（精密仪器及机械专业论文）基于LabVIEW的阵列式气体传感器动态数据采集系统(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 摘要 近二十年来，气体传感器和电子鼻的研究活动是各类传感器中最为活跃的。 电子鼻是基于集成气体传感器阵列和多传感器信息融合技术的气体气味识别系 统，其在食品工业、医疗诊断、环境监测、海关检查等领域有着广泛的应用前景。 一套完整的电子鼻是由气体传感器数据采集装置和模式识别系统两部分组 成的。本课题致力于气体传感器数据采集装置的开发和研究，能采集气体传感器 的动态特征信息，为模式识别系统提供丰富、可靠、精确的数据。该数据采集装 置能对传感器进行p i t l 加热控制，动态的改变气体传感器的工作温度，通过单片 机控制的数据采集卡采集传感器动态特征数据，并经过r s 2 3 2 串口把数据传送到 上位机上进行实时的电压时间曲线显示和数据存储。 本文的主要研究工作有： l ：综合研究国内外的气体传感器和电子鼻的理论和先进技术，设计了基于 l a b v i e w 虚拟仪器技术的数据采集方案，用于采集气体传感器的动态信号； 2 ：在综合比较研究的基础上，进行了气体传感器阵列的选型工作，并设计 了相应的信号调理电路； 3 ：自行设计了基于单片机控制的数据采集卡，本数据采集卡不仅工作稳定， 性能良好，而且较好的替代了昂贵的现成的数据采集卡，节省了成本； 4 ：采用了p w m 动态加热控制电路对气体传感器阵列进行加热，显著提高了 为模式识别系统提供的特征数据量； 5 ：在上位机上采用了先进的虚拟仪器开发平台- 1 a b v i e w 来进行了上位 机测试系统的开发，充分利用了l a b v i e w 容易上手，编程简单的特点，节省了系 统的开发时间。 整个系统能采集六通道的幅值在5 v 内的电压信号，具有1 2 位的分辨率， 采样频率最高为1 5 0 h z ，能稳定地对数据进行采集，具有性能稳定，成本低廉的 优点，为模式识别系统提供了准确的数据和丰富的动态特征信息。 关键词：l a b v i e w ；气体传感器；数据采集 i a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h el a t e s tt w e n t yy e a r s ，t h er e s e a r c ha b o u tg a ss e n s o r sa n de l e c t r o n i cn o s ei st h e m o s ta c t i v ei nt h er e s e a r c h a r e ao fs e n s o r s e l e c t r o n i cn o s ei sak i n do fo d o r r e c o g n i t i o ns y s t e m ，w h i c hi sb a s e do nt h ei n t e g r a t e dg a ss e n s o ra r r a ya n dm u l t i - s e n s o r d a t af u s i o nt e c h n o l o g y a n di tw i l lb ew i d e l yu s e di nd i f f e r e n ta r e a s ，s u c ha sf - 0 0 d i n d u s t r y , m e d i c a ld i a g n o s t i c ，e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ，c u s t o m si n s p e c t i o n , e t c a c o m p l e t ee l e c t r o n i cn o s ei sc o m p r i s e do ft w op a r t s ，t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo f g a ss e n s o r sa n dt h ep a t t e mr e c o g n i t i o ns y s t e m i nt h i sp a p e r , w ea l ed e v o t e di n t ot h e d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho fad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo fg a ss e n s o r s ，t h r o u g hw h i c h w ec a na c q u i r ea n dp r o v i d eu s e f u li n f o r m a t i o nt ot h ep a t t e r nr e c o g n i t i o ns y s t e m t h e s y s t e mc a nc o n t r o lt h ew o r k i n gt e m p e r a t u r eo ft h eg a ss e n s o r s ，o b t a i nt h ed y n a m i c d a t at h r o u g hm c u - c o n t r o l l e dd a t aa c q u i s i t i o nc a r d ，t r a n s f e rt h e s ed a t at op cv i a r s 2 3 2c a b l e ，t h e nd i s p l a ya n ds t o r et h e s ed a t a t h em a i nc o n t e n t so ft h et h e s i sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： 1 ：t h r o u g ht h es t u d yo ft h et h e o r i e sa b o u tg a ss e n s o r sa n de l e c t r o n i cn o s e ，w ef i n a l l y d e s i g nad a t aa c q u i s i t i o na r c h i t e c t u r eb a s e do nl a b v i e wt e c h n o l o g y , w h i c hc a l l a c q u i r et h ed y n a m i cd a t af r o mg a ss e n s o ra r r a y 2 ：c h o o s ed i f f e r e n tg a ss e n s o r st oc o m p r i s ea ni n t e g r a t e dg a ss e n s o ra r r a y , a n dd e s i g n i t ss i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t 3 ：f a b r i c a t eam c u - e o n t r o l l e dd a t aa c q u i s i t i o nc a r d , w h i c hh a sg o o dp e r f o r m a n c e a n dc a nr e p l a c et h ec o m m e r c i a le x p e n s i v ec a r d 4 ：a p p l yt h ep w mh e a t i n gm e t h o d ，w h i c hu s e sm o d u l a t e d - v o l t a g e - p u l s et oh e a tt h e g a ss e n s o r s t l l i sm e t h o dc a ns u p p l ym o l es u 伍c i e n ti n _ f o r m a t i o n i n c r e a s et h ed a t ao f d y n a m i cr e s p o n s ea n dt h ed i m e n s i o n so fa n a l y z e ds a m p l e sf o rg a sr e c o g n i t i o n 5 ：o nt h ep cp l a t f o r m ，w eu s el a b v i e wt od e v e l o pad e t e c t i o na p p l i c a t i o np r o g r a m 硼1 el a b v i e wt e c h n o l o g yc a l lb ee a s i l ys t u d i e da n ds a v e u sal o to ft i m e t h es y s t e mc a na c q u i r eo ，卜5 vv o l t a g es i g n a l st h r o u g h6a n a l o gi n p u tc h a n n e l s 、衍m l2 b i tr e s o l u t i o n , a n dt h es a m p l i n gr a t eo fe v e r yc h a n n e li sa b o u t2 0 0h z a l s o ，t h e s y s t e m ，w h i c hh a sl o wc o s ta n dg o o dp e r f o r m a n c e ，h a sb e e nt e s t e da n dr e f l e c t se a s y o p e r a t i o n , g o o ds t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：l a b v i e w ：g a ss e n s o r ；d a t aa c q u i s i t i o n i i 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文而产生的权 利和责任。 弹 f )名签 月 人 手 卧卜 声伊 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适 用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者签名：弓长短 导师签名：童减 第一章绪论 1 1 课题立项的背景、意义 第一章绪论 随着社会的进步，人们越来越注意空气环境质量和食品安全，从而对气体或 气味的定性、定量检测产生了大量的需求。气体或气味的定性、定量检测在环境 保护、化工控制、家用报警、食品保鲜、航空航天和公安海关等行业和领域有着 广泛的应用价值，该方面的研究具有重要的理论意义和应用前景。 随着计算机和信息处理技术的发展，气体或气味的定性、定量检测的广泛应 用变为可能，人工嗅觉系统，亦即电子鼻系统应运而生。电子鼻系统是有选择地 将数个气敏传感器组合在一起形成气敏传感器阵列，并结合数据采集技术和模式 识别技术，以形成的高精度的气体辩识系统。因此，许多发达国家己把电子鼻列 入优先发展的研究课题。目前，电子鼻系统已在食品工业、化工、生物与环境工 程等领域开始进行研究与应用，取得了很多研究和应用成果。 电子鼻主要由气体传感器阵列、数据采集模块和模式识别模块组成。通过气 体传感器阵列来感受被测的气体或气味，并通过数据采集模块来采集电压信号， 为后续的模式识别提供有用的数据。因此数据采集系统的研制在电子鼻的研究中 具有基础而重要的意义。 在数据采集模块中，越来越多的研究者正在采用已经被广泛应用于各种数据 采集、测试场合的虚拟仪器技术。虚拟仪器技术具有方便的编程特性和对硬件良 好的控制能力，将其应用在数据采集系统中能大大简化研究成本，提高效率。 1 2 气体传感器的研究和现状 自从1 9 6 4 年报道，由w il k e n s 和h a t m a n 利用气体在电极上的氧化还原反应 研制出了第一个气体传感器，气体传感器正飞速发展，并被广泛应用于各种场合， 比如在航天、军事、环境、安全检查等领域广泛使用气体传感器进行实时气体监 测、报警，而在食品、化工等工业领域中也大量使用气体传感器进行气体、气味 鉴别。现在各国研究主要针对气体传感器研究的主要方向是如何提高传感器的敏 感度和工作性能、恶劣环境中的工作时间、以及降低成本和智能化等。 基于l a b v i e w 的阵列式气体传感器动态数据采集系统 目前已开发出的气体传感器产品有金属氧化物半导体、固体电解质、有机半 导体、石英振子、场效应、热催化、表面声波、光学气体传感器等多种形式，其 中金属氧化物半导体和固体电解质气敏传感器是主流产品，它们的产量最大、应 用最广。特别是金属氧化物半导体气体传感器，因其具有价格低廉，便于大量制 造的特点，从而得到较多的应用。日本f i g a r o 公司在1 9 6 7 年首先将s n o ：金属氧 化物半导体气敏传感器商品化，推动了电子鼻的研究。目前f i g a r o 公司生产的 气体传感器是电子鼻系统中应用最多的气体传感器之一。 传统结构的气体传感器不仅体积较大，而且功耗也很高，在很多场合无法很 好满足使用要求，为了适应市场对微型化、集成化的气体传感器的需求，研究者 们正采用微电子机械技术( m e m s ) 及厚膜、薄膜技术制造微结构气体传感器。这 种微结构气体传感器将多个敏感器件、加热单元、温度传感器、测量电极集成为 一体。国外称之为m i c r og a ss e n s o r ，或者m i c r o f a b r i c a t e dg a ss e n s o r 。 微结构气体传感器器件具有以下优点：( 1 ) 微型化；( 2 ) 低功耗( 3 ) 工作 温度可以精确测定和控制；( 4 ) 可批量生产，从而降低了成本；( 5 ) 传感器的一 致性和可靠性得到保证；( 6 ) 易与信号采集和处理电路集成而实现智能化等。国 内的中国科学院电子研究所的李建平博士等人从事了膜片型微结构气体传感器 的研制，从敏感薄膜的制备方法、工作温度调制、数据采集、特征提取及模式识 别等方面进行了系统研究。美国c a s ew e s t e r nr e s e r v eu n i v e r s i t y 的吴清海教 授也从事了m e m s 微结构气体传感器的研究。 目前气体传感器的智能化也是目前研究的方向之一，将微型传感器阵列与带 微处理器的信号处理电路结合，使传感器兼有检测、判断和信息处理功能。为了 实现信息的采集、处理和传输的协同和统一，出现了基于现场总线的智能传感器 网络，这是新的传感技术应用，智能传感器采用标准的数据通信协议，无需专门 的电路和软件就可以直接与其他设备相连接。如采用蓝牙标准的无线传感器 ( i e e e l 4 5 1 协议) 为例，它可以直接无线接入计算机互联网，使数据管理更容易， 并减少了底层的软件开发，在使用大量传感器阵列应用中，如进行多点的室内环 境气体监测方面有明显的优势。 2 第一章绪论 1 3 电子鼻的国内外研究现状 1 3 1 电子鼻的定义及概述 电子鼻是主要模拟生物嗅觉的人工嗅觉系统，因此也常被称之为“嗅觉模拟 系统 或“电子嗅觉系统 。1 9 8 9 年北大西洋公约组织召开了一次关于化学传感 器信息处理的高级专题讨论会，该会主题为嗅觉模拟及其系统设计，并第一次对 电子鼻系统作出了一个正式的定义：电子鼻由性能彼此重叠的多个气体传感器 ( 简称气体传感器阵列) 和适当模式识别方法所组成，具有识别简单和复杂气味的 能力。 电子鼻主要由气体传感器阵列、数据采集及模式识别等几大部分组成，气味 分子对电子鼻中的气体传感器阵列产生影响，输出相应的信号，输出的信号经数 据采集，然后通过模式识别系统作出判断。模拟人类和其它哺乳动物的嗅觉机理， 电子鼻的结构分为三个层次，如图1 - i 所示。 图1 - 1 电子鼻的逻辑结构 ( 1 ) 气体传感器阵列：由具有广谱响应特性、交叉灵敏度较大、对不同气 味气体灵敏度不同的气敏元件组成。通常气体传感器阵列可以采用数个单独的 气体传感器组合而成，也可以采用集成工艺制作专用的气敏传感器阵列。这种传 感器阵列利用了气体传感器所固有的“交叉敏感特性，为被测气体的检测提供 了更多的特征信息。 ( 2 ) 传感器信号采集电路：对传感器阵列产生的信号完成非电量到可测电 量的转化，进行传感器信号的放大、模数转换，得到有利于后一步分析处理的信 息，为模式识别提供原始数据。 ( 3 ) 模式识别单元：它运用一定的算法完成气味气体的定性定量识别。电 子鼻中模式识别算法有：相关方法、最小二乘法、聚类分析( c a ) 、主成分分析 3 基于l a b v i e w 的阵列式气体传感器动态数据采集系统 法( p c a ) 、偏最小二乘法、人工神经网络法( a n n ) 和模糊逻辑法等。 1 3 2 电子鼻的国外研究历史及现状 科研人员对电子鼻的研究，最早可追溯到1 9 6 1 年，当时m o n c r i e f f 制成了 一种机械式的气味检测装置。世界上第一个“电子鼻是在1 9 6 4 年，由w i l k e n s 和h a t m a n 基于气味分子在电极上发生氧化还原反应的原理上研制的。1 9 6 5 年则 报道了利用气味调制电导和利用气味调制接触电位原理研制的“电子鼻 。 2 0 世纪6 0 年代研制的“电子鼻 并非现代意义上的嗅觉模拟系统。直到2 0 世纪8 0 年代初，作为气味分类用的新型智能传感器的概念才真正被提出。1 9 8 2 年，英国w a r w i c k 大学的p e r s a u d 和d o d d 用3 个商品化的s n o ：气体传感器 ( t g s 8 1 3 ，t g s 8 1 2 ，t g s 7 11 ) 来模拟生物嗅感受器细胞，并对乙醇、乙醚、戊酸等 有机挥发气体进行了类别分析。 2 0 世纪8 0 年代末期，嗅觉模拟研究进入了快速发展时期。1 9 9 0 年在德国柏 林举行了第一届化学传感器国际学术会议，为促进嗅觉模拟技术的交流和发展， 该国际学术会议近年来每年举行一次，1 9 9 8 年7 届年会在中国北京举行。1 9 9 4 年，英国w a r w i c k 大学的g a r d n e r 和s o u t h a m p t o n 大学的b a r t l e t t 使用了“电 子鼻 这一术语并给出了定义一“电子鼻是一种由具有部分选择性的化学传感器 阵列和适当的模式识别系统组成，能识别简单或复杂气味的仪器 。 随着材料科学和制造工艺的发展，经过w a r w i c k ( 英国) 、s o u t h a m p t o ( 英 国) 、t o u l o u s e ( 法国) 和t u e b i n g e n ( 德国) 等大学的研究人员十几年的努力， 电子鼻的研究达到了一个相当高的水平。美国有许多大学( 如加州理工学院 c a l t e c h ，m a r y l a n du n i v e r s i t y ，p e n n s y l v a n i au n i v e r s i t y ，o h i os t a t e u n i v e r s i t y ，n o r t hc a r o l i n as t a t eu n i v e r s i t y 等) 和国家实验室( 如p a c i f i c n o r t h w e s t 和o a kr i d g e 国家实验室等) ，都在从事有关电子鼻的研究。 电子鼻系统在商业领域也得到快速的发展。九十年代末，已经有不少电子鼻 系统作为产品进入了市场。如英国a r o m a s c a n 公司的“数字气味分析系统纾，法 国a l p h am o s 公司的f o x2 0 0 0 系统和英国n e o t r o n i c ss c i e n t i f i cl t d 公司的 n o s e 系，这三家公司的台式电子鼻占到整个市场份额的9 0 。并在英国的威士忌 酒及烟草的检测、日本清酒的质量评定、意大利橄榄油的质量等级判别、俄罗斯 4 第一章绪论 在毒品检查等方面得到了大量的应用，有很好的效果。2 0 0 1 年c y r a n os c i e n c e s 公司已在市场上推出获得专利权的便携式电子鼻系统。经训练后，该系统能识别 单一化学品的气味。这种便携式装置具有广泛的用途，到目前为止，该仪器己成 功地用于识别出槽车中的溶剂，汽油中含有的添加剂、清洗剂、污染物、催化剂 及其它成分。据有关电子鼻市场方面的调查，其市场份额正逐年扩大。用于工业 生产线质量控制和在线检测的较大型电子鼻系统一般售价为1 0 至2 0 万美元，而 便携式电子鼻系统一般售价为5 0 0 0 美元左右。可以预见，能够广泛地运用到人 们日常生活中的小型电子鼻系统有着非常广阔的应用前景。 1 3 3 电子鼻的国内研究现状 在国内，电子鼻的研究主要集中在中国科学院电子学研究所、西北工业大学、 中国科技大学和浙江大学等。 1 9 9 9 年由西北工业大学的王磊教授主持的课题组，曾将模糊集合理论和自 组织映照神经网络相结合用于电子鼻的研究。2 0 0 1 年后，在西北工业大学的杨 建华教授指导下，王米娜和王晗分别进行了电子鼻动态特征信息处理方法的研究 和基于动态特征的便携式电子鼻系统的研究。他们采用德国j e n a s e n s o r i c e v 公 司研制的电子鼻和自行设计的实验系统，分别利用纯净空气及乙醇或葡萄酒作为 载气和分析样本，实验研究了基于金属氧化物半导体二氧化锡气体传感器阵列的 电子鼻系统的动态响应特性，并分析了电子鼻系统动态响应特性与酒类样本、样 本温度、环境湿度和样本浓度间的依赖关系。其中以葡萄酒为分析样本，初步尝 试了利用传感器温度动态响应信息和k o h o n e n 算法结合的样本定性识别方法，同 时提出了一种新的数据预处理方法一差值抵消法，结合k o h o n e n 算法使对5 种不 同品牌的葡萄酒样本的识别准确率达到1 0 0 9 6 。 而中国科学院电子学研究所的李建平博士进行了微结构气敏传感器与电子 鼻研究。在其指导下，史志存进行了电子鼻的应用研究，能区分五种不同品牌的 白酒和三种型号的汽油。同样在李建平的指导下，贾建进行了气体传感器智能测 试系统和便携式酒精检测仪的研究。 2 0 0 3 年，中国科技大学化学系的黄行九等人研究了基于单一s n 0 2 气体传感 器的动态响应的农药残余物定量分析。他们仅用一个单一的s n 0 2 气体传感器，利 基于l a b v i e w 的阵列式气体传感器动态数据采集系统 用矩形温度模式来定量分析空气中的纯农药和混合气体。实验结果表明，在 2 0 0 - 3 0 0 温度范围及2 0 m h z 的调制频率下，可得到传感器的高灵敏度。纯农药 和混合农药之间的定量分析通过f f r 得到实现。 浙江大学生物医学工程系的于鹏、陈裕泉等人于2 0 0 3 年采用动态工作温度 信号采集的方法，结合神经网络，根据两类传感器的特性，针对白酒，利用优化 的金属氧化物气体传感器阵列，进行白酒种类的鉴别实验。通过对气体传感器工 作电压的控制，使其工作温度发生周期性变化，从而更好地反映对象气体的特征。 在对茅台酒、五粮液、汾酒三种白酒进行的识别实验中，得到了9 8 的高识别率。 大连理工大学的栾淑利等人进行了电子鼻在汽车驾驶室内酒精检测的研究。 1 4 虚拟仪器的介绍 1 4 1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，简称v i ) 的概念，是美国国家仪器公司 ( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p 简称n i ) 于1 9 8 6 年提出的。虚拟仪器是由通用计 算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软 件组成的测控系统；是一种用户自定义的基于p c 技术的仪器解决方案。 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t i o n ) 是基于通用计算机的仪器，以通用的 计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。 下面的框图反映了常见的虚拟仪器方案： 被信 数 数 测号 据 据 对调 采 处虚拟仪器面板 集 象 理 理 卡 1 - 2 虚拟仪器方案 6 第一章绪论 1 4 2 虚拟仪器的特点 v i 是对传统仪器概念的重大突破，采用虚拟仪器技术的系统具有以下特点： 用户自定义功能：不使用厂商定义的、预封装好的软件和硬件，虚拟仪 器的设计者和工程师们获得了最大的用户定义的灵活性，可以使用高效且功能强 大的虚拟仪器软件来自定义采集、分析、存储、共享和显示功能； 软件是核心：v i 的硬件确定以后，它的主要功能是通过软件来实现的， 软件是v i 的灵魂； 良好的人机界面：在v i 中，测量结果的输出和表达是通过软件产生的， 并通过与传统仪器面板相似的图形界面软面板来实现； 性价比高； 扩展性强：用户可以在软件、硬件、网络三个方面进行扩展； 开发时间短：基于图形的编程，与文本语言相比，大大降低了开发的门 槛，缩短了开发的时间。 集成与组合特性：虚拟仪器的各个功能实现都是清晰的模块化组合方式， 选择不同的硬件、不同的软件模块，进行不同的组合即可达到不同的目的。 与传统的仪器相比较，虚拟仪器具有如下几点优点： 表1 - 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 仪器传统仪器虚拟仪器 功能定义厂商定义用户自己 关键技术硬件软件 费用开发和维护费用高开发与维护费用低 技术更形周期 长短 价格高低，可重用与可配置性强 开放性系统封闭、固定系统开放、灵活 连接性不易与其他设备连接容易与其他设备连接 7 基于l a b v i e w 的阵列式气体传感器动态数据采集系统 1 4 3 虚拟仪器的硬件系统 虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。 计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如普通台式计算机、便携式计算 机、工作站、嵌入式计算机等。计算机管理着虚拟仪器的硬软件资源，是虚拟仪 器的硬件基础。计算机技术在显示、存储能力、处理性能、网络、总线标准等方 面的发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展。 按照测控功能硬件的不同，虚拟仪器可分为g p i b 、y x i 、p x i 和d a q 四种标 准体系结构。 ( 1 ) 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 ) 通用接口总线 这种接口总线是计算机和仪器间的标准通讯协议。g p i b 的硬件规格和软件 协议已纳入国际工业标准i e e e 4 8 8 1 和i e e e 4 8 8 2 。它是最早的仪器总线， 目前多数仪器都配置了遵循i e e e 4 8 8 的g p i b 接口。典型的g p i b 测试系统包括一 台计算机、一块g p i b 接口卡和若干台g p i b 仪器。每台g p i b 仪器有单独的地址， 由计算机控制操作。系统中的仪器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制 软件作相应改动。 ( 2 ) v x i ( v m e b u se x t e n s i o ni n s t r u m e n t a t i o n ) 总线系统 v x i 总线系统是v m e 总线在仪器领域的扩展，是1 9 8 7 年在v m e 总线、e u r o c a r d 标准( 机械结构标准) 和i e e e 4 8 8 等的基础上，由主要仪器制造商共同制订的开 放性仪器总线标准。v x i 系统最多可包含2 5 6 个装置，主要由主机箱、“o 槽 控 制器、具有多种功能的模块仪器和驱动软件、系统应用软件等组成。系统中各功 能模块可随意更换，即插即用( p l u g & p l a y ) 组成新系统。v x i 的价格相对较高， 适合于尖端的测试领域。 ( 3 ) p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线系统 p x i 总线系统是p c i 在仪器领域的扩展，是n i 公司于1 9 9 7 年发布的一种新 的开放性、模块化仪器总线规范。其核心是c o m p a c tp c i 结构和m i c r o s o f t w i n d o w s 软件。p x i 是在p c i 内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。 p x i 增加了用于多板同步的触发总线和参考时钟、用于精确定时的星形触发总线、 以及用于相邻模块间高速通信的局部总线等，来满足试验和测量用户的要求。 ( 4 ) d a q ( d a t aa c q u i s i t i o n ) 数据采集系统 8 第一章绪论 d a q 数据采集系统指的是基于计算机标准总线( 如i s a 、p c i 、p c 1 0 4 等) 的内置功能插卡。它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活 性和扩展性。利用d a q 可方便快速地组建基于计算机的仪器，实现“一机多型一 和“一机多用 。在性能上，随着a d 转换技术、仪器放大技术、抗混叠滤波技 术与信号调理技术的迅速发展，d a q 的采样速率已达到1 g b i t s ，精度高达2 4 位， 通道数高达6 4 个，并能任意结合数字i o ，模拟i o 、计数器定时器等通道。 仪器厂家生产了大量的d a q 功能模块可供用户选择，如示波器、数字万用表、串 行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等。在p c 计算机上挂接若干 d a q 功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有若干功能的p c 仪器。 1 4 4 虚拟仪器的软件系统 虚拟仪器的软件框架从低层到顶层，包括三部分：v i s a 库、仪器驱动程序、 应用软件。以下对软件结构的主要组成部分作一下说明。 1 ：v i s a 虚拟仪器软件体系结构 v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ns o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 实质就是标准 的i o 函数库及其相关规范的总称。一般称这个i o 函数库为v i s a 库。它驻留 于计算机系统之中执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连 接，以实现对仪器的程控。它对于仪器驱动程序开发者来说是一个个可调用的操 作函数集。 2 ：驱动程序 仪器驱动程序是完成对某一特定仪器控制与通信的软件程序集。它是应用程 序实现仪器控制的桥梁。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商以源 码的形式提供给用户。 3 ：应用软件 应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观友好 的测控操作界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。 1 4 5 虚拟仪器的开发系统 虚拟仪器应用软件的编写，大致可分为两种方式： 9 基于l a b v i e w 的阵列式气体传感器动态数据采集系统 1 ) 用通用编程软件进行编写。主要有m i c r o s o f t 公司的v i s u a lb a s i c 与v i s u a l c 抖、b o r l a n d 公司的d e l p h i 、s y b a s e 公司的p o w e r b u il d e r ： 2 ) 用专业图形化编程软件进行开发。如h p 公司的v e e 、n i 公司的l a b v i e w 和 图形化的编程语言具有编程简单、直观、开发效率高的特点。 1 5 本课题主要的研究内容及文章结构 1 5 1 课题的主要研究内容 课题的目标是针对电子鼻系统，研究设计一个基于虚拟仪器的气体传感器阵 列动态数据采集系统，为电子鼻的后续的模式识别研究提供准确可靠的数据。笔 者在项目中通过大量查阅文献资料，负责课题的总体方案设计，以及各组成模块 软硬件的具体设计，并完成了系统的测试。 各项主要工作有： 1 ) 基于气体传感器原理、被测气体成分复杂性与特征气体成分的识别要 求，采用了气体传感器阵列组合，并设计了相应的信号调理电路； 2 ) 针对系统的采集参数要求及功能要求，设计一个简单有效、成本低廉的 单片机控制的数据采集板，用以代替价格昂贵的数据采集卡； 3 ) 利用l a b v i e w 的编程平台，设计p c 机上运行的虚拟仪器程序，实现对 数据采集板的控制以及数据的显示、存储功能； 4 ) 设计一个规则简单，数据通过量能满足系统要求的串口通讯协议，确保 了数据传输的准确； 5 ) 选用合适的占空比来对气体传感器阵列进行其工作电压的p 删调制，并 设计相应的液晶显示和键盘控制电路。 1 5 2 本文的文章结构 本文的文章结构为： 第一章，绪论：主要阐述论文的背景知识和意义。首先介绍了电子鼻的现实 意义，以及本数据采集系统的作用，然后介绍了电子鼻的概念、国外和国内的研 究现状，接着对虚拟仪器技术进行了简要介绍，最后介绍了课题的研究内容。 l o 第一章绪论 第二章，数据采集与转换理论：介绍数据采集原理，简要介绍了数据采集系 统的各构成部分及其功能，以及数据采集系统的分类。 第三章，系统总体设计：对数据采集系统的软件和硬件总体设计进行了概述， 确定了系统的总体方案以及其模块构成。 第四章，硬件系统设计：介绍了气体传感器阵列动态数据采集系统的硬件组 成，包括气体传感器选型、信号调理电路、模数转换模块、串口通讯模块、p w m 温度调制加热模块以及液晶显示模块，详细介绍了各个模块的设计原理以及芯片 的选型。 第五章，软件系统设计：介绍了单片机系统各个模块的软件流程以及功能实 现，串口通讯协议的设计，以及上位机虚拟仪器系统的编程。其中上位机采用 l a b v i e w 平台开发了一个集采集控制、数据显示和数据存储为一体的虚拟仪器。 第六章，试验结果及结论：介绍了对特定气体进行实验的步骤，展示、分析 了实验结果。并总结了论文所做的工作、创新之处，并对课题进行了展望。 基于l a b v i e w 的阵列式气体传感器动态数据采集系统 2 1 数据采集原理 第二章数据采集与转换理论 2 1 1 模拟量及其量化 在自然科学与工程技术上经常遇到的物理参数，诸如电流、电压、温度、压 力、流量、位移、速度、加速度电量或非电量都是模拟量。模拟量可以而且 经常在时间上也是连续的函数，如图2 - i 所示。 0模拟信号 图2 - 1 模拟信号的时间函数 为了把连续的模拟信号进行数字化处理，首先要对模拟信号按照采样定理得 要求进行等时间间隔采样，得到一系列在时域上离散的样值，如图争2 所示。 0采样信号t 1 2 第二章数据采集与转换理论 图2 - 2 采样信号的时间函数 从幅值上看，这些样值仍然是连续的。再将样值在幅值域用离散的值来近似， 即进行量化就得到了用数字量表示的样值。这样就可以对已经量化的样值进行编 码，编码的各位“1 或“0 的电平如与微机电平兼容，即代码可以被c p u 读入 并识别。所以采样、量化、编码组成了a d 转换的基本过程。 2 1 2 采样过程 采样就是周期性地测量一种连续信号，其中测量时间与测量周期相比是很小 的。把连续信号变为脉冲序列的装置成为采样器，又称采样开关。如图2 3 所示。 基于l a b v i e w 的阵列式气体传感器动态数据采集系统 f m 0 l 八 v t 7 模拟信号 j k s ( o 一 0t t o + 一 t f ( 0 s ( t ) 采样开关 图2 - 3 采样开关的工作原理 图中，采样装置的输入信号是连续信号f ( t ) ，被宽度为t 。、周期为t 的矩 形控制脉冲串s ( t ) 所调制，采样器的输出就是采样脉冲序列f ( t ) 。这个脉冲序 列的宽度也为t 。、周期为t ，所以采样过程就是从原始函数“切割 出来的不连 续函数，代替原始连续函数的过程。输出信号，( t ) 可认为是f ( t ) 在开关闭合时 的瞬时值，即脉冲序列f ( t ) ，f ( 2 t ) ，f ( n t ) 。输出信号可以看作是输入 信号f ( t ) 与s ( t ) 的乘积，即：f ( t ) = f ( t ) 木s ( t ) 。因此采样过程可用乘法器模拟。 1 4 第二章数据采集与转换理论 2 1 3 采样定理 采样定理的目的在于规定一个准则，用它来说明在什么条件下，采样得到的 信号f ( t ) 的波形与原输入信号f ( t ) 的波形间没有失真。奈奎斯特采样定理是： 对一个有限频谱( 一k f 2 f 。时，采样函数 才能不失真地恢复到原来的连续信号。 在实际系统中，严格地说，不管采样频率取得多高，都不可避免产生频谱之 间的重叠，这就会带来失真( 误差) 。然而对大多说的信号来说，幅度频谱在高 频时衰减大，大部分能量集中在某一个频带内。至于频谱取多宽，需按所要求的 精度来定，这时可以根据所需带宽选取采样频率。不过按照采样定理所得到的采 样频率是理想的下限值，工程上所取的采样频率要比这个数值大很多倍。例如， 工业控制中一般取f 。= ( 2 5 3 ) k ，而在计算机数据处理或者数字仿真系统中， 则往往取f 。= ( 1 0 1 0 0 ) f 。 2 1 4 使用抗混频滤波器 对输入信号进行采样的采样频率是最重要的参数之一。采样频率决定了模数 转换( a d ) 的频率。较高的采样频率意味着在给定时间内采集更多的点，所以 可以更好地还原原始信号。而采样频率过低则会导致信号畸变。图2 4 和图2 5 显示了一个信号分别用充分的采样率和过低的采样率进行采样的结果。采样频率 过低的结果是还原信号的频率看上去与原始信号不同，这种信号畸变叫做混频。 图2 - 4 充分采样率时的信号 图2 - 5 过低采样率的采样结果 1 5 基于l a b v i e w 的阵列式气体传感器动态数据采集系统 根据奈奎斯特定理，为了防止发生混频，最低采样频率必须是信号频率的两 倍。如果信号频率高于奈奎斯特频率，信号将在直流和奈奎斯特频率之间畸变。 混频偏差( a l i a sf r e q u e n c y ) 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。假设采样频率是l o o h z ，再假设输入信号还含有频率为2 5 h z ， 7 0 h z ，1 6 0 h z 和5 1 0 h z 的成分，采样的结果是：低于奈奎斯特频率( l 2 = 5 0 h z ) 的信号可以被正确采样；而频率高于奈奎斯特的信号采样时会发生畸变。例如， f 。( 2 5 h z ) 显示正确，而在分别位于3 0 h z 、4 0 h z 和l o h z 的f 2 、f 3 和r 都发生了 频率畸变。 计算混频偏差时需要用到下面这个等式： 混频偏差= a b s ( 采样频率的最近整数倍一输入频率) ，其中a b s 表示“绝对 值 。例如： 混频偏差f 2 = i1 0 0 - 7 0i = 3 0 h z ； 混频偏差f 3 = 1 2 1 0 0 - 1 6 0 i = 4 0 h z ； 混频偏差r = i5 1 0 0 - 5 1 0i = l o h z 。 采样率应当设成d a q 板支持的最大频率。但是，长期使用很高的采样率可能 会导致没有足够的内存或者硬盘存储数据。图2 - 6 显示了采用不同的采样频率的 效果。在例a 中，对一个频率为f 的正弦波形进行采样，每秒采样数与每秒周期 数相等，也就是一个周期采样一次，还原的波形出现了畸变，成了一个直流信号。 如果把采样率增大到每四个周期采样七次，即采样频率是7 4 f ，如例b 所示， 波形的频率提高了，频率畸变比原始信号要小( 3 个周期) 。如果把采样频率增 加到2 f ，那么转换后的波形具有正确的频率( 与周期数相同) ，并可以还原成原 始波形，如例c 所示。对于时域下的处理，可能需要您提高采样率以接近于原始 信号。通过把采样率提高到足够大，例如f 。= l o f ，或者每周期采样1 0 次，就可 以正确地复原波形。 1 6 第二章数据采集与转换理论 t，、， ，、， ：j ： ： ： ： 图2 - 6 各种采样率的效果 根据上面的讨论我们已经了解到，信号的最高稳定频率必须小于或者等于采 样频率的一半。但是在实际应用中，即使已经确定被测的信号有一个最大的频率 值，杂散信号( 例如来自于输电线路或者当地广播电台的干扰) 可能会带来比奈 奎斯特频率高的频率。这些频率很可能会混杂在需要的频率范围中，导致错误。 为了保证输入信号的频率全部在给定范围内，需要在采样器和a d c 之间安装 一个低通滤波器( 可以通过低频信号但是削弱高频信号的滤波器) 。因为它通过 对高频信号( 高于奈奎斯特信号频率) 进行削弱，减少了混频信号的干扰，所以 这个滤波器被称为抗混频滤波器。这个阶段数据仍然处于模拟状态，所以抗混频 滤波器是一个模拟滤波器。一个理想的抗混频滤波器如图2 7 所示： 图2 - 7 抗混频滤波器 抗混频滤波器通过了所有需要的输入频率( 低于f 1 ) ，并过滤了所有不需要 1 7 基于i 卫b v i e w 的阵列式气体传感器动态数据采集系统 的频率( 高于f i ) 。但是，这样的滤波器实际上并不可能实现。实际应用中的抗 混频滤波器如图b 所示。它们通过所有低于f 。的频率，并过滤所有高于f ：的频 率。f 。和f 2 之间的区域被称为过