【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，紅外傳感器的信號調(diào)理電路設(shè)計完畢，較好的完成了信號的放大、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。輸出信號受數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)的建立時間、轉(zhuǎn)換率、分辨率等因素影響。 數(shù)字 I/O 通常用來控制過程、產(chǎn)生測試信號、與外設(shè)通信等。數(shù)字 I/O 常見的應(yīng)用是在計算機(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)。計數(shù)器包括三個重要信號：門限信號、計數(shù)信號、輸出。 PCI6221 板卡的模擬輸入、模擬輸出范圍有兩個 ? 10V和? 5V。 一般說來，數(shù)據(jù)采集卡都有自己的驅(qū)動程序，該程序控制采集卡的硬件操作，當(dāng)然這個驅(qū)動程序是由采集卡的供應(yīng)商提供，用戶一般無須通過低層才能與采集卡硬件打交道。它的參考點是系統(tǒng)地(例如大地或建筑物的地 )。如果使用 DAQ 板做信號源， 它輸出的也是浮動信號。 基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測系統(tǒng) 24當(dāng)輸入信號有以下情況時，使用差分測試系統(tǒng)： 低電平信號 (例如小于 lV)； 信號電纜比較長或沒有屏蔽，環(huán)境噪聲較大； 任何一個輸入信號要求單獨的 參考點。 單端測試系統(tǒng)分為參考單端測試系統(tǒng)和非參考單端測試系統(tǒng)。與參考單端測試系統(tǒng)不同的是因為所有輸入信號都已經(jīng)接地了，所以信號參考點不需要再接地。接線端子和電纜如圖 313 所示。系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計完成后就是系統(tǒng)軟件的設(shè)計了，下面的章節(jié)將詳細(xì)介紹汽車尾氣檢測系統(tǒng)軟件的設(shè)計。 它的圖形特性使它非常適合 測試與測量（ T＆ M），自動化，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)測系統(tǒng)圖形化編程語言。虛擬儀器包含強大的內(nèi)置度量分析和一個圖形的編輯器實現(xiàn)最佳性能。 2） 更好的投資 使用虛擬儀器系統(tǒng)，每個用戶有權(quán)訪問單一的商業(yè)文書的成本低于一個完整的檢測實驗室。您甚至可以創(chuàng)建共享的庫或從其他編程語言中調(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組織您可以節(jié)省時間和金錢的共享信息和軟件。用戶還能夠通過連接功能模塊來快速開發(fā)自己的應(yīng)用程序，甚至能夠使用多路數(shù)據(jù)通道實現(xiàn)同步操作 【 18】 。 3)構(gòu)建流程圖 對虛擬儀器進(jìn)行程序設(shè)計，不必?fù)?dān)心很多傳統(tǒng)程序設(shè)計所需的語法細(xì)節(jié)就可自己構(gòu)建流程圖。 5） 模塊化和層次化 LabVIEW 虛擬儀器實行模塊化設(shè)計，因而任何虛擬儀器既能獨立運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)計由虛擬儀器構(gòu)成的多層次系統(tǒng)。美國 NI 公司提出的“軟件就是儀器”的口號，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 在計算機(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 了一些測量服務(wù)軟件，可以把測量服務(wù)軟件看做 I／ O 驅(qū)動軟件層，然而它不僅僅是一個驅(qū)動。 NI 測量和控制服務(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 測量＆自動化瀏覽器 (MAX)和 DAQAssistant(DAQ 助手 )是 NIDAQmx 測量服務(wù)軟件體現(xiàn)它無限價值的其中兩個例子 【 21】 。將該 Express VI 放在程序框圖中的同時會彈出如圖 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 PCI6221 采集卡直接采集到的是四個通道的數(shù)據(jù)，在波形圖上顯示是四條曲線，在數(shù)組中存儲是個四行的二維數(shù)組，列數(shù)和采樣點數(shù)一致。 基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測系統(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)致的延遲將會增大數(shù)據(jù)采集的周期，因此采用了 Queue 隊列的方式 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 該檢測系統(tǒng)在正式進(jìn)行檢測實驗之前要進(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 汽車尾氣檢測系統(tǒng) 36 3）尾氣檢測顯示模塊的設(shè)計 尾氣檢測顯示模塊主要用來顯示由數(shù)據(jù)采集卡送 來并存儲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 檢測系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件設(shè)計已完成。通過信號調(diào)理電路將信號輸送給數(shù)據(jù)采集卡，然后通過 LabVIEW 開發(fā)平臺，開發(fā)出界面友好、操作簡單和運行可靠軟件。 。 2） 軟件方面，應(yīng)能實現(xiàn)對汽車尾氣的檢測結(jié)果存儲、查詢和以往檢測結(jié)果比對等功能，為汽車減排提供數(shù)據(jù)參考。主要研究目的是通過檢測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 來完成擬合的過程。利用不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣氣來對吸收曲線進(jìn)行定標(biāo)，通過增加標(biāo)定的點數(shù)來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（論文） 33 圖 44數(shù)據(jù)隊列示意圖 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，保存成四個二維的數(shù)組，然后分別對單個通道的數(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 DAQ Assistant 可以很快搭建一個專業(yè)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。在 90 年代后期，NIDAQ 團(tuán)隊意識到保持 API 與以前版本 的兼容性的這個要求增加了向傳統(tǒng)NIDAQ 添加新特性和設(shè)備的難度。這個軟件提供了虛擬儀器軟件和硬件之間的連通性以用于測量和控制。各種類型信號采集的難易程度差別很大。為實現(xiàn)測試系統(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)計階段仔細(xì)地進(jìn)行軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 6）圖型化編輯器 在許多場合程序的運行速度是很關(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 LabVIEW 采用一種精巧的數(shù)據(jù)流程序設(shè)計模式，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言的線性化方式構(gòu)建程序的辦法中解放出來。 2） 建立前面板 從控制模塊上選擇需要的對象放在虛擬儀器的前面板上，這些對象包括：數(shù)字顯示、表頭、壓力計、熱敏計外殼、表圖等。同樣，只有當(dāng)對象的功能完成以后，對象輸出才有效。 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)計和生產(chǎn)、過程控制生物 醫(yī)學(xué)，以及許多其他實現(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 1）更快的發(fā)展 虛擬儀器通過加快發(fā)展了對傳統(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，并且在一個短時間內(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)計表 示科學(xué)家和工程師。 美國國家儀器主要產(chǎn)品 定位于測試與測量 （ T＆ M）， 這使他們很好的洞察到了 LabVIEW 的發(fā)展。LabVIEW， 作為一種編程語言 是一個強有力的工具，可以被用來實現(xiàn)這些目的。根據(jù)傳感器的輸出特性設(shè)計了信號調(diào)理電路。而且傳感器的信號經(jīng)過調(diào)理放大大于 1V，所有的信號可以共享一個公共參考點，所以本系統(tǒng)采用參考地單端連接方式，將信號參考點與儀器的模擬輸入地連接起來。 B．非參考單端 (NRSE) 可避免接地回路干擾。單端測試系統(tǒng)所有信號都參考一個公共參考點，即儀器放大器的負(fù)極。 按測量方式分類可以分為以下兩大類測試系統(tǒng)： 1)差分測試系統(tǒng) (DIFF)： 在差分測試系統(tǒng)中信號的正負(fù)極分別接入兩個通道，所有輸入信號各自有自己的參考點。 浮地信號：一個不與任何地 (如大地或建筑物的地 )連接的電壓信號稱為浮地信號。 信號類型及測量方式 根據(jù)信號的參考情況，一個電壓源可以分為兩類：接地信號、浮地信號。驅(qū)動程序為LabVIEW 提供了與 DAQ 器件和信號調(diào)理硬件之間的高級接口。計數(shù)器最重要的參數(shù)是分辨率和時鐘頻率，高分辨率意味青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 著計數(shù)器可以計更多的數(shù)，時鐘頻率決定了計數(shù)的快慢，頻率越高，計數(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)用場合而選擇有合適參數(shù)的數(shù)字。路數(shù)要能同控制對象配合，而且需 要的電流要小于采集卡所能提供的驅(qū)動電流。建立時 間 短、轉(zhuǎn)換率高的 D／ A 可以提供一個較高頻率的信號。 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)實際需要的精度來選擇合適的 A／ D。本系統(tǒng)同樣采用美國國家儀器公司 生產(chǎn)的 PCI6221 專用數(shù)據(jù)采集卡來完成數(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 信號經(jīng)過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（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通過，而阻止或衰減其它頻率信號的電路。信號調(diào)理的目的是對傳感器輸出的電信號進(jìn)行必要的處理以滿足信號處理后繼環(huán)節(jié)的需要，使其輸出信號適應(yīng) A／ D 轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)的工作。 TPS4339 容器里面的熱