【導讀】導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝。為獲得及其它教育機構(gòu)的學位或?qū)W歷而使用過的材料。有權(quán)保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個。人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果。涉密論文按學校規(guī)定處理。等），文科類論文正文字數(shù)不少于萬字。符合國家技術(shù)標準規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不。國政府普遍關(guān)注和重視，并被確定為國家強制管理的法制計量器具。作為重量測量儀器，系統(tǒng)應用虛擬儀器技術(shù)進行自動測量、處理和顯示，實現(xiàn)了電子秤的智能化，具。有測量精度高、界面友好、運行穩(wěn)定可靠、功能便于擴展。

　　

【正文】 層 由生產(chǎn)商開發(fā)，用于將不同類型的實際儀器通過相同標準的總線連接起來形成一套完整的測試系統(tǒng)。 虛擬儀器的特點 從組成結(jié)構(gòu)來看，虛擬儀器的特點 ⑴ 虛擬儀器的硬件是通用的（包括通用計算機硬件平臺和通用的測量功能硬件）； ⑵ 良好的人機界面； ⑶ 功能強。虛擬儀器的功能是由用戶軟件定義的 ； ⑷ 虛擬儀器之 “虛擬 ”含義 。 虛擬儀器的面板是虛擬的 ； ⑸ 軟件是虛擬儀器的核心 [3]。 與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器的特點 ⑴ 功能由用戶自己定義，而廠商只提供基本的軟硬件； ⑵ 充分利用計算機技術(shù)，軟件是儀器的核心，界面友好，分析處理方便； ⑶ 具有擴展性，模塊化結(jié)構(gòu) ， 與其它儀器的連接不受限制； ⑷ 技術(shù)更新快，易于升級換代和維護； ⑸ 價格便宜 [3]。 虛擬儀器的發(fā)展前景 網(wǎng)絡化 網(wǎng)絡化虛擬儀器是虛擬儀器技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物?；谔摂M儀器的網(wǎng)絡化測控系統(tǒng)是分布式測控系統(tǒng)，它利用網(wǎng)絡將分散的各 種測控設備相連接，利用網(wǎng)絡完成內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸，以實現(xiàn)信息、資源共享，協(xié)同工作，從而完成復雜的測控任務，因而具備以下功能 ： ⑴ 支持遠程測控 ； ⑵ 支持分布式應用 ； ⑶ 支持異地數(shù)據(jù)存取 ； ⑷ 支持異地服務請求與訪問。 典型的網(wǎng)絡化虛擬儀器系統(tǒng)主要由基本功能單元和通訊網(wǎng)絡組成。 ⑴ 基本功能單元：主要包括 PC 儀器、單個網(wǎng)絡化測試儀器、網(wǎng)絡化傳感器、網(wǎng)絡化控制模塊、工作站、信息處理中心等，其中的網(wǎng)絡化儀器和網(wǎng)絡化傳感器是整個測控系統(tǒng)的最基本成分。它們在傳統(tǒng)的 測量儀器、測 控模塊、傳感器上加裝了本地處理器和通訊接口，其主要任務 是：①數(shù)據(jù)采集和處理；②測試數(shù)據(jù)交換；③測控過程監(jiān)控、故障診斷；④測試信息存儲。 ⑵ 通信網(wǎng)絡包括測試服務器、瀏覽服務器、中央管理計算機和網(wǎng)關(guān)等，負責對各測控基本功能單元進行任務分配、對采集的數(shù)據(jù)進行計算、處理和分析、存儲、系統(tǒng)故障診斷報警和提供瀏覽服務等。 向幾何、機械參量等難點領(lǐng)域發(fā)展 應用虛擬儀器進行幾何量和機械參量測量的難度要高于電參量的測量，這是因為傳感器和被測工件需要按照測量基準保持嚴格的相對位置關(guān)系，這種虛擬儀器不同其它參量的測量，它一般需要專用的定位機構(gòu)和傳動機構(gòu)。例如，在開發(fā)類似三坐標測量機 的虛擬儀器進行幾何輪廓參數(shù)的高精度測量時，專用的高精度傳感器、高精度的定位機構(gòu)和傳動機構(gòu)不可缺少。 基于 Linux 操作系統(tǒng)的虛擬儀器 目前主流的虛擬儀器主要是基于 Windows 操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要面向大眾用戶，盡管普及面較廣，但基于 Windows 操作系統(tǒng)的應用程序占用內(nèi)存大，系統(tǒng)穩(wěn)定性不理想，常出現(xiàn)“死機”現(xiàn)象。在工業(yè)現(xiàn)場應用場合，多任務并行是經(jīng)常要解決的問題，然而基于 Windows 操作系統(tǒng)的應用程序并不能真正實現(xiàn)實時多任務并行處理，但是基于 Linux內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 操作系統(tǒng)的應用程序卻更容易滿足上述要求，這是因為 ： ⑴ Linux 是真正的多任務的操作系統(tǒng)，可以同時執(zhí)行幾個程序。多任務操作系統(tǒng)就是可以運行多個應用程序 (或進程 )的系統(tǒng) 。 ⑵ Linux 操作系統(tǒng)是一個多用戶操作系統(tǒng)。與通常的 windows 系統(tǒng)相比， Linux 允許多個用戶同時登陸，充分利用操作系統(tǒng)的資源 。 ⑶ 在 Linux 平臺上幾乎能使用所有流行的開發(fā)軟件，如 C++、 FORTRAN、 JAVA 等 。 ⑷ 可以合理分配內(nèi)存。 Linux 會盡量把不同的內(nèi)存作 buffer（緩沖區(qū)）來使用，因此RAM 的大小決定運行速度。每個程序都有自己的主內(nèi)存區(qū)，系統(tǒng)處理主內(nèi)存區(qū)是采取保護的方式，可以 避免因為一個程序的執(zhí)行失敗而引起整個系統(tǒng)癱瘓。因此基于 Linux操作系統(tǒng)的虛擬儀器更容易滿足多任務并行處理及現(xiàn)場檢測和控制要求。 應用領(lǐng)域 虛擬儀器的功能和性能已被不斷地提高，如今在許多應用中它已成為傳統(tǒng)儀器的主要替代方式。隨著 PC、半導體和軟件功能的進一步更新，未來虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展將為測試系統(tǒng)的設計提供一個極佳的模式，并且在測量和控制方面都有無以倫比的強大功能和靈活性?？蓮V泛應用于電子測量、振動分析、聲學分析、故障診斷、航天航空、軍事工程、電力工程、機械工程、建筑工程、鐵路交通、地質(zhì)勘探、生物醫(yī)療、教學 及科研等諸多方面。 虛擬儀器的各種優(yōu)點讓用戶可以放心地舍棄舊的傳統(tǒng)測量設備，接受更新型、以計算機為基礎的虛擬儀器系統(tǒng)。由于計算機的性能價格比不斷改進，使虛擬儀器的價格更為大眾化，用戶不必再受限于傳統(tǒng)儀器的使用限制和昂貴的價格，進一步降低了使用成本，減少了系統(tǒng)的開發(fā)費用和系統(tǒng)的維護費用。此外，新型筆記本電腦又把虛擬儀器的便攜性和強大功能推向一個新的水平。所有這些必將加快虛擬儀器的發(fā)展，使它的功能內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 和應用領(lǐng)域不斷增強和擴大 。 本章小結(jié) 本章主要介紹了虛擬儀器的產(chǎn)生及其產(chǎn)生背景，并且給出詳細的介紹，同時介紹了虛擬 儀器 圖形化程序設計的步驟 。從兩個方面概述了虛擬儀器的特點，最后扼要的敘述了虛擬儀器的應用領(lǐng)域及其發(fā)展趨勢。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第四章 基于虛擬儀器的電子秤設計 —— 硬件部分 電子秤是各行業(yè)對物料進行計量或工礦企業(yè)在生產(chǎn)過程中對物料重量進行各種控制的新一代重量計量器具 。 作為重量測量儀器 ， 智能電子秤在各行各業(yè)中開始顯現(xiàn)其測量精度高 ， 測量速度快 ， 操作簡單易學 ， 可以實時監(jiān)控的巨大優(yōu)點 ， 使其已經(jīng)開始逐漸取代傳統(tǒng)型的機械杠桿測量稱 ， 成為測重領(lǐng)域的主流產(chǎn)品 。 結(jié)合傳感器技術(shù) 、 數(shù)據(jù)采集技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)開發(fā)設計了一種基于 虛擬儀器 的智能 電子秤 ， 該系統(tǒng)采用普通 PC 機為主機 ， 利用圖形化可視測試軟件 Labview 為軟件開發(fā)平臺 ， 將被測重量轉(zhuǎn)換處理進行數(shù)據(jù)采集 ， 實時進行處理 、 顯示 [4]。 Labview 是美國 NI 公司推出的一個圖形化軟件開發(fā)環(huán)境 ， 它是一個通用的軟件開發(fā)平臺 ， 其最大優(yōu)勢在于測控系統(tǒng)的開發(fā) 。 它不僅提供了幾乎所有經(jīng)典的信號處理函數(shù)和大量現(xiàn)代的高級信號分析工具 ， 而且 Labview 程序還很容易和各種數(shù)據(jù)采集硬件集成 ， 可以和多種主流的工業(yè)現(xiàn)場總線通信以及與大多數(shù)通用標準的實時數(shù)據(jù)庫鏈接 。 這種編程方式強調(diào)信號處理的實際過程 ， 編程簡單 ， 調(diào)試方便 [4]。 電子秤的原理框圖 本系統(tǒng)主要由壓力傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計算機組成 ,原理框圖如圖 所示 [4]。 重 重重 重 重 重 重重 重 重 重 重重L a b v ie w 重 重重 重 重 重 重 圖 4. 1 電子秤的原理框圖 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 壓力傳感器 力學傳感器的種類繁多，如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器等。電阻應變片壓力傳感器是國內(nèi)外應用較為廣泛的一種，它具有精度高、測量范圍廣、頻響特性好等優(yōu)點。本系統(tǒng)采用的壓力傳感器是電 阻應變式傳感器 [4]。 當電阻應變式傳感器在外力作用下產(chǎn)生機械形變時，其電阻值也相應發(fā)生變化，其電阻變化與應變的關(guān)系為 ： ΔR/R=K0ε， 其中 K0為靈敏系數(shù)，由金屬材料決定； ε為應變，當壓力 F 在一定范圍內(nèi)時， ε以一個常數(shù)正比于 F，應變由物體質(zhì)量產(chǎn)生的荷重而形成，因此可得 ： m=ɑF+b (a,b 為常數(shù) ) [4]。 信號調(diào)理 ⑴放大 放大器通過提高輸入信號的幅度來更好的匹配數(shù)字化儀的輸入電壓范圍，從而提高了小信號測量的精度和靈敏度，進而提高了測量的分辨率和靈敏度。 ⑵衰減 衰減降低輸入信號的幅度以落入數(shù)字化 儀輸入范圍，從而可以利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來測量高電壓信號。 ⑶隔離 具有隔離的信號調(diào)理設備通過使用轉(zhuǎn)換器、光或電容性耦合技術(shù)而不是物理連接來將輸入信號傳輸至測量設備，隔離切斷了接地環(huán)路。利用隔離技術(shù)，可以測量帶有較高的共模電壓的信號 。 ⑷濾波 濾波通過從信號中去處不希望的頻率分量來提高測量精度。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） ⑸ 校準 校準通過調(diào)整數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來補償傳感器或測量硬件中的不平衡，來提高測量精度。 ⑹ 同步采樣 當必須在同一時間內(nèi)測量兩個或多個信號，需要同步采樣。 數(shù)據(jù)采集參數(shù) 模擬輸入 ⑴ 通道數(shù) 對于采用單端和差分兩種輸 入方式的設備，模擬輸入通道數(shù)可以分為單端輸入通道數(shù)和差分輸入通道數(shù)。 在單端輸入中，輸入信號均以共同的地線為基準。這種輸入方法主要應用于輸入信號電壓較高，信號源到模擬輸入硬件的導線較短，且所有的輸入信號共用一個基準地線。 如果信號達不到這些標準，此時應該用差分輸入。對于差分輸入，每一個輸入信號都有自有的基準地線；由于共模噪聲可以被導線所消除，從而減小了噪聲誤差。 ⑵ 采樣速率 采樣速率決定了每秒種進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的次數(shù)。一個高采樣速率可以在給定時間下采集更多數(shù)據(jù)，因此能更好地反映原始信號。 ⑶ 多路復用 多路復 用是使用單個模數(shù)轉(zhuǎn)換器來測量多個信號的一種常用技術(shù)。 ⑷ 分辨率 模數(shù)轉(zhuǎn)換器用來表示模擬信號的位數(shù)即是分辨率。分辨率越高，信號范圍被分割成的區(qū)間數(shù)目越多，因此，能探測到的電壓變量就越小。 ⑸ 量程 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 量程是模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以量化的最小和最大電壓值。 NI 公司的多功能數(shù)據(jù)采集設備能對量程范圍進行選擇，可以在不同輸入電壓范圍下進行配置。由于具有這種靈活性，可以使信號的范圍匹配 ADC 的輸入范圍，從而充分利用測量的分辨率。 模擬輸出 ⑴ 穩(wěn)定時間 穩(wěn)定時間是指輸出達到規(guī)定精度時所需要的時間。 ⑵ 轉(zhuǎn)換速率 轉(zhuǎn)換速率是指數(shù)模轉(zhuǎn)換器所 產(chǎn)生的輸出信號的最大變化速率。穩(wěn)定時間和轉(zhuǎn)換速率一起決定 數(shù) 模轉(zhuǎn)換器改變輸出信號值的速率。因此，一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器在一個小的穩(wěn)定時間和一個高的轉(zhuǎn)換速率下可產(chǎn)生高頻率的信號，這是因為輸出信號精確地改變至一個新的電壓值這一過程所需要的時間極短。 ⑶ 輸出分辨率 輸出分辨率與輸入分辨率類似 。 它是產(chǎn)生模擬輸出的數(shù)字碼的位數(shù)。較大的位數(shù)可以縮小輸出電壓增量的量值，因此可以產(chǎn)生更平滑的變化信號。對于要求動態(tài)范圍寬、增量小的模擬輸出應用，需要有高分辨率的電壓輸出。 ⑷ 觸發(fā)器 基于一個外部事件來起動或停止一個數(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一個指定模擬電壓值時，根據(jù)相應的變化方向來起動或停止數(shù)據(jù)采集的操作。 數(shù)字 I/O（ DIO） DIO 接口經(jīng)常在 PC 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用，它被用來控制過程、產(chǎn)生測試波形、與外圍設備進行通信。 一個常見的 DIO 應用是傳送計算機和設備之間的數(shù)據(jù)，這些設備包括數(shù)據(jù)記錄器、內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 數(shù)據(jù)處理器以及打印機。因為上述設備常以 1 個字節(jié)（ 8 位）來傳送數(shù)據(jù)，插入式 DIO設備的數(shù)字線常排列為 8 位一組，許多具有數(shù)字能力的板卡具有帶同步通信功能的握手電路。 通道數(shù)、數(shù)據(jù)速率和握手能力都是很重要的技術(shù)指標，需要了解這些指標并且它們要與應用的要求相匹配。 定時 I/O 計數(shù)器 /定時器在許多應用中具有很重要的作用，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。 數(shù)據(jù)采集卡 數(shù)據(jù)采集卡組成 ⑴多路開關(guān) 多路開關(guān)將多路信號輪流切換到放大器的輸入端，實現(xiàn)多參數(shù)多路信號的分時采集。 ⑵放大器 放大器將待采集信號放大或衰減至采樣環(huán)節(jié)的量程范圍內(nèi)。通常實際系統(tǒng)中，放大器的增益是可調(diào)的，設計者可以根據(jù)輸入信號幅值的大小選擇不同的增益倍數(shù)。 ⑶采樣 /保持器 采樣 /保持器取出 被 測信號在某一瞬時的值，即實現(xiàn)信號的時間離散化，并在 A/D轉(zhuǎn)換過程中保持信號不變。 ⑷ A/D 轉(zhuǎn)換器 A/D 轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬量轉(zhuǎn)化成為數(shù)字量輸出，并完成信號幅值的變化。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，通常將采樣 /保持器 同 A/D 轉(zhuǎn)換器集成在一塊芯片上。 以上四個部分都處在 PC 的前向通道，是數(shù)據(jù)采集卡的主要組成部分。其他相關(guān)電路，如定時 /計數(shù)器、總線接口電路等也集成在一塊電路板上，完成對信號數(shù)據(jù)的采集、內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 放大及模 /數(shù)轉(zhuǎn)換任務。 PCI6221 采集卡 本設計所采用的采集卡是 NI 公司的 PCI6221（ 68— Pin） 板卡， 如圖 為 PCI6221引腳圖 。 圖 PCI6221 引腳圖 其主要特性如下： 模擬 輸入： 16 路模擬輸入 模擬輸出： 2 路模擬輸出 數(shù)字 I/O： 24 路數(shù)字 I/O 計數(shù)器 /定時器 ： 2 個 32 位的計數(shù)器 /定時器 分辨率： 16 位分辨率 采樣率 ： 250ks/s 采樣速率 更新速率： 833ks/s 觸發(fā)方式：數(shù)字觸發(fā) 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 輸入范圍： 177。 至 177。10V 數(shù)據(jù)采集卡的選擇 數(shù)據(jù)采集 卡