（机械设计及理论专业论文）基于虚拟仪器技术的测控系统的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 虚拟仪器是一种全新的仪器概念，与传统仪器最大的不同之处在于虚拟仪器结合了 计算机技术和网络通信技术，其强大功能己完全超出了仪器概念本身。本文基于当前测 控领域最为流行的虚拟仪器开发软件平台l a b v i e w ，深入研究了网络测控系统中的关 键技术。内容涉及虚拟仪器思想的确立，虚拟仪器的体系结构，数据采集系统的构建， 数字信号处理技术，以及远程网络通信技术。 本文采用d l l 技术实现了国产数据采集卡与l a b v i e w 的连接，应用虚拟仪器技术 中的t c p i p 和d a t a s o c k e t 技术解决了远程测控系统中的网络通信问题，并通过对基于 d a t a s o e k e t 技术的双向通信技术的研究，实现了真正意义的远程测试与控制。在此基础 上构建了远程测控实验教学平台，并成功的应用于实验教学。 将虚拟仪器技术应用到测控系统的构建中，通过运用计算机强大的计算与处理能 力，大大地提高了系统的数据分析、处理能力；更重要的是通过虚拟仪器技术中的网络 通信技术，不仅使远程测控成为现实，而且使组建远程测控系统更加容易。本文的研究 工作为建立开放式远程测控系统和虚拟实验室提供了新的途径。 关键词：虚拟仪器，测控系统，数据采集，数字信号处理，远程测控，网络通信 江苏大学硕士学位论文 v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o nr e p r e s e n t saf i r e - n e wa n dr e v o l u t i o n a r yc o n c e p to f i n s t m m e n t a t i o n a n dt h eg r e a td i f f e r e n c eb e t w e e nv i r t u a li n s t r u m e n t a t i o na n dt r a d i t i o n a l i n s t r u m e n t a t i o ni st h a t v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o nh a si n t e g r a t e dc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n d n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi n t oi t s e l ka n di t sp o w e r f u lf u n c t i o nh a se x c e e d e di t s c o n c e p t v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o nh a sa l o to f a d v a n t a g e si nd e v l o p i n gm e a s u r e m e n t & c o n t r o l s y e t e m ，i th a sc h a n g e dt h ew a yi nw h i c he n g i n e e r sa n ds c i e n t i s t sa p p r o a c hm e a s u r e m e n ta n d a u t o m a t i o n l e v e r a g i n gt h ep ca n di t sr e l a t e dt e c h n o l o g i e s v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ni n c r e a s e s p r o d u c t i v i t ya n dl o w e r sc o s t sf o re n g i n e e r sw o r l d w i d et h r o u g he a s y - t o i n t e g r a t es o f t w a r ea n d m o d u l a rh a r d w a r e b a s e do nl a b v i e w t h ed e v e l o p i n gp l a t f o r ma n ds o f t w a r ew h i c hi s p o p u l a ri nm e a s u r e m e n t & c o n t r o lf i e l da tp r e s e n t ，t h i st h e s i sm a i n l yd o e ss o m er e s e a r c ho n t h ek e yt e c h n o l o g yo fu p b u i l d i n gn e t w o r k e dm e a s u r e m e n t c o n t r o ls y s t e m i n c l u d i n gt h e e s t a b l i s h m e n to fv i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ni d e a , t h es t r u c t u r eo fv i r t u a li n s t r u m e n t d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m sd e s i g n ，d a d as i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , a n dr e m o t ec o m m u n i c a t i o n b a s e do nn e t w o r k i nt h i st h e s i s t h ea u t h o rh a v es u c c e s s f u l l yr e a l i z e dt od r i v en o r m a ld o m e s t i cd a qc a r d i nl a b v i e w , a n dh a v ea p p l i e dt c p i pa n dd a t a s o c k e tt e c h n o l o g yi nv i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n t or e m o t em e a s u r e m e n t & c o n t r o ls y s t e ma n ds o l v e dt h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o np r o b l e m ；a t t h es a m et i m e ，b a s e do nd a t a s o c k e tt e c h n o l o g y , t h ea u t h o rh a v ed o n ef u r t h e rr e s e a r c ho n b i d i r e c t i o n a lc o m m u n i c a t i o nw h i c hc a nm a k em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lc o m b i n et o g e t h e r , t h u sr e a l i z e dt h er e a lr e m o t em e a s u r e m e n t & c o n t r 0 1 a tl a s t t h ea u t h o rh a v eb u i l tu pa r e m o t em e a s u r e m e n t & c o n t r o ls y s t e mw h i c hi ss u c c e s s f u l l yu s e di ne x p e r i m e n tt e a c h i n g b a s e do na no f t h o s et e c h n o l o g i e si n t r o d u c e da b o v e t h ea p p l i c a t i o no fv i r t u a li n s t r u m e n t a t i o nt om e a s u r e m e n t & c o n t r o ls y s t e mc a ng r e a t l y i m p r o v es y s t e m sd a t aa n a l y z i n ga n dp r o c e s s i n ga b i l i t yb yv i r t u eo f c o m t u t e r sg r e a tp o w e ro f c o m p u t i n ga n dp r o c e s s i n g w h a t sm o r e t h ea p p l i c a t i o no f v i r t u a li n s t r u m e n tt om e a s u r e m e n t & c o n t r o ls y s t e mc a nn o to n l ym a k er e m o t em e a s u r e m e n t & c o n t r o lr e a l i z a b l e b u ta l s om a k e u sd e v e l o pr e m o t em e a s u r e m e n t & c o n t r o ls y s t e me a s i e r n l er e s e a r c hw o r ki nt h i st h e s i sh a s p r o v i d e de n g i n e e r sw i t ha n e wm o t h e do f e s t a b l i s h i n ga no p e nm e a s u r e m e n t & c o n t r o ls y s t e m o rv i r t u a ll a b o r a t o r y , k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ，m e a s u r e m e n t & c o n t r o ls y s t e m 。d a t aa c q u i s i t i o n ， d a t as i g n a lp r o c e s s i n g ，r e m o t em e a s u r e m e n t & c o n t r o l ， n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n 玎 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 指导教师签名 禾行至 一垆年4 月觇同 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：序? 磷 日期：) 神争年占月 t 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 测控技术与科学研究、工程实践密切相关，已成为当今世界高技术群中对现代社会 最具影响的高技术之一而在这过程中，与测控技术密切相关的测试计量仪器仍起着至 关重要的作用。测试计量仪器发展至今，大体经历了以下几个发展历程： 第一代模拟仪器是以电磁感应基本定律为基础的模拟指针式仪表。 第二代则是分立组件式仪器，这种仪器是在2 0 世纪5 0 年代出现电子管和6 0 年代 出现晶体管时产生的以电子电路为基础的测控仪器。 第三代是在2 0 世纪7 0 年代，随着集成电路的出现，出现了以集成电路芯片为基础 的数字仪器。这类仪器将测试信号转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果。 第四代是以微处理器为核心的智能式仪表。这种仪器内置微处理器，集自动测试和 数据处理能力于一身，但其功能块是以硬件或是固化软件的形式存在，无论对开发还是 应用，都缺乏灵活性。 目前，随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，测控技术面临着三大主要挑战： ( 1 ) 测控系统随着测控要求的增加而越来越复杂，难以开发和使用： ( 2 ) 对测控系统的成本控制和投资保护要求越来越强烈； ( 3 ) 对测控系统集成入网、能够通过网络访问和交互的要求日益迫切。 作为以上挑战的解决方案，美国国家仪器( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，简称n d 公司率先 提出了虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ，简称v i ) 概念，即第五代测试计量仪器。 虚拟仪器是现代计算机技术、测量技术以及通信技术相结合的产物，是传统仪器观 念的一次巨大变革，是仪器产业发展的重要方向【lj 。虚拟仪器给测控技术的发展带来了 新的技术和动力，使得构建测控系统的开发周期更短而系统功能更加强大，而且提高了 构建测控系统的柔性、降低开发应用成本，它的出现使得人类的测试计量技术进入了一 个新的发展纪元。 i 1 虚拟仪器概述 1 1 1 虚拟仪器的概念 所谓虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有 虚拟面板、测试功能由测试软件实现的种计算机仪器系统。其基本思想就是在测试系 统或仪器设计中尽可能地用软件代替硬件，即“软件就是仪器”( t h es o r w a r ei st h e i n s t r u m e n t a t i o n ) 1 2 1 它是通过应用程序将通用计算机与功能化模块硬件结合起来，充 分利用计算机系统强大的数掘处理能力，在基本硬件的支持下，利用软件完成数据的采 集与控制、数据的处理与分析和测试结果的输出与显示等，通过软硬件的配合来实现传 江苏大学硕士学位论文 统仪器的各种功能，大大突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、储存等方面的限制， 使用户可以方便地对仪器进行维护、扩展和升级。在虚拟仪器系统中，硬件主要解决信 号的输入输出，软件则是整个系统的关键。任何一个使用者都可以通过修改软件来修改 或增减仪器的功能，从而真正体现了“软件就是仪器”这一新极念。 虚拟仪器系统的概念是测控系统的抽象。不管是传统的还是虚拟的仪器，它们的功 能都是相同的：采集数据，对采集来的数据进行分析处理，然后显示处理的结果。它们 之间的不同主要体现在灵活性方面。虚拟仪器由用户自己定义，这意味着用户可以自由 地组合计算机平台，硬件、软件、以及各种完成应用系统所需要的附件。而这种灵活性 是由供应商定义及功能固定，而独立的传统仪器是达不到的。从传统仪器向虚拟仪器的 转变，为用户带来更多实际的利益。 虚拟仪器系统的概念不仅推进了以仪器为基础的测控系统的改造，同时也影响了以 数据采集为主的测控系统的传统构造方法的进化。过去独立分散、互不相干的许多领域， 在虚拟仪器系统的概念之下，正在逐渐靠拢、相互影响，并形成新的技术方法和技术规 范。 7 1 1 2 虚拟仪器的特点 虚拟仪器的出现，彻底改变了传统仪器的结构固定、功能单一、价格昂贵、可扩展 性差等不足，以其所具有的灵活方便的功能扩展、美观友好豹人机界面、得心应手的揉 作、优良的性能价格比和用户可自行定义仪器功能等一系歹咀比点。在短短几年时间内迅 速受到广泛关注【3 1 。传统仪器与虚拟仪器的比较如表1 1 所示，虚拟仪器的优点显而易 见。 表1 1 传统仪器与虚拟仪器的性能比较 传统仪器 虚拟仪器 功能由仪器厂商定义 功能由用户自己定义 与其它仪器设备的连接十分有限 可方便地与网络外设及多种仪器连接 图形界面小，人工读取数据。信息量小 羿面圈形化，计算枕氢接读取数据并分析处理 数据无法编辑 数据可编辑。存储、打印 硬件是关键部分软件是关键部分 价格昂贵 价格低廉，仅是传统仪器的五至十分之一 系统封闭、功能固定、可扩展性差基于计算机技术开放的功能模块可构成多种仪器 技术更新周期长 技术更新周期短 开发和维护费用高 基于软件体系的结杓可大大节省开发费用 1 1 3 基于虚拟仪器技术的测控系统在国内外的研究现状 在国外，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器于滋平台软件，以便使用者 利用这些仪器公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软 2 江苏大擘硕士学位论文 件。最早和最具影响的开发软件，是n i 公司的l a b v i e w 软件和l a b w i l l d w o s c v i 开发 软件。l a b v i e w 采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件，l a b w i n d o w s c v i 是为 熟悉c 语言的开发人员准备的、在w i n d o w $ 环境下的标准a n s i c 开发环境。除了上述 的优秀开发软件之外，美国h p 公司的h p - - v e e 和h p t i g 平台软件，美国t e k t r o m s 公司的e z - t e s t 和t e k - t n s 软件，以及美国h e md a t a 公司的s n a p m a r t e r 平台软件，也 是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件1 4 j 。 在应用方面，虚拟仪器不仅在研究机构、产业部门得到应用，并且一些大学也已经 将其引入教学实验室。德国的汉诺威大学建立了虚拟自动化实验室；西班牙大学电子系 开发了电子仪器虚拟工作平台：意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室；新加坡 国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验”j ；美国斯坦福大学开发了虚拟仪器教 学、实验、仿真一体化系统；到1 9 9 7 年底，包括m i t 在内的美国1 0 多所大学都建立 了教学用的虚拟仪器实验室，应用专业包括电工电子、物理、化学、机械、核物理、生 物、甚至心理学等【7 1 还有，澳大利亚c r a z 工程学院研制的激光二极管发射波长和发射 功率测试系统；挪威c a r d i a c 公司采用虚拟仪器开发软件l a b v i e w 平台构建了测试 北海油田石油、大气、水流的m p f m 系统【6 i ；美国的g e o m a t i c s 公司和g o l d s m i t h 公司 等利用虚拟仪器开发工具研制开发了农业自动化灌溉系统和秧苗分析系统哺】；美国f o c u s 软件公司和s e n s o rd e v e l o p m e n t s 公司应用虚拟仪器测量飞机飞行状态中的螺旋桨应力 分布；美国的海军研究院大量使用虚拟仪器进行o h - 6 a 直升机的风洞试验【6 5 】；美国的 维吉尼亚州技术公司应用虚拟仪器技术开发了一种光学测微计，用来测量m e m s 设备 中硅晶片的厚度，分辨率可达到微米级【9 j ；由h o n e y w e l l m e a s u r e x 公司的d i r kd e m o l 博士领导的小组应用虚拟仪器开发软件l a b v i e w 开发了m x p r o l i n e 系统，该系统是一 流的分布式过程控制系统；在美国l a u r e n c el i v e r m o r e 国家实验室，基于l a b v i e w 的 虚拟仪器系统用于控制激光切割系统。4 台w i n d o w sn t 工作站用网络连接起来， l a b v i e w 用来给激光器提供测量、控制和自动定序；在太空光谱有限公司( s p e c t r u m a s t r o ，i n c ) ，r o g e rj e l l u m 和t o m a r n o l d 开发了a s t r o r t ，它是一种基于l a b v i e w 的数 据采集和控制系统，用于航天器的制造测试和沿轨道运行时的控制。a s t r o r t 已经用于 许多项任务，包括空军研究实验室的m i g h t y s a ti i 航天器，国家航空和宇宙航空局的n e w m i l l e n n i u mo u t e rs p a c ei 、t d r s s 和s w i f t 航天器，海军研究实验室的c o d o l i s 航天器【l o j 。 v i e ws y s t e m s 公司应用虚拟仪器软件l a b v i e w 开发了一个武器探测系统，它应用在全 国高度保护地区的安全检查点上，将人们通过该检查点的时间缩减了一半。h o n d a 公司 使用l a b v i e w 和p x i 数据采集硬件为本公司的路况模拟器开发了一套控制系统，价格 仅为从国外制造商处购买相同控制系统成本的十分之一，该公司还将这套控制系统重新 用在它的虚拟路况模拟器上；a p p l i e dm e m s 公司在测试它的最新的m e m s 低g 伺服加 速度计时，使用了l a b v i e w 以及数据采集和g p i b 产品来自动进行噪声层、振动容限 江苏大学硕士学位论文 和其它的测试【i ”。美国国家航空航局( n a s a ) 在它的实验室特别是喷气推进实验室中 大量使用了虚拟仪器软件和硬件来进行勇气号火星探测器的各种试验测试、模拟和控 制，最终勇气号火星探测器于太平洋时间2 0 0 4 年1 月3 日2 0 时3 5 分在火星表面成功 着陆，随后对火星的矿物进行勘查，以确定火星是否曾经是个湿润的适合生命存在的星 球【1 2 】【1 3 】。 在国内，作为仪器领域中最新兴的技术，虚拟仪器的研究、开发在国内尚属起步阶 段。从9 0 年代中期以来，国内的重庆大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、西安电 子科技大学、北京中科泛华测控技术有限公司等高校和高科技公司，在研究和开发虚拟 式仪器产品和虚拟式仪器设计平台以及引进消化n i 公司的产品等方面做了一系列有益 工作，取得了一批瞩目的成果l i ”。我国对虚拟仪器的研制起步于1 9 8 4 年，数年后已在 a p p l e i i 、i b m p c 及兼容微机上进行了研制与开发，一批高等院校和科研单位主要在 两个方面开展了研究工作，即通用仪器卡和专用测试仪。目前，已有部分高校初步建立 了虚拟实验室。例如：清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系列”】 1 6 】；华中理 工大学机械学院工程测试实验室将其虚拟实验室成果在网上公开展示，供远程教育使 用；四川大学基于虚拟仪器的设计思路，研制了“航空电台二线综合测试仪”，将8 台仪 器集成于一体，组成虚拟仪器系统【5 j ：西安交通大学利用虚拟仪器也构建了自己用于彩 管测试和图象监控的虚拟测控系统m 】；复旦大学、同济大学、上海交通大学、广州暨南 大学等一批高校，也开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。另外航天局8 0 9 所、 上海8 0 3 研究所、上海仪器仪表所、浙江省电力试验研究所等单位也正在开展这方面的 研究和应用。我国的应用尚处于起步阶段，但我国的仪器开发研究机构正努力跟踪国际 先进水平，积极开发适合我国国情的虚拟仪器【引。 1 2 本论文研究的目的和意义 随着微电子技术、计算机技术、软件技术以及网络技术的高度发展以及新的测试理 论、新的测试方法、新的测试领域不断出现，传统仪器在许多方面已不能满足测量的要 求，如目前测控系统中的仪器仪表存在着开发速度慢、硬件通用性差、面板操作越来越 复杂以及底层软件开发工作量越来越大等不足，仪器从根本上没有摆脱独立使用、手动 操作的模式，越来越复杂的测试条件和高度自动化的大生产环境迫切需要仪器制造商开 发功能更强大、成本更低廉、系统更灵活的通用测试仪器，从技术角度出发，电子测试 仪器要求从模拟技术向数字技术发展；从单一功能向多技术聚合多功能发展；从单台仪 器向多种功能仪器的组合及系统型发展：从完全由硬件实现仪器功能向不断由软件完成 的更多功能方向发展：从系统集成向以个人计算机为核心构成通用测试平台、功能模块 及软件包形式的自动测试系统发展。自2 0 世纪9 0 年代以来，以虚拟仪器为标志的通用 化、智能化和网络化测量仪器及测试系统得到了迅猛发展，使得测量技术和数据采集系 4 江苏大学硕士学位论文 统的设计方法和实现技术产生了深刻的变化。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革 命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，对科学技术的发展和工业生产的进步将产生不 可估量的影响。 1 3 本论文研究的主要内容 由于基于虚拟仪器技术的测控系统综合运用了计算机软硬技术、信号处理与分析技 术、标准总线技术、软件工程方法、网络通信技术等等，所包含的内容相当丰富本论 文的主要工作是将虚拟仪器技术引入测控系统的组建之中，对所涉及到的相关关键技术 进行研究，建立一个基于虚拟仪器技术的远程测控实验平台，并围绕以上内容展开论文 的研究工作，主要研究内容为： 1 ) 基于虚拟仪器技术的测控系统体系结构和实现方式的研究 虚拟仪器系统的硬件体系结构及其组成； 虚拟仪器系统的软件体系结构； 2 ) 基于虚拟仪器软件平台l a b v i e w 的数据采集系统的构建 数据采集系统的硬件组成和系统调试； 数据采集系统中的关键技术： 普通国产数据采集卡的驱动； 3 ) 虚拟仪器技术中的信号处理方法研究 频域、加窗以及数字滤波技术等 4 ) 网络环境下远程测控技术以及l a b v i e w 平台下的网络通信技术的研究 基于t c p i p 的计算机远程在线监控： 基于d a t a s o c k e t 技术的远程测控： 基于t c p i p 技术的双向通信； t c p i p 技术和d a t a s o c k e t 技术的比较。 5 ) 运用以上技术建立基于计算机网络的测控实验平台，可供实验教学使用。 5 江苏大学硕士学位论文 第二章基于虚拟仪器技术的测控系统体系结构 2 1 基于虚拟仪器的测控系统的构成 虚拟仪器系统的组成与传统仪器一样，由图2 1 所示的数据采集与获取、数据处理 与分析、数据输出与显示三部分组成。 匝囹匝囹匝固 插入式数据采集卡数字信号处理 网络通讯 g p i b 仪器数字滤波 h 硬盘拷贝输出、n， v x l ，p x i 仪器统计分析 文件l ，o r s - 2 3 2 仪器 数值分析 图形用户接口 图2 i 虚拟仪器的内部功能划分 f i g u r e2 1 v i r t u a li n s t r u m e n t s i n t e r n a lf u m i o nc o m p a r t m e n t a l i z a t i o n 对于传统仪器，三部分几乎均由硬件完成：对于虚拟仪器，后两部分主要由软件实 现。与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化，设计工作量、复杂性大大减 ，j 、。 图2 2 测控系统的硬件结构 f i g u r e2 2 h a r d w a r ef r a m eo f m e a s u r e m e n t & c o n t r o ls y s t e m 6 江苏大学硕士学位论文 虚拟仪器从硬件来说，已完全脱离了原有的单个仪器的概念，并不是在计算机上实 现某一台仪器的功能，而是形成了一个虚拟仪器系统的概念。它是几种仪器的综合，是 在计算机上实现各种不同仪器的协作工作的整体虚拟仪器的硬件结构如图2 2 所示， 它主要以计算机为核心，在其基础之上扩展了不同类型的硬件设备，构成不同的虚拟仪 器系统。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、g p i b 仪器控制系统、v x i 仪器系统以及这三者之间的任意组合。 从图可以看出，支持虚拟仪器的硬件的种类很多，这就大大的丰富了测控系统的功 能。无论哪种基于虚拟仪器的测控系统，都是将硬件仪器搭载到笔记本电脑、台式计算 机或工作站等计算机平台上，再加上相应的应用软件而构成因而，虚拟仪器技术与计 算机技术达到同步发展。 圈2 3 基于虚拟仪器的测控系统的的软件架构 f i g u r e2 3 s o f t w a r ef r a m eo f m e a s u r e m e n t c o n t r o ls y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t s 基于虚拟仪器技术的测控系统的核心是软件，其软件基本架构如图2 3 所示，用户 可以采用各种应用软件开发环境来开发自己所需要的应用软件。以n i 公司的软件产品 l a b v i e w 和m e a s u r e m e n ts t u d i o 为代表的虚拟仪器专用开发平台是当前流行的集成开 发工具。这些软件开发平台提供了强大的仪器软面板设计工具和各种数据处理工具，再 加上虚拟仪器硬件厂商提供的各种硬件的驱动程序模块，大大简化了虚拟仪器的设计工 作。随着软件技术的迅速发展，软件开发的模块化、复用化，对各种硬件仪器的驱动软 件的模块化、标准化，将使虚拟仪器软件开发变得更加方便。 2 2 测控系统的硬件构成 基于虚拟仪器技术的测控系统基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块 等。其中，硬件接口模块可以包括插入式数据采集卡( d a q ) 、串并口、i e e f a 8 8 接 口( g p i b ) 卡、v x i 控制器以及其它接口卡。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采 集卡系统、g p i b 仪器控制系统，v x i 仪器系统以及这三者之间的任意组合。在这里， 硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个系统的关键。 7 江苏大学硕士学位论文 基于虚拟仪器技术的测控系统的硬件构成有多种方案，通常采用以下几种，如图2 4 所示。 l= ：= =i 一 一l = = = = ：厂一 串行口仪器p l ck- p c 机工作站 l a b v i e w ， l a b w j n d一 7 以及其他软件 _ 叫现场总线( f i e i db u s ，c a nb u s ) 设备卜- 图象处理、d s p 其它硬件模块 图2 4 虚拟仪器通用结构示意图 f i g u r e2 , 4 g e n e r a ls t r u c t u r es k e t c ho f v i r t u a li n s t r u m e n t s ( 1 ) 基于数据采集卡( p c d a q ) 的虚拟仪器系统 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如l a b v i e w ( 或 l a b w i n d o w s c v i ) 相结合，通过a d 变换将模拟、数字信号采集入计算机进行分析、 处理、显示等，并可通过d a 转换实现反馈控制。根据需要还可加入信号调理和实时 d s p 等硬件模块。 ( 2 ) 基于通用接口总线g p i b 接口的仪器系统 g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 仪器系统的构成是迈向虚拟仪器的第一步， 即利用g p i b 接口卡将若干g p i b 仪器连接起来，用计算机增强传统仪器的功能，组织 大型柔性自动测试系统，技术易于升级，维护方便，仪器功能和面板自定义，开发和使 用容易。它可高效灵活地完成各种不同规模的测试测量任务。利用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，排除人为因素造成的测试测 量误差。同时，由于可预先编制好测试程序，实现自动测试，提高了测试效率。 ( 3 ) 基于串行口或其它工业标准总线的系统 将某些串行口仪器和工业控制模块连接起来，组成实时监控系统。将带有r s 2 3 2 总线接口的仪器作为i o 接口设备通过r s 一2 3 2 串口总线与p c 计算机组成虚拟仪器系 统，目前仍然是虚拟仪器的构成方式之一。当今，p c 计算机已更多地采用了u s b 总线 和i e e e l 3 9 4 总线。 ( 4 ) 利用v x i 总线仪器实现虚拟仪器系统 v x i ( v m e b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线为虚拟仪器系统提供了一个更为 江苏大学硕士学位论文 广阔的发展空间。v x l 总线是一种高速计算机总线- v m e ( ( v e r s am o d u l ee u r o c u r d ) 总线在仪器领域的扩展。由于其标准开放，传输速率高，数据吞吐能力强，定时和同步 精确，模块化设计，结构紧凑，使用方便灵活，已越来越受人们的重视。它便于组织大 规模、集成化系统，是仪器发展的一个方向。 在本课题中，考虑到实验室的实验条件及其实际应用，从以上四种常见的体系结构 中，选择了以计算机数据采集卡( p c d a q ) 为体系结构的虚拟仪器进行深入研究。 2 3 测控系统的软件构成 构成一个基于虚拟仪器的测控系统，基本硬件确定以后，就可通过不同的软件实现 不同的功能。软件是测控系统的关键。没有一个优秀的控制分析软件，很难想象可以构 成一台理想的虚拟仪器系统。图2 5 为基于虚拟仪器的测控系统的软件构成。 虚拟仪器测控系统 应用程序 一一一一一一一j _ 一一一一一一一 t 虚拟仪器开发软件 一一一一一一一l 一一一一一一一 ， 仪器驱动软件 一一= f 1 0 样本秒) ，并且要同时分析或显示某些数据。 采样周期必须准确、均匀地通过数据样本。 下列情况可以不使用b u f f e ri o ： 1 6 江苏大学硕士学位论文 数据组短小，例如每秒只从两个通道之一采集一个数据点。 需要缩减存储器的开支 2 ) 触发( t r i g g e r i n g ) 触发涉及初始化、终止或同步采集事件的任何方法。触发器通常是一个数字或模拟 信号，其状态可确定动作的发生。软件触发最容易，可以直接用软件。例如使用布尔面 板控制去启动停止数据采集。硬件触发让扳卡上的电路管理触发器，控制了采集事件 的时间分配，有很高的精确度。硬件触发可迸一步分为外部触发和内部触发。当某一模 入通道发生一个指定的电压电平时，让卡输出一个数字脉冲，这是内部触发。采集卡等 待一个外部仪器发出的数字脉冲到来后初始化采集卡，这是外部触发。许多仪器提供数 字输出( 常称为“t r i g g e r o u t ”) 用于触发特定的装置或仪器，在这里，就是数据采集卡 下列情况使用软件触发； 用户需要对所有采集操作有明确的控制。 事件定时不需要非常准确。 下列情况使用硬件触发： 采集事件定时需要非常准确。 用户需要削减软件开支。 采集事件需要与外部装置同步 3 3 数据采集系统中应注意的几个问题 3 3 1 了解输入信号类型 数据采集前，必须对所采集的信号的特性有所了解，因为不同信号的测量方式和对 采集系统的要求是不同的，只有了解被测信号，才能选择合适的测量方式和采集系统配 置。 任意一个信号是随时间而改变的物理量。般情况下，信号所运载信息是很广泛的， 比如：状态( s t a t e ) 、速率( r a t e ) 、电平( 1 e v e l ) 、形状( s h a p e ) 、频率成分( f r e q u e n c yc o n t e n t ) 。 根据信号运载信息方式的不同，可以将信号分为模拟或数字信号。数字( 二迸s g ) 信号 分为开关信号和脉冲信号。模拟信号可分为直流，时域、频域信号 1 ) 数字信号 第一类数字信号是丌一关信号。一个开一关信号运载的信息与信号的瞬间状态有 关。 第二类数字信号是脉冲信号。这种信号包括一系列的状态转换，信息就包含在状态 转化发生的数目、转换速率、一个转换间隔或多个转换间隔的时间里。安装在马达轴上 的光学编码器的输出就是脉冲信号有些装置需要数字输入，比如一个步进式马达就需 江苏大学硕士学位论文 要一系列的数字脉冲作为输入来控制位置和速度。 2 ) 模拟直流信号 模拟直流信号是静止的或变化非常缓慢的模拟信号。直流信号最重要的信息是它在 给定区间内运载的信息的幅度。常见的直流信号有温度、流速、压力、应变等。采集系 统在采集模拟直流信号时需要有足够的精度以正确测量信号电平，由于直流信号变化 缓慢，用软件计时就够了，不需要使用硬件计时。 3 ) 模拟时域信号 模拟时域信号与其他信号不同在于，它在运载信息时不仅有信号的电平，还有电平 随时间的变化。在测量一个时域信号时，也可以说是一个波形，需要关注一些有关波形 形状的特性，比如斜度、峰值等。为了测量一个时域信号，必须有一个精确的时间序列， 序列的时间间隔也应该合适，以保证信号的有用部分被采集到。要以一定的速率进行测 量，这个测量速率要能跟上波形的变化。用于测量时域信号的采集系统包括一个a d 、 一个采样时钟和一个触发器。a d 的分辨率要足够高，保证采集数据的精度，带宽要足 够高，用于高速率采样；精确的采样时钟，用于以精确的时间间隔采样；触发器使测量 在恰当的时间开始。 4 ) 模拟频域信号 模拟频域信号与时域信号类似，然而，从频域信号中提取的信息是基于信号的频域 内容，而不是波形的形状，也不是随时间变化的特性。用于测量一个频域信号的系统必 须有一个a d 、一个简单时钟和一个用于精确捕捉波形的触发器。系统必须有必要的分 析功能，用于从信号中提取频域信息。为了实现这样的数字信号处理。可以使用应用软 件或特殊的d s p 硬件来迅速而有效地分析信号。模拟频域信号也很多，比如声音信号、 地球物理信号、传输信号等。 上述信号分类不是互相排斥的。一个特定的信号可能运载有不只一种信息，可以用 几种方式来定义信号并测量它，用不同类型的系统来测量同一个信号，从信号中取出需 要的各种信息。 3 3 2 模拟输入信号的测量方式的选择 模拟信号采集是数据采集的重要组成部分，要建立一个实用的测控系统，必须首先 了解模拟信号采集过程中信号源的性质，然后选择合理的模拟输入信号的测量方式。 一个电压信号可以分为接地和浮动两种类型。 1 ) 接地信号和浮动信号 接地信号，就是将信号的一端与系统地连接起来，如大地或建筑物的地。因为信号 用的是系统地，所以与数据采集卡是共地的。接地最常见的例子是通过墙上的接地引出 线，如信号发生器和电源。 江苏大学硕士学位论文 一个不与任何地( 如大地或建筑物的地) 连接的电压信号称为浮动信号，浮动信号 的每个端口都与系统地独立。一些常见的浮动信号的例子有电池、热电偶、变压器和隔 离放大器。 2 ) 测量系统分类【3 4 1 模拟信号测量系统可以分为差分( d i f f e r e n t i a l ，d i f f ) 、参考地单端( r e f e r e n c e d s i n g l e - e n d e d ，r s e ) 、无参考地单端( n o n r e f e r e n c e ds i n g l e e n d e d ，n r s e ) 三种类型 差分测量系统( d i f f ) 差分测量系统中，信号输入端分别与一个模入通道相连接。具有放大器的数据采集 卡可配置成差分测量系统。图3 1 3 描述了一个8 通道的差分测量系统，用一个放大器通 过模拟多路转换器进行通道间的转换。标有a i g n d ( 模拟输入地) 的管脚就是测量系 统的地 u u x 图3 3 差分测量系统 f i g u r e 3 3 d i f fm e a s u 豫m e n ts y s t e m 一个理想的差分测量系统仅能测出( + ) 和( ) 输入端口之间的电位差，完全不会 测量到共模电压。然而，实际应用的板卡却限制了差分测量系统抵抗共模电压的能力， 数据采集卡的共模电压的范围限制了相对与测量系统地的输入电压的波动范围。共模电 压的范围关系到一个数据采集卡的性能，可以用不同的方式来消除共模电压的影响。如 果系统共模电压超过允许范围。需要限制信号地与数据采集卡的地之间的浮地电压，以 避免测量数据错误。 参考地单端测量系统( r s e ) 一个r s e 测量系统，也叫做接地测量系统，被测信号一端接模拟输入通道，另一 端接系统地a i g n d 。图3 4 描绘了一个1 6 通道的r s e 测量系统。 江苏大学硕士学位论文 m u x 图3 4 参考地单端测量系统 f i g u r e 3 4 r s em e a s u r e m e n ts y s t e m 无参考地单端测量系统( n r s e ) 在n r s e 测量系统中，信号的一端接模拟输入通道，另一端接一个公用参考端，但 这个参考端电压相对于测量系统的地来说是不断变化的。图3 5 说明了一个n r s e 测量 系统，其中a i s e n s e 是测量的公共参考端，a i g n d 是系统的地。 m l j x 图3 5 无参考地单端测量系统 f i g u r e 3 5 n r s em e a s u r e m e n ts y s t e m 3 ) 选择合适的测量系统【3 4 l 两种信号源和三种测量系统一共可以组成六 种连接方式，如表3 1 所示。 其中，不带号的方式不推荐使用。一般说来。 浮动信号和差动连接方式可能较好。但实际测量时 还要看情况而定。 测量接地信号 表3 1 接地信号浮动信号 d i f f r s e n r s e 测量接地信号最好采用差分或n r s e 测量系统。如果采用r s e 测量系统时，将会 给测量结果带来较大的误差。图3 6