（测试计量技术及仪器专业论文）在labwindowscvi环境下开发基于虚拟仪器技术的引控数据采集系统.pdf

型一型苎堑丝竺!在l a b w i n d o w s c v i 环境下开发基于虚拟仪器技术的引控数据采集系统测试计量技术及仪器专业研究生程刚指导教师谢驰论文针对引控数据采集系统的多路信号采集与监控进行了研究，提出了在l a b w i n d o w s c v i 环境下开发基于虚拟仪器技术的引控数据采集系统。该系统主要包括三个部分：第一部分是外部总线以及对高频信号的采集与处理，它主要解决了系统与外部测试仪器的通讯，借助示波器实现了高频信号的采集；第二部分是p c d a q 数据采集设计，这部分完成对九路低频信号的采集。它主要解决了连续数据采集，数据流存盘与多任务处理等问题；第三部分是实时监测十二个继电器的工作状态，该部分实现了系统工作过程中加电时序的监测，对系统联试过程中出现异常状况提醒操作人员即时断电起重要作用。引控数据采集系统设计采用硬件功能化、模块化、插卡化以减少装置和设譬数量。硬件尽量选择了标准设备，以易维修性、生产性。软件按层次化、模块化设计，层次化设计的主要目的是隔离硬件和应用程序，以支持未来不可避免的硬件升级。同时采取多线程编程技术，实现多任务同时执行，使系统构成灵活，故障定位准确、便于维修。论文前两章简述了系统的开发背景和虚拟仪器技术。第三章对如何在l a b w i n d o w s c v i 环境下开发基于虚拟仪器技术的引控数据采集系统的设计思想、系统原理、系统结构以及系统组成作了详细的阐述，并对系统的不确定度进行了分析。第四章阐述了g p i b 总线接口的数据采集设计。在本系统中它完成对高频信号的数据采集。一个完整的基于g p i b 总线接口系统主要由带g p i b 接口的测试设备、g p i b 卡以及电缆和计算机组成。在本章中介绍了基于g p i b 接口总线的特点，着重说明了g p i b 总线接口系统的原理和方法并给出了源代码。第五章对p c d a q 的数据采集设计作了详细的阐述。在信号处理、信号接地与测量、数据采集原则、防止伪信息以及多通道数据采集等方面进行了理论分析；解决了连续的数据采集、数据流存盘、用多线程方法同时执行多任务、数字滤波、历史数据的查询和波形显示等技术难题。同时给出了较详尽的设计过程。本章还对用p c l - 7 3 0 数字i o 卡监测十二个继电器的原理方法进行了研究，并给出了自检程序界面。第六章详细说明了引控数据采集系统软件的设计过程，给出了各个程序模块设计界面，对数据采集的相关问题作了较为详细的说明。第七章介绍了测试系统受到交直流噪声干扰后常见的故障，并给出了抑制噪声的措施。最后两章介绍了系统试验结果，并对测试系统的未来发展作了展望。基于虚拟仪器技术的引控数据采集系统已投入使用，经过环境试验、运输试验、系统联试试验，证明该系统测试准确、稳定可靠、抗干扰能力较强。该测试系统所需设备少，自动化程度高，它改变了原来测试系统中各台仪器独立使用、手动操作、人工记录数据、自动化程度较低的状态。引控数据采集系统的开发成功为今后测试系统的发展打下了坚实的基础。) 7关键词：引控系统虚拟仪器g p i b 总线数据采集婴型盔堂堡主兰垡堡苎a b s t r a c tt h et h e s i ss t u d i e sam u l t i s i g n a l sd a t aa c q u i s i t i o n ，s u p e r v i s o r ya n dc o n t r o ls y s t e m i nl a b w i n d o w s c v i ，aa p p r o a c hc o n t r o ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n ti sd e v e l o p e d t h es y s t e mi n c l u d e st h r e ep a r t s ：( 1 ) ，e x t e r i o rb u sa n dh i g hf r e q u e n c ys i g n a ld a t aa c q u i s i t i o na n ds i g n a lp r o c e s s i n g ；( 2 ) ，p c d a qd a t aa c q u i s i t i o n i ts o l v e ss o m ep r o b l e m sa b o u tc o n t i n u i n gd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t as t r e a ms t o r a g ea n dm u l t i t a s k sd i s p o s a l ；( 3 ) ，r e a l t i m em o n i t o rw o r k - s t a t eo ft w e l v er e l a y s t h i st h e s i se x p o u n d st h es y s t e mp r i n c i p l e ，s t r u c t u r ea n df o r m i ti n t r o d u c e st h a th i g h f r e q u e n c yd a t aa c q u i s i t i o nm e t h o db a s e so nt h ec o n l m o ng p i bb u s t od a t aa c q u i s i t i o nb a s e do np c d a q ，i tm a k e st h e o r e t i c a la n a l y s i si ns i g n a l p r o c e s s i n g 、g r o u n d e ds i g n a ls o u r c ea n dm e a s u r e m e n t ，d a t aa c q u i s i t i o np r i n c i p l e ，a v o i d i n gp s e u d o s i g n a la n dm u l t id a t aa c q u i s i t i o ne t c i ta l s os o l v e st e c h n i c a ld i f f i c u l tp r o b l e m sa b o u tc o n t i n u i n gd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t as t r e a ms t o r a g e ，m u l t i t h r e a d ，d i g i t a lf i l t e r ，q u e r yd a t aa n dw a v e f o r md i s p l a ye t c i na d d i t i o n ，i ts t u d i e sas u p e r v i s o r ym e t h o do nm o n i t o r i n gw o r k s t a t eo ft w e l v er e l a y s a p p r o a c hc o n t r o ld a t aa c q u i s i t i o na n dm o n i t o r i n gs y s t e mw h i c hi sp r o v e db ye n v i r o n m e n t a le x p e r i m e n t ，t r a n s p o r t a t i o ne x p e r i m e n t ，s y s t e mt e s t ，i ti st e s tn i c e t y ，s t e a d yr e l i a b i l i t y ，a n t i - j a m m i n g i tc h a n g e st h ep a s tm e a s u r e m e n ts y s t e mw i t hi n s t r u m e n ti n d e p e n d e n t ，h a n d o p e r a t i o n ，h a n dr e c o r dd a t a ，l o wa u t o m a t i z a t i o no p e r a t i o ni n t om e a s u r e m e n ts y s t e mw i t hf e wi n s t r u m e n t ，h i i g ha u t o m a t i z a t i o n k e yw o r d s ：a p p r o a c hc o n t r o ls y s t e mv i r t u a li n s t r u m e n tg p i bb u sd a t aa c q u i s i t i o n在l a b w i n d o w s c v l 环境下开发基于虚拟仪器技术的引控数据采集系统1 绪论1 1 引言随着微电子技术、计算机技术和网络技术的迅速发展及其在电工电子测量技术方面的应用，测量仪器不断发展，依次出现了数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器，同时也由单台仪器逐步发展到叠加式仪器系统、虚拟仪器系统等。由于传统仪器的三大功能块，即数据的采集与控制、数据的分析与处理、和结果的输出与显示，均以硬件形式存在，开发、维护的费用高，技术更新周期长。即便是现在出现的数字化仪器、智能仪器，使传统仪器的准确度提高、功能增强，仍未改变传统仪器那种独立使用、手动操作、任务单一的模式。为此，人们研制出多种通信接口，用于将多台智能仪器连在一起，构成功能更强、适应面更广的测试系统，但是这种总线式仪器中仍有许多重复的部件或功能单元。随着计算机技术的飞速发展，将仪器所需的键盘、c r t 和存储器等借助于p c 资源，构成微机化仪器( 简称p c 仪器) ，与总线式仪器系统相比，p c 仪器的硬件大为减少 2 】。p c 仪器是一种典型的虚拟仪器，是基于计算机进行数字化动静态分析的：它是用计算机的c r t 模拟各种仪器的控制面板，以多种形式表达输出结果；以计算机软件实现各种各样的数据分析处理，完成各种测试。由于虚拟仪器的几项关键技术如：微机的精度、速度、a d 转换的精度、速度、内存、硬盘的存储量和速度、p c 与a d 的价格问题等都已解决，加上各种功能的专用软件迅速发展，国内外迅速地掀起了虚拟仪器热4 】【6 7 1 。虚拟仪器技术的出现为开发引爆控制( 引控) 数据采集系统提供了基础和条件。在产品系统联试试验中，引控数据采集系统起着获取测试数据，监视产品系统联试工作状态是否正常的作用。目前测试系统是以示波器为主的单台仪器组成的测试系统，各台仪器独立使用、手动操作，人工记录测试数据，测试系统操作较复杂，自动化程度较低。随着大型试验的复杂化，对一个试验测试与控制的参数增多，测试数据处理量增大，测试精度要求高，同时，由于场地有限，测试工作单位多，要求测试设备尽可能的少。目前以传统测量仪器组成的测试系统已难以满足试验要求虚拟仪器技术的出现，为开发满足大型试验任务的数据采集系统提供了技术条件。引控数据采集系统是基于虚拟仪器技术开发的系统，该系统由数据采集卡和软件组成，它代替由示波器组成的测试系四j i 大学硕士论文统。引控数据采集系统体积小、测试精度高，所需测试设备较少，系统开放、灵活、自动化程度高，人机界面友好，能跟随计算机技术的发展而发展。1 2 国内外现状虚拟仪器技术是9 0 年代发展起来的一项新技术，主要应用于自动测试、过程控制、仪器设计和数据分析等领域，其基本思想是在测试系统或仪器设计中尽可能地用软件代替硬件，即“软件就是仪器”。自1 9 8 6 年n i 公司提出虚拟仪器的概念以来，虚拟仪器这种计算机操纵的模块化仪器系统在世界范围内得到了广泛的认同和应用。一，。虚拟仪器作为新兴的仪器仪表，用户可以定义其结构和功能，构建灵活，转变容易，因此它在各个领域都得到了广泛的应用。国内单位和院校正加紧步伐研究和开发自己的虚拟仪器系统，中国国防科技大学进行了虚拟数字示波器的设计研究，其结果与h p 公司的双通道台式数字储存示波器h p 5 4 6 0 3 b 相比，增加了以下功能：频域分析功能，充分利用了计算机的存储与外设连接的能力，测量结果和波形直接打印输出；提供了网络接口，允许通过t c p i p 协议进行远程控制和数据共享；软件模块可修改或增加形成新的功能；硬件具有开放性，可升级硬件以提高其性能。东方振动和噪声技术研究所研制了i n v 3 0 3 3 0 6 智能信号自动采集处理分析仪系统，并推出了d a s p 软件；重庆大学开发了虚拟实时噪声倍频程分析仪，实现了对噪声总声压级、各种计权声压级及相应倍频程的实时测量和分析；清华大学利用虚拟仪器技术构建汽车发动机检测系统，用于汽车发动机出厂前的自动检测。美国的g e o m a t i c s 公司和g o l d s m i t h 公司等利用虚拟仪器开发工具，研制开发了农业自动化灌溉系统和秧苗分析系统。虚拟仪器已在超大规模集成电路测试，现代家用电器测试以及军事、航天、工厂测试等领域得到应用 1 3 1 1 1 4 l 1 5 】【1 6 】。目前，国内外有关基于虚拟仪器技术的数据采集系统资料较多，如上述的例子。由于行业的特殊性，开发基于虚拟仪器技术的引控数据采集系统方面的资料很少。过去的引控数据采集系统主要由示波器组成，对系统联试试验的工作过程监视不直观，出现了意外情况不能自动断电。示波器的功能不能根据需要随时更改，历史数据不能自动保存，测试设备多。因此，研究基于虚拟仪器技术的引控数据采集系统以解决目前的测试问题。研究从以下几方面着手：在l a b w i n d o w s c v l 环境下开发基于虚拟仪器技术的引控数据采集系统1 分析待测的信号：待测信号分为两种信号，一种是低频信号，利用p c d a q 采集卡代替示波器采集低频信号，这样可以减少测试设备的数量同时提高测试精度：另一种是高频信号，必须使用示波器采集高频信号。利用g p i b卡实现计算机和示波器通讯，从而将获取高频信号的数据送入计算机处理。2 监测系统联试试验时的工作状态：利用数字i o 卡实时监测继电器的工作状态是否正常，根据系统联试试验的工作状况对继电器进行控制，出现意外情况能及时断电保护。3 自动保存系统联试试验的试验数据：实现自动保存试验数据，需要时对历史数据进行波形回显。这一功能对产品延续研制、开发、产品性能的对比具有重要作用。基于虚拟仪器的引控数据采集系统的最大特色是利用软件来实现过去用仪器来实现的功能，系统功能扩展性好，大大的减少了测试设备，系统联试试验工作过程可以实时监测，程序界面可实时显示待测的信号波形。为今后发展的网络测试做准备工作。1 3 研究内容与工作13 1 主要技术指标a 实时采集，滚屏显示低频九路信号波形和测试数据；b 实时监测十二个继电器的工作状态，并通过虚拟面板上l e d 的显示来判定继电器的工作状态是否正常；c 多通道测试数据的实时存盘和历史数据的读取以及波形的回现；d 通过g p i b 卡控制示波器，并实现高频信号的自动测量：e 测试数据，波形的显示存挡、查询提供友好的人机界面；f 数据采集卡提供单端1 6 路模拟输入，分辨力为1 2 位，单通道最高采样率为2 0 0 k s s ；g 系统能提供1 6 路模拟信号输入通道；h 系统可以提供1 2 路数字信号输入通道。1 32 主要工作内容根据上述技术指标，在l a b w i n d o w s c v i 环境下开发基于虚拟仪器技术的弓四川大学硕士论文控数据采集系统，主要工作包括：1 ) 系统设计：根据课题要求设计出满足系统技术指标的数据采集系统。它包括系统的组成，原理以及方框图。2 ) 系统硬件设计：根据课题要求设计系统硬件结构、原理，它包括采集九路信号的硬件设计，监测十二个继电器工作状态的硬件设计以及和示波器通讯的硬件设计等。3 ) 系统软件设计：系统软件设计是系统的重点，它包括：数据采集软件设计模块，监测十二个继电器工作状态的软件设计模块以及和示波器通讯的软件设计模块。4 ) 低频小电压多路信号的实时采集。5 ) 系统抗干扰设计：通过抗干扰设计，提高系统工作的可靠性。系统抗干扰设计主要用来抑制直流噪声和交流噪声。4在l a b w i n d o w s c v i 环境下开发基于虚拟仪器技术的引控数据采集系统2 虚拟仪器简介2 1 虚拟仪器发展背景2 0 世纪8 0 年代中期，传统模拟式仪器、测控系统的设计遇到了计算机技术强有力的冲击，模拟式系统逐步被计算机数字系统所取代。进入9 0 年代，随着软件技术的迅速发展，智能仪器、虚拟仪表、和数字化测控系统形成蓬勃发展之势。为了缩短开发周期，统一设计标准，降低开发费用，各种面向仪器与测控系统的计算机软件应用平台应运而生，l a b v m w 、l a b w i n d o w s c v i 、i - i pv e e 、i n t e c h 等是其中应用较为广泛和具有典型特征的应用开发平台。它们的出现为智能仪器、虚拟仪表、和数字化测控系统的迅速发展提供了有利条件。本课题就是基于虚拟仪器技术以l a b w i n d o w s c v i 为平台开发的引控数据采集系统。虚拟仪器技术即v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 技术是美国n i 公司在八十年代率先提出的。它是结合计算机技术和传统的仪器技术，加上少量的硬件和软件，应用图形软件的功能以及由计算机来处理和显示测量结果的测试技术，形成计算机控制、用户定义的新型仪器。与传统仪器相比，虚拟仪器有许多优点。虚拟仪器是一个开放的系统，能方便地和其它仪器联接，交互信息，网络共享。虚拟仪器是一个模块化的系统，总线结构、硬件接口和底层驱动程序都可标准化，各个公司的产品可互相代替，混合使用。虚拟仪器开发过程和技术更新快，可重复使用和移植，成本低易扩展，人机交互性好。虚拟仪器的特点可归纳为：a 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功能；b 仪器的功能是用户根据需要由软件来定义，而不是事先由厂家定义好的：c 仪器性能的改进和功能扩展只需进行相关软件的设计更新，而不需购买新的仪器；d 研制周期较传统仪器大为缩短；e 虚拟仪器开发灵活，可与计算机同步发展，可与网络及其它周边设备互联。虚拟仪器在工程应用和社会经济效益方面具有突出优势。目前，我国高档5四川i 大学硕士论文仪器如数字示波器、频率分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进口，这些仪器加工工艺复杂，对制造水平要求高，生产突破有困难，而采用虚拟仪器技术，就可以通过只采购必要的通用仪器硬件来设计自己的高性能价格比的仪器系统。2 2 虚拟仪器系统的构成虚拟仪器是利用电子计算机的硬件和软件技术代替传统的仪器技术，虚拟仪器系统的构成可分成三个方面：第一是使用计算机的数据采集卡，完成对测试信号的采集；第二是使用软件编程技术对采集的数据进行处理和分析；第三是利用计算机输出设备显示结果，包括用显示器动态显示波形和参数。虚拟仪器系统的构成如图2 1 所示。- 4p c - d a ql -测卜一g p m 口仅器l -量p c 机l a b w i n d o w s c v i控- 4r s 2 3 2r s 4 8 5 串行口仪器l hl a b v i e w 等软件平台制l一对h iv x i 接口仪器r i象- 4p 模块k 一图2 1 虚拟仪器系统的构成1 ) 虚拟仪器的硬件构成虚拟仪器硬件的任务是解决信号的输入和输出，虚拟仪器的硬件是由计算机硬件和仪器硬件组成的计算机。硬件构成有以下几种方案：a 基于通用接口g p i b 接口的仪器系统：g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c e b u s ) 即利用g p i b 接口卡将若干带有g p i b 接口的硬件连接起来。通过p c i 总线结构将台式工作站与g p i b 硬件连接，用软件驱动程序完成即插即用的功能；b 基于p c - d a q 数据采集的虚拟仪器系统：是以数据采集板、信号调理电路和计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。采用p c i 或i s a 计6在l a b w i n d o w s c v l 环境下开发基于虚拟仪器技术的引控数据采集系统算机本身的总线，通过a d 变换将模拟数字信号采集进入计算机进行分析、处理显示等，并可通过d a 转换实现反馈控制；c 利用v x i 总线仪器实现虚拟仪器系统：v x i ( v m eb u se x l e n s l 0 nf o ri n s t r u m e n t i o n ) 总线是一种高速计算机总线是v m e 总线在仪器领域的扩展，由于其标准开放、传输速率高，数据吞吐能力强，结构强，使用方便，开始受到人们的重视；d p x i 系统：是以p x i 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统；e 串口系统：是以s e r i a l 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统“。无论上述哪种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。其中p c - d a q 测量系统是构成的最基本的方式，也是最廉价的方式。2 ) 软件结构虚拟仪器软件由两大部分构成。应用程序它包括两个方面的程序：a 实现虚拟面板功能的前面板软件程序；b 定义测试功能的流程图软件程序。f o 接口仪器驱动程序i 0 接口仪器驱动程序完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。开发虚拟仪器必须有合适的软件工具，目前的虚拟仪器软件开发工具如下两类：a ) 文本式编程语言如l a b w i n d o w s c v i 、v i s u a lc + + 等；b ) 图形化编程语言如l a b v i e w 、h p v e e 等哪。根据虚拟仪器构成的基本要求，基于虚拟仪器技术的引控数据采集系统在硬件设计上采用g p i b 总线接口设备和p c - d a q 卡，软件上采用文本式语言l a b w i n d o w d c v i 编程。四川大学硕士论文3 引控数据采集系统方案分析课题的研究内容，引控数据采集系统需对三种信号进行数据采集处理。一是采集九路低频模拟信号；一是监测继电器工作状态的开关信号；一是利用示波器测试的高频信号。通过分析确定以下的系统方案。3 1 设计思路和原则根据课题的目的：是开发引控数据采集系统来代替以示波器为主的测试系统，该引控数据采集系统应具备测试设备数量较少，自动化程度较高，体积较小，使用方便灵活的特点。因此，引控数据采集系统设计采用硬件功能化、模块化、插卡化以减少装置和设备数量。软件采取模块化、多线程编程技术，使系统构成灵活，故障定位准确、便于维修的总体思想。硬件尽量选择标准设备，以易维修性、生产性，软件按层次化、模块化设计，层次化设计主要目的是隔离硬件和应用程序，以支持未来不可避免的硬件升级，因此，软件设计时，采用多线程编程技术，实现多任务同时执行。由于引控数据采集系统的工作环境多在野外，因此，在选择硬件时候，必须选择高质量抗干扰能力强的工控机、数据采集卡、数字i ，0 卡和g p i b 卡。3 2 系统工作原理系统原理框图如图3 1 ，系统主要由两部分组成，一部分是引控数据采集系统，它包括：工控机、g p i b 卡、数据采集卡、数字i o 卡和引控数据采集软件；另一部分是被测系统。系统利用数据采集卡( d a q ) 实时采集九路低频模拟信号，并实时显示九路信号的数据和波形，通过数据和波形可以判定系统工作是否正常。利用数字i o 卡监测十二个继电器的工作状态，为了监测被测系统中的十二个继电器工作状态，在每一个继电器的一对常开触点一端接入一个d c5 v 电压，另一端接入数字i o 卡的一路输入通道，一旦继电器动作，d c5 v 信号通过电缆送入数字i o 卡的输入通道，这时，读取数字i o 卡的输入通道的值，就能判定十二个继电器的工作状态，同时在计算机屏幕上通过l e d 显示继电器的工作状态。通过示波器采集高频信号，利用g p i b 卡通过示波器上的g p i b 接口控制示波器，读取数据并显示在屏幕上：监测设备的工作流程由测试软件来控制。在l a b w i n d o w s c v l 环境下开发基于虚拟仪器技术的引控数据采集系统图3 1 系统原理框图硬件和开发平台的选择如下：1 ) 计算机的选择由于所需的计算机经常在野外工作，对计算机的工作温度，抗振性要求高，因此，选用工业用计算机即工控机作主机。2 ) 数据采集卡的选择根据系统需要选择n ip c i - 6 0 2 4 采集卡用于采集9 路低频信号，n ip c ! 6 0 2 4 采集卡的电压输入范围一i o v + i o v ，精度为1 2 位，单通道最高采样率2 0 0 k s s ，单端1 6 通道、差分8 通道、p c i 总线插卡。该卡由n i 公司生产，符合国军标，质量可靠。3 ) 数字i o 卡的选择根据系统需要选择p c l - 7 3 0 数字i o 卡来监测十二个继电器的工作状态，p c l - 7 3 0 数字i o 卡为1 6 路隔离输入，1 6 路隔离输出，p c i 总线插卡。该卡由研华公司生产，经过环境试验的考核，质量可靠。4 ) 示波器通讯g p i b 卡的选择根据系统需要选择n i - g p i bp c i 总线插卡，该卡性能稳定，抗干扰能力9四川大学硕士论文强，环境适应性好。5 ) 软件开发平台的选择软件开发平台选用虚拟仪器开发平台l a b w i n d o w s c v i ，详细介绍见软件设计。3 3 引控数据采集系统设计引控数据采集系统设计包括以下部分：1 ) g p i b 总线接口的数据采集设计；实现和示波器通讯，获取高频信号的数据；2 ) p c d a q 的数据采集设计；实现采集九路模拟信号，实时显示数据和波形；3 ) 基于数字i o 卡的数据采集设计；实现监测十二个继电器的工作状态。4 ) 引控数据采集系统软件设计；5 ) 引控数据采集系统抗干扰设计；6 ) 引控数据采集系统测试。在论文的后面将对各部分进行详细研究。3 4 系统不确定度分析本测试系统的不确定度主要来源于示波器( t e k 5 2 0 a ) 和n i g p i b 卡。当然，系统软件的运算也会引起不确定度。但是，与硬件不确定度相比，影响很小。所以这里的分析忽略软件不确定度，只考虑数据采集卡n i - g p i b 卡引入的系统不确定度。3 4 1 对不确定度的数学分析设某量y 由1 1 1 个分项x l ，x 2 ，x 。合成，其函数关系式为：y = f ( x l ，x 2 ，- ，x m )( 3 一1 )若x l ，x 2 ，x 。之间彼此独立无关且只含确定性不确定度，分别为a x l ，x 2 一x 。它们的实际值( 真值) 分别为1 l o 。2 0 。m 0 。产生的总不确定度为：y2 “1 l ，x 2 ，x m ) 一f ( xz o ，x 2 0 ，xm 0 )( 3 2 )1 0：。i 鬻黪i 爨黔37 篓：羔。在l a b w i n d o w s c v l 环境下开发基于虚拟仪器技术的引控数据采集系统算：若忽略y 式子中关于x 。的二次以上的高次项，则y 可近似以下式计v 一善卜m 抽，缸+ 差卜一挑+ 毫而，k孽吾澍渤如k( 3 。就一般情况而言，测量不确定度x ；是很小的，其高次项可忽略。所以式( 3 3 ) 被广泛用来估算不确定度。如果是确定性系统不确定度，即各分项的不确定度大小和方向均确定，就可直接用式( 3 3 ) 计算总不确定度。但本系统中，各分项的系统不确定度不能确切给出，所以要用不确定度的不确定度合成方法。不确定度可能变化的最大幅度称为不确定度。常用的简便的系统不确定度合成方法有以下二种。1 ) 绝对值合成法【1 4 1绝对值合成法从最不利的情况考虑，认为各分项不确定度同时取正值或同时取负值，公式为：卜窆i = l 印f |( 3 4 )等：善i 普纠b s ，该方法计算简便，但估计偏大，较为保守。当分项m 较多时，偏离实际情况较远。例如，当m = 8 时，每个分项取正号的概率为1 2 ，8 个互相独立的分四川大学硕士论文严格的场合。计算公式为：以=3 4 2 关于本系统的不确定度设s 为t e k 5 2 0 a 的设定值，由于精度的限制，t e k 5 2 0 a 的设定值与输出之间总有一定的不确定度。x l 为t e k 5 2 0 a 的设定值与输出值之间的转换系数，x 2 为g p i b 卡输入和耀撙镰出之间的转换系数，y 为g p i b 卡采样到的信号。则框图如图3 2 。y专图3 2 信号输入输出关系图y = s x l x 2( 3 7 )设x 1 0 ，x 2 0 分别为x i 、x 2 的真值，a x 卜x 2 分别为x 1 、x 2 的变化量，y i o为y 的真值，则有：衄= 倍k 舻。 差= $ ( x 2 0 x i i - x 1 0 x x 2 ), x y兰选q 鱼苎如! ：垒以五戎ox 1 0( 3 8 )十譬( 3 - 9 )恐o、。采用绝对值合成法计算系统的总不确定度。根据t e k 5 2 0 a 和g p i b 卡的有关资料，t e k 5 2 0 a 和g p i b 卡的最大相对不确定度分别为1 和o 1 6 5 ，所以系统的相对总不确定度为：誓：恻十：( 1 + o 1 6 5 ) = 1 1 6 5 在l a b w i n d o w s c v i 环境下开发基于虚拟仪器技术的引控数据采集系统4g p i b 总线接口的数据采集设计在引控数据采集系统中，高频信号是通过示波器来采集的。由于大多数高档示波器都带有g p i b 接口，g p i b 卡的使用也非常普遍，同时一块g p i b 卡可以控制多达1 4 台仪器，因此，采用基于g p i b 总线接口的数据采集来实现和示波器通讯，获取高频信号的数据方式是可行的。4 1g p i b 总线简述计算机技术和大规模集成电路技术的发展，促进了数字化仪器、智能化仪器的快速发展。与此同时，工程上也越来越希望将常用仪器设备与计算机连接起来组成一个由计算机控制的智能系统。目前工程中用到的仪器设备种类繁多，功能各异，独立性强，一个系统往往需要多台不同类型的仪器协同工作，而一般串、并口难以满足要求。为此，人们从2 0 世纪6 0 年代就开始着手研究能够将一系列仪器设备和计算机连成整体的接口系统。g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 正是这样的接口，它作为桥梁，把各种可编程仪器与计算机紧密地联系起来，从此电子测量由独立的、传统的单台仪器向组成大规模自动测试系统的方向发展。g p i b 的硬件规范和软件规范协议先后被纳入两个国际工业化标准：a n s i i e e e4 8 8 1 和a n s i i e e f _ a 8 8 2 。今天，几百家厂商的数以万计的仪器都配置了遵循i e e f a 8 8 的g p i b 总线接口，应用遍及科学研究、工程开发、医药卫生、自动测试设备、射频、微波等各个领域。通过g p i b 接口，可以将若干台基本仪器和计算机仪器搭成积木式的测试系统，在计算机的控制下完成复杂的测量。g p i b 仪器系统的构成是迈向“虚拟仪器”的第一步，即利用计算机增强和扩展传统仪器的功能，组织大型柔性自动测试系统，技术易于升级，维护方便，仪器功能和面板自定义，开发和使用容易。4 2g p f b 总线接口系统的特点典型的g p i b 测量系统由p c 机、g p i b 接口卡和若干台( 最多1 4 台) g p i b仪器通过标准g p i b 电缆连接而成。系统具有以下四个显著特点：1 ) g p i b 接1 2 1 编程方便，减轻了软件设计负担，可使用高级语言编程。四川i 大学硕士论文2 ) 提高了仪器设备的性能指标。利用计算机对带有g p i b 接口的仪器实现操作和控制，可实现系统的自校准、自诊断等要求，从而提高了测量精度。3 ) 便于将多台带有g p i b 接口的仪器组合起来，形成较大的自动测试系统，高效灵活地完成各种不同的测试任务，而且组建和拆散灵活，使用方便。4 ) 便于扩展传统仪器的功能。由于仪器与计算机相连，因此，可在计算机的控制下对测试数据进行更加灵活、方便的传输、处理、综合、利用和显示，使原来仪器采用硬件逻辑很难解决或无法解决的问题迎刃而解。4 30 p l b 总线结构g p i b 总线是一个数字化2 4 脚( 扁型接口插座) 并行总线。其中1 6 根线为r 几电平信号传输线，包括八根双向数据线、五根接口管理线、三根数据传输控制线；另八根为地线和屏蔽线。g p i b 使用八位并行、字节串行、异步通信方式，所有字节通过总线顺序传送。1 ) 八根双向数据线( d 1 0 1 d 1 0 8 )双向数据线用来传递系统内的多线消息，如控制者发送的通令、专令、地址和向被控设备发送的程控指令，设备问发送和接收的数据及向控制者报告自己运行情况的状态数据等，是系统的命令、状态信息通道。2 ) 三根数据传输控制线a t ab y t et r a n s f e rc o n t r 0 1 )由于各设备的工作速度可能相差悬殊，为保证多线消息能双向、异步、准确可靠地传递，g p i b 系统中配备了三根数据字节传递控制母线，在我国叫三线挂钩控制传送，又简称为挂钩母线，用于控制数据字节的传送。三根数据传输控制线的具体含义如下：夺d a v ( d a t a v a l i d ) ：数据有效信号线。当d a v = i ( 低电平) 时表示数据有效。夺n r f d f n o t r e a d y f o r d a t o ：未准备好接收数据信号线。当n r f d = i 时表示未准备好接受数据；只有各接收设备均准备好接收数据，n r f d 才会为零( 高电平) 。夺n d a c ( n o td a t aa c c e p t e d ) ：不( 未) 接收数据信号线。当n d a c = i 时表示不接收数据或数据未接收；只有各接收设备都收到了数据时，n d a c 才会为零( 高电平) 。3 ) 五根接口管理线( g e n e r a li n t e r f a c em a n a g e m e n t )接口管理母线，简称管理母线，共有五条，其具体含义如下：1 4在l a b w i n d o w s c v l 环境下开发基于虚拟仪器技术的引控数据采集系统a ) a t n ( a t t e n t i o n ) ：注意。b ) s r q ( s e r v i c er e q u e s t ) ：服务请求。c ) e o i ( e n do ri d e n t i f y ) ：结束或识别。d ) r e n ( r e m o t ee n a b l e ) ：远控使能。e ) i f c ( i n t e r f a c ec l e a r ) ：接口清除。它们专用于管理接口本身的工作，每条线都有自己的特殊用途。例如，s r q线是系统中设备向控制者请求服务用的，任何装有服务请求功能的设备都可以使这条线的电平变低，即请求控制者中断当前的工作来为它服务i ”i 。4 4g p i b 总线虚拟仪器测试系统i o 接口设备的组成g p i b 总线虚拟仪器测试系统i o 接口设备由g p i b 接口卡和具有g p i b 接口的仪器组成。其中g p i b 接口卡完成g p i b 总线和p c i 总线的连接。g p i b 接口仪器是一个独立的仪器，它既可以构成一个g p i b 总线虚拟仪器测试系统，也可以作为独立的单台仪器使用。g p i b 仪器控制示例如图4 1 。圈4 1g p i b 仪器控捌示例软件编程设计步骤对g p i b 总线的控制命令是通过软件来实现。所涉及的操作有配置通道及仪器地址：对g p i b 仪器进行读，写操作。1 5四川大学硕士论文4 5t i p l b 总线接口在引控数据采集系统中的运用在引控数据采集系统中使用具有g p i b 总线接口的示波器和计算机相连接。系统由被测系统，一台示波器，g p i b 卡以及计算机组成。该部分采集实现对示波器多通道信号的测量，系统结构如图4 2 所示。采用n ip c i g p i b 接口卡实现对示波器的控制，从而完成实时测试。如图4 2 所示为g p i b 总线与示波器之间的连接图。系统采用n ip c i g p i b卡。在l a b w i n d o w s c v i 平台上，利用g p i b 接口驱动程序和示波器即可对系统图4 2 系统中g p i b 部分组成框图进行组态与编程控制。系统中每个设备( 包括接口卡) 需有一个o 到3 0 之间的g p i b 地址。g p i b 接口卡设置为地址0 ，示波器的g p i b 地址从1 到3 0 ( 见图4 t 3 ) 。g p i b 由控制方( p c 机) 控制总线，在总线上传送仪器命令和数据，控制方寻址一个讲者，一个或多个听者，数据串在总线上从讲者向听者传送。l a b w i n d o w s c v i 的g p i b 软件包含有自动处理寻址和其它的总线管理功能。图4 3g p l 8 卡设置示意图1 6在l a b w i n d o w s c v l 环境下开发基于虚拟仪器技术的引控数据采集系统4 5 1g p i b 接口程序设计首先正确配置示波器的地址号，熟悉示波器的编程手册，特别是测量类型的函数；然后熟悉l a b w i n d o w s ，c 下对g p i b 接口的编程环境，如对g p i b 接口的读写命令等。本部分软件的编写采用模块化，结构化设计思想。用户主界面控制包括所有的菜单和参数控制按钮，实时分析控制通过实时，分析按钮选择实时采集或数据分析。软件流程如图4 4 所示。图4 4g p i b 部分软件流程图4 5 2 程序设计过程中注意的问题和解决的方法1 ) 正确设置g p i b 卡的地址和示波器的g p i b 地址，为防止对g p i b 卡的误操作，在设置g p i b 卡的地址时，应设置主地址和副地址。2 ) 如何从示波器获取数据以及对数据进行处理。下面是本系统对t e k 5 2 0示波器控制程序的源代码。程序主要包括：示波器初始化模块，采集波形和显示波形模块，存储查询数据模块，打印模块和退出程序模块。a ) 示波器初始化模块是通过g p i b 卡和g p i b 电缆和示波器进行通信。通过以下函数实现：b o a r d = i b f i n d ( ”g p 毋o ”k$ 发现g p l 8 卡 1 7四川大学硕士论文i b s i c ( b o a r d ) ；p 送接口清除命令+ ，i b s r e ( b o a r d ，i ) ；，8 载入外部设备8 d e v i c e = i b d e v ( 0 ，l ，9 9 ，t 1 0 s ，l ，0 ) ；严发现待用设备，g p i b 卡的主地址为0 ，副地址为9 9 + 以下对示波器进行初始化：i b w r t ( d e v i c e ，”h o r i z o n r a i ：m a 呵：s c a l e0 5 ”，2 5 ) ；p 设置水平时间灵敏度+ ，i b w r t ( d e v i c e , h o r 亿d n r a i ，：r e c o r d u 狲g t h1 0 0 0 ”，2 8 ) ：产设置记录长度叫i b w r t ( d e v i c e ，”c h l ：s c a l e2 0 ”，1 3 ) ；牛设置通道1 的幅度吖i b w r t ( d e v i c e , a c q u 琢正：s t a l er u n ”，1 7 ) ；p 恢复触发状态+ ，i b w r t ( d e v i c e , t r i g g e r ：m a e n ：e d g e ：s o u r c ec h l ”，2 8 ) 扩设置触发源为c h i * i b w r t ( d e v i c e , t r i g g e r ：m a d q ：e d g e ：c o i 科i n gd c ，2 9 ) 扩设置偶合方式为直流，i b w r t ( d e v i c e , t r i g g e r ：m a i n ：e d g e ：s l o p er i s e ”，2 8 ) ；严波形触发方式设置为上升沿触发吖i b w r t ( d e v i c e ，”t 砌 g g e r ：m a 玎呵：u i v e l1 1 6 ”，2 3 ) ；，+ 触发电平为1 1 6 v * i b w r t ( d e v i c e , t j i g g e r ：m a 叮：m - o d en o r m a l ”，2 4 ) ；，+ 触发方式为通常+ ，b ) 采集数据和显示波形模块实现采集数据和显示波形在面板上。程序代码如下：i b w r t ( d e v i c e , d a t a ：s o u r c e c h l ”，1 5 l ) ；p 获取数据4 ，i b w r t ( d e v i c e ，”d a i a ：e n c d g r 【n a r y ”，1 9 l ) ；i b w r t ( d e v i c e ，”c i 瓜? ”，6 l ) ；i b r d ( d e v i c e , r e a d i n g ，1 0 0 0 l ) ；s c a n ( r e a d i n g , s f & w a v e f o r m 1 0 0 0 ) ；d e l e t e g r a p h p l o t ( p a n e l h a n d l e ，p a n e l _ d i s p l a y , 一1 ，o ) ；p l o t y ( p a n e l h a n d l e ，p a n e l _ d i s p l a y , w a v e f o r m ，5 0 5 ，v a l _ c h a r ，v a l _ t h i n _ l in e ，v a l _ e m p t y _ s q u a r e , v a ls o u d ，l ，v a lr e