【正文】 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。應(yīng)用程序覆蓋產(chǎn)品從設(shè)計到生產(chǎn)和服務(wù)的研究開發(fā)的所有階段。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。 檢測系統(tǒng)軟件構(gòu)架 LabVIEW 的圖形化程序設(shè)計是基于現(xiàn)代軟件的面向?qū)ο蠹夹g(shù)和數(shù)據(jù)流技術(shù)而發(fā)展起來的，數(shù)據(jù)流程序表示只有在所有輸入都有效時，一個對象才開始執(zhí)行。同樣，只有當(dāng)對象的功能完成以后，對象輸出才有效。因此，對象間的數(shù)據(jù)流控制著執(zhí)行順序。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】 。 LabVIEW 設(shè)計虛擬儀器的方法 1） 建立方案 利用 LabVIEW 軟件可以構(gòu)建虛擬儀器而不是編寫程序，有了交互式控制的軟件系統(tǒng)，用戶可以很方便地建立其前面板接口，為了實現(xiàn)具體的功能，用戶利用向?qū)О蚜鞒虉D組合在一起。 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。當(dāng)虛擬儀器完成后，就能夠在虛擬儀器工作時利用前面板去控制整個系統(tǒng)。 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。從功能模板上 選擇對象 (用圖標(biāo)表示 )，并用連線將它們連接基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測系統(tǒng) 28起來以便數(shù)據(jù)行傳遞，功能模塊上的對象包括：簡單的數(shù)學(xué)運算，高級數(shù)據(jù)采集和分析方法以及網(wǎng)和文件輸入、輸出操作等。 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。 LabVIEW 軟件是一個具有多線功能和能夠運行多個虛擬儀器的多任務(wù)系統(tǒng)。 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)。并可以改變它和其它虛擬儀器的交換和連接，以滿足不斷變化的應(yīng)用需要。 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。 尾氣采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計 軟件設(shè)計是虛擬儀器的關(guān)鍵。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。因為檢測系統(tǒng)軟件的主要功能如數(shù) 據(jù)的采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、信息顯示都是由軟件來體現(xiàn)的。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。本系統(tǒng)軟件采用模塊化方法進(jìn)行設(shè)計，下面詳細(xì)介紹一下檢測系統(tǒng)軟件各功能模塊的設(shè)計實現(xiàn) 【 20】 。 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。它是計算機(jī)與外部物理世界連接的橋梁。各種類型信號采集的難易程度差別很大。 一提到虛擬儀器軟件的組成，大多數(shù)人首先想到的就是應(yīng)用程序?qū)?，就是主要的開發(fā)環(huán)境，往往忽略了與硬件通信的驅(qū)動程序。 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。測量服務(wù)是快速的應(yīng)用程序開發(fā)中最為重要的部分之一。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。直觀的應(yīng)用程序編程接口青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 (API)、儀器驅(qū)動、配置工具、快速 I／ O 助手和其他包含在所購買的 NI 硬件中的軟件是它的特色。 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 在 20 世紀(jì) 90 年代首次發(fā)布了傳統(tǒng) NIDAQ 驅(qū)動。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。自 LabVlEW7． 0 以來增加了 NIDAQmx。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】 。 DAQ 助手提供了一個對話框式的向?qū)в糜跍y量任務(wù)的配置、測試和自動代碼生成。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)。 DAQ 助手在 Function Palette 中的位置為 Express Input DAQ Assistant。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。選擇Dev1(PCI6221)所需的物理通道 (ai0ai3)如圖 42 所示界面。模擬數(shù)據(jù)輸入的設(shè)置界面，如圖 43 所示。從中可以自定義通道的名稱，數(shù)據(jù)采集卡輸入信號的上下限，采集的類型等。 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。為了分別對四個通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，就需要將四個通道的數(shù)據(jù)分離開，并分別進(jìn)行保存。 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。圖 44 為數(shù)據(jù)采青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 集的程序框圖。 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)。利用 Queue 技術(shù)，可以將一個有序的的消息 (或者數(shù)據(jù) )從一個應(yīng)用程序中傳遞到另一個與之相獨立的并行運行的應(yīng)用程序中。 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)。如果分析數(shù)據(jù)的周期大于采集周期，那么數(shù)據(jù)將會緩存在隊列中，隊列只要沒有滿就不會丟失數(shù)據(jù)；如果分析數(shù)據(jù)的周期小于采集周期，那么在隊列為空時，數(shù)據(jù)分析處于等待狀態(tài)，也不會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的重復(fù)分析；當(dāng)數(shù)據(jù)采集循環(huán)停止時，若隊列中還有數(shù)據(jù)，則數(shù)據(jù)分析循環(huán)也會將剩余的數(shù)據(jù)全部分析，這樣也不會丟失前面采集的數(shù)據(jù)。 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。由朗伯一比 爾定律可知，氣體的吸收率和氣體濃度呈線性關(guān)系，通過往氣體池內(nèi)通入標(biāo)準(zhǔn)的不同濃度的待測氣體，對紅外光的吸收不同，紅外傳感器的信號也就不同。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】 。通過實驗測得如下數(shù)據(jù)如表 41 基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測系統(tǒng) 34表 41實驗測量數(shù)據(jù) Table 41 experimental data 濃度 C（ %） Δ U 0 3 6 9 12 15 LabVIEW 提供了很多數(shù)學(xué) 函數(shù)用于計算，標(biāo)定時測得都是一組一組的數(shù)據(jù)對，要利用多組數(shù)據(jù)對擬合出函數(shù)關(guān)系式。 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。這里用到的是線性擬臺，擬合程序前面板如圖 46，擬合程序圖如圖 47 所示。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。 圖 46 擬合程序前面板圖 Figure 46 Front panel fitting procedure 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 35 圖 47 擬合程序圖 Figure 47 Fitting procedure diagram 擬合后的直線公式為： ??? xy 根據(jù)擬合直線計算的數(shù)據(jù)如表 42 所示 表 42擬合后數(shù)據(jù) Table 42 After fitting the data 濃度 C（ %） Δ U（ V） 0 3 6 9 12 15 同理根據(jù)實驗結(jié)果，其他氣體組分的擬合直線公式也由此方法來完成。 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)。由于采集來的數(shù)據(jù)為原始的電壓幅值數(shù)據(jù)，所以要對其進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定后的數(shù)值才是尾氣中相應(yīng)氣體組分的濃度值。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。 相應(yīng)數(shù)據(jù)標(biāo)定與顯示的程序圖如 48 所示。 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。 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 37 圖 49 汽車尾氣檢測系統(tǒng)顯示界面 Figure 49 the display interface automobile exhaust testing system 本章小結(jié) 該系統(tǒng)的軟件設(shè)計是基于 LabVIEW 軟件開發(fā)平臺的， LabVIEW 是眾多虛擬儀器技術(shù)中的一種開發(fā)環(huán)境，具有自己的特點。 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。設(shè)計的軟件界面簡 單明了，可操作性強(qiáng)，功能實現(xiàn)的穩(wěn)定性高。至此 檢測系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件設(shè)計已完成。 基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測系統(tǒng) 385 總結(jié)與展望 本文主要研究的內(nèi)容是基于虛擬儀器技術(shù)的汽車尾氣檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要功能是檢測汽車排放氣體中的一氧化碳（ CO）、二氧化碳（ CO2）和碳?xì)浠衔铮?HC）有害氣體的濃度。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。該系統(tǒng)是通過三組分非分光紅外傳感器實現(xiàn)對尾氣中特定氣體組分進(jìn)行檢測的，傳感器將待 測氣體的濃度值轉(zhuǎn)化成電壓的變化。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。 考慮到裝置的實際應(yīng)用忽然更新，在將來的完善中，仍有很多待改進(jìn)的地方： 1） 考慮到實際的應(yīng)用環(huán)境的差異和環(huán)境因素的影響，如大氣壓力的影響溫度的影響等。 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。 3） 隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，要統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，給環(huán)境治理提供有效的幫助。