【正文】 濾波器 Figure 38 secondorder active lowpass filter 從圖 38，可以看出，電路上僅當(dāng)把電阻和電容交換位置，即用電阻 取代高通濾波電路中的電容，用電容取代高通濾波中電阻，高通濾波電路就轉(zhuǎn)換成了低通濾波電路。 二階低通濾波放大后的輸出波形如圖 39 所示。 至此，紅外傳感器的信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)完畢，較好的完成了信號(hào)的放大、濾波等功能。盡管有種種的不足，但其構(gòu)成卻是最方便的，使用 PCDAQ／ PCI 插卡式虛擬儀器，只需要將 DAQ卡插入 PC機(jī)相應(yīng)的總線擴(kuò)展插槽內(nèi)就可以開始使用，故已成為數(shù)據(jù)采集的主流方法。模擬輸入是采集最基本的功能。輸出信號(hào)受數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)的建立時(shí)間、轉(zhuǎn)換率、分辨率等因素影響。 數(shù)字 I/O 通常用來(lái)控制過(guò)程、產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)、與外設(shè)通信等。數(shù)字 I/O 常見的應(yīng)用是在計(jì)算機(jī)和外設(shè)如打印機(jī)、數(shù)據(jù)記錄儀等之間傳送數(shù)據(jù)。計(jì)數(shù)器包括三個(gè)重要信號(hào)：門限信號(hào)、計(jì)數(shù)信號(hào)、輸出。 PCI6221 板卡的模擬輸入、模擬輸出范圍有兩個(gè) ? 10V和? 5V。 一般說(shuō)來(lái)，數(shù)據(jù)采集卡都有自己的驅(qū)動(dòng)程序，該程序控制采集卡的硬件操作，當(dāng)然這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序是由采集卡的供應(yīng)商提供，用戶一般無(wú)須通過(guò)低層才能與采集卡硬件打交道。它的參考點(diǎn)是系統(tǒng)地(例如大地或建筑物的地 )。如果使用 DAQ 板做信號(hào)源， 它輸出的也是浮動(dòng)信號(hào)。 基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng) 24當(dāng)輸入信號(hào)有以下情況時(shí)，使用差分測(cè)試系統(tǒng)： 低電平信號(hào) (例如小于 lV)； 信號(hào)電纜比較長(zhǎng)或沒(méi)有屏蔽，環(huán)境噪聲較大； 任何一個(gè)輸入信號(hào)要求單獨(dú)的 參考點(diǎn)。 單端測(cè)試系統(tǒng)分為參考單端測(cè)試系統(tǒng)和非參考單端測(cè)試系統(tǒng)。與參考單端測(cè)試系統(tǒng)不同的是因?yàn)樗休斎胄盘?hào)都已經(jīng)接地了，所以信號(hào)參考點(diǎn)不需要再接地。接線端子和電纜如圖 313 所示。系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后就是系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)了，下面的章節(jié)將詳細(xì)介紹汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。 它的圖形特性使它非常適合 測(cè)試與測(cè)量（ T＆ M），自動(dòng)化，儀器控制，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析應(yīng)用。 虛擬儀器技術(shù)概述 虛擬儀器是一種高效用于構(gòu)建數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖形化編程語(yǔ)言。虛擬儀器包含強(qiáng)大的內(nèi)置度量分析和一個(gè)圖形的編輯器實(shí)現(xiàn)最佳性能。 2） 更好的投資 使用虛擬儀器系統(tǒng)，每個(gè)用戶有權(quán)訪問(wèn)單一的商業(yè)文書的成本低于一個(gè)完整的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室。您甚至可以創(chuàng)建共享的庫(kù)或從其他編程語(yǔ)言中調(diào)用虛擬儀器代碼的 dll。除了在虛擬儀器的開發(fā)系統(tǒng)國(guó)家儀器還提供多種附加模塊和擴(kuò)展功能的虛擬儀器的工具集。利用虛擬儀器在整個(gè)組織您可以節(jié)省時(shí)間和金錢的共享信息和軟件。用戶還能夠通過(guò)連接功能模塊來(lái)快速開發(fā)自己的應(yīng)用程序，甚至能夠使用多路數(shù)據(jù)通道實(shí)現(xiàn)同步操作 【 18】 。 3)構(gòu)建流程圖 對(duì)虛擬儀器進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，不必?fù)?dān)心很多傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)所需的語(yǔ)法細(xì)節(jié)就可自己構(gòu)建流程圖。 5） 模塊化和層次化 LabVIEW 虛擬儀器實(shí)行模塊化設(shè)計(jì)，因而任何虛擬儀器既能獨(dú)立運(yùn)行又能被用作其它虛擬儀器的一部分，甚 至可以創(chuàng)建自己的虛擬儀器圖標(biāo)，所以可以設(shè)計(jì)由虛擬儀器構(gòu)成的多層次系統(tǒng)。美國(guó) NI 公司提出的“軟件就是儀器”的口號(hào)，已為學(xué)術(shù)界和工程界所接受。 1)數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì) 在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。 NI 提供 了一些測(cè)量服務(wù)軟件，可以把測(cè)量服務(wù)軟件看做 I／ O 驅(qū)動(dòng)軟件層，然而它不僅僅是一個(gè)驅(qū)動(dòng)。 NI 測(cè)量和控制服務(wù)軟件提供了與 NI 硬件以及 NI 應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境 (ADE)的最優(yōu)化結(jié)合。NI 測(cè)量＆自動(dòng)化瀏覽器 (MAX)和 DAQAssistant(DAQ 助手 )是 NIDAQmx 測(cè)量服務(wù)軟件體現(xiàn)它無(wú)限價(jià)值的其中兩個(gè)例子 【 21】 。將該 Express VI 放在程序框圖中的同時(shí)會(huì)彈出如圖 41 所示的界面。 圖 41 DAQ助手界面 Figure 41 DAQ Assistant interface 基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng) 30 圖 42物理通道的選擇界面 Figure 42 Physical channel selection interface 圖 43模擬輸入設(shè)置界面 Figure 43 Setting the analog input interface 通過(guò) PCI6221 采集卡直接采集到的是四個(gè)通道的數(shù)據(jù)，在波形圖上顯示是四條曲線，在數(shù)組中存儲(chǔ)是個(gè)四行的二維數(shù)組，列數(shù)和采樣點(diǎn)數(shù)一致。 基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng) 32 圖 44數(shù)據(jù)采集程序圖 Figure 44 Data collection procedures 由于數(shù)據(jù)分析導(dǎo)致的延遲將會(huì)增大數(shù)據(jù)采集的周期，因此采用了 Queue 隊(duì)列的方式 Queue 結(jié)構(gòu)是一種先入先出 (FIFO)的結(jié)構(gòu)。 2)標(biāo)定模塊設(shè)計(jì) 該檢測(cè)系統(tǒng)在正式進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)之前要進(jìn)行標(biāo)定，該系統(tǒng)標(biāo)定是否準(zhǔn)確關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)最后得到的結(jié)果的準(zhǔn)確性。 LabVIEW 提供的大量曲線擬合函數(shù)以滿足不用的擬合需要，它們位于 FunctionsPalate 的 Mathematics Fitting面板下。 基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng) 36 3）尾氣檢測(cè)顯示模塊的設(shè)計(jì) 尾氣檢測(cè)顯示模塊主要用來(lái)顯示由數(shù)據(jù)采集卡送 來(lái)并存儲(chǔ)在緩存中的離散的數(shù)據(jù)。 圖 48標(biāo)定與顯示程序圖 Figure 48 the block diagram of calibration and display 汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)顯示界面主要有控制按鈕和各氣體組分的濃度隨時(shí)間變化的曲線圖組成，其中控制按鈕由于控制系統(tǒng) 的啟動(dòng)和停止，曲線圖用于顯示相應(yīng)氣體組分的濃度值，如圖 49 所示。至此 檢測(cè)系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)已完成。通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路將信號(hào)輸送給數(shù)據(jù)采集卡，然后通過(guò) LabVIEW 開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)出界面友好、操作簡(jiǎn)單和運(yùn)行可靠軟件。 。 2） 軟件方面，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車尾氣的檢測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)、查詢和以往檢測(cè)結(jié)果比對(duì)等功能，為汽車減排提供數(shù)據(jù)參考。主要研究目的是通過(guò)檢測(cè)這些有害氣體的濃度，控制汽車尾氣中有害氣體的排放，使其控制在被允許的限定值內(nèi)，已達(dá)到保護(hù)生態(tài)環(huán)境和自然生態(tài)平衡的目的。 利用 LabVIEW 進(jìn)行該系統(tǒng)的軟件開發(fā)，最主要的功能是數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)標(biāo)定和氣體組分波形圖的顯示。標(biāo)定公式為擬合后直線公式的反函數(shù)即： 5850 ??? xy 同理其他的氣體組分的標(biāo)定公式也由這種方法來(lái)完成。將此 VI 程序做成子 VI，在標(biāo)定的程序圖中直接調(diào)用此子 VI 來(lái)完成擬合的過(guò)程。利用不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣氣來(lái)對(duì)吸收曲線進(jìn)行定標(biāo)，通過(guò)增加標(biāo)定的點(diǎn)數(shù)來(lái)提高吸收曲線的精度 【 22】 。 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 圖 44數(shù)據(jù)隊(duì)列示意圖 Figure 44 Schematic diagram of the data queue 數(shù)據(jù)采集循 環(huán)不間斷的采集數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)放在隊(duì)列中，數(shù)據(jù)分析循環(huán)不間斷的處理數(shù)據(jù)。 LabVIEW 提供了索引數(shù)組的控件，可以二維數(shù)組的數(shù)據(jù)按行分離開，保存成四個(gè)二維的數(shù)組，然后分別對(duì)單個(gè)通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。模擬數(shù)據(jù)輸入的設(shè)置界面，如圖 43 所示。配合 Express VI，通過(guò) DAQ Assistant 可以很快搭建一個(gè)專業(yè)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。在 90 年代后期，NIDAQ 團(tuán)隊(duì)意識(shí)到保持 API 與以前版本 的兼容性的這個(gè)要求增加了向傳統(tǒng)NIDAQ 添加新特性和設(shè)備的難度。這個(gè)軟件提供了虛擬儀器軟件和硬件之間的連通性以用于測(cè)量和控制。各種類型信號(hào)采集的難易程度差別很大。為實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)軟件的可擴(kuò)展和易維護(hù)性，需要在系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)階段仔細(xì)地進(jìn)行軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 6）圖型化編輯器 在許多場(chǎng)合程序的運(yùn)行速度是很關(guān)鍵的， LabVIEW 軟件是唯一帶有編輯器的圖形化編程環(huán)境，可以產(chǎn)生最優(yōu)化的代碼，其運(yùn)行速度與編譯 C 的速度相當(dāng)，利用內(nèi)置的繪圖器能夠?qū)εc時(shí)間很關(guān)鍵的代碼部分進(jìn)行分析和優(yōu)化。 4） 數(shù)據(jù)流程設(shè)計(jì) LabVIEW 采用一種精巧的數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì)模式，程序中的執(zhí)行順序由各方塊中的數(shù)據(jù)流決定，因此，可以把用戶從文本式語(yǔ)言的線性化方式構(gòu)建程序的辦法中解放出來(lái)。 2） 建立前面板 從控制模塊上選擇需要的對(duì)象放在虛擬儀器的前面板上，這些對(duì)象包括：數(shù)字顯示、表頭、壓力計(jì)、熱敏計(jì)外殼、表圖等。同樣，只有當(dāng)對(duì)象的功能完成以后，對(duì)象輸出才有效。 4） 廣泛的應(yīng)用 在很多行業(yè)全球包括汽車、電訊、航空航天、半導(dǎo)體、電子設(shè)計(jì)和生產(chǎn)、過(guò)程控制生物 醫(yī)學(xué)，以及許多其他實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的應(yīng)用程序。虛擬儀器用于快速創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量和 Web 發(fā)布和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享最新的科技集成的自動(dòng)化系統(tǒng)。 3）優(yōu)化性能 虛擬儀器的所有應(yīng)用程序執(zhí)行以獲得最佳性能的編譯速度。 虛擬儀器的特點(diǎn) 1）更快的發(fā)展 虛擬儀器通過(guò)加快發(fā)展了對(duì)傳統(tǒng)的編程提升了 4 至 10 倍！使用模塊化和層次結(jié)構(gòu)的虛擬儀器，可以原型，設(shè)計(jì)，并且在一個(gè)短時(shí)間內(nèi)修改系統(tǒng)。要指定您系統(tǒng)的功能，您只需裝配塊關(guān)系圖 — 一種自然的設(shè)計(jì)表 示科學(xué)家和工程師。 美國(guó)國(guó)家儀器主要產(chǎn)品 定位于測(cè)試與測(cè)量 （ T＆ M）， 這使他們很好的洞察到了 LabVIEW 的發(fā)展。LabVIEW， 作為一種編程語(yǔ)言 是一個(gè)強(qiáng)有力的工具，可以被用來(lái)實(shí)現(xiàn)這些目的。根據(jù)傳感器的輸出特性設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路。而且傳感器的信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理放大大于 1V，所有的信號(hào)可以共享一個(gè)公共參考點(diǎn)，所以本系統(tǒng)采用參考地單端連接方式，將信號(hào)參考點(diǎn)與儀器的模擬輸入地連接起來(lái)。 B．非參考單端 (NRSE) 可避免接地回路干擾。單端測(cè)試系統(tǒng)所有信號(hào)都參考一個(gè)公共參考點(diǎn)，即儀器放大器的負(fù)極。 按測(cè)量方式分類可以分為以下兩大類測(cè)試系統(tǒng)： 1)差分測(cè)試系統(tǒng) (DIFF)： 在差分測(cè)試系統(tǒng)中信號(hào)的正負(fù)極分別接入兩個(gè)通道，所有輸入信號(hào)各自有自己的參考點(diǎn)。 浮地信號(hào)：一個(gè)不與任何地 (如大地或建筑物的地 )連接的電壓信號(hào)稱為浮地信號(hào)。 信號(hào)類型及測(cè)量方式 根據(jù)信號(hào)的參考情況，一個(gè)電壓源可以分為兩類：接地信號(hào)、浮地信號(hào)。驅(qū)動(dòng)程序?yàn)長(zhǎng)abVIEW 提供了與 DAQ 器件和信號(hào)調(diào)理硬件之間的高級(jí)接口。計(jì)數(shù)器最重要的參數(shù)是分辨率和時(shí)鐘頻率，高分辨率意味青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 著計(jì)數(shù)器可以計(jì)更多的數(shù)，時(shí)鐘頻率決定了計(jì)數(shù)的快慢，頻率越高，計(jì)數(shù)速度就越快。路數(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率、“握手”能力都是應(yīng)理解的重要參數(shù)，應(yīng)依據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合而選擇有合適參數(shù)的數(shù)字。路數(shù)要能同控制對(duì)象配合，而且需 要的電流要小于采集卡所能提供的驅(qū)動(dòng)電流。建立時(shí) 間 短、轉(zhuǎn)換率高的 D／ A 可以提供一個(gè)較高頻率的信號(hào)。 A／ D 的性能和參數(shù)直接影響著模擬輸入的質(zhì)量，要根據(jù)實(shí)際需要的精度來(lái)選擇合適的 A／ D。本系統(tǒng)同樣采用美國(guó)國(guó)家儀器公司 生產(chǎn)的 PCI6221 專用數(shù)據(jù)采集卡來(lái)完成數(shù)據(jù)采集的任務(wù)，保證數(shù)據(jù)采集高性能的要求 【 15】 。 圖 310 CO信號(hào)調(diào)理電路 Figure 310 CO signal conditioning circuit 數(shù)據(jù)采集卡 數(shù)據(jù)采集卡通常都是插卡式結(jié)構(gòu)，一般采用計(jì)算機(jī)本身的 PCI 總線或 ISA總線。雖不進(jìn)行電 壓放大，但因輸入電阻很大，輸出電阻非常小，常常用于阻抗變換。其對(duì)偶關(guān)系主要表現(xiàn)在頻率特性上和電路結(jié)構(gòu)上。 圖 37二階高通濾波放大后的輸出波形 Figure 37 secondorder highpass filtering the amplified output waveform 信號(hào)經(jīng)過(guò)高通濾波后仍不理想，存在很多毛刺，需要作低通濾波處理。如圖 35 所示。標(biāo)志濾波器性能的濾波參數(shù)有：通帶增益、中心頻率 (或截青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 止頻率 )、阻尼系數(shù) (或品質(zhì)因數(shù) )和通帶增益紋波 【 14】 。 濾波器是一種能使一定頻率的信號(hào)通過(guò)，而阻止或衰減其它頻率信號(hào)的電路。信號(hào)調(diào)理的目的是對(duì)傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行必要的處理以滿足信號(hào)處理后繼環(huán)節(jié)的需要，使其輸出信號(hào)適應(yīng) A／ D 轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)的工作。 TPS4339 容器里面的熱