【正文】 布式控制應(yīng)用場(chǎng)合中的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。國(guó)內(nèi)外各種數(shù)據(jù)采集機(jī)先后問(wèn)世，將數(shù)據(jù)采集帶入了一個(gè)全新的時(shí)代。虛擬儀器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，：本次設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)采集部分需要實(shí)現(xiàn)的功能有：溫濕度采集、雙通道波形顯示、采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并在程序前面板顯示采集到的數(shù)據(jù)。從傳感器出來(lái)的信號(hào)可能會(huì)很微弱，一般都含有大量噪聲，或者是非線性的，這種信號(hào)在進(jìn)入采集卡之前必須經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理。（1）隔離隔離的信號(hào)調(diào)理設(shè)備通過(guò)使用變壓器、光或電容性的耦合技術(shù)，無(wú)需物理連接即可將信號(hào)從它的源端傳輸至測(cè)量設(shè)備。（2）放大放大器提高輸入信號(hào)電平以更好地匹配ADC的輸入范圍，從而提高測(cè)量精度和靈敏度。（4）多路復(fù)用通過(guò)多路復(fù)用技術(shù)，一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)可以不間斷地將多路信號(hào)傳輸至一個(gè)單一的數(shù)字化儀器，從而提供了一種節(jié)省成本的方式來(lái)擴(kuò)大系統(tǒng)通道數(shù)量。（5）濾波非電量經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)或其他被測(cè)電信號(hào)，一般都混雜有不同頻率成分的干擾。濾波電路（濾波器）是一種選頻裝置，可以在一定的頻率范圍內(nèi)去除不希望存在的噪聲。大部分信號(hào)調(diào)理裝置都包括了為最大程度上抑制50Hz或60Hz的噪聲而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的低通濾波器。（8）數(shù)字信號(hào)調(diào)理數(shù)字信號(hào)在某種情況下也要進(jìn)行調(diào)理才能進(jìn)入DAQ卡。NI也提供了豐富的信號(hào)調(diào)理設(shè)備，譬如，SCXI、SCC、SC系列，即插即用傳感器(TEDS)測(cè)量設(shè)備。任意一個(gè)信號(hào)都是隨時(shí)間而改變的物理量。比如：狀態(tài)（state）、速率(rate)、電平(level)、形狀(shape)、頻率成分(frequency content)。數(shù)字(二進(jìn)制)信號(hào)分為開(kāi)關(guān)信號(hào)和脈沖信號(hào)。（1）數(shù)字信號(hào)第一類(lèi)數(shù)字信號(hào)是開(kāi)/關(guān)信號(hào)。TTL信號(hào)就是一個(gè)開(kāi)/關(guān)信號(hào)，就定義它為邏輯高電平，就定義為邏輯低電平。這種信號(hào)包括一系列的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，信息就包含在狀態(tài)轉(zhuǎn)化發(fā)生的數(shù)目、轉(zhuǎn)換速率、一個(gè)轉(zhuǎn)換間隔或多個(gè)轉(zhuǎn)換間隔的時(shí)間里。也就是靜止的或變化非常緩慢的模擬信號(hào)。常見(jiàn)的直流信號(hào)有溫度、流速、壓力、應(yīng)變等。第二類(lèi)是模擬時(shí)域信號(hào)。在測(cè)量一個(gè)時(shí)域信號(hào)時(shí)，也可以說(shuō)是一個(gè)波形，需要關(guān)注一些有關(guān)波形形狀的特性，比如斜度、峰值等。要以一定的速率進(jìn)行測(cè)量，這個(gè)測(cè)量速率要能跟上波形的變化。A/D的分辨率要足夠高，保證采集數(shù)據(jù)的精度；帶寬要足夠高，用于高速率采樣；精確的采樣時(shí)鐘，用于以精確的時(shí)間間隔采樣；觸發(fā)器使測(cè)量在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間開(kāi)始。與時(shí)域信號(hào)類(lèi)似，但不同的是從頻域信號(hào)中提取的信息是基于信號(hào)的頻域內(nèi)容，而不是波形的形狀，也不是隨時(shí)間變化的特性。系統(tǒng)必須有必要的分析功能，用于從信號(hào)中提取頻域信息。模擬頻域信號(hào)也很多，比如聲音信號(hào)、地球物理信號(hào)、傳輸信號(hào)等。一個(gè)特定的信號(hào)往往運(yùn)載著不只一種信息，可以用幾種方式來(lái)定義信號(hào)并測(cè)量它，用不同類(lèi)型的系統(tǒng)來(lái)測(cè)量同一個(gè)信號(hào)，從信號(hào)中取出需要的各種信息。而數(shù)據(jù)采集的硬件部分的核心是 ( Data AcquisitionDAQ)卡，它和LabVIEW有很好的接口程序，用LabVIEW實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，就是在LabVIEW中控制各種DAQ卡(或設(shè)備)完成特定的功能，這都離不開(kāi)DAQ驅(qū)動(dòng)程序的支持。由于傳統(tǒng)DAQ 和DAQmx 二者之間是互不兼容的，所以計(jì)算機(jī)中同時(shí)安裝DAQmx 和傳統(tǒng)DAQ時(shí)，一定要注意它們只能單獨(dú)使用。在了解了LabVIEW的這些功能后，可以確定初步的設(shè)計(jì)思路：傳感器把被測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為電量；信號(hào)調(diào)理電路對(duì)傳感器轉(zhuǎn)換的電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、隔離等預(yù)處理；數(shù)據(jù)采集卡采集信號(hào)調(diào)理電路的電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能處理的數(shù)字信號(hào)；通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序，將數(shù)字信號(hào)讀入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，以達(dá)到預(yù)期的目的。基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集程序框圖，： 數(shù)據(jù)采集及儲(chǔ)存首先利用DAQ Assistant將信號(hào)從硬件采集到軟件程序中，然后由示波器在前面板顯示出信號(hào)的變化曲線，同時(shí)利用信號(hào)拆分模塊將送進(jìn)來(lái)的信號(hào)拆分，以便對(duì)溫濕度不同的信號(hào)做不同的處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度雙通道的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)、顯示以及越限報(bào)警。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能是利用數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)的，然后運(yùn)行系統(tǒng)，DAQmx采集到的所有數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的采集時(shí)間都存放在該文件中。本采集系統(tǒng)與同類(lèi)的存儲(chǔ)系統(tǒng)相比，自動(dòng)生成保存文件是它的優(yōu)點(diǎn)，這樣既可以節(jié)省用戶(hù)的時(shí)間，也減少了系統(tǒng)繁瑣的操作步驟及一些不必要的麻煩。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，自動(dòng)控制系統(tǒng)中的控制器功能越來(lái)越多的通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就組成了典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。：對(duì)采集到的表征被控參數(shù)的狀態(tài)量進(jìn)行分析，決定下一步的控制過(guò)程。如果把虛擬儀器的思想及軟硬件模塊應(yīng)用到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，即構(gòu)成了基于虛擬儀器的控制系統(tǒng)。虛擬儀器技術(shù)經(jīng)過(guò)近二十年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)布了一系列總線和軟硬件規(guī)范，形成了較為完善的體系，目前全世界有上百家廠商提供上千種虛擬儀器的模塊化產(chǎn)品?？梢钥闯?，有不少產(chǎn)品就是專(zhuān)門(mén)針對(duì)控制應(yīng)用的。NI公司的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW提供了一個(gè)直觀的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，它被設(shè)計(jì)成可以幫助開(kāi)發(fā)可伸縮的、網(wǎng)絡(luò)化的、包含任意測(cè)量、分析及算法開(kāi)發(fā)和I/O的控制系統(tǒng)，從簡(jiǎn)單的到復(fù)雜的應(yīng)用。這個(gè)集成化軟件平臺(tái)使開(kāi)發(fā)者能快速建立控制系統(tǒng)，并且當(dāng)系統(tǒng)需求改變時(shí)可以很容易的進(jìn)行修改。因此，采用虛擬儀器產(chǎn)品及LabVIEW來(lái)開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)，可以說(shuō)是一個(gè)非常好的選擇?；谔摂M儀器的控制系統(tǒng)實(shí)際上就是一種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它以計(jì)算機(jī)及軟件為中心，結(jié)合模塊化的數(shù)據(jù)采集及輸出硬件，完成控制過(guò)程的三個(gè)步驟。對(duì)于采用LabVIEW作為自動(dòng)化軟件的控制系統(tǒng)，可以用另一種方式來(lái)表示。數(shù)據(jù)采集和輸出可以是不同的板卡，也可以用同一塊卡來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楝F(xiàn)有的虛擬儀器數(shù)據(jù)采集卡一般都有模擬輸出端口，而且輸入輸出都有獨(dú)立的緩存，可以并行。但它需要利用C語(yǔ)言進(jìn)行大量的編程，這無(wú)疑是一個(gè)復(fù)雜、繁瑣的工作。由于LabVIEW本身的圖形化編程平臺(tái)，使得本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)的結(jié)果更形象、直觀，操作也方便，并且還可以較容易地實(shí)現(xiàn)功能增減。本系統(tǒng)適用范圍較廣，如圖書(shū)館貴重書(shū)籍的保護(hù)；軍事炸藥庫(kù)的槍支炸藥的存放；溫室中農(nóng)作物的生長(zhǎng)；紡織廠溫濕度的監(jiān)測(cè)。該設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思想是：由溫濕度傳感器檢測(cè)信號(hào)，信號(hào)被DAQ采集卡采集，進(jìn)入計(jì)算機(jī)虛擬儀器程序，對(duì)采集到的溫濕度進(jìn)行判斷，當(dāng)溫度不適于農(nóng)作物生長(zhǎng)時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，可以通過(guò)空調(diào)、電風(fēng)扇等工具降溫；當(dāng)濕度不適于農(nóng)作物生長(zhǎng)時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，通過(guò)灌溉或者增加光照等措施，調(diào)節(jié)濕度。 所示。前面板由兩部分組成：登錄界面、實(shí)時(shí)采集界面。在“用戶(hù)名”一欄輸入與設(shè)置相同的內(nèi)容，在“密碼”輸入與設(shè)置相同的密碼，點(diǎn)擊“確定”，就可以登陸系統(tǒng)，進(jìn)行下一步的操作。 實(shí)時(shí)采集前面板根據(jù)系統(tǒng)預(yù)期的目標(biāo)來(lái)分析，可以把系統(tǒng)分成五個(gè)模塊，： 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)與前面板登陸界面（）相對(duì)應(yīng)的程序框圖（）具體的工作過(guò)程是：當(dāng)操作人員輸入用戶(hù)名與已設(shè)定的值相等時(shí)，程序向下執(zhí)行，進(jìn)入第二個(gè)while結(jié)構(gòu)，輸入的密碼值與設(shè)定值再次相等時(shí)，點(diǎn)擊確認(rèn)登陸，系統(tǒng)登陸成功，否則，系統(tǒng)不能登陸。數(shù)據(jù)采集部分，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲(chǔ)等功能。選擇其中一支，再進(jìn)行拆分，將其中一路信號(hào)轉(zhuǎn)換成其他VI和函數(shù)配合使用的數(shù)據(jù)，波形等進(jìn)行存儲(chǔ)，另一路送往熱電偶讀數(shù)模塊，將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成攝氏度，在前面板顯示，最后一路送到比較器，進(jìn)行上下限的設(shè)置。該部分還有一個(gè)重要的功能——數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。本塊程序主要是對(duì)報(bào)警信號(hào)的記錄，方便相關(guān)人員對(duì)報(bào)警數(shù)據(jù)分析，并對(duì)研究過(guò)的或無(wú)用的報(bào)警信號(hào)清除。并將輸出接到事件結(jié)構(gòu)上，當(dāng)有報(bào)警的信號(hào)時(shí)，事件結(jié)構(gòu)執(zhí)行，將此報(bào)警信號(hào)記錄下來(lái)；當(dāng)不需要某類(lèi)記錄（溫度或者濕度）的時(shí)候，點(diǎn)擊該記錄對(duì)應(yīng)的清除按鈕，程序?qū)?zhí)行該按鈕所在的程序框中的程序，將所對(duì)應(yīng)的歷史清零。基于虛擬儀器的溫濕度控制可以看作是登錄模塊、采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、報(bào)警歷史重現(xiàn)模塊、報(bào)警歷史清除模塊的有機(jī)結(jié)合。在熟悉前幾章的準(zhǔn)備工作后，就可以著手設(shè)計(jì)該系統(tǒng)。該系統(tǒng)集合了登錄模塊、采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、報(bào)警歷史重現(xiàn)模塊及報(bào)警歷史清除模塊五個(gè)模塊的所有功能，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保密、溫濕度采集、報(bào)警等監(jiān)控系統(tǒng)所有的功能。如果想讓程序連續(xù)運(yùn)行，單擊連續(xù)運(yùn)行按鈕，程序即可連續(xù)運(yùn)行。暫停按鈕用于在程序運(yùn)行時(shí)讓程序暫停，單擊該按鈕，程序暫停，停止當(dāng)前執(zhí)行到的地方，停止單擊，程序繼續(xù)運(yùn)行。單擊該折斷的箭頭或使用菜單命令WindowsShow Error List，則LabVIEW彈出錯(cuò)誤清單窗口，雙擊其中任何一個(gè)列出的錯(cuò)誤，則出錯(cuò)的對(duì)象或端口都就會(huì)變成高亮。這樣就可以根據(jù)數(shù)據(jù)的流動(dòng)狀態(tài)跟蹤程序的執(zhí)行，再次按下高亮執(zhí)行按鈕，程序回復(fù)正常運(yùn)行。單擊工具條的單步執(zhí)行按鈕或，激活單步執(zhí)行，閃爍的節(jié)點(diǎn)表示該節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備執(zhí)行。再次按下單步執(zhí)行按鈕，閃爍的節(jié)點(diǎn)被執(zhí)行，下一個(gè)將要執(zhí)行節(jié)點(diǎn)變?yōu)殚W爍。斷點(diǎn)工具用于使程序在某處暫停執(zhí)行，以便使用探針或單步方式觀察中間結(jié)果。斷點(diǎn)的顯示對(duì)于節(jié)點(diǎn)或者圖框表示為紅框，對(duì)于連線表示為紅點(diǎn)。按下單步按鈕，進(jìn)入單步狀態(tài)。用該工具單擊希望放置探針的連接線，這時(shí)會(huì)彈出一個(gè)探針顯示窗口。探針結(jié)合高亮執(zhí)行、單步執(zhí)行和斷點(diǎn)等工具可以使程序調(diào)試相當(dāng)迅速、有效。雙擊，打開(kāi)My System下拉菜單，右擊Date Neighborhood，選create new指令，選取NIDAQmx tast，點(diǎn)擊NEXT，再選取Generate signals的下拉菜單中Analog output的命令，之后選擇Voltage，選擇通道，選好后就可以進(jìn)行設(shè)置：系統(tǒng)自動(dòng)把設(shè)備號(hào)Device=1。首先通過(guò)登陸口登陸，進(jìn)入實(shí)時(shí)采集部分，系統(tǒng)開(kāi)始采集數(shù)據(jù)后，可以在系統(tǒng)前面板設(shè)置溫濕度的上下限（也可以在系統(tǒng)運(yùn)行前，進(jìn)行設(shè)置）。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計(jì)的所有功能，但結(jié)合當(dāng)前的技術(shù)分析，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還可以進(jìn)一步完善。完善后的系統(tǒng)的使用范圍將大大擴(kuò)展，如使用在農(nóng)業(yè)上，溫室應(yīng)用該系統(tǒng)后，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉、加熱等功能，不但大大減少人們的勞動(dòng)量，也避免了人為因素（疲勞、興奮等）導(dǎo)致的監(jiān)測(cè)不精確，這樣在一定程度上可以增加了農(nóng)作物的產(chǎn)量。左老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，和藹可親的教學(xué)方式以及談話式的答疑方式，都給了我深刻的啟發(fā)和鼓