（测试计量技术及仪器专业论文）基于labview远程监测平台的研究.pdf

摘要 基于l a b v i e w 远程监测平台的研究 【作者简介】：徐宏坤，男，1 9 8 0 年8 月生，师从成都理工大学方方教授， 2 0 0 8 年6 月毕业于成都理工大学测试计量技术及仪器专业，获得工学硕士学位。 摘要 目前我国现代化生产中，对生产监测系统的性能要求越来越高，迫切需要 有先进的信号监测与处理技术做为保证。然而，传统设备技术相对还比较落后， 其测量精度和可靠性均低于国外，并且自动化程度较低，而许多花大量资金购 买的仪器设备，实际生产中往往只需要使用其中的一部分功能，有时难以满足 在特定环境下产生的功能需求，这无疑是大大浪费了投资。因此，如果能将这 些仪器稍做改动或通过更新软件设计以适用更多的使用场合，将具有相当重要 的实用意义和经济价值。 在计算机技术的推动下，以虚拟仪器技术为标志的通用化，智能化和网络 化测量控制系统得到了迅猛的发展，使得数据采集的设计方法和实现技术产生 了深刻的变化。监测系统一般由三大功能块组成：信号的采集与控制、数据的 分析与处理、结果的表达与输出。传统仪器的这些功能块都是以硬件的形式存 在的。虚拟仪器技术软件，将传统仪器的三大功能模块全部放在p c 机上来实 现，在p c 机插上数据采集卡，然后用软件在屏幕上生成仪器面板，用软件来 进行信号分析，在软件生成的界面上显示分析结果，实现传统仪器功能。本论 文的主要研究内容是在分析国内外虚拟仪器技术现状的基础上，结合实际工业 监测需要，利用基于l a b v i e w 的虚拟仪器技术，设计构建了具有一定通用性 的远程工业监测系统平台，实现信号参数的远程测量和现场视频监控。 本文对此次研制的监测系统平台从虚拟仪器的测量原理、系统结构和系统 性能等方面作了详细的论述。具体监测流程是：信号传送器将传感器采集的原 始信号调理后，转变为符合i e c 标准的标准信号，由信号采集模块采集，经机 成都理工大学硕士学位论文 箱p c i 接口将信号数据传送至计算机系统，最后由l a b v i e w 软件平台实现信 号的监测、处理和发布。系统由文件管理、参数设置、数据采集、数据处理、 结果显示、数据传输6 个功能模块组成，同时采用结构化、模块化设计，操作 简便、人机交互界面友好。本文并对平台各个组成部分进行了性能指标测试分 析，结果表明实现了基本功能要求，达到了预期的目标。 此外，本平台可根据实际情况进行扩充和剪裁，只需进行适当的软件更改 即可投入使用多种监测场合，对提高设备利用率，节约企业资金，提高生产效 率具有一定的实用价值。 关键词：l a b v i e w ；虚拟仪器；远程访问；视频监测 a b s t r a c t r e s e a r c hf o rl a b e w 书a s e dr e m o t em o n i t o r i n gp l a t f o r m i n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o r ：x u h o n g k u n ，m a l e ，w a sb o mi na u g u s t ，19 8 0 w h o s et i l t o rw a sp r o f e s s o rf a l l g f a i l g h e 铲a d u a t e d 丘o mc h e n g d uu i l i v e r s i t ) ro f t e c l l i l o l o g yi nm e a s u r e m e n tt e c l u l o l o g ya i l di n s t m m e n tm 句o ra n d 邯铲a i l t e dt h e m a s t e rd e g r e ei nj u n e ，2 0 0 8 a b s t r a c t a tp r e s e m ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc l l i n a sm o d e m i z a t i o no fp r o d u c t i o n ， m o i l i t o r i n gs y s t e m sr e q u i r e m e n to fp e r f o m l a n c eh a sb e c o m em o r ea n dm o r el l i g h e r t h e r ci sa nu i 芎e n tn e e do fa d v a i l c e ds i g n a lp r o c e s s i n gt e c l l i l o l o g yf o rm o m t o r i n g a n dc o n t r 0 1 h o w e v e r ，t h et r a d i t i o n a le q u i p m e n ti sr e l a t i v e l yb a c k w a r d s ，w i t ha l o 、e r d e 铲e eo fa u t o m a t i o n ， i t sa c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t ) ，a r ea l s ol o w e rt h a n a b r o a d s ，“n e e dt os p e n dal o to fm o n e yf o rt h ep u r c h a s eo fn e we q u i p m e n t s ，、) ，：1 1 i l e i nm ea c t u a lp r o d u c t i o n 、eo r e nc a i l tm a k e 如uu s eo fi t sa l l 胁c t i o n s ，加c hi s 铲e a t l y 、a s t e di n v e s t m e n t t h e r e f o r e ，i tw i l lh a v ei m p o r t a i l tp r a c t i c a l s i g n i f i c a l l c e a i l de c o n o m i cv a l u ei ft h e s ei n s t m m e n t sc a nb es l i g h t l ya l t e r e da n da d 印t e dt om o r e o c c a s i o n sb ye a s i l yu p d a t i n gs o r w a r ed e s i g nt ob em o r ea p p l i c a b l e w i t ht h ep r o m o t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，v i r t u a l i n s t n m l e n tt e c h n o l o g ya s am a u r ko ft h eg e n e r a la n di n t e l l i g e n tn e t w o r ko fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m h a sb e e nr a p i dd e v e l o p e d ，w h i c hm a k e sd a t ar e q u i r em e t h o d sa 1 1 dt e c l m o l o g i e s c h a i l g eg r e a t l y - m o i l i t o r i n gs y s t e mi ng e n e r a “sc o m p o s e db yt l l r e em 旬o r 如n c t i o n a l p a n s ：s i g i l a la c q u i s i t i o na l l dc o n t r o l ， d a t ap r o c e s s i n ga i l da 1 1 a l y s i s ， t h ed i 印l a ya n d o u t p u to fr e s u l t s t h et r a d i t i o n a l i n s t r u m e n t sa r em a d ei nt h ef o m o fh a r d w a r en o t s o r w a r ea sv i r r t u a li n s t n l m e n tw h i c hr e a l i z et h et h r e em 句o r 如n c t i o no np cw i t ha d a t aa c q u i s i t i o nc a r d ，i tu s e st h es o r w a r et og e n e r a t ev i r t u a le q u i p m e n tp a n e l sf o r s i g n a ld i s p l a ya n da n a l y s i s t h i st h e s i s d e s i g n sa nu n i v e r s a lr e m o t ei n d u s t r i a l m o n i t o r i n gs y s t e mp l a t f o n nb yl a b v i e wv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g yo nm eb a s i s o ft 1 1 ea n a l y s i so ft h es t a t u si nc o u i 】l t 巧a n da b r o a d nc a i lb eu s e df o rt 量l er e m o t e v i d e om o n i t o r i n ga n ds i g n a lp a r a l i l e t e r sm e a s u r e m e n t 1 1 l i st h e s i sm a i n l yd i s c u s s e st h em e a s u r i n gp r i n c i p l eb a s e dv i r t u a li n 曲m m e n t ， t h es y s t 锄s 缸r l l c t u r ea 1 1 dp e r f o m a l l c eo f 仕l em o n i t o r i n gp l a t f i o 肌t h ep r o c e s si s ： s e n s o ra c q u i r e st h eo r i g i n a ls i 印a lm e ns e n di t t ot h es i g l l a lt r a n s m i 讹rw 1 1 i c h c o n d i t i o n i n gt h es i 印a la c c o r d i n g t oi e cs t a n d a r d sf o rt h es i g l l a la c q u i s i t i o n m o d u l e ，t h e nb yp c ii n t e r = f a c ei n t ot h ec o m p u t e rs y s t e m ， r e a l i z es i g l l a lm o m t o r i n g a i l dp r o c e s s i n gi nl a b v i e ws o f h 瞰e i h ep l a t f o mi sc o m p o s e db yt h ed o c u m e m m a n a g e m e n ts y s t e m ， s e t t i n g so fp a r 锄e t e r s ， d a t aa c q u i r e m e n t ， d a t ap r o c e s s i n g ， d a t at r a l l s m i s s i o nm o d u l e s t h ep r o g a l l m ei sd e s i g n e di nas t m c t u r e d ， m o d u l a r m e t h o r d ，研t has i r n p l ea n d 衔e n d l ym a i l m a c l l i n ei n t e r a c t i o n t l l i st h e s i sa n a l y s i s a 1 1 dt e s te a c hc o m p o n e n t s sp e r f o r m a i l c ea i l dp a r 撇e t e r s ，t h er e s u l ti n d i c a t et h a ti t a c l l i e v e st h eb a s i cf h n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，a n df u l l f i l l st h ed e s i r e do b je c t i v e s i na d d i t i o n ，t h ep l a t f o 肌c a l lb ee x p a n d e do rc l i p p e da c c o r d i n gt ot h ea c t u a l s i t u a t i o n ，j u s tn e e das i m p l ec h a n g ei ns o r w a r et ob ep u t i n t ot h ea p p l i c a t i o nf o ra v a r i e t yo fm o l l i t o r i n go c c a s i o n s i th 2 l ss o m ep r a c t i c a lv a l u e s ，s u c ha sc a i lb eu s e df o r i i n p r o v i n ge q u i p m e n t su t i l i z a t i o n ，s a v i n gb u d g e t s ，i n c r e a s i n gp r o d u c t i o ne m c i e n c y k e y w o r d s ：l a b v i e w ；v i r n j a li n s t r 啪e n t ； r e m o t ea c c e s s ；v i d e om o n i t o r i n g i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含为获得盛都理工太堂或其他教 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。 学位论文作者签名：枪骧协r 四年f 月；。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛壑堡王太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛壑堡王态堂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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：徐 学位论文作者导师签名： 骧坤 豸豸l 矿g 年 r 月 扣 同 第1 章引言 第1 章引言 1 1 选题依据及研究意义 随着科学技术的发展，我国正在由传统的粗放型大生产向高科技的集约型现 代化产业迈进，对生产过程监测的要求越来越高，这就迫切需要有先进的监测技 术与控制技术做为保证【l 】。在我国，传统设备技术相对还比较落后，其测量精度 和可靠性均低于国外，并且自动化程度较低，有大批陈旧的检测系统设备需要更 新。对于工业自动化( f a ) 中大型分布式控制i 0 系统设备，p x i 实时控制器， 楼宇自动化( b a ) 中支持m o d b u s r t u 的自动控制器( p a c ) ，核工程中放射性 粒子等高频快速信号的捕捉与分析，需要具有数以g 级h z 的高速采样能力的板 卡为支持，而这些设备的引进每年都消耗国家大量外汇，并且，花大量资金购买 的仪器，实际工作中只需要使用其中的一部分功能，同时有些其他应用的功能要 求，该仪器却满足不了。这些情况无疑是大大浪费了投资。因此，如果能将这些 仪器稍做改动或通过更新软件设计以适用更多的使用场合，具有相当重要的实用 意义和经济价值。 在计算机技术的推动下，以虚拟仪器技术为标志的通用化智能化和网络化测 量仪器及测量系统得到了迅猛的发展，使得数据采集的设计方法和实现技术产生 了深刻的变化【2 】。监测仪器一般由三大功能块组成：信号的采集与控制、信号的 分析与处理、结果的表达与输出。传统仪器的这些功能块都是以硬件的形式存在 的。虚拟仪器系列化软件，将传统仪器的三大功能块全部放在p c 机上来实现， 在p c 机插上数据采集卡，然后用软件在屏幕上生成仪器面板，用软件来进行信 号分析，在软件生成的界面上显示结果，实现传统仪器功能【3 j 。也就是利用计算 机丰富的软硬件资源，用户可以随心所欲地根据自己的需求，设计相应的测控系 统，满足实际生产生活中多种多样的应用需求，再也不必将自己封闭在功能崮定、 性能单一而且价格昂贵的传统仪器中。虚拟仪器系统作为一种基于计算机技术的 新型仪器仪表系统，具有功能强、精度高、测量速度快、自动化程度高和良好的 人机界面等诸多优点，特别是它高度的灵活性，以及标准化总线和网络化、软件 化的仪器开发平台，为设计具有易用好、通用性强、较好的可维护性的过程控制 系统和工业自动化系统提供了优秀的解决方案。 在绝大多数的控制过程罩遇到的信号，其输入或输出，一般都是低频的或直 流的模拟信号，或是数字开关信号，在过程控制巾，简单的传感器( 如热电偶) 成为基本元件，连接主器件的信号凋节器称为传送器，我们从传送器采集信号， 成都理工大学硕士学位论文 即采集的是经传送器调理后的信号，根据i c e ( 国际电工委员会) 标准，模拟传 送器接收的检测信号、控制信号及被控信号一般采用0 1 0 ma 或4 m a 2 0 i n a 的电流回路，而电压信号的范围一般为1 v 5 v ，o v 5 v 和0 v 1 0 v 【剞。i c e 标准的建立，使过程信号有了一个相对统一的量化，同时也极大地方便了测控系 统中信号采集部分的设计。 为了满足现代化生产的需求，本论文研究了虚拟仪器技术及l a b v i e w 集成 开发环境，设计构建了具有一定通用性的工业过程监测系统平台，对于各种过程 信号，经信号调理转换为符合i c e 的标准信号，都可以利用本系统平台进行多路检 测，处理，另外本系统具有报警上下限设置，临界状态记录存储检索，远程网络 访问，视频监测等功能，并且操作简单，界面直观，扩展性适用性强。 1 2 研究现状 1 2 1国内外研究现状 目前，世界上工业监测技术正在向智能化、集成化【5 】和网络化【6 】方向发展。 ( 1 ) 以工业p c 为基础的低成本工业控制自动化l7 j 将成为主流 众所周知，从2 0 世纪6 0 年代开始，西方国家就依靠技术进步( 即新设备、 新工艺以及计算机应用1 丌始对传统工业进行改造，使工业得到飞速发展。在我 国，中小型企业以及准大型企业走的还是低成本工业控制自动化的道路。工业控 制自动化主要包含三个层次，从下往上依次是基础自动化、过程自动化和管理自 动化，其核心是基础自动化和过程自动化。传统的自动化系统，基础自动化部分 基本被p l c 和d c s 所垄断，过程自动化和管理自动化部分主要是由各种进口的 过程计算机或小型机组成，其硬件、系统软件和应用软件的价格之高令众多企业 望而却步。 2 0 世纪9 0 年代以来，由于工业计算机( 简称i p c ) 的发展，以i p c 、i o 装置、 监测装置、控制网络组成的p c b a s e d 的自动化系统得到了迅速普及，成为实现 低成本工业自动化的重要途径。由于基于p c 的控制器被证明可以像p l c 一样可 靠，并且被操作和维护人员接受，基于p c 的控制系统易于安装和使用，有高级 的诊断功能，为系统集成商提供了更灵活的选择，所以，制造商至少在部分生产 中正在采用p c 控制方案。从长远角度看，p c 控制系统维护成本将会更低。 ( 2 ) p l c 在向微型化、网络化、p c 化【8 j 和开放性方向发展 长期以来，p l c 即可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，始终处于 工业控制自动化领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控 制方案，与d c s 和工业p c 形成了三足鼎立之势。同时，p l c 也承受着来自其 2 第1 章引言 它技术产品的冲击，尤其是工业p c 所带来的冲击。当前，过程控制领域最大的 发展趋势之一就是e t h e m e t 技术的扩展，p l c 也不例外。现在越来越多的p l c 供应商开始提供e t h e m e t 接口。可以相信，p l c 将继续向开放式控制系统方向转 移，尤其是基于工业p c 的控制系统。 ( 3 ) 面向测控管一体化设计的d c s1 9 j 系统 集散控制系统d c s ( d i s 仃i b u t e dc o m r o ls y s t e m ) 问世于1 9 7 5 年，小型化、多 样化、p c 化和开放性是未来d c s 发展的主要方向。目前小型d c s 所占有的市 场，己逐步与p l c 、工业p c 、f c s 共享。今后小型d c s 可能首先与这三种系统 融合，而且“软d c s ”技术将首先在小型d c s 中得到发展。p c - b a s e d 控制将更 加广泛地应用于中小规模的过程控制，各d c s 厂商也将纷纷推出基于工业p c 的小型d c s 系统。开放性的d c s 系统将同时向上和向下双向延伸，使来自生产 过程的现场数据在整个企业内部自由流动，实现信息技术与控制技术的无缝连 接，向测控管体化方向发展。 ( 4 ) 控制系统j 下在向现场总线( f c s ) o 】方向发展 由于3 c ( c o m p u t e r 、c o n t r o l 、c o m m u n i c a t i o l l ) 技术的发展，过程控制系统将 由d c s 发展到f c s ( f i e l d b u sc o n t r o l ss y s t e m ) 。f c s 可以将p i d 控制彻底分散到 现场设备( f i e l dd e v i c e ) 中。基于现场总线的f c s 又是全分散、全数字化、全开 放和交互操作的新一代生产过程自动化系统，它将取代现场一对一的4 2 0 i l 认模 拟信号线，给传统的工业自动化控制系统体系结构带来革命性的变化。 此外，目前虚拟仪器技术发展很快】，从二十世纪7 0 年代的g p i b ，到8 0 年代出现v x i ，再到9 0 年代出现的p c i 总线成为主流产品，直到1 9 9 7 年n i 公 司推出了p x i 测平台，目前是多种平台共存的状态。 在美国虚拟仪器系统及其图形编程语言，己作为理工科学生的一门必修课 程。美国的斯坦福大学等许多工科类大学都要求学生在实验时能够应用虚拟仪器 进行数据采集和实验控制。 n i 是世界上最大的虚拟仪器制造商，从n i 的发展规模可以看出虚拟仪器的 发展状况，世界5 0 0 强的企业中有8 5 的制造控制性企业在应用n i 的产品，全 世界超过5 0 0 0 个实验室在利用l a b v i e w 和虚拟仪器教学生们使用最新的测量 和设计技术。 在国内，清华大学、上海交通大学、四川大学等许多高校引进了虚拟仪器设 备，并在原有的基础上，开发了一批新的虚拟仪器系统进行教学与科研活动。清 华大学核能与新能源技术研究院利用n i 公司的l a b v i e w 虚拟仪器软件刀：发平 台和p x i 1 0 1 ，n i 一6 0 3 1 等d a 0 数据采集卡，开发出大型双塔4 效核能海水淡化 实验平台用于海水淡化米解决淡水危机l l2 | 。此外，国内已有几家仓业在研究p c 3 成都理工大学硕士学位论文 虚拟技术，目前，凌华、研华、研祥等诸多工控公司也纷纷踏入到虚拟仪器硬件 的行业中来，开发以虚拟仪器开发平台的测控系统。 1 2 2 目前远程虚拟技术开发方案分析 基于da t a s o c k e t 技术的远程测控方案【1 3 】，da _ t a s o c k e t 使用一种增强型数据 类型来交换仪器类型的数据，其遵循t c p i p 协议，并为低层通信协议提供了统 一的a p i 函数，使用这种技术可以很容易地在互联网上实现高速实时数据交换。 借助它可以在不同的应用程序和数据源之间共享数据并进行实时数据( “v e d a _ t a ) 的传输并访问本地文件以及h t t p 和f t p 服务器上的数据。优点是 d a t a s o c k e t 定义了一个测控数据传输协议，编程人员无需为不同的数据格式和通 信协议编写具体的通信程序代码，从而利用这种方法可以达到很高的数据传输效 率，实时性能相当好。缺点是它只能实现c s 模式而不能实现b s 模式，需要同 时开发服务器端程序和客户端程序，客户端控制功能太弱，尚有待加强。 基于a c t i v ex 实现方案【1 4 】，a c t i v ex 控件技术是c o m ，a c t i v e x 技术的重 要组成部分，是c o m 技术在i n t e m e t 上的扩展。a c t i v e x 是一种可以在应用程 序和网络计算机上重复使用的程序对象。它的优点是开发效率高，而且一旦程序 下载成功，比起同样功能的j a v a 程序具有更高的执行速度和效率，占用的系统 资源也相对比较少；但是，实验证明，它生成的a c t i v e x 控件程序的尺寸比j a v a 程序要大许多，客户端需要花费大量的时间来下载这个程序。 基于j a v aa p p l e t 技术【1 5 】，客户端由两个部分组成，一个是网络浏览器，另 一部分则是嵌入到浏览器页面中运行的j a v aa p p l e t 程序，客户端通过i n t e m e t 和支持j a v a a p p l e t 的浏览器来访问服务器，自动下载并运行a p p l e t 。服务器端 由w 曲服务器、l a b v i e w 程序和d a t a s e n ，e r 三部分组成。w 曲服务器为客户 端提供w w w 服务，使得客户端能够通过浏览器访问服务器。l a b v i e w 程序 负责服务器端的现场测控。而d a t as e r v e r 一方面同客户端j a v a a p p l e t 程序建 立网络连接，作为a p p l e t 程序的数据服务器，按受客户端a p p l e t 程序的请求 并传送数据；另一方面又负责响应a p p l e t 程序的请求，以客户方式对l a b v i e w 程序进行相应的控制。其优点是可以实现b s 模式，只需开发服务器端程序，开 发效率高，客户端无须下载插件，程序较小便于下载执行；缺点是图像质量差， 动态显示有跳动感不连续。 基于a p p l e t v i e w 组件技术实现的远程测控方案【1 6 j ，a p p l e w i e w 开发包 的一部分是v t t p 服务器，它负责处理本地仪器和远端仪器的经由w 曲的通 信。在服务器端的仪器系统里，它作为l a b v i e w 程序运行，提供了一个在 a p p l e t v i e w 子仪器和远端仪器之间的接口界面。此服务器管理经过 4 第1 章引言 a p p l e t v i e w 子仪器的来自以及送入虚拟仪器的数据，并且通过j a v a a p p l e ti d 以及一组数据管道在本地仪器和远端仪器间进行通信，在远端可以监控本地仪器 的运行状态。a p p l e t v i e w 可以实现b s 模式，是第三方开发的远程测控专用组 件，为远程测控系统提供了可视化开发环境，能把l a b v l e w 仪器面板自动生成 j a v a 仪器面板，所以具有很高的开发效率。而且，数据的传输是基于s o c k e t 的 一种传输方式，具有较高的数据吞吐量，缺点是需要修改本地测控程序，并在本 地v i 程序中调用a p p l e t v i e w 提供的一些网络控件v i ，来与浏览器端的j a v a 程 序通信实现网络测控。 1 2 3 发展趋势 虚拟仪器技术突破了传统仪器的局限，可以将许多信号处理方法方便地应用 于各种测量中，并为自动化和网络化测量创造了条件。早期主要应用于军事，航 空，航天等领域，现在已经越来越多地出现在工厂及其他民用场合【i7 1 ，国内将有 大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测和监控。虚拟仪 器技术的提出与迅猛发展，标志着本世纪自动测试、测控与电子测量仪器领域技 术发展的一个重要方向【1 引。随着微型计算机的发展，虚拟仪器系统将会逐步取 代传统的测试、测控仪器系统而成为测试、测控仪器系统的主流。 同时继“软件就是仪器”的概念之后，出现了“网络就是仪器”的新观念。 远程虚拟仪器就是虚拟仪器在网络领域的扩展。远程虚拟仪器技术结合了虚拟仪 器技术与网络技术，将虚拟仪器的应用范围拓展到整个i n t e m e t 网上，使信号采 集、传输和处理一体化，一方面可以使许多昂贵的硬件资源得以共享，充分利用 现有的资源；另一方面还有利解决远程过程分析与诊断中的难题。因此构建基于 i n t e m e t 上的远程虚拟仪器监测系统已经成为虚拟仪器应用发展的一个重要的环 节和方向。 1 3 主要研究内容 本研究的目标是在分析虚拟仪器的国内外现状的基础上【1 9 。2 9 】，结合实际工 业测量监测中的需要，利用了基于l a b v i e w 的虚拟仪器技术设计构建了具有一 定通用性的工业监测系统平台。具有信号采集，视频监测，信号参数检测，信号 处理，信号监控，信号存储与查询，及远程访问等功能，及操作简单，界面直观， 扩展性适用性强等特点。 本人的 要研究t 作有： ( 1 ) 基于l a b v i e w 的虚拟仪器技术的研究； ( 2 ) l 二1 前国内外工业监测技术的研究与分析； 成都理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 监测平台总体方案结构设计； ( 4 ) p c i 一17 1 3 采集模块的安装，驱动及调试； ( 5 ) l a b v i e w 平台下信号采集，计算分析，存储功能设计； ( 6 ) h 烈d a ic 5 1 8 视频采集融合设计； ( 7 ) 平台网络发布与远程访问h t m l 程序设计； ( 8 ) 系统的各个模块及整体结构整合，调试。 1 4 预期研究成果 不： 完成了监测平台的系统设计，包括软硬件设计和性能测试工作。具体如下所 ( 1 ) 利用虚拟仪器技术，设计构建总体平台框架。 ( 2 ) 完成参数监测、信号时域频域分析、数据调用存储等软件模块设计。 ( 3 ) 完成了p c i 一1 7 1 3 采集模块，h j n d a ic 5 1 8 视频模块等硬件的安 装，驱动，融合设计与调试。 ( 4 ) 实现对0 1 0 k 频率范围信号的视频监测与远程分析。 第2 章系统研究 第2 章系统方案设计 2 1 远程监测平台功能要求及目标 工业监测技术【3 0 j 是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术， 对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提 高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术。 由前面对监测技术现状及发展需求的讨论分析，本论文通过将虚拟仪器技术 引入到过程监测中，运用其直观的图形化编程环境，强大的信号处理能力，设计 构建了具有一定通用性的工业过程监测平台，主要包括工业自动化软件、硬件和 计算机系统三大部分。在普通测试系统具有多路信号的检测的基础上，增加时域 频域分析处理，及临界状态数据库存储检索，远程网络远程访问监测等功能，可 用于分析工业过程控制中，温度、湿度、液位及压力等信号的监测，这些信号是 最为常见也是最为重要，特别是在压力或温度等要求精确、稳定的控制量中，控 制的好坏直接影响生产过程的顺利与否及产品的质量，所以好的控制策略的制定 尤为关键，可以对企业中生产效率和生产质量有明显的提升作用【3 l 】。并且具有 操作简单，界面直观，扩展性适用性强等特点，可根据需要随时变换被测信号， 便于提高测试设备的使用效率。 2 2 远程监测平台系统结构 原始 j 信号 刊焉h b l a b v i e w 1入远程计 信号 叫 竽锄e 侈 算机访 传送器 监测发布 问棒斋i 侗上73 厢t 、4 由n ，、! 士见物捌9 试邵分 ! l 图2 1 ：信号监测总体流程图 如图所示，信号传送器将传感器采集的温度位移转速等原始信号调理后，转 变为符合i e c 标准的被测信号，由信号采集卡采集，经过机箱p c i 插槽将信号 数据传送至计算机系统，最后由l a b v i e w 软件平台实现信号的监测与处理。 7 成都理工大学硕士学位论文 2 3 系统硬件方案部分 本系统的硬件主要有：研华p c i 1 7 1 3 数据采集模块和相关计算机设备等( 参 见图1 ) ，数据采集卡的具体参数为： 通道：3 2 路单端或1 6 路差分 分辨率：1 2 位 最高采样速率：1 0 0 k s s 卡上f i f o ：4 k 采样 转换时间：2 5 “s 输入范围：双极性：士o 6 2 5 v ，士1 2 5 v ，士2 5 ，士5 v ，士1 0 v 单极性：o 1 2 5 v ，o 2 5v ，o 5 v ，o 1 0 v 最大输入过载电压：士3 0 v 线性误差：士1 l s b 漂移：3 0 p p m o c ( o 6 0 0 c ) 典型值 输入阻抗：1 g q 通过本采集卡可实现最多3 2 通道信号的实时采集监测，并且支持符合多种 电压标准的被测信号，具有一定的适用性，扩展性和可靠性。硬件部分要做的工 作主要是模拟信号与采集卡及计算机之间的衔接和通信，即采集卡的信号接口， 与计算机p c i 插槽的连接与调试。由于采集卡为非n i 公司的板卡，在l a b v i e w 对采集卡的驱动和通信方面还需要进行检测与调试。 2 4 系统软件方案设计 软件部分是课题研究的主要内容，软件是虚拟仪器测试系统的重要组成部 分。现从横向和纵向分别加以阐述。 软件部分 l 文糊参数设置数据采集数据处理结豚数据传瑜 liii 数数硬采信时频报 实 迈迈 据据 件样 号域域 墼 时程程 存 查 设设测 处处 设 显发访 储询置置 量理理置不布 问 图2 - 2 软件功能模块图 8 第2 章系统研究 从横向来看，在功能层上，包括文件管理、参数设置、数据采集、数据处理、 结果显示、数据传输6 个功能模块。 采集部分包括信号采集中设备，通道号，采样率，采样数量，触发方式等的 选择。通过本模块，可以对不同信号采用不同的采样和触发方式，从而使本系统 能够根据需要适用于工程技术领域的不同测量工作。例如在对液位等变换缓慢的 信号可采用较低的采样率节省存储空间，而对于电力系统中涉及到突发测量则需 要采用触发采集高速采样才能进行后期的信号的分析处理。 信号参数检测部分包括信号周期，频率，峰峰值，有效值，平均值，脉冲参 数的测量。系统对信号参量的检测是比不可少的，本系统能够以实时数据形式、 数据表格形式、图形形式等多种方式形象直观地向操作者显示测试结果。 信号处理部分包括信号的平滑及滤波处理，频谱分析，包括相关分析，傅立 叶变换等。从外界环境采集的信号难免会收到各种各样的噪声和干扰杂波的影 响，这对必然降低系统的准确性和可靠性，所以设计了信号滤波等处理模块，增 强系统对外界环境的适用性。 信号监测部分包括信号临界值的设定和报警提醒及临界状态记录等。对于各 种环境的监测，最终是防止和降低异常信号带来的损失，在本模块中通过对临界 状态的设置，实现对异常的早期发现和及时处理，并记录临界时详细状态，便于 之后分析，采取措施，避免问题的再次发生。 信号存储与查询部分包括波形的存储，临界状态参数的查询等。本系统通过 数据库的操作，实现各种状态数据的电子记录，查询，具有规范化，直观化的特 点，可有效避免人工记录时的书写错误。便于建立档案，及以后查阅分析。 远程访问部分包括通过互联网实现监测信号的远程访问和发布。实际生产中 难免会出现这样那样的问题，并且经常设计设备的专家也不一定能够及时赶到现 测试管理层 仪器功能层 仪器驱动层 i 0 接口驱动 硬件采集设备 图2 3 软件层次结构图 场，都很难是否能够以最短的时间解决问题，直接影响企、比的经济利益，因此， 本系统设计的远程访问模块，号家可以在很方便地通过互联网来分析诊断，及时 9 成都理工大学硕士学位论文 解决问题，此模块在其他监测系统中较少使用，同时也是具有现实意义的【3 2 琊】。 从纵向来看，虚拟仪器软件开发必须采取分层设计，以便于代码复用。该软 件在纵向上一般分为四个层次：测试管理层、虚拟仪器功能层、仪器驱动层和i o 接口驱动层。 1 的接口驱动层。直接控制硬件的软件层，它和硬件、计算机操作系统密 切相关，现在计算机普遍使用的是晰n d o w s 操作系统，而w i n d o w s 为保证其系 统的稳定性，不允许应用程序直接对加端口操作，必须编写符合w i n d o w s 标准 的驱动程序。 2 仪器驱动层。该层按仪器功能分类函数库，完成i 0 接口驱动层与虚拟仪 器功能层的连接，它是联系高层软件与硬件的重要保证。 3 虚拟仪器功能层。它采用计算机组件技术( a c t i v e x 控件、对象链接与嵌 入即o l e ) 与虚拟仪器技术相结合，完成虚拟仪器前面板设计及仪器功能。这种 方式极大地方便了虚拟仪器的组建并提高了可重用性。利用组件技术还可以将应 用程序与其它基于w i n d o w s 的系统集成起来，允许用户添加不同的测量功能， 例如：软件定时采样、硬件中断与w i n d o w s 多线程结合、d m a 数据传输等，它 解决不同速率数据采集和数据处理、数据实时显示等问题。 4 测试管理层。采用动态连接库( d l l ) 技术实现测试管理层的功能，动态连 接库是w i n d o w s 下允许在应用程序运行时调用的函数库，把数据采集控制、信 号的分析与处理、数据的管理、自动调节、自动校准、测试报告生成等软件功能 模块都放在d l l 中，供应用程序即用即调。 对于本系统各个模块的设计，是在研究和分析相关监测系统的基础上，加以 借鉴和综合及补充，利用了l a b v i e w 强大的编程和信号处理优势，实现对多路 信号的监测。在实际应用时，可根据实际情况进行扩充和剪裁，只需进行适当的 简单更改设置即可投入使用，对提高设备利用率，节约企业资金，提高生产效率 具有一定的实用价值。 l o 第3 章硬件研究 第3 章硬件参数设置 3 1p c i 1 7 1 3 采集模块概述 p c i 1 7 1 3 是一款p c i 总线的隔离高速模拟量输入卡。它提供了3 2 个模拟量 输入通道，采样频率可达1 0 0 k s s 、1 2 位分辨率及2 5 0 0 v ( d c ) 的直流隔离保 护。 1 灵活的输入类型及范围 p c i 1 7 1 3 有一个自动通道增益扫描电路。在采样时，这个电路可以自己完 成对多路选通开关的控制。卡上的s 删存储了每个通道不同的增益值及配置。 这种设计能让您对不同通道使用不同的增益，并采用单端和差分输入的不同组合 方式来完成多通道采样。 2 高速数据采集 p c i 1 7 1 3 的采样速率可达1 0 0 k s s 。卡上带有一个f i f o 缓冲器，它能存储 4 k 的采样值。当f i f o 半满时，p c i 1 7 1 3 会产生一个中断。该特性提供了连续 高速的数据传输及w i n d o w s 下更可靠的性能。 3 支持软件，内部定时器及外部定时器触发 对于加转换，p c i 1 7 1 3 支持三种触发模式：软件触发、内部触发和外部 触发。软件触发能允许用户在需要的时候可以获得一个采样值；内部定时器触发 用于连续、高速的数据采集。p c i 1 7 1 3 还可以接受外部触发，允许与外部设备 进行同步采样。 4 满足隔离保护的要求 p c i 1 7 1 3 在输入和p c i 总线之间提供了2 5 0 0 v d c 的直流光隔离保护，用于 保护p c 及外设免受输入线上高压电的损害。对于那些预算比较紧张而又要求数 据采集系统灵活、稳定并带高级隔离保护的用户来说，p c i 1 7 1 3 是一个理想的 选择。 5 特点 1 2 5 0 0 v d c 隔离保护 2 3 2 路单端或1 6 路差分模拟量输入，或组合输入方式 3 1 2 位a ，d 转换 4 刖d 转换器的采样速率可达10 0 k s s 5 每个输入通道的增益可编程 6 ，卡上4 k 采样f i f o 缓冲器 7 支持软件、内部定时器触发或外部触发 成都理工大学硕士学位论文 8 自动通道增益扫描 6 规格 模拟量输入 通道：3 2 路单端或1 6 路差分 分辨率：