（检测技术与自动化装置专业论文）煤矿井下环境参数虚拟仪器测试系统研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 煤矿井下环境参数虚拟仪器测试系统研究 检测技术与自动化装置 周文妹( 签名) 朱华( 签名) 摘要 隐 坤 。火巧卜 洋。 近年来我国煤矿事故频繁发生，造成重大经济损失和人员伤亡，现今的国内煤矿环 境参数测试系统主要存在三大问题：一是传输速率低、实时性差；二是现有的传感器不 同程度的存在精度差、可靠性不高、抗干扰能力差的缺陷；三是信息处理手段落后，不 能综合处理各种环境参数，对矿井环境的实时监测数据不准确，造成失误。为了解决以 上问题，在传统的矿井监测手段基础上，利用更加先进、更有优势的技术来构造井下安 全测试系统是必然的发展趋势。 本文提出了采用下位机现场监控、c a n 现场总线通信、上位机集中管理的环境参 数测试系统的设计。该系统将现代化的微机测试技术和传统的测试理论相结合，采用 l a b v i e w 图形化编程语言，模块化方法设计开发，增强了系统的实时性、可靠性、稳 定性。该测试系统通过对瓦斯浓度和温度数据的采集与处理、数据库管理和报表生成等 功能子模块实现了这两者的实时显示、分析、存储、查询等功能。 上位机设计了六大模块：( 1 ) 参数设置模块；( 2 ) 数据采集处理模块；( 3 ) 曲线显示模 块；( 4 ) 超限报警模块；( 5 ) 数据存储查询模块；( 6 ) 报表打印生成模块。各模块均采用 l a b v i e w 语言编写，设计出操作简单、可靠性高、可维护性好、具有交互式的图形界 面的测试系统。该系统主要功能如下：( 1 ) 进行程序控制；( 2 ) 监视测试过程；( 3 ) 记录、 整理并分析测试结果；( 4 ) 在测试过程中，通过相关界面显示测试信息，了解系统运行状 态。 经实验验证，煤矿井下环境参数虚拟仪器测试系统满足了所要求的各种性能指标， 该系统为其它测试系统的开发提供了应用方案，在工程中可以直接使用。 关键词t 环境参数测试系统；虚拟仪器；l a b v i e w ；c a n 总线 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho nv i r t u a li n s t r u m e n t st e s ts y s t e mo fc o a lm i n e e n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r s s p e c i a l t y ：d e t e c t i n gt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i o ne q u i p m e n t n a m e ：z h o uw e n m e i i n s t r u c t o r ：z h uh u a a b s t r a c t ( s i g n a t u 他) 至缸型亟趟 ( s i g n a t u r e ) 邀丝垒 i nr e c e n ty e a r s ，a c c i d e n t so f t e nt o o kp l a c ei nc o a lm i n e s t h e r e f o r e ，t h e r ew e r eg r e a t f m a n c i a ll o s s e sa n dm a n yw o r k e r sl o s tt h e i rl i f e a n dt h e r ea r em a i n l yt h r e ed i s a d v a n t a g e si n t h ep r e s e n tt e s ts y s t e m f i r s to fa l l ，d a t aa l et r a n s m i t t e dw i t hal o ws p e e d s e c o n d l y , p r e s e n t s e n s o r sa r en o ta c c u r a t ee n o u g h ，n o ts t a b l ee n o u g ha n dt h e yc a n tr e s i s ti n t e r f e r e n c ee n o u g h t h i r d l y , m e a n so fp r o c e s s i n gi n f o r m a t i o na r en o ta d v a n c e de n o u g hi nt h ep r e s e n ts y s t e m ，a n d a l lk i n d so fe n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r sc a n tb ep r o c e s s e d c o m p r e h e n s i v e l y t h e r e f o r e ， r e a l t i m em o n i t o r i n gd a t aa r en o ta c c u r a t ea n dm i s t a k e sm a yb ec a u s e d b a s e do nt h e d i s a d v a n t a g e sa b o v e ，i ti sa ni n e v i t a b l ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yt od e v e l o pas e c u r i t ys y s t e m u s i n gm o r ea d v a n c e dt e c h n i q u e s i nt h ep a p e r , ad e s i g np r o j e c to fm e a s u r i n ge n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r si sp u tf o r w a r d i n t h ep r o j e c t ，l o w e rc o m p u t e r sm o n i t o rd e v i c e so nt h e s p o t ，a n du p p e rc o m p u t e r sa r e r e s p o n s i b l ef o rc e n t r a la d m i n i s t r a t o r s a n dc o m m u n i c a t i o n sa r er e a l i z e du s i n gf i e l db u s i nt h e p r o j e c t ，m o d e mm e a s u r i n gt e c h n i q u eo fp ci sc o m b i n e dw i t ht r a d i t i o n a lm e a s u r i n gt h e o r y , t h ep r o j e c ta d o p t sm o d u l a r i z a t i o nd e s i g nm e t h o d su s i n gl a b v i e wg r a p h i cp r o g r a m m i n g l a n g u a g e t h e r e f o r e ，t h er e a l t i m ep e r f o r m a n c e ，r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yc a nb eg u a r a n t e e d i nt h es y s t e m ，t h ed e n s i t yo fg a sa n dt e m p e r a t u r ec a nb ed i s p l a y e di nt i m e ，a n a l y z e d ，s t o r e d a n di n q u i r e db yr e a l i z i n gs e v e r a ls u b m o d u l e ss u c ha sa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n go fg a s ， d a t a b a s ea d m i n i s t r a t i o na n dg e n e r a t i n gr e p o r t sa n ds oo n i nt h eu p p e rc o m p u t e r , s i xm o d u l e sa l ed e s i g n e d ，t h e ya r em o d u l e so f p a r a m e t e r ss e t t i n g ， d a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g ，c u r v ed i s p l a y i n g ，o v e r l i m i t sw a r n i n g ，d a t as t o r e da n d i n q u i r e da n dg e n e r a t i n gr e p o r t sa n dp r i n t t h es y s t e mi sr e a l i z e db yu s i n gl a b v i e wl a n g u a g e a n dt h e r ea r em a n ya d v a n t a g e ss u c ha se a s yo p e r a t i o nm e t h o d s ，h i g hr e l i a b i l i t y , e a s y m a i n t e n a n c e ，i n t e r a c t i v eg r a p h i c a li n t e r f a c e s t h es y s t e mm a i n l yr e a l i z e sf u n c t i o n sa sf a l l o w s ， p r o g 豫n 1 c o n t r o l 二 m o n i t o r i n gp r o c e s s e so fm e a s u r i n g ； r e c o r d i n g ，s o r t i n ga n da n a l y z i n g m e a s u n n gr e s u l t s ；d i s p l a y i n gm e a s u r i n gi n f o r m a t i o nb yv i r t u eo fr e l a t i v e i n t e r f a c ei nt b e p r o c e s so fm e a s u r i n ga n d m a s t e r i n go p e r a t i n gs t a t u so ft h es y s t e m i t1 st u r n e d o u tt h a t v i r t u a li n s t r u m e n t st e s t s y s t e mo fc o a lm i n ee n v i r o 啪e n t a l p a 咖n e t e r si s s a t i s f a c t o r y t h es y s t e mp r o v i d e sa ne x c e l l e n t d e s i g np l r o j e c tf o ro t h e r m e a s u r e m e ms y s t e m sa n di tc a nb eu s e di ne n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：m e a s u r e m e n ts y s t e mo fe n v i r o n m e n t a lp a r 锄e t e r s r t u a li n s t m m e m s l a b v i e wc a nb u s t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 娄料技大孥 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名彳虱炙女禾日期：沙口夕幺7 学位论文知识产权声明书 本入完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位做作者躲风斟指导教师虢 年乡形e t 1 绪论 1 1 研究背景及意义 1 绪论 煤炭是我国经济建设的基础能源和重要工业原料，关系到国民经济发展的全局。由 于煤炭生产方式的特殊性，要求煤炭生产在满足国民经济发展需要的同时，必须保证生 产安全。国家也发出相关文件，要求提高矿山生产系统的信息化水平，着力建设数字化、 智能化、无人化矿井。随着煤矿开采规模的扩大和深度的不断延伸，煤层瓦斯涌出量越 来越大，高瓦斯矿井以及安全上的隐患也越来越多【l 】。虽然国家高度重视煤矿安全生产， 但是安全事故依然频频发生。 煤矿生产安全事故，特别是重特大事故频繁发生。据国家安全生产监督管理总局的 统计数字显示，2 0 0 8 年全年，全国煤矿事故死亡人数达到7 2 4 人，在这些事故中，绝大 多数事故均是由瓦斯爆炸引起的。因此，对井下的瓦斯浓度、风速、温度和一氧化碳浓 度的实时、准确的测量是整个煤矿安全监测系统的关键。 瓦斯浓度超标是引起瓦斯爆炸的主要原因，加强对这些指标的监测，及时采取措施， 使指标维持在安全生产的范围之内，是避免事故发生的最有效的方法。煤矿安全监控系 统正是为了解决以上问题而产生的。煤矿安全监控是计算机、通信、控制技术相互交叉 的学科，与矿山的生产环节密切相关，其研究目的是对矿井上、下的机电设备运行状态 进行监测，用计算机对采集的数据进行处理，对设备、局部生产环节或过程进行控制。 其主要功能是能够及时、准确地反映各类所需要的监测信息，从而完成对瓦斯浓度、温 度、风速和一氧化碳浓度等环境参数及设备开停等不同监测对象的监测，以保证矿井的 正常运行。 但是，目前的国内煤矿监控系统，主要存在三大问题1 2 ：一是传输速率低、实时性 差；二是现有的传感器不同程度的存在精度差、可靠性不高、抗干扰能力差的缺陷；三 是信息处理手段落后，不能综合处理各种环境参数，对矿井环境的实时监测数据不准确， 造成失误。鉴于以上原因，研究一种新型的动态参数测试系统势在必行。 现有的集散控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 大多为模数混合系统，由于采 用单一信号传输，故可靠性差，互操作性差，不能很好的对现场设备进行实时控制。现 场总线控制系统f c s ( f i e l dc o n t r o ls y s t e m ) 是一种分布式的网络自动化系统。d c s 系统 采用d a 与a d 转换实现模拟信号的传送，而f c s 系统采用的是数字化通信，省去了 d a 与a d 转换，提高了精度。 d c s 采用独家封闭的通信协议，给用户的系统集成和应用造成了不便，制约了信息 的集成化。f c s 是开放式系统，采用了一套标准的通信协议，把测控设备和控制系统完 美的结合在一起。从而使设备之间的互操作变得方便、快捷，达到了最佳的系统集成。 西安科技大学硕士学位论文 d c s 采用多级分层网络结构、点对点的接线方式，它集多种功能于一台计算机上 无论是软件、硬件系统都十分庞大。多种功能往往需要多实时任务去完成，因而效率不 高。f c s 用一根通信电缆同时连接多台设备，形成真正分散在现场的完整的控制系统， 做到了彻底的分散控制，使系统的灵活性和可靠性都提高了。 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 概念【3 j 1 4 j 是由美国国家仪器( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s ，简称n i ) 公司在1 9 8 6 年提出的。尽管迄今为止虚拟仪器还没有一个统一的 定义，但是一般认为【5 j ：虚拟仪器是在p c 基础上通过增加相关硬件和软件而成的、具 有可视化界面的可重用测试仪器系统。它是虚拟现实在仪器仪表领域的一个重要应用， 目f j 已在国际上兴起。虚拟仪器是以多媒体计算机为基础，使用图形界面编程技术，模 拟实际仪器的面板、功能和操作，从而完成各种任务的专用仪器。 虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测 试、测量和自动化的应用【6 】。灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面，模 块化的硬件能方便的提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应 用的需求。 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，控制局域网) 总线 】是一种以多主站工作方式、非常 适合于分布式的控制系统，且具有很高的实时性和可靠性，因此c a n 总线非常适用于 构建煤矿安全监控系统。 鉴于以上诸多因素，本课题提出了采用下位机现场监控、c a n 现场总线通信、上 位机集中管理的环境参数测试系统的设计。该系统将现代化的微机测试技术和传统的测 试理论相结合，采用l a b v i e w 图形化编程语言，模块化方法设计开发，增强了系统的 实时性、可靠性、稳定性。该测试系统通过对瓦斯浓度和温度数据的采集与处理、数据 库管理和报表生成等功能子模块实现了这两者的实时显示、分析、存储、查询等功能。 该系统能够实时跟踪井下参数的变化，并根据其变化采取相应的措施，这在煤矿生产的 测试和监控系统的性能改善方面将会有重大意义。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 国外煤矿环境参数测试系统发展现状 国外煤矿环境参数测试技术是2 0 世纪6 0 年代开始发展起来的，至今已经有四代产 品，基本上是5 - l o 年更新一代产品，从技术特性看，主要是从信息传输发生的进步来 划分测试系统发展阶段的【引。 第一代煤矿测试系统采用空分制来传输信息。6 0 年代中期英国煤矿的运输机制、日 本煤矿中的固定设备控制大都采用这种技术。波兰在7 0 年代从法国引进技术推出了可 测瓦斯浓度、一氧化碳浓度、风速、温度等参数共1 2 8 个测点的c m c 1 系统。 煤矿测试技术的第二代产品的主要技术特征是信道频分制技术的应用。其中最具代 表性且至今仍有影响的是西德s i e m e n s 公司的t s t 系统和f + t 公司的t f 2 0 0 系统。 2 1 绪论 第三代煤矿测试技术的主要特征是时分制系统的应用，发展较快的是英国。1 9 7 6 年，英国煤矿研究院推出了以时分制为基础的m i n o s 煤矿监测系统，并在胶带输送、 井下环境测试、供电供水监测等方面取得成功，形成了全矿井监测监控系统，它的应用， 开创了煤矿自动化技术和煤矿监测技术发展的新局面。 到了8 0 年代，美国率先把计算机技术、大规模集成电路技术、数据通信技术等现 代高新技术用于煤矿监测系统，这就形成了以分布式微处理机为基础的第四代煤矿监测 系统，其中代表性的是美国m s a 公司的d a n 6 4 0 0 系统。 1 2 2 国内煤矿环境参数测试系统发展现状 我国煤矿监测技术应用较晚，2 0 世纪8 0 年代初，原煤炭部组织了对国外煤矿监测 技术进行了大规模的考察和引进工作，先后从波兰、法国、德国、英国等引进了一批安 全监测系统，装备了部分煤矿；在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿实际情 况，研制出k j 2 ，4 等系统并通过了鉴定，9 0 年代以来，紧跟世界监测系统的发展潮 流，研制开发了一批具有世界先进水平的监测系统，如k j 9 0 ，k j 9 5 ，其主要特点是： 监控分站的智能化水平进一步提高；具有网络连接功能；系统软件采用了w i n d o w s 操 作系统【8 j 。 综合评价我国现有煤矿监测系统及配套传感器等设备的现场应用效果，煤炭科学院 重庆分院的k j 9 0 、天地科技股份公司常州自动化分公司的k j 9 5 、煤科院抚顺分院的 k j f 2 0 0 0 等系统无论在软硬件功能、稳定性和可靠性、专业技术服务能力、企业性质和 生产规模等方面基本代表了我国煤矿监测系统的技术水平。 1 3 本论文研究的主要内容 本论文主要是设计一套井下环境参数虚拟仪器测试系统，用于检测矿井下的瓦斯浓 度、温度等，并在参数异常时发出声光报警、断电等措施。其主要工作有以下几个方面： ( 1 ) 研究设计环境参数测试系统的总体方案，系统采用灵活可靠的总线结构。 ( 2 ) 下位机采用模块化设计思想，设计瓦斯浓度测量模块、温度测量模块、控制模块 和通信模块。 ( 3 ) 利用p r o t e l9 9s e 软件完成各模块的硬件电路设计。 ( 4 ) 利用s i l i c o nl a b o r a t o f i e si d e 软件开发各硬件模块的单片机程序。 ( 5 ) 上位机利用l a b v i e w 图形化开发软件，对整个系统进行设计，测试系统向用户 提供了一个良好的人机界面。 ( 6 ) 通过对井下环境参数测试系统进行模拟环境测试，给出测试结果，分析了设计中 出现的一些问题，并给出了解决方案。最后，对本论文工作做了总结，并指出论文的不 足和将来的工作方向。 3 西安科技大学硕士学位论丈 2 虚拟仪器技术 2 1 虚拟仪器技术国内外研究现状及其发展方向 虚拟仪器是在计算机基础上通过增加相关硬件和软件构建而成，具有可视化界面的 仪器，它可使任何一个用户方便灵活的用鼠标或按键在计算机显示屏幕上操作虚拟仪器 软面板的各种“旋钮”进行测试工作；并可以根据不同的测试要求，通过窗口切换不同 的虚拟仪器，或通过修改软件来改变、增减虚拟仪器系统的功能与规模【5 j 。 2 1 1 国内外虚拟仪器研究动态 自从1 9 8 6 年n i 公司提出虚拟仪器的概念至今，研究人员在虚拟仪器的硬件接口、 虚拟仪器软件及其设计方法等方面做了许多有意义的研究工作，并已开发了许多实用的 虚拟仪器系统【6 j 【9 j 。 ( 1 ) 各种虚拟仪器开发平台为虚拟仪器的推广应用奠定了基础 美国n i 公司推出了图形化虚拟仪器专用开发平台l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a l i n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，实验室虚拟仪器工程平台) 是目前应用范围最广、功 能最强大的虚拟仪器主流开发平台。美国h p 公司的h pv e e 、t e k t r o n i s 公司的e zt e s t 等平台软件也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台。 ( 2 ) 软件工程领域的新方法新理论在虚拟仪器设计中得到广泛应用 面向对象技术、a c t i v e x 技术、组件技术等被广泛用来进行虚拟仪器的测试分析软 件和虚拟界面( 控件) 软件设计，出现了许多数据处理高级分析软件和大量的仪器面板控 件，这些软件为快速组建虚拟仪器提供了良好的条件。 ( 3 ) 虚拟仪器开发向标准化方向发展 在1 9 9 8 年9 月成立了i v i ( 交互式虚拟仪器) 基金会。目前，该组织已经制订了示波 器数字化仪、数字万用表、任意波形发生器函数发生器、开关多路复用器矩阵及电源 等五类仪器的规范。i v i 制订的虚拟仪器统一规范，提升了仪器驱动软件标准化水平。 ( 4 ) 虚拟仪器网络化、智能化初见端倪 伴随网络技术的高速发展，出现了以网络为基础、虚拟仪器为核心的“虚拟实验室 ( v i r t u a ll a b o r a t o r y ) ”的概念。 ( 5 ) 采用接口总线组建复杂虚拟仪器系统 虚拟仪器的突出成就不仅是可以利用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，组建不同规模的自测试系统。目前，虚拟仪器系统开 发采用的总线包括传统的r s 2 3 2 串行总线、通用接口总线、v x i ( v m e b u se x t e n s i o n sf o r i n s t r u m e n t a t i o n ) 总线，以及已经被p c 机广泛采用的u s b 通用串行总线和i e e e1 3 9 4 总 4 2 虚拟仪器技术 线。美国n i 公司在1 9 9 7 年9 月1 日推出了与c o m p a c t p c i 完全兼容的系统p x i p o i ( p c i e x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) ，这种虚拟仪器模块化主流平台p x i c o m p a c tp c i 的传输 速度已经达到1 0 0 m b s ，是目前已经发布的最高传输速度。 国内虚拟仪器研究的起步较晚，最早的研究也是从引进消化n i 的产品开始，但是 经过多年研究，我国已经在虚拟仪器开发方面形成了自己的特色。国家自然科学基金委 员会已将虚拟仪器研究作为现代机械工程科学前沿学科之一，并被列为“十五”期间优先 资助领域。虚拟仪器赖以生存的p c 机最近几年以极高的速度在我国发展，这些都为虚 拟仪器在我国的普及奠定了良好的基础。因此，我国的虚拟仪器存在巨大的发展潜力。 但是，国内虚拟仪器行业至今还没有形成具有自主知识产权的虚拟仪器核心开发技术， 也没有相关的行业标准。虚拟仪器产业无论在规模还是在质量上都难以与国外同行匹 敌，国外虚拟仪器产品几乎垄断了国内的市场。加入w t o 以后，我国虚拟仪器行业面 临的形势更加严峻。 2 1 2 虚拟仪器发展方向 虚拟仪器中，计算机是载体，软件是核心，高质量的a d 采集卡及信号调理器是关 键。随着计算机技术、微电子技术、仪器技术、网络和通信技术的不断完善，虚拟仪器 技术将向着以下三个方向发展【l l 】【1 2 】【1 3 】。 ( 1 ) 外挂式虚拟仪器 外挂式虚拟仪器就是将测量到的物理信号通过预处理，转换为所需要的数字信号 后，再由一根串口线或者u s b 线传给计算机处理，这样既减少了板卡的拆装过程，也 节约了计算机的系统资源，只需运行相配套的软件即可得到想要的结果。 ( 2 ) p x i 型高精度集成虚拟仪器测试系统 p x i 平台基于p c i ，所以它固有p c i 的一些优点：较低的成本，不断提高的性能， 以及为最终用户提供主流软件模型。但其高度的可扩展性和良好的兼容性将使它成为未 来大型高精度集成测试系统的主流虚拟仪器平台。 ( 3 ) 网络化虚拟仪器 随着i n t e r a c t 技术的发展，虚拟仪器向网络化发展。利用网络技术将分散在不同地 理位置不同功能的测试设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享， 不仅让人们能够轻而易举的得到自己需要的测试数据，还能带来巨大的效益。 现在，有关m c n ( m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ln e t w o r k s ，测控网络) 方面的标准正在积 极进行，并取得了一定的进展。由此可见，网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。 2 2 虚拟仪器技术组成及其特点 虚拟仪器系统利用各种仪器驱动程序和实用软件包，实现对各种仪器的编程控制， 完成数据的采集、传输和分析处理。图2 1 是虚拟仪器的基本组成单元。 5 西安科技大学硕士学位论文 传 信数 测量& 测 数 感 号据 控制 量 据 器 调采 硬件 软 显 信 号 理集 驱动 件 不 图2 1 虚拟仪器的基本组成单元【9 1 2 2 1 虚拟仪器技术的三大组成部分 ( 1 ) 高效的软件一它是虚拟仪器最为核心的技术【1 1 】【1 2 j 。 通过修改程序可实现功能完全不同的各种测量测试仪器，以满足各种不同的需求。 n i 公司提供的行业标准图形化编程软件l a b v i e w ，把复杂、费时的语言编程简化成用 简单的图标提示的方法选择功能( 或图形) ，并用线条把各种图形连接起来的简单图形编 程方式，使得不熟悉编程的工程技术人员都可以按照测试要求和任务快速的“画”出自己 的程序，不仅可以轻松方便的完成与各种软硬件的连接，更能提高强大的后续数据处理 能力，设置数据处理、转换、存储的方式，并将结果按自己的要求显示出来。 虚拟仪器系统的软件从底层到顶层可分为三个层次，即是输入输出( i o ) 接口软件、 仪器驱动程序、应用软件开发环境，如图2 2 所示。 应用软件开发环境 仪器驱动程序 输入输出( i o ) 接口软件 图2 2 虚拟仪器的软件构成框图1 1 4 j 输入输出接口软件是完成对仪器内部的寄存器单元进行直接存取数据的操作，为 仪器与取代程序提供信息传递的底层软件，是测试系统的基础。它提供了统一基础和函 数的库即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 ，虚拟仪器软件结构) 库， v i s a 库实质是标准的i 0 函数库及其相关规范的总称，它存在于仪器( 即i o 接口设备) 与仪器驱动程序之间，是一个为仪器与仪器驱动提供信息传递的底层软件，是实现开放 的、统一的虚拟仪器系统的基础与核心。 仪器驱动程序，对于数据的采集与控制，由于涉及到硬件操作，需要相应的硬件 驱动程序。驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序的集合，是连接应 用程序和v i s a 库的桥梁，每一个仪器模块给用户，用户在应用程序中可以方便的调用 其它仪器取得程序，而不必自己设计。 应用软件，它是建立在仪器驱动程序之上，由用户编写，通过提供直接友好的测 6 2 虚拟仪器技术 控操作界面，丰富的数据分析与处理功能来完成自动测控任务。目前，虚拟仪器的应用 软件开发环境主要有两种：一种是基于传统的文本语言式的软件开发环境，主要有 l a b w i n d o w s c v i 、v c + + 、v b 、d e l p h i 等；另一种是基于图形化语言的开发环境，主要 有n i 公司的la _ b v i e w 、h p 公司的h p v e e 等。 ( 2 ) 模块化的i o 硬件 硬件接口电路与计算机构成了虚拟仪器的硬件。计算机是虚拟仪器的核心，主要完 成数据处理和结果的显示，硬件接口电路主要完成被测输入信号的采集、放大、模数转 换，根据构成虚拟仪器的接口总线不同，主要可分为以下六种构成方案，如图2 3 所示。 测信号调理数据采集卡 控 一 l l l l i l l 对 1 7 l g p i b 接口仪器 1 1r | g p i b 接口卡1 1 7 计 l ll l 象 1 7 l 串行口仪器p l c 1 1 7 及 算 i 一 - i 传 v x i 仪器 感 机 p x i 仪器 器 现场总线设备 图2 3 虚拟仪器的硬件构成框刚1 4 l 基于数据采集卡的虚拟仪器，它是以信号调理电路【1 5 1 、数据采集【l 叫( d a t a a c q u i s i t i o n ，简称d a q ) 卡及p c 机为仪器硬件平台，采用p c i 或i s a ( i n d u s t r ys t a n d a r d a r c h i t e c t u r e ，工业标准结构) 计算机本身的总线，将d a q 直接插入此机的相应标准的总 线扩展插槽即可，因此这种虚拟仪器又称p c d a q p c i 插卡式虚拟仪器。 基于通用接口总线g p i b 接口的虚拟仪器，它是以g p i b 接口仪器、g p i b 接口卡及 p c 机为仪器硬件平台，g p i b 仪器具有独立的仪器操作界面，可以脱离计算机使用，也 可以通过标准g p i b 电缆连接计算机实施程序控制。 基于串行口仪器的虚拟仪器，它是由s e r i a l 标准总线仪器及p c 机为仪器硬件平台， 符合r s 2 3 2 r s 4 2 2 标准的p l c 和单片机系统。 基于v x i 仪器的虚拟仪器，它是以v x i 标准总线仪器模块及p c 机为仪器硬件平台， 由主机箱、控制器和仪器模块构成。 基于p x i 仪器的虚拟仪器，它是以p x i 1 7 】f 1 8 】标准总线仪器模块及p c 机为硬件平台， 在p c i 总线内核技术上增加多板同步触发总线和参考时钟规范和要求形成。 基于现场总线设备的虚拟仪器，它是以f i e l db u s 标准总线仪器及p c 机为仪器的硬 件平台。 上述几种方案中，g p i b 、v x i 、p x i 方案主要适合构成大型高精度集成测试系统； 7 西安科技大学硕士学位论文 p c i d a q p c i 、串行口方案主要适合构成大规模的网络测试系统，如测试任务需要，也 可将上述几种方案结合构成混合测试系统。 ( 3 ) 用于集成的软硬件平台 n i 公司首先提出的专为测试任务设计的p x i 硬件平台，已经成为当今测试、测量和 自动化应用的标准平台，它的开放式架构，灵活性和p c 技术的成本优势为测量和自动化 行业带来了一场翻天覆地的改革。 p x i 作为一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，内建有 高端的定时和触发总线，再配以各类模块化的i o 硬件和相应的测试测量解决方案。无 论是面对简单的数据采集应用，还是高端的混合信号同步采集，p x i 以较紧实的机构设 计、较快的总线速度，以及较低的价格，提供了量测与测试设备一种新的选择【1 9 1 。 2 2 2 虚拟仪器技术的四大特点 ( 1 ) 性能高 虚拟仪器技术是在p c 技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的 p c 技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件i 0 ，工程师在数 据高速倒入磁盘的同时就能实时的进行复杂的分析。 ( 2 ) 扩展性强 由于虚拟仪器软件的灵活性，用户只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件 投资和极少的、甚至无需软件上的升级就可以改进整个测试系统。 ( 3 ) 开发时间少 在驱动和应用两个层面上，虚拟仪器高效的软件架构能与计算机、仪器仪表和通讯 方面的最新科学技术结合在一起。 ( 4 ) 软件与硬件无缝连接 虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。虚拟仪器软件平台的发展趋势 就是为所有的i 0 设备提供了标准的接口，例如数据采集、视觉、运动和分布式i o 等， 帮助用户轻松的将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。决定虚拟仪器 具有上述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【l3 l 。 鉴于虚拟仪器有以上一些特点，它在现代测控系统中更灵活、更紧凑、更经济、功 能更强大。无论是在测量、测试、计量或是工业过程控制和分析处理，还是涉及其它更 为广泛的测控领域，选用虚拟仪器都是理想的解决方案。 2 3 本章小结 本章主要介绍了虚拟仪器的国内外研究现状及其发展方向，重点讲解了虚拟仪器技 术的三大组成部分，包括高效的软件、模块化的i o 硬件和用于集成的软硬件平台，并 介绍了其性能高、扩展性强、开发时间少、软硬件无缝连接等四大特点。 8 3 煤矿环境参数测试系统的建立 3 煤矿环境参数测试系统的建立 3 1 测试系统设计要求 该测试系统对矿井下的环境状况进行监测，最终实现的功能包括： ( 1 ) 各种环境参数的采集：包括瓦斯浓度、温度、风速、一氧化碳浓度等。 ( 2 ) 各种参数的显示：采集到的各种参数要在上位机上显示，包括实时参数显示和历 史数据显示；通过曲线图和虚拟仪表可以观察每路参数的实时趋势和历史趋势，可以很 直观的观察所有的数据。 ( 3 ) 超限报警：当检测到某一个参数超限时，系统发出报警信号，同时做出相应的处 理。 ( 4 ) 数据库管理：对采集到的各种数据进行数据库管理，我们可以通过l a b s q l 语句 进行存储和查询。 ( 5 ) 报表生成：将采集到的各种数据生成报表，也可打印。 ( 6 ) 网络发布v i ：通过i n t e m e t 网络，将v i 发布出去，使用户可以在远程看到该测 试系统的执行情况。 测试系统技术指标如下： ( 1 ) 系统容量 系统可以挂接2 0 个中继器，每个中继器下又可以挂接5 0 个节点。 ( 2 ) 信息传输 c a n 总线的最高传输速率为1 m b p s ，本系统考虑煤矿实际情况，采用 1 0 k b p s ( 2 0 k b p s 的传输速率下，节点距离3 3 0 0 m 收发不成功【2 0 1 ) 的传输速率，传输介质 为矿用专用信号电缆； 以太网传输速率为i o m i o o m 。 ( 3 ) 巡检时间 根据煤矿实际，本系统的最大巡检时间 3 0 s 。 ( 4 ) 传输距离 上位工控主机到中继器之间的最大传输距离是3 3 0 0 m ； 中继器到智能传感器之间的最大传输距离是3 3 0 0 m 。 3 2 测试系统总体结构设计 煤矿井下环境参数测试系统是针对目前国内煤矿的环境参数( 包括瓦斯浓度、温度、 风速、一氧化碳浓度等) 进行设计的。它负责对矿井下的各项环境参数进行采集、分析、 9 西安科技大学硕士学位论文 处理，采集井下瓦斯浓度、温度、风速等参数，当任何一个参数超出设定范围时，发出 报警信号并做出相应的处理，比如断电。 为了保证系统的可靠稳定，本系统采用模块化设计方案。系统由以下几个部分组成： 检测电路模块、智能节点电路模块( 包括智能温度传感器模块、智能瓦斯传感器模块、 智能风速传感器模块、智能一氧化碳传感器模块) 、通信接口模块、上位机显示、报警、 查询、打印等模块。 本课题基本设计思想是“上位机+ c a n 现场总线+ 智能传感器+ 煤矿环境”构成的测 试系统。系统以智能节点电路模块为下位机核心，以工控机为上位机核心，检测电路模 块为参数采集模块。其系统结构框图如图3 1 所示。 c a n b u sc a n b u s inj in 智智 智 智 能 能能能 瓦 温风 一氧 斯度 速 化碳 传 传传 传 感感 感 感 器器器器 1 一n1 一n 1 一n 1 一n 0nnn 智智智智 能能能能 瓦温风氧 斯度速化碳 传传传传 感感感感 器器器 器 1 - n1 一n1 一n1 一n 智 能 瓦 斯 传 感 器 1 - n 智 能 温 度 传 感 器 1 - n 智 能 风 速 传 感 器 1 - n 智 能 一氧 化碳 传 感 器 1 - n 图3 1 测试系统总体结构示意图 测试系统的工作原理：各路智能传感器( 如：智能瓦斯传感器) 实时将采集到的数据 发送到c a n 总线上，通信接口模块将c a n 总线上的数据送至上位机进行分析、处理， 1 0 3 煤矿环境参数测试系统的建立 如果参数超标，在上位机和下位机上均发出超限报警信号。此外，为了便于观看，也可 以通过投影仪投影到大屏幕上以便监测，也可以生成报表打印显示。此外，为了充分利 用网络强大的功能，我们把工控机上的v i 程序通过网站服务器发送出去，这样，用户 通过i n t e r a c t 网便可以看到服务器上的v i 的执行情况。根据相关比较，我们在本系统中 采用的架构是b s ( 浏览器服务器) 架构形式，这在后面将会有详细介绍。 这里需要说明的一点是：为了系统的通用性和可扩展性，在上图中，我们没有给出 具体的c a n 中继器n 值的大小，且智能传感器的n 值也没有具体指定，使用中可以根 据实际情况来确定。 考虑到煤矿实际，我们还在智能传感器和工控机之间增加了c a n 中继器，增加它 的主要优点体现在以下几个方面【2 l 】： 过滤通信量。中继器接收一个子网的报文，只有当报文是发送给中继器所连的 另一个子网时中继器才转发，否则不转发。由于这种过滤作用，网上的负荷就减轻了， 因而减少了在扩展的网段上所有节点所经受的平均时延。 扩大了通信距离，但代价是增加了一些存储转发时延。 增加了节点的最大数目。 各个网段可以使用不同的通信速率。 提高了可靠性，当网络出现故障时，一般只影响个别网段。 性能得到改善。如果把大些的网分割成若干较小的子网，并且每个小的子网内 部的通信量明显地高于网间的通信量，那么整个网络的性能就会变得更好。 3 2 1 硬件体系结构 本测试系统是由检测电路模块、智能节点模块、报警显示模块和上位机组成。图3 2 是该系统硬件体系示意图。 图3 2 测试系统硬件体系不意图 ( 1 ) 检测电路模块 检测电路模块由瓦斯浓度、温度等模块组成，每个模块采集相应的信号，并把采集 到的信号送至智能节点电路模块。 ( 2 ) 智能节点模块 智能节点模块接收检测电路模块的采集信号，并对其进行相关的数据处理，如果采 集到的数据超过了事先给定的值，便会发出相应的报警指示，并且在下位机上接一个数 西安科技大学硕士学位论文 码管便可以实时显示采集到的数据。另外，通过其通讯接口可以将采集到的数据上传至 c a n 总线上。 ( 3 ) 上位机 在本测试系统中，上位机不单单指一台计算机，而是包含了一台工控机，一台服务 器和相关的浏览器。 3 2 2 软件体系结构 本系统是利用智能传感器来对瓦斯浓度、温度等数据进行采集的，上位机利用 l a b v i e w 编程来实现