（机械电子工程专业论文）基于labview的喷嘴性能检测系统研发.pdf

， c l a s s i f i e di n d e x ：t p 2 7 3 d i s s e r t a t i o nf o rm a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g r e se r c ha n dd e v e l o p m e n to n p a r a m e t e rd e t e c t i o ns y s t e mo f m u z z l eb a se do nl a b v i e w c a n d i d a t e ： s up e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l t y ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： h a nl i g u a n g s h a oj u n p e n g m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a l & e l e c t r o n i c e n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 0 7 h a r b i nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y -ir ， p i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于l a b v i e w 的喷嘴性 能检测系统研发，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外 不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：韩立兹l 日期：v 9 年弓月拯日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于l a b v i e w 的喷嘴性能检测系统研发系本人在哈尔滨理工大学 攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归 哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人 完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨 理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全 部或部分内容。 本学位论文属于 保密口在2 年解密后适用授权书。 不保密南。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 韩洗 刷噬轹1 假丹习易 日期：加7 年弓月心f 7 t 日期：溯年弓月心日 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 基于l a b v l e w 的喷嘴性能检测系统研发 摘要 随着我国市场经济的发展和加入w t o ，我国制造的喷嘴产品要面对来 自国内外市场的双重激烈竞争。为了提高喷嘴生产的质量和效益，就需要在 喷嘴的生产过程中，进行大量的数据检测。加强生产中原始数据的检测，有利 于及时了解工艺过程、生产过程的情况及它们的结果，提高自动化水平和加 强生产管理，达到改善生产，降低成本的目的。因此，检测已经成为生产过程 中一个重要的环节。在现代的检测过程中存在有以下一些问题：检测的精度 问题，检测实时性问题，检测的复杂性以及不可测性等问题。这就要求提高检 测过稃的智能化，操作过程的傻瓜化，各种先进信号分析方法被引入了检测仪 器。在决定仪器性能高低方面软件在很大程度上超出了硬件，尤其是虚拟仪 器( l a b v i e w ) 的出现在很大程度上提高了仪器的各项性能。 本文针对目前喷嘴生产中存在的质量问题，提出了基于l a b v i e w 的喷 嘴性能参数检测的方案。采用l a b v i e w 开发平台，结合步进电机和美国国 家仪器公司的数据采集卡，以及各种传感器和电磁阀开发了喷嘴性能参数检 测系统。该系统又分为高压喷嘴性能检测系统和低压喷嘴性能检测系统两部 分。高压喷嘴性能检测系统包括工作台运动控制部分和性能参数采集部分， 低压喷嘴性能检测系统包括通道扩展部分和性能参数采集部分。 该系统完成了对高压喷嘴和低压喷嘴性能参数的自动、准确而又快速的 检测，从而达到了良好的检测效果，提高了喷嘴生产的质量，提高了企业生 产的水平和现代化程度。 关键词检测；l a b v i e w ；喷嘴 n j f “j q ”。理r 人学1 ：学颂i j 学位论艾 r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to np a r a m e t e rd e t e c t i o n s y s t e mo fm u z z l eb a s e do nl ab v i e w a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m c n to ft h cm a r k e te c o n o m ya n dj o i n i n gw t o ，t h e p r o d u c t so fo u rc o u n t r ya r eu pa g a i n s tt h ed r a s t i cc o m p e t i t i o nn o to n l yi ni n l a n d b u to v e r s e a s ，e s p e ci a ll ys t e e l p r o d u c t i no r d e rt oi m p r o v et h eq u a li t ya n dt h e b e n e f i ti nm u z z l ep r o d u c t i o np r o c e s s ，w es h o u l dc a r r yo nt h em a s s i v ed a t a e x a m i n a t i o ni nm u z z l ep r o d u c t i o n p r o c e s s s t r e n g t h e n so ft h ep r i m a r yd a t a e x a m i n a t i o ni nt h e p r o d u c t i o n i s a d v a n t a g e o u s t o p r o m p tu n d e r s t a n d i n g t e c h n o l o g i c a lp r o c e s s ，t h ep r o d u c t i o np r o c e s ss i t u a t i o na n dt h e i rr e s u l t i ta l s oc a n r a i s et h ea u t o m a t i o na n d s t r e n g t h e nt h ep r o d u c t i o nm a n a g e m e n tt oi m p r o v e p r o d u c t i o na n dr e d u c et h ec o s t t h e r e f i l r e ，t h ee x a m i n a t i o nh a sa l r e a d yb e c o m e a ni m p o r t a n tl in ki nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s t h e r ea r es o m eq u e s t i o n si n t h e m o r d e r ne x a l n i n i t i o n p r o c e s s t h e y a r ce x a m i n a t i o n p r e c i s i o n ，e x a m i n a t i o n t i m e l i n e s s ，c x a m i n a t i o nc o m p l e x i t ya sw e l la sm e a s u r a b i l i t y f o rt h i s r e a s o n ，i t r e q u e s tt oe n h a n c et h ei n t e l l e c t u a l i z a t i o na n dt h eo p e r a t i n gp r o c e s sf o o li nt h e p r o c e s s a l lk i n d so fa d v a n c i n gs i g n a la n a l y s i sm e t h o dw a si n t t o d u c e dt ot h e s t r u m e n t a t i o n s o f t w a r eh a ss u r p r e s s e dt h eh a r d w a r et oag r e a te x t e n ti nt h e d c c i s i o no l t h e p e r f o r m a n c eo ft h ei n s t r u m e n t s e s p e c i a ll yt h eh y p o t h e s i z e d i n s t r u n a c n t 【l a b v i e w ) 。sa p p e a r a n c et oag r e a te x t e n te n h a n c e de a c hp e r f o r m a n c e o ft h ei n s t r u m e n t s t h i st h c s i sp r o p o s e dt h e p l a no fp a r a m e t e rd e t e c t i o no fm u z z l eb a s e do n l a b v i e ww h i c ha i m e da tt h eq u a l i t yq u e s t i o ne x s t i n gi nt h ep r o c e s so fm u z z l e p r o d u c t i o n w eh a v ed e v e l o p e dt h ep a r a m e t e rd e t e c t i o no fm u z z l eb a s e do n a b v le ww i t hs t e pm o t o r ，t h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r d ，e a c hk i n do fs e n s o ra sw e l l a st h es o l e n o i dv a l v e t h i ss y s t e mc a nb ed i v i d e di n t ot h eh i g hp r e s s u r em u z z l e p a r a m e t e rd e t e c t i o ns y s t e ma n dt h el o wp r e s s u r em u z z l ep a r a m e t e rd e t e c t i o n s y s t e mt w op a l t s t h ep a r a m e t e rd e t e c t i o ns y s t e mo fh ig h p r e s s u r e m u z z l e i n c l u d i n gt h ew o r kt a b l em o v e m e n t c o n t r o l l i n gp a r ta n dt h ep a r a m e t e rg a t n e r m g p a r t t h ep a r a m e t e rd e t e c t i o ns y s t e mo fl o wp r e s s u r e m u z z l ei n c l u d i n gt n e c h a n n e le x p a n d i n gp a r ta n dt h ep a r a m e t e rg a t h e r i n gp a r t t h es v s t e r nw i l la c c o m p l i s ht h ea u t o m a t i ca n da c c u r a t ed e t e c t i o no fm u z z i e p a r a m e t e ra n dh a v ed e p h o s p h o r i z ee f f e c t t h e r e b yi tw i l li m p r o v et h eq u a l i t yo f p r o d u c t sa n dm o d e r n i z a t i o no f i r o na sw e l la ss t e e li n d u s t r y k e y w o r d s d e t e c t i o n ；l a b v i e w ；m u z z l e i i i - 哈尔滨理_ t 人学工学颀i ：学位论义 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景l 1 2 虚拟仪器简介及国内外发展概况2 1 3 本课题的主要研究内容4 第2 章软硬件安装及配置：6 2 1 数据采集技术的基本概念6 2 1 1 数据采集系统的组成6 2 1 2 数据采集系统的结构形式9 2 1 3 数据采集系统的注意事项1 0 2 2 数据采集卡1 3 2 2 1 数据采集卡的选择1 3 2 2 2 数据采集卡的安装与配置1 4 2 3 喷嘴性能参数采集的实现1 6 2 3 1l a b v i e w 的数据采集功能简介17 2 3 2 喷嘴性能参数采集程序设计1 8 2 3 3 数据存储模块1 9 2 3 4 数据读取模块_ 1 9 2 4 本章小结19 第3 章系统软件总体设计2 0 3 1 系统l ：作原理一2 0 3 1 1 高压喷嘴性能参数检测系统组成2 0 3 1 2 低压喷嘴性能参数检测系统组成2 1 3 2 虚拟仪器丌发平台2 2 3 2 1 虚拟仪器概念一2 3 3 - 7 2 虚拟仪器构成和特点2 5 3 2 3 虚拟仪器丌发平台l a b v i e w ：2 5 3 3 本章小结2 9 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论义 第4 章高压喷嘴性能参数检测3 0 4 1 系统概述3 0 4 2 工作平台简述3 l 4 3 工作台控制系统的实现3 2 4 3 1 电机的选择3 2 4 3 2 摔制系统工作原理3 4 4 3 3 控制系统的程序设计一3 5 4 4 喷嘴性能参数采集程序设计4 0 4 4 1 参数采集程序设计4 0 4 4 2 喷淋循环控制程序设计一4 5 4 4 3 爪力流鞋关系检测模块4 6 4 4 4 制表模块4 7 4 5 本章小结4 8 第5 章低压喷嘴参数采集部分一4 9 5 1 系统概述4 9 5 2 通道扩展5 0 5 3 丌关鼠控制5 2 5 3 1p c i 2 3 1 2 丌关量控制卡的简介5 2 5 3 2p c i 2 3 1 2 丌关鼍控制卡的使用5 2 5 4 低压喷嘴测试系统程序设计5 4 5 5 本章小结5 8 结论5 9 参考文献6 l 攻读学位期间发表的学术论文6 5 致谢6 6 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论义 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着巾场经济的发展，并随着我国进入w t o ，我国生产的产品不仅要面 对国内市场的激烈竞争，同时也要面对国际市场的激烈竞争，喷嘴产品同样面 刘国际市场更加激烈的竞争。如何提高产品的内在和外在质量是摆存我们面f i 的个迫切任务，只有不断提高喷嘴产品质量，才能增加产品的竞争力，使我 们的喷1 嘴产品存市场上处于不败之地。 喷嘴产品质最指标主要由尺寸和形状精度、表面质量、力学性能三个方面 组成。在生产过程巾，为了提高自动化水平和加强生产管理，需要进行人量的数 ； i ：检测。检测足人们认识客观世界取得定量和定性信息的基本方法，一个新的 科学理论和现代装备如果没有先进的检测技术和仪器支持，其研究、敬计及试 验是很难发展的。检测不但是进行一切探索性的，开发性的科学发现或技术发 i j 爿的重要，甚令必要手段，向且是现代化工业产品生产和质量控制的蕈要保证。 自动枪测技术和装置是自动化系统中不可缺少的组成部分。加强生产中原始数 据的检测，以及时了解工艺过程、生产过程的情况及它们的结果，达到改善生产， 降低成本的目的。随着科学技术进一步向高尖端的发展，随着我1 f j x , j 上q k 生产 标准的提高，我们对检测工具与检测技术进一步发展的要求也越来越高且越来 越迫切。缘检测的精度问题，检测实时性问题，检测的复杂性以及不可测性问 题。这就要求提高检测过程的智能化，操作过程的傻瓜化，各种先进信号分析方 法被引入了检测仪器。在决定仪器性能高低方面软件在很大程度上超出了硬件， 于足现了虚拟仪器的概念1 2 。 在圈外，对于喷嘴性能参数的检测，虚拟仪器己经被越来越多测控人员的 所运j - j ，这是凶为虚拟仪器系统能更迅捷、更经济、更灵活地解决测控i 、j 题。国 内近几年，这项新兴技术也得到了快速应用和发展，如宝钢、包钢等大型钢铁 生产企业都应用了这种虚拟仪器系统。 本文将胎拟仪器技术应用到高压水除磷喷嘴与低压喷嘴两大系列喷嘴的性 能参数榆测系统中，依靠虚拟仪器独特的优势设计一套操作简单、测量准确的 检测系统。为我国喷嘴企业所生产产品的性能以及产品质量的不断提高有较大 的帮助。 哈尔滨理t 人学t 学顺i j 学位论文 1 2 虚拟仪器简介及国内外发展概况 虚拟披术、计算机通讯技术与刚络技术是信息技术最曩要的组成部分，它 们被称为2 1 世纪科学技术中的三大核心技术”。虚拟技术蕴涵的巨大潜，力， 使发达幽家趋之符鸶，在这一领域的研究上投入了巨资，希望自朝一同能在它 的带动卜率先进入信息时代。 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 是f f 益发展的计算机硬件、软件和总线技 术在向其占技术领域密集渗透的过程中，与测试技术、仪器技术密切结合，共 同孕疗的顺新成果川。2 0 世纪8 0 年代美h 幽家仪器公叫( n a t i o n a l i n s t r u m e n t sc o m p a n y 简称n i ) 首先提出了虚拟仪器的概念。这概念的核心 思想j ：i ! = ：以计解和【作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算：卡j l 独具的运算、存 储、放、训川、显示以及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专、i k 化 功能和面板控件软件化，使之与计算机结合起来融为一体，这样便构成了一台 从外脱剑j 力能部完伞与传统硬件仪器相同，同时义充分宁川了汁钾：机午一怕昱资源 的全新的仪器系统。由于仪器的专业化功能和面板摔件都是山软件形成，l _ x _ l 止t 在际上把这类新型的仪器称为“虚拟式仪器”或称“软件即仪器”。自2 0 世纪8 0 年代以来，n i 公司已研制和推出了多种总线系统的虚拟式仪器，特 别是它i 4 ，t t e 出的l a b v l e w 图形编程环境已享誉世界，成为这类新掣仪器丌发系 统的世界，卜产大户。在n i 公司之后，美罔惠普( h p ) 公一j 紧紧跟| ：。该公 刊推出h p v e e 编程系统可以提供数十至数百种虚拟仪器的组建单元和整机， ，闩户i 】j 以用它组建或挑选自己所需的仪器。除此之外，世界川辐续有数百家 公i 可，f n i l e k t r o n i x 公卅，r a c a l 公司等也相继推出了总线系统多达数订个乩 种的虚拟式仪器m l 。作为仪器领域中最新兴的技术，虚拟式仪器的研究、丌发 往内已经过了起步阶段。从9 0 年代中期以来，国内的重庆大学、l 喻尔滨i ： 业大学、l g ：奠交通大学、西安电子科技大学、成都电子科技大学、中科泛华电 子科技公卅等院校和高科技公司，在研究和开发仪器产品和虚拟式仪器设计平 台以及引进消化n i 公司、h p 公司的产品等方面做了一系夕0 自益工作，取得 j ，一批瞩目的成果。 虚拟仪器的出现和兴起，改变了传统仪器的概念、模式和结构，改变了人 们的仪器观“，捌“世界仪表与自动化”杂志报道，2 l 世纪仞叶，虚拟仪器的 乍产厂家将超过千家，品种将达到数千种，市场占有率将达到电测仪器的 5 0 。这侦测对祭个仪器仪表领域，不啻是次强烈的震撼，使从 i f - r l a i l ) 1 0 仪 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 器科学技术研究与丌发的科学家和工程, j f l i l f 都看清了虚拟式仪器对传统仪器的 i 一! 人挑i i 戈，认谚 剑在本世纪虚拟式仪器将成为电测仪器的发展方向。 虚拟仪器最核心的思想是利用计算机的强大资源使奉束需要硬件实现的技 术软件华，以便最大限度地降低系统成本，增强系统功能与灵洒性。因此，虚 拟仪器是受益和依赖于计算机技术。其外部特征与传统的仪器棚比有较大的不 同，其中最突出的特点就是面板及相应的摔件和指示器等，小p 手足山一些尢礼 f 门1 丈体刀i 构j 戊，而足山汁算机内部强大的图形环境和存线帮助功能建立起来的 虚拟山f 板所辛卒代，人们称之为“软f f 板”；从内部特征看，原来智能仪器中较 为复杂的微处理器及其部件，现在大多可共享计算机内部的软、硬什资源，并 借助其完善的数据分析和处理能力，实现测试仪器所需的全部测试功能。天i 此 从这个意义上叶，以虚拟仪器为基础所构成的自动测试系统办案j 彤具备如f 要 素币i 特7 i f ! m i ： ( 1 ) 以个人计锋机为核心： ( 2 ) 仃足够的仪器硬件功能； ( 3 ) 以强人l ，i 勺仪器操作和测试等软件为支撑： ( 4 ) 强凋任通用计算机平台上用灵活的虚拟软而板实现仪器的测试耵l 控 制功能等。 虚拟仪器的特定形式使其具有如下特点： ( 1 ) 曲i 凋“软什就是仪器”的新概念。在虚拟仪器巾，仪器的功能删性i 能的实脱，除了必备的硬件系统之外，大多采用硬件软什化或软件代替硬件技 术，术完成复杂的控制、分析或处理等能力。因l 而从这个意义上讲，虚拟仪器 对软件也具依赖性： ( 2 ) 打破传统仪器小而全目各仪器资源不能共享的现状。可将传统仪器 的公_ = 部分如显示、存储、打印及微处理器控制管理等，都由汁算机来完成， 厄沦f 酣- f 功能的仪器鄙町刷用或共享这些公共资源，而无需霞复的设计； ( 3 ) 仃模块化、丌放性及互换性的特点和好的资源的复刚性，同时i t j 力便、经济地组建或重构自动测试系统。用户可根抛自己的需要选购不n ：u 功能 的卡式或模块化仪器，并可随测试任务的不同而灵活组合，提高仪器资源的可 用性： ( 4 ) 可自定义仪器功能。传统的仪器在出厂时，其功能已经确定，用，、 不能根拆：f i 已n 勺需求而随时进行修改，只能一机一用。而虚拟仪器则可借助通 刖数折：采集装管，通过编制不同的软件测试方案，可构造儿乎任意功能的仪 器，i 收“软件就是仪器”在这翠再次体现； 哈尔滨理t 人学丁学硕i ：学位论义 ( 5 ) 采刖虚拟仪器，硬件测试设备与计算机之日订的数掘“交流”将变得 1 乍常方便、直接弓迅速。对于普通的测试设备，一般所得到的测试数据需要测 试人次于1 ：实时纪录。如果数据量比较大，就将使得测试过程变得很冗长、很 复杂，不可避免引起测试误差。而且有的常用测试仪器，比如示波器，一般只 对被测对象作定性测试，有的示波器带有软盘驱动器，口j 以先将持数据仔入软 盘中，然后f 耳利用软盘与其它分析仪器“交流”数槲。如果采用虚拟仪器技 术，测试i 父衙所得到的测试结果将会实时、直接的通过计算机的总线，传输到 汁算：机的内仔或馁蕊，供以后分析使用。这样，一方而避免了数据的传输问 题；乃方| f i i ，可以充分的利用计算机的存储功能： ( 6 ) 根据。 ：程的实际需要，利用人员可以软件编程或采用现有分析软 件，实时、“拨地刘。测试数据进行各种分析处理，女l l 完成d f t ，f f t 运算、 p i d 控制、模糊逻辑控制、联合时频分析、数字信号处理、数学分析和数狮：库 u 父接、f l 1 f - 牝换等l ：作，从而刘。测控刈象进 】二进一步的控制： ( 7 ) 测墩输入信号特性( 如电压、频率、上升时i f l j 等) 只需一个量化的 数模块，要测景的信号特，t - t 能够被数掘处理器计算出来，这种将多种洲试基 于一体的方法缩短了测试时i 日j ，从而提高了测试速度； ( 8 ) 利用计算机强大的图形用户界面( g u i ) ，虚拟仪器司以用多种方式 艟j ：采集的数圳、分析的结果和控制过程，真正做到界面友好、人机交吒”。 1 3 本课题的主要研究内容 本课题的研究是以计算机为核心，在步进电机、传感器和数据采集卡等硬 件坫础 ：，采用l a b v i e w 做虚拟仪器丌发平台，设计出可准确测量用于高、 低j k 喷嘴性能参数采集、测定的综合测试仪器。 小研究j 三要内容包括以下几方面： 1 基于l a b v i e w 的工作台控制 ( 1 ) 彤究在l a b v i e w 丌发环境下通过n i 数据采集卡实现刘。步进电机的 控制； ( 2 ) 工作台自动控制程序设计； ( 3 ) 工作台归零位程序设计。 2 建立友好的人机界面，令多用途多功能的检测系统操作方便 3 利用a d 7 5 0 6 等芯片设计电路，实现虚拟通道的扩展 4 基于l a b v i e w 的数据采集技术 哈尔滨理t 人学t 学顾i j 学位论艾 ( 1 ) 研究数据采集技术并确立数据采集方案； ( 2 ) 在l a b v i e w 丌发环境结合数据采集卡分别实现对高压水喷觜以及低 压喷i 晰性能参数的数据采集、存储等功能的设计。 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 第2 章软硬件安装及配置 今天，已有大量的科技和工程人员对计算机进行总线扩展以便将其用于实 验室研究、工业控制、测试和测量，这些都要用到基于计算机的数据采集技术 ( p c b a s e dd a t aa c q u i s i t i o n ) ，再加上适当的软件，可以构成价格低廉、灵活 性较好的虚拟仪器测试系统0 。一个数据采集系统的基本任务就是测量和产生 现实世界的物理信号。 2 1 数据采集技术的基本概念 随着计算机的广泛应用和电子技术的高速发展，数字系统已经被广泛应用 于国民经济、国防建设与科学实验的各个领域，和模拟系统相比，数字系统由 精度高、稳定性好等优点，但数字系统只能处理离散的数字信号。外部世界各 种被检测量，如温度、压力、位移、角度等都是模拟信号，因此需要将这些模 拟信号转换为处理和存储的数字信号。 2 1 1 数据采集系统的组成 一个完整的数据采集系统由传感器( t r a n s d u c e r ) 、信号调理( s i g n a l c o n d i t i o n i n g ) 、采集硬件( d a qh a r d w a r e ) 、接口( i n t e r f a c e ) 、数据分析和处 理软件( s o f t w a r e ) 等几大部分组成n 引，如图2 1 所示。 外 界 l 采集硬件卜- _ 计分 接 算 析 口 机 软 l 数模转换 卜一 件 图2 1 数据采集系统组成的一般原理图 f i g 2 - lc o m m o ne l e m e n t so fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 1 传感器 传感器的作用是按一定规律将检测量转换为数据采集系统能够测量的电信 哈尔滨理丁大学t 学硕l j 学位论文 号。它所产生的f 乜信号与它所检测的物理量成比例地变化。亮相的传感器应 该能够将各种被榆测量转换为高输出电平的电量。能够提供零输出阻抗，噪声 极低，并具有良好的线性和重现性。 常川的传感器有热敏传感器、光敏传感器、力与压力传感器、位移、速度 以及j j l l 速度传感器等。 只有少数传感器可以将待测的信号直接转换为数字信号，火部分传感器输 m 的仍是电j j i 或电流等模拟信号。总体而占，数据采集系统接受的信号有：丌 关信手( s w i t c hs i g n a l ) 、数字信号( d i g i t a ls i g n a l ) 和模拟信号( a n a l o g s i g n a l ) 。 如果数据采集系统接受的是开关信号或数字信号，则可以直接进行处理， 但足，在绝大部分情况下，接受的都是模拟信号，因此都必须对通过传感器转 换后的信号进行调理，然后再进行模数转换。 2 信号调理 信号调理的作用是将传感器产生的低电平信号进行缓冲、放大、衰减、隔 离、滤波，以及线性化等，以获得a d c 所需的归一化信号，此外，它还须对 某些传感器提供电压或电流激励4 。 ( 1 ) 放大这是信号调理最基本的方式，由传感器产生的小信号必须经 过放大，以提i 苛分辨率，减少噪声。当被放大后的信号的最大动态电j | 氏范围i r 好等j ia d c 的动态电压范围时，才可达到最大的测量精度。在自动测试中， 一般嘤求放火器的增益是可程控的或可自动调节的，以保证输出的恒定。 ( 2 ) 隔离隔离是指使用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统与测 试系统之川传递信号，避免了直接的电流或物理连接。因为数据采集系统所监 测的设备由于被监控系统可能包含损害计算机的高压，足以损t 3 , - i ，t - 算机和数据 采集板，将传感器涮计算机隔离丌来，是系统安全得到了保证。需要隔离的另 外个理1 足保证插入式数据采集板的读数不致受到地电位或共态电压差异的 影响。数掘采集板卡每次输入采集信号时，都需要以“地”为基准，如果存两 “地”之i 日j 存在电位差，就可能导致地环路的产生，从而造成所采集的信号再 现不准确：如果这一电位差太大，则可能危及n 钡, j j 量系统的安全，利用隔离的 信号调理模块就可以消除地环路并保证准确的采集信号。 ( 3 ) 滤波滤波的目的是为了消除被测信号中的一些干扰信号。几乎所 仃f 向数捌采集系统都会不同程度的受到来自电源线或机械设备5 0 h z 噪音 二 扰，因此大部分信号调理模块都包含低通滤波器，最大限度地剔除5 0 h z 或 6 0 h z 的噪声。交流信号( 如振动) 则往往需要使用抗混叠滤波器( a n t i a l i a s i n g f i l t e r ) 。抗混叠滤波器也是一种低通滤波器，然而它具有非常陡峭的截止频 率，儿乎可以将频率高于数据采集板输入带宽的信号全部删去：如果不将这些 信弓除上，这些信号会错误地显示数据采集板输入带宽内的信号。 ( 4 ) 激励信号调理也需要为某些传感器提供电压或电流激励。例如： 应力传感器、热敏电阻和电阻式热探测器需要外部电压或电流激励信号，信号 调理模块通常为这类传感器提供这些信号。电阻式热探测器的测量是由一个电 流源将电i j h 的变化转变为测试电压来完成的。压力传感器是低内阻器件。它用 在只仃电流激励泺的惠斯顿( 单壁) 电桥结构中。s c x i 配有电压或电流的激 励源，可用在压力传感器、热敏电阻和电阻式热探测器上。 ( 5 ) 线性化这是信号调理的另一个功能。许多传感器对被测物理量的 相应都是f i r 线性的，故需要经过信弓调理，配合软件对信号进行线性化处理。 3 采集硬件 。 采集硬什将经过调理的信号进行取样保持( s n ) 和模数转换( a d c ) ，然 后数掘接f 送到数据总线上。 ( 1 ) 取样保持在对模拟信号进行模数转换时，要注意到，从启动采集到 变换结束的数字鼍输出，需要一定的时问，即a d c 孔径时i u j 的存存，会造成 较大的误萍。要防i 卜这种误差的产生，必须在a d c 转换刀：始时将信号i u 平保 持住，即对输入信号处于保持状态；而在转换结束后又能跟踪输入信号的变 化，即对输入信号处于采样状态，采样保持器在保持阶段相当于个“模拟信 号存储器”。 ( 2 ) 模数转换采集硬件的主要功能是将经过处理的连续变化的模拟信号 转换为数字信号，以送入计算机去处理。 ( 3 ) i o 接u经a d 之后的数字信号必须通过接口电路缓冲、寄存、转 换，爿能输入计算机。 4 软件 数据采集系统还必须包括驱动软件。驱动软件直接对采集硬件中的寄存器 进行操作，并管理对中断、d m a 、存储器等计算机资源的使用，它隐减了乐 底层的程控细节，提供了操作方便的人机界面。 h 前，美困n l 公司开发了l a b v i e w 和l a b w i n d o w s c v i 软件，即可对硬 件操作，义町提供良好的界面。它通过软件实现虚拟仪器面板，可丁i ：发出示波 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 器、动态信号分析仪、函数发生器及数据记录等仪器的虚拟仪器面板、虚拟仪 器工作台5 1 。 2 1 2 数据采集系统的结构形式 数据采集系统的结构形式有集中型、集散型和分散型三种n 引。 1 集中型数据采集系统 系统的全部工作，如选择通道、增益程控、采保控制、a d 转换、数据存 储、传输与处理、结果的显示、打印与控制等全过程，均由一台计算机集中控 制与管理。换句话说，集中型系统是一个单机系统，微型计算机( 或单片机) 为主模块，各种数据采集和信号调理模块一般为非智能化的从模块。集中型系 统结构简单、容易实现，价格低廉，能够满足中、小规模数据采集的要求，是 大量采用的一种结构形式。此外，它还可作为一个采集站或节点，加入集散型 或分散型系统中，构成一个更大的系统。 2 集散型数据采集系统 集散型数据采集系统由若干个“数据采集站 和一台上位机及通讯线路 ( 模块总线系统) 组成，采集站一般由单片机的数据采集装置组成，位于检测 点附近，可独立完成数据采集和预处理任务，还可将数据传输给上位机。上位 机一般为个人计算机，它集中管理了整个系统，将系统管理参数送给各采集 站，进行工作状态设置或接受各采集站送来的数据，集中显示、打印、存储、 分析与管理。数据通信为主从方式，采集站为智能化的从模块，上位机为主模 块，由它确定与哪一个采集站进行数据传送。系统总线通常采用串行传送总 线。由于集散式系统采用了分散采集和集中管理的模式，能适应大、中、小规 模的各种应用场合。由于各采集站为智能化的从模块，且其工作是独立的，某 个站出现故障不会造成系统崩溃，可靠性高。由于各个采集站之间的工作是全 并行的，所以系统响应的实时性好。 3 分散型数据采集系统 分散型数据采集系统是地域和功能均可高度分散的开放式系统，计算机网 络化测试技术是组建分散型的系统的关键技术，各数据采集系统对网络通信的 实时性、可靠性提出较高的要求。分散型数据采集系统的结构有各种现场总线 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 的局域网，采用t c p i p 协议的i n t e m e t 网和采用兰牙技术的无线网。 由以上讨论可知，集中型数据采集系统是基本型系统，由它组成集散型或 分散型数据采集系统。根据课题实际，本系统所采用的数据采集系统为集中型 数据采集系统。 2 1 3 数据采集系统的注意事项 当采用数据采集卡测量模拟信号时，必须考虑下列因素：输入模式( 单端 输入或者差分输入) 、分辨率、输入范围、采样速率，精度和噪声等。 单端输入以一个共同接地点为参考点。这种方式适用于输入信号为高电平 ( 大于一伏) ，信号源与采集端之间的距离较短( 小于1 5 英尺) ，并且所有输 入信号有一个公共接地端。如果不能满足上述条件，则需要使用差分输入。差 分输入方式下，每个输入可以有不同的接地参考点。并且，由于消除了共模噪 声的误差，所以差分输入的精度较高。但差分输入由于测量一路模拟量需要两 路模拟通道，所以只能利用数据采集卡一半数目的模拟通道。 输入范围是指a d c 能够量化处理的最大、最小输入电压值。d a q 卡提供了 可选择的输入范围，它与分辨率、增益等配合，以获得最佳的测量精度n 。 r 丑n 铲一0 v t o1 0 v r 丑l 呼= 1 0 v t o + 1 0 v 图2 - 2 采集信号的分辨率 f i g 2 - 2d i f f e r e n t i a t er a t i oo f c o l l e c t e ds i g n a l 分辨率是模数转换所使用的数字位数。分辨率越高，输入信号的细分程 度就越高，能够识别的信号变化量就越小。图2 2 表示的是一个正弦波信号， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 以及用三位模数转换所获得的数字结果。三位模数转换把输入范围细分为2 3 或者就8 份。二进制数从0 0 0 到1 11 分别代表每一份。显然，此时数字信号不 能很好地表示原始信号，因为分辨率不够高，许多变化在模数转换过程中丢 失了。然而，如果把分辨率增加为1 6 位，模数转换的细分数值就可以从8 增 加到2 1 6 即6 5 5 3 6 ，它就可以相当准确地表示原始信号。 增益表示输入信号被处理前放大或缩小的倍数。给信号设置一个增益值， 你就可以实际减小信号的输入范围，使模数转换能尽量地细分输入信号。例 如，当使用一个3 位模数转换，输入信号范围为0 到1 0 伏，图2 - 3 显示了给 图2 - 3 采集信号的增益效果图 f i g 2 3p l u se f f e c tc h a r t o fc o l l e c t e ds i g n a l 信号设置增益值的效果。当增益= 1 时，模数转换只能在5 伏范围内细分成4 份，而当增益= 2 时，就可以细分成8 份，精度大大地提高了。但是必须注意， 此时实际允许的输入信号范围为0 到5 伏。一旦超过5 伏，当乘以增益2 以 后，输入到模数转换的数值就会大于允许值1 0 伏所以增益的大小要根据实 际情况而定。 总之，输入范围，分辨率以及增益决定了输入信号可识别的最小模拟变化 量。此最小模拟变化量对应于数字量的最小位上的o ，1 变化，通常叫做转换 宽度( c o d ew i d t h ) 。其算式为：输入范围( 增益木2 分辨率) 。 例如，一个1 2 位的d a q 卡，输入范围为o 到1 0 伏，增益为1 ，则可检测 到2 4 m v 的电压变化。而当输入范围为一1 0 到1 0 伏( 2 0 伏) ，可检测的电压变 化量则为4 8 m y 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 采样率决定了模数变换的速率。采样率高，则在一定时间内采样点就 多，对信号的数字表达就越精确。采样率必须保证一定的数值，如果太低，则 精确度就很差。下面的图2 - 4 表示了采样率对精度的影响。 采样频率足够 采样频率不够引起波形畸变 图2 4 采