（精密仪器及机械专业论文）多路多类传感器分时同步采样控制技术研究.pdf

多路多类传感器分时同步采样控制技术研究 摘要 本论文为国防军工“十五”重点项目“大直径多滚压轮高精度测量方法研究” 的一部分。该项目研究的高精度滚轮法测量系统用于大轴直径和圆度误差的测量。 为提高滚轮法测量精度，满足高精度测量要求，必须对影响测量精度的误差因素进 行修正，本课题采用多滚压轮进行冗余测量并利用误差修正技术提高测量精度。 在整个测量系统中，传感器种类和数量都比较多，控制和采样要求也比较复杂。 文中详细介绍了在不使用二次仪表的前提下，基于虚拟仪器技术的大直径高精度测 量系统的集成方法；在软硬件方面采取了许多有效的优化和控制措施，减小传感器 数据采样的启停时刻对测量精度的影响，满足了各传感器分时和同步采样的要求； 依据现代编程思想完成了测控系统软件的编制过程；在文章的最后，给出了部分传 感器的标定数据并通过实验证明了基于虚拟仪器编制大直径高精度测量系统数据 采集，控制软件的可行性和软件运行的可靠性。 关键词：滚轮法虚拟仪器多传感器测量同步采样控制 r e s e a r c ho nt i m e s h a r i n ga n ds y n c h r o n o u sc o n t r o l l i n g t e c h n i q u eo f m u l t i - s e n s o r s a b s t r a c t t h ep a p e ri sap a r to ft h ek e yi t e m ：世1 cr e s e a r c ho fh i g ha c c u r a t el a r g ed i a m e t e r m e a s u r e m e n ts y s t e mb yu s i n gm u l t i - r o l l i n gw h e e l s n em 蚨a c c u r a c ym e a s u r e l x l e r l t s y s t e mb ym u l t i - r o u i n gm e t h o dc a l lb e u s e dt om e a s u r et h ed i a m e t e ra n dr o u n d n e s se l t o r o f m el a r g ed i a m e t e r t oi m p r o v et h ea c c u r a c yo f t h em e a s u r e m e n t ，t h es y s t e ma d o p 协t h e t e c h n i q u eo fr e d u n d a n c y , a n d1 t l e a s l , l r es i g n a l sw h i c ha f f e c tt h ea c c u r a c yb ym u l t i - k i n d s e n s o r s r h ep a p e ri n t r o d u c e dt h eb u i l d - u po fh i g ha c c u r a c yl a r g ed i a m e t e rm e a s u r e m e n t s y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n ti nd e t a i lw i t h o u tu s i n ga n ys e c o n d a r ym e t e gd u r i n g s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n ，t h es y s t e ma d o p t sm a n ye f f e c t i v em e t h o d st or e d u c et h e i n f l u e n c ea ts t a r t - u p h a l tt i m e ；码ep a p e ra c c o m p l i s h e dt h es o f t w a r eo fm e a s u r e m e n t s y s t e ma c c o r d i n gt om o d e mp m l g a m i d e a i nt h el a s tp a r to f t h i sp a p e r , p a r t i a ls e 黼r s d e m a r c a t e dd a t ai s p r o v i d e d ，a n dp r o v e d t h ef e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fd a t a a c q u i s i t i o n c o n t r o ls o f o n a r ew h i c hp r o g r a m m e db yv i r h l a li n s t r u m e n t 。 k e yw o r d s ：r o l l i n g - w h e e lm e t h o d ，v i r t u a li r t s t r t t m e n t , m u l t i - s e n s o rm e a s u r e m e n t , s y n c h r o n o u ss a m p l i n gc o n t r o l 插图清单 图2 - 1 单滚轮法测量原理 图2 - 2 多滚压轮大轴直径测量系统示意图 图3 1a d 6 2 0 放大电路接线图 图3 2 电感处理单元原理框图 图3 3 热电阻传感器粘贴示意图 图3 - 4 连续信号和采样信号比较 图3 5 数据采集控制电路功能图 图3 - 6 数据采集控制电路原理图 图3 7 参考单端测试方式 图4 1 压力信号测试 图4 2已建立的虚拟通道 图4 - 3 标度设置窗口 图4 - 4 压力采集程序前面板 图4 5 压力采集程序后面板 图4 - 6计数器工作流程图 图4 7光电开关信号采集框图程序 图4 罐温度传感器数据采集模块前面板 图4 - 9 信号采样控制示意图 图4 1 0 数据采集系统的软件流程图 图4 。l l 全局变量实现模块通信 图4 1 2 利用通告实现数据通信 图4 1 3 数据采集控制模块总体结构图 图4 1 4 大直径测量系统软件的前面板 图5 - 1 压力测量装置标定原理 图5 2 压力测量数据拟合曲线 图5 3 压力数据记录曲线 图5 4 傅立叶变换程序后面板 图5 5 压力传感器信号频谱图 图5 - 6 光栅转角测量模块实验结果 o 0 0 ，n m m m甜扒砣幻拐巧拍”勰凹”弛甜甜帖郇拍 表4 - 1 表4 2 表4 3 表4 4 表5 - 1 表5 - 2 表5 - 3 表格清单 全局变量方式得到的大轴转角数据( 单位：度) n o t i f i e f 节点功能说明 通告方式得到的大轴转角数据( 单位：度) 模块详细配置说明 温度传感器数据( 恒温箱温度设定为5 0 。c ) 温度传感器数据( 恒温箱温度设定为3 0 。c ) 压力传感器标定数据 3 1 3 2 3 4 3 8 4 0 4 1 4 2 独创性声明 本人声明所早交的学位论文是本人在导师指导r 进行的研究i ：作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特z , i d h 以标注羽i 致谢的地方外，论文中不包禽其他人已经发表或撰1 丐 过的研究成果，也不包含为获得盒a 幽二些厶堂 或其他教育机构的学何或证h 而使 刖过的材料。与我一同一r 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作- r 明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名 刮吗兰 签字日期：如蟛年占月c 7 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒墅= j ：些盘堂有关保留、使川学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复f n 4 i ：和磁盘，允许论文被卉n r l 借阅。本人授权尘 肥上业人学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，可以采削影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论克。 ( 保密的学位论文在解密后适 _ 本授权m 学位论文作者签名 刮甥昱 一 签字扫蝴：如o l ，年6 月一目 学位论文作者毕业后去向 j ：作单位： 通讯地址： 导师签名 签字h 期：五嬲锌扫月f 口 电话 | | l | j 编 致谢 本论文是在我的导师余晓芬教授的悉心指导下完成的。无论是论文的选题、硬 件和软件的设计、试验设计，还是论文的撰写等等，余晓芬教授都给予我细致的帮 助和指导，解答了大量的疑难问题，倾注了许多心血。余晓芬教授不仅是我的导师， 更是一个时时刻刻都在关心我的长辈。余老师渊博的知识、严谨的治学态度、务实 的作风和积极的精神时刻都影响着我，使我终生受益。在此，我要衷心感谢我的导 师余晓芬教授，感谢余老师对我的教育和培养。 在课题研究阶段，我还得到了仪器科学与光电工程学院许多其他老师的支持， 以及王标、平庆杰、赵燕和黄亮等同学的帮助，他们良好的学习态度，积极进取的 的精神给我提供留下了深刻的印象，在此表示衷心的感访 。 同时，我要衷心感谢的是我的父亲刘光福、我的母亲黄歆，没有他们的支持和 关爱，我不可能圆满的完成学业。 谨以此论文献给所有关心、帮助、爱护我的家人、同学、老师和我的朋友! 刘安生 2 0 0 6 年6 月 第一章绪论 1 1 研究目的与意义 随着机械加工技术的发展，加工的大型零部件的空间尺寸越来越大，形状 和安装精度也越来越高，因此对测量技术也提出越来越高的要求，而大外径绝 对尺寸的精密测量一直是大尺寸测量中的一个难题。如三峡水电站7 0 w 千瓦发 电机组主轴对接止口尺寸均在巾3 0 0 0 m m 以上，而要求的制造公差为i t 6 加工精 度，用传统的大型千分尺测量既费时又达不到精度要求。大型关键零件的尺寸 精度是保证重大技术装备制造质量的一个重要因素，因此如何采用高精度的在 线检测技术来保证大型轴、孔类零件的尺寸精度是我国航空航天制造业、造船、 军工及大型机电设备加工业等行业面临的一个技术难题，也是国内外都未能很 好解决i i 狈, i 量难题【l j 。 长期以来，国内外学者对大直径测量做了大量研究，尝试的方法也达十几 种，可分为直径法、半径法、三点法、标记法、滚轮法等，并取得了许多研究 成果 2 】【3 1 。在大直径测量方法中，滚轮法是一种应用较广、技术上较成熟的方法。 该方法装置简单，装调简便，测量数据自动处理，测量效率很高。然而传统滚 轮法采用单滚压轮测量大轴的直径，易受打滑、滚轮受压变形以及温度误差的 影响，不能满足高精度测量要求【4 】。本课题要求大直径的测量误差不能超过 5 o n m ，这是目前所见报道中大直径在线测量方法和在线测量仪器均未达到的 精度。为了提高滚轮法测量精度，满足高精度测量要求，必须对影响测量精度 的误差因素进行修正，本课题采用多滚压轮进行冗余测量并利用误差修正技术 提高测量精度，即通过三个滚轮的冗余测量，识别并剔除“打滑”信号，同时 采用多传感器对被测工件的温度、滚轮工作压力等信息进行实时测量，继而通 过实验确定的数学模型，对主要测量误差进行实时修正，使其同时满足高精度、 高效率及在线测量的要求。 在此多传感器测量系统中，传感器的种类和数目比较多，如果为每种类型 传感器都配备相应的二次仪表，不仅会使系统结构变得相当臃肿，而且无法对 所有二次仪表进行统一的控制。因此，本系统需要在不使用二次仪表的前提下 把多传感器集成到一个测量控制系统中。这样，如何正确的获取来自传感器的 信息，如何对数据采集施以有序的控制，如何为系统设计运行可靠的软件等都 是课题中必须解决的问题，即需要对大直径测量系统的信号智能化采样及控制 方法进行研究。 1 2 测量智能化技术的发展现状 随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成度越来越高，已经可以 在一块芯片上同时集成c p u 、存储器、定时计数器、并行和串行接口、a d ， d a 等单元电路，这种超大规模集成电路的代表为单片机。它的出现，引起了 传统仪器仪表结构的根本性变革，单片机为主体取代了传统的仪器仪表测量电 子线路，将计算机技术与测量控制技术结合起来，组成新一代的“智能测量控 制系统”。智能测量控制系统目前主要有以下三种形式： 一、独立式仪器智能测量系统 独立式仪器在结构上自成一体，自身带有微处理器，能独立完成测量和控 制任务。有些仪器还配有通信接口，g p i b 是国际电工协会于1 9 7 8 年推荐的一 种仪器标准结构总线，已被普遍采用，带有g p i b 接口的仪器和计算机，可以 通过电缆进行互连，组成自动测试及数据采集控制系统，以完成较复杂的测试 任务。但这种类型仪器的功能是在出厂前就设定好的，软件也被预先固化在只 读存储器中，功能比较单一，只能满足特定的测试任务，用户一般没有进行二 次开发的空间。 二、模块式及v x i 仪器智能测量系统 模块式仪器是在智能仪器的基础上，伴随着个人计算机的普及而登上电子 测量舞台的。它是将原智能仪器中的测量部分配上相应的接口电路制成板卡， 插入到p c 的总线插槽或扩展箱内，而原智能仪器所需的键盘，显示器以及部分 存储器等均使用p c 上的资源。 模块式仪器系统是由不同功能的仪器板卡、插卡箱和p c 机构成的自动测 试系统，它充分的利用了p c 机的软件和硬件资源，相对于独立式智能仪器和由 智能仪器通过g p i b 总线互连构成的系统来说，极大地降低了成本。早期的模 块式仪器及系统存在两方面的缺陷：其一由于各仪器板卡均利用p c 内部总线， 数据传输受到p c 机内信号的严重干扰，各仪器板卡也无法同步和传递模拟信 号；其二是早期的个人仪器通常不含微处理器，各仪器的控制和处理工作由p c 机来处理，使得个人仪器的工作速度不高。 为了克服以上两个缺陷，h p 等五家仪器公司联合提出了适用于模块式仪器 系统的v x i 标准，v x i 标准的问世使测试仪器系统进入了一个划时代的新阶段。 v x i 结构是开放型的，它允许不同厂家生产的符合该标准的仪器可以在同一机 箱内工作。v x i 是面向模块结构的仪器总线，比g p i b 有了较大的进步，其地 址和数据线均可高达3 2 位，数据传输率高达4 0 m b s ，此外还定义了多种控制 线、中断线、触发线、识别线、模拟信号线等。可见v x i 总线仪器集中了智能 仪器、模块式仪器和g p i b 系统的许多优点，并具有方便灵活、标准化程度高、 可扩展性好、能充分发挥计算机效能以及便于构成虚拟仪器的许多优点，因此 获得了迅速的发展和推广。 三、虚拟仪器智能测量系统 在新一代的仪器系统中，计算机软件和测试仪器结合更加紧密，传统仪器 的许多硬件乃至整个仪器被计算机软件所替代，借助于计算机的运算能力，在 2 软件的配合下即可实现多种仪器功能， 以实现数字多用表、数字存储示波器、 完成的功能。 如利用一块a d 卡配合相应的软件即可 数据采集卡等许多传统仪器用硬件才能 此外，用户希望对仪器本身的技术问题关注尽量少，而将更多的精力转向 所要解决的测试问题，由此来缩短系统的开发时间。为了满足用户要求，近年 来许多公司已开发了大型软件包，其中基于图形设计的用户接口和集成化软件 开发环境是发展趋势，最有代表性的软件产品是n i 公司的l a b v i e w 和h p 公 司的v e e 等。这些软件包既可以管理v x i 仪器，还可以管理g p i b 仪器和r s 一2 3 2 仪器等，软件包带有各厂家生产的各类仪器驱动程序和软面板，同时提供上百 种数字f f t 分析、数字滤波、回归分析、统计分析等信号处理功能，只要测试 人员调出代表仪器的图标，输入相关的条件和参数，并按照测试流程将相关模 块连接起来，就完成了全部设计工作。这种与p c 结合构成的，包含实际仪器使 用与操作信息软件的仪器，被称为“虚拟仪器”。虚拟仪器彻底突破了过去仪器 功能只能由厂家定义而用户无法按自己意愿改变的传统模式。 可以肯定，今后测试界的巨大变化将发生在新器件的应用和软件设计方面， 测量和控制技术正沿着总线与驱动程序标准化，硬软件的模块化和编程平台的 图形化和硬件模块的即插即用化方向发展，“虚拟仪器”将是未来仪器的发展方 向。 本学位论文应用了近十年来测量系统智能化领域中的部分新技术，尤其在 开展研究工作时应用了许多“虚拟仪器”的关键技术。 1 3 本论文主要研究内容 本学位论文的研究工作来源于国防军工计量“十五”计划重点科研项目“大 直径多滚压轮高准确度测量方法研究”，重点研究多路多类传感器测控系统的集 成技术。 本课题的研究工作主要包括以下几方面： ( 1 ) 在不使用二次仪表的前提下，研究多路多类传感器数据采集和控制系统 的集成方法； ( 2 ) 根据采样原理及精度要求，确定各类传感器合理的采样频率，研究高精 度的分时控制技术； ( 3 ) 编写大直径测量系统的测量控制软件，具有传感器信号数据采集、存储、 转换、测量睦线显示等功能，并且要求软件运行可靠； ( 4 ) 对系统中使用的各类传感器进行标定，并通过实验验证大直径测量系统 软件的可行性和可靠性。 第二章大轴测量方案及系统精度分配 2 1 高精度滚轮法大直径测量系统的原理 滚轮法测量大直径是一种应用较广、技术上较成熟的方法。传统的单滚压 轮测量大轴是通过光电传感器测出大轴的转数n ( 取整数) ，并通过圆光栅传感 器测出与大轴作无滑动滚动的标准滚轮的转数n ( 为非整数) ，由式2 - 1 求得被 测大轴轴径d ： d ：= d h n ( 2 1 ) 式中d 为标准滚轮的直径，由高精度仪器精确标定。 图2 - 1 单滚轮法测量原理 单滚压轮法测量受打滑、滚轮受压变形以及温度引起的大轴直径热变形误 差的影响，测量精度达不到高准确度的水平。为满足重要工程中对大型零件的 高精度在线测量要求，需要将现有的0 0 2 0 0 3 m m m 的测量不确定度f 测量直 径大于l m 的轴径) 提高到o 0 0 5 m r r g m 以上。改进后的测量系统如图2 - 2 所示。 圈2 - 2 多滚压轮大轴直径n n _ 装置示意图 新研制的测量装置采用了三个测量头对被测工件进行测量，每个测量头都 安装了一个经过标定的直径相同的滚轮头，每个滚轮头又同轴安装有一个直径 相同的圆光栅，通过三路光栅的测量信号，能够识别出“打滑”现象的发生。 为减少“打滑”现象的发生，需要在滚轮和被测大轴之间施加一定的测量 力，所施加的测量力会使滚轮产生变形，因此系统在每个测量头内都置有一测 力传感器，用来测量滚轮和被测大轴间的接触压力，根据标定实验得到的接触 压力大小与滚轮直径变化间关系的数学模型，可修正滚轮受力变形产生的测量 误差。 测量装置还具有测量大轴圆度误差的功能。圆度通过安装在滚轮一侧的电 感位移传感器测得，因大轴圆度误差测量受大轴支承径向跳动的影响很大，所 以系统采用了多传感器法，通过对三个电感位移传感器测量信号的正确融合， 能分离出大轴支承径向跳动误差，实现大轴圆度误差的高精度测量。 此外，温度对测量精度的影响也不可忽略，系统采用多个温度传感器测量 被测大轴和滚轮的温度值，根据预先建立的数学模型修正因受热变形产生的测量 误差。 在采集以上传感器信号时，测量装置中必须有一个公共信号来同时启动和 停止各路信号的采集，因此本系统借用测量大轴转数的光电开关信号作为总控 制信号来控制采集的启动和停止。 2 2 大直径测量系统的精度分配 2 2 1 直径测量的精度分配 项目任务书中技术的指标为：测量系统测量范围为：1 m ，m ；直径测量不 确定度：5 e m m 。 根据误差特性分析，滚轮直径d 对被测直径的误差传递系数最大，温度在 测量过程中也难以保持恒定，故定方案为：大轴转数的精度分配值点= + _ l a i n ； 滚轮转角伊的精度分配值d 23 十l f l r n ；大轴温度变形的精度分配值坑= 2 5 a n ； 滚轮直径d 的精度分配值文= _ + 4 u n ，总精度 i j i = 1 2 + 1 2 + 4 2 + 2 5 2 = 4 9 3 a d v a n c e 子模板 s y n c h r o n i z a t i o n - 子模板 n o t i f i e ro p e r a t i o n s 子模 教孛。下嚣对我翻编霉熬程序中繇霞麓蛩貔一些节熹作蔗单斡套缨： 表4 - 2n o t i f i e r 节点功能说明 0 b t a i n n o t i f i e r 。- 。：i ：? j ：舞：； i i ；i 。：i i l i l ：。n o ，。, 。j i m 。o 。u 。t 。， c r e a t e i fn o t f o 【t j 匕b o u i h o f n , u n n o d ?l _ 捌 e rr ote e r r o r 返翻一个n o t i f i e r 靛 r e f n u m ，其他的 n o t i f i e ro p e r a t i o n s 觜 点都必须使用这个 r e f n u m 。如果用户投 有在n a m e ( u n n a m e d ) 端嗣输入n o t i f i e r 的 名称，那么该节点会 创建一个新的但是没 寄名称静n o t i f i e r ，弗 返回这个n o t i f i e r 的 r e f n a m s e n d n o t i f i c a t i o n erronr：1“7獭noe r r o r 蓬e 触r r o r o u 鳅t f1 f 4 l j - p n o t i f i e r 哪o f ep r e v i o u s 黝 w a i to n t i m e o u t i ，n m s 1 e f r o rm 【n 0e f f o r l n o t i f i c a t i o n n o t i f i e ；o u t n o t i ! i c a t i o n l i m e do u 挣 err o r0 u i 向所有等待n o t i f i e r 静繁点发遴一个僖 息。所有难在等待 n o t i f i e r 懿w a i to n n o t i f i c a t i o n 和w a i t o nn o t i f i c a l i o nf r o m m u l t i p l e 节点此时会 停止等待势继续执静 等待，直到收到一个 信息时为止。当 n o t i f i e r 收到一个信 息时。这个节点继续 运行，可鞋使瑁s e n d 3 2 续上页 n o 蛞彝# l g n 。f ep r e v i c mf 秘 t i m e o u t i n i t 媾c - 1 l e l f orh 【n oerr o f 】 三、使用n o t i f i c a t i o n 技术传递数据 n o t i f i c a t i o n 节点来 发送信息。该节点在 技n o t i f i e r 中读出数 据之后，并不会掰| 除 n o t i f i e r 信息。在后面 的该节点或w no n n o 菇e t n o t i f i c a t i o nf r o m 繇0 a t ； t i m e d o u t ? m u l t i p l e 节点仍然可 以继续从n o t i f i e r 中 读出同样的信息，直 至l翻粥 s e n d n o t i f i c a t i o n 节点向该 n o t i f i e r 中发送一个 耨麴蓿息对为止 圈4 一1 2 利用通丧襄现数据通信 程序后面板如图4 1 2 所示，与4 一1 1 中所使用方法不同的地方在于模块 间通讯方式改为通告传送方式，先利用o b t a i nn o t i f i e r 获取一个通告，将通告信 息数据成员类型设置为整形，在光电开关信号检测模块中在得到光电开关的计 数值后用s e n dn o t i f i c a t i o n 函数将该值发送给大轴转角测量模块，注意第二个模 块中有一个c a l ll i b r a r yf u n c t i o n 结点，它的输入参数即是光电开关的计数值， 如果该参数大于0 ( 即光电开关信号发生跳变时) ，它便调用所链接的动态连接 库中的一个函数立即启动光栅计数卡，当光电开关的计数值大于l ( 即光电开关 第二个信号跳变到来时) ，停止w h i l e 循环，同时也就停止了光栅计数卡的工作。 利用此种方法得到的数据如表4 3 所示。 表4 3 通告方式得到的大轴转角数据 菇一组第二组第三组第四组第五组 第1 圈 2 3 82 2 7 4 32 3 8 2 3 0 4 92 3 8 2 3 3 9 22 3 82 3 l5 72 3 8 2 3 5 2 3 第2 圈 2 3 8 2 2 9 3 52 3 8 2 3 1 1 52 3 8 ，2 2 1 7 l2 3 8 2 31 6 42 3 8 2 3 1 2 1 第3 圈 2 3 8 2 2 8 8 72 3 82 2 9 9 72 3 8 2 2 3 8 32 3 82 3 13 52 3 8 ，2 3 1 2 3 第4 圈 2 3 8 2 2 8 2 92 3 8 ，2 3 0 5 22 3 82 2 6 0 12 3 82 3 1 1 l2 3 8 2 3 2 5 6 第5 圈 2 3 8 2 2 7 7 8 2 3 8 2 2 9 5 1 2 3 8 2 2 7 42 3 8 2 3 3 0 l2 3 8 2 3 3 9 9 第6 圈 2 3 8 2 3 0 0 82 3 8 2 3 0 1 82 3 8 2 2 5 6 42 3 82 3 1 7 32 3 8 2 3 2 7 8 第7 圈 2 3 8 2 2 8 2 6 2 3 8 2 2 9 5 92 3 8 2 2 4 1 52 3 82 3 13 l2 3 82 3 4 4 7 第8 圈 2 3 82 3 0 2 3 2 3 8 2 3 0 4 7 2 3 8 2 2 6 4 32 3 8 2 3 2 3l2 3 8 + 2 3 5 1 8 由误差方面的知识可以得出响应位置的标准差为7 4 3 角秒，大约为全局变 量方式的一半。 通过比较两种不同的模块间通信方式对系统启停时刻的影响，得出利用通 告方式传递数据对启动时刻的影响相对于全局变量方式要小的结论，究其原因 是因为当利用全局变量读取数据时l a b v i e w 会为全局变量存储的数据建立一 个副本，从程序几个不同位置读取全局变量时，程序就会建立几个不同的数据 缓冲区，使程序的执行变的缓慢一些，而且程序还需要用一个循环不断的检测 变量是否变化，大大浪费了系统c p u 的时间；而在通告方式中，通告以广播方 式发布，收到广播的程序都可以读取数据，不会因为需要读取数据的进程数增 加而影响程序性能，由此可以看出采用通告技术可以更方便的在几个不同的v i 之间或者同一个v i 中不同框图程序之间同步传送数据，这一点在数据采集中十 分有用。 4 3 3 用l a b v i e w 进行并行多任务编程 上面比较了两种不同的模块间通信方式的数据采集的启动和停止时刻的影 响，选取了一种较好的方法进行模块间的通信。但是在实际数据采集控制系统 运行过程中，由于各个模块在数据采集系统中所位于地位不相同，轻重缓急程 度也不一样。所以不应该按照平均分配的方式为每个模块分配相同的运行时间 和优先级别。对于只有一个处理器的电脑来说，任何时刻只能执行一个任务， 多任务是通过分时使用c p u 来实现的，本系统的p c 机使用的是w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统，采用一种叫做抢占式多任务的调度系统。这里操作系统处理多个任 务之间的切换和调度，不同的任务可以以不同的优先级的线程来执行，相同优 先级的线程能够公平地得到一个c p u 时间片，时间片的切换点是随机的，当一 个正在执行的线程用完它的时间片后，会被强制暂停以便让另一个就绪的线程 执行。以下将讨论如何合理分配各个模块的优先级别和运行系统，以求建立一 个合理的数据采集控制系绀2 7 1 。 4 3 3 1l a b v i e w 的执行系统 l a b v i e w 程序在支持多线程的操作系统上运行时，通常使用抢占式多任务 调度方案，当有限的线程被用光时，系统就使用协作式多任务调度方案。在单 线程操作系统上运行时，只能使用协作式多任务调度方案。 一、基本的执行系统 l a b v i e w 将v i 划分为六个优先级别，从低到高依次为b a c k g r o u n dp r i o r i t y 、 n o r m a lp r i o r i t y 、a b o v en o r m a lp r i o r i t y 、h i g hp r i o r i t y 、t i m ec r i t i c a l p r i o r i t y 、 s u b r o u t i n e ；每个优先级的每一v i 又分属于以下六个执行系统之一：u s e r i n t e r f a c e 、s t a n d a r d 、i n s t r u m e n ti 0 、d a t aa c q u i s i t i o n 、o t h e r1 、o t h e r2 ；可以在 v is e t u p 对话框中对每个v i 设定优先级和执行系统。 除了u s e ri n t e r f a c e 执行系统拥有一个线程外，其余的执行系统都拥有两个 线程。当一个特定优先级的执行系统中有两个v i 在执行时( 这两个v i 也可以 是一个总任务中的两个并行的子任务) ，一个v i 刚好对应于一个线程，此时， l a b v i e w 程序将以抢占式调度法调度这两个v i 地执行，当一个执行系统内有 三个以上v i 并行时，将会出现几个v i 共用两个线程的情况，这时系统将既用 抢占式多任务调无又用协作式多任务调度方案来调度这几个v i 的执行。在这 里要记住的是：1 ) 当有较高优先级的v i 执行时，低优先级的v i 是无法获得c p u 的；2 ) 相同优先级的不同执行系统的线程是平等的，取不同的名字只是为了划 分任务方便丽已。 二、v i 的r e e n t r a n te x e c u t i o n ( 可重入) 遥项 在v is e t u p 对话框中，你可以设定v l 考 l 行精静饶先级彝菰行系统，除穗之 外，还有一个重要的选项：r e e n t r a n te x e c u t i o n ( 可煎入) 选项。 当v i 被标记为不可重入时，如果有多个v i 同时调用它( s u bv 1 ) ，稍后调 熙翘v i 必须等委该s u b v l 魏 亍完毕才戆菇调曩它，逡翊魏雩亍系绞必麓该v | 壤 餐一套环境黛鲎，这对于鼹显示面板的s u bv i 是合联的，但对予多数不显示面 板而只进行数学运算的s u bv i 来说则会影响速度。巍然，s u bv i 被标记为可羹 入时，系统会对该v i 每一个调用分配一密环境变量，各个调用可以同时进行丽 不于援：当然，这襻熬v l 不戆显示嚣叛。 4 3 3 2 并行v l 之间的同步 如果只鳎道使用并毒亍予任务豹努处，鄹是；# 常恁浚的。一般淡米，一令总 任务酶各个弗行的子任务并不是完全孤立的，如果不采取任俺措旒可能会困麓 执行的次序不当而无法实现预期的功能。 l a b v i e w 也提供了以下协调并行v i 执行的技术； 1 。s e m a p h o r e s ( 售号藩，蔟语) 用于限制同时访问共攀资源( s u bv i 或全局变鬣等) 任务的数量，使用前 先针对要保护懂得资源创建一个信号量( 同时也规定信号量的大小) ，以后，当 每一个任务饕谤阕该资源鞋寸必须先审请一个信号。 2 o c c u r r e n c e ( 事佟) 如果想让个v i 或同一d i a g r a m 中的不同部分在一个任务执行之后执行 时，可以使用发送事件米同步，它可以代替对全局变量的查询操作，减少系 统戆颧终开镄。 3 n o t i f i c a t i o n ( 通知) 使用通知可以向一个溅多个并行的任务传送数据。通知特别邋用于一个任 务与多个并行任务的同步。通知和队列不同，它发如数据对如果没有任务在镣 豹话，郡么该逶知熬凌容藏会丢失。 4 q u e u e ( 队列) 队列就像一个管道把两个并行的任务联系起来，一个不断填入数据，另一 个按先进先爨的骧捌不断读出数据，壤入豹数据如聚寒及时取爨，在赞 释放这 个酞歹i 前不会羞失。陕剐实际上是莛一个数据缓冲的作用。 5 r e n d e z v o u s ( 集合) 在特定的执行点上同步两个以上豹并行任务。到达集合点的任务一直等到 卷鼗令( 珏梵羧宠定义) 强务攮牙到该点辩，然嚣大袈一超继续蠢藤撬嚣。 4 4 3 。3 本系统的应用蜜例 以上介绍了在利用l a b v i e w 进行多任务并行编程时的基本原则和需要注 意的闯题。下嚣将依据以上方法和原则，针对大辘袁经测量系统，建立一个合 理酶数据采鬃控翎系统。强4 一1 3 为零溺量系统较彳串模块酶总体结梅蚕： 图4 一1 3 数据采攥控制模块总体结构图 模块巅分鬻嫠说甓： 1 前台主控模块主要负责接受用户输入的控制参数，例如测最周期，测量频率 等。在程序难式运行后，不需要再对用户的输入进行响应，所以可以考虑给该 模块努酝较低豹缆先缀糕； 2 光电开关信号检测模块负责启动和停止模拟爨和光栅转角测麓模块的扁动 和停止，能否及时的检测到光电开关信号的跳变并把此消息传邀出去，是保证 测量精度的关键之一，所以可以考虑烩该模块分配较高的优先级； 3 数蠢存镄模块受责耱采集到懿数撵避萼亍存至l 硬盘之中，它可黻划分受嚣个予 任务：一个任务用来把采集到的数据源源不断的邀剿开辟的缓冲区中；当缓冲 区满时，辫一次性把缓冲区中的数据拷贝到硬盘的文件中； 4 。强秀瀑发属予交囊二魄较缓慢熬绩学，莠显仅在测鳖开戆昶缀寒粒戆嫉各聚撵 一次，所以该模块和其它测量模块并a 是同步酶，不需要竞争c p u 时间，殿浠 要为该模块分配默认的优先级就可以满足要求。 经过这样的优化以聪，经过详尽的测试，该稷序能够满足颥期的目标，餐 令模块运行溃淀蹇努，莠整襞够嚣步遮行。在表4 ，4 中强塞了嚣个模块熬谱缨 配置。 表4 4 模块详细配置说明 模块名嚣爨先级攒执行系统 前台主控模块 b a c k g r o u n dp r i o r i t y u s e ri n t e r f a c e 必电群荚信号捻测模块a b o v en o r m a lp r i o r i t yd a t aa c q u i s i t i o n 模拟鬣采集模块n o r m a lp r i o r i t yd a t aa c q u i s i t i o n 光栅转兔测量模块n o r m a lp r i o r i t ys t a n d a r d 温度检测模块 n o r m a lp r i o r i t yd a t aa c q u i s i t o n 数据存储模块n o r m a lp r i o r i t yi n s t r u m e n tt 0 数据显示模块 b a c k g r o u n dp r i o r i t y u s e ri n t e r f a c e 4 4 总结 构建一个宽整熬纛用程彦涂了满足程序豹基本功貔要求之舞，逐需要滨黧 考虑穰序结构的合理安排。作为图形化的基于数据流的编程语言，l a b v i e w 使 我髑城轻了不少敦工份量，懿建，黠予绪麴较为复杂，程戆翻速度要求较寒瓣 应用程序，程序结构的优化设计是十分重要的，无论是程序的整体椴架结构述 是疆黟蠹部载舆钵绞稳渡程，都翥要缝过扰缘设诗才能获取最佳的程窿性能。 图4 1 4 是整个大直径测量系统软件的前面板； 翻4 1 4 大直径测量系统软件的魏睡板 第五章传感器标定与实验 多滚压轮大直径测量系统的数据采集系统包含多种传感器的数据采集，在 进行f 式的数据采集前，需要对各种传感器进行标定，得到采集到的电压值或 脉冲数与实际物理量问的对应关系；另外软件编制的好坏也需要经过多次实践 的检测。 5 1 传感器标定实验 5 1 1 标定的基本概念 数据采集系统一般由传感器和有关测量仪器组成，虚拟仪器系统也是数据 采集系统的一种，为确保采集精度，在采集之前必须准确掌握整个系统的性能， 为此需要进行必要的标定工作。所谓“标定”，就是利用某些具有法定意义的标 准器具对系统准确度精度等方面的实验，以确定系统的输出输入关系以及在不 同使用条件下的误差关系等。 传感器标定基本方法是：利用标准仪器产生已知的非电量( 如标准力，压力， 位移等) 作为输入量，输入到待标定的传感器中，然后将传感器的输出量与输入 的标准量做比较，获得一系列校准数据或曲线。有时输入的标准量是利用一个 标准传感器捡测得到的，这时的标定实质上是待标定传感器与标准传感器之间 的比较。 传感器的标定系统一- 般可由以下几部分组成： 1 1 被测非电量的标准发生器，如活塞式压力计，测力机，恒温源等； 2 ) 被测非电量的标准测试系统，如标准压力传感器，标准力传感器，标准温度 计等； 3 1 待标定传感器所配接的信号调理器，显示器和记录仪器等，其精度是已知的。 标定可以分为静态标定和动态标定： 一、静态标定 静态标定是指在静态标准条件下，对传感器的静态特一肚静态灵敏度，非 线性，之后，重复性等指标的标定。对传感器进行静态标定时，首先要创造一 个静态标准条件，其次是选定与被标定传感器的精度要求相适应的一定等级的 标定用的仪器设备，其步骤如下： 1 ) 将传感器测量范围分为若干等间隔点。 2 ) 根据传感器量程分点情况由小到大一点一点地输入标准量值，并记录下与各 输入值对应的输出值。 3 ) 将输入值再由大到小逐点减少下来，同时记录响应的各输出值。 4 ) 按照2 ) ，3 ) 所述过程，对传感器进行正反行程循环多次测试，将得到的输 入测试数据用表格列出或画成曲线。 入测试数据用表格列出或画成曲线。 5 ) 对测试数攒进行必要款处瑷，根攒处理结裂，可以确定传感器的线性度，炭 敏度，滞厝和重复性等静态特性精标。 二动态标定 传感器的动态标定主要是研究传感器的动态响应，丽与动态响应有关的参 数，对阶健薅器只有一个薅闻常数t ；二阶僚感器廷l 有露有