网络化测控系统设计与开发-毕业设计(论文)开题报告

南京理工大学泰州科技学院 毕业设计(论文)开题报告 学学 生生 姓姓 名名：陈 凯学学 号号：04010105 专专业业 ：机械工程及自动化 设设计计(论论文文)题题目目：网络化测控系统设计与开发 指指 导导 教教 师师:陆宝春王荣林 2008 年3 月30 日 开题报告填写要求 1开题报告（含“文献综述” ）作为毕业设计（论文）答辩委 员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指 导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签 署意见及所在专业审查后生效； 2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设 计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印 在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见； 3 “文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印） 在本开题报告第一栏目内， 学生写文献综述的参考文献应不少于 15 篇（不包括辞典、手册） ； 4有关年月日等日期的填写，应当按照国标 GB/T 740894 数据元和交换格式、 信息交换、 日期和时间表示法 规定的要求， 一律用阿拉伯数字书写。 如 “2008 年 3 月 15 日” 或 “2008-03-15” 。 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）开文）开 题题 报报 告告 1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2000 字左右的文献综述： 文献综述文献综述 摘要：摘要：通过对网络化测控系统的概念，虚拟仪器技术的特点分析，LabVIEW 软件平台 的学习，来阐述 LabVIEW 系统下虚拟仪器技术的发展和应用，尤其是在网络化测控系统 上对各种设备的广泛应用。 关键词：关键词：网络化测控设备 虚拟仪器技术 LabVIEW 技术 1 1 网络化测控技术的概念网络化测控技术的概念 网络化测控系统 (Networked Measure Control Systems，简称 NMCS)是指测控系统 的各种智能设备即传感器、控制器和执行器分布在不同地域空间，通过网络形成闭合回 路，各节点之间的数据和信息的交换需要网络来实现 1。 虚拟仪器（Virtual Instruments，简称 VI）技术就是利用现有的个人计算机，加 上特殊设计的仪器硬件和专用的软件， 形成既有普通仪器的基本功能又有一般仪器所没 有的特殊功能的新型仪器 2。 LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是由美国国家 仪器（National Instruments，简称 NI）公司开发的一种用图标代替文本行创建应用程 序的图形化编程语言。 传统文本编程语言是根据语句和指令的先后顺序决定程序执行的 顺序，而 LabVIEW 则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了 VI 及函数的执行顺序。VI 是 LabVIEW 的程序模块 3。 2 2 虚拟仪器技术的特点虚拟仪器技术的特点 与传统仪器相比（见表 2-1） ，虚拟仪器技术有以下几个特点： 2.1 在虚拟仪器系统中，强调“软件构成仪器”的概念 4。虚拟仪器系统中除 PC 机外 的硬件主要用于数据的采集、输入，至于系统怎样处理数据，具有怎样的面板和数据输 出的形式等都是由软件决定的。虚拟仪器的好坏，很大程度上取决于软件水平的高低。 2.2 开发与维护的费用低，系统组建时间短。当需要增加新的测量功能，只需要增加 软件模块或通用的硬件模块，缩短了系统的更新时间，而且有利于系统的扩展。应用软 件不像传统仪器硬件那样存在元器件老化的问题，大大节省了维护的费用，延长设备的 使用寿命。 2.3 测量更准确。传统仪器测量个体之间差异大，而虚拟仪器的应用软件在不同的 PC 机上具有相同的运行效果，在软件运行这方面不存在个体的差异。 2.4 测量更方便。因为传统仪器功能单一，所以对一个信号完成多个参数的测量需要 多台仪器，使测量受连接方式、电缆长度等因素的影响。虚拟仪器只需对信号进行一次 采样，多个软件模块对同一组数据进行不同的处理就能实现多个参数的同时测量。 2.5 具有强大的数据处理功能。计算机运算速度的大大提高和数字信号处理理论的丰 富和完善，使虚拟仪器能够快速准确的处理数据。 表 2.1 传统仪器和虚拟仪器的比较 传统仪器虚拟仪器 硬件是仪器的关键软件是仪器的关键 仪器是厂家定义仪器是用户自行设计 仪器已经设定好功能和规模通过软件可以更改功能和规模 多人共享实验室资源个人可拥有实验室资源 封闭系统、受限于其它设备 开放系统、可与外设、网络和其它设备连 接 更新技术缓慢更新技术较快 开发和维护费用高节约开发和维护费用 价格昂贵价格低，可重复利用 3 3 虚拟仪器技术的国内发展的态势虚拟仪器技术的国内发展的态势 虚拟仪器技术是由 National Instruments（NI）公司于 1990 年率先提出的。在这 18 年中 NI 逐步改革了全世界工程师和科学家控制、测量和自动化的方法。而今，全世 界成千上万的研发人员为达到缩短开发时间、提高产品质量、降低劳动成本的共同目的 正在使用“虚拟仪器” 。而同样的，虚拟仪器技术也正在日趋于完善和成熟。 虚拟仪器系统包括功能强大、高效的软件、模块化测量的硬件及标准商业科技（如 个人电脑和英特网） 。其实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面 板， 以及多种形式表达输出检测结果， 利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、 分析和处理，利用 I/O 接口设备功能完成信号的采集、测量与调用，从而完成各种测试 功能 2。虚拟仪器技术还包含了专门为了控制系统而设计的直观的软件和针对不通频率 段和精度等级范围的测量硬件。因此，工程师可以在测控领域中自行定义测量功能。这 些软硬件设施工具能直接计算机平台集成使用，从不断进步的计算机技术中取得高效 率、高性能及低成本的获利。其应用领域之广之大，从汽车到消费电子，从石油到燃气， 横跨几百个工业领域。 虚拟仪器技术的核心技术在于其硬件技术、 总线技术以及软件技术。 对于硬件技术， 传统仪器主要由控制面板和内部处理电路组成，而虚拟仪器自身不带仪器面板，它可以 借助计算机强大的图形环境，建立图形化的虚拟面板，完成对仪器的控制、数据分析和 显示。以数据采集卡为例，它通常具有 A/D 转换、D/A 转换、数字 I/O 和计数器/定时器 等功能，有些还具有数字滤波和数字信号处理的功能；对于总线技术，仪器总线、计算 机总线和工业现场总线组成了虚拟仪器的总线结构， 例如计算机总线中的 USB 总线技术 需要两对信号线和一对电源线，可以用任意方式连接 63 个装置，它为大数据量串行传 送的数码相机、硬盘开启了方便之门 5；对于软件技术，开发平台、驱动程序和 I/O 接 口的设计是技术的关键。 NI 公司的 LabVIEW 系统， 它是目前国际上应用最广泛的虚拟仪 器开发环境之一，其图形语言直观，方便操作 6。应用程序调用类驱动器，类驱动器再 通过专用的驱动器与物理的仪器通信。 专用的仪器驱动器(和对应的物理仪器)可以被改 变，但应用程序代码保持不变 7。I/O 接口软件是虚拟仪器系统软件的基础，用于处理 计算机与仪器硬件间连接的低层通信协议。 当今优秀的虚拟仪器测试软件都建立在一个 标准化 I/O 接口软件组件的通用内核之上，为用户提供一个一致的、跨计算机平台的应 用编程接口(API)，使用户的测试系统能够选择不同的计算机平台和仪器硬件 8。 1985 年，国内 COINV（中国东方振动和噪声技术研究所）开始提出了 PC 卡泰 （PCCATAI）微机卡式采集测试分析仪的概念，并推出了 DASP（达世普）软件(Data Acquisition Signal Processing)。随后又提出了“把实验室拎着走”的口号，进 而又进行了虚拟仪器库平台的研发，实现了 INV 虚拟仪器库。 数据采集和信号处理（DASP）软件的概念突破了传统的随机振动信号分析仪和 FFT 分析仪的概念， 实现了向虚拟仪器和计算机采集测试分析仪器概念的过渡。 其间， COINV 研制成了国内第一台虚拟仪器PC 卡泰 INV101， 接着又推出了台式机用的 INV303 和 便携式笔机本式的 INV306 系统，并于 1993 年到加拿大多伦多展出，实现了 VI 的飞跃。 至 2002 年底已有 800 余家用户使用 COINV 生产的 26 种 INV303/306 系列产品。 目前,国 内外像 BK 等许多仪器公司转向虚拟仪器的开发和生产， 有更多的企业从事 VI 的研制 开发，这将推动虚拟仪器和卡泰仪器的更快发展。 4 4 虚拟仪器技术存在的问题和发展方向虚拟仪器技术存在的问题和发展方向 虚拟仪器广泛地应用在通讯、自动化、半导体、航空、电子、电力、生化制药、和 工业生产等各种领域，成为新兴的仪器仪表技术充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性 强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势，它的前景相当广阔。 未来的虚拟仪器是利用最新的电脑技术来实现和扩展传统仪器的功能。 它可以利用 互联网传输数据实现远距离测量计算分析， 利用互联网的强大功能和无线技术的发展实 现远距离控制仪器设备。将来，还可以把数码发布到 Web 网页上甚至把数据传输到手机 上，实现在不同地点、不同国家的同行合作处理同一个科研项目。虚拟仪器的核心是软 件，而虚拟仪器软件构架的精髓是虚拟仪器库技术。传统的 VI 方式为每一个仪器功能 开发一个软件，每个软件都独立具有数据采集功能，但多个软件不能同时使用。虚拟仪 器库技术解决了这个矛盾，如 DASP 2003 标准板和专业版内的虚拟仪器库模块就是由平 台软件加虚拟仪器库组成，多个软件共享虚拟仪器的硬件资源。它由一个平台软件实现 基本的数据采集和频谱分析，还能实现精确的频率校准、精确的幅值校准、精确的阻尼 校准等高精度快速分析。多个模块化的仪器软件基于平台软件上运行，共用平台软件提 供的数据和频谱值，分别实现各自仪器的不同功能（如频率计、阻尼计、转速表、失真 度计、索力计、声级计、压力计、温度计、应变计、应力仪、示波器、频谱仪、波谱双 显仪、混叠演示仪、泄漏演示仪、信号发生器、数据多用表等等） 。它的特点是在一个 平台软件上，多个模块化仪器软件共享 A/D 采集数据资源及信号处理的数据资源，多台 仪器可以高速实时运行，操作应用非常方便。就像 PC 与 Windows、Office 的发展依存 关系一样,虚拟仪器正在向综合性、多功能、多用途、快捷的多画面的虚拟仪器库方向 发展。 此外， 手持式、 更轻便的小型化的嵌入式 PC （如 PC 104） 及掌上电脑与 DSP、 AD/DA、 LCD、调理放大、电子盘加软件相结合的一体机也是一个未来发展方向，它使虚拟仪器 更方便地深入到测试现场。虚拟仪器向节能、省电轻便小型化发展也是一个方向。 总之，虚拟仪器的未来还很难预测，但是有一点是可以肯定的：最终要取代大量的 传统仪器成为仪器领域的主流产品，成为测量、分析、控制、自动化仪表的核心，并成 为机器人的核心技术。 5 5 结论结论 计算机的发展为虚拟仪器提供了便捷与新的环境， 虚拟仪器的发展造就了测量控制 设备在网络的大环境下有了长足的发展，所以我将用所学所了解的知识，利用现有的软 硬件资源对测控设备进行系统的设计与开发。 参考文献参考文献 1 何鹏举，戴冠中，傅磊，徐苛杰. 远程网络化测控系统的研究与实现J.微电子学 与计算机，2006， （7） ：57. 2 张纪伟，陆宝春，张世琪.虚拟测控实验系统研究J.工业控制计算机，2001，14 （5） ：1011. 3 美国国家仪器（NI）有限公司. LabVIEW Fundamentals (Simplified Chinese) OL.2006. 4 张戈， 周明光. 浅谈虚拟仪器的构成方法及其特点 J .大众科技杂志， 2006， （3） ： 74. 5 贾功贤， 刘成康等.基于 PC 的虚拟仪器的发展趋势 J .电子技术应用， 1999， (12). 6 美国国家仪器（NI）有限公司.虚拟仪器（白皮书）OL.2005. 7 刘金甫，田同明.可互操作 ATS 的技术实现途径J.测控技术，2002，(2). 8 金昊，柯冬香.PC 自动化测试技术及软件结构J.自动化仪表，1999，(4). 9 王鸿钰：网络化测量和控制J.仪表技术，2001，(1). 10 NI.Measurement and Automation Catalog 2003Z. 11 贾功贤，刘成康等.基于 PC 的虚拟仪器的发展趋势J.电子技术应用，1999， (12). 12 杨乐平，李海涛，肖凯，等.虚拟仪器技术概论M.北京：电子工业出版社，2003： 5. 13 张卫，陆宝春，吴慧中.基于网络分析法的虚拟样机模糊决策模型J.南京理工 大学学报，2006，30(2) ：153156. 14 陆宝春， 张卫， 孙宇.制造系统智能前端的研究 J .机械科学与技术， 2004， 23(9) ： 10571059. 15 马云鹏，陆宝春，张世琪.智能仪器中的误差处理J.自动化与仪器仪表，2000， (6) ：5153. 16 廖双龙.用 LabVIEW5.0 实现远程监控J.测控技术，1999，(10) .