（机械电子工程专业论文）基于虚拟仪器的多通道压力监测系统的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学t 寺= 论文 摘要 随着微电子技术和计算机技术的发展，融合电子技术、测试技术和计算 机软、硬件技术于一体的虚拟仪器得到了迅速发展。本课题采用虚拟仪器技 术，结合某化工厂的生产需要，对多通道压力监测系统进行了研究，并完成 了系统的设计。 本文对虚拟仪器技术及软件技术进行研究，确定采用p c d a q 插卡式虚拟 仪器系统。系统采用中泰公司的p c i 一8 3 1 0 数据采集卡，并用图形化编程语言 l a b v i e w 编写调试系统程序。 系统的软件采用模块化设计方法，设计了系统的四大功能模块：数据采 集模块、分析处理模块、数据存储与回放模块，实现了信号的采集、处理、 实时存储与回放。并对系统开发过程中涉及到的数字采集及其处理技术、动 态连接库技术、数字信号处理技术、动态数据交换技术进行了研究。 论文还对基于t c p i p 的远程测控技术进行了研究，设计了基于虚拟仪器 的远程测控系统，完成了软件的设计和调试。 关键词：压力；监控；虚拟仪器；数据采集；t c p i p 哈尔滨 ：程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i ca n dc o m p u t e r , v i r t u a li n s t m m e n t ( v i ) b a s e do nn e wt e c h n o l o g yo fe l e c t r o n i c a n dt e s tt e c h n o l o g yh a sb e e n d e v e l o p e dq u i c k l y t h i ss u b j e c ta b s o r b st h et h e o r yo fv i r t u a li n s t r u m e n t ，u n i f i e s t h ep r o d u c t i o nn e e do fs o m ec h e m i c a lp l a n t ，h a ss t u d i e dt h em u l t i - c h a n n e l p r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m ，a n dh a sc o m p l e t e dt h es y s t e md e s i g n t h i st e x th a ss t u d i e dt h et e c h n o l o g yo ft h ev i r t u a li n s t r u m e n ta n ds o f t w a r e ， c o r t f i r mt h a ta d o p t sp c - d a qt oi n s e r tt h ec a r dt y p ev i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e m t h es y s t e ma d o p t st h ep c i 一8 31 0d a t ac o l l e c t i n gc a r do ft h es i n o t h a i ；o m p a n y , a n d a d o p t s t h e g r a p hp r o g r a m m i n gl a n g u a g e l a b v i e wc o m p i l a t i o na n d d e b u g g i n gs y s t e mp r o g r a m ， s y s t e ms o t w a r e u s e st h em o d u l a rd e s i g nm e t h o d ，h a sd e s i g n e df o u r f u n c t i o n sm o d u l eo ft h e s y s t e m ：t h ed a t ag a t h e r i n gm o d u l e ，a n a l y s i sa n d p r o c e s s i n gm o d u l e ，d a t es t o r a g ea n dr e t u r n sm o d u l e ，r e a l i z e ds i g n a lg a t h e r i n g ， p r o c e s s i n g ，t h er e a l - t i m em e m o r yw i t hr e t u r n s a n dh a sr e s e a r c h e dd i g i t a l g a t h e r i n g a n d p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , t h ed y n a m i cc o n n e c t i o n s t o r e h o u s e t e c h n o l o g y , t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , t h ed y n a m i cd a t ae x c h a n g e t e c h n o l o g yw h i c hi n v o l v e st ot h es y s t e md e v e l o p sp r o c e s s t h i st e x th a sa l s os t u d i e dl o n g d i s t a n c eo b s e r v a t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g y b a s e do nt h et c p i ed e s i g n e dl o n g - d i s t a n c eo b s e r v a t i o na n dc o n t r o ls y s t e mb a s e d o nt h ev i r t u a li n s t r u m e n ta n dc o m p l e t e dt h es o r w a r e d e s i g na n dt h ed e b u g g i n g k e yw o r d s ：p r e s s u r e ；m o n i t o r i n g ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；d a t aa c q u i s i t i o n ；t c p i f 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：至! l 兰 日期：jd 哆年肛月2 s 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 虚拟仪器系统概述 随着计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术的飞速发展，仪器技 术领域发生了巨大的变化。从最初的模拟仪器到现在的数字化仪器、嵌入式 系统仪器和智能仪器；新的测试理论、测试方法不断应用于实践；新的测试 领域随着学科门类的交叉发展而不断涌现；仪器结构也随着设计思想的更新 而不断发展。仪器技术领域的各种创新积累使现代测量仪器的性能发生了质 的飞跃，导致了仪器的概念和形式发生了突破性的变化，出现了种全新的 仪器概念一虚拟仪器“i 。 虚拟仪器把计算机技术、电子技术、传感器技术、信号处理技术、软件 技术结合起来，除继承传统仪器的己有功能外，还增加了许多传统仪器所不 能及的先进功能。虚拟仪器的最大特点是其灵活性，用户在使用过程中可以 根据需要添加或删除仪器功能，以满足各种需求和各种环境，并且能充分利 用计算机丰富的软硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、表达、传送以及 存储方面的限制。 1 1 1 虚拟仪器的概念 国外专家从不同角度描述了虚拟仪器，总的来说，虚拟仪器( v i r t u a l i n s t r u m e n t ) 是指通过应用程序将计算机与功能化模块硬件结合起来，用户可 以通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计 的仪器一样，从而完成对被测量的采集、分析、处理、显示、存储和打印。 虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制 面板，以多种形式表达输出检测结果：利用计算机强大的软件功能实现信号 的运算、分析和处理；利用 o 接口设备完成信号的采集与调理，从而完成 各种测试功能的计算机测试系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如 同使用一台专用测量仪器一样。因此，虚拟仪器的出现，使测量仪器与计算 机的界限模糊了。 哈尔滨工程入学硕士学位论文 虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两方面的含义 2 】。 ( 1 ) 虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器件”所 完成的功能是相同的：由各种开关、按钮、显示器等图标实现仪器电源的 “通”、“断”，实现被测信号的“输入通道”、“放大倍数”等参数的设置，以 及实现测量结果的“数值显示”、“波形显示”等。 传统仪器面板上的器件都是实物，而且是由手动和触摸进行操作的；虚 拟仪器前面板是外形与实物相像的“图标”，每个图标的“通”、“断”、“放大” 等动作通过用户操作计算机鼠标或键盘来完成。因此，设计虚拟仪器前面板 就是在前面板设计窗口中摆放所需的图标，然后对图标的属性进行设置。 ( 2 ) 虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的，虚拟 仪器是在以p c 机为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器功 能的。因为可以通过不同测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能，所 以在硬件平台确定后，就有“软件就是仪器”的说法。这也体现了测试技术 与计算机深层次的结合。 1 1 2 虚拟仪器的特点 虚拟仪器的突出优点是不仅可以利用p c 机组建成为灵活的虚拟仪器，更 重要的是它可以通过各种不同的接口总线，组建不同规模的自动测试系统。 它可以通过与不同的接口总线的通讯，将虚拟仪器、带总线接口的各种电子 仪器或各种插件单元调配并组建成为中小型甚至大型的自动测试系统。与传 统仪器相比，虚拟仪器有以下特点： ( 1 ) 传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示单元与操作元 件，易于导致许多识别与操作错误。而虚拟仪器可通过在几个分面板上的操 作来实现比较复杂的功能，这样在每个分面板上就实现了功能操作的单纯化 与面板布置的简捷化，从而提高操作的正确性与便捷性。同时，虚拟仪器面 板上的显示单元和操作元件的种类与形式不受“标准件”和“加工工艺”的 限制，它们由编程来实现，设计者可以根据用户的认知要求和操作要求，设 计仪器面板； ( 2 ) 在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的各种功能； ( 3 ) 仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定 义好的； ( 4 ) 仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，而不需购买新 的仪器； ( 5 ) 研制周期较传统仪器大为缩短； ( 6 ) 虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其它周边设 备互联。 决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于“虚拟仪 器的关键是软件”。表1 1 给出了虚拟仪器与传统仪器的比较。 表1 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器传统仪器 软件使得开发维护费用降低开发维护开销高 技术更新周期短( 1 2 年)技术更新周期长( 5 1 0 年) 关键是软件关键是硬件 价格低、可复用、可重配置性强 价格昂贵 用户定义仪器功能厂商定义仪器功能 开放、灵活可与计算机技术保持封闭、固定 同步发展 与网络及其他周边设备方便互功能单一、互联有限的独立设备 联的面向应用的仪器系统 1 1 3 虚拟仪器的分类 虚拟仪器的分类方法可以有很多种，但随着计算机技术的发展和采用总 线方式的不同，虚拟仪器可以分为以下五种类型口】。 ( 1 ) p c d a q 插卡式虚拟仪器 这种方式用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件，便可构成各种 数据采集和虚拟仪器系统。它充分利用了计算机的总线、机箱、电源以及软 件的便利，其关键在于a d 转换技术。这种方式受p c 机机箱、总线限制，存 在电源功率不足，机箱内噪声电平较高、无屏蔽，插槽数目不多、尺寸较小 哈尔滨工程大学硕士学位论文 等缺点。随着基于p c 的工业控制计算机技术的发展，p c d a q 方式存在的缺 点正在被克服。 因个人计算机数量非常庞大，插卡式仪器价格最便宜，因此其用途广泛， 特别适合于工业测控现场、各种实验室和教学部门使用。 ( 2 ) 并行口式虚拟仪器 最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，其硬件集成在一 个采集盒里或探头上，软件装在计算机上，可以完成各种v i 功能。它最大的 好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式p c 机相连，实 现台式和便携式两用，非常方便。由于其价格低廉、用途广泛，特别适合于 研发部门和各种教学实验室应用。 ( 3 ) g p i b 总线方式虚拟仪器 g p i b 技术是i e e e 4 8 8 标准的v i 早期的发展阶段。它的出现使电子测量 由独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展。典型的g p i b 系统由一台 p c 机，块g p i b 接口卡和若干台g p i b 仪器通过g p i b 电缆连接而成。在标 准情况下，一块g p i b 接口卡可带多达1 4 台的仪器，电缆长度可达2 0 m 。g p i b 技术可以用计算机实现对仪器的操作和控制，代替传统的人工操作方式，很 方便地把多台仪器组合起来，形成大的自动测试系统。g p i b 测试系统的结构 和命令简单，造价较低，主要市场在台式仪器市场，适于精确度要求高，但 对计算机速率要求和总线控制实时性要求不高的传输场合应用。 ( 4 ) v x i 总线方式虚拟仪器 v x i 总线是高速计算机总线v d e 在v i 领域的扩展，它具有稳定韵电源、 强有力的冷却能力和严格的r f i 酬i 屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、 数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用，还有众多仪器厂家支 持的优点，很快得到了广泛的应用。 经过多年的发展，v x i 系统的组建和使用越来越方便，有其他仪器无法 比拟的优势，适用于组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高 的场合，但v x i 总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。 ( 5 ) p x t 总线方式虚拟仪器 p x i 这种新型模块化仪器系统是在p c i 总线内核技术上增加了成熟的技 术规范和要求形成的，包括多板同步触发总线技术，增加了用于相邻模块的 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i l i l itlii_ 高速通讯的局部总线。并具有高度的可扩展性等优点，适用于大型高精度集 成系统。 因此，无论哪种虚拟仪器系统都是将硬件设备搭载到台式p c 机、工作站 或笔记本电脑等各种计算机平台上，加上应用软件而构成的，实现了基于计 算机的全数字化的采集测试分析。因此虚拟仪器的发展完全跟计算机的发展 同步，显示出虚拟仪器的灵活性。 1 1 4 虚拟仪器的组成 从功能上来说，虚拟仪器通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合 起来，完成对被测量的采集、分析、处理、显示、存储、打印等功能，因此， 与传统仪器一样，虚拟仪器同样划分为数据采集、数据分析处理、结果表达 三大功能模块。图1 1 为其内部功能框图嗍。虚拟仪器以透明的方式把计算 机资源和仪器硬件的测试能力结合起来，实现了仪器的功能。 图1 1 中，采集处理模块主要完成数据的调理采集；数据分析模块对数 据进行各种分析处理；结果表达模块则将采集到的数据和分析后的结果表达 出来。 倍号处理 数字滤波 统计 分析 采集处理数据分析 结果表达 图1 1 虚拟仪器的功能框图 虚拟仪器由通用仪器硬件平台( 简称硬件平台) 和应用软件两大部分构 成。其结构框图如图1 2 所示。 1 1 4 1 硬件平台 虚拟仪器的硬件平台由计算机和i 0 接口设备组成。 ( 1 ) 计算机是硬件平台的核心，一般为一台p c 机或者工作站。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 2 虚拟仪器结构框图 ( 2 ) 1 o 接口设备主要完成被测输入信号的放大、调理、模数转换、数 据采集。可根据实际情况采用不同的i o 接口硬件设备，如数据采集卡( d a q ) 、 g p i b 总线仪器、v x i 总线仪器、串口仪器等。虚拟仪器构成方式有五种类型， 如图1 3 所示。无论哪种v i 系统，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算 机相结合。 r 圆1 b 陌网一 f i - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 i 圈一卜匝巫困叫一圆 卜匾叫 l 叵i 豳一 图1 3 虚拟仪器构成方式 1 1 4 2 软件平台 虚拟仪器软件将可选硬件( 如d a q 、g p i b 、r s 2 3 2 、y x i 、p x i ) 和可以重 复使用源码库函数的软件结合起来，实现模块间的通信、定时与触发，源码 库函数为用户构造自己的虚拟仪器系统提供了基本的软件模块。当用户的测 6 甲圈 哈尔滨工程大学硕士学位论文 试要求变化时，可以方便的由用户自己来增减软件模块，或重新配置现有系 统以满足其测试要求。 虚拟仪器软件包括应用程序和i 0 接口设备驱动程序。 ( 1 ) 应用程序。它包含两个方面的程序： 实现虚拟仪器前面板功能的软件程序，即测试管理层。是用户与仪器 之间交流信息的纽带。虚拟仪器在工作时利用软面板去控制系统。与传统仪 器前面板相比，虚拟仪器软面板的最大特点就是软面板由用户自己定义。因 此，不同用户可以根据自己的需要组成灵活多样的虚拟仪器控制面板。 定义测试功能的流程图软件程序，利用计算机强大的计算能力和虚拟 仪器开发软件功能强大的函数库，极大提高了虚拟仪器的数据分析处理能力。 如h p v e e 可提供2 0 0 种以上的数学运算和分析功能，从基本的数学运算到微 积分、数字信号处理和回归分析。l a b v i e w 的内置分析能力能对采集到的信 号进行平滑、数字滤波、频域转换等分析处理。 ( 2 ) i 0 接口设备驱动程序。用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与 通信。 1 1 5 虚拟仪器的发展现状 虚拟仪器( v i ) 的概念，是美国国家仪器公司( n i ) 于1 9 8 6 年提出的。2 0 世纪8 0 年代以来n i 公司研制和推出了许多总线系统的虚拟仪器，成为这类 新型仪器世界第一生产大户。此后，美国的惠普( ( h p ) 公司，t e k t r o n i x 公司， r a c a l 公司等也相继推出了许多此类仪器，并在短短的1 0 余年便占有了世界 仪器市场的1 0 左右，目前，虚拟仪器在发达国家已经十分普及。在美国虚 拟仪器系统及其图形编程语言，已作为各大学理工科学生的- - i 3 必修课程。 据“世界仪表及自动化”杂志预测，2 1 世纪初，世界虚拟仪器的生产厂家将 超过千家，其品种将达到数千种，市场占有率将达到5 0 左右 4 1 。虚拟仪器将 成为下一世纪仪器发展的方向，并且有逐步取代传统硬件化电子仪器的趋势。 近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件， 以便使用者利用这些仪器公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测 试系统，并编制测试软件。其中最早和最具影响力的是n i 公司的l a b v i e w 哈尔滨工程大学硕士学位论文 和l a b w i n d o w s c v i 开发软件。l a b v i e w 采用图形化编程方案，是非常实用的 开发软件。l a b w i n d o w s c v i 是为熟悉c 语言的丌发人员准备的、使用w i n d o w s 环境下的标准a n s i c 开发环境。除了上述的开发软件之外，美国h p 公司的 h p v e e 和h p t i g 平台软件，美国t e k t r o n i x 公司的e z t e s t 和t e k t n s 软件， 以及美国h e m d a t a 公司的s n a p - m a s t e r 平台软件，也是国际上公认的优秀虚 拟仪器开发平台软件。 作为仪器领域中最新兴的技术，虚拟仪器的开发和研究在国内尚属起步 阶段。从9 0 年代中期以来，国内的清华大学、重庆大学、西安交太以及东方 震动和噪声技术研究所等高校和公司，在研究和开发虚拟仪器产品和虚拟仪 器设计平台以及消化吸收n i 等产品方面作了大量工作，其成果己在汽车发动 机检测、自动计量控制系统等方面得到应用。其中，比较显著的是重庆大学 测试中心所研究的虚拟仪器，其产品包括示波器、f f t 分析仪、噪声测试分 析仪、多通道数据采集器等2 0 多个品种，并且可根据客户需求进行个性化设 计。这些虚拟仪器在中国计量科学研究院的测试结果表明，其产品性能完全 达到同类硬件仪器的技术指标。重庆大学进行的开发工作与国外的n i 公司在 技术路线上最大的区别是：直接提供仪器本身，而不需要操作人员有较高的计 算机软硬件知识，因此可广泛使用于教育、科研、工业生产等领域。 在国内，部分院校的实验室也引入了虚拟仪器系统，其中包括上海复旦 大学、上海交通大学、华中科技大学、四川联合大学等。近年来这些学校在 原有的基础上，又开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。其中华中 科技大学机械学院所开发出的i n v e n t o r 可重构虚拟实验台，深圳蓝津信息技 术有限公司开发出的d r v i 快速可重组虚拟仪器平台，都可广泛用于实验室、 工程测控等场合。另外，上海仪器仪表研究所承担了上海市科委下达的虚拟 仪器科技攻关项目，该项目在w i n d o w s 9 5 9 8 平台上创建了七十余种的仪器控 件，并应用这些控件组建了虚拟仪器面板，充分体现了虚拟仪器的优越性。 浙江大学仪器系在“九五”期间也开发了中文v p p ( 可视化平台) ，为实现仪 器编程提供了便捷的途径。此外，国内己有几家企业在研制虚拟仪器，哈工 大仪器王电子有限责任公司的产品已达到一定的批量。国内专家预测未来的 几年内我国将有5 0 的仪器为虚拟仪器，国内将有大批企业使用虚拟仪器系 统对生产设备的运行状况进行实时监测。随着微型计算机的发展，虚拟仪器 哈尔滨： ：程大学硕士学位论文 将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。 1 1 6 虚拟仪器的发展方向 随着计算机、通信、微电子技术的日益完善，以及以i n t e r n e t 为代表的 计算机网络时代的到来和信息化要求的不断提高，传统的通讯方式突破了时 空限制和地域限制，大范围的通信变得越来越容易，对测控系统的组建也产 生了越来越大的影响。一个大的复杂测试系统的输入、输出、结果分析往往 分布在不同的地理位置，仅用一台计算机并不能胜任测试任务，需要由分布 在不同地理位置的若干计算机共同完成整个测试任务。集成测试越来越不能 满足复杂测试任务的需要，因此，“网络化仪器”的出现成为必然。 网络技术应用到虚拟仪器领域中是虚拟仪器发展的大趋势。在国内网络 化虚拟仪器的概念目前还没有一个比较明确的提法，也没有一个被测量界广 泛接受的定义f 4 】，其一般特征是将虚拟仪器、外部设备、被测点以及数据库 等资源纳入网络，实现资源共享，共同完成测试任务，也适合异地或远程控 制、数据采集、故障监测、报警等。使用网络化虚拟仪器，可在任何地点、 任意时刻获取测量数据，就像今日的i n t e r n e t ，我们几乎可以去访问世界上 任何个对外开放的网站。 和以p c 为核心的虚拟仪器相比，网络化将对虚拟仪器的发展产生一次革 命，网络化虚拟仪器将把单台虚拟仪器实现的三大功能( 数据采集、数据分析 及图形化显示) 分开处理，分别使用独立的基本硬件模块实现传统仪器的三大 功能，以网线相连接，实现信息资源的共享。“网络就是仪器”概念的确立， 使人们明确了今后仪器仪表的研发战略，促进并加速了现代测量技术手段的 发展与更新。 1 2 虚拟仪器软件开发环境 应用软件开发环境是设计虚拟仪器所必需的软件工具。应用软件开发环 境的选择，以开发人员的喜好不同而不同，但最终都必须提供给用户一个界 面友好、功能强大的应用程序。 软件在虚拟仪器中处于重要的地位，它肩负着对数据进行分析处理的任 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 务，如数字滤波、频谱变换等。在很大程度上，虚拟仪器能否成功的运行， 就取决于软件。因此，美国n i 公司提出了“软件就是仪器”的口号【3 】。 通常在编制虚拟仪器软件时，有两种方法。一种是传统的编程方法，采 用高级语言，如v c 十+ 、v b ，d e l p h i 等；另一种是采用流行的图形化编程方法， 如采用n l 公司的l a b v i e w ，l a b w i n d o w s c v l 软件，h p 公司的v e e 等软件进 行编程。使用图形化软件编程的优势是软件开发周期短，编程容易，特别适 用于不具有专业编程水平的工程技术人员。 虚拟仪器系统的软件主要包括仪器驱动程序、应用程序和软面板程序。 仪器驱动程序主要用来初始化虚拟仪器，设定特定的参数和工作方式，使虚 拟仪器保持正常的工作状态。应用程序主要对采集来的数据信号进行分析处 理，用户可以通过编制应用程序来定义虚拟仪器的功能。软面板程序用来提 供用户与虚拟仪器的接口，它可以在计算机屏幕上生成一个和传统仪器面板 相似的图形界面，用于显示测量和处理的结果，另方面，用户也可以通过 控制软面板上的开关和按钮，模拟传统仪器的操作，通过键盘和鼠标，实现 对虚拟仪器系统的控制。 1 2 1l a b v i e w 的使用 l a b v i e w 作为目前国际上唯一的编译型图形化编程语言，把复杂、繁琐、 费时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能( 图形) ，并用线条 把各种功能连接起来的简单图形编程方式。l a b v i e w 中编写的框图程序，很 接近程序流程图，因此，只要把程序流程图画好了，程序也就差不多编好了。 l a b v i e w 中的程序查错不需要先编译，若存在语法错误，l a b v i e w 会马上 告诉用户。只要用鼠标轻轻点两三下，用户就可以快速的查到错误的类型、 原因以及错误的准确位置，这个特性在程序较大的情况下特别方便。 l a b v i e w 中的程序调试方法同样令人称道。程序测试的数据探针工具最 具典型性。用户可以在程序调试运行的时候，在程序的任意位置插入任意多 的数据探针，检查任意一个中间结果。增加或取消一个数据探针，只需要轻 轻点两下鼠标就行了。 同传统的编程语言相比，采用l a b v i e w 图形编程方式可以节省大约8 0 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的程序开发时间，并且其运行速度几乎不受影响。 除了具备其它语言所提供的常规函数功能外，l a b v i e w 中还集成了大量 的生成图形界面的模板、丰富实用的数值分析、数字信号处理功能，以及多 种硬件设备驱动功能( 包括r s 2 3 2 ，g p i b 。v x l 、数据采集板卡、网络等) 。另 外，免费提供的几十家仪器厂商的数百种源码仪器级驱动程序，可为用户开 发仪器控制系统节省大量的编程时间i s “n 。 1 2 2l a b w i n d o w s o v i 的使用 l a b w i n d o w s c v i 是基于a n s i c 的、交互式c 语言集成开发平台嘲。最新 版本的l a b w i n d o w s c v i7 0 具有以下主要特点： ( 1 ) 基于a n s i c ，不用学复杂的c 十+ 即可实现w i n d o w s9 8 n t 下的编程； ( 2 ) 同标准c c + + 兼容，可实现3 2 位用户库、目标模块、d l l 的相互调用； ( 3 ) 可直接生成3 2 位d l l ，生成的d l l 也可被l a b v i e w 宣接调用； ( 4 ) 提供各种灵巧方便的界面生成、编程、调试工具，使得编程、调试轻 松自如； ( 5 ) 提供丰富的数值分析、数字信号处理函数库； ( 6 ) 提供g p i b ，v x i ，r s 2 3 2 、数据采集板卡以及网络连接功能： ( 7 ) 可免费获得数百种源码组g p i b ，v x l ，r s 2 3 2 仪器驱动程序。 1 2 3 其它 对于喜欢用v i s u mb a s i c 编程的用户，可以选用n i 公司的一种软件工 具c o m p o n e n tw o r k s 。它可以直接加载在v b 环境中，配合v b 成为强大的虚 拟仪器开发平台。 对于拥有w i n d o w s 编程基础而且熟悉v b ，v c + + 的用户，也可以采用传统 编程方式编写自己的虚拟仪器应用程序。现在越来越多的人采用v b ，v c + + 混 合编程：用v b 快速开发出美观的界面( 软面板) 以及外围的处理程序，再用 v c 编写底层的各种操作，如数据采集及处理、仪器驱动程序、内存操作、i o 端口操作等i b 】。还可以在v c + + 中嵌入汇编语言以进行更底层的操作，以提高 程序执行速度，满足高速、实时性的要求。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 本文主要研究背景与内容 1 3 1 研究背景意义 我们正处于一个正在高速发展的社会，要在有限的时空内实现大量的信 息交换，随之而来的是信息密度急剧增大，因而在研究和生产过程中要求测 试系统对信息的处理速度越来越高，功能越来越强。例如，为完成某项测试 或维修服务，通常需要许多的仪器，如：示波器、数字万用表、频谱分析仪、 电压表等。这么多的仪器不仅价格昂贵、体积大、占用空间、而且面对不同 厂家生产的设备，需要学习不同设备的使用方法。另外，仪器互联也十分繁 琐，而其使用效率及利用率往往都较低，硬件也存在较大的冗余。在先进的 测控系统中，不仅希望设备能够单独进行测试，还希望他们之间能够互相通 信，构成测试系统，甚至是测试网络系统，实现信息共享，以便对众多的被 测信号进行对比、综合和自动分析、从而得出准确的判断。这是给测试设备 提出的新要求，然而传统的测试仪器在此方面受到很大的限制。 基于虚拟仪器技术的测试系统的提出在一定程度上解决了传统测试系统 所面临的问题，虚拟仪器测试系统成为当今测试系统发展的重要方向。本文 正是在虚拟仪器技术的基础上对多通道压力监测系统进行了设计，该监测系 统是华尔化工厂的车间压力监测系统，共分为四个车间，对输出的8 路电压 信号进行监测，并对实验数据进行实时显示、记录、分析处理。 本监测系统的原理如下：通过压力传感器可将8 路气体的气压值( 范围 为o - 2 5 m p a ) ，通过压力变通器转换为对应的电流信号( 4 - 2 0m h ) ，由于在实 际的电路系统中，不可避免的存在各种各样的干扰信号，将导致测量、控制 准确性降低，产生误动作，因此系统通过光电隔离模块转换成电压信号 ( 0 一i o v ) ，这样能有效地破坏干扰源的进入，可靠的实现信号隔离，提高系 统的抗干扰能力，最后电压信号经过数据采集系统变为计算机可识别的数字 信号，进入本课题设计的多通道压力监测系统显示压力数据。在实际应用中 为保证安全生产，每路气体压力都有各自的开口阀，当气压值在0 到1 5 m p a 之间时，阀不动显示值为0 ；当气压值大于1 5 m p a 而小于2 5 m p a 时，阀就逐 渐关闭使压力降低，同时当电压值超过2 0 m p a 时，就要发出警报，以保证生 哈尔滨工程大学硕士学位论文 产安全。这些功能都在编制的程序中有所体现。 1 3 2 主要研究内容 本课题设计的多通道压力监测系统，可以与计算机连接成为一套虚拟仪 器系统对实验数据进行实时显示、存储与回放，而且可实现基于t c p i p 技术 的远程测量和监控。具体工作内容如下： ( 1 ) 选择系统的软、硬件平台，确定采用p c d a q 插卡式虚拟仪器系统结构。 采用中泰公司的p c i 一8 3 1 0 数据采集卡，并用图形化编程语言l a b v i e w 编写调 试系统程序。介绍数据采集卡的配置及基于l a b v i e w 的虚拟仪器设计方法。确 定信号的输入方式；a d 量程的选择；转换码制的选择等，并据此选择跨接器 的使用方法，并对其中用到的数据采集、信号分类、信号的连接方式等理论 和方法作详细阐述。 ( 2 ) 对系统开发过程中涉及到的数字采集及其处理技术、动态连接库技 术、数字信号处理技术、动态数据交换技术进行研究，并根据设计要求及以 上技术，采用模块化设计方法，对系统的四大功能模块：数据采集模块、分 析处理模块、数据存储与回放模块进行设计编程及调试。 ( 3 ) 对基于t c p i p 的远程测控技术进行了研究，设计基于虚拟仪器的远 程测控系统，完成了软件的设计和调试。具体分为两步：第一步进行基于 d a t a s o c k e t 技术的网络通信程序的编写，实现测试数据的实时发布；第二步 在l a b v i e w 环境中操作r e m o t e p a n e l ，实现直接操作位于远程计算机上的v i 前面板的功能。 ( 4 ) 对系统进行仿真和实验研究，对实验结果进行分析，进一步完善系统， 提高系统的精度和可靠性。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i 宣肓i i i 宣i i 瞄冒m i tr 葺葺j 膏毒i 鼍_ 第2 章多通道压力监测系统的结构 2 1 系统硬件平台的选择 虚拟仪器的硬件平台由计算机和i o 接口设备两部分组成。i o 接口设 备的驱动是虚拟仪器实现对真实物理信号采集的基础。当设备正常进行驱动 后，由软件进行数据的采集和分析处理，进而实现特定的测量功能。i o 接 口设备的驱动是虚拟仪器系统的重要环节。根据i o 接口设备总线形式的不 同，虚拟仪器的构成方式主要有五种pj o j ：p c d a o p c i 插卡式虚拟仪器系统、 v x i 总线虚拟仪器系统、串口总线虚拟仪器系统和p x i 总线虚拟仪器测试系 统。其中p c d a o p c i 插卡式虚拟仪器系统是虚拟仪器最基本最廉价的构成形 式。它充分利用了p c 计算机的机箱、总线、电源及软件资源，并且因个人计 算机数量非常庞大，插卡式仪器价格最便宜，因此其用途广泛，特别适合于 工业测控现场、各种实验室和教学部门使用。 p c - d a o p c i 插卡式虚拟仪器系统的硬件构成如图2 1 所示，包括四部分： 圈 图2 1 硬件系统构成图 ( 1 ) 传感器单元。将被测量的物理、化学或生物量转换成电压或电流信号， 送给信号调理模块处理。 ( 2 ) 信号调理模块。将输入的电压信号放大、滤波后转换成适合数据采集 模块采集的信号，并送入数据采集模块 i l l 。 ( 3 ) 数据采集模块。对输入的经调理过的信号进行a d 转换，并送入计算 机进行处理。 ( 4 ) 计算机处理系统。管理应用程序与用户的交互，对输入数据进行分析、 计算、显示、存储等。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 数据采集技术 2 2 1 采样定理 将连续模拟信号转换成计算机接收的离散的数字信号，须经过两个基本 环节：首先是采样，由连续的模拟信号变成离散模拟信号，然后再通过模数 转换为数字信号。 ( 1 ) 采样过程f 1 2 1 采样过程如图2 2 所示。采样开关每隔t 。短暂闭合一次，接通连续函数 x ( t ) ，实现一次采样，设每次开关闭合时间为f ，则采样器的输出为脉宽f 、 周期为t 。脉冲序列。该组脉冲序列的幅度被后来的连续时间信号所调制( 即 每一脉冲信号的幅值等于该脉冲所在时刻的相应的连续时间信号的幅度) ，称 该信号为采样信号，记为f ( f ) ，可表示为 x f f ) = x ( t ) s ( t )( 2 - 1 ) 式中，s ( t ) 是周期为t 。、脉冲宽度为f 、幅值为l 的采样脉冲序列，s ( t ) 及z ( f ) 的图形表示如图2 3 ( a ) ，( b ) 所示。 竺乡竺 ( a ) 图2 2 采样过程示意图 因脉冲宽度r 远小于采样周期t 。， 6 ，( t ) 来描述，6 ，( t ) 可表示为 图2 3 采样过程 可以认为f 一0 ，用单位脉冲序列函数 屏p ) = j p 一疗正) ( 2 2 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式中，占( f n t a 为r = ”l 处的单位脉冲，如图2 4 所示。 图2 4 单位脉冲序列 因此采样信号为 x o ) = x o ) 辱仃) = x ( f ) 一疗t ) = x ( n t 。) a q n t a ( 2 3 ) ”= ( 2 ) 采样定理 设信号采样周期为r ，采样频率为f = l t ，。为确保采样后的离散信号能 恢复原来的连续信号，采样频率必须大于或等于信号最高频率的两倍，否则 将出现信号严重的畸变，此即采样定理，也称奈奎斯特定理。反过来说，如 果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做奈 奎斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率 的成分，信号将在直流和奈奎斯特频率之间畸变，称为混叠。 ( 3 ) 采样频率的选取 数字信号j 乙只是模拟信号兄一个特定时刻取值的转换结果。我们用 j 0 ) 描述五的一序列离散采样值。采样定理已经指出，如果信号本身的频 带是有限的，而采样频率有大于等于两倍信号所包含的最高频率，则在理论 上是可以根据其离散采样值完全恢复出原始信号。这相当于在信号最高频率 时，每一个周期至少提取两个采样值。实际上，为保证信号质量，选用的采 样频率经常大于采样定理所指出的最小的采样频率，而选用信号的最高频率 的3 倍到4 倍。工程上有时候取到1 0 倍。有时为了较好地还原波形，甚至更 高一些，但也不是采样频率越高越好，因为长时间的很高频率的采样可能会 导致没有足够的内存或者硬盘存储速度慢。 如果采样频率不够高，将会产生“混叠”现象。出现的混频偏差是输入 信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。图2 5 显示了不同采样 哈承滨_ t i 程大学硕士学位论文 率的采样结果。 足眵呆样率下的罘样结呆 顺触么v 删 过低采样率f 的j p | 芊结景 图2 5 不同采样率的采样结果 为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集( a d ) 之前，先使用截止频 率为采样频率0 5 倍的低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分 滤去，这个滤波器称为抗混叠滤波器。 2 2 2 信号类型和对应采集卡的要求 数据采集前，必须对所采集的信号的特性有所了解，因为不同信号的测 量方式和对采集系统的要求是不同的，只有了解被测信号，才能选择合适的 测量方式和数据采集系统配置。 任意一个信号是随时间而改变的物理量。一般情况下，信号所运载信息 是很广泛的，比如：状态( s t a t e ) 、速率( r a t e ) 、电平( 1 e v e l ) 、形状( s h a p e ) 、 频率成分( f r e q u e n c yc o n t e n t ) 。根据信号运载信息方式的不问，可以将信号 分为模拟和数字信号，如图2 6 和图2 7 所示。数字( 二进制) 信号分为开关 信号和脉冲信号，分别对应着状态信息和比率信息函数。模拟信号可分为直 流、时域、频域信号，分别对应着电平( 幅值) 信息、形状信息和频率信息 函数m j 。 本系统中被测量的信号类型都是模拟信号，对于模拟信号的采集，一个 重要的问题是采样率的选取，如前所述。 r 一数字量 信号- i l 模拟量 模 拟 信 号 数 字 信 号 图2 6 信号的分类 n = = 二= f 生：量皇! f 开关信号 输a ： 信息 状态 速率 匹画 脉冲队列 输a ： 检测一个开关的打开闭合读出编码器的输出信号 输出： 输出： 打开关闭一个阀门 产生一个方渡 巫匿匦亟 驱动能力 时钟频率 通道数 d c 稽度 坌糍妻 分辨辜 墨登颏率丞祥额率 赞霪 藉崖 触发 艇笈 图2 7 信号与对应采集卡 8 禽 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 3 数据采集的基本概念 ( 1 ) 采样率m i ：对于数据采集设备来讲采样率就是进行a 0 转换的速率， 不同的设备具有不同的采样率，进行测试系统设计时应该根据测试信号的类 型选择合适的采样率，盲目提高采样率，会增加测试系统的成本。 ( 2 ) 分辨率：分辨率是数据采集设备的精度指标，用模数转换器的数字位 数来表示。如果把数据采集设备的分辨率看作尺子上的刻线，同样长度的尺 子越多，测量就越精确。同样的，数据采集设备模数转换的位数越多，把模 数信号划分的就越细，可以检测到的信号变化量也就越小。例如，三位转换 把模拟电压范围分成2 3 段，每段用二进制代码在0 0 0 到1 1 1 之间表示。因而， 数字信号并不能真实地反映原始信号，因为一部分信息被漏掉了。如果增加 到1 6 位，代码数从8 增加到6 5 5 3 5 ，这样就可以较精确地反映原始信号的数 字信息。 目前工程上常用的数据采集卡分辨率最低为1 2 位，可以满足一般的应用 要求，对于有较高要求的场合，可以使用1 6 位或2 4 位的数据采集卡。本系 统采用的数据采集卡分辨率为1 2 位。 ( 3 ) 通道：通道一般分为物理通道和虚拟通道两种。物理通道是测试和产 生模拟或数字信号的端子，每个通道可以包含多个端子，例如，每个数字通 道可以包含8 个端子( 8 根数字线) 。每个物理通道都有一个唯一的名称，这 个名称通常根基d a q 的命名原则来命名( 例如d e v a