基于虚拟仪器的流量测控系统设计

SHANDONG毕业设计说明书基于虚拟仪器的流量测控系统设计学 院：电气与电子工程学院专 业： 自动化 学生姓名： 张恩来 学 号： 0812102810 指导教师： 王红梅 2012年 6 月摘 要摘 要流量的测控在工业领域有着重要的地位，它是衡量设备效率的重要指标，是生产操作和控制的重要依据，是生产过程和经济核算必需的参数，所以精确的流量的测量与控制，无论是对工业测量，还是生产优化都有重要意义。虚拟仪器（VI, Virtual Instrument）的问世是测控领域的一次重大变革，它开辟了测控技术的新纪元，也代表着测控技术未来发展的潮流和方向。因此将虚拟仪器技术和流量测控技术相结合就有了基于虚拟仪器的流量测控系统。本文采用labview（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）为设计平台，通过流量传感器得到管道中的流量的电压信号，然后传入数据采集卡之中完成数据的初步处理，之后传入计算机中由labview软件进行数据的分析处理（数据处理包括数字滤波、标度变换、PID控制、数据显示、数据保存等），生成我们所需要的流量控制信号，最后经由数据采集卡将控制信号发给流量控制阀，从而实现管路的流量测量与控制任务。整个系统操作界面友好，开发维护方便。采用模块化的结构设计，能对软件进行一定的功能扩展，具有较强的通用性和适应性。论文最后进行总结，指出了系统设计的不足和改进思路，为今后课题的进一步深入研究做准备。关键词：虚拟仪器,流量测控,labview,数据处理,数据采集IVAbstractAbstractFlow monitoring and control plays an important role in the industrial field. It is an important indicator to measure the efficiency of the equipment, an important basis for production operation and control, and a required parameter of the production process and economic accounting, so the precise flow measurement and control is very significance, regardless for industrial measurement or for the optimization of production. The advent of the virtual instrument (VI Virtual Instrument) is a major change in measurement and control field. It not only opens up a new era of measurement and control technology, but also represents the future development trends and direction of measurement and control technology. Therefore, combination of the virtual instrumentation and flow measurement and control technology will have a flow measurement and control system based on virtual instrument.In this paper, the platform for the design adopted Labview (Laboratory, the Virtual Instrument Engineering Workbench). First, flow sensor measured the flow in the pipeline, and the incoming data acquisition card completed the preprocessing of the data. Second, Labview software achieved data processing including digital filtering, scale conversion, PID control, data display, data storage, etc., by which generate the flow control signal. Finally, through the data acquisition card, the control signal sent to a flow control valve in order to achieve pipe flow control tasks.The whole system has the property of friendly interface，convenient operation and reasonable configuration. Modularization development has better universality and is easy to expand. The summary of this paper points out the deficiency and the improvement direction of system development.Keywords: virtual instruments, flow measurement, Labview, data processing, data acquisition 目 录目 录摘 要IABSTRACT（英文摘要）II目 录III第一章 绪 论11.1 引言1l.2虚拟仪器测控技术国内外发展现状11.3 本课题的研究内容以及所要做的工作21.4主要设计技术指标和参数3第二章 系统总体方案42.1 总体方案的设计42.2元器件的选择42.2.1流量传感器的选择52.2.2 数据采理论以及数据采集卡的选择62.2.3流量控制阀选择9第三章 虚拟仪器及labview软件介绍113.1虚拟仪器的概念113.2 虚拟仪器的特点123.3 虚拟仪器的硬件构成133.4 虚拟仪器系统的软件构成143.5虚拟仪器的开发语言153.5.1图形化虚拟仪器软件开发平台Labview163.5.2基于Labview平台的虚拟仪器程序设计16第四章 软件设计184.1 Labview软件编程基本介绍184.2 软件的总体设计184.3 软件各个功能模块的设计204.3.1基于Labview的数据采集204.3.2数字滤波214.3.3 数据的处理及控制信号的生成224.3.4 数据的保存244.3.5数据回放264.3.6 数据通信模块274.3.7 数据打印程序284.3流量测控系统的整体展示29总 结32参考文献33致 谢34第一章 绪论第一章 绪论1.1 引言现在大多数实验室已有流量测控的实验装置，但这些控制装置都是用传统的模拟仪表进行测量与控制的。为了在这些实验装置上开展先进性的研究实验，必须先将这些实验装置改造为由计算机进行流量的测量和控制的装置。虚拟仪器VI（Visual Instrument）已经成为当今世界流行的仪器构成方案，它把计算机平台和具有标准接口的硬件模块以及开发测试软件结合起来构成测控系统。在工业控制中, 常常用到流量的测量控制，流量是其中最重要的参数，因此很有必要对流量进行实时的测控。过去方法是由工作人员分班定时监测流量计的指示值, 将指示值与规定流量的数值进行比较, 并算出两者的差,然后根据流量变化大小作出判断和控制阀门的开度。弊端是定时查看缺乏实时性, 不能对系统中的突发事件进行及时地处理; 不能排除人为因素而发生的错误, 如记录时的误读和误记等。所以, 本毕业设计要设计的是一套实时的自动的流量测控系统，并充分引入虚拟仪器的概念, 使所设计的测控系统结构清晰、概念简单1。l.2虚拟仪器测控技术国内外发展现状测量与控制仪器发展至今，主要经历了四个时代2:第一代模拟仪器时代、第二代数字化仪器时代、第三代智能化仪器时代和第四代虚拟仪器时代。第一代模拟仪器，是一类指针仪器仪表以电磁感应定律为基础，这类指针式仪器仪表目前仍应用于很多的实验室和工业现场;第二代是数字化仪器，是以一类集成仪器以集成电路的芯片为基础，目前应用还非常普及;第三代是智能仪器，是一类以微电子技术和微处理器技术的迅速发展为基础的，这使得以微处理器为核心的智能仪器仪表迅速发展;第四代是虚拟仪器，这一类仪器是随着测控技术和计算机技术的发展为基础的，自此以后出现了一种全新的仪器概念一虚拟仪器。虚拟仪器技术是计算机技术和仪器技术结合的创新技术，它是以硬件为基础、软件为核心的，通过仪器的“软件化”来取代传统设备，这种概念颠覆了传统仪器的概念，标志着测控仪器设计进入了一个新的时代。虚拟仪器技术是把目前已广泛应用的商业技术与新型的软硬件平台相结合的产美国航空航天局(NASA)在探索宇宙的过程中，虚拟仪器技术也被广泛的应用。他们采用NI公司提供的基于FPGA和labview软件的解决方案，以labview软件为开发平台，再利用虚拟仪器技术开发了一种可以控制上万个微米级的开关部件灵活活动的测试系统。该系统可以实现上千百万次的循环数据记录，采集极高分辨率图像。在进入21世纪的十年来，我国的科学技术蓬勃发展，工农商业的生产和发展对新型仪器设备的需求将十分紧迫。同时，计算机在近几年已经在全国范围内普及和应用，这都为虚拟仪器在国内的生存和发展奠定了坚实的基础。虚拟仪器作为传统仪器的替代品，市场的需求量也在逐年的增大。在国内，虚拟仪器技术已经在高等院校的教学和工业控制现场的测控中得到了大范围的应用，首先在教学方面，很多高等院校的实验室已经引入了虚拟仪器系统，包括清华大学、复旦大学、哈尔滨工业大学等。在近几年随着虚拟仪器软件的升级和发展，很多学校也在原有系统的基础上， 研制开发了一系列新的虚拟仪器系统3。在工业领域的应用方面，我国国内己有很多家企业在开发虚拟仪器类产品。中科泛华测控技术有限公司是NI公司在中国大的指定的代理和联盟商，推动并且见证了虚拟仪器技术在我国的发展。近期由中科泛华推出，基于虚拟仪器技术的新系统集成方案有机载装备静动态测试分析系统，包含雷达以及航空发动机的测试;汽车ECU运行环境仿真测试; 超声速风洞测量系统等等。国内专家有预测在未来的几年里，我国将有半数以上的测控仪器将成为虚拟仪器，国内将会有大批企业使用虚拟仪器对生产装置的运行状态进行实时监测和控制。1.3 本课题的研究内容以及所要做的工作本设的计测控过程是，从流量传感器测量的模拟输入信号，经过硬件信号调理后，输入到NI公司的USB-6009数据采集卡中，然后信号再经过USB总线送入计算机中，由软件进行数据分析和处理，包括数据的线性化、查找、排序、系统误差和随机误差的处理、滤波，采样波形的实时显示、保存和回放，数据的存储、显示、打印以及设置功能，还有对测量数据的模拟输出以及通信功能的实现。1.4主要设计技术指标和参数一路流量为：清洁液体、无腐蚀、流量为1吨/小时采集卡要求：输入分辨率： 12位采样速率： 10KS/s输出分辨率： 12位- 36 -第二章 系统总体方案的设计第二章 系统总体方案2.1 总体方案的设计基于虚拟仪器的流量测控系统需要用到流量传感器、数据采集卡、流量控制阀等传感器和执行器的配合组成一个完整的流量测控系统总体方案如图2-1。计 算 机 labview数据采集卡流量传感器执行器测控对象打印机V/I转换图2-1 系统总体方案图这是一个闭环的控制系统，具体实施方案是：首先是流量传感器采集到的是4-20mA电流，而数据采集卡采集的是电压信号，所以需要加入一个250的电阻，将电流转换为15V 的电压输出到数据采集卡，模拟电压信号由数据采集卡转换为数字电压信号，进入计算机，在计算机中并与给定的值进行比较，产生的偏差将作为PID控制器的输出量4，再经由采集卡输出到V/I转换电路将电压信号量转化为4-20mA的电流量输出，来控制执行器的开关度，即可实现流量系统的流量控制。其中，整个系统由数据采集卡实现数据采集转换和脉冲信号的输入输出，而中间环节的对采集数据分析、显示、储存、打印，以及对系统误差和随即误差的处理等全部由Labview软件来实现。该方案可以达到流量测控目的。2.2元器件的选择由总方案设计可知系统需要流量计、数据采集卡、V/I转换电路、流量控制阀这些元器件，下面及这些器件做出本系统的选择：2.2.1流量传感器的选择流量传感器是流量测控中的最开始最重要的环节，此环节准确与否会影响总体的精确度及经济性，所以流量传感器的选择既符合系统设计对精确度的要求又要考虑系统的经济预算，还有一点就是在系统的检修方面更加方便、更换容易、仪器使用周期确定，综合上述所有条件有如下可选择的流量传感器5;在目前的流量测控系统中，主要应用的测量方法有：差压式流量计（节流式、浮子式）、容积式流量计、速度式流量计（涡轮式、涡街式）、电磁式流量计（利用法拉第电磁感应原理）、超声波式流量计（根据声波在静止流体和流动流体传播速度的不同）等结合系统流量采集要求最后定于流量传感器使用差压式流量量传感器其优点在于：（1）它是世界上应用最广泛的孔板式流量传感器、结构牢固、性能稳定、使用时间长； （2）节流式应用范围极为广泛，全部单相流体，包括液、气、蒸汽皆可测量，部分混相流，如气固、气液、液固等亦可应用;（3）安装维修方便，不象普通差压式流量计那样，较长的引压管线，易漏、易堵、易冻结；（4）不存在零点漂移问题；当然器也优缺点： (1)测量精确程度普遍较低； (2)测量范围度窄，一般仅3:14:1； (4)压损较大(指孔板、文丘里管、喷嘴等)综合考虑各种因素差压标准孔板流量计符合系统设计要求:经济性好,不需要大的测量范围、性能稳定、寿命长、不存在零点漂移等。本设计采用北京必达拓普公生司生产的TOP-LGB型号流量传感器参数如下：适用范围：15mmDN1200mm；公称压力：PN12MPa；工作温度：-50t550；量程比： 3.5:1；精确度： 1级；2.2.2数据采集卡的选择利用仪器测量的物理量都以连续模拟信号的形式存在的，而这些信号，要对其进行处理和分析之前必须先转换成数字状态的形式，这个过程通常由数据采集系统来完成6。对于一个连续的模拟信号X（t）,数据采集系统会对其按一定的时间隔T，保存其瞬时值，得到时间的上信号Xs(nTs），这个过程称为采样；将XS(nTS）以某个最小数量单位的整数倍来度量，变为离散的数字信号Xq(nTS），这个过程称为信号的量化过程；Xq(nTS）经过数字编码以后，便转化成离散的数字信号x（n），简称为数字信号，其过程如图2-2所示。Xq（nTs）采样保持量化编码计算机x（t）x（n）Xs（nTs）图2-2 模拟信号到数字的转化的过程采样定理，指出只有在数据采集频率fs大于或等于被检测信号所包含信号的最高频率fmax的两倍时，采样数据才可能包含原始信号的所有频率分量的信息。如果已经给定了采样频率，那么只有在被采样频率是最大采样频率一半的时候能够正确显示被采样的信号而不发生畸变。如果信号中含有频率高于采样频率的一半的频率成分，信号就会发生畸变。图2-3和图2-4显示了一个一定频率的信号分别用一个合适的采样率和一个过低的采样率进行采样的结果7。图2-3合适采样率采样波形图2-4采样率过低采样波形采样频率过低的后果是使还原后的信号的频率与原始信号很可能不同。这种信号畸变形式叫做混叠。为了避免混叠现象的出现，理论上是设置采样频率为被采样信号最高频率分量的2倍，但在实际工程应用中选用5-10倍的频率，这是为了能够较好地还原原始波形。在工业实际应用中，由于受现场环境的制约传感器信号或者因为传感器数量太多布线过于复杂，我们很多时候会选用一种装置，把现场的信号高精度地转换为数字信号，然后再通过各种通信技术把数据传输到计算机或者其它的控制器中处理。这就是数据采集卡，它对环境的适应能力强，可以应对恶劣的工业环境。数据采集卡直接与计算机相连接，它把采集到的数据送到计算机中，常见的数据采集设备有：插入式数据采集卡，它可以直接插到计算机的PCI插槽中使用8。数据采集卡的功能典型的数据采集卡功能有：模拟输入输出、数字I/O、计时/计数器等，这些功能可分别由相应的电路来实现。1. 模拟输入是数据采集基本的功能。它一般是由一个多路开关(MUX)、信号放大器、采样保持器以及A/D转换器来实现，通过这些部分的组合，就可以将模拟的电信号就可以转化成为数字化的电信号了。2. 模拟输出通常是为系统提控制信号。输出信号会受数模转换器(D/A)功能的影响如建立时间、转换率、分辨率等因素。数模转换的建立时间和转换率决定输出信号改变的速率。数模转换的建立时间短、转换率高的D/A转换器可以提供一个高频率的信号。3. 数字I/O口。通常用来控制过程、产生测试信号、与外设通信等。4. 在DAQ应用中经常会要用到定时器/计数器的功能，如测量脉冲信号周期、精确控制的时间和产生脉冲信号时间等。数据采集卡的主要性能指标（1）采样频率采样频率的高与低，是决定在数据采集卡在一定时间内采集原始信号信息量的多少，是为了能够更好的再现原始信号，不产生失真，采样频率必须要求足够高才可以。根据奈奎斯特采样理论采样频率至少是原始信号频率的两倍才能再现原始信号，但在实际应的用中，一般采样频率都需要是原始信号频率的510倍9。（2）分辨率ADC的位数越多，分辨率就会越高，可分辨的电压值就越小。例如，三位的A/D转换会把模拟信号电压范围分成8段，每一段会分别用二进制代码000111进行表示。因此，数字信号不能够真实地反映原始模拟信号，因为一部分信息一定会被漏掉。如果ADC的位数增加到十二位，代码数从8增加到4096，这样就以能获得更加精确的模拟信号数字化表示了。（3）电压动态测量范围电压动态的范围是指ADC可以扫描到最高电压的值和最低电压值。一般最好的是能够使采集进入采集卡的动态电压范围恰能好与其相符，以便能更好的利用它的可靠的动态电压分辨率的范围。（4）I/O通道数这个参数表示的是数据采集卡采集信号的最多的路数。选择的数据采集卡为NI公司的NI-6009数据采集卡参数如下：模拟输入 通道数 4 分辨率 14 bits采样率 48 kS/s最大模拟输入电压 10 V 最大电压范围 -10 V - 10 V最小电压范围 -1 V - 1 V量程数 8 模拟输出 通道数 2 分辨率 12 bits 最大模拟输入电压 5 V 最大电压范围 0 V - 5 V 最小电压范围 0 V - 5 VIN USB-6009数据采集卡有单端和差动两种输入模式，其作用和连接方式是不一样的，这是在做系统的时候我们应该注意的地方。2.2.3流量控制阀选择流量的调节机构称流量调节阀，流量调节阀的结构形式有直通双座阀、直通单座阀、三通阀、隔膜阀、角形阀、蝶阀等。在流量控制条件上有不同的流量阀还分有快开式、直线式、对数式，在执行器的执行方式上分有气动式的和电动式，在执行方向上分有开式和关式，另外在设计上流量调节阀有的带有开方器有的没有，这是在选择和使用的时候一定要注意的地方。流量调节阀的特性，是指在调节阀两端的压差保持一定情况下，介质流经流量调节阀的相对的流量与它的相对的开度之间的关系特性。流量调节阀流量特性有线性性、等百分比性、抛物线性三种。三种流量特性表明的意义如下：(1)等百分比性（对数特性），等百分比特性的流量调节阀的开度和流量不成直线关系，而是在其行程上的每一个点上的单位行程的变化所引起流量的变化与该点的流量的变化的百分比成正比，流量变化的百分比是相等的。所以它的优点是流量小时，调节的流量变化小，流量大时，则调节的流量变化就大，这也就是说在不同开度情况下，具有相同的调节精度。 （2）线性性（线性特性），线性特性是调节阀的行程和流量的变化量成直线关系的。既单位行程上的开度变化而引起的流量的变化是一样的。流量较大时，其相对值就变化小，流量较小时，则其相对值反而变化较大。 （3）抛物线性的流量按照行程的二次方成比例的特性，大体上是具有线的特性与等百分比的特性的中间型特性。 从上述的三种流量特性的分析我们可以看出，就在其调节流量的性能上讲，等百分比性是最优的调节，其调节性能稳定。而抛物线性的呢，比线性性的调节性能要好，这样我们就可以根据使用不同的场合的要求情况，挑选其中需要的流量特性的流量调节阀。流量调节阀收到的调节信号是2-40mA的电流信号，而一般的输出的控制信号时1-5V的电压信号，这时就需要一个，电压电流的转化机制来转化控制信号的类型，我们可以在电路中加入一个精密的250的电阻经电压信号转化为可以别流量控制阀应用的电流信号10。根据毕业设计的要求：可知控制对象流量不大，且无特殊要求流量调节阀的选择为等百分比特性的直通单座关式电动调节阀。本设计采用浙江省富阳市青云自控仪表设备厂生产的ZAZP/ZDLP型流量控制阀。综合上述条件及选择，最终各个元件的选择为：流量传感器：差压式流量计；数据采集卡： NI公司的NI-6009型数据采集卡；流量控制阀：采用等百分比特性的直通单座关式电动调节阀；软件 ： labview8.6版本。第三章 虚拟仪器及labview软件介绍第三章 虚拟仪器及labview软件介绍3.1虚拟仪器的概念虚拟仪器，就是建立在以计算机为主要核心的硬件平台之上的，其功能是由用户自己设计和定义的，具有虚拟前面板的，其测控功能全部是由测试软件实现的，一种计算机仪器11。虚拟仪器技术是美国国家仪器公司(National Instruments，NI)于1986年提出的一种构成测控仪器的新的概念，其核心思想是：利用计算机资源来取代传统仪器的输入、处理和输出等功能部分，从而实现了仪器硬件部分的模块化；用计算机以及仪器软面板来实现仪器的测控功能。虚拟仪器的本质是利用PC机显示器的显示功能实现和模拟传统仪器的控制面板，从而以多种形式表达输出检测的结果；利用计算机的强大的软件计算和存储功能来实现数据的运算、分析和处理；再利用I/O接口设备来完成信号的测量、采集以及调理功能，进而形成了实现各种测试功能的一种计算机化的仪器系统。使用者可以利用鼠标和键盘操控虚拟前面板，就和使用专用测量仪一样。所以，虚拟仪器使测量仪器和计算机的界限模糊了。虚拟仪器(Virtual Instrument，VI)的概念是因为PC卡式仪器而提出的。传统仪器主要包括三个部分：1数据采集与控制部分；2数据分析和处理部分；3数据显示部分。但PC卡式仪器因为自身没有仪器显示面板，有的甚至没有微处理器，因此必须借助PC机作为数据分析和显示的工具，再利用PC机的强大的图形处理能力和在线帮助功能，建立器一个图形化的虚拟面板，从而完成对仪器的控制、数据分析与显示和通信功能。这种含有实际仪器的使用功能和操作信息的软件和PC机结合而构成的仪器，就是虚拟仪器了。或者说，虚拟仪器实质就是具有虚拟仪器面板的PC仪器，它由PC的功能化硬件模块和控制软件组建而成。借助一块通用的数据采集卡，用户就能够通过软件构建任意功能的仪器了，而软件就变成了构造仪器的核心内容。所以美国国家仪器公司提出“软件就是仪器”的概念。3.2 虚拟仪器的特点与传统的测量仪器相比而言，虚拟仪器的设计的理念、系统的结构和功能的定位方面都发生了很大的变化。总的来说，虚拟仪器主要具有以下的特点：(1) 软件是虚拟仪器的核心内容。 在虚拟仪器的硬件确定后，它的功能主要是由软件来实现，软件在虚拟仪器的构建中具有很重要的地位。这就是美国国家仪器公司（NI）曾经说的一具著名的话“软件就是仪器”。(2) 虚拟仪器的性价比非常高。由于，一方面，虚拟仪器能可以实现同时对多个参数进行高效实时的测量功能，同时，因为信号的传递和数据的处理等功能都是依靠数字信号和软件处理来实现的，所以也大大的降低了环境的干扰和系统误差方面的影响。另一方面，用户还可以随时根据自己的需要来进行调整虚拟仪器的实现功能，从而缩短了仪器用在改变测量对象的时候的更新周期。此外，采用虚拟仪器测量还能减少测试系统的硬件设计环节，从而减少了系统的开发成本以及维护成本，因此，使用虚拟仪器测量比传统测量仪器更为经济划算12。(3) 虚拟仪器的出现使仪器厂商和仪器用户之间的距离缩小了。由于虚拟仪器的用户可以根据自己的需要自定义仪器实现功能，不像传统的仪器那样，受到仪器供应商的限制，而出现供应商提供仪器的功能与用户要求不相符的情况。利用虚拟仪器，用户可以组建更加完备的系统，并且更容易加强仪器系统的功能。由于PC提供的功能远远胜于仪器内部的处理数据的能力，因此，借助于通用数据采集卡，用户就可以通过虚拟仪器的软件构建任意功能的仪器。(4) 虚拟仪器有良好的人机交互界面。虚拟仪器中，测量的结果是通过软件在计算机的显示器上显示的，它与传统仪器面板很相似，但是却由软件虚拟面板来实现的。所以，用户可根据自己的喜好，通过编程软件来自定义面板形式。(5) 扩展性能强。NI公司的软件硬件工具使科学家和工程师不仅仅局限于当前的应用技术。由于NI软件具有很强的灵活性和应用性，所以只需更新用户的计算机或者测量硬件，就可以凭借最少的硬件投资和极少的软件的升级即可更改用户的整个测控系统。在利用新科技的时候，用户也可以把他们集成在现有的测控设备中，来减短产品上市的时间13。 (6) 通过软件和硬件升级，可以很方便地提高测控系统的测控的能力和水平。更为重要的是，用户可以利用通用的计算机编程语言和软件，如C+、LabVIEW、LabWindows/CVI等，扩展和编写软件，进而使虚拟仪器技术更能适应、更加符合用户的测试工作和特殊的要求。(7) 虚拟仪器有和其它设备通信的功能。例如usb总线等的接口通信能力。此外，还可以把虚拟仪器接入到网络，来实现对工业现场生产的远程监控和管理。(8) 虚拟仪器的软件和硬件都具有开放性、模块化、可重复利用性以及互换性的特点。用户可以根据自身需要灵活组合各个模块，实现游湖自己需要的功能，从而大大的提高了使用效率。虚拟仪器的特点不仅只有这些，作为新型的测控仪器，它有很多传统仪器无法与之相比的好处。这就使得虚拟仪器的应用领域很广泛。3.3 虚拟仪器的硬件构成传统测量仪器是能实现特定功能的独立的器件，它的功能在厂家制造的时就已经确定了(如示波器、信号发生器)，而虚拟仪器，其物理硬件不必仅仅限定在同器件之中，它可以分布在工业现场各处。无论是哪种虚拟仪器，都是将仪器的硬件搭载到计算机平台上和应用软件一起构成的。虚拟仪器的最基本的构成是计算机硬件、模块化的I/O接口硬件两个部分14。1.计算机硬件计算机硬件可以是各种计算机，如台式计算机、笔记本、工作站等，计算机是管理虚拟仪器的软硬件资源的核心部分，是虚拟仪器构成的硬件基础。计算机技术的显示、存储、处理、通信等方面的快速发展，也致使虚拟仪器系统快速的发展。 2. 模块化的I/O接口硬件I/O接口硬件是根据不同的总线接口标准转换为不同的输入输出信号，以供其他的系统使用，并在此基础上组成了虚拟仪器测试系统。I/O硬件部分可以是数据采集卡、GPIB接口、串/并行接口、现场总线接口等构成，它们的功能是把被测信号的传输给计算机虚拟仪器软件。面对日益复杂的测控系统应用，NI提供了全面的软件硬件的解决方案。各种总线接口如：PCI、PXI、USB、IEEE1394总线等，NI公司都提供对应的模块化的硬件产品，无论是数据的采集、信号的调理、声音和振动测的量、视觉、运动、仪器的控制、分布式的I/O还是CAN接口等工业通信领域，应有尽有。3.4 虚拟仪器系统的软件构成 测试软件是虚拟仪器的核心中的核心。NI公司所提出虚拟仪器概念的同时推出第一批实用成果的时侯，就说软件就是仪器，来表达虚拟仪器的主要的特征，强调了软件在虚拟仪器中占有的重要地位。NI公司推出了丰富但却简洁的虚拟仪器开发的软件。用户可以根据不同的测控任务，在虚拟仪器开发软件的帮助下完成不同的测试功能软件，可以来实复杂的测控任务。在虚拟仪器测控系统中灵活的运用计算机软件来代替传统测控仪器的硬件，特别是在系统中用计算机来直接参与信号测量和特性分析，这样传统仪器中很多硬件就可以被代替，而全部是由计算机资源实现所需求的功能15。虚拟仪器测试控统软件部分有以下四部分： （1）仪器面板控制软件 仪器面板控制软件即仪器测试的管理层，是用户与虚拟仪器之间信息交流的界面。用计算机强劲编程环境，使用可视化的技术，从其中里选择你所需的编程对象，放在虚拟仪器的前面板上就可以实现图形化软件编程了。 （2）数据分析处理软件 以计算机强大的计算能力为基础和虚拟仪器开发软件的强大的函数库可以很大的提高虚拟仪器的数据处理和分析能力，节省仪器研发时间。 （3）仪器驱动软件 虚拟仪器的驱动软件是处理与特定仪器和软件系统进行通信的一种驱动软件。仪器的驱动器和通信接口及开发环境相互联系，它提供的是高级的、抽象的仪器镜像，提供使用开发环境的信息。仪器驱动器是虚拟仪器驱动的核心，它是用户完成对仪器硬件控制的桥梁。虚拟仪器驱动程序软件的核心是驱动程序函数/VI集合，函数/VI集合指的是组成驱动的模块化的子程序。仪器驱动程序一般可分为两层，底层是对仪器的最基本操作，如初始化仪器配置参数、仪器输入参数的配置、通信以及收发数据和查看仪器运行状态等。（4）通用I/O接口软件 在虚拟仪器系统中，I/O接口软件是系统软件结构中承接上一层和链接下一层接口，其中标准化与模块化已经变得越来越重要。VXI总线就是即插即用联盟为其制定的标准，这里提出了自下向上的I/O接口软件的模型。作为通用的I/O标准它有与仪器接口性质无关的特点，即这种软件只是面向功能不是面向接口的。是软件应用工程师为有GPIB接口的仪器所写的I/O软件，也可以用于有RS232接口的设备上，这样就改变了测控软件开发的手段16。软件是虚拟仪器技术的头脑。使用合适的软件工具通过调用与其相对应的程序模块，工程师和科学家们就可以创建自己的应用和人机交互界面了。有了如此功能强大的虚拟仪器编程软件，用户就可以在软件中创建应用程序和控制功能，用软件实现对仪器硬件的通信和控制，对数据信号进行分析和处理，以及对结果输出。虚拟仪器是 “软硬结合”、“虚实结合”的产物，它充分的利用计算机技术用来实现传统仪器的功能并使其功能得到了扩展。它主要是强调软件的作用，从而提出了“软件就是仪器”的概念，在虚拟仪器的测量中，仪器的硬件结构仅仅是为了解决信号的输入、输出功能，软件才是整个虚拟仪器的关键。用户可以根据自己的要求通过编写不同的测量模块来构成不同功能的测控系统，在虚拟仪器中通过软件可以实现很多传统仪器中通过硬件才能实现的功能，并且系统具有极强的通用性。3.5虚拟仪器的开发语言虚拟仪器系统的开发语言包括标准C，Visual C+ ，Visual Basic等通用应用程序开发语言。但如果直接使用这些通用语言来开发虚拟仪器系统，有相当的难度。为此虚拟仪器专家开发了虚拟仪器专用的开发语言和软件，其中最具有影响的开发语言软件有：NI公司开发的Labview和LabWindows/CVI。Labview是采用图形化编程的方案实施的，是通用的开发软件。而LabWindows/CVI是为熟悉C语言环境的人员准备的。除此以上的开发语言外还有HP公司的HP-VEE 和HP-TIG开发软件，都是国际上通用的优秀的虚拟仪器开发软件平台。3.5.1图形化虚拟仪器软件开发平台LabviewLabview(Laboratory Visual Instrument Engineering)是一种基于图形化的虚拟仪器的编程语言，它被广泛地应用于工业界、学术界和研究实验室，被视为标准的数据采集和仪器控制开发软件。它集成了能满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485通信协议的硬件以及数据采集卡通信的全部功能。于此同时它还内置了便于TCP/IP和ActiveX软件标准的函数库，是一个功能强大编程开发软件。利用它可以很方便快捷地建立虚拟仪器的应用，其图形化界面使得编程及使用过程都更加具体形象。目前，在以计算机为基础的测控软件中，Labview是市场普及率最高的，应用最广泛的。这种编程语言具有很多的优点：首先，它是图形化的语言编程，易学易用，并采用流程图式的编程方式，通俗易懂，其中运用的图标与工程师们常用的图标是一致的，这使得其编程思维和其他语言一样；其次，它提供了丰富的虚拟仪器子函数库和素材库，并有千余种的设备的驱动程序；最后它具有专门用于程序开发的工具箱，这使得用户可以在程序的调试过程中使用探针和动态执行来观察数据的传输路径，这就是对程序进行修改和调试更加容易了。因此，Labview受到越来越多工程师以及科学家的青睐。3.5.2基于Labview平台的虚拟仪器程序设计所有的Labview应用程序，都包括仪器的前面板、流程图以及图标/连结器三部分。1前面板：前面板是图形用户应用界面，也就是VI的虚拟仪器控制面板，这个界面上包括用户输入和测量显示两类对象，具体的有开关、旋钮以及其它控制和显示的对象。2流程图：流程图提供给VI的图形化的源程序。在流程图中对VI进行编程，以控制和操纵在前面板上显示的输入和输出的功能。流程图上不仅包含前面板上一切的控件连线端子，还包含一些前面板上没有的，但却是编程必须有函数、结构和连线等。如果拿VI与传统的仪器做对比，那么前面板上的控件就对应与传统仪器上的按钮、显示屏等，流程图上的连线相当于传统仪器机箱内的硬件电路。这种设计的优点具体体现在两方面：1）类似于流程图的程序设计思想，很容易被用户掌握，而且特别适合那些没有编程经验的人员。2）程序的设计思路以及系统的运行流程清晰而直观。通过使用探针和高亮执行等多种方法，使得程序以很慢的速度执行，这时候没有执行的程序部分显示为灰色，而执行后的部分则会高亮显示，完全跟踪程序的运行。这为程序的调试和参数的设置带来很大的方便17。3图标/连接设计：这部分的设计思想突出的体现出了虚拟仪器模块化编程思想。在设计一个大型的自动检测系统时，如果要一步完成复杂系统的设计是有相当难度的。但在Labview中提供了图标/连接工具，就是为实现模块化编程而准备的，编程人员可把一个复杂测控系统分为多个子系统编写，每一个模块完成一定的功能，然后将各个模块组合为一个完整的测控系统。这样设计的优点有：1）使程序编写思路清晰，为编程人员对程序的调试带来了方便。2）每个子系统都是能完成特定功能的模块，这样就把测控功能细节化了，实现软件重复利用，大大的节省了软件开发周期，提高系统的可靠性。第四章 软件设计第四章 软件设计计算机软件的设计是课题的关键部分，主要功能是完成数据的采集、控制算法的实现、测试控结果的分析和记录、历史数据查询等功能，同时也为用户提供一个方便快捷的操作界面。本系统采用了模块化的编程思想编写，每一个功能的实现均由一个独立的模块完成。4.1 Labview软件编程基本介绍Labview开发环境有很多的优点，无论是流程图式的编程，不需预先编译就存在语法检测还是调试过程使用的探针，并且它有丰富的数值分析、信号处理函数和设备驱动等功能，也都为编程人员所称道。它还有结构化和模块化的优良的特点。结构化是指在其中的编写程序是完全支持顺序、条件和循环三种标准编程结构；模块化指它的每个VI都可以作为上层程序，也可以作为子程序被调用18。一个完整的系统程序由三部分组成：前面板、程序和图标/连接端口。程序前面板作用是设置输入量和显示输出量，类似于传统仪表的前面板。在前面板上，输入量称为控制，是为后面的框图程序提供参数的；输出量称为显示，显示的是程序框图中计算分析所产生的数据。仪器的控制和显示都以图标形式在前面板上显示，这使得前面板更加直观易懂。框图程序由节点、数据连线组成。节点是VI程序的执行的元素，类似于文本编程语言中的语句、函数或子程序。节点之间数据连线按照一定的逻辑关系相互连接，可定义框图程序内数据流动方向。连接端口是前面板和框图程序之间数据传输的通道，也是框图程序内节点与节点之间数据传输的接口，在labview中数据端口有三种类型：指示端口、节点端口、控制端口。指示端口和控制端口用于前面板对象，而每个节点端口都有一个或数个数据端口用于输入或输出。4.2 软件的总体设计以系统程序的主要功能为模块划分的标准，其中包括数据采集与输出，数据实时显示，数据保存，历史数据的读取、数据打印等功能。具体结构见图4-1数据存储基于虚拟仪器的流量测控系统数据采集与输出数据显示PID控制历史数据读取采集数据输出显示数据打印图4-1基于虚拟仪器的流量测控系统功能模块图系统总流程图4-2：初始化程序参数包括采样频率、PID参数等开始数据采集及滤波PID整定控制参数输出波形显示波形存储数据存储流量控制阀控制流量传感器测控对象图4-2系统总流程图4.3 软件各个功能模块的设计软件是实现虚拟仪器功能的核心，只有一个强大的软件编程，才能够使硬件的工作按照我们的所需要的功能来完成任务，软件设计而的合理和以有效的提高任务的执行效率下面是对此系统的软件设计部分：4.3.1基于Labview的数据采集Labview是通用程序设计系统，有很强大的数据采集功能。而数据采集的核心是DAQ卡，它和Labview有接口程序，用其进行数据采集控制，就是在Labview环境中操控各种DAQ卡实现所需的功能，达到数据采集和控制的任务19。其中，模块是DAQ卡硬件电路与计算机的链接核心模块，将硬件采集到的电信号输送到计算机，也能将计算机处理的信号传送给控制器。流量采集的程序框图的核心部分是DAQ助手在其中包含如下端口功能：1.数据端口 包含要写入任务的采样。数据可作为测量任务的输出，以及模拟/数字输出任务的输入。如果做计数器输出任务则无数据接线端。2.采样数 指定有限数据采集任务中每通道采集或生成的采样数。对于有限数据采集任务，VI就会忽略该输入的设置。如需在循环中运行多个有限数据采集任务，可使用该VI生成代码。对于连续的数据采集任务，NI-DAQmx使用该值确定缓冲区大小和从缓冲区读取的采样数。3. 采样率 指定采样率，以采样/通道为单位。该输入不适用于某些通道和采样定时类型。4. 停止 指定在Express VI完成执行后停止任务，释放设备资源。对于连续数据采集任务，默认状态下，该输入为FALSE。应用程序停止后，该任务仍可继续执行。如需停止任务，在相同的应用程序中使用设备，可将该输入与While循环的条件接线端连线至相同的停止按钮。 对于单点有限数据采集任务，默认状态下，该输入为TRUE。采样完成后，该任务停止。 在循环中使用该Express VI时，如需优化单点有限数据采集的性能，可将该输入与While循环的条件接线端连线至相同的停止按钮。5. 超时 指定等待VI读取或写入全部采样的时间，以秒为单位。 在超时状态下，VI将返回错误。 对于输入操作，VI将返回超时前读取的所有采样。 默认的超时值为10秒。 超时值为-1时，VI将无限等待。 如设置超时值为0，VI将尝试读取或写入采样一次，并在无法完成操作时返回错误。 只有在VI等待读取或写入采样时，NI-DAQmx才进行超时检查20。 另外在NI-DAQmx中有采集通道、采集电压的最大值、最小值和系统的采样模式等设置，可以很方便的实施数据的采集任务，和传统的数据采集程序相比，既没有和麻烦的连线也没有了一些参数前面板的设定为变成带来了很大的方便。在控制输出类型的NI-DAQmx中也有通道的设定以及一些参数的设定事程序更加简洁增加了程序的可读性。本设计采用传统的采集程序来进行数据的采集，设计程序如下文。数据采集模块前面板的设计如图4-3所示，在采集面板上有采集流量开始、停止采样、流量的实时显示及流量采样速率的设定。图4-3流量数据采集前面板4.3.2数字滤波数字滤波是滤波处理技术中的重要分支，它包括利用点、数学等手段滤掉信号的噪声以及虚假信号用来减少干扰信号在有用信号中占有的比例，进而提