【正文】 量?jī)x器從獨(dú)立的手工操作單臺(tái)儀器開始走向計(jì)算機(jī)控制的多臺(tái)儀器的測(cè)控系統(tǒng)。第三階段：隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)帶動(dòng)了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)的迅速發(fā)展，使得可以在一個(gè)工廠范圍內(nèi)通過總線將成千上萬(wàn)個(gè)智能傳感器/變送器等智能化的儀表組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控儀器系統(tǒng)，此階段是網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)的快速發(fā)展階段。自從1785年庫(kù)侖發(fā)明靜電扭秤，1834年哈里斯提出靜電電表結(jié)構(gòu)以來(lái)，電測(cè)儀表和電子儀器隨相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步、儀器儀表元器件質(zhì)量的提高和測(cè)量理論方法的改進(jìn)得到飛速發(fā)展。從二十世紀(jì)初到五十年代左右，測(cè)量?jī)x器的材料性能得到改善出現(xiàn)了電子管，同時(shí)測(cè)量理論和方法與電子技術(shù)、控制技術(shù)相結(jié)合，出現(xiàn)了以記錄儀和示波器為代表的電子儀表五十年代以后隨著晶體管和集成電路的出現(xiàn)以及應(yīng)用電子技術(shù)的發(fā)展將數(shù)字技術(shù)成功地應(yīng)用到測(cè)量?jī)x器。智能儀器是將微機(jī)置于儀器內(nèi)部，使儀器具有控制、存儲(chǔ)、運(yùn)算、邏輯判斷及自動(dòng)操作等智能特點(diǎn)，并在測(cè)量準(zhǔn)確度、靈敏度、可靠性、自動(dòng)化程度、運(yùn)用能力及解決測(cè)量技術(shù)問題的深度和廣度等方面都有明顯的進(jìn)步。為解決這樣的問題，總線式儀器與系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生?？ㄊ絻x器是虛擬儀器的雛形，是將傳統(tǒng)獨(dú)立式儀器的測(cè)量電路部分與接口部分集合在一起制成儀器功能卡，將其插入微機(jī)的內(nèi)部插槽或外部插件箱中形成的儀器。在這種情況下，用戶自然會(huì)提出標(biāo)準(zhǔn)化的要求。相對(duì)VXI儀器，按PXI總線標(biāo)準(zhǔn)制成的PXI儀器具有成本低、便于組成便攜式測(cè)試系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)[2]。當(dāng)今社會(huì)正處于一個(gè)正在高速發(fā)展的狀態(tài)中，要在有限的時(shí)空內(nèi)實(shí)現(xiàn)大量的信息交換，隨之而來(lái)的是信息密度急劇增大，因而在研究和生產(chǎn)過程中要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)信息的處理速度越來(lái)越高，功能越來(lái)越強(qiáng)。本文正是在虛擬儀器技術(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的采集，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、記錄、分析處理。本設(shè)計(jì)采用Apache＋PHP＋MySQL服務(wù)器套件來(lái)實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問。虛擬儀器的核心技術(shù)思想就是“軟件即是儀器” 。這是虛擬儀器最大的優(yōu)點(diǎn)之一，有了這一點(diǎn)，儀器的開發(fā)和換代時(shí)間將大大縮短。這樣，當(dāng)用戶從一個(gè)項(xiàng)目轉(zhuǎn)向另一個(gè)項(xiàng)目時(shí)，就能簡(jiǎn)單地構(gòu)造出新的VI系統(tǒng)而不丟失己有的硬件和軟件資源。 虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器具有傳統(tǒng)獨(dú)立儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)（如表11所示）。由此導(dǎo)致許多識(shí)讀和操作錯(cuò)誤。2）在通用硬件平臺(tái)確定后，軟件取代傳統(tǒng)儀器中由硬件完成的儀器功能。6）由于其以PC為核心，使得許多數(shù)據(jù)處理的過程不必像過去那樣由測(cè)試儀器本身來(lái)完成，而是在軟件的支持下，利用PC機(jī)CPU的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能來(lái)完成，使得基于虛擬儀器的測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試精度、速度大為提高，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、多任務(wù)測(cè)量。這是一種新型的基于Web技術(shù)的虛擬儀器，使得虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)成為Internet/Intranet的一部分，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和管理。這種結(jié)合基本有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。虛擬儀器的組成與傳統(tǒng)儀器一樣，主要由數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析和處理、結(jié)果顯示三部分組成。系統(tǒng)軟件部分通常用專用的虛擬儀器開發(fā)語(yǔ)言（如LabVIEW）編寫而成，并可通過Internet實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。 虛擬儀器構(gòu)成方式1）DAQ(Data Acquisition)數(shù)據(jù)采集卡是指基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線(如ISA、PCI、USB等)的內(nèi)置功能插卡。在計(jì)算機(jī)上掛接多個(gè)DAQ功能模塊，配合相應(yīng)的軟件，就可以構(gòu)成一臺(tái)具有多功能的測(cè)試儀器。它是最早的儀器總線，目前多數(shù)儀器都配備了遵循IEEE488的GPIB接口?；贕PIB總線結(jié)構(gòu)的接口卡數(shù)據(jù)傳輸速率一般低于500kb/s，不適合與對(duì)系統(tǒng)速度要求較高的應(yīng)用。其核心是Compact PCI結(jié)構(gòu)和Microsoft Windows軟件。這樣可保證多廠商產(chǎn)品的互操作性和系統(tǒng)的易集成性。用戶可以采用各種編程軟件來(lái)開發(fā)自己所需要的應(yīng)用軟件。 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)語(yǔ)言有：標(biāo)準(zhǔn)C，Visual C++ ，Visual Basic等通用程序開發(fā)語(yǔ)言。除了通用程序開發(fā)語(yǔ)言以外，還有一些專用的虛擬儀器開發(fā)語(yǔ)言和軟件，其中有影響的開發(fā)軟件有：NI公司的LabVIEW，LabWindows/CVI。 圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)——LabVIEWLabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)是一種圖形化的編程語(yǔ)言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。傳統(tǒng)的文本式編程是一種順序的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)者必須寫出執(zhí)行的語(yǔ)句。因此，LabVIEW受到越來(lái)越多工程師、科學(xué)家的普遍青睞。1）前面板：前面板是圖形用戶界面，也就是VI的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對(duì)象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對(duì)象。流程圖中包括前面板上的控件連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。② 設(shè)計(jì)的思路和運(yùn)行過程清晰而且直觀。在設(shè)計(jì)大型自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)一步完成一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是相當(dāng)有難度的。同時(shí)也對(duì)于將來(lái)系統(tǒng)的維護(hù)提供了便利。第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論及硬件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn) PC機(jī)虛擬儀器就是用通用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力代替以往需要硬件電路才能完成的功能，所以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件運(yùn)行的計(jì)算機(jī)平臺(tái)的選擇至關(guān)重要。另一方面的考慮是工業(yè)計(jì)算機(jī)通常具有很多類型的接口有利于功能進(jìn)一步擴(kuò)展的需要。各種類型信號(hào)采集的難易程度差別很大。時(shí)間間隔△t被稱為采樣間隔或者采樣周期。這樣信號(hào)x(t)可以用一組分散的采樣值來(lái)表示：{x(0)，x(△t)，x(2△t)，x(3△t)，…，x(k△t)，…}。所以如果只知道該信號(hào)的采樣值，并不能知道它的采樣率，缺少了時(shí)間尺度，也不可能知道信號(hào)x(t)的頻率。 合適采樣率采樣波形 采樣率過低采樣波形采樣率過低的結(jié)果是還原的信號(hào)的頻率看上去與原始信號(hào)不同。理論上設(shè)置采樣頻率為被采集信號(hào)最高頻率成分的2倍就夠了，但實(shí)際上工程中選用510倍，有時(shí)為了較好地還原波形，甚至更高一些。例如，你需要采集每秒采集幾千個(gè)數(shù)據(jù)，在一秒內(nèi)顯示或圖形化所有數(shù)據(jù)是困難的。不使用Buffer意味著對(duì)所采集的每一個(gè)數(shù)據(jù)你都必須及時(shí)處理(圖形化、分析等)。下列情況可以不使用Buffer I/O：① 數(shù)據(jù)組短小，例如每秒只從兩個(gè)通道之一采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。軟件觸發(fā)最容易，你可以直接用軟件，例如使用布爾面板控制去啟動(dòng)/停止數(shù)據(jù)采集。采集卡等待一個(gè)外部?jī)x器發(fā)出的數(shù)字脈沖到來(lái)后初始化采集卡，這是外部觸發(fā)。② 用戶需要削減軟件開支。從傳感器得到的信號(hào)大多要經(jīng)過調(diào)理才能進(jìn)入數(shù)據(jù)采集設(shè)備，信號(hào)調(diào)理功能包括放大、隔離、濾波、激勵(lì)、線性化等。2）隔離 隔離是指使用變壓器、光或電容耦合等方法在被測(cè)系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)之間傳遞信號(hào)，避免直接的電連接。大多數(shù)信號(hào)調(diào)理模塊有低通濾波器，用來(lái)濾除噪聲。很多信號(hào)調(diào)理模塊都提供電流源和電壓源以便給傳感器提供激勵(lì)。大多數(shù)數(shù)字信號(hào)調(diào)理模塊還提供其他一些電路模塊，使得用戶可以通過數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字I/O比直接控制電磁閥、電燈、電動(dòng)機(jī)等外部設(shè)備。根據(jù)信號(hào)運(yùn)載信息方式的不同，可以將信號(hào)分為模擬或數(shù)字信號(hào)。一個(gè)開關(guān)信號(hào)運(yùn)載的信息與信號(hào)的瞬間狀態(tài)有關(guān)。圖 脈沖信號(hào)2）模擬信號(hào)(Analog)模擬直流信號(hào)(DC)是靜止的或變化非常緩慢的模擬信號(hào)。模擬時(shí)域信號(hào)(Time Domain)運(yùn)載的信息不僅有信號(hào)的電平，還有電平隨時(shí)間的變化。圖 模擬時(shí)域信號(hào)模擬頻域信號(hào)(Frequency Domain)與時(shí)域信號(hào)類似，但從頻域信號(hào)中提取的信息是信號(hào)的頻域內(nèi)容，而不是波形的形狀，也不是隨時(shí)間變化的特性。圖 模擬頻域信號(hào)現(xiàn)實(shí)中的信號(hào)并不是互相排斥的，一個(gè)信號(hào)可能運(yùn)載有不只一種信息，可以用幾種方式來(lái)定義信號(hào)并測(cè)量它，用不同類型的系統(tǒng)來(lái)測(cè)量同一個(gè)信號(hào)，從信號(hào)中取出需要的各種信息。因?yàn)樾盘?hào)用的是系統(tǒng)地，所以與數(shù)據(jù)采集卡是共地的。1）差分測(cè)量系統(tǒng)(DEF)差分測(cè)量系統(tǒng)中，信號(hào)輸入端與一個(gè)模擬入通道相連接。一個(gè)理想的差分測(cè)量系統(tǒng)僅能測(cè)出(+)和()輸入端口之間的電位差，完全不會(huì)測(cè)量到共模電壓。圖 八通道差分測(cè)量系統(tǒng)2）參考地單端測(cè)量系統(tǒng)(RSE)一個(gè)RSE測(cè)量系統(tǒng)，也叫做接地測(cè)量系統(tǒng)，被測(cè)信號(hào)的一端接模擬輸入通道，另一端連接系統(tǒng)地AIGND。從上表可以看出，浮動(dòng)信號(hào)和差分連接方式的系統(tǒng)較好。在本例中，測(cè)量電壓Vm是測(cè)量信號(hào)電壓Vs和電位差DVg之和，其中DVg是信號(hào)地和測(cè)量地之間的電位差，這個(gè)電位差來(lái)自于接地回路電阻，可能會(huì)造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。 RSE測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量浮動(dòng)信號(hào)2）測(cè)量浮動(dòng)信號(hào)測(cè)量浮動(dòng)信號(hào)可以采用DEF、RSE、NRSE方式測(cè)量浮動(dòng)信號(hào)。這樣就為放大器輸入到放大器的地提供了一個(gè)直流通路。然而如果信號(hào)源的阻抗相對(duì)較高，從免除干擾的角度而言，這種連接方式會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不平衡。相反，RSE系統(tǒng)卻允許兩種干擾的存在，在所有輸入信號(hào)都滿足以下指標(biāo)時(shí)，可以采用RSE測(cè)量方式：輸入信號(hào)是高電平(一般要超過1V)；連線比較短(一般小于5米)并且環(huán)境干擾很小或屏蔽良好；所有輸入信號(hào)都與信號(hào)源共地。直接將高阻抗的信號(hào)源接到插入式板卡上會(huì)導(dǎo)致出錯(cuò)。1）采樣頻率采樣頻率的高低，決定了在一定時(shí)間內(nèi)獲取原始信號(hào)信息的多少，為了能夠較好的再現(xiàn)原始信號(hào)，不產(chǎn)生波形失真，采樣率必須要足夠高才行。但是處于成本的考慮，現(xiàn)在普遍流行的是各個(gè)數(shù)據(jù)通道公用一套放大器和A/D轉(zhuǎn)換器。如果增加到十二位，代碼數(shù)從8增加到212=4096，這樣就可以獲得就能獲得十分精確的模擬信號(hào)數(shù)字化表示。電壓取值范圍從0到10V，增益為50，則理想分辯電壓是：5）I/O通道數(shù)該參數(shù)表明了數(shù)據(jù)采集卡所能夠采集的最多的信號(hào)路數(shù)。將切換進(jìn)入采集卡的信號(hào)放大至需要的量程內(nèi)。4）A/D轉(zhuǎn)換器。 NI PCI6221數(shù)據(jù)采集卡NI PCI6221是NI公司的M系列多功能數(shù)據(jù)采集卡，采用的是一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，雖然是多路采集，實(shí)際上是分時(shí)工作的，所有在多路同時(shí)工作時(shí)采樣率會(huì)成倍降低。在采集過程中將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)里，實(shí)現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問。由于選用專用的開發(fā)軟件，必須具有一定的儀器以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備配合使用。 模塊化結(jié)構(gòu)信息抽象與信息隱含是模塊的基本特征。模塊獨(dú)立性有兩個(gè)定性的標(biāo)準(zhǔn)度量：即塊內(nèi)聯(lián)系(內(nèi)聚)與塊間聯(lián)系(耦合)。好的模塊結(jié)構(gòu)，塊間聯(lián)系應(yīng)盡可能小，塊內(nèi)聯(lián)系應(yīng)盡可能大。在求精過程的每一步，抽象概念(語(yǔ)句或數(shù)據(jù))都被精細(xì)化。只要某模塊中含有依賴于某種判定操作，則該模塊就處于該判定的作用范圍之內(nèi)。保持模塊接口的簡(jiǎn)明，一方面須減少模塊間傳遞的信息量，更重要的是使所傳遞的必要信息具有明確的邏輯含義。7）模塊結(jié)構(gòu)增加中間判斷層次，提高可擴(kuò)充性，模塊A調(diào)用B，以后擴(kuò)充時(shí)還要讓A調(diào)用C()。數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)主要研究如何存儲(chǔ)、使用和管理數(shù)據(jù)，是計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)管理技術(shù)發(fā)展的新階段，也是計(jì)算機(jī)技術(shù)中發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的技術(shù)之一。數(shù)據(jù)庫(kù)不僅要反映數(shù)據(jù)本身的內(nèi)容，而且要反映數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。一種數(shù)據(jù)模型要很好地滿足這三個(gè)方面的要求在目前尚很困難，在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中針對(duì)不同的使用對(duì)象和應(yīng)用目的，采用逐步抽象的方法，在不同層次采用不同的數(shù)據(jù)模型，一般分為三層，即物理層、邏輯層和概念層。例如實(shí)體－聯(lián)系模型（EntityRelational Model，簡(jiǎn)稱ER模型）。DML有兩類：一類是宿主型語(yǔ)言，一類是自立型語(yǔ)言。⑥ 其他功能：DBMS與網(wǎng)絡(luò)中其他軟件系統(tǒng)的通信功能、DBMS之間或文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能；異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)之間的互訪和互操作功能等。ADO對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作步驟一般分為如下幾步：① 創(chuàng)建數(shù)據(jù)源名(DSN)；② 創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)連接(Connection)；③ 創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象；④ 操作數(shù)據(jù)庫(kù)；⑤ 關(guān)閉數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象和連接。SQL是一種標(biāo)準(zhǔn)化的語(yǔ)言，它使得存儲(chǔ)、更新和存取信息更容易。盡管MYSQL仍在開發(fā)中，但它已經(jīng)提供一個(gè)豐富和極其有用的功能集。4）數(shù)據(jù)類型多樣，包括：有/無(wú)符號(hào)1,2,3,4,8字節(jié)INT、FLOAT、DOUBLE、CHAR、VARCHAR、TEXT、LOB、DATE、DATETIME、YEAR、SET、ENUM。8）經(jīng)權(quán)威商業(yè)內(nèi)存泄露軟件檢測(cè)無(wú)內(nèi)存泄露。自從Web的產(chǎn)生到現(xiàn)在，Web技術(shù)已從最初簡(jiǎn)單的文檔的瀏覽發(fā)展到當(dāng)今復(fù)雜電子商務(wù)的應(yīng)用，其間共經(jīng)歷了靜態(tài)文檔、動(dòng)態(tài)交互頁(yè)面和實(shí)時(shí)可伸縮的事務(wù)處理三個(gè)階段。Web客戶端開發(fā)技術(shù)有VB、VC、PB等。評(píng)估一種Web開發(fā)技術(shù)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)只有一個(gè)，那就是看這種技術(shù)能否在最恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間和最恰當(dāng)?shù)牡攸c(diǎn)，以最恰當(dāng)?shù)姆绞?，為最需要信息的人提供最恰?dāng)?shù)男畔⒎?wù)。PHP大量采用C、Java和Perl語(yǔ)言的語(yǔ)法，并加入了一些PHP自己的特征。② 運(yùn)行速度快PHP采用HTML內(nèi)置標(biāo)記技術(shù)，解釋程序本身可以作為Web服務(wù)器的一個(gè)模塊運(yùn)行，有效地提高了運(yùn)行時(shí)的解析速度。⑥ 完全免費(fèi)2）PHP的工作方式① 嵌入HTML的方式傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言所編制程序的源代碼都要經(jīng)編譯程序編譯后生成一個(gè)可執(zhí)行的文件。 PHP在服務(wù)器端運(yùn)行方式該部分設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的附加設(shè)計(jì)部分，主要是為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問，通過數(shù)據(jù)庫(kù)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接為一體。主要是利用PHP建立數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，在本設(shè)計(jì)中主要實(shí)現(xiàn)了用戶登錄頁(yè)面，檢索條件輸入頁(yè)面，結(jié)果返回頁(yè)面。實(shí)際上，信號(hào)采集、定時(shí)存儲(chǔ)和主控模塊放在不同的線程中，利用Windows操作系統(tǒng)的多線程機(jī)制，使得各個(gè)功能模塊能夠有條不紊的運(yùn)行。在同一進(jìn)程內(nèi)的不同線程都在自己的時(shí)間片內(nèi)執(zhí)行，避免了相互在時(shí)間上可能的沖突。多線程的優(yōu)點(diǎn)：1）更高的CPU利用率2）更高的系統(tǒng)可靠性3）提高在多處理器計(jì)算機(jī)上的執(zhí)行速度為了實(shí)現(xiàn)采集、顯示、查詢、報(bào)警和系統(tǒng)其他操作的并行執(zhí)行，在程序中創(chuàng)建了兩個(gè)工作線程：一個(gè)是采樣工作線程，專門負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)；一個(gè)是數(shù)據(jù)報(bào)警和系統(tǒng)其他功能線程，負(fù)責(zé)定時(shí)把緩沖區(qū)中的