【文章內(nèi)容簡介】 國家電測水平差距的一條可行之路。 論文的設(shè)計任務(wù) 虛擬溫度巡檢儀系統(tǒng)是基于虛擬儀器平臺 所開發(fā)的 應(yīng)用系統(tǒng)， 論文的設(shè)計任務(wù)主要是 利用 虛擬儀器平臺 的功能構(gòu)建一個集溫度信號的采集、存儲、分析、處理和顯示為一體的溫度檢測系統(tǒng)，對工藝流程中各點的溫度達(dá)到實時、可靠檢測的目的。 本系統(tǒng)采用虛擬儀器開發(fā)平臺 — LabVIEW 軟件，采用模塊化思想，通過 NI 公司的數(shù)據(jù)采集卡 PCI— 6221 采集經(jīng) 熱電偶 溫度傳感器、信號調(diào)理電路輸出的電壓信號，并將 此溫度電壓信號轉(zhuǎn)換計算機(jī)能夠識別的數(shù)字信號。 本系統(tǒng)采用熱電偶作為溫度檢測元件 ， 必然存在線性化問題，線性化 采用 軟件處理 ， 調(diào)用公式節(jié)點編寫程序進(jìn)行線性化。 由于采集來的是電壓信號 ， 而 要顯 示溫度值， 所以 就必須進(jìn)行標(biāo)度轉(zhuǎn)換。 在數(shù)顯示模塊：采用波形 顯示 ， 數(shù)值顯示 ， 使 溫度 數(shù)值 更加直觀的顯示給用戶，同時可以顯示實時溫度值 與 實時 溫度 曲線 ，可以 使 用戶 對檢測點的溫度情況有更深入的了解。此外該系統(tǒng)還具有溫度數(shù)據(jù)的保存、歷史溫度 查詢 回放等功能模塊。 論文 研究 的重點和難點 溫度巡檢儀故名思 意 就是對多路溫度進(jìn)行巡回檢測，所以怎樣實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)顯示 是論文的重點 。 多通道采樣方式的設(shè)置同時也是論文中的難點，多數(shù)通用采集卡都有多個模入通道，但是并非每個通道配置一個 A/D，而是大家共用一套 A/D,在 A/D之前的 有一個多路開關(guān)（ MUX），以及放大器（ AMP）、采樣保持器（ S/H）等。通過這個開關(guān)的掃描切換，實現(xiàn)多通道的采樣。多通道的采樣方式有三種：循環(huán)采樣、同步采樣和間隔采樣。 怎樣將采到的多路數(shù)據(jù) 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與顯示也是論文難點，首先對采來數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分分別處理，再進(jìn)行信號合并便可 同時在 一波形圖上顯示。 第二章 虛擬儀器 簡介 虛擬儀器概述 虛擬儀器的起源可以追溯到 20 世紀(jì) 70 年代，當(dāng)時的計算機(jī)測控技術(shù)在國防、航天等領(lǐng)域已經(jīng)具有了很快的發(fā)展速度， PC 機(jī)的出現(xiàn)使儀器的計算機(jī)化成為可能。 虛擬儀器是計算機(jī)技術(shù)和儀器儀表技術(shù)結(jié)合的產(chǎn) 物。它把計算機(jī)、儀器硬件、固件與計算機(jī)軟件結(jié)合起來。除繼承傳統(tǒng)儀器的己有功能外，還增加了許多傳統(tǒng)儀器所不能及的先進(jìn)功能。虛擬儀器的最大特點是其靈活性。用戶在使用過程中可以根據(jù)需要添加或刪除儀器功能，以滿足各種需求，并且能充分利用計算機(jī)豐富的軟硬件資源，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、表達(dá)、傳送、存儲方面的限制。 虛擬儀器概念 所謂虛擬儀器 (Virtual Instrumention，簡稱 VI )， 在通 用計算機(jī)平臺上，根據(jù)需求定義和設(shè)計儀器的測試功能，使得使用者在操作計算機(jī)時，就像是在操作他自己設(shè)計的測試儀器一樣 ， 從而完成對被測試對象的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存 取 等功能。虛擬儀器概念的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義功能的工作模式，使得用戶可以根據(jù)自己的要求，設(shè)計自己的儀器系統(tǒng)。在測試系統(tǒng)和儀器設(shè)計中盡量用軟件代替硬件，充分利用計算機(jī)技術(shù)來實現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)測試系統(tǒng)與儀器的功能。“軟件就是儀器”是虛擬儀器概念最簡單，也是最本質(zhì)的表述。 虛擬儀器是現(xiàn)代計算機(jī)軟件技術(shù)、通信技術(shù)和測量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它使得人類的測試技術(shù)進(jìn)入了一個新的發(fā)展紀(jì)元。隨著計算機(jī)技術(shù)特別是計算機(jī)的快速發(fā)展， CPU處理能力的增強(qiáng)，總線吞吐能力的提高以 及顯示器技術(shù)的進(jìn)步，人們逐漸意識到，可以把儀器的信號分析和處理、結(jié)果的表達(dá)與輸出功能轉(zhuǎn)移給計算機(jī)來完成。這樣，可以利用計算機(jī)的高速計算能力和寬大的顯示屏更好地來完成原來的功能 。 虛擬儀器的特點及應(yīng)用 (1) 虛擬儀器特點 虛擬儀器是計算機(jī)技術(shù)介入儀器領(lǐng)域所形成的一種新型的、富有生命力的器種類。在虛擬儀器中計算機(jī)處于核心地位，計算機(jī)軟件技術(shù)和測試系統(tǒng)更緊 地結(jié)合 形成了一個有機(jī)整體，使得儀器的結(jié)構(gòu)概念和設(shè)計觀點等都發(fā)生了突性的變化。虛擬儀器特點可以歸結(jié)為以下五個方面 : ① 豐富和增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能 ； ② 突出“ 軟件就是儀器”的新概念 ； ③ 儀器由用戶自己定義 ； ④ 開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ； ⑤ 便于構(gòu)成復(fù)雜的測試系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)性好。 (2) 虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用 虛擬儀器技術(shù)作為計算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)相結(jié)合的創(chuàng)新技術(shù)，應(yīng)用前景十分廣泛。從總體而言，虛擬儀器是測量 /測試領(lǐng)域的一個創(chuàng)新概念，改變了人們對儀器的傳統(tǒng)觀念，適應(yīng)了現(xiàn)代測試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展趨勢。虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用方式各種各樣，尤其在工業(yè)自動化、儀器制造及實驗室方面的應(yīng)用前景良好，并取得可觀的效益。 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器無法比擬的強(qiáng)大優(yōu)勢，因而必 將成為未來儀器發(fā)展的趨勢 。如表 所示 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較： 表 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 VI 傳統(tǒng)儀器 開放、靈活，可與計算機(jī)技術(shù) 保持同步發(fā)展 封閉、固定 用戶定義儀器功能 廠商定義儀器功能 關(guān)鍵是軟件 關(guān)鍵是硬件 價格低、可復(fù)用與可重配置性強(qiáng) 價格昂貴 技術(shù)更新周期短 (1～ 2 年 ) 技術(shù)更新周期長 (5～ 10 年 ) 軟件使得開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用降至最低 開發(fā)與維護(hù)開銷高 與網(wǎng)絡(luò)及其它周邊設(shè)備方便互聯(lián)的面向應(yīng)用的儀器系統(tǒng) 功能單一、 只可連 有限的設(shè)備 友好的圖形 界面，計算機(jī)讀數(shù) 分 析處理 圖形界面小，人工讀數(shù)，信息量小數(shù) 面向應(yīng)用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可方便地與外設(shè)連接與其他儀器設(shè)備的連接十分有限 與其他儀器設(shè)備的連接十分有限 虛擬儀器的組成 虛擬儀器 (ViurtalInsrtum)是基于計算機(jī)的儀器。計算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。這種結(jié)合基本有兩種方式，一種是將計算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機(jī)。以通用的計算機(jī)硬件 及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能，虛擬儀器主要是指這種方式。 虛擬儀器的組成與傳統(tǒng)儀器一樣，如圖 所示的數(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。 采 集 與 控 制插 入 式 數(shù) 采 集 板G P I B 儀 器V X I / P X I 儀 器R S 2 3 2數(shù) 據(jù) 分 析 和 處 理數(shù) 字 信 號 處 理數(shù) 字 濾 波統(tǒng) 計 分 析數(shù) 值 分 析結(jié) 果 顯 示網(wǎng) 絡(luò) 通 信硬 盤 拷 貝 輸 出文 件 I / O圖 形 用 戶 口 圖 虛擬儀器的內(nèi)部功能劃分 對于傳統(tǒng)儀器，這三個部分幾乎均由硬件完成 ； 對于虛擬儀器，前一部分由硬件構(gòu)成。后兩部分主要由軟件實現(xiàn)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器設(shè)計日趨模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計工作量大大減小。 虛擬儀器 I/O 接口設(shè)備 1/0 接口設(shè)備主要用來完成被測輸入信號的采集、放大、模數(shù)轉(zhuǎn) 換?？筛鶕?jù)實際情況采用不同的 1/0 接口硬件設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集卡版 (DAQ)、 GPIB 總線儀器、 VXI 總線儀器、串口儀器、 USB 等。虛擬儀器的構(gòu)成主要有五種類型，如圖 所示。 P C D A QG P I B 儀 器串 口 儀 器V X I 模 塊P X I 模 塊計 算 機(jī)被 測 信 號 圖 虛擬儀器構(gòu)成方式 (1) DAQ 歸（ Data Aequisition)數(shù)據(jù)采集卡指的是基于計算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線 (如 ISA、 PCI、USB 等 )的內(nèi)置 功 能插卡。其中 USB 是最新技術(shù)的數(shù)據(jù)采集卡，具有精度高，可攜性好等優(yōu)點，它更加充分地利用計算機(jī)的資源，大大增加了測試系統(tǒng)的靈活 性和擴(kuò)展性，更為詳細(xì)的內(nèi)容將在后面章節(jié)加以介紹 ； 利用 DAQ 卡可方便快速地構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng)。 在性能上，隨著 A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)，濾波技術(shù)和信號調(diào)理技術(shù)的發(fā)展， DAQ 卡的采樣速率已達(dá) 1GB/s，精度高達(dá) 24 位，通道數(shù)高達(dá) 64 個，并具有數(shù)字 I/O，模擬 I/O 和計數(shù)器 /定時器等通道。各儀器廠家生產(chǎn)了大量的 DAQ 卡功能模塊供用戶選擇，如示波器、串行數(shù)據(jù)分析儀 。 動態(tài)信號分析儀、任意波形發(fā)生器等。在計算機(jī)上掛接多個 DAQ 功能模塊，配合相應(yīng)的軟件，就可以構(gòu)成一臺具有多功能的測試儀器。這種基于計算機(jī)的儀器，既具有高檔儀器的測量品 質(zhì)，又能滿足測量需求的多樣性。對我國大多數(shù)用戶來說，它具有很高的性能價格比，是一種特別適合我國國情的虛擬儀器方案。 (2) GPIB(Generae Purpose Irafce Bus)通用接口總線，是計算機(jī)和儀器 間 的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。 GPIB 的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議以納入國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 和 ，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。典型的 GPIB測試系統(tǒng)包括一臺計算機(jī)，一塊基于 GPIB 總線的接口卡和多臺 GPBI 儀器軟件及相應(yīng)的傳感模塊硬件。每 臺 GPIB 儀器有單獨(dú)的地址，由計算機(jī)控制操作。系統(tǒng)中的儀器可以增加、減少或更換，只需對計算機(jī)的控制軟件作相應(yīng)的改動?；?GPIB 總線結(jié)構(gòu)的接口卡數(shù)據(jù)傳輸速率一般低于 500kb/s，不適合與對系統(tǒng)速度要求較高的應(yīng)用。 (3) VXI(VMEbus eXtension for Insturmenattion)是 VME 總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展， 1993年 VXI 總線 版本被批準(zhǔn)為 EIEE1155 標(biāo)準(zhǔn)，成為開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。儀器專用總線在吸收 EIEE488 的成功經(jīng)驗基礎(chǔ)上，增加了 10MHz 時鐘線，模擬和數(shù)字混合總線，星 形總線等高速總線，定時關(guān)系嚴(yán)格，兼有計算機(jī)總線和儀器總線的優(yōu)點。 (4) Pxl(PCI extension for Instrumentation)是 Compact PCI 總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，是Nl 公司于 1997 年發(fā)布的一種新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范。其核心是 Compaet PCI結(jié)構(gòu)和 Mierosotf Windows 軟件。 PXI 是在 PCI 內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的。 PXI 增加了用于多板同步的觸發(fā)總線和舊 MHz 參考時鐘、用于精確定時的星形 觸發(fā)總線，以及用于相鄰模塊間高速通信的局部總 線等，來滿足實驗和測量用戶的要求。PXI 兼容 Compact PCI 機(jī)械規(guī)范，并增加了空氣冷卻裝置、環(huán)境測試 (溫度、濕度、振動和沖擊實驗 )等要求。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。 (5) 串口系統(tǒng) ： 串口系統(tǒng)是以 Serial 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計算機(jī)為儀器精簡平臺組成的虛擬測試系統(tǒng)。 RS— 232 總線是早期采用的通用串行總線，將帶有 RS— 232 總線接口的儀器作為 1/0 接口設(shè)備，通過 RS— 232 串口總線與計算機(jī)組成虛擬儀器系統(tǒng)目前仍然是虛擬儀器構(gòu)成方式之一，主要適用于速度較低的測試系統(tǒng)。 虛擬儀器的軟件結(jié) 構(gòu) 虛擬儀器技術(shù)的核心是軟件，其軟件基本結(jié)構(gòu)如圖 所示。用戶可以采用各種編程軟件來開發(fā)自己所需要的應(yīng)用軟件。以美國 Nl 公司的軟件產(chǎn)品 LabVIEW 和LabWindows/CVI 為代表的虛擬儀器專用開發(fā)平臺是當(dāng)前流行的集成化開發(fā)工具。這些軟件開發(fā)平臺提供了強(qiáng)大的儀器軟面板設(shè)計工具和各種數(shù)據(jù)處理工具，再加上虛擬儀器硬件廠商提供的各種硬件的驅(qū)動程序模塊，大大簡化了虛擬儀器的設(shè)計工作。隨著軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，軟件開發(fā)的模塊化、復(fù)用化，和各種硬件儀器驅(qū)動軟件的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，虛擬儀器軟件開發(fā)將變得更加快速、方便。 硬 件 驅(qū) 動 程 序數(shù) 據(jù) 處 理用 戶 界 面 圖 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu) 虛擬儀器的開發(fā)軟件 虛擬儀器的開發(fā)語言 虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)語言有 ： 標(biāo)準(zhǔn) C， VisualC++， VisualBasci 等通用程序開發(fā)語言。但直接由這些語言開發(fā)虛擬儀器系統(tǒng)，是有相當(dāng)難度的。除了要花大量時間進(jìn)行測試系統(tǒng)面板設(shè)計外，還要編制大量的設(shè)備驅(qū)動程序和底層控制程序。這些工作對于那些不熟悉這方面知識的工程設(shè)計人員來說，要花費(fèi)大量時間和精力，這樣直接影響了系統(tǒng)開發(fā)的周期和性能。除了通用程序開發(fā)語言以外，還有一些專用的虛擬 儀器開發(fā)語言和軟件，其中有影響的開發(fā)軟件有 :NI 公司的 LabVIEW， LabWindowsCVI。 LabviEW 采用圖形化編程方案，是非常實用的開發(fā)軟件。 LabWindowsCVI 是為熟悉 C 語言的開發(fā)人員準(zhǔn)備的，是在 Windows 環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn) ANSIC 開發(fā)環(huán)境。除此以外還有 HP 公司的 HP— VEE， HP— TIG 開發(fā)平臺，美國 Tektrornix 公司的 EzTest， TekTNs 平臺軟件，這些都是國際上公認(rèn)的優(yōu)秀的虛擬儀器開發(fā)軟件平臺。 虛擬儀器開發(fā)平臺 —— LabVIEW LabVIEW（ Laboratory Virtual instrument Engineering）是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受，視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。 LabVIEW 集成了與滿足 GPIB、 VXI、 RS232 和 RS485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用 TCP/IP、 ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。這是一個功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得