（测试计量技术及仪器专业论文）虚拟仪器的数据采集、网络通信及在远程监测中的研究.pdf

星婴型! 苎兰竺主兰垡堡塞 _ _ 一 一 摘要 目前，在电子测量和自动控制领域，虚拟仪器技术的发展方兴未艾。 随着计算机技术的发展。传统仪器开始向计算机化发展，虚拟仪器 ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是现代计算机技术、仪器技术及其它新技术完美结 合的产物。 该文首先概述了虚拟仪器及l a b v i e w 的概念、发展、组成结构，介 绍了数据采集系统的相关概念，提出了基于l a b v l e w 的数据采集系统结 构，说明了数据采集设备的设置与测试，用l a b v i e w 软件设计了一个实 用的数据采集系统，通过软、硬件结合，实现了对多通道温度信号的采 集处理。充分发挥了虚拟仪器的优势，采用模块化设计软件方法，设计 出独立于设备类型、信号类型的多通道数据采集系统。 介绍了网络的相关概念，对基于虚拟仪器的网络通信进行了研究，采 用了d a t a s o c k e t 、w e b 上发布和t c p i p 三种不同的技术，并在开发难度、 实时性和可靠性方面进行了比较。 通过对国内外在设备监测系统方面的研究，从对被监测设备进行远 程监控的角度，提出了一种基于d a t a s o c k e t 的远程分布式设备监测与故 障诊断系统的实现方案。利用d a t a s o c k e t 实现了对气轮发电机组的监测 与故障诊断的仿真，开发出了操作筒单、界面友好、通用化程度高的现 场监测与故障诊断系统。为工业现场的推广使用打下了坚实的基础。 关键词：数据采集网络通信d a t a s o c k e t设备监测 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h et e c h n o l o g yo fv i r t u a li ns t r u m e n th a sb e e nd e v e l o p i n g v e r yq u i c k l y i nt h ef i e l do fe l e c t r o n i cm e a s u r e m e n t a n da u t o m a t i c c o n t r 0 1 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n i q u e ，c l a ss i c a li n s t r u m e n ti s b e g i n n i n gt ot u r ni n t oc o m p u t e r i z a t i o n v i r t u a li n s t r u m e n ti st h ep r o d u c to f m o d e r nc o m p u t e rt e c h n i q u e ，i n s t r u m e n tt e c h n i q u ea n do t h e rn e wt e c h n i q u e t h ec o n c e p t i o n ，d e v e l o p m e n ta n ds t r u c t u r eo fv i r t u a li n s t r u m e n ta n d l a b v i e wa r ed e s c r i b e di nt h i st h e s i s t h er e l e v a n tc o n c e p t i o no fd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m i s p r e s e n t e d t h i sp a p e rp r e s e n t as t r u c t u r eo fd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m b a s e do nl a b v i e w i n s t a l l a t i o na n dt e s to fd a t a a c q u i s i t i o nd e v i c e si sd e s c r i b e d t h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no fh a r d m a r ea n d s o f t w a r e ，t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e d ，t h et e m p e r a t u r es i g n a l a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n go fv a r i o u sa c c e s sa r er e a l i z e d m a k i n gf u l lu s eo f a d v a n t a g e so fv i r t u a li n s t r u m e n ta n da d o p t i n gm o d u l a rp r o g r a m m i n gd e s i g n m e t h o d ，t h ea p p l i c a t i o ns y s t e m ，w h i c hd a t aa c q u i s i t i o no fv a r i o u sa c c e s si s d e v e l o p e d ，t h es y s t e mc a ns a t i s f yt h em u l t i p l et y p eo fd e v i c e sa n ds i g n a l s t h er e l e v a n tc o n c e p t i o no fn e t w o r kisp r e s e n t e di nt h isp a p e r t h e t e c h n o l o g i e s o fd a t a s o e k e t ，p u b l i s ho nw e ba n dt c p i pa r ea l s o d e s c r i b e d ，t h r e em e t h o d sb a s e do nt h er e s e a r c h0 fn e t w o r kc o r n m u n i c a t e b a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t ，c o m p a r e dt h r e em e t h o d si nd e v e l o pd i f f i c u l t y ， u t i l i t ya n dr e l i a b i l i t y b yr e s e a r c h i n g t h ea c h i e v e m e n t sm a d eb o t h i nd o m e s t i c a n d i n t e r n a t i o n a lc o u n t r i e s ，t h et h e s i sp r e s e n ta r ti m p l e m e n t a t i o no fr e m o t e l y d i s t r i b u t e da r c h i t e c t u r ed e v i c e sm o n i t o r i n ga n df a u l t s d i a g n o s i ss y s t e m b a s e d0 nd a t a s o e k e t ，f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fr e m o t e l ym o n i t o r i n ga n d c o n t r o lo fd e v i c eu n d e rt h ei n s p e c t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t so fs t e a mt u r b i n e g e n e r a t o r s e t sm o n i t o r i n ga n df a u l t sd i a g n o s i sh a v e b e e ni m p l e m e n t e db y d a t a s o c k e t ，t h eo n l i n e m o n i t o r i n g a n df a u l t s d i a g n o s i ss y s t e m a r e d es i g n e d ，w h i c hh a v ea d v a n t a g e so fs i m p l eo p e r a t i o n ，f r i e n d l yi n t e r f a c ea n d 昆明埋上大学坝斗学位论文 g o o dc o m p a t i b i l i t y t h isr e s e a r c hw o r kis t h ef o u n d a t i o no fa p p l y i n gt h e t e c h n i q u et oi n d u s t r ye n t e r p r i s e ss u c c e ss i v e l y k e yw o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，d a t a s o c k e t d e v i c e sm o n i t o r i n g 1 1 1 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或我个 人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：灌维系 日 期：2 0 噼年f 2 月2j 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：呈! 兰论文作者签名：渔丝盔 日 期：2 堕置生! 兰目兰i 旦 昆叫理工大学硕士学位论文 1 1 虚拟仪器 1 1 1 虚拟仪器的概念 第一章绪论 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 是现代计算机技术、现代 测试技术和电子仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试 ( c a t ) 领域的项重要技术。所谓虚拟仪器，是指通过应用程序将通 用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 操作计算机，就象自己定义、自己设计的台单个仪器一样，从而完成 对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等。 虚拟仪器以透明的方式把计算机资源( 如处理器、内存、显示器等) 和仪器硬件( 如a d 、d a 、数字i o 、定时器、信号调理等) 的测量功 能、控制功能结合在一起，通过软件实现对数据的分析处理、表达以及 图形化用户接口，如图1 1 所示。 抽社n “e n “o w“蛳i n “th n t “i p 嗣翻趣 村p 晤嚆封折) p激据毵溘v p l u g - i nd a t a , c q u i s i t i o i - ld i l i t t ls i 矗 lh o c n s i 吖n e t w o r k i n g b o a r d 蛳a 式数据采集扳) +( t 宰愦号蛙囊) -( 网络) 。 黝乒e e e 一4 8 0 ) d i i t * lf i l t t r i n 掣1l a r d c a p yo u t p u t t 船i 矗仪器) t擞字过游) -随皓贝输出】， v x i s t a t i s t i c ， ，i l ez o 一 c 性i 仪器) +娃赫十) 嫂件i ，o ) t r s - 2 3 2 + n m * r i e a l n d y s i s ， k a c k i c t l 口e t ri z t * ：f - 娃 0 p $ - 2 3 2 仪器) 一啐劈折) +e 田膨用户壤0 ) 图1 1 虚拟仪器的内部功能划分 应用程序可选硬件( 如g p | b 、v x i 、r s 2 3 2 、1 3 a q 板) 和可重复使 用原码库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触 发。原码库函数为用户构造自己的v i 系统提供了基本的软件模块”1 。 1 1 2 虚拟仪器的特点 虚拟仪器和传统仪器的特点比较如表1 1 所示。 表1 1 虚拟仪器和传统仪器的特点 传统仪器虚拟仪器二 功能由用户厂襄定义一 功能由用户自己定义+ 封闭的系统、与其它设备的连接非常基于计簋机的开放系统，可方便的同外 有限设、网络及翼它应用连接一 硬件是关霆舒分p软件是关键部分一 价格昂贵+价格低廉，可重复使用一 技术更新慢( 扣1 0 年) 一技术更新快( 1 2 年) 一 基于计簿机技术开发的功能模块n - - j 构 开发维护费用高， 成多种仪器- 总的来说，虚拟仪器具有灵活性，再扩展性，易维护性，高性价比， 易组建，高可靠性的特点，能够更迅捷、更经济、更灵活地解决测试问 题。 1 1 。3 虚拟仪器的基本结构和类型 虚拟仪器系统的基本框图如图1 2 所示。 l = ：三l 匕：= = ：= ：l 雯囹匣堕匪卜 圈 一串行接口仪器拒l c 卜一 蒸r v x i 仪器卜一 l j 一 现场总缝设备。r 一 一其他计簿机硬件+ 卜_ 一 图1 2 虚拟仪器系统构成框图 目前较常用的虚拟仪器是数据采集系统、g p i b 控制系统、v x i 仪器 系统以及这三者之间的任意组合n 。 2 1 1 ，2 虚拟仪器的特点 虚拟仪器和传统仪器的特点比较如表1 1 所示。 表1 ，l 虚拟仪器和传统仪器的特点 传统仪器 虚拟仪器。 功能由用户厂襄定义t 功能由用户自己定义、。 封闭的系坑、与其它设备的连按非常 基于计算机的开放系统，可方便的同外 有限- - 设、网络其它应用连接+ 硬件是关鼹舒分。 j ；c 件是关鼹部分- 、 价格昂贵 价格低景。可重复使用、 技术更新慢( p 1 0 年) - 技术更新淡( 1 j 年) 一 基于计算机技术开发的功能模块可掏 开发维护费用高一 成多种仪器- 总的来说，虚拟仪器具有灵活性，再扩展性 易组建，高可靠性的特点，能够更迅捷、更经济、 题。1 。 i 1 3 虚拟仪器的基本结构和类型 虚拟仪器系统的基本框图如图1 2 所示。 易维护性，高性价比， 更灵活地解决测试闯 图1 2 虚拟仪器系统构成框图 目前较常用的虚拟仪器是数据采集系统、g p i b 控制系统、v x i 仪器 系统以及这三者之间的任意组合。 系统以及这三者之间的任意组合。 比叫理丁大学硕士学位论文 1131g p lb 仪器控制系统的构成方法 g p i b 技术可以说是虚拟仪器技术发展的第一阶段。 一个典型的g p i b 测试系统由一台计算机、一块g p i b 接v i 板和若干 g p i b 仪器通过标准g p i b 电缆连接而成。g p i b 自动测试系统的规模可以 进一步扩展。 利用g p i b 技术，可以通过计算机实现对仪器的操作和控制，替代传 统的人工操作方式，排除人为因素造成的测量、测试误差。同时，由于 可以用预先编制好的测试程序，实现自动测试，提高系统测量的可靠性 和效率。 1 3 2 数据采集系统的构成方法 一个典型的数据采集系统由四部分组成，如图1 3 所示。 图1 3 典型的数据采集控制系统框图 一个好的数据采集产品不仅包括高性能、高可靠性，还应该提供高 性能的驱动程序、简单易用的高层语言接口。只有这样才能为用户快速 建立高可靠性的应用系统提供最大方便。 目前，由于多种先进技术的应用，使得最新的数据采集卡能保证仪 器级的性能、精度与可靠性，为用户建立功能灵活、性能价格比高的数 据采集控制系统提供了很好的解决方案。 11 3 3v x i 仪器系统的构成方法 v x i 总线是一种高速计算机总线一- v m e 总线在仪器领域的扩展。由 于它的标准开放、结构紧凑、具有数据吞吐能力强、定时和同步精确、 模块可重复利用、众多仪器厂商支持等优点，因此很快得到了广泛的应 用。尤其是在大、中规模自动测量测试系统以及对速度、精度要求高的 场合有着其他仪器系统无法比拟的优势。 3 一个基本的v x l 仪器系统u 丁以有：种不同的配置方法 lg p i b 控制方案； 2 嵌入式计算机控制方案； 3 m x i 总线控制方案。 1 1 4 虚拟仪器的演变与前景展望 1141 演变 虚拟仪器是日益发展的计算机硬件、软件和总线技术在向其它技术领 域密集渗透过程中，与测试技术、仪器仪表技术密切结合孕育出的成果。 2 0 世纪8 0 年代，美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p o r a t i o n ， 简称n i ) 首先提出了虚拟仪器的概念，n l 提出的“软件就是仪器”的1 2 1 号，彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面”1 。 自2 0 世纪8 0 年代以来，n i 公司己研制出多种总线系统的虚拟仪器，特 别是它推出的l a b v i e w 图形编程环境已享誉世界。在n i 之后，美国惠 普( h p ) 公司紧紧跟上，该公司推出的h p v e e 编程系统可提供数十至数 百种虚拟仪器的组建单元和整机。作为仪器领域中最新兴的技术，虚拟 仪器的研究、开发在国内已经经过了起步阶段，9 0 年代中期以来，重庆 大学、哈工大、西安交大、中科泛华测控技术有限公司等很多院校和高 科技公司，在研究和开发仪器产品和虚拟仪器设计平台以及引进和消化 n l 公司、h p 公司的产品等方面做了一系列有益的工作，并取得了一批瞩 目的成就。 114 2 前景展望 虚拟仪器的发展主要取决于三个重要因素。计算机是动力，软件是 主宰，高质量的a d 采集卡及调理放大器与传感器是关键”。 无论哪种v i 系统，都是将硬件仪器( 传感器、调理放大器、a d ) 搭载到笔记本电脑、台式p c 或工作站等各种计算机平台上，加上应用软 件面板构成，实现使用计算机的全数字采集测试分析。v i 的发展完全跟 计算机的发展同步，所以显示出v i 的灵活性和强大的生命力。虚拟仪器 4 昆明群工大学硕士学位论文 的兴起是测试仪器技术的一次“革命”，是仪器领域的一个新的里程碑。 未来的v i 完全可以覆盖计算机辅助测试的全部领域，几乎能替代所有的 模拟测试设备。 基于计算机的全数字化测量分析是采集测试分 斤的未来。虚拟仪器 必将在电子测量、电气工程、机电一体化、教育和关系国计民生的越来 越多的领域中广泛普及。 标准化、通用化、系列化、模块化以及开放式的体系结构等v x l 系 统的观念，将成为电测量仪器仪表变革的重要方向。 数据采集、测试、过程控制、信息传输与通信等现代化信息技术汇 聚在一起，将最终导致标准化、规范化卡式仪器和软件化仪器的更广泛 流行。 虚拟仪器发展将跟羞通用计算机、跟着通用软件走、跟着网络走的 指导思想。继“软件就是仪器”概念之后，很可能出现“网络就是仪器” 的新观念。 1 2l a b vie w 软件开发工具 1 2 1l a b vie w 简介 l a b v i e w 概念： ( l a b o r a t o r y v i r t u a l1 ns t r u m e n t e n g i n e e r i n g w o r k b e n c h ) 即实验室虚拟仪器工程平台，是直观的程序界面与流程图编 程方法的结合，是构建虚拟仪器的理想工具。 程序界面是一个经久的仪器概念，而软件程序界面是自动化的拓展， 因为它们保持了直观的视觉和感观效果。同时，软件程序界面创建了一 个真正的接口，无论用户使用什么类型的硬件，并且不像硬件程序界面， 软件程序界面只包含了对于一个应用场合很重要的参数，用户能够很容 易地从一个单一程序界面控制多台虚拟仪器，并把整个系统作为一台虚 拟仪器来看待”1 。 流程图式的程序设计与工程技术人员较为熟悉的数据流和方块图的 概念是一致的，与传统程序设计语言相比，流程图与语法细节无关，构 建和测试程序就可以少费时间。使用流程图方法可以实现内部的自我复 制，采用程序界面、流程图、图表等，用户可以对整个系统实现图形化 描述，还可以随时修改虚拟仪器来满足自己的需要。 l a b v i e w 集成了许多仪器硬件库，如基于g p i b 、v x i 、p x i 的仪器、 r s 一2 3 2 4 8 5 协议、插入式数据采集卡等”1 。 与传统的编程方式相比，使用l a b v i e w 设计虚拟仪器，可以提高效 率4 1 0 倍。同时，利用其模块化和递归方式，用户可以在很短的时间 内构建、设计和更改自己的虚拟仪器系统。 1 2 2l a b vie w 的特点 与常用的编程语言相比，l a b v i e w 具有以下特点： 1 图形化的仪器编程环境。它使用“所见即所得”的可视化技术建 立人机界面，针对测试、测量以及过程控制等领域。l a b v i e w 提供了面 板二所必需的许多显示和控制对象，如旋钮、表头、图表等。用户还可 以疗便地将现有控制对象改成适合自己需要的控制对象。 2 内置的程序编译器。l a b v i e w 采用编译方式运行3 2 位应用程序， 解决了其它按解释方式工作的图形编程平台速度慢的问题，其速度大体 上相当于编译c 的速度。 3 灵活的程序调试手段。用户可以在原代码的数据流上设置断点， 单步执行原代码，在原代码的数据流上设置探针，在程序运行中观察数 据流的变化。 4 功能强大的库函数。l a b v i e w 提供了大量现成的函数供用户直接 调媚，从底层、，x i 、g p i b 、串口及数据采集板的控制子程序到大量的仪 器驱动程序，从基本的功能函数到高级分析库、涵盖了仪器设计中几乎 所需要的所有函数。 5 支持多种系统平台。l a b v i e w 支持多种系统平台，在w i n d o w s n t 9 5 9 8 、p o w e rm a c i n t o s h 、h p 、s u ns p a r c 等系统平台上，n i 公司都 提供了相应版本的软件，并且平台之间开发的应用程序可直接进行移植。 6 开放式的开发平台。l a b v i e w 提供了d l l 接口和c i n 接口，使用 户在l a b v i e w 平台上能调用其它软件平台编译的模块。提供对o l e 的 支持。 7 网络功能。l a b v i e w 支持t c p i p 、d d e 、i a c 等功能”1 。 6 昆明理丁大学硕士学位论文 1 2 3 用l a b vie w 设计虚拟仪器的方法 l a b v i e w 的图形化程序设计是基于现代软件的面向对象技术和数据 流技术而发展起来的。数据流程序设计表示只有在所有输入都有效时， 一个对象才开始执行，同样，只有当对象的功能完成以后，对象输出才 有效。这样的话，对象间的数据流控制着执行顺序，执行顺序不局限于 来自文本程序的线形顺序。用户能够通过连接功能模块来快速开发自己 的应用程序，甚至能够使用多路数据通道，实现同步操作1 ”1 。 与传统的文本式程序设计一样。l a b v i e w 也有控制流程图功能执行 的部分，它们包括s e q h e n c es t r u c t u r e 、c a s es t r u c t u r e 、f o rl o o p 、w h i l e l o o p ，它们被图形化描述成边界结构，像在传统的线形化程序设计中插 入代码段一样，可以把图标放在l a b v i e w 图形结构的界限内部“。 l a b v i e w 有一个图形编辑器来产生最优化编辑代码，虚拟仪器执行 它们相当编译c 的速度，利用应用程序生成器，用户能够产生虚拟仪器， 就像独立的可执行程序一样。下面按步骤说明怎样进行图形化的程序设 计： 1 建立方案 利用l a b v i e w 软件，可以构建虚拟仪器，而不是编写程序。有了交 互式控制的软件系统，用户可以很方便地建立其程序界面接1 ：3 ，为了实 现其体的功能，用户利用向导把流程图结合在一起。 2 建立程序界面 从控制模块上选择需要的对象，放在虚拟仪器的程序界面上。控制 模板上的对象包括数字显示、表头、压力计、热敏式外壳、表、图等。 当虚拟仪器完成以后，就能在虚拟仪器工作时利用程序界面去控制整个 系统，如移动滑动片、在图象中变向、从键盘中输入。 3 构建图形化的流程图 对虚拟仪器进行程序设计，你不必担心很多传统程序设计所需的语 法细节，而可以自己构建流程图。从功能模板上选择对象( 用图标表示) ， 并用线将它们连接起来以便数据进行传递。功能模块上的对象包括数学 运算、高级数据采集、数据分析处理，以及网络和文件输入和输出操作。 4 数据流程序设计 l a b v i e w 用一种精巧的数据流程序设计模式把用户从文本式语；i 的 线形化方式构建程序的办法中解放出来。因为在l a b v i e w 软件中程序的 执行顺序由每个方块中的数据流决定，你也可以建立同步操作的流程图。 l a b v i e w 软件是一个多任务系统，具有多线程功能并运行多个虚拟仪器。 5 模块化和层次 l a b v i e w 虚拟仪器实行模块化设计，因而任何虚拟仪器既能独立运 行，又能被用做其它虚拟仪器的一部分。甚至可以创建用户自己的虚拟 仪器图标，因而用户可以设计由虚拟仪器构成的多层次系统，并可以改 变它，同其它虚拟仪器交换和连接以满足不断变化的应用需要。 6 图形编译器 在许多场合，程序运行速度是很关键的。l a b v i e w 软件是唯一带有 编泽器的图形化编程环境、可以产生最优化代码，其运行速度与编译c 相当。利用内置的绘图器，用户甚至能够对与运行时间密切相关的代码 部分进行分析和优化。因而，不会因为图形化编程提高了编程效率，而 影响运行速度“。 1 3 本文的主要内容及结构安排 本文的主要内容是关于虚拟仪器的数据采集、网络通信及在远群监 洲j 的研究。 文章分为六章。 第一章绪论介绍了虚拟仪器的特点和基本结构及用l a b v i e w 设计虚 拟仪器的方法。 第二章介绍了数据采集技术的概念，提出了基于l a b v i e w 的数据采 集系统的结构，对采集设备进行设置与测试，并编写了多通道的热电偶、 热电阻温度效应采集程序。 第三章介绍了网络通信的意义，分析了采用l a b v i e w 实现网络通信 的相关方法，并一一进行了分析、设置和实现。 第四章介绍了设备监测的意义、目的和任务，并提出了基于网络的 远程设备监测与故障诊断系统。 第五章以气轮发电机组为例编写了设备状态监测系统程序。 第六章对全文的研究进行了总结。 r 昆叫埋1 ：大学硕士学竹沦文 、，。 论文的难点是程序的编制，创新点是多通道温度实时采集系统的建 9 昆明理工大学钡七学位论义 2 1 概述 第二章基于虚拟仪器的数据采集 数据采集：数据采集技术( d a t aa c q u is i t o n ) 是信息科学的一个重要 分支，它研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等工作1 。在智能 仪器、信号处理以及工业自动控制等领域，都存在着数据的测量与控制 问题。将外部世界存在的温度、压力、流量、位移以及角度等物理量应 用非电量电测技术转换成电信号模拟量( a n a l o gs i g n a l ) ，然后再转换为 数字信号( d i g i t a ls i g n a l ) ，再收集到计算机，并进一步予以处理、传输、 显示与记录这一过程，即称为“数据采集”。 数据采集是l a b v i e w 的核心技术之一，也是l a b v l e w 与其他编程 语言相比的优势所在。使用l a b v l e w 的d a q 技术，可以编写出强大的 d a q 应用软件。模拟信号数据采集是l a b v i e w 的d a q 中一个主要功能， 为用户提供了功能强大，但方便快捷的模拟信号采集解决方案。 d a q 中的中高速数据采集、特殊采样、同步模拟i 0 是d a q 中的难 点。要解决高速采样的实时控制与数据存储等问题，需要从硬件和软件 两个方面来考虑。从硬件的角度讲，需要硬件具有高速数据吞吐和同步 数据处理的能力。 很多d a q 设备都设计有f i f o 电路，f i f o 电路作为a d c 输入的缓 存，以保证进行连续数据采集时不丢失数据。 另外，为了保证高速数据吞吐，d a q 设备都具有d m a ( d i r e c tm e m o r y a c c e s s 直接内存访问) 的能力，又称之为“总线主控( b t l sm a s t e r i n g ) ”， d a q 设备采集到的数据不通过c p u ，直接通过p c i 总线传输到r a m 中， 这就解放了c p u 。p c i 总线以及其他各种总线( 例如p x i c o m 口a c t p c i ， i e e e l3 9 4 等) 的数据吞吐率可高达i 3 2 m b y t e s s ，这样，通过d m a ，就 可以实现高速数据吞吐。 图2 1 所示的是通过d m a 将数据传输到r a m 中。数据到r a m 后， c p u 从r a m 中读出数据。并且将其应用到系统级的任务中，进行相关处 理。并不是所有d a q 设备都有总线主控电路。 信号t一囤 i 中c p 取u 回从数r 据a m 卜一i 中取回数据1 图2 i 利用d m a 实现并行操作 没有总线主控的d a q 设备不具备d m a 能力，只能依赖中断传输数 据，因此，在数据传输过程中需要c p u 的参与，这就大大降低了系统的 性能，其处理过程如图2 2 所示 信号p 图2 2 没有给d m a 的顺序操作 从硬件方面对数据采集进行特别设计只能解决一部分问题，还必 须从软件方面进行高速数据采集方面的特别设计。例如，采用缓冲技术、 高速磁盘流技术、特殊采样技术等。只有在软硬件两个方面都进行了特 别设计之后，才能开发出优秀的高速数据采集系统1 。 另外，在解决了本地数据采集问题后，基于网络的远程数据采集渐 渐得到了应用，l a b v i e w 具有强大的远程数据采集能力，使用它用户可 以轻松地实现远程数据采集，有两种方式可以实现远程数据采集： 方法一是d a q 设备共享方式，即采用r d a 技术实现d a q 设备的远 程控制； 方法二是数据共享方式，即利用d a t a s o c k e t 技术实现远程数据采集。 2 2 信号类型 信号通常包含了一定信息最的函数。这些函数可以是状态、比率、 圆圈圜 昆州珲工大学硕士学位论文 电平、形状和频率等。信号町以是连续的，也叮以是离散的，常分为连 续的模拟信号和离散的数字信号两大类。考虑到数据采集系统，再把模 拟信号和数字信号细分为五小类，它们分别对应了五个信息类型函数“。 如图2 3 所示。 信 器 d c ( 慢) d a c ( 快) ( 快) 一 图2 3 信号的分类 把数字信号又细分为开关信号和脉冲序列信号，分别对应着状态信 息和比率信息函数：把模拟信号分为直流信号、时域信号、频域信号， 分别对应着电平信息、形状信息和频域信息函数。对于模拟信号的采集、 一个重要的问题是采样率的选取，也就是每秒种采集的点数。对同一信 号以不同的采样率采集得到的结果。显然采样频率越高，采集信号越接 近真实信号，但是高采样频率意味着对存储空间和内存的更高要求。 根据奈奎斯特采样定律，采样频率应该是采集信号最高频率的两倍 以上，工程上用到的采样率常常是信号最高频率的5 倍1 0 倍。 2 3 被测量信号的连接方式 对于大多数模拟输入设备，可以有三种不同的信号连接方式：差分 d i f f ( d i f f e r e n t i a l ) 、参考单端r s e ( r e f e r e n c e ds in g le e l l d e d ) 和非参 考单端n r s e ( n o n r e f e r e n c e ds i n g le e n d e d ) 1 6 i 。 2 3 1 差分测试系统 在差分测试系统中信号的正负极分别接入两个通道所有输入信号 各自有自己的参考点。图2 4 所示是一个8 通道差分测试系统。通常差 分测试系统是一种比较理想的测试系统，因为它不仅抑制接地回路感应 误差，而且在一定程度上抑制拾取的环境噪声。 多踏复用t 通道日 通道f 如 通道 + 通道7 扣 通道。t 通道4 。- 通道卫t + 通道7 t 梗拟输人地一 图2 4 差分测试系统 当输入信号有以下情况时，使用差分测试系统： 底电平信号。 信号电缆比较长或没有屏蔽，环境噪声较大。 任何一个输入信号要求单独的参考点。 2 3 2 单端测试系统 + 单端测试系统可以使用两倍的测试通道。单端测试系统所有信号都 参考个公共参考点即仪器放大器的负极。当输入信号符合以下条件时， 可以使用单端测试系统： 高电平信号。 比较短的或有合适屏蔽的电缆，环境无噪声。 所有信号可以共享一个参考点。 单端测试系统分为参考单端测试系统和非参考单端测试系统 1 参考单端测试系统 】4 昆明理工大学的e 学位论文 参考单端测试系统用于测试浮动信号，它把信号参考点与仪器模拟 输入地连接起来。如图2 5 所示。 非参考单端测试系统用于测试接地信号，所有输入信号都已经接 所以信号参考点不需要再接地。如图2 6 所示。 遵谴叶 通谴h 遭迸扑 通过件 图2 5 参考单端测试系统图2 6 非参考单端测试系统 2 4 数据采集设备的类型 2 4 1 插入式的数据采集设备 插入式的数据采集设备一般是插入台式计算机p c i 槽或笔记本电脑 p c m c i a 槽的数据采集卡，这是一种典型的虚拟仪器硬件结构，通常在计 算机外面根据需要配备某种信号调理设备。这种硬件结构配置，可以满 足一般测试的要求，价格能够为大多数用户所接受。“。 2 4 2 分布式数据采集设备 这种数据采集设备可以安装在工业现场被监测对象附近，通过计算 机网络或串口与计算机通讯。n i 公司这种产品以f i le d p o i n t 和 c o m p a c t f i le d p o i n t 模块为代表，后者尺寸更小，抗冲击和震动等性能更 好3 。 一八 2 4 3v xi 与p xl 设备 对于某些特殊的测试场合和非常高的测试要求还可以选择v x i 或 p x 】虚拟仪器硬件结构。v x i 是v m e 总线的仪器扩展。它的结构形式是将 信号采集、信号调理等各种模块装入标准机箱，机箱通过插入计算机的 末h 与计算机通讯，或将计算机嵌入机箱零插槽。p x i 是p c i 总线的仪器扩 展。它的结构形式与v x i 基本相同，区别在于总线不同和价格更容易接 受”3 。 2 4 4g plb 或串口设备 g p i b - - - 通用接口总线，是计算机与传统仪器的接口，将g p i b 通讯 墨插入计算机，再通过g p i b 电缆，实现计算机对传统仪器的控制和访问。 串口也是计算机与传统仪器接口的一种普通采用的方式，实现对满足一 定协议( 例如r s 2 3 2 ) 的传统仪器与计算机的连接。这些与计算机连接的 仪器功能是专一、固定的，它们的软件固化在仪器内部。它们完成测试 任务也并不依赖于计算机，只是利用计算机的存储、显示、打印等功能， 或对测试过程加以某些控制。 2 4 5 基于计算机的仪器 基于计算机的仪器也叫模块化仪器，是在一块卡上集成了仪器的全 部功能，这个卡插入计算机。由于模块化仪器的软件运行在计算机上， 所以可以更容易的对仪器进行控制。 2 5 基于网络的远程数据采集 在l a b v i e w 中有两种方式可以实现远程数据采集： 1 d a q 设备共享方式，即采用r d a 技术实现d a q 设备的远程控制 2 数据共享方式，即利用d a t a s o c k e t 技术实现远程数据采集。 6 昆明理t ：大学硕士学位硷文 2 5 1 利用r d a 技术实现远程数据采集 远程设备访问( r e m o t ed e v i c ea c c e s s ，r d a ) 技术是n i 公司的一 个很有特色的技术。利用r d a 技术，可将d a q 设备在网络上共享，通过 一系列的相关设置和连接之后，可以在客户机上控制位于远程服务器上 的d a q 设备，并且其控制方式和在本地控制d a q 设备完全一样。 利用r d a 技术，可以利用现有的d a o 应用软件实现远程数据采集， 而无须作任何改动。 2 5 2 利用d a t e s o c k e t 技术实现远程数据采集 本部分内容将在下面讲述。r d a 技术和d a t e s o c k e t 技术特点的比较 如表2 1 所示。 表2 1 r d a 技术和d a t e s o c k e t 技术比较 项目一融技术p獬嘲骢技术t 底层协议一t c p ，i p p t c p i 乳 l q l - d a q 6 0 ( 或更高版本) 服务器端。 n i - d a q 60 ( 或更高版本) 。d a q ：捩备 d a q 设戳驹蝴融s e r v e 服务器荫 暂游+ 客户端一 n i d a q 6 0 ( 或更高版本) - 骐蠛蹶吼s n , r e r ， d a q 应用软胁 客户潴较件。 特点f磋件共享一数据共享、高速实时数据发布 兼容性一 仅适用于n i 公司的d a 0 设备。适用于所有可以在l a b v l e w 中使用的d a o 设备。 2 6 基于k a b vie w 的数据采集系统总体结构 数据采集系统一般由数据采集硬件、硬件驱动程序和数据采集函数 几个部分组成。 数据采集硬件有多种多样的形式。数据采集硬件的选择要根据具体 的应用场合并考虑到自己现有的技术资源。本课题选用美国n i 公司的多 功能输入输出卡p c i 一6 0 2 4 e 。 p c i 一6 0 2 4 e 的主要参数如下：p c i 总线；单端1 6 路模拟输入，分辨 率为1 2 位，采样率为2 0 0 k s s ，输入范围0 0 5 1 0 v ；模拟输出2 路， 分辨率为1 2 位，输入电压范围1 0 v ；数字i o 为8 路：定时记数器2 个。、 硬件驱动程序是应用软件对硬件的编程接口，它包含着特定硬件可 以接受的操作命令，完成与硬件之间的数据传递。依靠硬件驱动程序可 以大大简化l a b v i e w 编程工作，提高开发效率，降低成本。l a b v i e w 7 0 开发环境安装时，会自动安装n l d a q 7 0 软件，它包含两个驱动程序 传统n i - d a q 和n i d a q m x 。这两个驱动程序各自有单独的应用程序编 程接口a p i ，分别有不同的硬件和软件设置方法。因此也形成了两套独立 的数据采集系统。 基于传统d a q 的数据采集系统总体结构如图2 7 所示。 图2 7 基于传统d a q 的数据采集系统 在驱动程序的用户接口m a x ( m e a s u r e m e n t & a u t o m a t i o ne x p l o r e r ) 中 用户可以对硬件进行各种必要的设置和测试。l a b v i e w 中的数据采集函 数按照m e a s u r e m e n t & a u t o m a t i o ne x p l o r e r 中的设置采集数据。用户调用 数据采集函数编写数据采集程序。 基于d a q m x 的数据采集系统总体结构如图2 8 所示 昆明理工人学硕士学位论文 图2 8 基于n 1 d a q m x 的数据采集系统 这里同样可以使用m a x 对硬件进行各种必要的设置和测试，然后调 用d a q m x 数据采集函数编写数据采集程序。但是它还提供了通过数据采 集助手d a qa s s i s t a n t 快速进行交互式的硬件设置和自动生成数据采集程 序图形代码的方法。可以在m a x 中打开数据采集助手，也可以在 l a b v i e w 中启动数据采集助手。由于d a q m x 实现了新的多线程支持， 使系统性能在一定程度上得到了提高”“。 传统d a q 和d a q m x 可以在同一台机器上使用，但是不能同时工作， 也就是说一个驱动在程序中对硬件资源分配以后，必须在使用完时进行 释放，另一个驱动才能使用。 2 7 数据采集设备的设置与测试 数据采集设备的安装与附件的连接请参考硬件附带的手册。数据采 集设备安装后应该进行测试和必要的设置。数据采集系统进行调试之前 和运行中发生异常时，也需要首先对数据采集设备进行测试，以排除硬 件故障”。 测试与自动化资源管理器m a x ，是访问计算机当中n i 的各种软硬 件资源的一个接口，如图2 9 所示是m a x 窗口。在m a x 树型设置目录 中