（信息与通信工程专业论文）虚拟无纸记录仪技术研究.pdf

瓣防辩攀援寒大学轿究生虢学位论文 摘要 测量仪表经历了模拟仪表、数字化仪表和智能化仪表的发展阶段后，融前虚拟仪 表殴成为测爨仪表的重要方向发展，两且纛拟仪表技术现程已经渗透到仪淡的各个领 域。虚拟仪寝的概念打破了传统役袈的框架，它将仪表技术与现代的计算机技术结合， 利用计算机软件来实现大龆分仪表功能，突破了传统仪表程数据处理、显示、传送、 存储、维护纤级等方面的黻制，大大降低了成本。本文重点对虚拟仪表技术在无纸记 录仪方面的应用进彳亍了研究。 本文第一章介绍了虚拟仪表的概念及箕发展，第二章梅此基础上提出了虚拟无纸 记录仪系统的结构。在随厝的第三章、第四章详细阐述了墩拟无纸记录仪测量前端 静软件释磺传实蕊。第三章介绍了实现裔辅度溺豢的芯片l | l 穹原理，绘密了溯鬟前弱各 种信号测墩的方法和硬件实现，并对电路的测量性能进行了分析。在第四章中，给出 了溺量兹麓翡较释结稳，并鼯采样靛毒l 攘软纛数滔笼理摸涣静实现送行了洋缨酌潮 述。在软件实现中，运用了状态机的概念来管理多通道信号测量的通道切换，并采用 了静势毅差值基绦戆方法对漫发表实嚣褰效豹瑟缩襄套；篱。第嚣搴滔述了为提囊测 量精度所采用的静态校准和动态校准技术。第六章介绍了常用的现场总线技术，并基 于p r o f i b u s 总绽设诗了虚数无缎记录仪熬缝网方案。翁七章基予垂 爰对蒙熬分橱 方法，对艘拟无纸记录仪的人机交互进行了分析，并设计了一个用户可定义的无纸记 录仪意毅甏板匏实王煲方案。 关键词：虚拟仪表、记录仪表、现场总线、人机交互 第i 页 黼醣瓣掌技术大学研究生酝学谴论文 a b s t r a c t a f t e rt h es i m u l a t i v ei n s t r u m e n t ，d i g i t a li n s t r u m e n ta n di n t e l l i g e n c ei n s t r u m e n t ，t h e v i r t u a li n s t r u m e n t ( v oi sb e c o m i n ga ni m p o r t a n tt r e n do fm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n ta n dt h e v 1t e c h n o l o g yi s a p p l i e di nm a n yi n s t r u m e n tf i e l d s t h ev i r t u a li n s t r u m e n tc o n c e p tb r e a k t h r o u g ht h el i m i to fc o n v e n t i o n a li n s t r u m e n t i ti n t e g r a t e st h ei n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya n d c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n d u s e ss o f t w a r et or e a l i z ei t sm a i nf u n c t i o n t h er e s o u r c ep r e s s u r e i sr e m a r k a b l yr e d u c e di nd a t ap r o c e s s ，d i s p l a y , c o m m u n i c a t i o n ，a n dd a t as t o r a g ei tr e s u l t s i nt h ei n s t r u m e n tc o s tr e d u c et h ep a p e ri s m a i n l yd i s c u s s e dt h ea p p l i c a t i o no ft h ev 1 c o n c e p ti nt h en o n p a p e rr e c o r d i n gf i e l d t h ev t c o n c e p ta n di t sd e v e l o p m e n t a r ei n t r o d u c e di nt h ef i r s tc h a p t e r b a s e do nt h e v ic o n c e p t ，t h ea r c h i t e c t u r eo fv i r t u a ln o n - p a p e rr e c o r d i n gi n s t r u m e n ti s p r o p o s e di n t i l e s e c o n dc h a p t e r i nt h et h i r da n df o u r t hc h a p t e gt h ef r o n te n do fm e a s u r e m e n ti sr e a l i z e d i n t h et h i r dc h a p t e r , t h em e c h a n i s mo ft h ea d c h i pi si n t r o d u c e d t h es i g n a lm e a s u r e m e n t w a y a n dt h eh a r d w a r er e a l i z a t i o ni si l l u s t r a t e d ，t h e p e r f o r m a n c e i sa n 蠢y z e d ，i nt h e c h a p t e r f o u r , t h es o f t w a r es t r u c t u r ei sp u tf o r w a r d t h es o f t w a r er e a l i z a t i o no fd a t aa c q u i s i t i o n c o n t r o la n dd a t a p r o c e s s i sd i s c u s s e di nd e t a i l 。t h ec o n c e p to f f i n i t es t a t em a c h i n e ( f s m ) i s u s e di nt h em u l t i - c h a n n e lm a n a g e m e n ta n das e c t i o nd i f f e r e n t i a l a l g o r i t h m i su s e dt o c o m p r e s s t h es t a t i ct e m p e r a t u r et a b l e + i nt h ec h a p t e r5 ，t h es t a t i ca n d d y n a m i c c a l i b r a t i o ni s u s e dt oi n c r e a s ep r e c i s i o n i nt h ec h a p t e r6 ，s e v e r a lw i d e l yu s e df i e l d b u sa r ei n t r o d u c e d a n dap r o j e c to fv i r t u a ln o n p a p e rr e c o r d i n gi n s t r u m e n tn e t w o r k i n gi s d e s i g n e d i nt h e c h a p t e r7 ，t h ei n t e r a c t i v ei n t e r f a c ei sa n a l y z e db a s e do nt h eo b j e c to r i e n t e dp r o g r a mi d e a ( c o p ) a n d av i r t u a lp a n e lo ft h ev i r t u a ln o n - p a p e r r e c o r d i n gi n s t r u m e n t ，w h o s ef u n c t i o n c a nb ed e f i n e db yu s e r , i sd e s i g n e d k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t , r e c o r d i n gi n s t r u m e n t ，f i e l db u s ，i n t e r a c t i v eg r a p h i c a i n t e r f a c e s 第i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 虚逖五纸堡垂趑挂丕珏荭 学位论文作者签名：蜀盗窒日期：卅年j j 月细 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：鏖挞歪堑坦垂毯技垄盈究 学位论文作者签名：荔络生 作者指揪馘：婢 日期：弘肿夕年i 月，v 日 日期：；确0 年| | 茂f 乒b 国防科学技术大学研究生院学位论文 图表目录 图2 1 智能无纸记录仪系统结构图 图2 2 虚拟无纸记录仪系统结构图 图3 一l n 位逐次逼近式a d c 原理图 图3 2 双积分式a d c 原理图 图3 3 抗混淆滤波器图示 图3 - 4s i g m a - d e l t a 采样量化原理图 图3 5 a d 7 7 1 1 的逻辑框图 图3 - 6 配线电阻消除方法 图3 7 过压保护和断路检测原理图 图3 * 8 采样前端硬件框图 图3 - 9 采样模拟部分电路实现 图4 一l 采样前端数据流图 图4 2 测量前端软件框图 图4 3 通道管理状态图 图4 - 4 数据采集控制流程图 图4 5 数据处理模块流程图 图5 1 校准系数存储关系图 图6 1 p r o f i b u s 系统连接图 图6 2s p c 3 连接示意图 图6 3 虚拟无纸记录仪组网连接图 图7 一l 显示面板类层次结构 图7 - 2 面板组件组织图 表1 - 1 传统仪表与虚拟仪表的比较 表3 - l 各种信号下恒流源输出i 和信号端u 的连接状态 表5 1 自校准系数表 第1 1 页 一m挖h博加拼弱拍扣姐躬筘拍船如 弓弛 国防科学技术大学研究生院学位论文 第l 章绪论 1 1 虚拟仪表概念及其发展 在仪表技术的发展史上，经历了两条发展主线：一条是沿着模拟仪表、数字化仪 表、智能化仪表的方向发展，另一条是沿着单台仪表、叠架式仪表、虚拟仪袭的方向 发展 4 。 微处理器问世后不久，就被引入了电子测量和仪表领域中，并且随着微处理器的 发展，处理器的功能越来越强、功耗越来越低，并且价格便宜，微处理器被迅速运用 到各个领域，使得传统的仪表迅速向智能化方向发展。在随后的发展中，个人微机蓬 勃兴起，在性能和价格方面与一些专用处理机比都占有很大的优势，p c 机迅速的进 入生产生活的各个领域；并且网络技术在今天也得到了广泛的应用，为资源共享和快 速的信息传输提供了有力的技术支持；为了适应工业生产和科学实验领域中数据分散 采集、信息集中处理的发展趋势，人们提出了基于计算机和网络技术的虚拟仪表的概 念。 传统的仪表一般足一个独立的装置，由机箱、操作面板、信号输入输出端、开关、 旋钮等组成，检测结果以指针式表头、数字显示、图形显示或打印的方式输出。在传 统的仪表中，这些功能都是以硬件的形式存在，这就决定了传统的仪表功能只能由仪 表厂家来定义，不能由用户改变；如果需要对仪表作技术改进，一般都需在新的型号 上进行，对用户已有仪表的改进难度则相当大，不能采用软件更新的方法，可以由用 户随时下载更新；在仪表的功能上，一般都是针对某一特定应用而设计的，通用性不 强。在信息共享上，虽然后来发展的某些智能仪表有组网的功能，但由于传统仪表结 构的限制，许多组网仪表共同的功能仍需在各自的仪表上实现，没有充分发挥组网的 优越性。传统仪表的这种框架己经不能很好的适应今天工业生产和科学实验的需求。 1 9 8 6 年美国n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 公司推出了l a b v i e w 软件，率先提出虚 拟仪表的概念，他所倡导的“软件即仪器”( t h es o f t w a r e i s t h e i n s t r u m e n t ) 的口号 了】， 打破了传统仪表的框架。虚拟仪表将计算机技术与仪表技术结合，利用汁算机系统强 大的显示、处理和通信功能，并结合相应的硬件，组成虚拟仪表系统，大大突破了传 统仪表在数据处理、显示、传送、存储等方面的限制，使用户可以方便地对其进行维 护、扩展和升级：同时可以方便的实现系统资源共享，降低了成本；并且与汁算机技 术、网络技术相结合，加快了自身的发展速度。 一般的仪表都有以下三大功能组成：信号的采集和控制、信号的分析处理以及结 果的打印输出。在虚拟仪表结构中，信号的采集和控制可以由比较通用的硬件完成， 而信号的分析处理以及结果的打印输出都可以由计算机软件来完成，可见仪表的大部 第l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 分功能都有软件来实现，软件成为了仪表的关键。 虚拟仪表系统的基本结构包括功能强大高效的软件、模块化的测量硬件及标准商 用科技( 如个人电脑和因特网) 。一套完整的虚拟仪表系统一般分为4 层【5 】：1 ) 测试管 理层。用户使用虚拟仪表生产商开发的应用程序，组成一套具体的测试仪表或测试系 统；2 ) 应用程序开发层；3 ) 仪表驱动层；4 ) i o 总线驱动层。 虚拟仪表技术的硬件部分实现数据采集和控制功能，一般为针对不同频率与精度 范围的通用测量硬件。各个测量硬件模块之间用相同的标准总线连接起来，与测最、 处理软件结合，形成一套完整的数据采集和测试系统。 软件部分一般由设备驱动软件、相应的数据处理软件和虚拟仪表面板组成。设备 驱动软件直接控制各种硬件设备接v 1 。实现通用软件平台和专用硬件之问的通信。数 据处理软件实现对测量数据常用的处理，处理结果以虚拟仪表面板的形式在显示器上 进行显示，虚拟面板与真实仪表面板操作元素相对应，所以用户操作虚拟仪表面板就 如同操作传统仪表一样真实与方便。数据的存储和通信等功能也由软件来完成。软件 成为了虚拟仪表系统的核心，通过它来定义仪表的具体功能。 1 。2 虚拟仪表的特点 虚拟仪表概念的提出，是仪表发展史上的一次革命 8 】。它在仪表的生产和应用 上带来了众多的好处： l 虚拟仪表技术使测量系统简单化，降低了系统成本，同时也便于人们更容易 了解并掌握测量系统。例如：使用传统仪表时，总是使用几台单独的仪表设备分别进 行各种量的测量，并进行人工的运算和分析；而现在，利用分析软件与简单的测量硬 件设备，就可以毫不费力地创建一套具有各种仪表功能的系统。 2 对仪表的开发可以利用现有的软件和软件技术，可以使模块规范化，缩短了 开发的周期。虚拟仪表的关键是软件，而对数据的分析和显示，已有现成的高效率的 软件，如n i 的l a b v i e w 、h p 的v e e 虚拟仪表软件以及众多的数学分析、图形显示 函数库，仪表的研发人员只需将这些库加入到自己的软件中就能实现相应的功能，大 大节省了开发的时间；并且对于新出现的算法，也能简单和快速的运用到自己的系统 中，增大了快速有效的利用其他领域研究成果的能力。一些基于图形化编程的语言( g 语言) 的图形化编程风格使工程师可以快速创建符合自己特定要求的应用程序，而并 不要求他有很丰富的编程经验。这些都可以使开发人员可以专注于他们的应用系统， 而不必花大量的时间去理解操作系统或网络等领域。 3 由于虚拟仪表技术以微机为平台，具有方便灵活的组网能力，因而很窬易支 持诸如f i e l d b u s 、p r o f i b u s 、l o n w o r k s 、p n e t 、c a n 等各种工业总线标准，也很容 易与互联网进行连接，构成分布式的测控网络，实现远距离的测曩和控制。虚拟仪表 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的网络功能可以很容易实现信息共享，可以运用信息融合等现代信号处理技术进行复 杂的处理。另外，组网后的虚拟仪表，可以实现分布式的控制，某个节点出现故障后， 不会使系统发生灾难性的事件，较集散型控制系统( d c s ) 有更强的稳健性。 4 在传统的仪表结构中，由于应用环境的不同，测量系统很难实现统一的自动 化，往往需要为每一类应用设计一套独立的系统。虚拟仪表的概念改变了仪表系统的 结构，模块化的硬件组成及开放式的工程应用软件可以简单的使用户的系统同时符合 各种测量应用的要求。通用的软硬件标准保证了软硬件无缝的集成及硬件设备的可互 换性，如o p c ( o l e f o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 为应用软件与各种硬件之间的通信问题设定了 标准，i v i ( i m e r c h a n g e a b l ev i r t u a li n s t r u m e n t s ) 贝, l j 为不同生产商提供的硬件定义标准。 这些标准可以使一个系统集成多个厂商的技术优势，为维修和技术更新提供多种选 择。 5 虚拟仪表与计算机的紧密结合，可以使它充分利用不断发展的计弊机科技以 获取高效率、高性能及低成本的利益。现在己经出现了将某些功能做成一个与微机 p c i 总线兼容的卡，利用p c i 总线可以简单地将来自不同生产厂商的测量卡组合到一 个共同的系统中( p x i 系统) ，有新的技术出现或用户的应用需要发生改变时可以方 便地进行修改或扩展。使用p x i 系统，用户可以将一些常用的测量应用，如数据采集、 运动控制快速集成，不需花很多的开发时间就可以创建多功能的应用系统。 表1 1 对比了传统仪表和虚拟仪表的优缺点： 表1 - 1 传统仪表与虚拟仪表的比较 传统仪表虚拟仪表 功能由生产厂商定义功能由使用用户定义 都由硬件构成软件是仪表的关键 仪表功能、规模固定，不易更改功能、规模可以方便的进行修改、增减 系统封闭，与其他设备连接受限可以利用计算机的通信能力，方便的与网络 和其它设备连接 价格昂贵价格低，可重复利用 技术更新慢( 周期5 l o 年)技术更新快( 周期1 2 年) 开发与维护费用高基于软件体系结构，节省开发维护费用 虚拟仪表在国外的研究已经进行了十多年，现在从事这方面研究的公司有n l 、 h p 等，其产品已经运用到了生产生活中的许多领域：从汽车到消费电子，从石油到 燃气，横跨几百个工业领域【6 。随着互联网和计算机技术的不断发展，虚拟仪表在 未来将有更新的含义和更快地发展。 第3 页 国簖科学技术大学研究生院学位论文 。3 虚羧无纸记录莰瓣提出 在工壁垒产囊甥，震遴行大量鼗撵靛溺豢记录，簸裙戆髦最仪采翔纸记袋翡方式， 在记录仪表发展为无纸记录后，测鸶量通过传感器转换为电信号或与电信号相关的 量，潮嫣电或磁豹方法记录臻毫、磁余震中，这襻骰两激节镰大量熬焚矮彝空潮，镂 于保存，同时也提高了记录的精度，熙方便搴后的落询和处理。 蠢纸记袋饺现在墨经经耱歹数字健迁录仪积智g 诧记录仪数发箴除段。域戎弱锻 能记聚仪以工业上广泛运用的微处理器为核心，利用微处理器实现对仪表系统的控 制，缝合高糟度的a d 采梯羹化芯片，剥躁现代的存储奔质避行数攥枣健，能实现对 多种工业常用信号的自动测黛。这种数字化、智能化的记录仪在实际运用中，还存在 着一烘不足，如；产品的更新换代时阆较长，技术改造比较鼹难；仪表的成本太赢， 不能适应大型的工业生产中需要众多的记录仪表的情况。 随着记录仪表在工业生产中的大爨使用和虚拟仪表的迅速发展，虚拟无纸记录仪 成为无纸记泶仪的一个重点发展方向。 康拟无纸记录仪采用虚拟仪表的思想，将数据采集与数据处理、照示在空f 田上分 开：芹| j 用一块蘸辅板实现数据的采集，利用徽视实现数据处疆、数据记录、漫示、煎 询等大部分无纸记录仪的功能，采用总线将众多的前端板与一台微机进行连接，实现 分布戏靛数禚采集帮集中的数据记录。在虚耱i 无纸记录仪系统中，徽视实现了记录仪 的主要功能。 虚手菝无纸记录仪系统能餐现大量酌铸统无纸记家往静瓷源共事，可以大| 隔f l 萼降低 成本；并且该系统具有很好的继承性，可以方便的进行产品更新和系统升级：坩呶 臻矮了开发静周期释菠本难发。在拳来静记泶纹表甍彳场，其窍缀强瀚竞争力。 1 4 文牵内容和组织结构 本文怼矮熬无纸记录铰技术递键了深入戮究，并实璎了纛熬无线记录 义麴测量麓 端。文章首先介绍了虚拟仪表的概念和它的发展过程，并根据无纸记渌仪的功能和廉 揪仪表的橛念，提出了虚拟无纸记录仪故系统结构。 文章重点论述了虚拟仪寝的测墩前端。酋先介绍了测量前端的碗件：介蜊l j ，拭j ： s i g m a - d e l t a 采样量化技术的芯片的原理，绘蹬了硬件电路的嘏匿移对每秘信号进行测 量的方法，并给出了关键测爨电路的原理图，对测量的性能进行了寇性的分析。随后 我们从软件方面阐述了前端主要功g & 模块的实现：详细阐述了对多通道采样的控制祁 对测麓数据的物理量转换，并在测量前端实现控制输出功能，定义了一组主机和测鬣 前端递幸亍通债的命令芹消息。在软件实现中，我们运用了状态机的概念来有效管理多 通道信号铡黧的通道切换，势采用了一种分敬差值的压缩方法对温度表实现有效的骶 第4 受 国防科学技术大学研究生院学位论文 续嚣囊谗。我稻还详缀潼述了仪表弱校准，绘窭了纹衰技准瓣蒎据霹实臻方滚，在仪 表中实现了动态的梭准。 文中还余缀了p r o f i b u s 囊场惑线技术，傻鹰了p r o f i b u s 域场总线设诗了纛 拟无纸记录仪系统的组网。最后采用颇向对象的方法分析了威拟无纸记录_ 仪的人机交 互，没计了个用户弼皇定义功能数仪表露叛蕊实现方案。 全文共分七章。第一章介绍了虚拟仪表的概念。笫二章掇出了虚拟无纸记录仪的 系统缝梭。第三章和第四章详纲阐述了测量靛端的暇理和软硬馋实现。羞重讨论了始 何提离测量精度、实现多通道测量的方法以及信号的物理量转换。第五章论述了系统 实现静态校凇和动态校准的依据及方法。第六章介绍了现场总线技术以及设计了虚拟 无纸记录仪的组网。簿七章对虚拟无纸记录仪的入枕交互旋出了设想。 舞5 鬟 国防科学技术大学研究生院学位论文 第2 章虚拟无纸记录仪及其系统结构 2 1 无纸记录仪 在工业生产现场和实验室中，需要测量记录大量的数据，如温度、压力、流量、 振动等物理量，以进行实时控制或事后处理。最初的记录仪采用模拟信号的方式，将 生产数据记录在纸上。这种方式虽然当初广泛运用于生产现场，当时它存在着诸多的 缺点：需要耗费大量的纸张、数据保存和查找相当困难、难以实现实时的处理和自动 控制、容易发生故障、需要换笔、换纸、添墨等大量日常维护工作。 随着微处理器和电磁存储介质在生产中的广泛运用，数字化、智能化的记录仪迅 速取代了传统的模拟记录仪。数字化、智能化的记录仪将微处理器嵌入到仪表中，对 仪表进行控制和对测量数据进行处理，采用磁盘等电磁存储介质记录数据，并利用显 示屏实时地显示数据。相对于模拟的记录仪，数字化、智能化的记录仪是记录手段的 一个革命性成果，它具有诸多的优点： 自动化程度高。由于在仪表中嵌入了微处理器，因此能够实现复杂的控制操 作，使仪表能够实现较高的自动化。 记录精度高。数字化的记录仪表都采用较高精度的a d 采样量化方法，并且 采用数字化的方法进行记录，较模拟记录仪，极大地提高了记录的精度。 实时性强。记录的数据，可以通过微处理器进行实时的运算，输出控制信号， 实现实时的反馈控制操作。 记录容量大。数字化的记录仪一般都采用了软盘进行数据存储，它存储容量 大，并且可以方便的转储到容量更为庞大的硬盘中。 便于查找、处理。由于采用磁盘进行记录存储，数据可以方便的在微机l 二进 行查阅和处理。 性能稳定。数字化、智能化的记录仪在硬件上都采用了集成电路的方法实现， 利用电信号进行记录，因此性能稳定，抗干扰能力强。 为了更好的满足工业生产和人性化的要求，现在的无纸记录仪在简单的记录功能 外，增加了许多新的功能。我们将无纸记录仪的详细功能需求概括如下： l 数据采集 在工业现场，一般会有多个不同的信号要求进行测量和记录，因此现在的记录仪 表都支持多通道多信号的测量。除对电流电压测量外，还需对工业常用的传感 ：热 电阻、热电偶提供测量支持；测量的通道数可以由6 至1 6 个不等。信号输入后，经 过模拟量上的变换和放大，进行a d 变换，实现数字化的记录。 2 数据处理 第6 页 蚕防科学技术大学研究生院学位论文 溺量豹傣号一觳都是先交换为惫压篷，褥经：i 童a d 变换逡霉亍采熬。毽魏需要褥获 得的电压值转换为用户需要的物理量：如温度、压力等。微处理器根据用户设置的信 号类型或变羧荧系，瓣采样壤进行处毽，转羧菇穆鬓璧；在簸理薅，还需要对测鲎熬 误差进行补偿，以提离测量的精度。 3 + 数摄存储车曩转健 测量的数据必须避行存储，以便于事后的分析和查阅。现在常用的存储方式是采 用软教进行记录，并定期的将较盘的数据转储到硬攥或其他大容量瓣存储分腰中。 4 数据渣询和戆示 凭纸记录仪都支持事后的数据黉询，用户可以根据时间僚息或特征值( 如报警傻) 查询所关心静数据。实时的数据或掰史数据可以以不阊的形萄：进行鼗示，现在常用的 显示方式有数握曲线、数字、棒图等。 5 输出控翩信弩 现在的工业生产臻求无纸记录仪宪成记浸功能外，还能根据测趱记录的数据提供 控翻葫镌，输密工馥上鬻强静控割信号，如4 2 0 m a 电流潦。 6 人机交互 在智能纯懿无绒记录彼中，爱户都是遥逡显示潺稚毽盘辩溺囊蘩号豹参数透行设 置，仪表状态和测黛结果由鼹示屏向用户显示。 7 ，透信 无纸记录仪应该具备通傣功能，以便使用微机对多个测擞仪表进行监控和数据收 集，绒与其能戆可编凝控毒嚣耀连，为其提供数据。 图2 1 智能无纸记录仪系统结构图 现在智能化酶秃纸记录仅基本上都其有上述功熊，在实现上通常是一个荦片4 机羧 制系统，它以单片机为核心，加上各种外围辅助电路构成。其前端怒数据采集模块， 被灞物理量缀传感器避入数镶采集电路，经过信号酶褒巍，由a d 芯片完成采样璧纯。 单片机完成对通道和信号变换等的控制操作，并对测景的数据进行处理，转换为物理 鬟，校据物理霆输崮鬻瘸的王l t 控制信号。渊董静数据逶遘l c d 逡行显示，著定期 第7 爱 国防科学技术大学研究生院学位论文 静蒋数据由瘸存写入软盘，突现数攥存储。麓户霹我逶逶坟袭器投上豹键盘输入控涮 命令，设置信号参数。 餐麓诧鹣无纸记渌纹系绫结构懿强2 。l 掰承。 2 。2 虚拟秃纸记交仪 隧蓉无纸记录仪的大蠡碰鼹，这张数字化、智能饨敕无纸记录仪仍然不能游足生 产的需要，畿实际应用中，仍有许多的不足： l 。不能实现有效的资源必享。谯记录现场，往往震要多台记录仪表以记录众多 的信蟹量，而各台仪袭的信譬处理和强示功雏基本上是相同的，这些功能都怒固定在 各台仪表中，不能实现共享，不利于降低仪淡的生产成本。 2 现有的智能记录仪软件的可移植性和继承穗不强。谶在的笼纸记录一般都魑 以单片机或d s p 作为仪表的核心，软件代码只能用汇编或嵌入式c 编写，襁序没有 很好的通雳性，不毹翁效的翻雳现有静软锌技术，不利于产晶酶更新换代。 3 系统结构不台理。现在的测爨系统一般都是将多台仪表放在控制室，通过导 线将现场信号弓| 入掩铺室，这样髂结构便于簸溺人员同时蕊测到多套仪表豹数据。键 这种方式仪裁不能很好的贴避测量点，降低了仪表抗干扰的能力，影响测量的精度。 如采能剥胡虚拟彼表豹檄念，对无纸记最仅豹缩构避季亍壤蔌擒建，戴能很好静克 服上述的问题，并能带来一魑其它的益处。 辩2 1 中弼举静无纸记录敌的动能需求逶荨亍分街，可叛穆它们分为浚下凡个功 能块：数据采集、控制输出、数槲处理、存储管理和媪示。数据采粲牟兀控制输划符 耱不鞫应鬟衾有象不强，并虽应敬警在测鬟豹最蓊游，鞋减少于挽：秘数摇鲶瑾、存 储管理、显示对各种应用则是相同或是类似的。 秘罴癯拟议表隆溅念，我翻霹盼海数据浆集帮羧靠输密设诗残袋榉蘸黎模块，由 特定的硬件实现；而数据处理、存储衍理和鼹示功能都由微机实现；采样前端和微机 之润惩慧线送褥连接。这梯翰残了一个蠹羧无纸撼录纹系绞，查鞋辫2 。2 疆黍。 夜图2 - 2 中，采样前端可以为个，也w 以同时有几个，根据实际的应1 i _ j 和总线 最大克诲懿壤确定。采样 l 誊漩狳完成数据的采集褒稳逡控制凌能步 ，还震竞成一些鑫| l 单的数据处理功能，以使每个采样前端在不依赖外部的条件下，仍能完成控制功能， 实骣上，每个采榉蔚螨是一个智能翦端，这样可以提凑系统躲稳健瞧：当总线或微视 出现故障时，各前端仍能根销自己的数据作出控制，不会使糕个系统陷于不可控的状 态， 第8 燹 国防科学技术大学研究生院学位论文 圈2 - 2 鑫缀无纸记蒙纹系统结橡鬻 微机作为一个主处理器，实现总线上所有采样前端的数据的处理、存储和显示。 现场总线完成将采样藩端静数据传德微机和将微机的指令发往各个采样前端的功能， 在虚拟仪表系统中，各前端都以采集数据为主要功能，传输数据量大，应选用速度较 嵩静现场总线。 这种虚拟仪无纸记录仪的结构可以大大降低无纸记录仪系统的价格，降低仪炭升 发鹣复杂度，缩短彼袁研笈酌蘧蘩。这整主簧褥益予它与徽辊靛紧密结合帮采用了缀 网技术。这种记录仪的结构较传统结构有以下优点： 1 。辍大豹降低了成本。在多台记录议工作静场含，虚羧无纸谗录谈利瘸徽税豹 丰富资源和强大的处理显示功能，将所有这魑仪表的处理、存储、照示功能都集中到 激瓿主来安凝，节省了每个仪表上瓣显承孱、磁盘鞯动器等器奏懿嫒释设餐，极丈鹣 降低了成本。 2 。缨矮了舞发瓣周期。这释结构藏少了在攀片瓿等嵌入式环凌下绽程煞工佟， 众多的软件工作都转移到微机的通用平台上编写，缩短了软件开发的工作壁和时间， 著曼傻程疼麓毫更好翡霹读经和移壤型。 3 ，增大了系统的资源。虚拟仪表的大部分功能都在微机上实现，可以利用微机 庞大载硬终葶羹软终资源，馒仪表鳇资源不霉受限铡。铡翅，凝在的襞盘銮繁霹以不瘸 再考虑仪表数据的实时转储问题，对数据的篱理，可以利用现有的数据库技术。同时， 大部分功能融由微槐求实现，使褥袋样翦端的资源也交褥宽松。 4 提高了测量的精度和抗干扰能力。虚拟仪表将测量和显示从空间一l 分，1 ：，使 荦导测霪翦端可以更贼近测爨点，缩缎了弓l 线艇长度，提毫7 挠干扰的能力。 第9 奚 国防科学技术大学研究生院学位论文 第3 章测量前端原理与硬件实现 记录仪表的模拟信号输入电路及采样量化方法是测量前端的关键，如何设计这部 分电路和选择合适的量化方法决定了系统的测量精度，在我们的系统中，选用了 s i g m a d e l t a 技术的采样量化芯片。这一章我们主要介绍s i g m a d e l t a 采样量化芯片 的原理以及各种信号测量的方法，给出前端测量的硬件电路实现，并对关键电路进行 分析。 3 1 常用采样量化方法比较 模数变换( a d c ) 发展到现在，已经出现了许多种方法，有直接进行转换的方法， 如比较式a d c ；或采取间接变换的方法，如双积分的a d c 、v f 变换等。下面简单介 绍几种常用的a d c 的方法，并比较它们的优缺点。 1 比较式a d c u x 时钟 启动 图3 - 1n 位逐次逼近式a d c 原理图 以逐次逼近a d c 为例介绍比较式a d c 的原理。图3 1 为n 位逐次逼近式a d c 的原理图，当启动a d 变换后，清除n 位寄存器，逻辑控制模块首先控制n 位寄存 器的最高位为l ，寄存器的内容经过d a c 与输入电压u x 进行比较，如电压低于u x ， 则将最高位变为0 ，如高于u x ，则保持1 不变，至此，确定最高位；输入下一个时 钟，比较次高位，次高位的确定与最高位相同；如此循环，直至将n 位数据都确定， 输出寄存器的值，即为将u x 进行n 位逐次逼近a d 变换后的结果。 这种方法的精度和转换速率适中，时间一般为微妙级，精度可以到0l ，适用 于一般的采样量化场合【1 0 】。 由于逐次逼近式a d c 转换速率不能达到很高，因此在采样速率很高的情况下， 设汁了并行比较a d c 以满足要求。并行比较a d c 将输入电压与量化器产生的n 个 标准电压同时进行比较，一次获得n 位量化值。其转换时间可以达到n s 级，但能达 到的分辨率很低。 2 积分式a d c 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图3 2 双积分式a d c 原理图 积分式a d c 有多种实现方法，图3 - 2 为双积分式a d c 原理图，双积分式a d c 工作可分为三步： 第一步：复位。复位时，开关s 4 闭合，使积分器的电荷为零，并且清除计数器 内容。 第二步：输入电压积分。这一步将s 1 闭合，使输入电压对r c 积分器进行积分， 并同时开启计数器，对输入脉冲计数，当计数器计满后，控制s 1 断开，进入第三步。 至此，积分器上的电压为： u i = - 丽h l u , d , = 嘉e 式中，墨为计数器计满的时间，e 为墨串t i - j 内q 的平均电压。 第三步：参考电压积分。这一步根据输入电压的极性，接通与以极性相反的参 考电压的开关s 2 或s 3 ，对积分器进行反向积分，并且计数器重新开始计数，当 积分器的电荷为零时，比较器控制开关s 2 或s 3 断开，结束积分过程。设第三步积分 的时间为五，则有： u 1 = 页- h 3 l 轧u a t = 惫 结合第一步得出： 旦：墨：丝 7 in i 即 玩= 等 其中l 、2 分别为第一次积分和第二次积分时计数器计数脉冲的个数，至此完 成对输入电压的一次采样量化。 积分式a d c 由于采用了积分电压进行量化，因此有很强的抗干扰能力，并且由 于正向积分和反向积分采用了相同的电路，对器件的设计精度要求并不高。这种方法 第1 1 页 抄涉涉产 u 峨乜 一 国防科学技术大学研究生院学位论文 能达到o 0 1 的精度；但由于进行采样量化时需要根据进行积分，因此，其转换速度 很慢。 3 s i g m a d e l t aa d c s i g m a d e l t aa d c ( a a d c ) 是在大规模集成电路成熟后，才被广泛应用的，它 是利用数字信号处理的方法，实现高精度的采样量化，其采样量化精度最高，但是它 的采样速度很低，适合于作测量仪表的a d 变换。具体工作原理在下一节阐述。 3 2 基于z a d c 的测量前端原理和测量方法 3 2 1 一& a d c 采样量化原理 一, a a d c 的理论早在7 0 年代就已经提出来了，但是由于它需要大量的运算，这 种方法直到大规模集成电路技术成熟后，才被广泛的应用。它利用过采样技术和复杂 的数字信号处理算法实现其它采样量化方法无法达到的分辨率。下面简单介绍这种技 术的原理。 在n y q u i s t 采样理论中，采样的频率必须大于或等于2 倍的信号频率才能使采样 后的信号不发生混叠，因此在采样前都须加一个低通滤波器，限制信号带宽外的干扰 和噪声，防止采样后它们混叠到信号频带内。但是如果以n y q u i s t 频率进行采样，就 要求低通滤波器有陡峭的下降特性，才能做到不影响信号的情况下又能有效的防止混 叠，如图3 - 3 ( a ) 所示。但如果采用高于n y q u i s t 采样频率的频率进行采样，也口过采 样，则可以使反混淆滤波器的设计变得相当简单，如图3 - 3 ( b ) 中，低通滤波器有相当 长的过渡带宽。并且，采用过采样后，可以使用许多新的数字信号处理的方法，虫在 a d c 中。过采样可以使后面的数字信号处理实现对噪声的功率谱进行整形。 ( b ) 图3 3 抗混淆滤波器图示 在a d 变换中，量化精度很大程度上取决于量化噪声，如果能减小量化噪声，也 就相应的会提高量化的精度。a a d c 完成采样量化的过程如图3 4 所示，( a ) 为原理 图，( b ) 为( a ) 的数学模型。它采取了三个措施来减小量化噪声：( 1 ) 过采样；( 2 ) 对 量化噪声功率谱重新整形( 即高通滤波) ；( 3 ) 数字滤波。下面解释a a d c 完成 高分辨率量化的过程。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( a ) ( b ) 图3 _ 4s i g m a d e l t a 采样量化原理图 在图3 - 4 ( a ) 中，对信号以上百倍于五( n y q u i s t 采样频率) 的频率工进行过采样， 并根据积分器的值进行1 比特量化，量化的依据是使量化值经过1 比特数模变换后与 输入信号的差在积分器上的积分值趋于零；这样信号被量化成一个二进制数据流，数 据流经过数字滤波滤除高频噪声，再对其进行抽取，使其采样频率降到n y q u i s t 采样 频率。 对量化噪声功率谱的整形是将量化噪声能量都集中到高频分量上，尽量减小信号 带宽内的噪声，这样可以在后续的处理中，通过低通滤波，尽可能的滤除噪声。在这 里是通过积分器，量化电压的负反馈实现的c l b i td a c ) 。一阶积分器在z 域中可以 表示为： ( 1 一z 一1 ) 一1 = l + z 一1 + 十z 一”+ 而输入信号可看作一个可精确量化的信号和一个量化误差信号的和，由于前后两 个量化值的误差可以认为不相关，因此可以假设量化误差的功率谱是均匀的【1 。这 样图3 - 4 ( a ) 的采样量化过程可以在z 域用图3 - 4 ( b ) 所示的模型表示，图中n 为蓐化 噪声功率谱密度。对图3 - 4 ( b ) 的模型求解得出： y ( z ) = x ( ：) + ( 1 一z 1 ) p 。= y ( z ) + v ( z ) p 。 可以看出，该系统对信号x ( z ) 是全通的，而对量化噪声需经过v ( z ) 的滤波。设 v ( z ) 的幅度谱为旷( ，) i ，则： iv ( f ) i = l1 一( s i n ( 一z n f ) 十jc o s ( 一2 n f ) ) p 2 s i n ( 矿) 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 矿( ，) 即为高通滤波器，可以对量化噪声进行高通滤波，减小了信号频带内的量 化噪声。 量化噪声经过高通滤波器后，在信号频带内的噪声功率为： 只= 以r 饥叭川2d f = p 。r l 4 s i n 2 ( n ) d 鸭等粤) 3 可见：提高过采样的采样频率，可以明显减小在信号频带内的量化噪声功率。 经过对量化噪声的高通滤波后，量化噪声功率主要集中在高频，因此后面的数字 滤波器应设计为低通，滤除量化噪声的高频部分和叠加在信号上的高频噪声。数字滤 波器还需要完成抽取的任务，以使采样频率降到n y q u i s t 频率。 在应用中，可以提高量化整形滤波器的阶数，以获得更高的信噪比，但阶数高于 三阶时，系统的稳定性不能保i t 1 ，需考虑采取方法使系统稳定。在我们使用的基 于- a a d c 技术的采样量化芯片a d 7 7 1 1 中，使用了三阶的量化噪声整形滤波器。 由于一a a d c 采用了过采样技术、使用了积分电路，以及数字信号处理时采用了 低通滤波器，限制了这种技术的使用范围：只能对低频信号进行采样董化，如低频信 号测景、语音信号采集。 3 2 2a d 7 7 1 1 芯片介绍 a d 7 7 1 1 是a d 公司生产的基于- 采样量化技术的采样量化芯片，主要针对低 频小信号的高精度测量应用，如温度测量、压力测量、重量测量等慢变化场合。它具 有相当高的分辨率，并为工业上常用的热电阻测量、热电偶测量提供了技术支持。其 逻辑结构如图3 - 5 所示。 图3 - 5a d 7 7 1 1 的逻辑框图 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 麸图3 - 5 哥越麓出箕基本工 睾j 童程是；信号峦a i n l 或a t n 2 输入，经过增益可 编程放大器p g a 放大，送入a a d c 模块进行采样艟化，擞化数据送入输出寄存器， 惩户霹由s d a t a 嚣枣行读爨采样蕊。下嚣对a d 7 7 t l 熬注簸、功筑、搡佟方法遂锊 简单介绍。 l 。越7 7 l l 携拣能 采样芯片的最主甍性能指标为分辨率和数据输出率( 即转换速率) 。a d 7 7 1 1 的 分辨率与数字滤波嚣的蹬波患鄹霹缡翟增慈放大器瓣增蕊擦套关，陷波点酾增益越 高，分辨率越低。在数字滤波器的第一个陷波点为5 0 h z 时，对放大倍数为1 2 8 ，有 t 6 5 位有效分辨率，对放大倍数为l ，有2 0 位蠢效分辨率。分瓣率详细数列表可焱 阅参考文献( 2 】。数据输出率与第一陷波点频率相同。 2 a d 7 7 l l 主要功能 该芯片提供两种信号输入方式：差分输入( a i n l ) 和单端输入( a i n 2 ) ，可以通 过软l 牛控制采用哪种输入方式。信号输入后，经过可编程放大器( p g a ) 放大，加到 一z x a d c 模块上。可编程放大器的增益由l 趸1 2 8 ，分为8 耥，通过芯片的控制寄存 器控制。