（电工理论与新技术专业论文）基于虚拟仪器的工厂安全监测系统.pdf

大连理工大学硕士学位论文 a f a c t o r ys e c u r i t ym o n i t o 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 s a b s t r a c t r a p i di n d u s t r yd e v e l o p m e n tr e q u i r e sm o r ee x c e l l e n ts e c u r i t ym o n i t o r i n gs y s t e mi n t h e f a c t o r y b u tt h et r a d i t i o n a ls e c u r i t ym o n i t o r i n gs y s t e ms u c ha st h e f t p r o o f d o o r sc a d ts a t i s 分t h e h i g h e rr e q u i r e m e n ti n c r e a s i n g l y t h u si ti sn e c e s s a r yt oi m p o r tc o m p u t e rt e c h n o l o g yi n t ot h i s f i e l d v i r t u a li n s t r u m e n t sn 3 a k eg o o du s eo fc o m p u t e rt e c h n o l o g yt oi m p l e m e n to re n h a n c e t r a d i t i o n a li n s t n m l e n t s t h e r e f o r e ，i ti sa g o o d i d e at h a tw e d e s i g nas e c u r i t ym o n i t o 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 s n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p o m f i o n ( n ov i r t u a li n s t r u m e n t ss o f t w a r ed e v e l o p m e n tw o r k b e n c h l a b v i e wh a sb o t hc h a r a c t e r i s t i c so ft r a d i t i o n a la d v a n c e dp r o 冒鲫a m j i l gl a n g u a g e sa n ds 缸 o n g e n g i n e e r i n gs u p p o r t s os y s t e md e v e l o p m e n tb a s e do nv i i 删i n s t r u m e n t st e c h n o l o g y c a r ln o t o n l ys a v e t i m eg r e a t l yb ma l s oe n h a n c et h ee f f i c i e n c ya n d e x p a n s i b i l i t y o f t h es y s t e m s e a m l e s s i n t e r f a c eb e t w e e ns y s t e mh a r d w a r ea n ds o m v a 】r ei si m p l e m e n t e db yu s i n gn i sd a t aa c q m s m o n c a r dw h i c hi sf u l l yc o m p a t i b l ew i t hl a b v i e w a c c o r d i n g t ot h e f a c t o r ys e c u r i t yr e q u i r e m e n t s o fl i a o n i n gz h o n g d as u p e r c o n d u c t i o n c o m p a n y ，t h i sp a p e rp r e s e n t sa n dd e s i g n st h es e c u r i t ym o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nv i r t u a l i n s t r u m e n t s t h et h e f l p r o o f m o n i t o r i n ga d o p t sd o u b l e - i n s p e c t o n d e t e c t o rw h i c hi s c o m p o s e d o f p y r o e l e c t f i c i n f r a r e d s e n s o ra n dm i c r o w a v es e n s o r a n df i r e p r o o fm o n i t o r i n ga d o p t s t e m p e r a t u r e s e n s o ra n dc a r b o nm o n o x i d es e n s o r t h e p u r p o s e o f t h ef r o n te n dd e t e c t o r a d o p t i n g s e v e r a lk i n d so fs e n s o r si st oe n h a n c et h es y s t e mr e l i a b i l i t ya n da n t - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y m e a n w h i l ed u s tm o n i t o r i n gi sd e s i g n e db a s e do ni n f r a r e ds c a t t e r i n go nd u s t t h ef i l e da n a l o g o u t p u ts i g n a l s o f f r o n t e n d d e t e c t o r s 黜c o n v e t t e d t o d i g i t a ls i g n a l s b y n i s d a t a a c q u i s i t i o n c a r d p c i 6 0 2 3 e d i 垂t a ls i g n a l s a r et h e np r o c e s s e d ，d i s p l a y e da n ds t o r e db yv i r t u a li n s t r u m e n t s s o t t w a r cl a b v i e w t h es y s t e md e s i g nd e s c r i b e di nt h ep a p e ri sf e a s i b l ea n db a s i cs y s t e mf u n c t i o n s a l e i m p l e m e n t e d s y s t e m u n d e rt e s th a s g o o dr e l i a b i l i t y a n dm a i n t a i n a b i l i t y ，t h e r e f o r el a y s f o u n d a t i o nf o rb e t t e r m e n ta n dp r o d u c t i o na n dp r o v i d e sv a l u a b l ee x p e r i e n c ef b r 也ef - m e r d e s i g n o f f a c t o r ys e c u r i t ym o n t o r i n gs y s t e m 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 ；d a t aa c q u i s i t i o n ；m o n i t o r i n gs y s t e m 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：监眺 p 日j 。| 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景 伴随着工业发展及人口流动，工厂的防盗问题日趋突出，同时工厂环境中存在蓑失 火、粉尘等诸多不安全因素，而且上述不安全因素一旦引发事故，后果往往非常严重。 阻此，建立工厂安全监测系统十分必要。开发设计安全监测系统用以监测工厂环境下存 在的各种不安全因素，不仅对于保障安全生产、提高企业的经济效益具有重要作用，同 时也具有一定的社会效益。 正因为这种必要性的存在，现今的工厂中有各种各样的安全监测产品在应用。然而， 相当一部分安全监测产品由于各种原因存在不少问题，主要表现在： 缺乏对多种不安全因素的综合监测分析能力：工厂环境下的不安全因素( 如盗情、 火情和粉尘) 是多种多样的。因此，单一功能的监测只表明某项因素的异常，却忽略了 对其它不安全因素的监测，这使得不安全因素发生的漏报率无法有效降低，进而影响了 紧急情况下快速准确的决策调度。 不能有效地记录安全监测的实时状况：而有效记录安全监测的实时状况的好处显而 易见。它可以形成完整的安全备案，为事后处理提供证据；同时对于工厂环境，监测记 录厂房内的粉尘含量还可以为日后制定环保安全标准提供宝贵的数据参考。 分析一下不难看出，传统的安全监测产品之所以存在上述问题，非常重要的一个原 因就是这些产品没有把监测硬件和计算机结合起来。所以，在计算机技术迅猛发展的今 天，要想解决上述问题，并能让安全监测系统具有开放性、兼容性可不断更新性，利用 虚拟仪器的概念组建安全监测系统不失为一种好的选择。这是因为，虚拟仪器强调“软 件就是仪器”的概念，把计算机技术和传统仪器仪表技术结合在一起。充分利用了计算 机的强大信息处理能力。 该基于虚拟仪器的工厂安全监测系统主要由计算机、数据采集卡、前端探测器及其 信号调理电路等构成。工厂现场的盗情、火情及粉尘参数被前端的探测器探测到产生电 信号，前端探测器电路同时对该电信号进行有效放大，然后经数据采集卡转换成数字信 号送到计算机。这些数据的存储、处理及前端显示等功能在虚拟仪器的图形化开发平台 l a b v i e w 下通过软件开发编程来实现。用户可以通过修改软件程序或改变监测参数，来 实现个性化的要求，这使得该安全监测系统具有较强的可扩展性和可更新性。 基于虚拟仪器的工厂安全监测系统 1 2 虚拟仪器 所谓虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，v i ) ，就是加在计算机上的一些软件和戚硬件， 它们具有和实际独立仪器( 如示波器等) 类似的外观和性能【l l 。使用者操作这台计算机， 就像是在操作一台他自己设计的传统电子仪器一样。 虚拟仪器概念的出现，打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的工作模式，使 得用户可以根据自己的需求，设计自己的仪器系统，在测试系统和仪器设计中尽量用软 件代替硬件，充分利用计算机技术来实现和扩展传统测控系统与仪器的功能。可见，虚 拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能 2 1 。因此， “软件就是仪器”是虚拟仪器概念最简单，也是最本质的表述。 虚拟仪器有很多种，通常按照构成虚拟仪器的接口总线不同，分为数据采集插卡式 ( d a q ) 虚拟仪器、r s 2 3 2 r s 4 2 2 虚拟仪器、并行接口虚拟仪器、u s b 虚拟仪器、g p i b 虚拟仪器、v x i 虚拟仪器、p x i 虚拟仪器和最新的i e e e l 3 9 4 接口虚拟仪器。其中，d a q 虚拟仪器广泛应用于一般的测试系统与工业控制；r s 2 3 2 r s 4 2 2 虚拟仪器在各种现场过 程控制仪表中应用较多，而g p i b 、v x i 和p x i 总线都是专门为程控仪器设计的计算机接 口总线。本文采用即为d a q 虚拟仪器。 虚拟仪器的构成包括硬件和软件两个基本要索1 3 1 。虚拟仪器中硬件的主要功能是获 取真实世界中的被测信号，而软件的作用则是控制实现数据采集、分析、处理、显示等 功能，并将其集成为仪器操作与运行的命令环境。虚拟仪器系统构成如图1 1 所示。 叫倍号调理器卜- 叫数据聚集卜 叫锄接口仪器卜叫锄接口卡卜 虚 拟 计 仪 被 叫串行口仪器舢| + 一 算h 器 测 系 剥。 + 机 致叫现场总线设备l 统 软 阿蔽司 件 i l ，j 一计算机硬件板卡卜一 图1 1 虚拟仪器系统构成框图 f i g 1 1t h eb l o c kd i a g r a mo f v i r t u a li n s t r u m e n t ss y s t e m 大连理工大学硕士学位论文 与硬件相对应，虚拟仪器的软件开发环境也是虚拟仪器技术的重要组成部分。以美 国n 公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p o r a t i o n ) 的l a b v i e w 和 璎公司的h p - v e e 为代表 的新一代图形化编程语言环境是目前开发虚拟仪器的最佳软件平台。而目前常用的高级 编程语言v c + + 、v b 等也可用作虚拟仪器的软件开发环境。 与传统仪器不同的是，在虚拟仪器中，计算机处于核心地位，计算机软件技术和测 控系统紧密结合，形成一个有机整体。具体说来，虚拟仪器具有毗下特点【4 ： 丰富和增强了传统仪器的功能。虚拟仪器将信号分析、显示、存储、打印和其他管 理集中交由计算机来处理，充分利用了计算机强大的数据处理、传输和发布能力，使得 组建系统变得更加灵活、简单。 突出了“软件就是仪器”的新概念。传统仪器的某些硬件在虚拟仪器中被软件所代 替，由于减少了许多随时间可能漂移、需要定期校准的分立式模拟硬件，加上标准化总 线的使用，使仪器的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高。 仪器由用户自己定义。虚拟仪器通过提供给用户组建自己仪器的可重用源代码库， 可以很方便地修改仪器功能和面板，设计仪器的通信、定时和触发功能，实现与外设、 网络及其它应用的连接，给了用户一个充分发挥自己能力和想象力的空间。 开放的工业标准。虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准，因此用户可以将 仪器的设计、使用和管理统- n 虚拟仪器标准，使资源的可重复利用率提高，功能易于 扩展，管理规范，生产、维护和开发费用降低。 便于构成复杂的测控系统，经济性好。虚拟仪器既可以作为测控仪器独立使用，又 可以通过构建计算机网络构成复杂的分布式测控系统，进行远程测试、监控与故障诊断。 同时，用基于软件体系结构的虚拟仪器代替基于硬件体系结构的传统仪器，还可以大大 节约仪器购买和维护费用。 虚拟仪器技术作为计算机与仪器技术相结合的创新技术，具有上述很多优点，因此 应用前景十分广泛。主要表现在以下领域口 ： 工业自动化：虚拟仪器开发所采用的图形化编程语言，适合非专业程序员的工程师 应用有利于提高企业自主开发和管理项目的能力，降低工业自动化技术改造的成本。 同时，采用虚拟仪器技术，根据实际工艺流程和控制要求，将分布在企业不同位置的各 种测量仪表和控制装置连接为一个网络系统，通过计算机实施集中控制和管理，可以改 变采用传统单元仪表分散工作时成本高、维护困难、资源配置重复等缺点，提高工业自 动化改造的经济效益，降低管理成本。 基于虚拟仪器的工厂安全监测系统 仪器产业改造：采用虚拟仪器技术，可以将过去仪器中许多靠硬件实现的功能用软 件来代替，利用商品化的数据采集和p c 技术，完全可以开发出各行各业急需的各种测 控仪器，缩短我国与先进国家在仪器领域的差距。 实验室应用【6 1 ：利用虚拟仪器技术，可以设计出与实际仪器在原理、功能和操作等 方面完全一样的全软件虚拟仪器，达到与用实际仪器教学的相同目的。这种思想从根本 上改变了传统的试验教学方法，降低了实验室的建设与管理成本，对实现远程实验教学 具有重要参考价值。 目前，虚拟仪器也已在超大规模集成电路测试、电子元器件测试及军事、航天、生 物医学、电工技术等领域的可移动式测试工作中得到应用，且在不断拓展中口】。 1 3 小结 本章主要介绍了传统的工厂安全监测系统存在的问题及采用虚拟仪器技术构建工厂 安全监测系统的优势，并概要介绍了虚拟仪器的概念、分类、构成和应用。 大连理工大学硕士学位论文 2 监测系统的总体设计 2 1 监测系统的总体构成 在本课题立项调研中发现，智能建筑是一个热门研究领域i s ，用于智能小区的安全 监测系统产品相对成熟先进，相关文献资料较多，而应用于工厂环境的安全监测系统的 文献资料则相对较少，也没有相关方面的技术规范及标准，这与当前我国的经济发展水 平及企业决策机构的重视程度有关，工厂监测系统市场的发展壮大需要一个过程。然而， 工厂监测系统和智能小区的监测系统在许多方面还是相通的，两者可以相互借鉴。本课 题的设计方案即在立足工厂环境的工程实际基础上，部分地参考了智能小区监测系统的 设计。宏观地看，整个系统就是一个采集信号并在计算机虚拟仪器平台下进行处理的过 程。具体流程如图2 1 所示。 手_ 卜p 卜卜l 一 物理俯q微弱i 也信i ，放火的u 储i r ，1计算机i ：j j 接受的数字信r ，1 图2 1 基于虚拟仪器的工厂监测系统的信号流程框图 f i g2 1t h es i g n a l sb l o c kd i a g r a mo f t h es e c u r i t ym o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nv i 2 2 监测系统的硬件和软件 2 2 1 监测系统的硬件 监测系统的硬件设备除了计算机外，还包括传感探测器、相应的信号调理电路和数 据采集卡等。 ( 1 ) 传感器 传感器是实现物理参量电测的能量转换装置或元件。对于同一种物理参量，往往有 多种传感原理及器件可以实现测量。因此，为了更好的达到工程实际效果和更低的经济 成本，就存在一个传感器的选用问题。传感器的选用主要考虑以下几个方面。 基于虚拟仪器的工厂安全监测系统 可靠性：测量信号可靠性的意义不言而喻，它是传感器选用首要考虑的问题。对于 在工业现场应用的传感器，可靠性有两方面的含义：在标注的工作条件( 如规定的环境 温度、湿度范围，电磁干扰等) 下能正常工作；其性能须长期稳定，特性指标不能随州 间与环境的变化而改变。由于每一种传感器都有自己特定的适用范围，所以要根据应用 现场的工程环境来选用。 灵敏度：传感器的灵敏度应保证在测量范围内，被测参量能有效地转换为电压或电 流的输出。灵敏度越高，传感器能感知的物理变化量就越小，也就越有利于我们对各参 量的测量。 精确度：传感器的精确度反应了它对被测量的细微分辨能力。精度越高，价格相应 也就越贵。因此，需要在实际需要和经济性之间寻找一个合适的平衡点，选用合适精度 的传感器。 在本课题中，根据以上选用原则，确定火情、盗情和粉尘监测中所采用的传感器分 别为：热释电红外传感器、微波传感器、温度传感器、c o 传感器和光电传感器。 ( 2 ) 信号调理电路 由传感器输出的电信号通常很微弱，无法被数据采集系统直接采样，也就无法传送 到计算机中。因此，有必要对传感器输出的电信号进行调理。信号调理就是将信号进行 电学处理，调整到数据采集系统能够使用，即将微弱信号放大。信号调理电路的设计原 则是对有用信号起增益作用，对噪声干扰起抑制作用。所以信号调理电路不仅包括先行 放大电路，还包括特定要求的滤波电路。 前端的传感器和对应的信号调理电路是密不可分的。在下一章中，传感器和对应的 信号调理电路结合在一起设计成一个整体硬件电路，也正说明了这点。 ( 3 ) 数据采集卡 数据采集是将从信号调理电路输出的模拟电信号转换成计算机能够接收和处理的数 字信号的过程。数据采集卡需要完成被测信号的采集、a d 转换等。根据采用的不同总 线及其相应的y o 接口硬件设备，虚拟仪器系统的构成方式主要有p c - - d a q 系统、g p i b 系统、v x i 系统【9 】、p x i 系统和串口系统等五种。其中，p c - - d a q 系统是以数据采集卡、 信号调理电路和计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统，它采用p c i 或i s a 计算机本身的总线，只需将数据采集卡a q ) 插入计算机的可用插槽中即可使用。 本课题采用的数据采集卡为p c i - 6 0 2 3 e ，其接口方式为p c i 。 大5 9 理t 大学硕士学位论文 2 2 2 监测系统的软件 软件是虚拟仪器的核心，通过软件开发可以在有限的设备基础上实现虚拟仪器的各 种自定义功能，即虚拟仪器所倡导的“软件就是仪器”的观点。虚拟仪器的开发软件可 以应用常见的v c + + 、v b 等高级编程语言，也可以应用l a b v i e w 、i _ a b w i r l d o w 婀、 v e e 等专业的图形化编程软件。对比这两类开发软件，可以发现，使用高级编程语言软 件开发虚拟仪器系统自由度较大，但开发周期长，且对开发者要求高：使用专业的图形 化软件开发平台开发虚拟仪器系统则编程容易、开发周期短，但会受到开发环境的限制， 自由度较低。所以在实践中，往往采用两者结合的方式进行开发工作。在本课题中，采 用了虚拟仪器的图形化软件开发平台l a b v i e w 作为开发工具，只有在少量子程序模块 中，采用了c + + 语言。 本课题中虚拟仪器的软件开发由硬件驱动程序和应用程序两部分组成。 硬件驱动程序用以完成外部数据采集硬件设备的扩展、驱动和通信。数据采集硬件 的正常工作离不开相应的软件驱动。驱动程序主要功能有：以特定的采样率获取数据； 在处理器运算的同时提取数据；使用编程的i o 、中断和d m a 传送数据；在磁盘上存取 数据流；同时执行几种功能；集成一个以上的数据采集卡：同信号调理器合成一起等。 驱动程序直接编制数据采集硬件的登录、操作管理和集成系统资源，如处理器中断、d m a 和存储器等软件层管理。驱动程序隐含了低级、复杂的硬件编程细节，而提供给用户的 是容易理解的界面。控制数据采集硬件的驱动程序功能可分为：模拟i o 、数字i o 和定 时i o 。 应用程序用以实现具体的系统功能，它通过使用硬件驱动程序控制数据采集卡硬件。 应用软件将分析和表述的能力加在硬件驱动程序上，它还可将上千种器件包括g p m 、 r s 2 3 2 、p l c 和v x i 等集成进数据采集系统。使用应用程序构造虚拟仪器程序，从插入 式卡上获取数据和对仪器进行编程，当获取数据后，就能使用虚拟仪器程序分析函数将 原始数据转换成有意义的结果。并很容易将数字信号处理、数字滤波、统计分析、数值 分析和其它许多功能融合进程序设计。最后，由应用程序软件系统通过交互式前面板实 时显示结果。这些前面板产生标准的、熟悉的界面。同时，应用程序软件系统还对数据 进行管理( 如把数据存储到硬盘指定位置等) 。从功能上可以将虚拟仪器的应用程序分 为界面设计部分和功能设计部分。 本课题的软件开发是在虚拟仪器图形化软件开发平台l a b v i e w 7 0 下进行的，计算 机的操作系统为w i n d o w2 0 0 0 。 基于虚拟仪器的工厂安全监测系统 2 3 数据采集和p c i 总线 2 3 1 数据采集 数据采集是虚拟仪器的核心技术之一，同时也是其软件开发平台l a b v i e w 优于其它 高级编程语言之处。使用l a b v i e w 的数据采集技术，可以编写出强大的数据采集应用软 件。模拟信号数据采集作为数据采集的一个主要功能，为用户提供了一个功能强大、方 便快捷的数据采集方案。在本课题中，数据采集的任务是将信号调理电路输出的电信号 转换成计算机能够接收和处理的数字信号，即我们最关心的是数据采集中的模数转换。 ( 1 ) a d 转换的基本原理 模数( a d ，a n a l o g - d i g i t a l ) 转换的输入信号是在时间和幅度上连续变化的模拟信号， 输出信号是在时间和幅度上离散的数字信号。这个转换过程可以看成是对信号的采样、 量化和编码。 采样的过程可以用下图来描述。 图2 , 2a d 转换的采样过程 f i g 2 22 h e s a m p l i n gp r o c e s s o f a dc o n v e r s i o n m ( t ) 是一个模拟信号，采样脉冲信号在一系列离散的时刻打开采样开关，对m ( t ) 进 行采样，得到采样信号m s ( t ) 。可见，m s ( t ) 是一系列脉冲信号，在采样期间m s ( t ) = m ( r ) ， 在其它时间m s ( t ) = 0 。采样信号m s q ) 必须能够真实地反映m ( t ) 的变化情况，所以采样 时间间隔不能过大。根据s h a n n o n 定理，如果随时间变化的模拟信号( 包括噪声干扰在 内) 的最高频率为厶。，只要采样频率，2 。，即可根据采样信号恢复出原信号。在 工程实际中，通常取厂( 5 - 1 0 ) _ ，：_ 1 。 由于m ( t ) 在幅度上是连续的，所以采样得到的m s ( t ) 的采样值可能是该连续幅值上 的任一点，把这些采样值取整为最小单位的整数倍即为量化过程。这个最小单位即为量 化单位，用口表示。在此量化过程中的取整会引入误差，称为量化误差。计算机中的信 大连理工大学硕士学位论文 号是以二进制数的代码来表示的，任何值只能表示成二进制数的整数倍，所以量化误差 1 为妄g 。在a d 转换位数足够多的情况下，取整曩化过程中舍去的量足够小，可以认为 z 数字信号近似于采样信号。 ( 2 ) 几种a d 转换原理 a d 转换的原理并不唯一，主要有以下几种： 并行比较型：由分压电阻网络、比较器阵列和优先编码器组成。输入电压通过和对 参考电压的不同分压点的电压值进行比较，并经一个优先编码器输出。 逐次逼近型：用一组基准电压与被测电压进行逐次比较，不断逼近，最后达到一致 基准电压的大小，以表示被测电压。 双积分型：由积分器、比较器、逻辑控制器和计数器等几部分组成。 v f ( 电压频率) 型：它与积分型均用计数器获得数字信号。不同之处在于，它的 中间变量为频率，计数区间为一固定时间，而积分型的中间变量为时间，计数脉冲频率 为固定不变的标准时钟信号。 跟踪计数型：与逐次逼近型相似，但用一个可逆计数器代替了逐次逼近寄存器和控 制逻辑。 以上几种a d 转换的特性比较如表2 1 所示。 表2 1 几种a d 转换的特性比较【2 1 t a b2 1c h a r a c t e r i s t i cc o m p a r i s o n so f s e v e r a lk i n d so f a dc o n v e r s i o n l类型并行比较逐次逼近双积分 v ，f 跟踪计数 1分辨率 6 88 - 1 68 1 68 。1 68 1 6 主要特点超高速速度、精度、高精度、简单、高速跟踪 价格、综合性低成本、低成本 能高高抗干扰能力 变换速度几十纳秒几到几十微秒几到几百毫秒几百毫秒1 微秒，位 价格高中低 低低 主要视频、超高速数据采集、仪表、低成本的伺服跟踪 应用领域工业控制数据采集简易a d c 可见，不同原理的a d 转换对应的转换速度、转换精度、造价及适用场合各不相同。 因此，我们应根据它们的这些不同特性和我们的实际需要来选用合适的数据采集卡。 基于虚拟仪器的工厂安全监测系统 ( 3 ) a d 转换器的性能指标 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。分辨率为8 位，表示其可以对 满量程的去做出反应。所以， 位二进制数最低位具有的权值就是它的分辨率。 z 。 量程：量程即为a d 转换器所能转换的电压范围，如5 v ，1 0 v 等。 精度：精度有绝对精度和相对精度两种表示方法。常用数字最的位数作为度量绝对 精度的单位。若用百分比来表示满量程时的相对误差，即为相对精度。精度与转换位数 有关，在参考电压下，转换位数越大，转换精度也就越高 1 l 】。 转换时间：指完成一次采样所需要的时间。 工作温度范围：由于温度会对运算放大器和电阻网络产生影晌，故只有在一定温度 范围内才能保证额定的精度指标。工业级的转换器件工作温度一般为一4 0 + 8 5 。c 。 2 3 2p c i 总线 本课题所用数据采集卡为p c i 总线架构，所以下面简要介绍下p c i 总线。 图2 3 典型的p c i 系统构成 f i g 2 3s l a u c t u r eo f p c ib u sb a s e ds y s t e m 大连理工大学硕士学位论文 p c i 总线( p e r i p h e r a lc o m p o n e n t i n t e r c o n n e c t s p e c i a l i n t e r e s tg r o u p ，p c i s i g ) 支持6 4 位数据传送、多总线主控和线性突发方式( b u r s t ) ，是微机系统上处理嚣存储器与外围 控制部件，外围附加板之间的互连机构。从1 9 9 3 年p c 局部总线标准推出到现在，p c i 总线以其优异的性能逐步取代了i s a 、e i s a 等总线，成为了当今事实上计算机的标准总 线 1 2 , 1 3 1 。由p c i 总线构成的标准系统结构如图2 3 所示。 ( 1 ) p c i 总线的信号定义【o 卅 p c i 总线的信号共有1 0 0 个，按功能可分为以下几组： 系统信号定义：c l k ，系统时钟信号，对于所有p c i 设备都是输入信号；r s t # ，复 位信号，用来使p c i 专用的特性寄存器和定序器相关的信号恢复规定的初始状态。 地址和数据信号：a d 3 1 ：o 】，地e ：数据多路复用的输入，输出信号；c b e 3 0 ， 总线命令和字节使能多路复用信号线。 接口控制信号：f 凡陋样，帧周期信号：i r d y # ，主设备准备好信号；t r d y # ，从 设备准备好信号；s t o p # ，停止数据传送信号；l o c k # ，锁定信号；i d s e l # ，初始化设 备选择信号；d e v s e 球，设备选择信号。 仲裁信号：r e q # ，总线占用请求信号；g n t # ，总线占用允许信号。 错误报告信号：p e r r # ，数据奇偶校验错误报告信号；s e r r # ，系统错误报告信号。 中断信号：共有四条，分别为m a 鼻、烈t b 拌、矾t c 挣和灯d 存，均为漏极开路， 用以请求一个中断。 高速缓存支持信号( 可选) ：s b o # ，试探返回信号；s d o n e # ，监听完成信号。 6 4 位总线扩展信号( 可选) ：a d 6 3 ：3 2 1 ，扩展的3 2 位地址和数据多路复用线； c b e 7 ：4 1 ，总线命令和字节使能多路复用信号线：r e q 6 4 # ，6 4 位传输请求；a c k 6 4 # ， 6 4 位传输认可；p a r 6 4 # ，奇偶双字节校验。 ( 2 ) p c i 总线的协议基础 p c i 基本总线协议传输机制是猝发成组数据传输。一个分组由个地址节拍( a d d r e s s p h a s e ) 和一个或多个数据节拍( d a t a p h a s e ) 组成。基本的p c i 传输，都是由f r a m e # 、 i r d y # 和t r d y # - - 个信号控制。当数据有效时，数据源设备需要无条件设置t r d y # 信 号有效，一旦主设备使f r a m e # 信号有效，中途将不能改变f r a m e # 的状态，直到n y # 无效和数据传送结束。 ( 3 ) p c i 总线的操作 p c i 总线是地址数据复用总线，每一个p c i 总线传送由地址节拍和数据节拍组成。 一个地址节拍由f r a m e # 信号从非激活状态( 高电平) 转换到激活状态( 低电平) 的时 基于虚拟仪器的工厂安全监测系统 钟周期开始。在地址节拍，总线主设备通过c b e o ：0 】端发送总线命令，如果是总线读 命令，紧接着地址节拍的时钟周期叫做总线转换周期，在这一个时钟周期内，a d 3 ： 0 既不被主设备驱动，也不被从设备驱动，以避免总线冲突。对于写操作，就没有总线 转换周期，总线直接从地址节拍进入数据节拍”】。 总线上的读、写等基本操作如图2 4 所示。 c 雠九hhh 九hh 八广 i?345每， 尊叠 ；| 铎j 一协i 謇嘲卜一棠 叫h a t s t ) 濑蝤i x o 1 卜磷一 一( 聃洲 b e n 卜- 移一 i 一谚 lc 厂_ 5 厂“l 一一；、l 厂文 i f 厂士 ii 一葶一一 ： 嚣 ； 一譬，r 啊i ： i 厂_ 1 _ 叫 蕊舔赢十- 嗣献峰+ 百蔽峥母献峥 雌秘懈m 峨n 憾 唾啦舟t r 坩培 c 确渤卜- 图2 4p c i 总线的基本操作 f i g2 4b a s i co p e r a t i o n so f p c ib u s 2 。4 小结 本章阐述了监测系统的总体流程，及涉及到的硬件和软件。并介绍了数据采集和p c i 总线的理论，为后文详细阐述系统的开发提供了理论依据。 一 船 一 一 一 一 阱 煅 大连理工大学硕士学位论文 3 监测系统的硬件设计 本监测系统的前端探测器电路设计是本课题的重要组成部分，包括盗情监洳f 电路、 火情监测电路及粉尘监测电路三个部分。为了提高整个监测系统的可靠性和抗干扰性， 前端探测器采用多种类型传感器，实现了多元信号的综合监测。本章还介绍了整个安全 监测系统的另一重要硬件组成部分数据采集卡p c i 6 0 2 3 e 。 3 1 盗情监测 盗| 青监测器采用了由红外探测器和微波探测器组成的双鉴探测器【1 日。 在红外探测器中，通过菲涅尔透镜的分割方式的改变可降低由小宠物引起的误报， 但它对环境温度的变化比较敏感；微波探测器覆盖范围广，但它所检测的只是活动的目 标，所以对于如果只是温度变化引起的干扰并不会被自动报警器响应。由这两种探测原 理组成的双鉴探测器只有在入侵目标必须移动且不断辐射红外线时才发出报警。这样就 大大减小了外界干扰，降低了报警信号误报的发生率。下面详细介绍本系统中红外与微 波探测器电路的设计原理、特点以及实际的工作过程。 3 1 1 热释电红外探测器 ( 1 ) 热释电效应 热释电效应是指如果使某些强介电质材料( 如钛酸钡、钛锆酸铅等) 的表面温度 发生变化，则随着温度的上升或下降，材料表面发生极化，即表面上就会产生电荷的变 化，从而使物质表面电荷失去平衡，最终电荷的变化将以电压或电流形式输出【1 8 1 。 热释电效应的示意图如图3 1 所示。 输入红井辐射i - - - - - - _ j l 。一 袭蘑电藉变化 图图园园因 + 时同 图3 1 热释电效应示意图 f i 9 3 1s k e t c h m a p o f p y r o e l e c t r i c e f f e c t 基于虚拟仪器的工厂安全监测系统 热释电传感器具有自极化效应，晶体处于低于c u r i e 温度的恒温环境时，其自极化强 度保持不变，即极化电荷面密度保持不变【1 9 1 。这些极化电荷被空气中的带电粒子中和。 当红外辐射入射晶体，被晶体吸收后，晶体温度升高，自极化强度变小，即电荷面密度 变小。这样，晶体表面存在多余的中和电荷，这些电荷以电压或电流的形式输出，该输 出信号可用来探测辐射。相反，当截断该辐射时，晶体温度降低，自极化强度增大，有 相反方向的电流或电压输出。 ( 2 ) 热释电电流及电压响应表达式 热释电晶体具有热释电效应。沿着热释电晶体的一定方向，把它切成薄片，在薄片 的两个表面做上金属电极，构成平行板电容器。当晶体的温度发生变化时，在电容器上 有相应的电信号出现。接上负载电阻，则有电流输出。其输出电流的大小与温升的变化 率成正比。热释电效应所满足的关系式为 ：和_ d a t a t 其中为输出的信号电流，a 为热释电晶片上金属电极的面积，p 为热释电系数， r 为温度增量，t 为时间。 从微观上看，热释电效应的机构如图3 2 所示。 + 1 l上土上上p s | r + 图3 2 热释屯效应机构图 f i g3 2m i c r o c o s m i cs k e t c ho f p y r o e l e c t r i ce f f e c t 因为热释电晶体是由极性分子组成的，存在着自发极化现象，即没有外界影响时， 极性分子的电矩自发地形成有序排列。所以，当晶片表面与自发极化强度垂直时，表面 就有束缚电荷存在。不过，自发极化所产生的束缚电荷很难直接测量，这是由于晶体中 大连理工大学硕士学位论文 存在有自由电荷，晶体表面叉存在有吸附电荷，这两种电荷对束缚电荷有屏蔽作用，使 晶体表面处于电中性的缘故。 当晶体的温度发生变化时，自发极化强度只立即改变，因而表面束缚电荷也随着温 度改变。这是因为温度的变化，引起晶体的晶格常数变化，热胀冷缩，从而影响自发极 化强度变化：另外在温度升高时，晶格振动加剧，也会使自发极化强度改变。只要温度 的变化不是太缓慢，自由电荷和吸附电荷就无法跟上束缚电荷的迅速变化。因为热释电 晶体是电介质，对电荷的传导能力很差，致使自由电荷和吸附电荷变化的弛豫时间，远 大于束缚电荷变化的弛豫时间。因而晶体表厦的电中性条件遭至破坏，在晶体中产生了 与温度变化相应的电场和热释电电流。 若以q 代表晶体中的自由电荷和表面吸附的杂散电荷的面密度，以q 代表束缚电荷 的面密度，根据极化强度的意义( 表面束缚电荷的面密度) ，可以得到 q ，= a 只 当t = o 时，有q 7 十q = 0 ，晶体表面呈电中性。 当t 由零变到t 时，晶体的温度由t 变为r + r ，这时束缚电荷的变化为 f ：型：4 堡旦。a 堡d a t 3 d t订d tc l td l 将上式与前述热释电效应的关系式对比，可以得到热释电系数为 p = 等 可见，热释电系数等于自发极化强度对温度的变化率。p 是和材料性质有关的常数， 与样品的几何尺寸无关，但它却与晶体的固定方式及热学状态有关。 ( 3 ) 热释电红外探测器原理及结构 热释电红外操测器是热探测器的一种。与其它热探测器不同，热释电红外探测器是 响应于温度随时间的变化率雨不是温度值本身来工作的，因此其工作过程不需建立热平 衡，响应速度非常快。同时，热释电红外探测器只响应于斩波、脉冲或其他形式的调制 辐射源，因此不随时间变化的稳定背景辐射可以忽略。此外，和其它热探测器相比，热 基于虚拟仪器的工厂安全监测系统 释电红外探测器的工作频率最宽，它既可工作在数十赫兹的低频区，也可工作在数千赫 兹的高频区。 在热释电红外探测器中，热电转换在灵敏元中经过三个步骤：形_ a t ，即在热 释电晶体表面吸收的辐射功率w 引起晶体温度的变化r ；a t + a q ，即晶体温度的 变化r 引起热释电晶体表面电极的电荷变化q ，在这一过程中，电荷变化是由热释电 效应产生的：q 呻矿，即电荷变化产生的电压降，其数值和热释电晶体芯片的电容 值及接在探测器后面的前置放大器的负载阻抗有关。 在本课题中，热释电红外传感器通过接收移动人体辐射出的特定波长的红外线，可 以将其转化为与人体运动速度、距离及方向等有关的低频电信号。由前述原理可知，该 传感器的电压响应度与入射光辐射变化的频率成反比，因此，当恒定的红外辐射照射在 探测器上时，探测器没有电信号输出，即恒定的红外辐射不能被检测到；而物体移动速 度越快，同等入射功率下，输出电压就越小，当达到报警闽值电压时，该红外探测器就 会用电压信号输出，起到监测盗情信号的作用。具体原理如图3 3 所示。 圈3 3 热释电红外探钡4 器原理框图 f i g3 3p r i n c i p l eo f p y r o c l e c t r i ci n f r a r e dd e t e c t o r 当人体进入警戒区，人体温度会引起环境温度辐射场的变化，通过菲涅尔透镜，热 释电红外探头感应到人体温度与背景温度的差异信号，在负载电阻上产生一个与该差异 信号变化快曼成正比的电信号，并经后级状态控制器产生相应的输出信号u o 。 ( 4 ) 热释电红外探测器的电路设计 热释电红外探头采用的r e 2 0 0 b ，但它输出的电信号微弱，为了和n i 的数据采集卡 f c i 6 0 2 3 e 匹配，需要对此信号进行信号调理。该信号调理电路将该微弱信号进行放大、 限制带宽、整形及鉴幅处理，以便提取有用的信息经数据采集卡送入计算机进行处理、 显示等。 大连理工大学硕士学位论文 红外传感信号处理器b