基于虚拟仪器的分布式速度检测系统设计.doc

基于虚拟仪器的分布式速度检测系统设计目录1引言.11.1速度检测系统研究的背景和意义.11.2虚拟仪器技术介绍.21.3虚拟仪器技术在速度检测系统设计中的应用.22系统总体设计.32.1分布式速度检测系统的基本原理.42.2系统软硬件设计方法.42.3系统数据采集方案.42.4操作面板的设计.52.5系统抗干扰设计.53分布式速度检测系统的硬件结构.53.1计算机的选择.73.2数据采集系统.73.2.1传感器装置.83.2.2信号处理电路.93.2.3信息传输电路.103.3到位检测及传感器控制电路.104分布式速度检测系统的软件设计.114.1速度检测系统检测流程.114.2系统软件结构.134.2.1到位信号检测模块.134.2.2数据采集模块.144.2.3数据计算处理模块.144.2.4数据存储模块.144.2.5网络通信模块.155系统调试.166结束语.17参考文献.18附录1系统主程序框图.19附录2数据采集模块程序框图.20附录3数据计算处理与数据存储模块程序框图.21附录4网络通信模块程序框图.22致谢.241摘要：本文提出了一种基于虚拟仪器的分布式速度检测系统方案，实现了对较大范围内物体运动速度的实时跟踪检测。本系统的设计思路主要是通过记录物体在一段较短距离内的运动时间来计算出物体在该段路程中的平均速度，并把这个平均速度近似看做物体运动的即时速度。将若干个这样的短距离中的平均速度描点、连线，绘制出速度曲线，并以此来表现出物体的运动情况。针对速度检测信息量大的特点，本系统采用虚拟仪器技术建立一个数据存储、处理和显示平台，将速度数据实时显示在显示屏幕上，达到实时监测的目的，同时还可以远离现场进行远程监控。关键字：虚拟仪器；LabVIEW；速度检测；分布式系统DistributedSpeedDetectionSystemBasedonVirtualInstrumentAbstract:Adesignofdistributedspeeddetectionsystembasedonvirtualinstrument,whichisabletodetectanobjectsspeedinacomparativelywidescale,iscarriedoutinthispaper.Byrecordingmovingtimeoftheobjectinashortdistance,theaveragevelocity,whichisregardedasaninstantvelocityoftheobject,iseasytobecalculated.Withmanyofthoseaveragevelocities,itisabletodrawavelocitycurvetoshowmovementoftheobject.Thatishowthesystemisdesigned.Becauseofthegreatdealofinformationduringspeeddetection,virtualinstrumenttechnologyisusedinthissystemtocreateaplatformtostore,processanddisplaydata.Thereal-timespeedoftheobjectisshowninthescreentomakeareal-timemonitoring.Itisalsocapableofremotedetection,beingfarawayfromindustrialfield.Keywords:VirtualInstrument；Labview；SpeedDetection；Distributedsystem1引言1.1速度检测系统研究的背景和意义随着机械化大生产的发展，对运动物体的速度进行检测始终是工业生产领域的一个重要话题。特别是随着流水线工艺在工业生产中的广泛应用，在较大范围内对移动工件进行实时速度检测逐渐成为了生产过程中必不可少的一个环节。目前，国内外对物体运动速度的检测大致存在两种方法：一种是测量物体的平均速度，如公路运输系统中通过相邻站点的IC卡确定车辆经过两个站点之间所用时间类求得平均速度1；另一种是利用测量物体的实时速度，也称多普勒雷达测速,即利用移动物体的多普勒效应实现测速。这两种方法在日常生活的方方面面都有着非常广泛的应用。但是，二者都存在着一定的2不足之处。一般的平均速度法只能在短距离内对物体的平均速度进行测量，测量精度较低，不能反映物体长时间的运动情况；而且这样的粗放式测量只能就近实现速度检测，不适合远程分布式监控。与之相反，多普勒雷达测速具有相当高的测量精度，而且可以实现大规模远程监控，在工业上，尤其是在军事工业上，具有极高的价值。只不过这种方法系统复杂而且成本太高，不适合一般的工业应用。在这样的形势下，一种简单易用、功能较全面、价格相对低廉的速度检测系统势必有着广泛的市场需求。使用虚拟仪器技术就可以设计出这样的系统。1.2虚拟仪器技术介绍虚拟仪器是指在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户自己设计定义，具有虚拟的操作面板，测试功能由测试软件来实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式。实际上，测量时使用者是在操作具有测试软件的计算机，犹如操作一台虚拟的电子仪器，虚拟仪器因此得名。“软件即仪器”(SoftwareisInstrument)，最本质地刻画出虚拟仪器的特征。虚拟仪器是现代仪器技术和计算机技术相结合的产物，它比传统的电子仪器更为通用，具有数字化、模块化、虚拟化、网络化的特点。通过采用虚拟仪器技术，大大突破了传统仪器在数据采集、显示、传送、处理等方面的限制，使得用户可以方便地对被控对象进行远程监控，同时还能够节约使用传统仪器设备的成本2。虚拟仪器中“虚拟”的含义表现在两个方面：一是指虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板上的各种“控件”所完成的功能是相同的，使用鼠标或键盘进行操作就如同使用一台实际的仪器；二是指虚拟仪器的测控功能是通过软件编程实现的2。虚拟仪器技术代表着一个重要的转变，因为它从传统的以硬件为中心的仪器转变到以软件为中心的仪器系统。它利用了普及的台式机和工作站的计算能力、生产效率、显示方法以及方便的连接能力。虽然PC机和集成电路技术在过去的20年中经历了巨大的发展，但软件才是虚拟仪器这一强大技术中的最大优势。软件的灵活性与强大的模块化硬件方案相结合，使得虚拟仪器技术具有强大的用户自定义和扩展功能，用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。同时，由于虚拟仪器本质上是基于计算机的，可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器3。1.3虚拟仪器技术在速度检测系统设计中的应用在基于虚拟仪器的系统中，传统仪器的某些硬件在虚拟仪器中被软件代替，这使得3虚拟仪器既可以作为测试仪器独立使用，又可以通过高速计算机网络构成复杂的分布式测试系统，进行远程测试、监控与故障诊断4。此外，用基于软件体系结构的虚拟仪器代替基于硬件体系结构的传统仪器，还可以大大节约仪器购买和维护费用。这就有效地克服了前述两种测速方法存在的缺陷，便于在工业生产中推广应用。本系统设计侧重于虚拟仪器软件结构的设计。通过虚拟仪器技术中最热门的LabVIEW软件平台设计出系统的软件结构，即使用LabVIEW中的控件实现虚拟仪器的测控功能，然后通过仿真信号进行虚拟仪器系统的输入输出实验。实验结果表明使用虚拟仪器技术进行系统设计是完全可行的。2系统总体设计基于虚拟仪器技术的系统主要由三个部分组成。首先，是安装有强大应用软件的计算机平台或工作站；其次，是具有高性价比的硬件部分，比如，插入式板卡，或者是模块化仪器；第三部分检测单元，或者是传感器。这三部分协同工作，构成了虚拟仪器框架，不仅完成了传统仪器的功能，并且具有强大的扩展功能3。基于虚拟仪器技术的分布式速度检测系统的总体结构框图如图1所示。图1系统总体框架图Fig.1Overallstructureofthesystem图1中，上位机安装有应用软件作为计算机平台或工作站，若干个单片机（MCU）组成的信号处理电路构成了系统数据采集电路的核心部分，传感器则是直接采集现场信号的装置。这三部分共同组成了基于虚拟仪器技术的系统。根据系统需求分析，列出技术要求如下表所示。表1系统技术要求Table.1Technicalrequirementofthesystem系统总线速度报警值采样速率软件平台工作环境4设定(m/s)（点/s）（）RS232总线a10LabVIEW8.5-2080正常工作注：表中速度报警值a可以由用户依据实际需要自行设定上表中，速度报警值指的是系统允许的物体运动的最大速度，采样速率与单片机输入端口的刷新频率成正比，与系统的检测精度密切相关。2.1分布式速度检测系统的基本原理多普勒方式测速应用广泛，但技术较复杂，成本较高。而远距离测平均速度又使得所测速度过于模糊，限制了它的应用。因此在设计中另辟蹊径，以短距离内的平均速度近似作单点速度。即利用间隔一定距离s的2套红外线激光传感器分别给单片机产生中断信号，由单片机对2次中断的时间差t进行计时，根据公式v=s/t即可获取速度值1。两套传感器之间的距离s可以预先设定，而目前单片机的计时精度相当高，足以保证速度数据有很高的精确度。2.2系统软硬件设计方法虚拟仪器系统是由硬件和软件共同组成的。因此，在虚拟仪器系统的设计过程中就需要综合考虑系统设计的灵活性、成本以及工作速度。在速度检测系统设计中，硬件部分主要是现场的传感器以及信号处理电路，负责信号的采集、传输以及处理功能；而软件部分主要是上位机上的LabVIEW软件，负责系统的核心检测功能以及远程监控功能。由于本系统的设计目标主要是为了进行实时速度检测，功能要求不高，所以在设计过程中更多考虑到上位机的软件需求。整个系统设计正是基于这一设计理念。2.3系统数据采集方案对于虚拟仪器系统中的数据采集，确定I/O通道方案是总体设计中的重要内容。选择I/O通道方案的实质是选择满足系统要求的芯片以及相应的电路结构形式2。在本系统中，输入信号采用红外激光传感器的开关信号。红外激光传感器的激光发射接收模块由红外激光发射器件和探测器组成，它们分别被安放在待测物体两侧5。当没有物体经过时探测器中有恒定的信号，不触发单片机中断。当有物体阻断其光路时产生有效信号进入单片机触发中断。这样的数字量输入信号不需要进行滤波即可以直接到达信号处理电路进行处理。另外，由于计算机的数据通道是串行操作，所有的通道都需要使用同样的数据传输5速率，并且按照预先设定的顺序工作。2.4操作面板的设计由于虚拟仪器强调软件的应用，在虚拟仪器系统中，需要设计一个用户友好型的操作界面，供操作人员进行人机对话或相关控制操作6。考虑到本系统的实际需要，操作面板的设计如图2所示。图2操作面板的设计Fig.2Designoftheoperationpanel图2中，仪表盘和波形图位于屏幕中央，方便操作员监视物体速度变化情况。报警指示灯放在左上方，到位检测指示灯则位于报警指示灯之下，便于直接查看系统情况。另外，工件信息在左下方，参数设置在右上方，同样便于操作人员进行操作。2.5系统抗干扰设计一个合格的虚拟仪器系统应该具有较强的抗干扰能力。分布式速度检测系统设计除了考虑到系统性能之外，也需要考虑在工业现场经受一定程度干扰信号的能力。在本系统中，干扰主要来自现场的红外激光传感器检测时遇到的杂散光干扰，以及信号传输处理过程中的电信号干扰。当然，抗干扰设计应贯穿于整个系统设计的全过程，下面的各项设计都在不同程度上考虑到系统的抗干扰能力。3分布式速度检测系统的硬件结构硬件是虚拟仪器工作的基础，主要完成被测信号的采集、传输、存储处理和输入/输出等工作，由计算机和I/O接口设备组成。计算机一般为一台PC或工作站，是硬件6平台的核心，它包括微处理器、存储器和输入/输出设备等，用来提供实时高效的数据处理工作。I/O接口设备即数据采集调理部件，包括PC总线的数据采集（DataAcquisition，DAQ卡）、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、PXI总线模块、LXI总线仪器模块、串口总线仪器和现场总线仪器模块等标准总线仪器，主要完成被测信号的采集、放大和模数转换2。虚拟仪器系统中实现检测的参数多种多样，检测的方法也不尽相同，因此不同的系统的具体结构也会千差万别。速度检测系统硬件结构如图3所示。图3系统硬件结构图Fig.3Hardwarestructureofthesystem分布式速度检测系统可分为传感器电路、信号传输及处理电路和计算机系统三部分。实际试验平台包括N个（50N100）红外激光传感器，1个到位检测传感器，N个单片机，传感器控制电路和微型计算机系统。检测系统的硬件设计方法是：在计算机系统中，通过RS232串行总线接口完成数据采集功能；通过I/O接口电路对物体到位信号进行检测并控制传感器电路；使用LabVIEW图形化编程语言开发测控程序。检测系统的工作过程是：由一个红外激光传感器检测物体的到位信号并通过I/O接口电路传送给计算机，计算机检测到到位信号之后，再通过I/O接口电路发送指令打开传感器检测电路开关，红外激光传感器开始工作。N个红外激光传感器依次将检测到的数字信号送到信号处理电路，然后经由信号传输电路送入计算机系统。计算机系统对接收到的信息进行计算处理后将最终结果显示在显示器上。另外，可以通过计算机对速度报警值进行设定，一旦超过此值，系统将发出报警信号。数据采集系统7检测系统主要硬件单元的设计说明如下。3.1计算机的选择虚拟仪器系统的计算机既可以是工控计算机，也可以是普通的个人计算机。在本系统设计中，由于对系统硬件要求不高，只需要普通的PC机就足以应付检测任务了。实际系统选择的PC机基本参数如下：操作系统：MicrosoftWindowsXPProfessionalCPU类型：DualCoreAMDAthlon64X2,1908MHz系统内存：1024MB通讯端口：通讯端口(COM1)显示器：即插即用监视器3.2数据采集系统在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是不言而喻的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。随着计算机和总线技术的发展，基于PC的数据采集（DataAcquisition，DAQ）板卡产品得到了广泛应用4。许多应用使用插入式设备采集数据并把数据直接传送到计算机内存中，而在一些其他应用中数据采集硬件和PC分离，通过并行或串行接口和PC相连。具体到以PC为基础的虚拟仪器系统中，插入式数据采集卡是虚拟仪器中常用的接口形式之一，其功能是将现场数据采集到计算机中，或将计算机中数据输出给被控对象。其典型结构如图4所示。图4基于数据采集卡的虚拟仪器的典型结构Fig.4Typicalstructureofvirtualinstrumentbasedondataacquisitionunit这种系统采用PC本身的PCI或ISA总线，将数据采集卡插入到计算机的PCI或ISA总线插槽中，并与专用的软件相结合，完成测试任务。它充分利用了微型计算机的软、硬件资源，更好地发挥了微型计算机的作用，大幅度地降低了仪器成本，并具有研制周期短、更新改进方便的优点2。本系统的数据采集系统是以上述基本结构为基础构成的。与上述结构不同的是，由于系统的输入信号是数字输入信号，不需要进行复杂的数据处理，所以就没有使用数据采集卡，而是将单片机输出的信号直接通过RS232串行总线接口传输到计算机中。数据采集卡信号调理（放大、滤波隔离、激励等）现场信号传感器执行机构计算机测控软件8前文已经提到，本系统设计中采用短距离平均速度近似单点速度的方法来近似测速。在本系统中，数据采集电路主要包括传感器装置、信号处理电路及信息传输电路，下面分别做简要介绍。3.2.1传感器装置系统的检测传感器主要采用一种红外传感器光电开关。光电开关是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的5。其工作原理如图5所示。图5光电开关原理框图Fig.5FunctionalblockdiagramofthePhotoelectricswitch光电开关的被检测物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。如图5中所示，光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型。本系统选用的是对射式光电开关，它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当没有物体经过时探测器中有恒定的信号，不触发单片机中断。当有物体阻断其光路时产生有效信号进入单片机触发中断5。对射式光电开关示意图如图6所示。