【正文】 通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。計算機和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。第四代虛擬儀器，它是現(xiàn)代計算機技術(shù)、通信技術(shù)和測量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是傳統(tǒng)儀器觀念的一次巨大變革，是將來儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展一個重要方向。第三代智能儀器，這類儀器內(nèi)置微處理器，既能進行自動測試又具有一定的數(shù)據(jù)處理能力，可取代部分腦力勞動，習(xí)慣上稱為智能儀器。第二代數(shù)字化儀器，這類儀器目前相當(dāng)普及，如數(shù)字電壓表、數(shù)字頻率計等。 LabVIEW 簡 介 電子測量儀器的發(fā)展 電子測量儀器發(fā)展至今，大體可分為四代：模擬儀器、數(shù)字化儀器、智能儀器和虛擬儀器。本系統(tǒng)能夠在虛擬儀器軟件開發(fā)平臺 LabVIEW上進行水質(zhì)智能監(jiān)控，主要包括以下功能：數(shù)據(jù)采集、上下限報警、采集數(shù)據(jù)保存、數(shù)蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 5 據(jù)回放。本系統(tǒng)通過 USB數(shù)據(jù)采集卡可同時對水質(zhì)的溫度、 pH 值、濁度、溶解氧 4個參數(shù)進行實時數(shù)據(jù)采集，實時數(shù)值顯示與處理。這正是本課題提出的意義所在。 課題意義和要求 通過對上述現(xiàn)狀 與前景的分析，我們可以知道環(huán)保機關(guān)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)單位對新型海水水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的迫切需求。由此可見，業(yè)內(nèi)企業(yè)仍在積極的跑馬圈地過程中，單一企業(yè)所占的市場份額不大，市場的集中度仍然不高。根據(jù)聚光科技（杭州）股份有限公司和河北先河環(huán)保股份有限公司公開披露的資料，2021 年，聚光科技（杭州）股 份有限公司的環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的營業(yè)收入為 3,912 萬元，河北先河環(huán)保股份有限公司的環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的營業(yè)收入為 2,012 萬元。 2021年，地表水質(zhì)監(jiān)測行業(yè)市場規(guī)模 億元。其中，河北先河環(huán)保股份有限公司已登錄 A股市場，成為業(yè)內(nèi)為數(shù)不多的上市公司，聚光科技（杭州）股份有限公司亦準(zhǔn)備掛牌上市。隨著國家對環(huán)保產(chǎn)業(yè)的重視和水質(zhì)自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系的建立，環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測儀器廠家數(shù)量迅速增長，部分具備自主研發(fā)實力的企業(yè)發(fā)展壯大起來，成為與國外知名品牌如美國哈希、日本島津等相抗衡的儀器生產(chǎn)企業(yè)。我國的環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測儀器廠家主要以民營為主，在成長初期，規(guī)模普遍偏小，技術(shù)不夠成熟，儀器的可靠性、穩(wěn)定性不足，難以滿足我國復(fù)雜的水體環(huán)境和日益多樣化的污染物監(jiān)測需求。包括對荒漠、草原、森林、海洋、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境進行監(jiān)測，也需要對大氣污染、水域污染 (如海洋赤潮、溢油污染 )及污染源進行遙感遙測，還要建立衛(wèi)星地面接受系統(tǒng)及衛(wèi)星圖片解析系統(tǒng)，對環(huán)境生態(tài)質(zhì)量現(xiàn)狀及變化趨勢進行分析，為國家環(huán)境生態(tài)保護與建設(shè)提供決策的科學(xué)依據(jù)。行業(yè)主要是電力、石油化工、建材、冶金、造紙、食品和城市污水處理廠等，潛在的市場有數(shù)十億至數(shù)百億元。廢氣監(jiān)測主要包括：工業(yè)粉塵、煙塵、煙氣 S0 N0 CO和煙氣流速在線連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)計算機聯(lián)網(wǎng)管理，加強實時監(jiān)控，這些都是較新的。以改善環(huán)境質(zhì)量，因此要求 戶要逐步安裝在線連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)。這不包括行業(yè)、地方和企業(yè)的監(jiān)測站能力建設(shè)的投資，各部門、各地方根據(jù)環(huán)境保護任務(wù)的需要另有自己的投資計劃。項目包括： FMl0、 S0 N0 O CO、風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度，約 100 個國控水質(zhì)監(jiān)測斷面自動監(jiān)測系統(tǒng)。近幾年正是環(huán)境科學(xué)和監(jiān)測分析儀器、裝備更新?lián)Q代和提高水平時期，中央、地方政府和企業(yè)每年投資購買儀器裝備約兩億人民蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 3 幣。究其原因：一是大型國營企業(yè)運行機制問題，未發(fā)揮好骨干作用；二是小企業(yè)蜂擁而上，缺乏技術(shù)缺乏資金，低水平重復(fù)的較多，儀器的質(zhì)量和性能均不能與國外 進口儀器抗衡；三是研究院校與企業(yè)缺乏緊密合作機制，有技術(shù)創(chuàng)新的、有資金脫節(jié)的，不能快速實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；四是政府對開發(fā)研制環(huán)境科學(xué)儀器的投資和風(fēng)險投資不足。 國產(chǎn)環(huán)境科學(xué)監(jiān)測儀器存在的主要問題 國產(chǎn)專用監(jiān)測儀、采樣器數(shù)量上占有優(yōu)勢，基本可用，但附加值低，且監(jiān)測數(shù)據(jù)多為有線傳輸，對于監(jiān)測點地理位置比較分散、偏僻、自然條件較差地方，采用有線傳輸需要架設(shè)專線，成本太高。 ：空氣 — TSP、 PMl0、 MP25 采樣器及其監(jiān)測儀器 (β 射線吸收，晶體震蕩天平 )；氣體自動采樣器： S0 N02， NO、 NOX、 03 和 CO監(jiān)測儀；水質(zhì)監(jiān)測方面：測汞儀、測油儀、 CODcr 測定儀、 DO 儀、污水流量計和比例自動采樣器等。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 2 環(huán)境監(jiān)測儀的現(xiàn)狀與前景 環(huán)境監(jiān)測儀器 的分類 ：包括光學(xué)類儀器，如可見紫外分光光度計、熒光光度計、原子吸收光度計、等離子體光譜儀、 X射線熒光光譜儀和紅外光譜儀；電化學(xué)類儀器，如 PH 計、電導(dǎo)儀、庫侖計、電位滴定儀、離子活度計和各種極譜儀；色譜類的儀器，如離子色譜儀、氣相色譜儀、高壓液相色譜儀、色譜，質(zhì)譜聯(lián)機和液譜／質(zhì)譜聯(lián)機等。從全國的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，我國的環(huán)境污染惡化的趨勢已得到基本控制，環(huán)境質(zhì)量有所改善，但是污染仍處于相當(dāng)高的水平。 近幾年來，國家逐步加大環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)以提高環(huán)境監(jiān)測能力，改善生態(tài)環(huán)境。水中有毒有害的有機物問題已經(jīng)越來越突出，如致癌物的水污染問題，一些城市飲用水中已有 20 多種致癌物。據(jù)有關(guān)資料顯示： 2021 年，七大水系 741 個重點監(jiān)測斷面中 ， ％的斷面滿足Ⅰ — Ⅲ類水質(zhì)要求， 30％的斷面屬Ⅳ、Ⅴ類水質(zhì)， ％的斷面屬劣Ⅴ類水質(zhì)。預(yù)計 2021 年后，我國將進入嚴(yán)重缺水期。正常年份城市缺水 60億立方米，日缺水量達 1600 萬立方米。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 1 第一章 緒論 我國水環(huán)境現(xiàn)狀 目前，我國年均水資源總量為 28124 億立方米，居世界第 6位，但由于人口眾多，地域遼闊，人均水量僅為 2400 立方米，僅相當(dāng)于世界人均的 25％，低于人均 3000 立方米的輕度缺水標(biāo)準(zhǔn)，是世界上缺水的國家之一，且我國水資源在時空上分布不均。目前，我國有 400 多個城市缺水，其中有 100 多個城市嚴(yán)重缺水。地下水多年超采，儲量不足。 作為世界上第一人口大國和最大的發(fā)展中國家，我們在水資源使用和管 理上，面臨著水資源短缺與水浪費并存、洪澇災(zāi)害與生態(tài)失衡并存、水環(huán)境污染與水管理不善并存的突出矛盾．我國七大江河水系普遍受到不同程度的污染，其中尤以海河和遼河流域污染為重。 2021年，全國工業(yè)和城鎮(zhèn)生活廢水排放總量為 m，比上年增加 ％，其中工業(yè)廢水排放量 m，比上年增加 ％，城鎮(zhèn)生活污水排放量 億 m，比上年增加 ％ ．由于 80％以上的污水未經(jīng)處理就直接排入水域，已造成 90％以上的城市水域嚴(yán)重污染，近 50％的重點城鎮(zhèn)水源不符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)，就連城市地下水都有 50％受到嚴(yán)重污染。水資源不合理的開發(fā)利用，尤其是水污染的不斷加重，引起了政府的高度重視。主要措施包括：加強污染物排放總量的監(jiān)測，加快空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，完善主要流域水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)，加強近岸海域監(jiān) 測網(wǎng)能力、生態(tài)監(jiān)測能力、監(jiān)測信息傳輸能力等方面的建設(shè)，環(huán)境自動監(jiān)測能力有了很大的提高。因此迫切需要大量的現(xiàn)代化的環(huán)境監(jiān)測儀器，特別需要優(yōu)質(zhì)的自動監(jiān)測系統(tǒng)和污染源在線連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)。凡分析實驗室應(yīng)有的儀器環(huán)境科學(xué)與監(jiān)測實驗室均需要。 ：空氣地面自動監(jiān)測系統(tǒng)；環(huán)境水質(zhì)自動監(jiān)測系 統(tǒng)；工業(yè)污染源在線連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)；道路交通噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng)等。高質(zhì)量的分析儀、專用監(jiān)測儀器和自動監(jiān)測系統(tǒng)多是國外引進的，因此國產(chǎn)儀器占的份額很小。 環(huán)境監(jiān)測儀器的未來市場需求 ：全國環(huán)保系統(tǒng)及各部門、行業(yè)、企業(yè)已建監(jiān)測站 4000 多個，從業(yè)人員 6 萬多人，還有幾萬個環(huán)境科研院所。國家環(huán)保局計劃要裝備 400 多個國家網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測站， 350多個環(huán)境信息中心， 100 個城市空氣 地面自動監(jiān)測系統(tǒng)。項目包括： PH、溫度、電導(dǎo)、濁度、溶解氧、氨氮、總氮、總磷、 CODcr、高錳酸鹽指數(shù)，初步計劃投資 15 億人民幣，其中國家投資三分之二，地方投資三分之一。 ：國家要對全國 和消減。 污水監(jiān)測主要包括；污水流量計、自動比例采樣器、 P1 CODcr、礦物油、氰化物和氨氮等項目的自動監(jiān)測系統(tǒng)，并實現(xiàn)計算機聯(lián)網(wǎng)管理。成熟的國產(chǎn)儀器系統(tǒng)很少，而需求量比環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測要大得多，主要由污染企業(yè)購買。 ：國家提出環(huán)境 污染防治與生態(tài)環(huán)境保護并重的方針，要加強生態(tài)環(huán)境保護，必須對我國生態(tài)環(huán)境進行監(jiān)測。 水質(zhì)監(jiān)測的現(xiàn)狀與前景 我國環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測儀器以往主要依賴進口，從 2021 年開始，成熟的國產(chǎn)化設(shè)備才開始在全國范圍內(nèi)大規(guī)模推廣。市場整體存在集中度不高、區(qū)域分割嚴(yán)重、單一企業(yè)所占市場份額不大等問題。根據(jù)中蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 4 國環(huán)保產(chǎn)業(yè)協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測行業(yè)企業(yè) 2021 年有 30 家， 2021 年增加到 100 家，增幅達到 233%，并誕生了如聚光科技 （杭州）股份有限公司、河北先河環(huán)保股份有限公司、廣州市怡文環(huán)境科技股份有限公司、宇星科技（深圳）有限公司等業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的企業(yè)。 根據(jù)環(huán)保產(chǎn)業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)， 2021 年，廢水污染源監(jiān)測行業(yè)市場規(guī)模 億元。整個環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測行業(yè)市場規(guī)模 億元。據(jù)此計算，環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測儀器市場中，聚光科技（杭州）股份有限公司的市場份額為 %，河北先河環(huán)保股份有限公司的市場份額為 %?？梢灶A(yù)見，隨著市場的快速增長，具備自主研發(fā)優(yōu)勢和市場拓展能力的企業(yè)將占據(jù)市場的制高點，更快速的占領(lǐng)市場份額，做大做強。本系統(tǒng)可使環(huán)保機關(guān)和水產(chǎn)養(yǎng)殖單位足不出戶即能掌握轄區(qū)監(jiān)測點和污染源的監(jiān)測指標(biāo)信息，從而使環(huán)保機關(guān)和水產(chǎn)養(yǎng)殖單位的管理在機制上實現(xiàn)從人工化向信息化的轉(zhuǎn)變，克服了過去對各項環(huán)境指標(biāo)的檢測主要靠檢測人員到現(xiàn)場手工取樣，帶回實驗室分析后再作出結(jié)論，周期長、效率低的問題，還可以提高對環(huán)境的監(jiān)測頻次，克服過去由于監(jiān)測頻次低，所造成的后果是總結(jié)出來的環(huán)境質(zhì)量和污染源監(jiān)測信息可信度較低的問題。 本 論文主要實現(xiàn)了基 于虛擬儀器技術(shù)的海水水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計。根據(jù)功能要求進行功能規(guī)劃，把整個系統(tǒng)分為傳感器模塊、調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡以及上位機軟件系統(tǒng)。同時，系統(tǒng)軟件采用了模塊化的設(shè)計思想，使本系統(tǒng)能夠方便的按照實際需求進行結(jié)構(gòu)與功能上的升級，最大程度的方便用戶。第一代模擬儀器，如指針式萬用表、晶體管電壓表等。這類儀器將模擬信號的測量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號測量，并以數(shù)字方式輸出最終結(jié)果，適用于快速響應(yīng)和較高準(zhǔn)確度的測量。它的功能塊全部都是以硬件（或固化的軟件）的形式存在，相對虛 擬儀器而言，無論是開發(fā)還是應(yīng)用，都缺乏靈活性。 虛擬儀器概述及其特點 虛擬儀器 (virtual instrumention)是基于計算機的儀器，是美國國家儀器公司（ National Instruments Corp. 簡稱 NI）于 1986 年提出的。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂 智能化的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機。虛擬儀器主要是指這種方式，它是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通訊及圖形用戶界面的軟件組成的測控系統(tǒng)。用戶可以根據(jù)自己的要求，設(shè)計自己的儀器系統(tǒng)，滿足多樣的應(yīng)用需求。高性能處理器高分辨率顯示器、大容量硬盤等已成為虛擬儀器的 標(biāo)準(zhǔn)配置。 ，儀器硬件實現(xiàn)了模塊化、系列化，大大縮小系統(tǒng)尺寸，可方便地構(gòu)建模塊化儀器（ 1nstrument on a Card）。因此，利用 VI技術(shù)可方便地構(gòu)建自動測試系統(tǒng) (ATS， Automatic Test System)，實現(xiàn)測量、控制過程的網(wǎng)絡(luò)化。虛擬儀器的硬、軟件都具有開放性模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點。 虛擬儀器的硬件系統(tǒng) 虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計算機硬件平臺和測控功能硬件。 GPIB 的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議已納入國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)棗工 EEE 和工。典型的 GPIB 測試系統(tǒng)包括一臺計算機、一塊 GPIB 接口卡和若干臺 GPIB 儀器。 VXI體系結(jié)構(gòu)綜合了 GPIB和 VEM 總線的優(yōu)點，它集成的系統(tǒng)硬件集成度高、數(shù)據(jù)傳輸率快、便攜性好，是當(dāng)今倍受業(yè)界關(guān)注的體系結(jié)構(gòu)。其核心是 Compact PCI 結(jié)構(gòu)Microsoft Windows 軟件。由于其總線吞吐率高、硬件的價格較低被業(yè)內(nèi)人士認為是符合國情的一種體系結(jié)構(gòu)。它更加充分地利用計算機的資源，大大增加了測試系統(tǒng)的靈活性和擴展性。在 PC 計算機上掛接若干 DAQ 功能模 塊，配合相應(yīng)的軟件，就可以構(gòu)成一臺具有若干功能的 PC儀器。未來的儀器也應(yīng)當(dāng)是網(wǎng)絡(luò)化的?；谲浖?VI 系統(tǒng)中的重要作用， NI 提出了“軟件就是儀器（ The software iS the inStrument）”的口號。 VISA(Virtual 1nstrumentation software Architecture)虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)，實質(zhì)就是標(biāo)準(zhǔn)的 I/O 函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范的總稱。它駐留于計算機系統(tǒng)之中執(zhí)行儀器總線的特殊功能，是計算機與儀器之間的軟件層連接，以實現(xiàn)對儀器的程控。儀器驅(qū)動程序是完成對某一特定儀器控制與通信的軟件程序集。每個儀器模塊都有自己的儀器驅(qū)動程序，儀器廠商以源碼的形式提供給 用戶。 虛擬儀器應(yīng)用軟件的編寫，大致可分為兩種方式： 。 。圖形化軟件開發(fā)系統(tǒng)是用工程人員 所熟悉的術(shù)語和圖形化符號代替常規(guī)的文本語言編程，界面友好，操作簡便，可大大縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，深受專業(yè)人員的青睞。通用數(shù)字處理軟件包括用于數(shù)字信號處理的各種功能函數(shù)，如頻域分析的功率譜估計、 FFT、逆 FFT 等：時域分析的相關(guān)分析、卷積蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 8 運算、反卷運算、均方根估計、差