cè)量無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測(cè)量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少?gòu)耐饨缫氲母蓴_信號(hào)。傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測(cè)量是單向量，而且對(duì)其方向性要求較高，則應(yīng)選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測(cè)量是多維向量，則要求傳感器的交

23、叉靈敏度越小越好。3.頻率響應(yīng)特性傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測(cè)的信號(hào)頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測(cè)信號(hào)的頻率較低。在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等)響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過(guò)火的誤差。4.線性范圍傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測(cè)量精度。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足

24、要求。但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對(duì)的線性，其線性度也是相對(duì)的。當(dāng)所要求測(cè)量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會(huì)給測(cè)量帶來(lái)極大的方便。5.穩(wěn)定性傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。在選擇傳感器之前，應(yīng)對(duì)其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧?，減小環(huán)境的影響。傳感器的穩(wěn)定性有定量指標(biāo)，在超過(guò)使用期后，在使用前應(yīng)重新進(jìn)行標(biāo)定，以確定傳感器的性能是否發(fā)生變化。在某些

25、要求傳感器能長(zhǎng)期使用而又不能輕易更換或標(biāo)定的場(chǎng)合，所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴(yán)格，要能夠經(jīng)受住長(zhǎng)時(shí)間的考驗(yàn)。6.精度精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價(jià)格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過(guò)高。這樣就可以在滿足同一測(cè)量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡(jiǎn)單的傳感器。如果測(cè)量目的是定性分析的，選用重復(fù)精度高的傳感器即可，不宜選用絕對(duì)量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測(cè)量值，就需選用精度等級(jí)能滿足要求的傳感器。對(duì)某些特殊使用場(chǎng)合，無(wú)法選到合適的傳感器，則需自行設(shè)計(jì)制造傳感器。自制傳感

26、器的性能應(yīng)滿足使用要求。3.4 傳感器的選用3.4.1 傳感器的選用總結(jié)以上本設(shè)計(jì)選用AK-4型為壓力傳感器。本傳感器具有零點(diǎn)、靈敏度調(diào)整功能，標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流信號(hào)輸出，精度高，性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)緊湊、安裝使用方便，廣泛用于各種動(dòng)、靜態(tài)；氣、液態(tài)介質(zhì)的壓力測(cè)量、控制，根據(jù)用戶要求可提供各種螺紋接。AK-4型壓力傳感器主要用途：該傳感器適用于各種動(dòng)、靜態(tài)、氣、液體介質(zhì)的壓力測(cè)量。圖3-1為AK-型壓力傳感器的實(shí)物圖，圖3-2為示意圖。圖3-1實(shí)物圖圖3-2示意圖3.4.2 AK-4型壓力傳感器特點(diǎn)1.具有零點(diǎn)、靈敏度調(diào)整功能，標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流信號(hào)輸出2.精度高，性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝使用方便3

27、.根據(jù)用戶要求可提供各種螺紋接口4.分類:AK-4a：普通型鋁外殼AK-4b：不銹鋼外殼 AK-4c：密封型：全O圈密封，隔潮；全不銹鋼結(jié)構(gòu)，防腐蝕AK-4f：數(shù)顯壓力變送器，1/2數(shù)碼顯示，直接顯示壓力數(shù)值，并且具有變送功能。3.4.3 AK-4型壓力傳感器性能技術(shù)指標(biāo)AK-4型壓力傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如表3-1所示表3-1 AK-4型壓力傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)技術(shù)參數(shù)單位量程0-0.1,0.2,0.5,1,2,5,10,15,20,25,30,40,50,60,100MPa輸出信號(hào)0-5，1-5V4-20，0-10mA精度%FS非線性0.2%FS遲滯%FS重復(fù)性%FS供橋電壓

28、7;6，12，24VDC絕緣電阻100M工作溫度-10至+50零點(diǎn)偏移%FS/4h熱零點(diǎn)偏移%FS/10熱靈敏度偏移%FS/10允許過(guò)負(fù)荷120%FS接線方式插座：1、電源（+）；2、輸出（+）3輸出（-）；4電源（-）。導(dǎo)線連接方式見(jiàn)合格證書(shū)第四章 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采集非電量或者電量信號(hào),送到上位機(jī)中進(jìn)行分析,處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)或者其他專用測(cè)試平臺(tái)的測(cè)量軟硬件產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測(cè)量系統(tǒng)。通常，必須在數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集之前調(diào)制傳感器信號(hào),包括對(duì)其進(jìn)行增益或衰減和隔離,放大,濾波等.對(duì)待某些傳感器，還需要提

29、供激勵(lì)信號(hào)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，我們會(huì)安裝很多的各種類型的傳感器，輸入壓力的溫度的流量的聲音的電參數(shù)的等等，受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的限制傳感器信號(hào)如壓力傳感器輸出的電壓或者電流信號(hào)不能遠(yuǎn)傳或者因?yàn)閭鞲衅魈嗖季€復(fù)雜，我們就會(huì)選用分布式或者遠(yuǎn)程的采集卡3（模塊）在現(xiàn)場(chǎng)把信號(hào)較高精度地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后通過(guò)各種遠(yuǎn)傳通信技術(shù)（如485、232、以太網(wǎng)、各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)）把數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)或者其他控制器中進(jìn)行處理。這種也算作數(shù)據(jù)采集卡的一種，只是它對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力更強(qiáng)，可以應(yīng)對(duì)各種惡劣的工業(yè)環(huán)境。如果是在比較好的現(xiàn)場(chǎng)或者實(shí)驗(yàn)室，如學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室，就可以使用USB/PCI這種采集卡。和常見(jiàn)的內(nèi)置采集卡不同，外置數(shù)據(jù)采集卡一般采用US

30、B接口和1394接口，因此，外置數(shù)據(jù)采集卡主要指USB采集卡和1394采集卡。通過(guò)以上說(shuō)明我的設(shè)計(jì)為實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)因此最適合使用USB采集，而基于我所設(shè)計(jì)內(nèi)容特點(diǎn)我選用數(shù)據(jù)采集卡labjackU12來(lái)完成。將采集到的信號(hào)放大濾波后，由數(shù)據(jù)采集卡labjack進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并將其送入PC機(jī)中。虛擬儀器是計(jì)算機(jī)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物,它將計(jì)算機(jī)硬件資源儀器與測(cè)控系統(tǒng)硬件資源和虛擬儀器軟件資源有效結(jié)合起來(lái)?；贚abJackU12數(shù)據(jù)采集器和LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言組成虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的硬件和軟件以及儀器的功能特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集測(cè)試的控制與實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析等功能,提高了測(cè)試的精度。且靈活

31、性好,能夠根據(jù)需要移植應(yīng)用到其它的測(cè)試場(chǎng)合8。圖4-1LabJackU12的正面圖數(shù)據(jù)采集硬件有多種形式，數(shù)據(jù)采集硬件的選擇要根據(jù)具體的場(chǎng)合并考慮到自己現(xiàn)有的技術(shù)資源，本次課題采用U12產(chǎn)品，如圖4-1所示。LabJackU12是一個(gè)USB接口的、多功能數(shù)據(jù)采集控制器，是目前性價(jià)比最高的多功能數(shù)據(jù)采集控制器。它使計(jì)算機(jī)輕而易舉地和外部物理世界聯(lián)系起來(lái)，被廣泛地應(yīng)用于測(cè)試儀器，工業(yè)過(guò)程控制，數(shù)據(jù)監(jiān)視等各種數(shù)據(jù)采集和控制場(chǎng)合。LabJackU12是美國(guó)LabJack公司研發(fā)、生產(chǎn)的產(chǎn)品10。LabJackU12主要性能和特點(diǎn)如下：1.12位、八個(gè)單端或四個(gè)差動(dòng)的模擬量輸入2.±10伏的模

32、擬量輸入范圍3.具有可編程放大器，增益為1，2，4，5，8，10，16或20倍4.采樣速率可高達(dá)8000赫茲（在短時(shí)讀模式下）或1200赫茲（在連續(xù)讀模式下）8.20個(gè)數(shù)字輸入輸出口（每個(gè)口的速率可達(dá)到50赫茲）13.百分之百的軟件控制，沒(méi)有任何跳線或開(kāi)關(guān)17.可在視窗操作系同98SE，ME，2000或XP上使用22.大約尺寸為10cm×15cm×3cmLabJackU12要求計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)是Windows（視窗）98SE，ME，2000或XP。要確定操作系統(tǒng)版本，點(diǎn)擊開(kāi)始->設(shè)置->控制面板->系統(tǒng)->常規(guī)，確認(rèn)版本號(hào)是4.10.2222或更高。對(duì)

33、軟硬件安裝的先后次序沒(méi)有要求。在計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)下，用提供的連接線把LabJackU12接到計(jì)算機(jī)的USB口上。這根USB連接線為L(zhǎng)abJackU12提供了電源以及它與計(jì)算機(jī)間的通訊。狀態(tài)發(fā)光二極管會(huì)快速閃爍4次（頻率大約4赫茲），然后保持暗狀態(tài)，這說(shuō)明計(jì)算機(jī)正在訪問(wèn)查尋。訪問(wèn)查尋是計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)對(duì)一個(gè)USB器件進(jìn)行信息讀取的過(guò)程，這些信息是用來(lái)描述被查詢器件的名稱及其功能。Windows本身自帶LabJackU12所需的底層驅(qū)動(dòng)程序，接上LabJack后，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)始訪問(wèn)查尋。Windows對(duì)一個(gè)新器件進(jìn)行首次訪問(wèn)查尋時(shí)可能需要一兩分鐘，Windows可能會(huì)告訴你它正在安裝驅(qū)動(dòng)程序，如果W

34、indows出現(xiàn)提示，請(qǐng)接受所有的缺省值。如果必要，重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，此時(shí)可能需要視窗的安裝光盤，請(qǐng)確定所提供光盤的視窗版本是否正確。訪問(wèn)查尋在每次連接時(shí)都會(huì)發(fā)生，但只需幾秒鐘。訪問(wèn)查尋完成后，發(fā)光二極管會(huì)閃兩次并保持亮狀態(tài)，這說(shuō)明視窗己正常地訪問(wèn)查尋了LabJack。如果LabJack不能被訪問(wèn)查詢：檢查計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)的版本號(hào)是或更高，嘗試將LabJack連到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上；嘗試將其他USB設(shè)備連到該計(jì)算機(jī)上。雖然Windows已包含了LabJack所需的USB底層驅(qū)動(dòng)程序，但是它還需要高級(jí)驅(qū)動(dòng)程序來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送和接收。隨機(jī)提供的安裝光盤將安裝高級(jí)驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序和一些范例程序的源代碼。

35、插入安裝光盤前，關(guān)閉所有打開(kāi)的應(yīng)用程序，特別是與LabJack相關(guān)的軟件。安裝程序通常會(huì)開(kāi)始運(yùn)行。如果安裝程序沒(méi)自動(dòng)運(yùn)行，你可用鼠標(biāo)雙擊在光盤上的。LabJack安裝結(jié)束后會(huì)安裝美國(guó)國(guó)家儀器儀表公司的Labview運(yùn)行引擎LVRTE）。所安裝的應(yīng)用程序是需要該引擎才能運(yùn)行的。如果有重啟的提示，請(qǐng)照辦。一些病毒掃描程序和LVRTE的安裝可能有沖突。如果運(yùn)行應(yīng)用程序出錯(cuò)，重復(fù)以上安裝直到LVRTE正確為止。要測(cè)試安裝正確與否，運(yùn)行LJTEST程序。開(kāi)始=>程序=>LabJack=>LJtest確定沒(méi)選擇“TestFixtureInstalled”和“Continuous”，按運(yùn)行

36、（RUN）按鈕，LJtest應(yīng)該一項(xiàng)項(xiàng)地測(cè)試并通過(guò)8個(gè)獨(dú)立的測(cè)試。安裝光盤會(huì)安裝高級(jí)驅(qū)動(dòng)程序(ljackuw.dll)、高級(jí)驅(qū)動(dòng)程序的ActiveX接口和調(diào)用這些動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的Labview子程序。DLL和OCX安裝在Windows的系統(tǒng)目錄中。如果安裝程序能找到Labview的目錄，它會(huì)把Labview的子程序拷貝到“vi.libaddons”目錄下。這樣他們會(huì)出現(xiàn)在Labview的功能板上。否則，這些子程序會(huì)被復(fù)制到c:ProgramFilesLabJack)driverslabview目錄中。LabJackDLL中有38個(gè)函數(shù)，OCX和Labview子程序中也有相應(yīng)的函數(shù)。由于Active

37、X的限制性，OCX中有兩個(gè)附加的函數(shù)。除了AIBurst和AIStreamStart/Read/Clear，所有函數(shù)都是指令/相應(yīng)模式。大多數(shù)函數(shù)使用了下列兩個(gè)參數(shù)：errorcodeLabJack特定的錯(cuò)誤碼。0指沒(méi)有錯(cuò)誤，2指沒(méi)有找到LabJack。用“GetErrorString”函數(shù)可以獲得錯(cuò)誤信息或見(jiàn)本文件中段。idnum該參數(shù)可以是設(shè)備號(hào)，系列號(hào)，或者-1。設(shè)備號(hào)或系列號(hào)指定某個(gè)LabJack，而-1指所能找到的第一個(gè)LabJack。每個(gè)LabJack都有設(shè)備號(hào)和系列號(hào)。設(shè)備號(hào)是在0和255之間的一個(gè)數(shù)，用戶可以改變它。系列號(hào)是256到2,147,483,647之間的一個(gè)數(shù)。每個(gè)L

38、abJack都有一個(gè)唯一的系列號(hào)，用戶是不能改變它的。為了能讓更多的編程語(yǔ)言調(diào)用，盡量使用基本的變量類型。所有聲明都使用C寫的。在ActiveX中如有不同，我們都會(huì)詳細(xì)說(shuō)明的。參數(shù)前的“*”號(hào)說(shuō)明該參數(shù)是個(gè)指針。這樣的參數(shù)可以是輸入，也可以使輸出，而非指針參數(shù)一定是輸入。有時(shí)指針不是指向一個(gè)單一值的，而是指向一個(gè)數(shù)組。這在參數(shù)說(shuō)明中都會(huì)提到。一些數(shù)字口的參數(shù)用一個(gè)值來(lái)包含每位I/O口的信息，每一位I/O口在參數(shù)中都有其對(duì)應(yīng)的位（如參數(shù)trisD中的第0位對(duì)應(yīng)設(shè)置數(shù)字口D0的輸入輸出方向）。比如在DigitalIO函數(shù)中，參數(shù)*trisD是指向以內(nèi)存的指針，而該內(nèi)存的值表示了16個(gè)數(shù)字線的方向：

39、如果*trisD指向的值是0，那么所有的數(shù)字線將都是輸入線。如果*trisD指向的值是1(20)，那么D0是輸出，D1-D15是輸入。如果*trisD指向的值是5(20+22),那么D0和D2使輸出，而其他都是輸入。如果*trisD指向的值是65535(20+215),則D0-D15都是輸出。*trisD所致的值的范圍是0到65535。當(dāng)調(diào)用DigitalIO時(shí)，如果updateDigital>1，那么所有的數(shù)字線都會(huì)根據(jù)*trisD所指向的值被設(shè)定成輸入或輸出。當(dāng)DigitalIO返回時(shí)，*trisD所指向的值也和LabJackU12中方向寄存器中的狀態(tài)相對(duì)應(yīng)12。第五章 虛擬儀器的概

40、述5.1 虛擬儀器的概念虛擬儀器的概念是由美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments）最先提出的。NI公司同時(shí)也提出了“軟件即儀器”的口號(hào)，徹底打破了傳統(tǒng)儀器只能由廠家定義，用戶無(wú)法改變的局面，從而引起了儀器和自動(dòng)化工業(yè)的一場(chǎng)革命。隨著現(xiàn)在硬件和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器的智能化和虛擬化成為各級(jí)實(shí)驗(yàn)室以及研究機(jī)構(gòu)發(fā)展的方向。虛擬儀器，它既具有傳統(tǒng)儀器的功能，又有別于其他傳統(tǒng)儀器。它能夠充分利用和發(fā)揮現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的先進(jìn)技術(shù)，使儀器的測(cè)試和測(cè)量及自動(dòng)化工業(yè)的系統(tǒng)測(cè)試和監(jiān)控變得異常方便和快捷。所謂虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的軟硬件測(cè)試平臺(tái)，它可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量?jī)x器，如示波器、信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析

41、儀等；可集成于自動(dòng)控制、工業(yè)控制系統(tǒng)之中；可自由構(gòu)建成專有儀器系統(tǒng)。虛擬儀器是智能儀器之后的新一代測(cè)量?jī)x器9。虛擬儀器的核心技術(shù)思想就是“軟件即是儀器”。該技術(shù)把儀器分為計(jì)算機(jī)、儀器硬件和應(yīng)用軟件三部分。虛擬儀器技術(shù)的實(shí)質(zhì)是充分利用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。虛擬儀器以通用計(jì)算機(jī)和配備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口的測(cè)量?jī)x器（包括GPIB、RS-232等傳統(tǒng)儀器以及新型的VXI模塊化儀器）為基礎(chǔ)，將儀器硬件連接到各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，直接利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，將計(jì)算機(jī)硬件（處理器、存儲(chǔ)器、顯示器）和測(cè)量?jī)x器（頻率計(jì)、示波器、信號(hào)源）等硬件資源與計(jì)算機(jī)軟件資源（包括數(shù)據(jù)的處理、控制、分析和表達(dá)、

42、過(guò)程通訊以及圖形用戶界面）有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，當(dāng)基本硬件確定以后，就可以通過(guò)不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能。用戶可以根據(jù)自己的需要，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應(yīng)用要求。利用計(jì)算機(jī)豐富的軟、硬件資源，可以大大突破傳統(tǒng)儀器的數(shù)據(jù)的分析、處理、表達(dá)、傳遞、存儲(chǔ)等方面的限制，達(dá)到傳統(tǒng)儀器無(wú)法比擬的效果。它不僅可以用于電子測(cè)量、測(cè)試、分析、計(jì)量等領(lǐng)域，而且還可以用于進(jìn)行設(shè)備的監(jiān)控以及工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化。虛擬儀器還可以廣泛用于電力工程、物礦勘探、醫(yī)療、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等多個(gè)方面。虛擬儀器的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)步驟與一般軟件的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)步驟基本相同 ，只不過(guò)虛擬儀器設(shè)計(jì)時(shí)

43、要考慮硬件部分。虛擬儀器設(shè)計(jì)方法主要包括以下三個(gè)部分： 1.IO接口儀器驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)2.儀器面板的設(shè)計(jì)3.儀器功能算法的設(shè)計(jì)5.2 虛擬儀器的組成虛擬儀器從構(gòu)成要素上講，由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件等構(gòu)成；從構(gòu)成分式上講則由以DAQ板和信號(hào)調(diào)理為儀器硬件而組成的PC-DAQ測(cè)試系統(tǒng)，或已GPIB，VXI，Serial和Field bus等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器為硬件組成的GPIB系統(tǒng)、VXI系統(tǒng)、串口系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)等多種形式。虛擬儀器的構(gòu)成如圖5-1所示。圖5-1 虛擬儀器組成框圖目前，虛擬儀器的構(gòu)成方式有以下幾種：插卡式的VI這種方式用數(shù)據(jù)采集卡配以計(jì)算機(jī)平臺(tái)和虛擬儀器軟件，便可構(gòu)成各種數(shù)據(jù)采集

44、和虛擬儀器系統(tǒng)。它充分利用了計(jì)算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源以及軟件的便利，其關(guān)鍵在于A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)。這種方式受PC機(jī)機(jī)箱、總線限制，存在電源功率不足，機(jī)箱內(nèi)噪聲電平較高、無(wú)屏障，插槽數(shù)目不多、尺寸較小等缺點(diǎn)。隨著基于PC的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，PC-DAQ方式存在的缺點(diǎn)已經(jīng)和正在被克服。因個(gè)人計(jì)算機(jī)數(shù)目非常龐大，插卡式儀器價(jià)格便宜，因此其用途廣泛，特別適用于工業(yè)測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)、各種實(shí)驗(yàn)室和教學(xué)部門使用。2.并行口式的VI最新發(fā)展的可連接到計(jì)算機(jī)并行口的測(cè)試裝置，其硬件集成在一個(gè)采集盒里或探頭上，軟件裝在計(jì)算機(jī)上，可以完成各種VI功能。它的最大好處是可以與筆記本計(jì)算機(jī)相連，方便野外作業(yè)，又可與臺(tái)式PC相

45、連，實(shí)現(xiàn)臺(tái)式和便攜式兩用，非常方便?？偩€方式的VIGPIB（General Purpose Interface Bus）技術(shù)是IEEE488標(biāo)準(zhǔn)的VI早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子測(cè)量由獨(dú)立的單臺(tái)的手工操作向大規(guī)模自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展。典型的GPIB系統(tǒng)由一臺(tái)PC機(jī)，一塊GPIB接口卡和若干臺(tái)GPIB儀器通過(guò)GPIB電纜連接而成。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，一塊GPIB接口卡可帶多達(dá)14臺(tái)的儀器，電纜長(zhǎng)度可達(dá)20m。GPIB技術(shù)可以用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作和控制，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工操作方式，很方便的把多臺(tái)機(jī)器組合起來(lái)，形成大的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。GPIB測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，主要市場(chǎng)在臺(tái)式儀器市場(chǎng)。適用于精

46、確度要求高，但對(duì)計(jì)算機(jī)速率要求和總線控制實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合應(yīng)用?？偩€方式的VI VXI總線是VMEbus eXtension for Instrumentation的縮寫，是高速計(jì)算機(jī)總線VME在VI領(lǐng)域的擴(kuò)展，有穩(wěn)定的電源，強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的RFI/EMI屏蔽。由于它的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時(shí)和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來(lái)越方便，有其他儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，適用于組建大、中規(guī)模自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以及對(duì)速度、精度要求高的場(chǎng)合，但VXI系統(tǒng)要求有專用的機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價(jià)比較高。

47、總線方式的VI PXI總線是PCI eXtension for Instrumentation 的縮寫，是PCI在VI領(lǐng)域的擴(kuò)展。這種新型模塊化儀器系統(tǒng)是在PCI總線內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，具有多板同步觸發(fā)、精確定時(shí)的星形觸發(fā)、相鄰模塊間高速通訊的局部總線以及高度的可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，適用于大型高精度集成系統(tǒng)。6.網(wǎng)絡(luò)接口方式的VI盡管Internet技術(shù)最初并沒(méi)有考慮如何將嵌入式智能儀器設(shè)備連接在一起，不過(guò)NI等公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了通過(guò)Web瀏覽器觀測(cè)這些嵌入式儀器設(shè)備的產(chǎn)品，使人們可以通過(guò)Internet 操作儀器設(shè)備。根據(jù)虛擬儀器的特性，我們能夠方便的將虛擬儀器組成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

48、利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將分散在不同地理位置不同功能的設(shè)備聯(lián)系在一起，使昂貴的硬件設(shè)備、軟件在網(wǎng)絡(luò)上得以共享，減少了設(shè)備重復(fù)投資?，F(xiàn)在，有關(guān)MCN（Measurement and Control Networks ）方面的標(biāo)準(zhǔn)正在積極進(jìn)行，并取得一定的進(jìn)展。由此可見(jiàn)，網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器將具有廣泛的應(yīng)用前景。接口方式的VIUniversal Serial Bus（USB）因?yàn)槠湓赑C機(jī)上的廣泛使用、即插即用的易用性和高達(dá)480Mbits/s的傳輸速率，逐漸的成為儀器控制的主流總線技術(shù)?，F(xiàn)在計(jì)算機(jī)上的USB接口越來(lái)越多，也使得工程師可以很方便的將基于USB的測(cè)量?jī)x器連接到整個(gè)系統(tǒng)中。但是USB在儀器控制方面上亦

49、有一些缺點(diǎn)。比如說(shuō)USB的排線沒(méi)有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格，在惡劣的環(huán)境下，可能造成數(shù)據(jù)的丟失，此外，USB對(duì)排線的距離也有一定的限制。無(wú)論哪種VI系統(tǒng)，都是將硬件儀器搭載到筆記本電腦，工作站等各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)加上應(yīng)用軟件構(gòu)成的。5.3 虛擬儀器的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的功能化硬件模塊和計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)成的電子測(cè)試儀器，而軟件是虛擬儀器的核心，如圖2-1所示，其中軟件的基礎(chǔ)部分是設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件，而這些標(biāo)準(zhǔn)的儀器驅(qū)動(dòng)軟件使得系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與儀器的硬件變化無(wú)關(guān)。這是虛擬儀器最大的優(yōu)點(diǎn)之一，有了這一點(diǎn)，儀器的開(kāi)發(fā)和換代時(shí)間將大大縮短。虛擬儀器中應(yīng)用程序?qū)⒖蛇x硬件（如GPIB，VXI，RS-232，DAQ板）和可重

50、復(fù)用庫(kù)函數(shù)等軟件結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了儀器模塊間的通信、定時(shí)與觸發(fā)。源代碼庫(kù)函數(shù)為用戶構(gòu)造自己的虛擬儀器（VI）系統(tǒng)提供了基本的軟件模塊。由于VI的模塊化、開(kāi)放性和靈活性，以及軟件是關(guān)鍵的特點(diǎn)，當(dāng)用戶的測(cè)試要求變化時(shí)可以方便地由用戶自己來(lái)增減硬、軟件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足新的測(cè)試要求。這樣，當(dāng)用戶從一個(gè)項(xiàng)目轉(zhuǎn)向另一個(gè)項(xiàng)目時(shí)，就能簡(jiǎn)單地構(gòu)造出新的VI系統(tǒng)而不丟失己有的硬件和軟件資源7。圖5-2 虛擬儀器開(kāi)發(fā)框圖虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用面極為廣泛。虛擬儀器技術(shù)十分符合國(guó)際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢(shì)，因而常被稱作“軟件儀器” 。

51、它功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號(hào)發(fā)生器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭和軟件還可檢測(cè)特定系統(tǒng)的參數(shù)，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、汽油標(biāo)號(hào)、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數(shù)等多種數(shù)據(jù)；它操作靈活，完全圖形化界面，風(fēng)格簡(jiǎn)約，符合傳統(tǒng)設(shè)備的使用習(xí)慣，用戶不經(jīng)培訓(xùn)即可迅速掌握操作規(guī)程。虛擬儀器實(shí)際上是一個(gè)按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。虛擬儀器的研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言是美國(guó)NI公司的LabVIEW。虛擬儀器的起源可以追溯到20世紀(jì)70年代，那時(shí)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)在國(guó)防、航天等領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。PC機(jī)出現(xiàn)以后，儀器級(jí)

52、別的計(jì)算機(jī)化成為可能，甚至在Microsoft公司的Windows誕生之前，NI公司已經(jīng)在Macintosh計(jì)算機(jī)上推出了以前的版本。對(duì)虛擬儀器和LabVIEW長(zhǎng)期、系統(tǒng)、有效的研究開(kāi)發(fā)使得該公司成為業(yè)界公認(rèn)的權(quán)威11。普通的PC有一些不可避免的弱點(diǎn)。用它構(gòu)建的虛擬儀器或計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)性能不可能太高。目前作為計(jì)算機(jī)化儀器的一個(gè)重要發(fā)展方向是制定了VXI標(biāo)準(zhǔn)，這是一種插卡式的儀器。每一種儀器是一個(gè)插卡，為了保證儀器的性能，又采用了較多的硬件，但這些卡式儀器本身都沒(méi)有面板，其面板仍然用虛擬的方式在計(jì)算機(jī)屏幕上出現(xiàn)。這些卡插入標(biāo)準(zhǔn)的VXI機(jī)箱，再與計(jì)算機(jī)相連，就組成了一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。VXI儀器價(jià)格昂貴

53、，目前又推出了一種較為便宜的PXI標(biāo)準(zhǔn)儀器。虛擬儀器研究的另一個(gè)問(wèn)題是各種標(biāo)準(zhǔn)儀器的互連及與計(jì)算機(jī)的連接。目前使用較多的是IEEE488或GPIB協(xié)議。未來(lái)的儀器也應(yīng)當(dāng)是網(wǎng)絡(luò)化的。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位編譯器。像許多重要的軟件一樣，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多種版本。虛擬儀器具有傳統(tǒng)獨(dú)立儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，但它并不否定傳統(tǒng)儀器的作用，它們相互交叉又相互補(bǔ)充，相得益彰。在高速度、高帶寬和專業(yè)測(cè)試領(lǐng)域，獨(dú)立儀器具有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)。在中低檔測(cè)試領(lǐng)域，虛擬儀器可取代一部分獨(dú)立儀器的工作，但完成復(fù)雜環(huán)境下的

54、自動(dòng)化測(cè)試是虛擬儀器的拿手好戲，是傳統(tǒng)的獨(dú)立儀器難以勝任的，甚至不可思議的工作。專家們指出，在這個(gè)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，利用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)進(jìn)行改造，已是大勢(shì)所趨，而虛擬儀器系統(tǒng)正是計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)的儀器技術(shù)進(jìn)行融合的產(chǎn)物，因此，在21世紀(jì)，虛擬儀器將大行其道，日漸受寵，將會(huì)引發(fā)傳統(tǒng)的儀器產(chǎn)業(yè)一場(chǎng)新的革命。總之，由于LabVIEW能夠?yàn)橛脩籼峁┖?jiǎn)明、直觀、易用的圖形編程方式，能夠?qū)⒎爆崗?fù)雜的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成為以菜單提示方式選擇功能，并且用線條將各種功能連接起來(lái)，十分省時(shí)簡(jiǎn)便，深受用戶青睞。與傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言比較，LabVIEW圖形編程方式能夠節(jié)省85以上的程序開(kāi)發(fā)時(shí)間，其運(yùn)行速度卻幾

55、乎不受影響，體現(xiàn)出了極高的效率。使用虛擬儀器產(chǎn)品，用戶可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要重新構(gòu)筑新的儀器系統(tǒng)。例如，用戶可以將原有的帶有RS232接口的儀器、VXI總線儀器以及GPIB儀器通過(guò)計(jì)算機(jī)，聯(lián)接在一起，組成各種各樣新的儀器系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理和操作12。5.4 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器具有傳統(tǒng)獨(dú)立儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)（如表5-1所示）。在高速度、高帶寬和專業(yè)測(cè)試領(lǐng)域，獨(dú)立儀器具有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)。在中低檔測(cè)試領(lǐng)域，虛擬儀器可取代一部分獨(dú)立儀器的工作，但完成復(fù)雜環(huán)境下的自動(dòng)化測(cè)試是虛擬儀器的拿手好戲，是傳統(tǒng)的獨(dú)立儀器難以勝任的，甚至不可思議的工作9。1.傳統(tǒng)儀器的面板只有一個(gè)，上面布置了種

56、類繁多的顯示和操作元件。由此導(dǎo)致許多識(shí)讀和操作錯(cuò)誤。虛擬儀器與之不同，它可以通過(guò)在幾個(gè)分面板上的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。這樣，在每個(gè)分面板上就可以實(shí)現(xiàn)功能操作的單純化和面板布置的簡(jiǎn)潔化，從而提高操作的正確性和便捷性。同時(shí)，虛擬儀器的面板上的顯示元件和操作元件的種類與形式不受標(biāo)準(zhǔn)元件和加工工藝的限制，由編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)用戶的要求和操作需要來(lái)設(shè)計(jì)儀器面板13。2.在通用硬件平臺(tái)確定后，軟件取代傳統(tǒng)儀器中由硬件完成的儀器功能。3.儀器的功能是由用戶根據(jù)需要用軟件來(lái)定義，不是事先由廠家定義的。4.儀器性能的改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需更新相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，不需購(gòu)買新儀器。5.虛擬儀器開(kāi)放、靈活，與計(jì)算機(jī)

57、同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)。6.由于其以PC為核心，使得許多數(shù)據(jù)處理的過(guò)程不必像過(guò)去那樣由測(cè)試儀器本身來(lái)完成，而是在軟件的支持下，利用PC機(jī)CPU的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能來(lái)完成，使得基于虛擬儀器的測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試精度、速度大為提高，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、多任務(wù)測(cè)量。7.可方便地存貯和交換測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果的表達(dá)方式更加豐富多樣。8.虛擬儀器在高性價(jià)比的條件下，降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用，縮短技術(shù)更新周期。表5-1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器傳統(tǒng)儀器開(kāi)發(fā)維護(hù)費(fèi)用低開(kāi)發(fā)維護(hù)費(fèi)用高技術(shù)更新周期短（0.51年）技術(shù)更新周期短（510年）軟件是關(guān)鍵硬件是關(guān)鍵價(jià)格低價(jià)格昂貴開(kāi)放、靈活與計(jì)算機(jī)同步，可重復(fù)用和重配置固定可用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)周邊各儀器只可連有限的設(shè)備自動(dòng)化、智能化、多功能、遠(yuǎn)距離傳輸功能單一，操作不便近年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，己經(jīng)形成了網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器。這是一種新型的基于Web技術(shù)的虛擬儀器，使得虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)成為Internet/Intranet的一部分，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和管理。在當(dāng)前流行的C/S/D網(wǎng)絡(luò)模式下，利用嵌入式技術(shù)（包括數(shù)據(jù)庫(kù)嵌入和網(wǎng)絡(luò)模塊的嵌入）可以充分利用有效資源，提高測(cè)試效率。第六章 軟件