【正文】 10V 數(shù)據(jù)采集卡的選擇 數(shù)據(jù)采集 卡 的。 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(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 輸入范圍： 177。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(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 放大及模 /數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)。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。 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。 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)。 定時 I/O 計數(shù)器 /定時器在許多應(yīng)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。因為上述設(shè)備常以 1 個字節(jié)（ 8 位）來傳送數(shù)據(jù)，插入式 DIO設(shè)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。 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(shè)備進(jìn)行通信。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。對于要求動態(tài)范圍寬、增量小的模擬輸出應(yīng)用，需要有高分辨率的電壓輸出。 它是產(chǎn)生模擬輸出的數(shù)字碼的位數(shù)。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。 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。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。 ⑸ 量程 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)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。 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。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。對于差分輸入，每一個輸入信號都有自有的基準(zhǔn)地線；由于共模噪聲可以被導(dǎo)線所消除，從而減小了噪聲誤差。這種輸入方法主要應(yīng)用于輸入信號電壓較高，信號源到模擬輸入硬件的導(dǎo)線較短，且所有的輸入信號共用一個基準(zhǔn)地線。 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(shè)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)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） ⑸ 校準(zhǔn) 校準(zhǔn)通過調(diào)整數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來補(bǔ)償傳感器或測量硬件中的不平衡，來提高測量精度。利用隔離技術(shù)，可以測量帶有較高的共模電壓的信號 。 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。 當(dāng)電阻應(yīng)變式傳感器在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械形變時，其電阻值也相應(yīng)發(fā)生變化，其電阻變化與應(yīng)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(yīng)變，當(dāng)壓力 F 在一定范圍內(nèi)時， ε以一個常數(shù)正比于 F，應(yīng)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]。電阻應(yīng)變片壓力傳感器是國內(nèi)外應(yīng)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(diǎn)。 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(jī)組成 ,原理框圖如圖 所示 [4]。 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(biāo)準(zhǔn)的實時數(shù)據(jù)庫鏈接 。 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(shè)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(jī)為主機(jī) ， 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(jìn)行數(shù)據(jù)采集 ， 實時進(jìn)行處理 、 顯示 [4]。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第四章 基于虛擬儀器的電子秤設(shè)計 —— 硬件部分 電子秤是各行業(yè)對物料進(jìn)行計量或工礦企業(yè)在生產(chǎn)過程中對物料重量進(jìn)行各種控制的新一代重量計量器具 。 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(xì)的介紹，同時介紹了虛擬 儀器 圖形化程序設(shè)計的步驟 。此外，新型筆記本電腦又把虛擬儀器的便攜性和強(qiáng)大功能推向一個新的水平。 虛擬儀器的各種優(yōu)點(diǎn)讓用戶可以放心地舍棄舊的傳統(tǒng)測量設(shè)備，接受更新型、以計算機(jī)為基礎(chǔ)的虛擬儀器系統(tǒng)。隨著 PC、半導(dǎo)體和軟件功能的進(jìn)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(shè)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(qiáng)大功能和靈活性。因此基于 Linux操作系統(tǒng)的虛擬儀器更容易滿足多任務(wù)并行處理及現(xiàn)場檢測和控制要求。 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(yùn)行速度。 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 。 ⑵ Linux 操作系統(tǒng)是一個多用戶操作系統(tǒng)。在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用場合，多任務(wù)并行是經(jīng)常要解決的問題，然而基于 Windows 操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序并不能真正實現(xiàn)實時多任務(wù)并行處理，但是基于 Linux內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 操作系統(tǒng)的應(yīng)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(wù)的操作系統(tǒng)，可以同時執(zhí)行幾個程序。 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)。 向幾何、機(jī)械參量等難點(diǎn)領(lǐng)域發(fā)展 應(yīng)用虛擬儀器進(jìn)行幾何量和機(jī)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(zhǔn)保持嚴(yán)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(jī)構(gòu)和傳動機(jī)構(gòu)。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(wù) 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。 典型的網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器系統(tǒng)主要由基本功能單元和通訊網(wǎng)絡(luò)組成。 虛擬儀器的發(fā)展前景 網(wǎng)絡(luò)化 網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器是虛擬儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。 虛擬儀器的面板是虛擬的 ； ⑸ 軟件是虛擬儀器的核心 [3]。 虛擬儀器的特點(diǎn) 從組成結(jié)構(gòu)來看，虛擬儀器的特點(diǎn) ⑴ 虛擬儀器的硬件是通用的（包括通用計算機(jī)硬件平臺和通用的測量功能硬件）； ⑵ 良好的人機(jī)界面； ⑶ 功能強(qiáng)。 ⑶儀器驅(qū)動層 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 由生產(chǎn)商開發(fā)，針對不同類型的儀器有不同的驅(qū)動程序接口。這是虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)之一，它可以方便地使用戶根據(jù)自己的需要，自己的風(fēng)格建立自己的測試儀器。首先設(shè)計 子 vi 完成每個子任務(wù)，然后將之逐步組合成能夠解決最終問題的 VI。 Labview 依附并發(fā)展了模塊化程序設(shè)計的概念。每個 VI 既可以單獨(dú)運(yùn)行，也可以被其他 VI 調(diào)用。在流程圖中使用選擇工具或連線工具，在連線上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，在連線的彈出式菜單中選擇“探針”命令，同樣可以為該連線加上一個探針 。這時顯示器上會出現(xiàn)一個探針顯示窗口。 ⑷ 探針 可用探針工具來查看當(dāng)流程圖程序流經(jīng)某一根連接線時的數(shù)據(jù)值。按下單步執(zhí)行按鈕，閃爍的節(jié)點(diǎn)被執(zhí)行，下一個將要執(zhí)行的節(jié)點(diǎn)變內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 為閃爍，指示它將被執(zhí)行。斷點(diǎn)的顯示對于節(jié)點(diǎn)或者圖框表示為紅框，對于連線表示為紅點(diǎn)。使用斷點(diǎn)工具可以在程序的某一地點(diǎn)中止程序執(zhí)行，用探針或者單步方式查看數(shù)據(jù)。這樣，可以根據(jù)數(shù)據(jù)的流動狀態(tài)跟蹤程序的執(zhí)行。 ⑵ 設(shè)置執(zhí)行程序高亮 在 Labview 的工具條上有一個畫著燈泡的按鈕，這個按鈕叫做“高亮執(zhí)行”按鈕。這時該按鈕被稱作錯誤列表。若功能模板不出現(xiàn)，則可以用 Windows 菜單下的 Show Functions Palette 功能打開它，也可以在流程圖程序窗口的空白處點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵以彈出功能模板。 ⑶ 功能模板 功能模板是創(chuàng)建流程圖程序的工具。每個圖標(biāo)代表內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 一類子模板。當(dāng)從 Windows 菜單下選擇了Show Help Window 功能后，把工具模板內(nèi)選定的任一種工具光標(biāo)放在流程圖程序的子程序或圖標(biāo)上，就會顯示相應(yīng)的幫助信息。如果該模板沒有出現(xiàn)，則可以在 Windows 菜單下選擇 Show Tools Palette 命令以顯示該模板。這些模板集中反映了該軟件的功能與特征。 ⑹ 圖形編輯器： 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(yùn)行速度快，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。 ⑷ 數(shù)據(jù)流程序設(shè)計： Labview 軟件中程序的執(zhí)行順序由各方塊中的數(shù)據(jù)流決定，也可以建立同步操作的流程圖。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） ⑵ 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，從而利用前面板去控制整個系統(tǒng)。 Labview 是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。接口軟件包中的所有程序都可運(yùn)行于多種普通計算機(jī)和操作系統(tǒng)上。美國國家儀器公司的軟件產(chǎn)品也創(chuàng)造了整體的虛擬儀器框架，它把離硬件較近的接口程序和高 級應(yīng)用程序以及專門儀器的轉(zhuǎn)換驅(qū)動程序組合起來。許多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在硬件和軟件領(lǐng)域已產(chǎn)生，幾個虛擬儀器平臺已經(jīng)得到認(rèn)可并逐漸成為虛擬儀器行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)工具。 第三階段 :VI 框架的廣泛認(rèn)同和采用 。而在 VI 中，專用儀器的軟件也是使用模塊化的可重用代碼，但 VI 的功能軟件是以文件形式儲存在介質(zhì)里的，可以安裝在任何 PC 機(jī)上。就類似于 PC 機(jī)的擴(kuò)展槽，許多儀器內(nèi)的特殊功能，如 A/D、 D/A、數(shù)字 I/O、時間 I/O 組件都是模塊化的功能塊，能夠直接插在儀器內(nèi)部的擴(kuò)展槽內(nèi)，與處理器總線相連。儀器生產(chǎn)商建立了各自的內(nèi)在標(biāo)準(zhǔn)，使得各自標(biāo)準(zhǔn)的其他產(chǎn)品有利可圖。 隨著插入式計算機(jī)數(shù)據(jù)處理 卡和儀器總線標(biāo)準(zhǔn)這兩大測試技術(shù)的確立， 新的儀器構(gòu)成得以開放。因為用戶已經(jīng)清楚的知道了，使用 PC 機(jī)和數(shù)字化通用設(shè)備連接，就可以實現(xiàn)信號數(shù)字化，這樣就可以方便的對數(shù)據(jù)做特定分析處理并顯示在 PC 機(jī)屏幕上，畢竟臺式 PC 機(jī)的處理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般的儀器。 GPIB 總線標(biāo)準(zhǔn)的確立，使得 PC 機(jī)和外界通信成為可能，用戶便可以使用 PC 機(jī)來控制儀器，并且隨著個人 PC 機(jī)系統(tǒng)性價比的不斷飛升，用 PC 機(jī)控制測控儀器成為一種趨勢。 第一階段 :計算機(jī)的使用，增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能。 1990年代，虛擬儀器得到業(yè)界廣泛認(rèn)可和應(yīng)用，相繼推出了基于 GPIB總線、 PCDAQ和 VXI 總線、 PXI 總線等多種虛擬儀器系統(tǒng)。 虛擬儀器的產(chǎn)生 在上述的背景下，提出了全新概念的儀器 ——虛擬儀器。這與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，虛擬制造技術(shù)有著相擬的特點(diǎn)。個人儀器發(fā)展到了使用者也能設(shè)計，開發(fā)的新階段。 九十年代中期，個人計算機(jī) CPU 時鐘頻率已達(dá) 100MHz 以上，以 64 位二進(jìn)制進(jìn)行運(yùn)算， 運(yùn)算速度和精度有了極大提高，價格亦大幅降低，硬件接口進(jìn)一步趨于標(biāo)準(zhǔn)化，廠商在出售可程控儀器的同時也提供其驅(qū)動軟件。研究單位研制的專業(yè)測試分析軟件包，可用 PC 機(jī)做許多專業(yè)性的分析處理，但軟件功能仍由研制者確定，用戶較難擴(kuò)充。但由于儀器的功能基本上由廠家規(guī)定，用戶難以擴(kuò)充，且儀器的研制開發(fā)周期長，壽命短，價格昂貴。 虛擬儀器的產(chǎn)生 產(chǎn)生背景 二十世紀(jì)七十年代以來，在數(shù)字信號處理理論、微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的支撐下，微機(jī)化測試分析儀得到了長足的發(fā)展?？墒遣痪茫瑓R編語言問世了，給計算機(jī)的世界投下了一縷曙光。 面對與國際先進(jìn)水平的差距和我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的大好形勢，我們的態(tài)度應(yīng)該是明確的，就是要從觀念上、技術(shù)上和管理上迅速趕上，瞄準(zhǔn)先進(jìn)、與時俱進(jìn)、迎接挑戰(zhàn)、開拓創(chuàng)新、以提 高制造技術(shù)與制造工藝水平為突破口，主要解決規(guī)模生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)與工藝，提高批量生產(chǎn)能力， 質(zhì)量保證， 使我國的 電子秤 走上健康持續(xù)發(fā)展的軌道。 本章小結(jié) 我國的電子 秤 要打入國際市場 ， 參與國際競爭 ， 就必須執(zhí)行國際法制計量組織制定的國際建議并要有國際水平的技術(shù)與裝備、有國際水平的質(zhì)量。 電子秤的特點(diǎn) 電子秤與傳統(tǒng)的機(jī)械秤相比，主要有以下優(yōu)點(diǎn)： ⑴ 傳感器的反應(yīng)速度快，從而可以提高稱重速度； ⑵ 結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，受安裝地點(diǎn)的限制?。? ⑶ 稱重信號可以遠(yuǎn)距離傳送，并可用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，自動顯示、記錄稱重結(jié)果，還可以給出各種控制信號，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化； ⑷ 測量范圍廣 。例如， 可以按稱重傳感器的工作原理分類，可以按儀表顯示方法分類，也可以按稱體結(jié)構(gòu)形式分類等等 [2]。小型或微型