（电工理论与新技术专业论文）基于虚拟仪器的电熔镁炉监测系统.pdf

大连理工大学硕士学位论文( 统招) m e a s u r i n gs y s t e m b a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t sf o ra r cf u r n a c e s m e l t i n gm g o a b s t r a c t m g oc r y s t a lp r o d u c t i o nu s i n ga r cf u l t l a c ei sw e l ld e v e l o p e d i nr e c e n ty e a r sh o m ea n da b r o a d a d v a n c e dt e c h n o l o g yi sm a s t e r e db yf o r e i g nc o u n t r i e s ，w h i l em o s to ff a c t o r i e si no u rc o u n t r y c a no n l yp r o d u c el o wc l a s sc r y s t a l sd u et ol a c ko fi m p o r t a n tp m d u c f i o np a r a m e t e r s t h i sp a p e r d i s c u s s e st h ed e s i g no f m e a s u r i n gs y s t e mf o rm g o p r o d u c t i o nb a s e d o nv i r t u a li n s t r u m e n t sa n d c o m p l e t ed a t a b a s ei sb u i l t t h eg o a li st op r o v i d et e c h n o l o g ys u p p o r t f o rd o m e s t i cf a c t o r i e st o p r o d u c eh i 曲c l a s sm g o c r y s t a l s a ss o o na sp o s s i b l e am e a s u r i n gs 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 si sd e s i g n e d m u l t i - c h a n n e ia c q u i s i t i o n t e c h n o l o g yt h r o u g hp c ii n t e r f a c ei s u s e df o rt h es i g n a l so fc u r r e n t ，v o l t a g e ，t e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r e v i s ap r o g r a m i su s e dt oa c q u i r ea c t i v ep o w e r ，p o w e rc o n s u m p t i o na n d p o w e r f a c t o r t h r o u g h ap o w e rt r a n s d u c e rw i t hs e r i a li n t e r f a c e t w oe q u i p m e n t sw i t hd i f f e r e n ti n t e r f a c ew o r k s i m u l t a n e o u s l y t h es y s t e mh a sa r e m o t ep a n e la n dc a l lb eb r o w s e da n dc o n t r o l l e do ni n t e m e t t h r o u g ht h ed a t a s o c k e tt e c h n o l o g yo f n ic o r p o r a t i o n a n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e sm a k i n gf u l l u s eo fh a r d w a r ew i t hs o f t w a r ea s s i s t a n c ea s s u r et h a tt h ed a q c a r d sw o r k r e l i a b l ya n d r e l e a s e t h es o t h v a r ef r o mh a r dw o r k m e a s u r e so fa n t i d u s ta n da n t i h i g h - t e m p e r a t u r ea r ea l s o p r e s e n t e d i np a p e r m e a s u r i n gs y s t e m i sa p p l i e do na p m1 5 ”i n2 0 0 5 n o wi tw o r k se f f e c t i v e l yo nt h es p o ta f t e r t w i c e a d a p t a t i o n sa n d h a sa c q u i r e dal a r g en u m b e ro f v a l u a b l ed a t at h a ts u p p o r t sf u z z yc o n t r o l a n dr e v e a lt h ef o r m i n g p r i n c i p l eo f m g oc r y s t a l s r e q u i r e m e n t s o f t h e p r o j e c t a r em e ta n d r e f e r e n c ef o rd e v e l o p m e n to f s i m i l a rr e a l - t i m em e a s u r i n gw s t e m i sg i v e n k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t s ；l a b v i e w ；m e a s u r i n g s y s t e m ；s e r i a li n t e r f a c e ； r e m o t ep a n e l i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。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或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学 或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 蔓佳 日期： 翌6 ：l 中 大连理工大学硕士学位论文( 统招) 1 1 课题背景 第一章绪论 1 1 1 氧化镁晶体的性质和应用 镁是地壳中含量较高，分布较广的元素之一，约为地壳质量的2 4 ，在海水中含 量可达2 1 0 “吨矗e 国菱镁矿资源丰富，分布广泛，探明储量约占世界探明储量1 2 9 5 亿吨的四分之一。辽宁省菱镁矿主要储藏在海城、大石桥一带，探明储量占全国总储 量的8 7 ，约占世界总储量的五分之，其中保有储量2 5 6 4 亿吨，一级品率高达4 0 。 镁的化学性质活泼，在自然界中只能以化合物的形式存在。 镁是重要的战略资源，在现代工业中有着举足轻重的地位，镁和镁化合物在冶金、 农业、医药、环保、电子、国防等部门都有着非常重要的用途。作为镁的常见化合物， 氧化镁的用途非常广泛，传统的氧化镁产品主要用于高温工业的耐火材料，高压电器中 的绝缘材料，化学工业中的填充料和催化剂，医药工业中的中和剂和稀释剂。 氧化镁单晶是面心立方结构的离子型晶体，其透光性好、熔点高、热膨胀系数低、 机械强度和硬度高、介电损耗低，是现代工业不可多得的高性能材料。其主要应用方 向有作为超导技术中的薄膜生长基片，制造高精度特种光学器件的理想材料，等离子 体显示器电极保护膜，新型高温耐火材料，高温传感器等等。 1 1 2 氧化镁晶体冶炼技术现状 目前，制各大直径氧化镁晶体的主流技术是电弧炉熔融法，以高温电弧热源在填料 中心形成熔体，熔体通过自然进行的排气和排渣等物理化学过程得到纯化，在加热过程 停止后，经自然冷却的熔体在经过破碎和分拣后得到晶坯，晶坯在经过机械剥离和精加 工后得到成品。传统的电弧炉结构和控制较为简单，炉壳由耐火砖与钢壳构成，电弧的 功率和电极的位置控制主要靠经验手动操作。 电弧炉氧化镁单晶制备技术的主要优点是：设备简单，初期投资低，工艺简单， 操作容易。 国际市场上高品质氧化镁单晶产品的供应商主要集中在美国、日本、以色列等少 数国家。这些供应商的技术保密工作都非常严格，例如，日本“t a t e h o ”化学工业公 司在9 0 年代初就掌握了高纯氧化镁单晶的生产技术，但其从没有向外透露过技术细 节。我国采用电弧炉进行氧化镁晶体冶炼已有一定规模，但冶炼工艺水平低，还处于 基于虚拟仪器的电熔镁炉监测系统 手工作坊阶段，出口的绝大部分为氧化镁初级产品，效益较低，不能做到资源的最大 化利用，浪费严重。造成现状的主要原因是各冶炼厂缺乏技术支持，对氧化镁晶体的 生长机理不够明确，缺乏环境温度、压力、电流、电压和功率等数值的有效数据支持。 而氧化镁冶炼的现场环境为高温度，强磁场，多粉尘及长时间的复杂环境，对测控系 统的要求严苛。另外，目前电弧炉冶炼系统多采用三相交流供电，三相交流供电由于 不可避免的过零点，使其存在以下弊端：交流电弧燃烧及输入炉内功率不稳定和不连 续、三相负载不对称造成对前级电网的干扰和冲击，而采用直流炉则有效避免了这些 弊端，且有其自身的优点，因此，尽快建立冶炼过程的交流直流数据库，分析比较研 究氧化镁晶体的成长过程，构造成长模型，以及如何提高冶炼技术水平，提高产品中 优等品的比例，增加产品的科技附加值，打开技术壁垒，是迫切需要解决的问题【l j 。 1 2 国内外虚拟仪器技术研究现状及发展 虚拟技术、计算机通讯技术与网络技术是信息技术最重要的组成部分，它们被并称 为2 1 世纪科学技术中的三大核心技术。而虚拟仪器技术就是随着上述三大技术和现代测 量技术发展起来的新型高科技，代表着当今仪器技术发展的最新方向。虚拟仪器技术诞 生于2 0 世纪9 0 年代初的美国，从诞生之日起，该技术就以其强大的用户自定义功能、 开发周期短、成本低廉以及实用范围广、维护升级方便等众多优点被迅速推广应用到 国防军工、科研教育、航天航空、船舶车辆、能源交通、通讯信息、石油开采、电力 工程、医疗与生物工程等多个领域，成为发达国家研究开发的热点技术之一。据世 界仪表与自动化杂志报导，2 1 世纪初，虚拟仪器的生产厂家将超过千家，品种将达 到数千种，市场占有率将占到电测仪器的5 0 。目前，国际上大约有6 0 的仪器仪表生 产厂家( 如美国惠普公司、f l u k e 公司、日本h i o k i 公司、瑞士a b b 公司和l e m 公司等) 都己采用虚拟仪器技术作为产品开发的重要手段【2 j 。 1 2 1 虚拟仪器自概念和特点 虚拟仪器是利用现有的p c 计算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件，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、高档低价的新型仪器，而且使 用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台他自己设计的专用的传统电子仪器一样。 如图1 1 所示，虚拟仪器同样也具备传统电子仪器的数据采集、数据分析处理、显示结果 三大功能模块。 大连理工大学硕士学位论文( 统招) 结合图1 1 更深一步讲，虚拟仪器是以透明方式将计算机资源和仪器硬件的测控 能力相结合，实现仪器的功能运作。应用程序将可选硬件( g p i b 、v x i 、r s 一2 3 2 4 8 5 、 d a q 等) 和可重复使用的源码库函数等软件结合实现模块间的通信、定时与触发，源码 库函数为用户构造自己的虚拟仪器系统提供基本的软件模块【4 】。 d a q 一信号处理网络传输 g p i b 仪器数字滤波文件i o +斗 v x i 仪器统计分析图形接口 r s 一2 3 2 数据采集数据分析数据表达 图1 1 虚拟仪器功能模块显示 f i g1 1t h e m o d e l so f v i r t u a li n s t r u m e n t s 虚拟仪器具有以下特点州： ( 1 ) 它是一种功能意义上而非物理意义上的仪器。v i 通过硬件接口和仪器驱动实 现了与测控设备的硬件通信，将信号采集、分析与处理等结合成一体。虚拟仪器体现 了“软件就是仪器”的现代仪表发展观念。 ( 2 ) 虚拟仪器具有图形化用户界面，体现“所见即所得”的思想。传统仪器的控制面 板在虚拟仪器中都有可被相应选项设置和结果输出控制的软面板取代。 ( 3 ) 虚拟仪器采用了模块化结构，系统具有良好的开放性和扩展性。虚拟仪器软 件的开发是基于模块化的设计思想，并大量运用动态链接库、类库和函数库，代码具 有良好的可重复性。一个v i 往往由多个v i 组成。这样，在软件组织的树形图结构中， 该v i 是根结点，其它v i 是叶节点。一个v i 既可以作为虚拟仪器系统中主控模块，又可 以为其它v i 所调用，这由此v i 在整个系统中的具体功能来决定。 ( 4 ) 虚拟仪器的更新速度快，可维护性好，用户可定制其结构和功能。由于它的核 心是软件程序，在一定开发环境下，用户可以对现有的虚拟仪器程序作二次开发，修 改，增加原有仪器的功能。与开发电子仪器相比，开发周期可大大缩短。 从以上可以看出，虚拟仪器与传统仪器相比无疑具有巨大的优势，表卜1 详细列 出了虚拟仪器与传统仪器对比情况。 基于虚拟仪器的电熔镁炉监测系统 表1 1 虚拟仪器与传统仪器比较 t a b1 1t h ec o m p a r i s o no fv i r t u a li n s t r u m e n t sa n dt r a d i t i o n a li n s t r u m e n t s 传统仪器虚板纹嚣 仪器厂商定义用户自己定义 硬件是关键软件是关键 仪器功能规模固定系统功能模块可通过软件增减 封闭的系统，与其他设备连接受限制基于计算机的开放系统，可方便同外设网络及其它 应用连接 价格昂贵重复利用率高使价格相对较低 技术更新慢技术更新迅速 开发维护费用高软件结构大大节省开发时间和维护费 122 虚拟仪器的系统构成 图1 2 典型的虚拟仪器方案 f i g1 2d e s i g n o fc l a s s i c a lv i r t u a ll n s t r u m e n t s ( 1 ) 硬件构成 虚拟仪器的硬件构成有多种方案，通常采用以下几种哺j ： 基于p c i 数据采集卡的虚拟仪器系统。它的应用方式是利用计算机内的预留插 槽插入数据采集卡，与相应的软件配合使用，通过a d 器件输入到计算机进行分析处 理，并通过终端显示。 以通用接口总线( g p i b 接口) 构成的虚拟仪器系统。其原理是利用g p i b 接口卡 将几个g p i b 仪器连接在一起，用计算机增强传统仪器的功能，构成一个整体的柔性测 控系统。 由v x i 总线构成的虚拟仪器系统。计算机总线技术的发展，为实现自动测试奠 定了基础，运用v x i 总线的标准开放、传输速率高、数据吞吐能力强、定时和同步精 确的优点，是虚拟仪器构成的一个发展方向。 大连理工大学硕士学位论文( 统招) 以串行总线或其它工业标准总线构成的虚拟仪器系统。现阶段用的串行口( r s 一2 3 2 ) 甚至较新的u s b 总线和i e e e l 3 9 4 总线，将多个功能模块连在一起，构成一个实 时监控系统。 基于p x i 总线系统虚拟仪器系统。p x i 标准吸取t p c 机技术、w i n d o w s 图形化操作 系统和仪器技术的特点，把这些技术相结合并且使高速p c i 技术和抗恶劣工业环境性能相 适应。 常见的虚拟仪器方案如图1 2 所示。 ( 2 ) 软件构成 构成个虚拟仪器系统，基本硬件确定以后，就可通过不同的软件实现不同的功 能。软件是虚拟仪器系统的关键。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。以v x i 虚拟仪器系统为例，从图1 3 可以看到，v x i 虚拟仪 器系统至少需要仪器、通信和驱动程序三种接口软件。其中仪器接口为仪器与计算机 之间的通信协议和方法。通信接口按标准方式将仪器连接起来，它是仪器与仪器驱动 程序之间的通信接口，实际上就是v x i 系统的i o 接口软件。仪器驱动程序接口将通信 接口与开发环境( a d e ) 连接起来。应用软件开发环境将计算机的数据分析与显示能力 与仪器驱动器融合在一起，为用户开发虚拟仪器提供了必要的软件工具和环境 8 。 口 图1 3v x i 虚拟仪器软件结构框架 f i g1 3s o f t w a r eb l o c kd i a g r a m o fv x iv i r t u a li n s t r u m e n t s 目前有两种较流行的虚拟仪器开发环境：一是用传统的编程语言设计虚拟仪器 基于虚拟仪器的电熔镁炉监测系统 女d h p i t g i 、h a b w i n d o w s 等，二是用图形编程语言设计虚拟仪器，立u h p v g e 、l a b v i e w 等。本文所使用的在线监测系统是第二种， 口l a b v i e w 图形化软件编程平台，在此平 台下，用户只要简单的定义和连接各个逻辑框，即可构成程序，大大缩短了虚拟仪器 控制软件的开发时间 9 。 1 3 本文的主要工作 本论文的研究对象为虚拟仪器技术在氧化镁晶体冶炼在线监测系统中的应用，目 的是研制出一套基于虚拟仪器的在线监测系统，研究有关氧化镁晶体生长的各项指标 参数。其主要依据为对工业现场各个数据采集的要求，包括温度、电压、电流和功率等， 工程高温度、强磁场、多粉尘和长时间的恶劣环境，需要对系统进行频繁调整，对系统 的远程监控等。采用一种稳定性好，易修改，硬件抗干扰，软件合理优化界面友好，系 统网络化的方案。因此，研究工作包括监测系统测量的理论分析、抗干扰措施、实验 硬件的配置及虚拟仪器软件的编程。 其主要内容如下： ( 1 ) 在线监测系统的总体设计，主要采取“由上而下”的编程思想，进行系统整 体规划，使用p c i 数据采集卡和串口通讯两套分布系统联合工作，研究多通道数据采 集系统的基本理论，达到系统协调性。 ( 2 ) 通过m a x ( m e a s u r e m e n ta n da u t o m a t i o ne x p l o r e r ) 程序对系统硬件进行测试 及合理配置，设定硬件各通道的测试参数，测量标准，包括模拟量和数字量的合理分 配，合理选择采集模式，布置硬件位置，选取传输介质，提高系统抗干扰性。 ( 3 ) 实时获取稳定的三相电压、电流、功率因数、电量、水温水压，计算实时电阻且 有越限报警功能，系统记录电流、电压、水温及电量和功率因数的历史数据，实时显示 电流电压完整曲线，可以多层次展示电流电压温度功率及电量曲线，采取合理滤波算法， 进行软件抗干扰。 ( 4 ) 使用v i s a 编程，直接使用l a b v i e w 对系统的功率智能变送器进行驱动，采取系统 标准的通讯协议，编写合理优化的驱动部分，达到易用性和智能化。 ( 5 ) 系统整体的网络化，对系统面板的各控制件，显示件，使用d m a s o c k e t 技术，通 过t c p f l p 协议，传入网络客户机，设计远程面板，进行网络控制、浏览。 大连理工大学硕士学位论文( 统招) 第二章在线监测系统总体设计 21 系统工作原理概述 本文设计的氧化镁晶体冶炼监测系统是基于网络化的虚拟仪器，传感器为w b 系列 电压电流传感器和功率智能变送器，数据采集设备采用了基于p c i 接口的插入式数据采 集卡和r s - - 4 8 5 串口设备，串口设备使用基于v i s a 编程的体系，数据管理计算机是一 台可靠性高、抗干扰强的工控机，应用软件包括图形化编程软件l a b v i e w 61 和硬件管 理软件m a x 程序，网络化通讯是基于d a t a s o c k e t 技术设计方案，系统总体结构如图2i 所示。 圈2 1 基于网络化虚拟仪器的自动测试平台 f i 9 2 1 a u t o - m e a s u r i n g p l a t f o r m b a s e d 0 i i v i r t u a t i n s t r u m e n t s n e f l i z e d 如图中所示，测试节点实现对工业现场各参量的模拟量和数字量采集量化，本地p c 完成对采集数据的分析、显示和保存，数据库保存在本地p c ，其余局域网的p c 可对本 基于虚拟仪器的电熔镁炉监测系统 地p c 上的监测系统实现控n a t j 览，必要时可读取本地p c 所保存的数据库，进行管理， 若本地局域网通过i n t e m e t 联网，则远程p c 机同样可根据权限进行系统访问。权限设置 在本地p c 机上进行。虚拟仪器的程序扩展性极强，图中在本地p c 机级别可设置多台工 控机，不同工控机运行同样的程序，而使用d a t a s o c k e t 技术即可进行各工控机的分辨识 别，甚至可借鉴集散控制系统( d c s ) 的概念，实现地理上和功能上的控制，同时通过高速 数据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集中的监视和操作。 氧化镁晶体冶炼工业现场的核心设备为电弧炉冶炼系统，包括炉体、三相冶炼电 极、电极动力传动装置、大容量冶炼变压器、高压冶炼配电柜、低压配电桓、现场在线 监控系统及布袋静电除尘器等。其中电极动力传动装置包括电机、变频器及齿轮变速 传动装置；大容量冶炼变压器包括变压器主体、直流柜及水冷电缆等外围装置：布袋 静电除尘器包括除尘器本体及p l c 控制系统；监控系统包括控制台、上位工业控制计 算机、传感器、脉冲编码器、信号调理模块、多功能板卡及线缆、i 0 模块等。 整个系统中的数据采集部分分为两部分，第一部分为典型的p c d a q 系统，各被 测物理量通过传感器变为模拟电信号，再通过信号调理模块对其进行隔离、滤波等处 理后送至d a q 板卡，d a q 板卡通过硬件驱动程序n i d a q 完成其与w i n d o w s 的通信， 而w i n d o w s 又通过m a x 环境完成其与l a b v l e w 应用程序的通信，并最终做送显示、存 盘及数学分析等处理。第二部分为p c r s 一2 3 2 通讯系统，智能功率传感器通过串 口输入计算机功率因数、有功功率和有功电度，同样通过m a x 环境设置好串口通讯， 使用l a b v i e w 编写的d l l g g 动程序，完成串口读写。其工作原理如图2 2 n 示。 1 本地p c l p c i d a q hp c i d a q r s 一2 3 2 电压温度电流压力功率电量 l 电压传感器温度传感器电流传感器 压力传感器功率传感器i 图2 2 数据采集系统结构框图 f i g2 2t h es t r u c t u r a ld i a g r a mo f d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 大连理工大学硕士学位论文( 统招) 前面已经提到，基于虚拟仪器的在线监测装置硬件部分主要应有三部分组成：信 号调理器、数据采集卡和带虚拟仪器系统的计算机。 本文设计的整个监测系统所采用硬件清单如下： 台湾艾讯工业控制计算机一台、n i 公司多功能板卡p c i 一6 0 2 3 e 两块、板卡附带 的接线盒及屏蔽电缆、压力变送器p m c 8 0 0 一b o i i m 两个、温度传感器w z p j 一2 3 8 四个、 烟道用耐磨热电阻传感器两个、w b 智能电流电压传感器两台、w b 智能功率变送器一台、 差分式光电隔离模块a m t u 1 0 十六个、s i e m e n s 变频器m i c r o m a s t e r4 4 0 三台。 虚拟仪器的口号是：“软件就是仪器( t h es o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ) ”，就是 因为它的数据分析处理模块和显示结果模块完全由软件代替硬件实现传统仪器的各项功 能。对于本在线监测装置，软件是核心，只要硬件部分将监测点的电压和电流信号经 信号调理器和数据采集卡以最小失真度转换成数字信号，其余的任务如通道设置、滤 波、加窗、数据统计分析、数据远传以及显示打印等完全交给软件来处理【1 。 整个监控系统所采用软件清单如下：上位工控机采用w i n 2 0 0 0 操作系统，整个监 控系统由l a b v i e w6 1 建构，硬件管理软件m a x 2 2 。 2 2 p c i 口的数据采集理论 2 2 1 信号和采样定理 ( 1 ) 信号类型 在计算机测控系统中。常用的信号有三种类型： 模拟( 连续) 信号 在时间上连续取值，在幅值上连续取值的信号，一般用十进制表示，所谓连续就是 连续变化不发生突变，这种是控制对象需要的信号。模拟式传感器或变送器所输入和输 出的信号都是模拟信号，所以需要把其送入插入式数据采集卡进行数字化，才能送入计 算机进行处理。 离散模拟信号 在时间上断续取值，在幅值上连续取值的信号。这种是在信号变换过程中需要的中 间信号，只在插入式数据采集卡暂时存在的一种短暂信号类型。 数字( 离散) 信号 在时间上断续取值，在幅值上断续取值的信号，通常用二进制代码形势表示。这是 计算机需要的信号。插入式数据采集卡送入计算机的信号就是数字信号，另外，本系统 基于虚拟仪器的电熔镁炉监测系统 使用的功率变送器由于采用串口通讯，串口通讯的信号都是二进制代码表示的数字信号。 数字信号传输的最大优势是其抗干扰能力强。 计算机前后的信息转换如图2 3 所示。 信息输入信息处理信息输出 模拟信号f 一 三至三习聿 二三三二b 叫二至亘三卜r 二互二 固模拟信号 时间连续离散离散离散离散连续 信号模拟模拟数字数字模拟模拟 图2 3 计算机前后的信息转换 f i g 2 3t h et r a n s f o r mo f i n f o r m a t i o nt h r o u g ht h ec o m p e e r ( 2 ) 采样定理 经典的采样定理：由采样信号x ( k ) 完全无失真地恢复原信号x ( r ) 的条件是采样速度 要满足下式： i ，2 0 9 m “ 1 或r 昙。 lz ( 2 1 ) 其中：c o ，= 2 厅t ，为采样角速度；t 为采样周期；。为原信号x ( r ) 频谱中最高角频 率；f m m 为x ( r ) 的各种信号分量中最小的时间常数。 本定理的证明过程较长，在各相关书籍均有介绍，本文不再赘述。 222 多信道采集模式 上节图2 3 所示的是最简单的单通道数据采集系统，只有一路信号，一个采样保持 器及一个a d 转换器，而本文中需要构建是包括三路电流、三路电压、七路温度、两路 压力及一路串行通讯数据，是一个需要多通道数据采集模式的监测系统，因此，有必要 对多通道数据采集系统的相关内容进行研究。 不同的多通道数据采集模式主要是在采样保持器和a d 转换器部分存在差异。 大连理工大学硕士学位论文( 统招) ( 1 ) 各路通道共用一个采样保持器和a d 转换器，如图2 , 4 所示。为了使各路信号互 不混叠，系统中必须采用模拟多路切换开关，它的作用是把各路信号按预定时序分时地 与保持电路接通。这样做的目的是为了降低成本、减小体积，但这样会损失一定的精度， 因为模拟多路切换开关并非是理想开关，易受失调电压、开关噪音、非线性和信号之间 的窜扰的影响 1 2 】。 l 传感器1r + 1 信号调理器l lill i 传感器2 卜叫信号调理器卜_ 蠢 测 翼叫互坶 接 葜 口 i 传感器n 卜叫信号调理器卜 厂一 图2 4 单一s h 和a d 的多通道数据采集模式 f i g2 4m u l t i c h a n n e ld a t aa c q u is i t i o nm o d ew i t hs i n g l es ha n da d ( 2 ) 每路通道均有一个采样保持器和a d 转换器，如图2 5 所示。此方案的特点是各 通道独自备有一个a y d 转换器，因此进入数字多路开关的信号都是位串行的数字信号， 其电平只有高电平与低电平之分，任何干扰信号要使高低电平转换，必须具有相当强的 幅度，这种干扰出现的概率很小。因此各通道互不影响，各自独立。 传感器- 卜叫信号调理器 + l ! ! ! h ! ! 卜- 数 传蝴h 信号调麟卜匝) 匝卜 字 多 测 路 控 切 接 换 口 开 关 传感器n h 信号调理器卜4 鬲、阿1 斗 f i g2 5m u l t i c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o nm o d ew i t hm u l t i p l es ha n da d 基于虚拟仪器的电熔镁炉监测系统 本文所设计的监测系统为了降低成本，采用了方案一的数据采集卡，因此对系统的 抗干扰眭和可靠性提出了更高的要求，有关内容将会在以下章节进行相关阐述。方案一 的多通道采集模式的一个重要限制必须说明。如果对它设置一个高采样速率，并且从每 个通道实时观察数据( 不是由数组观察) ，会看到通道之间的相位延迟。这是由于大多 数卡在一个时刻只能执行一个a d 变换。输入端口的数据被依次数字化，每时刻一个通 道延迟，或通道间的延迟，发生在每个通道样本之间。默认的情况是通道问的延迟足够 小但是它与卡关系密切。 对直流或低频信号，这个相位延迟一般不是问题。通道间的延迟远小于扫描周期， 看起来每个通道的采样是同时的。另外，编程软件l a b v i e w 能够提供高级采样程序以使 延迟最小化，通常通道间的延迟是微秒级的，因此，对系统的可靠性相对影响不大。 2 2 3a d 转换器的主要技术指标 ( 1 ) a d 转换器的主要技术指标 分辨率 分辨率越高，转换时对输入模拟信号变化的反应就越灵敏。分辨率通常用数字量 的位数来表示，如8 位、1 0 位、1 2 位及1 6 位等。分辨率位8 位，表示其可以对满 1 量程的音的增量做出反应。所以，n 位二进制数最低位具有的权值就是它的分辨率。 量程 量程即为a d 转换器所能转换的电压范围，如5 v ，i o v 等。 精度 精度有绝对精度和相对精度两种表示方法。常用数字量的位数作为度量绝对精度 的单位，如精度为最低位l s b 的1 2 ，及4 - 1 2 l s b 。若用百分比来表示满量程时的相 对误差，即为相对精度。 转换时间 指a d 转换器完成一次a d 转换任务所需要的时间。逐次逼近式单片a d 转换器 转换时间的典型值为1 0 2 0 0 us 。 输出逻辑电平 多为与t t l 电平配合。在考虑数字量输出与微处理器数据总线的关系时，应注意 是否要用三态逻辑输出，是否要对数据进行锁存等。 工作温度范围 大连理工大学硕士学位论文( 统招) 由于温度会对运算放大器和电阻i 稠络产生影响，故只有在一定温度范围内才甫保 证额定精度指标。工业级的转换器件工作温度一般为一4 0 8 5 摄氏度。 对基准电源的要求 基准电源的精度将对整个系统的精度产生影响，选片时通常应仔细考虑是否要外 加精密参考电源。 ( 2 ) 调零和增益校准 大多数转换器都要进行调零和增益校准，此项工作十分重要。多数数模和逐次 逼近式模数转换器一般都要先调零，然后校准增益，这样零点调节和增益调节之间 不会互相影响。对于一般的单片转换器，则要外接调零电路和增益校准电路。在进行 调零和增益校准时通常要使用精度和灵敏度较高的仪器。 2 2 4p c i 接口简介 因为本课题所用两块多功能卡均为p c i 总线架构，所以在此对p c i 总线技术规范 做一简单介绍。 从1 9 9 2 年创立规范到如今，p c i 总线已成为了事实上计算机的标准总线。从数 据宽度上看，p c i 总线有3 2 b i t 和6 4 b i t 两种：目前流行的是3 2 b i t 3 3 m h z ，而6 4 b i t 系统正在普及中。改良的p c i 系统p c i x ，最高可以达! i 6 4 b i t 1 3 3 m h z ，其可 得到超过i g b s 的数据传输速率田 。 ( 1 ) 基本概念 不同于i s a 总线，p c i 总线的地址总线与数据总线是分时复用的。这样做的好处 是，一方面可以节省接插件的管脚数，另一方面便于实现突发数据传输。在做数据传 输时，由一个p c i 设备做发起者( 主控i n i t i a t o r 或m a s t e r ) ，而另一个p c i 设备 做目标( 从设备t a r g e t 或s l a v e ) 。总线上的所有时序的产生与控制，都由m a s t e r 来发起。p c i 总线在同一时刻只能供一对设备完成传输，这就要求有一个仲裁机构 ( a r b i t e r ) ，来决定在谁有权力拿到总线的主控权。 ( 2 ) 即插即用的实现 所谓即插即用，是指当板卡插入系统时，系统会自动对板卡所需资源进行分配， 如基地址、中断号等，并自动寻找相应的驱动程序。而不象旧的i s a 板卡，需要进行 复杂的手动配置。 实际的实现远比说起来要复杂。在p c i 板卡中，有一组寄存器，叫“配置空间” ( c 0 n f i g u r a t i o ns p a c e ) ，用来存放基地址与内存地址，以及中断等信息。以内存地 基于虚拟仪器的电熔镁炉监测系统 址为例。当上电时，板卡从r o m 里读取固定的值放到寄存器中，对应内存的地方放置 的是需要分配的内存字节数等信息。操作系统要跟据这个信息分配内存，并在分配成 功后把相应的寄存器中填入内存的起始地址。这样就不必手工设置开关来分配内存或 基地址了。对于中断的分配也与此类似。 ( 3 ) 中断共享的实现 p c i 总线的中断共享由硬件与软件两部分组成。硬件上，采用电平触发的办法： 中断信号在系统一侧用电阻接高，而要产生中断的板卡上利用三极管的集电极将信号 拉低。这样不管有几块板产生中断，中断信号都是低：而只有当所有板卡的中断都得 到处理后，中断信号才会回复高电平。 软件上，采用中断链的方法：假设系统启动时，发现板卡a 用了中断7 ，就会将中 断7 对应的内存区指向a 卡对应的中断服务程序入口i s r a ；然后系统发现板卡b 也 用中断7 ，这时就会将中断7 对应的内存区指向i s r b ，同时将i s r - b 的结束指向 i s ra 。以此类推，就会形成一个中断链。而当有中断发生时，系统跳转到中断7 对 应的内存，也就是i s r b 。i s r _ b 就要检查是不是b 卡的中断，如果是，要处理，并将 板卡上的拉低电路放开；如果不是，则呼叫i s r a 。这样即完成了中断的共享。 2 3 串口通信 计算机与计算机或外部设备的信息交换称为通信。在进行串行通信时，数据按位 顺序传送。由于串行通信可以大大减少传输线，降低成本，所以在对传输速度要求不 太苛刻或距离较远的场合得到了广泛的应用。在虚拟仪器的构建中，串口设备的应用 占了相当大的比例。 i b m p c 及其兼容机是目前应用较广泛的一种计算机，通常用它作为分布式测控 系统的上位机，而单片微处理器和单片微控制器软硬件资源丰富，价格低，适合于作 下位机。上位机与下位机一般采用串行通信技术，常用的有r s - - 2 3 2 c 接口及r s - - 4 2 2 和r s 一4 8 5 接口 2 1 1 。 23 1r s - 2 3 2 0 串行通信接口 r s 一2 3 2 c 的连接插头用2 5 针或9 针的e i a 连接插头座，其主要端子分配如表2 1 所 不。 大连理工大学硕士学位论文( 统招) 表2 1r s - - 2 3 2 c 主要端子 t a b2 1t h e l l a i nt e r m i n a lo fr s 一2 3 2 c 端脚 方向符号功能 2 5 针9 针 23 输出 t x d发送数据 32输入r x d接受数据 47 输出 r t s请求发送 58输入c t s为发送清零 66输入d s r数据设备准备好 75g n d信号地 81 输入 d c d 2 04 输出 d t r数据信号检测 2 29输入r i r s - - 2 3 2 c 的标准是按负逻辑定义的，它的“i ”电平在一5 1 5 v 之间( 通常用 一1 2 v 表示) ，它的“0 ”电平在+ 5 + 1 5 v 之涮( 通常用+ 1 2 v 表示) ，这样采用 5 v 电源供电的t t l 平i c m o s 通信接口电路币1 3 r s - - 2 3 2 c 不能直接连接，需要进行电平转换。 由于r s - - 2 3 2 c 采用电平传输，在通信速率为1 9 2 k b i t s 时，其通信距离只有1 5 米。若 要延长通信距离，必须以降低通信速率为代价。 2 3 2r s - 4 8 5 串行通信接口 在一些工程实际中，如分散目标监控系统、数据采集系统、食堂售饭系统等自动控 制系统都存在多站、远距离通信的问题，在这些工业控制及测控领域中较为常用的网络 之就是物理层采用r s - - 4 8 5 通信接口【l 。 r s - - 4 8 5 接口采用二线差分平衡传输，其信号定义如下。 当采用+ 5 v 电源供电时： 若差分电压信号为一2 5 0 0 一一2 0 0 m v 时，为逻辑0 。 若差分电压信号为+ 2 5 0 0 一+ 2 0 0 m v 时，为逻辑“1 ”。 若差分电压信号为2 0 0 一+ 2 0 0 m v 时，为高阻状态。 数字信号的传输随着距离的增加和信号传输速率的提高，在传输线上的反射、串扰、 衰减和共地噪声等影响将引起信号的畸变，从而限制了通信距离。普通的丁r l 电路，由 于驱动能力差、输入电阻小，灵敏度不高以及抗干扰能力差，因而信号传输的距离短。 基于虚拟仪器的电熔镁炉监测系统 r s - - 2 3 2 接口电路的驱动能力要比t t l 电路大，抗干扰能力也大大提高了，但是r s - - 2 3 2 标准规定，驱动器允许有2 5 0 0 p f 的电容负载，因而通信距离受到此电容负载的限制，而 且r s - - 2 3 2 属于单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，故r s 一2 3 2 一般用于2 0 m 内的通信。 相对于r s - - 2 3 2 的通信距离短、抗干扰能力差等缺点，r s - - 4 8 5 具有网络连接方便。 抗干扰性能好、传输距离远等优点。r s 一4 8 5 收发器采用平衡发送和差分接收，因此具 有抑制共模干扰的能力，加上收发器具有高的灵敏度，能检测到低达2 0 0 n l v 的电压，可 靠通信的传输距离可达数千米。使用r s - - 4 8 5 总线组网，只需一对双绞线就可实现多系 统联网构成分布式系统，设备简单、价格低廉、通信距离长。 i b m - - p c 及其兼容机一般只提供r s - - 2 3 2 c 接口的串行通信，对r s 一4 8 5 则很少支 持，因此，本系统在使用p c 机作为上位机，使用了2 3 2 - - 4 8 5 的转接器，实现功率变送器 互连，同时，提供了系统强抗干扰的能力，这对氧化镁晶体冶炼现场的强磁场干扰有很 大削弱。 2 3 3 串行异步通信协议 无论是r s 一2 3 2 c ，还是r s 一4 8 5 均可采用串行异步收发协议。串行异步收发( u a r t ) 通信的数据格式如图2 6 所示。 起始位奇偶位 图2 6 审行异步通信数据格式 f i g2 6t h ed a t af o r m a to fa s y n c h r o n o u ss e r i a lc o m m u n i c a t i o n 若通信线上无数据发送，该线路应处于逻辑l 状态。当计算机向外设发送一个字符数 据时，应先送出起始位，随后紧跟着数据位，这些数据构成要发送的字符信息。有效数 据位的个数可以规定为5 ，6 ，7 或8 。奇偶校验位视需要设定，紧跟其后的是停止位，其 位数可在l ，i 5 ，2 中选择其一。 对串行通信模式的设定，本系统借助于硬件管理程序m a x 对通信进行配置，具体配置 方法将会在第四章有详细阐述。 大连理工大学硕士学位论文( 统招) 2 4 本章小结 本章首先从整体上设计了监测系统的结构图形，对网络化部分及数据采集部”并行 了集中阐述，初步说明了系统的硬件和软件部分，详细介绍t p c i 接口的数据采集卡所应 用的理论知识并解释了串口通信的方式选择问题。 基于虚拟仪器的电熔镁炉监测系统 第三章监测系统的硬件平台构建 3 1 硬件结构 如上一章所述，由于本晶体冶炼在线监测装置采用了虚拟仪器技术，该技术的核心 是用软件代替硬件，这并不是说不需要任何硬件支持，软件毕竟要建立在硬件基础之上。 之所以虚拟仪器的口号是“软件就是仪器”，主要是指传统仪器数据分析处理部分原来 用硬件( 如单片机、o s p 芯片等) 实现，而采用虚拟仪器技术后，这部分功能完全由软 件来实现。也就是说，在原始信号转换和采集部分仍和传统仪器一样，但只要将原始 信号以最小误差转换成计算机可处理的数字信号之后，其余