（信号与信息处理专业论文）基于pcmcia卡的现场虚拟测试系统.pdf

南京理工大学硕士学位论文基于p c m c i a 卡的现场虚拟测试系统 摘要 在钢铁等行业的自动化生产过程中，对现场各种信号包括故障信号的检测、分析和 记录对于现代化生产控制和管理是十分重要的环节。随着计算机软硬件技术的发展，虚 拟仪器已经成为测试领域的发展方向，研制适应于不同工业生产现场的虚拟仪器也成了 科研和生产管理部门面临的热门话题。本课题研制了以美国国家仪器( n i ) 公司开发的 l a b v i e w 软件为开发平台，以笔记本电脑和p c m c i a 数据采集卡为基本硬件平台，配合必 要的信号调理电路组成的多功能虚拟仪器测试系统。该系统可以方便地利用计算机中的 软件实施对各种参数的设置、数据采集的控制和信号的分析和处理，并通过设计可以获 得良好的人机接口界面，较好地满足了实际现场的需要。 论文首先对虚拟仪器的基本概念和发展情况作了简要介绍；在此基础上对虚拟测试 系统结构和关键技术进行了讨论；接着对实际的现场虚拟测试系统中包括编码器、信号 调理和数据采集在内的硬件模块的功能和设计作了详细的说明；然后对基于l a b v i e w 的 系统软件及所编写的各功能模块程序进行了剖析，其中主要包括编码器在线测试、信号 采集、存储、处理和显示等；最后对开发的硬件系统及软件进行了实际测试验证，给出 了实验结果。 该系统运行于m i c r o s o f tw i n d o w s2 0 0 0 x p 环境下，各功能模块均采用模块化编程， 实验结果表明系统软硬件设计合理可靠，且方案具有良好的扩展性和较高的性价比，并 且易于开发，适合于工程人员使用，能较好地满足实际工业自动化生产现场的测试要求。 关键词：虚拟仪器，l a b v i e w ，p c m c i a ，编码器测试，数据采集，信号分析和处理 南京理工大学硕士学位论文 基于p c m c i a 卡的现场虚拟测试系统 a b s t r a c t t h ea c q u i s i t i o n ，a n a l y s i sa n dr e c o r do fav a r i e t yo fs i g n a l si n c l u d i n gm a l f u n c t i o ns i g n a l s i nt h ea u t o m a t i o np r o c e s s s u c hl i k es t e e lp r o d u c t i o n a r ep a r a m o u n ti s s u e sf o rt h ec o n t r o la n d m a r i a g e m e n to ft h em o d e mp r o d u c t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rs o f t w a r ea n d h a r d w a r et e c h n o l o g i e s ，a p p l i c a t i o no ft h ev i s u a li n s t r u m e n t sh a sb e e nat e n d e n c yi nt h e m e a s u r i n ga r e a t h e r e f o r ed e v e l o p i n gt h en o v e lv i s u a li n s t m m e n t ss u i t e df o rt h ed i f f e r e n t i n d u s t r i a le n v i r o n m e n t sh a sa l s ob e c o m eah o tp r o b l e mf a c e df o rt h er e s e a r c h i n ga n d p r o d u c t i o n m a n a g i n gu n i t s i nt h i st h e s i s ip r o p o s e dam u l t i f u n c t i o n a lv i s u a li n s t r u m e n t i n w h i c ht h es o f t w a r e d e v e l o p i n gp l a t f o r mw a sb a s e do nl a b v i e vo fn ic o m p a n ya n dt h e h a r d w a r ew a sm a i n l yb a s e do nal a p t o pc o m p u t e ra n dap c m c i ad a t aa c q u i s i t i o nc a r d t o g e t h e rw i t hap a r t i c u l a rs e l f - m a d es i g n a lc o n d i t i o n e rb o a r d t h ep r o p o s e ds y s t e mc o u l d e a s i l yi m p l e m e n t si nt l ei n s t a l l a t i o no ft h es y s t e ms p e c i f i c a t i o n s t h ec o n t r o lo ft h ed a t a a c q u i s i t i o n sa n dt h ed a t aa n a l y s i sa n dp r o c e s s i n gi u s tt h r o u g ha d j u s t i n gt h es o f t w a r e t h e s y s t e mh a ss h o w nag o o di n t e r f a c eb e t w e e nm a na n dm a c h i n ea n dh a dm e tt h er e a ln e e d so f t h ep r o d u c t i o nf i e l d f i r s t l y t h eb a s i ci d e a so ft h ev i s u a ii n s t m m e n t sa n dt h e i rd e v e l o p m e n t sa r ei n t r o d u c e d i nt h et h e s i s ；t h e n t h es t r u c t u r ea n dk e yt e c h n i q u e so ft h ev i s u a li n s t r u m e n t sa r ed i s c u s s e d ； a f t e rt h a t ，t h ef u n c t i o n sa n dd e s i g n so fh a r d w a r e i n c l u d i n ge n c o d e r , s i g n a lc o n d i t i o n e ra n d t h ed a t aa c q u i s i t i o nu n i t ，a r ei l l u s t r a t e di nd e t a i l ；l a t e ro n 。t h es y s t e m a t i cs o f t w a r eb a s e do n t h el a b v i e wa n di t sf u n c t i o n a lm o d u l e sa r ea n a l y z e d i nw h i c he n c o d e rm e a s u r e do n l i n e t h e d a t aa c q u i s i t i o n ，s t o r a g e ，p r o c e s s i n ga n dd i s p l a ya r ec o v e r e d ；a tl a s t ，t h ep r o c e d u r ea n dr e s u l t s o f t h ee x p e r i m e n t so nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h ev i s u a ls y s t e ma r et e s t i f i e di np r a c t i c e t h es y s t e mi sr u ni nt h ee n v i r o n m e n to ft h ew i n d o w2 0 0 0 x pa n dp r o g r a m m e di n f u n c t i o n a lm o d u l e s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dm ed e s i g no ft h ev i s u a li n s t r u m e n t s y s t e mi sa c c e p t a b l ea n dr e l i a b l e t h es c h e m eo f t h es y s t e mh a sg o o de x p a n s i b i l i t ya n dh i g h r a t i oo f q u a l i t ya n dc o s t ，i se a s yt ob ed e v e l o p i n ga n du s e db ye n g i n e e r k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，l a b v i ew ，p c m c i a ，e n c o d e rt e s t e r , d a t aa c q u i s i t i o n ， s i g n a la n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：年月 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年 月 日 1 虚拟测试仪器技术的发展 虚拟仪器( v i s u a li n s t r u m e n t ) 是利用通用计算机的软硬件和一些即插即拔或专用 模块实现的智能化测量仪器，它以计算机的屏幕作为与用户的可视接口界面，极大地发 挥了计算机在人机接口和智能化等方面的优势。由于虚拟仪器具有传统仪器不具备的多 功能、可塑性和智能化数据处理等特点，近年来在科研测试、监测控制和自动化工业生 产等领域越来越受到人们的关注，已经成为电子测量一个重要的发展方向。 本章在首先介绍电子测量仪器的发展及其所面临的问题之后，讨论了虚拟仪器的概 念、发展及其特点，在此基础上重点阐述了本课题研究所涉及的用于工业实际生产现场 测试的虚拟仪器的设计目的、意义和内容。 1 1 电子测量仪器的发展及其面临的问题 1 l 1 电子测量仪器的发展 根据电子测量仪器的技术发展程度和所采用技术的类型，大致可以将其分为三代， 即：模拟式仪器，数字式仪器和智能仪器。 第一代模拟式仪器，这种仪器仪表至今仍在各个场合被广泛使用着。指针式电压表， 电流表、功率计以及模拟示波器等均是这类仪器仪表的典型代表。通常，这类仪器仪表 显示部分的基本结构是电磁式结构，它利用电磁测量原理，通过指针的移动或电子柬的 偏移来显示最终测量结果。它们的特点是结构简单，成本较低，易于维护，适合于对精 度要求不高的场所。 第二代数字式仪器，它具有较模拟式仪器更高的测量精度与响应速度。这类仪器仪 表的特点在于将所测的模拟信号转成了数字信号进行测量，方便了数字信号的存储和处 理，如数字式万用表，数字频率计等。今天数字化仪器仪表的增长速度已远远超过了模 拟式仪器仪表。 第三代智能仪器，这类仪器仪表大致可分为两类，一类内含微处理器，被称为“内 含微处理”仪器，这类仪器通常对信号处理的能力有限；另一类，仪器本身与微型机在 硬件结构上是分开的，但仪器由微型机控制进行数据采集与处理，这类仪器应属于智能 仪器的范畴。他们通常以微电子器件代替常规电子线路，以微处理器为核心，具有信息 采集、显示、处理、传输及优化控制等功能，甚至具有辅助专家进行推断分析与决策的 南京理= 大学硕士学位论文 基于p c m c i a 卡的现场虚拟测试系统 能力。但此类仪器，在灵活性和功用等方面仍然远远不能满足现代科学研究和工业生产 等领域的发展要求。 1 1 2 电子测量仪器所面临的问题 现代竞争要求测试系统有更短的开发周期、更低的成本和更高的质量，因此自动化 测试、测量在各科研单位、公司企业内越来越受到关注。电子测试已经不仅局限于对某 些物理量的获取，而且要求将很多种测试仪器组合起来，构成适用于某一特定目的的专 用系统。目前仍普遍使用的第、二代测量仪器具有功能单一，彼此不兼容，不能共享 硬件和软件资源，不能将所得到的测量结果在计算机中进行处理的缺点。这使得组建测 试系统的成本很高，而开发和研究的效率却难以提高。与此相对，基于计算机技术的智 能仪器能够有效地降低测试、测量系统的成本，共享测试系统的硬件和软件资源，提高 开发效率，成为测试系统与测量仪器的发展方向。 1 2 虚拟仪器的概述 1 2 1 虚拟仪器的概念 任何一台传统仪器都由三大模块组成，如图1 2 1 所示 i 信号的采集与控制卜- 叫信号的分析与处理 _ 叫结果的表达与输出l l - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ，- _ jl - - - - - - - - - - - - - 。jl 。j 图1 2 1 仪器的组成模块 这些功能全部都是以硬件( 固化的软件) 的形式存在，这种框架式的结构，决定了 传统仪器只能由仪器厂家定义、制造，用户不能随意进行改变，这样导致的直接结果是 仪器无法升级，功能单一。同时，仪器由于元器件的测试精度和工作点的漂移，使得测 量精度不高。 如果把计算机技术和仪器技术结合起来，充分利用飞速发展的计算机技术来实现或 增强传统仪器的功能，就能开辟出一块崭新的天地。传统仪器的三大功能模块都可以放 在计算机上来实现。在计算机上插数据采集卡，实现信号的采集与控制，然后用软件进 行信号分析与处理，输出结果，实现传统仪器的功能，这就是虚拟仪器。所以，虚拟仪 器就指以个人计算机( p c ) 为核心，由强大的应用软件支持的( 若干独立的仪器功能是 由软件实现的) ，具有仪器面板、足够的仪器硬件与或通讯功能的测量信息处理仪器。 南京理工大学硕士学位论文基于p c m c i a 卡的现场虚拟测试系统 仪器与计算机技术的深层次结合创造了虚拟仪器的概念。虚拟仪器是计算机资源( 微 处理器、存储器、显示器等) 和仪器硬件( 数模转换器d a c ，模数转换器a d c 、数字量 输入输出和定时等) 与用于数据分析，以及图形用户界面的软件之间的有效结合，通过 可重用代码库，处理模块之间的通讯、定时以及若干硬件选择( g p i b 仪器、v x l 仪器、 r s 一2 3 2 通讯口和数据采集卡等) 与软件选件结合。 虚拟仪器把由厂家定义的传统仪器设计方案转变为由仪器使用者定义的，由计算机 软件和其它通用仪器组成的专用仪器，利用通用的仪器硬件平台，调用不同的测试软件 就可以构成不同功能的测试仪器。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入 输出，软件才是整个仪器的关键。使用者可以通过修改软件的方法，很方便地改变、增 减测试仪器系统的功能与规模。因此，软件是虚拟仪器的核心，也就有了“软件就是仪 器”的说法。 1 2 2 虚拟仪器的演化与发展 电子测量仪器经历由模拟仪器、带g p i b 接口的智能化仪器到全部可编辑虚拟仪器的 发展历程，其中每次飞跃都是以计算机技术的进步为动力。由于计算机技术特别是计算 机总线标准的发展直接导致了虚拟仪器在p x i 和v x i 两个领域中得到了快速发展，它们 成为未来仪器行业的两大主流产品。 给定计算机运算能力和必要的仪器硬件之后，构造和使用虚拟仪器的关键在于应用 软件。1 9 8 6 年，美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 推出了l a b v i e w ，随后h p 公司推出了v e e 等图形化开发工具，给虚拟仪器的开发提供了极为方便的开发环境。从 那以后，“软件就是仪器”的概念逐步形成，虚拟仪器的设想变为现实。 大致说来，虚拟仪器发展至今，可以分为以下三个阶段，而这三个阶段又是同步进 行的吐 ( 1 ) 利用计算机增强传统仪器的功能 这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进。由于g p i b 总线标准的确立，计算机和外 界的通信成为可能，因而用户可以用计算机控制仪器，借助写仪器驱动库、数据分析函 数库、图形接口函数库等软件来增强自己仪器系统的功能，使它能够分析和处理特定的 数据，并显示结果，而不是仅限于仪器的固定功能上。实际上，只需要把传统仪器通过 g p i b 或r s 一2 3 2 同计算机连接起来，这些新增功能就能运行良好。因而，用户可将大量 的独立仪器同计算机相连形成用户自己设计的虚拟仪器。 ( 2 ) 开放式的仪器构成 南京理工大学硕士学位论文 基于p c m c i a 卡的现场虚拟测试系统 为满足虚拟仪器市场不断增长的需求，这时在仪器硬件上出现了两大技术进步：一 是插入式计算机数据采集卡( p l u g i np cd a q ) ；二是v x i 仪器总线标准的确立。这些 新的技术使仪器的构成得以开放，消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器 功能的区别。 仪器设计者们与用户一样，企图尽可能地提高效率和重复使用很多技术。许多在仪 器上通用的元器件就是计算机里的标准件，这使得计算机成为一个构造虚拟仪器的理想 平台。许多特殊功能a d 、d a 、数字i o 、定时器组件都是模块化的功能块，能够直接 插在仪器上与仪器内部的处理器总线相连。众所周知，现代计算机也有扩展槽，用户可 将这些模块化的插卡直接插在扩展槽内。虚拟仪器的功能软件是以文件形式储存在硬盘 或软盘上的，可以安装在任何计算机上。当然，多个虚拟仪器可以共存于一台计算机上。 正是由于第二阶段虚拟仪器在软硬件上的这些进步，使得它的构建具备了开放性和 更大的灵活性，得以更加广泛的应用。 ( 3 ) 虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用 软件领域中的面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来，在 这些基础上虚拟仪器逐步成为一种主流。许多行业标准在硬件和软件领域已产生，几个 虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。发展到这一阶段，人 们也认识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化测试的关键。 一些整体的虚拟仪器框架也应运而生，它把离硬件较近的接口程序和高级应用程序 及专门仪器的转换驱动程序组合起来。用户可以使用其标准硬件接口驱动程序包去控制 数据采集产品中的一种或全部，这个接口程序包中包括用户设计程序的函数库。n i d a q 是设计插入式数据采集卡的标准接口；n i - 4 8 8 2 是设计g p i b 的工业标准；n i v x l 是设 计v x i 的标准接口。接口软件包中的所有程序都可以运用于多种普通计算机和操纵系统 上。 1 2 3 虚拟仪器的特点 通过上述的叙述，可知虚拟仪器有如下特点： ( 1 ) 强调“软件就是仪器”的新概念。在虚拟仪器中，仪器的功能和性能的实现，除了 必备的硬件系统之外，大多采用硬件软件化或以软件替代硬件技术，来完成复杂的 控制、分析或处理等功能。因而从这个意义上讲虚拟仪器对软件更具依赖性。 ( 2 ) 打破传统仪器小而全，且各仪器资源不能共享的现状。可将传统仪器的公共部分如 显示、储存、打印及微处理器控制管理等，都由计算机来完成，即无论任何功能的 4 南京理工大学硕士学位论文 基于p c m c i a 卡的现场虚拟测试系统 仪器都可利用或共享计算机的这些公共资源，而无需重复的设计。 ( 3 ) 具有模块化、开放性和互换性的特点以及好的资源的复用性，同时又可方便、经济 地组建或重构测试系统。用户可根据自己的需要选购不同功能的卡式或模块化仪 器，并可随测试任务的不同而灵活组合，提高仪器资源的可再用性。 ( 4 ) 可自定义仪器功能。传统的仪器在出厂时，其功能已经确定，用户不能根据自己的 需求而随时进行修改，只能一机一用。而虚拟仪器则可借助通用数据采集装置，通 过编制不同的软件测试方案，可构造几乎任意功能的仪器，故“软件就是仪器”在 这里再次体现。 ( 5 ) 采用虚拟仪器，硬件测试设备与计算机之间的数据“交流”将变得非常方便、直接 与迅速。对于普通的测试没备，一般所得到的测试数据需要测试人员手工实时记录。 如果数据量比较大，就将使得测试过程变的很冗长、很复杂，不可避免引起测试误 差。而且有的常用测试仪器，比如示波器，一般只对被测对象作定性测试，有的示 波器带有软盘驱动器，可以先将测试数据存入软盘中，然后再利用软盘与其它分析 仪器“交流”数据。如果采用虚拟仪器技术，测试设备所得到的测试结果将会实时、 直接的通过计算机的总线，传输到计算机的内存或硬盘，供以后分析使用。这样， 一方面避免了数据的传输问题；另一方面，可以充分的利用计算机的存储能力。 ( 6 ) 根据工程的实际需要，使用人员可以通过软件编程或采用现有分析软件，实时、直 接地对测试数据进行各种分析与处理，如完成d f t ，f f t 运算、p i d 控制、模糊逻辑 控制、联合时频分析、数字信号处理、数学分析和数据库联接、统计分析参数调整、 单位转换等工作，从而对被测控对象进行进一步的控制。 ( 7 ) 测量输入信号特性( 如电压频率、上升时间等) 只需一个量化的数据模块就可使 得要测量的信号特性能被数据处理器计算出来，这种将多种测试集于一体的方法缩 短了测试时间，从而提高了测试速度。 ( 8 ) 利用计算机强大的图形用户界面( g u i ) ，虚拟仪器可以采用多种方式显示采集的 数据、分析的结果和控制过程，真正做到界面友好、人机交互。 ( 9 ) 虚拟仪器的特点决定了它比传统仪器性能更优越，使用更灵活。虚拟仪器与传统仪 器的比较列于表1 2 1 南京理工大学硕士学位论文 基于p c m c i a 卡的现场虚拟测试系统 表1 ，2 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器传统仪器 功能由用户自己定义功能出厂商定义，扩展性低 基于计算机的开放系统，可方便的同外 封闭的系统，与其它设备的连接非常有限 设、网络及其它应用连接 软件是关键部分硬件是关键部分 价格低廉，可重复使用价格昂贵 基于软件体系的结构，大大节省开发维护 开发维护费用高 费用 技术更新快( 卜2 年)技术更新慢( 5 - 1 0 年) 由表1 1 中可见，传统仪器与虚拟仪器最重要的区别在于：虚拟仪器的功能可由用 户使用时自己定义，而传统仪器的功能是由厂商定义好的。而且虚拟仪器适应了现代化 生产和科学研究中对仪器的多品种、高精度、功能强、自动化程度高、实时性好、具有 良好的人机界面的应用要求，代表着发展最新方向。 虚拟仪器技术经过十余年的发展，正沿着总线与驱动程序的标准化、硬件软件的模 块化，以及编程平台的图形化和硬件模块的即插即用( p l u g & p l a y ) 化等方向发展。现 在，虚拟仪器技术在发达国家的应用己非常普及，而我国基本上还处于传统测试仪器与 计算机相互分离的状态。因此，尽快掌握和运用这一新技术，才能够紧跟时代的步伐， 提高自动测试系统的技术水平。 1 3 论文研究的主要内容 本课题研究的主要内容就是在以钢铁厂的工业控制现场测试为实际背景，以虚拟仪 器软件平台l a b v i e w 和n i 公司具有p c m c i a 接口的数据采集卡以及笔记本计算机为基础， 设计一套适合于便携测试的包括编码器在线检测仪、高速数据流盘、多通道数据记录仪、 高速数据复现仪( 对存储数据的回放) 和动态信号分析仪在内的虚拟仪器系统；根据实 际要求探讨l a b v i e w 软件包的使用方法与编程方式，用软件实现设计所要求的相应功能： 通过自制在线编码器和调理电路，利用n i 公司具有p c m c i a 接口数的据采集卡d a q c a r d - - 6 0 6 2 e 和笔记本电脑硬件等设备，实现能用于实际生产的虚拟测试系统。 虚拟测试系统研制的主要内容包括： ( 1 ) 编码器在线测试系统的研制。光电编码器是一种角度( 角速度) 检测装置，它将轴 的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量。编码器在线测试系统 南京理工大学硕士学位论文基于p c m c i a 卡的现场虚拟测试系统 可以迅速、准确地判断光电编码器是否损坏，这是控制现场提出的一项要求。编码 器在线检测系统可以对运行中的光电编码器进行快捷的测量，对于输出脉冲数偏离 标称值的光电编码器，可将实际每转输出脉冲数直接进行显示，并予以报警。此外， 本检测仪还具有测频功能，通过测量编码器的输出频率，也可以监测电机的运行速 度。 ( 2 ) 高速数据流盘和多通道数据记录系统，可以同时进行多通道的数据采集，并可以将 采集后的数据存入磁盘中，并且当存盘文件达到设定容量后可以自动存入下一文 件。 ( 3 ) 高速数据复现系统，可将存储后的数据像磁带记录仪一样回放，重新进行分析处理。 ( 4 ) 动态信号分析系统，可以同时进行两通道的数据采集，并且实时将采集数据分别以 时域和频域显示；此外也可将信号进行滤波和加窗处理，数据采集后可进行f f t 、 自相关分析等处理。 1 4 论文的内容安排 以下各章研究的主要内容如下： 第二章：虚拟仪器测试系统的结构。首先分析国际上较为先进的虚拟仪器体系结构， 然后根据实际需求选用基于p c 的插入式数据采集式虚拟仪器体系结构，并给出系统的初 步设计方案。 第三章：硬件设计。硬件设计包括信号调理电路和数据采集号两部分，其中信号调 理电路是虚拟仪器测试系统的重要组成部分，本章主要讨论光电编码器信号、模拟信号 以及数字信号的信号调理电路要求，根据这些要求，设计满足虚拟仪器测试系统要求的 调理电路箱，重点讨论光电编码器和模拟调理电路的设计。并且初步分析了多功能数据 采集卡d a q c a r d - - 6 0 6 2 e 的性能和结构。 第四章：软件设计。主要讨论虚拟仪器的软件层次结构以及各个功能的实现方法。 其中主要包括编码器在线测试，信号采集、处理、存储、回放以及显示等功能的软件实 现方法。 第五章：测试结果及结论。给出测试仪的各个功能的实验结果，并给出测试仪的实 验结论。 第六章：展望。对本测试仪今后的工作提出新的要求并展望虚拟仪器的发展。 南京理工大学硕士学位论文基于p c m c l a 卡的现场虚拟测试系统 2 虚拟仪器测试仪器系统的结构 2 1 基于虚拟仪器测试系统的体系结构 虚拟仪器技术的最大特点是“软件就是仪器”的全新观念，它打破了传统钡4 试仪器 由厂家定义，用户无法改变的模式。虚拟仪器将传统仪器的三大功能( 如图1 2 1 ) 全 部放在计算机上来实现，即可在计算机内插入数据采集卡或外置数据采集盒，经数据采 集卡上的a d 或d a 变换器，用软件对其采集进来的信号进行分析与处理，并在计算机 屏幕上生成仪器面板，完成仪器的控制和显示，最终实现传统测试仪器的所有功能。 数据采集与控制硬件 叫d a q 产品卜+ + _ 一g p i b 仪器卜叫 l 计算机或工作站卜_ 工业过程或 测试单元 1 7 i1n 自日j 1 7 h i 串口产品k - + 图2 1 1 虚拟仪器系统组成 虚拟仪器通常由硬件设备与接口、设备驱动软件、测试功能软件和可视化虚拟仪器 面板等组成，虚拟仪器测试系统的构成框图如图2 1 1 所示。其中，硬件设备与接口可 以是各种以p c 总线为基础的内置数据采集卡( p c d a q ) 、通用接口总线( 如g p i b ) 接 口卡、串行口、v x i 总线仪器、p x i 总线仪器等设备，或者是其它各种可程控的外置测试 设备。设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的i o 驱动程序，虚拟仪器通过底层设备 驱动软件与真实的仪器模块系统进行通讯，并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显 示与真实仪器面板操作元素相对应的各种控件。在这些控件中集成了对应仪器的程控信 息，所以用户用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样真实与方便。 2 2 常见的瘟拟仪器测试系统分析 构建基于计算机的虚拟仪器测试系统，需要有相应的硬件来支持。虚拟仪器的硬件 一般分为基础硬件平台和仪器硬件设备。基础硬件平台目前可以选择各种类型的计算机； 南京理工大学硕士学位论文 基于p c m c i a 卡的现场虚拟测试系统 而仪器硬件设备则主要包括各种计算机内置插卡和外置测试设备等。根据所用仪器硬件 的不同，虚拟仪器可分为g p i b ( i e e e 4 8 8 ) 总线式、以计算机数据采集卡和信号调理为 仪器硬件而组成的p c 总线式、v x i 总线式、p x i 总线式、并行总线式、串行总线式、现 场总线式等不同的硬件体系结构。目前虚拟仪器的发展主流是g p i b 、p c d a q 、v x i 和 p x i 四种标准体系结构o “”1 。 ( 1 ) g p i b 总线方式的虚拟仪器测试系统 g p i b 技术是i e e e 4 8 8 标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量由独立 的单台手工操作向大规模自动测试系统发展。典型的g p i b 系统由一台p c 机、一块g p i b 接口卡和若干台g p i b 形式的仪器通过g p i b 电缆连接而成。在标准配置情况下，一块g p i b 接口卡可带多达1 4 台的仪器，电缆长度可达2 0 m 。g p i b 技术可用计算机实现对仪器的操 作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很方便地把多台仪器组合起来，形成大的自 动测试系统。g p i b 测试系统的结构和命令简单，主要市场在台式仪器市场。但是它与p c 机相连需要专用接口以及g p i b 仪器，结构复杂，传递速率较低，逐渐被其他形式的仪器 所代替。g p i b 测试系统适合于精确度要求高，但不要求对计算机进行高速数据传输的应 用，成本也较高。 ( 2 ) p c 总线式的虚拟仪器测试系统 这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件，完成测试任务。它充分 利用计算机的总线、系统内存、机箱、电源以及软件的便利，大大增加了测试系统的灵 活性和扩展性。具有良好的开放式软、硬件平台。其接口总线简化了系统构成，使得系 统扩充j 变更更容易，构建测试系统更灵活，系统的总体性能优于g p i b 。并且随着a d 转换技术、仪器放大技术、抗混叠滤波技术与信号调理技术的迅速发展。测试系统的采 样速率最高已达到1 g b s ，精度更高达2 4 位，通道数高达6 4 个，并能任意结合数字i 0 、 模拟i 0 、计数器定时器等通道。仪器厂家生产了大量的测试功能模块可供用户选择， 如示波器、数字万用表、串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等。在p c 计算机上挂接若干测试功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有若干功能的p c 仪器。但这种方式受p c 机机箱和总线限制，且存在电源功率不足、机箱内部的噪声电平 较高、机箱内无屏蔽等缺点。由于插卡式仪器价格最便宜，性价比比较高，灵活性较好， 个人计算机数量非常庞大，因此其用途广泛，在国内势必迅速发展。本课题采用的也正 是这种方案，即在笔记本计算机内插入一块p c m c i a 数据采集卡，进行信号的采集，通过 软件控制采集、存储、运算分析、显示结果等系列功能，可根据需要对软件进行增加 或改进，以满足不同的需要。 南京理工大学硕士学位论文基于p c m c i a 卡的现场虚拟测试系统 ( 3 ) v x i 总线式的虚拟仪器测试系统 v x i 总线是高速计算机总线v m e 在仪器领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的 冷却能力和严格的r f i e m i 屏蔽。由于它的标推开放，且具有结构紧凑、数据吞吐能力 强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应 用。经过l o 多年的发展，v x i 系统的组建和使用越来越方便，有其他仪器无法比拟的优 势，尤其适用于组建大、中规模自动测试系统以及对速度、精度要求高的场合。然而， 组建v x i 总线要求有机箱、零槽管理器以及嵌入式控制器，造价比较高，硬件设计复杂， 面市的品种也较少。 ( 4 ) p x l 总线式的虚拟仪器测试系统 p x i 总线方式是在p c i 总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，所增 加的多板同步触发总线的参考时钟，适合于精确定时的星形触发总线，以便用于相邻模 块的高速通信的局部总线。p x i 有高度的可扩展性，它有8 个扩展槽，而台式p c i 系统 只有3 4 个扩展槽，通过使用p c i p c i 桥接器，可扩展到2 5 6 个扩展槽，但成本比较 高，硬件设计复杂。 由以上分析可知，g p i b 方式控制的虚拟仪器主要针对单一的专用仪器，数据传输速 度有限，通用性不强。基于p x i 总线的虚拟仪器测试系统由于电磁兼容性能及冷却性能 的改善和它的模块式结构，使它可用在一般要求的测试系统场合和系统总价格有所限制 的测试系统中。而基于v x i 总线的虚拟仪器测试系统具有良好的性能，可用于测试系统， 但由于价格昂贵，主要应用于尖端测试领域，特别适合于高速大数据量测试系统、宽频 带测试系统和军用自动化测试中。而由数据采集卡构成的虚拟仪器通常适用于一般的教 学实验、实验室常规测试和低频低速的过程测控系统中，其性能价格比较高，设计手段 灵活，通用性强，应用前景广阔。本次课题是为钢铁厂现场的使用而设计的，从性价比 和灵活性考虑，采用p c 插入式数据采集卡( p c d a q ) 硬件体系结构，构建模块化、开 放式的高性能虚拟仪器测试系统。 2 3p c d a q 式虚拟仪器测试系统结构 当今，已有大量的科技和工程人员对计算机进行总线扩展，以便将其用于工业测量、 测试、控制和实验室研究中。这些都要用到基于计算机的数据采集技术，再加上适当的 软件，就可以构成价格低廉、灵活性较好的虚拟仪器测试系统。一个p c d a q 式虚拟测 试系统的基本任务就是测量和处理现实世界的物理信号。典型的虚拟仪器测试系统的结 构如图2 3 1 所示，主要由传感器、信号调理、数据采集( d a q ) 硬件、个人计算机、软 1 0 南京理工大学硕士学位论文基于p c m c i a 卡的现场虚拟测试系统 件等基本要素构成“。 被测单元主要是指传感器。而传感器是把物理信号转换成电信号( 电压或电流) 的装 置，例如热电偶( 温度电压) 、r t d ( 温度电阻) 、应变片( 拉或压力应变( 电流或 电压) ) 。信号调理能够对微弱信号进行放大、滤波、隔离等处理，以便更精确和更安 全地测量，同时它还能够激励某些传感器并线性化其信号。当输入信号被适当调理后， 即可输给插入式数据采集卡进行数字化( a d c ) ，同时它也能产生控制信号。数据采集卡 的程序设计依靠驱动软件进行了简化和易于移植，因而用户能够用传统的编程语言和应 用软件开发工具来设计虚拟仪器面板和测试程序。当然，计算机的性能决定了整个过程 的速度。在实时系统中，需要高速的处理器和协处理器，或插入式辅助处理器，如d s p 芯片。在某些场合，一台计算机也能实现要求。 图2 3 1 典型的虚拟测试系统结构 2 。3 1 数据采集系统信号分类 在对数据采集系统功能模块进行分析设计之前，下面先对信号进行归类。归类的标 准基于信号传递中有用信息的类型。从大的来讲，可以把信号分成模拟信号和数字信号 南京理工大学硕士学位论文 基于p c m c i a 卡的现场虚拟测试系统 两类。它们对应的主要信号信息有：状态、变化率、幅值、形状、频率。通过不同的信 号调理电路，可把以上几种信号信息传送到计算机中，进行处理与显示。 2 3 2 虚拟仪器系统各部分的作用 要从一个基于计算机的虚拟仪器系统得到合理的结果，完成测试，就必须要依赖于 系统的每一个组成部分，即计算机、传感器、信号调理、数据采集卡和虚拟仪器软件o “。 ( 1 ) 传感器 ， 传感器是把物理量换成电信号的装置。在本研究所关注的钢铁行业中，热电偶、热 敏电阻和集成电路温度传感器等是将温度转变成电压和电阻等物理量的常用器件。又有 应变片、流量传感器等将压力、流速转换成电信号的其他传感器。对于每种传感器，电 信号的大小都与被监测的物理量参数成比例。选用不同的传感器，可以完成对不同物理 量的测试。一些传感器，像热电偶等，由于精度较低，信号也微弱，因而常常需要对其 进行调理和校正才可能得出精确的测试结果。 ( 2 ) 信号调理 从传感器输出的信号一般必须经过信号调理才能够有效地进行数据采集，常见的信 号调理包括放大、滤波、隔离、传感器激励、线性化等。 a ) 放大 根据采集系统的量程对微弱信号要进行放大( 通常使调理后信号的最大电压值和 a d c 的最大输入值相等) ，这样可以提高分辨率，从而可以提高测试精度。信号调理的 前端系统有几种放大模式，最常见的有通用集成放大器、仪表放大器、隔离放大器和程 控放大器等。 b ) 滤被 滤波可以消除噪声信号。对于常见的测试系统，混入的一般为高频噪声，所以测试 系统中，一般采用低通滤波器，用于直流、低频交流信号的调理。通过设计适当的截止 频率，就可以消除由于高频信号在采集过程中所引起的频率混叠效应产生的干扰。 c ) 隔离 隔离也是信号调理中的一种。它在有些应用中十分重要。一方面，从安全的角度看， 把传感器信号同计算机测试系统的前端隔离，可以免除因为被监测系统可能产生瞬时高 电压而损坏整个测试系统：另一个方面，隔离可以消除数据采集卡出来的信号受地电位 和输出模式的影响。当输入数据采集卡的信号与原始的信号不共地时，可能产生较大误 差甚至损坏系统，而用隔离办法就能保证信号准确。 南京理工大学硕士学位论文基于p c m c i a 卡的现场虚拟测试系统 d ) 激励 信号调理也能够为某些传感器提供工作电流或电压。电阻温度计( r t d ) 需要电流将 电阻变化反映出来，而应变片需要一个完备的桥式电路及电源。很多设备都提供电流源 和电压源以便使用这些传感器。 e ) 线性化 很多传感器对被测量的物理量都有非线性响应，因而需要对传感器输出信号进行线 性化。可以在驱动程序和一些应用软件中对信号进行线性化处理。 ( 3 ) 数据采集卡 数据采集卡是虚拟仪器的重要组成部分，主要完成模拟量到数字量的转换，以及数 据到计算机的传送。数据采集卡与众多因素相关。 a ) 采样频率 采样频率高，就能在一定时间获得更多的原始信号信息。为了再现原始信号，必须 有足够高的采样频率。如果信号变化比数据采集卡的数字化要快，或者采样频率太低， 就会产生波形失真( 如图2 3 2 所示) 。根据奈奎斯特理论，采样频率至少是信号最高 频率的两倍，才不至于产生波形失真。 合适的采样频率 小台适的采午羊颠翠 图2 + 3 2 采样频率与信号 b ) 采样方法 要从几个通道得到数据，通常使用多路开关把每个信号端连接到模数转换器( 缩写 a d c ) 。采用连续扫描方法，要比给每个通道一个放大器和a d c 要经济得多，但这仅适用 于对采样同步性要求不是很严格的场合。如果采样点同步性要求严格，则必须同时采集。 对于低频信号，可以用间隔扫描办法来产生同时采样的效果，而不必增加采样保持电路。 南京理工大学硕士学位论文基于p c m c l a 卡的现场虚拟测试系统 这种方法以一定时间间隔扫描输入通道，用脉冲来计算各通道两次被扫描的时间间隔。 c ) 分辨率 a d c 的位数越多，分辨率就越高，可区分的最低有效位( l s b ) 就越小( l s b = v ，2 “， v ，为输入满量程值) 。例如，三位转换把模拟电压范围分成2 3 段，每段用二进制代码在 0 0 0 到1 l l 之间表示。因而，数字信号并不能真实地反映原始信号，因为一部分信息被 漏掉了。如果增加到1 6 位，代码数从8 增加到6 5 5 3 6 ，这样就可以较精确地反映原始信 号的数字信息。 d ) 电压范围和输入灵敏度 电压范围指a d c 所能扫描到的最高和最低电压。一般情况下，由于a d c 板的电压范 围可调，所以可将信号电压范围调到与数据采集卡相配以便充分利用其可靠的分辨率范 围。信号电压范围、放大增益、分辨率决定了可分辨的最小电压变化，它表示1 l s b 。例 如，数据采集卡的分辨率为1 2 位，电压范围取o 一1 0 v ，增益取1 0 0 ，则有1 l s b = 1 0 v 2 1 2 = 2 4 m y 。这样，在数字化过程中，对输入信号的分辨率为2 4 m y 。 2 3 3 虚拟仪器测试系统的软件组成 没有软件，特剐是没有好的软件，数据采集系统硬件不可能发挥很大的作用，更谈 不上构建虚拟仪器测试系统”“”。 ( 1 ) 驱动软件 数据采集系统一个主要方面是驱动软件的使用。驱动软件是直接对数据采集硬件进 行操作的软件层，管理着系统硬件的操作以及和计算机资源的组合，比如c p u 中断、d m a 传送、存储器等。驱动软件在保持高性能、提供给用户易于理