【文章內(nèi)容簡介】 控制協(xié)議的遠程測控系統(tǒng)逐漸興起，產(chǎn) 生了如 RS232C、 IEEE488(GPIB)等著名的傳輸控制協(xié)議，并出現(xiàn)了相應(yīng)的硬件去實現(xiàn)。但是，這種遠程測控體系不僅需要大量設(shè)備和資金投入進行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和專用軟硬件的配置，而且整個體系缺乏通用性，所以沒有能夠廣泛的發(fā)展。隨著客戶機 /服務(wù)器 (Client/Server)模式的廣泛應(yīng)用，局域網(wǎng)開始逐步取代專用網(wǎng)絡(luò)，通用協(xié)議也相應(yīng)取代專業(yè)協(xié)議， TCP／ IP 基本上成為應(yīng)用最廣泛的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。這種新的發(fā)展無論在整個體系結(jié)構(gòu)的靈活程度，還是系統(tǒng)構(gòu)造的周期和難度方面，都使得遠程測控系統(tǒng)向前邁進了一大步。但是，客 戶 /服務(wù)器模式也存在著一個重要的缺點，就是用戶必須安裝、配置和維護本系統(tǒng)專用的客戶端軟件。在很多情況下，尤其是客戶端軟件的安裝和配置比較復(fù)雜時，這個限制是很不方便的，一旦軟件配置或者安裝不正確的話，就很可能會使系統(tǒng)無法工作，或者違背了遠程測控的開放性和通用性的宗旨。 Inter 的出現(xiàn)和爆炸式增長，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，給遠程測試的發(fā)展注入了新的活力。瀏覽器和 HTTP 協(xié)議在全球范圍的廣泛使用給客戶／服務(wù)器模式的軟件安裝、配置問題提供了滿意的解決方案，這就是現(xiàn)在遠程測控中廣泛采用的瀏覽器服務(wù)器模式(Browse／ Server)。只要有一個網(wǎng)絡(luò)接口和一臺安裝了瀏覽器的計算機，用戶就可以通過瀏覽器實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的遠程測控。由于 Inter 網(wǎng)絡(luò)遍及全世界，并且正在與更大帶寬的有線電視網(wǎng)和電力網(wǎng)進行互聯(lián)，而且 Inter 擁有成熟的通訊協(xié)議，用較少的資金和設(shè)備投入，較短的開發(fā)周期就可以構(gòu)建整個系統(tǒng)。此外，任何適用于 Inter 的技術(shù)均可被加以利用，來實現(xiàn)系統(tǒng)功能的擴充而不需要修改客戶端軟硬件。因此，瀏覽器／服務(wù)器模式 (Browse／ Server)相對于其它兩種遠程測控方式而言，有著無可比擬 的優(yōu)勢。除了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科研外，遠程虛擬儀器將深入到人們生活的各個領(lǐng)域。比如以互聯(lián)網(wǎng)為主要手段的現(xiàn)代遠程教育如今已成為一種不可阻擋的發(fā)展趨勢。美國已有 60％的高校開展了以互聯(lián)網(wǎng)為主要手段的遠程教育，遠程教育開設(shè)的學歷、學位課程數(shù)已達到 萬個，基本上覆蓋了美國高等學校的所有學科和專業(yè)，通過網(wǎng)絡(luò)學習的人數(shù)正以每年 3 倍的速度增長 [8]。但是，相對于可以遠程進行的理論教學模式而言，傳統(tǒng)實驗教學模式是近距離性的。而遠程教育中，由于教學機構(gòu)與學習者在空間上分離，學習者到學校實驗室做近距離的現(xiàn)場實驗總 是相當困難，當然也不可能在每個學習者所在處 (如企業(yè)、家庭等 )建立實驗室，這樣就產(chǎn)生了在遠程教育中實驗教學與教學要求不適應(yīng)的狀況，并已經(jīng)成為了制約遠程教育質(zhì)量的一個重要因素。 徐州工程學院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 5 利用遠程虛擬儀器技術(shù)，將 Inter 與上述的虛擬實驗室組成一個基于 Web 的虛擬實驗室，使遠端的學員可以不斷地通過 Inter 利用瀏覽器在自己的計算機上進行各種虛擬實驗，學習掌握各種虛擬儀器的工作原理及操作使用方法。虛擬儀器在有些發(fā)達國家中設(shè)計、生產(chǎn)、使用已經(jīng)十分普及。在美國，虛擬儀器及其圖形編程語言，已作為各大學理工 科學生的一門必修課程 [9]。在我國虛擬儀器設(shè)計、使用也已起步，我國有幾家企業(yè)在研制 PC 虛擬儀器，產(chǎn)品已達到一定的批量。未來的幾年內(nèi)，我國將有更多的儀器為虛擬儀器 [10]。屆時，國內(nèi)將有大批企業(yè)用虛擬儀器系統(tǒng)對生產(chǎn)設(shè)備的運行狀況進行實時監(jiān)測。隨著微型計算機的發(fā)展，各種軟件不斷誕生，虛擬儀器將會逐步取代傳統(tǒng)的測試儀器而成為測試、實驗儀器的主流。 本文研究的主要內(nèi)容和意義 研究內(nèi)容：應(yīng)用虛擬儀器的設(shè)計思想以及功能模塊化的設(shè)計方法，采用 LabView 開發(fā)平臺、計算機、 I\O 接口和數(shù)據(jù)采集卡相結(jié)合，設(shè)計一個 實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、信號分析處理、數(shù)據(jù)輸出顯示和儀器控制模塊等功能的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 研究意義：計算機科學、微電子技術(shù)和網(wǎng)路技術(shù)的發(fā)展，以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的不斷完善，使得計算機、網(wǎng)絡(luò)與儀器的結(jié)合變的十分緊密，為實現(xiàn)真正的硬件資源共享、互動操縱性、安全性等優(yōu)點，對此遠程數(shù)據(jù)采集具有重要意義！ 數(shù)據(jù)采集是獲得信息的基本手段，數(shù)據(jù)采集技術(shù)作為信息科學的一個重要分支，以傳感器、信號測量與處理、微型計算機等技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的一門綜合應(yīng)用技術(shù)，它研究數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理及控制等作業(yè)，具有很強的使用性。 隨著科學技術(shù)的發(fā)展和 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，人們對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出了越來越高的要求，特別在雷達、氣象、地震預(yù)報、航空航天、通信等領(lǐng)域里，現(xiàn)場信號具有重要的作用，這些信號的主要特點是實時性強、數(shù)據(jù)速率高、數(shù)據(jù)量大、處理復(fù)雜、運算量大。 本課題利用 LabView 開發(fā)平臺設(shè)計一個可以局域網(wǎng)運行的的多通道遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程實時數(shù)據(jù)的采集、顯示和數(shù)據(jù)庫存儲。要求完成系統(tǒng)需求分析 ,功能模塊劃分 ,流程圖的設(shè)計 ,各個應(yīng)用程序各模塊的具體代碼實現(xiàn)等全部過程。 徐州工程學院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 6 2 虛擬儀器的硬件 通用儀器硬件部分 傳感器 傳感器 將感應(yīng)的物理量變?yōu)?DAQ 系統(tǒng)能測量的電信號。例如：熱電偶，電阻式熱探測器，熱米電阻等溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)變成 ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）可測量的模擬信號。另外如張力測量器、流量傳感器、壓力傳感器可以用來相應(yīng)的測量力的強度、流速、壓力。在每一種測量中，傳感器產(chǎn)生的信號是與所測控的物理參數(shù)相對應(yīng)的。 信號調(diào)理器 由傳感器產(chǎn)生的電信號必須轉(zhuǎn)化成 DAQ 卡能接受的電信號。信號調(diào)理器能放大弱信號，然而為了得到更精確的測量，還需對信號進行隔離和濾波。此外有些傳感器需要電壓或電流激勵源得到電壓輸出。 數(shù)據(jù)采集 卡 數(shù)據(jù)采集卡包括總線接口、輸入端口、輸出端口和控制四個部分?？偩€接口是數(shù)據(jù)采集卡與系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的通道；輸入接口包括模擬輸入、并行輸入和外部時鐘輸入等；輸出接口包括模擬輸出、并行輸出和時鐘分頻輸出等；控制部分的功能有設(shè)置采樣頻率、 A/D轉(zhuǎn)換、 D/A 轉(zhuǎn)換、增益調(diào)節(jié)、控制輸入與輸出數(shù)據(jù)緩沖、計數(shù)、時鐘分頻、模擬輸出平滑等。 (1)數(shù)據(jù)采集卡的功能 數(shù)據(jù)采集卡的功能有模擬輸入、模擬輸出、觸發(fā)采集、數(shù)字 I/O和定時 I/O，這些功能分別由相應(yīng)的電路來實現(xiàn)。 模擬輸入是采集卡最基本的功能。它由多路開關(guān)、放大器、采樣保持 電路以及 A/D 來實現(xiàn)， A/D 的性能和參數(shù)直接影響著模擬輸入的質(zhì)量，它考慮的參數(shù)包括采樣速率、通道數(shù)和輸入范圍等。 模擬輸出是為采集系統(tǒng)提供激勵。輸出信號受數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (D/A)的穩(wěn)定時間、轉(zhuǎn)換速率和輸出分辨率等因素的影響。 許多數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用過程需要一個外部事件來啟動或停止數(shù)據(jù)采集的工作。數(shù)字觸發(fā)使用外部數(shù)字脈沖來同步采集與電壓生成；模擬觸發(fā)主要用于模擬輸入操作，當一個輸入信號達到指定模擬電壓值時，根據(jù)相應(yīng)的變化方向來啟動或停止數(shù)據(jù)采集的操作。 D/A 通常用來控制過程、產(chǎn)生測試信號、與外設(shè)設(shè)備進行通信等。它的 參數(shù)包括：可應(yīng)用的數(shù)字線的數(shù)目、在這些通路上接收和提供數(shù)據(jù)的速率、通路的驅(qū)動能力等。數(shù)字 I/O常見的應(yīng)用是在計算機和外設(shè) (如打印機、數(shù)據(jù)記錄儀等 )之間傳送數(shù)據(jù)。 計數(shù)器 /定時器包括對數(shù)字事件產(chǎn)生次數(shù)的計數(shù)、數(shù)字脈沖計時以及產(chǎn)生方波和脈沖。計數(shù)器包括三個重要信號：輸出信號、計數(shù)信號和門限信號。 徐州工程學院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 7 (2)數(shù)據(jù)采集卡的軟件配置 數(shù)據(jù)采集卡一般都有驅(qū)動程序，該程序用來控制采集卡的硬件操作，驅(qū)動程序由采集卡的供應(yīng)商提供。 NI 公司提供了數(shù)據(jù)采集卡的配置工具軟件Measurementamp。Automation Explorer，它可以用來配置 NI 公司的硬件和軟件，比如查看所連接的設(shè)備、執(zhí)行系統(tǒng)測試、增加新通道和虛擬通道等，數(shù)據(jù)采集卡的配置將在軟件設(shè)計中講述。 數(shù)據(jù)采集卡是硬件的重要組成部分，其性能指標直接影響著監(jiān)測系統(tǒng)采集信號的采樣速率、精度等指標。數(shù)據(jù)采集卡的選擇主要與采樣頻率、測量通道、測量精度、分辨率有關(guān)。 采樣頻率是在單位時間內(nèi)的測量次數(shù)，根據(jù)采樣定理，所需的采樣頻率應(yīng)為所測信號最高頻率分量的兩倍以上。 測量通道是系統(tǒng)所需測量的信號數(shù)量，產(chǎn)品不同，可測量的通道數(shù)也不同。在選取數(shù)據(jù)采集卡時應(yīng)注意幾點：可測通道數(shù)是否 滿足系統(tǒng)要求；在需要差分輸入測量時，采集卡上有無差分輸入以及差分輸入的通道數(shù)；在測量通道數(shù)較多時，采集卡能否擴展及最多可擴展的通道數(shù)。 測量中都需將模擬信號經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，分辨率就是將滿量程信號經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后得到二進數(shù)的位數(shù)。分辨率越高說明可檢測出的電壓變化越小，它和測量范圍及增益決定了采集卡的可測最小電壓變化量。 信號 外觸發(fā) 圖 21 DAQ 設(shè)備與計算機相連整體系統(tǒng)框圖 上圖表示了數(shù)據(jù)采集的結(jié)構(gòu)。在數(shù)據(jù)采集之前，程序?qū)?對 DAQ 板卡初始化，板卡上和內(nèi)存中的 Buffer 是數(shù)據(jù)采集存儲的中間環(huán)節(jié)。需要注意的兩個問題是 :是否使用 Buffer，是否使用外觸發(fā)啟動、停止或同步一個操作。 這里的緩沖指的是 PC 內(nèi)存的一個區(qū)域 (不是 DAQ 卡上的 FIFo 緩沖 )，它用來臨時存放數(shù)據(jù)。例如，當需要采集每秒采集幾千個數(shù)據(jù)，在一秒內(nèi)顯示或圖形化所有數(shù)據(jù)是困難的。但是將采集卡的數(shù)據(jù)先送到 Buffer，就可以先將它們快速存儲起來，稍后再重新找回它們顯示或分析。需要注意的是 Bufl 籠 :與 DAQ 操作的速度及容量有關(guān)。如果采集卡有 DMA 性能，模擬輸入操作就有 一個通向計算機內(nèi)存的高速硬件通道，這就意味著所采集的數(shù)據(jù)可以直接送到計算機的內(nèi)存。不使用 Buffer 意味著對所采集的每一個數(shù)據(jù)都必須及時處理DAQ 板卡 A/D Buffer （ FIFO） 驅(qū)動程序 LabVIEW 程序 Buffer 硬件 顯示 徐州工程學院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 8 (圖形化、分析等 )，因為這里沒有一個場合可以保持著手處理的數(shù)據(jù)之前的若干數(shù)據(jù)點。 下列情況需要使用 BufferFO: 1 需要采集或產(chǎn)生許多樣本，其速率超過了實際顯示、存儲到硬件，或?qū)崟r分析的速度。 “ 需要連續(xù)采集或產(chǎn)生 AC 數(shù)據(jù) (10 樣本 /秒 )，并且要同時分析或顯示某些數(shù)據(jù)。 2 采樣周期必須準確、均勻地通過數(shù)據(jù)樣本。 下列情況可以不使用 BufferI/0: 1 數(shù)據(jù)組短小 ，例如每秒只從兩個通道之一采集一個數(shù)據(jù)點。 2 需要縮減存儲器的開支 虛擬儀器硬件部分 虛擬儀器硬件部分主要包括計算機相關(guān)硬件和 I\O 接口設(shè)備。 計算機 ： 一般為 PC 機或工作站，這是硬件平臺的核心。 PC 機的迅速發(fā)展使其成為虛擬儀器系統(tǒng)的核心，快速的 CPU（目前速度已達 GHz 以上）、大容量的硬盤和 RAM、高速 I\O 接口完成虛擬儀器測試系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸、分析及處理、存貯等任務(wù)，也使得系統(tǒng)的性能比傳統(tǒng)測量儀器大為提高。對于網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器系統(tǒng)，則還包括網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備，如網(wǎng)卡、路由器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等等，這里不再贅述。 I/O 接口設(shè)備 ： I/O 接口設(shè)備主要完成被測信號的采集、放大和 A/D 轉(zhuǎn)換等。根據(jù)采用的不同總線及其相應(yīng)的 I/O 接口硬件設(shè)備，如利用 PC 機總線的數(shù)據(jù)采集卡、 GPIB 總線儀器、 VXI 總線儀器模塊、串口總線儀器等，虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成方式主要有 5 中方式，如圖 圖 22 虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成方式 PCDAQ系統(tǒng) GPIB系統(tǒng) VXI系統(tǒng) PXI系統(tǒng) 串口系統(tǒng) 被測對象 計算機 徐州工程學院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 9 PCDAQ 系統(tǒng)：它是以數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理電路和計算機為儀器硬件平臺組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。這種系統(tǒng)采用 PCI 或 ISA 計算機本身總線，只需將數(shù)據(jù)采集卡 DAQ 插入計算機的可用插槽中即可。 GPIB 系統(tǒng)： GPIB 技術(shù)屬于 IEEE488 標準的虛擬儀器早期開發(fā)標準。它的出現(xiàn)時電子測量由獨立的手工操作向大規(guī)模的自動測試系統(tǒng)發(fā)展，典型的 GPIB 系統(tǒng)由一臺 PC 機、一塊 GPIB 接口卡和若干臺 GPIB 形式的儀器通過 GPIB 電纜線連接而成。在標準的情況下，一臺 GPIB 接口卡可帶多達 14 臺儀器，電纜長度可達 20 米。 GPIB 技術(shù)可用計算機實現(xiàn)對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很方便的把多臺儀器結(jié)合起來，形成的的自動控制系統(tǒng)。 GPIB 測控系統(tǒng)地結(jié)構(gòu)和命令簡單、造價低廉，主 要市場在臺式儀器市場。 VXI 系統(tǒng)： VXI 總線是一種高速計算機總線 VME 總線在 VI 領(lǐng)域的擴展。它具有穩(wěn)定的電源，強力的冷卻能力和嚴格的 RFI/EMI 屏蔽。由于它的標準開發(fā)、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐量大、定時和同步精確、模塊可用等優(yōu)點，因而得到很快的應(yīng)用。進過十多年的發(fā)展， VXI系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，尤其是組建大、中規(guī)模遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合。然而，組建 VXI 總線要求有機箱、零槽管理器以及嵌入式控制器，造價比較高。 PXI 系統(tǒng) ： PXI 總線方式是在 PCI 總線內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范 和要求形成的，增加了多板同步觸發(fā)總線的參考時鐘。用于精確定時的星形觸發(fā)總線，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局部總線。 PXI 具有高度可擴展性， PXI 具有