（精密仪器及机械专业论文）高精度大直径测量系统的数据采集与控制研究.pdf

高精度大直径测量系统的数据采集与控制研究 摘要 为了提高滚轮法测量大直径的精度，需要对影响测量精度的误差 因素进行修正，如滚轮变形、温度引起的尺寸误差修正等。所以所研 制的高精度滚轮法大直径测量系统含有五类三十多个传感器，必须控 制这些传感器协调有序地工作。本论文介绍了该系统中数据采集与控 制子系统的软、硬件设计及部分理论分析与试验工作。特别介绍了基 于虚拟仪器的多传感器数据采集的同步或有序采样的软件控制新方 法，即利用测量系统中一类传感器的实时测量信号控制其它有同步采 样要求的传感器信号采集的启f 亭。实验证明，该方法可在被测对象转 速无法精确控制的情况下，实现各类传感器信号采集在时间上的协调 一致。 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 nd a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o lo f h i g ha c c u r a c y l 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 mu s i n gr o l l e r s a b s t r a c t t o i m p r o v e t h em e a s u r e m e n t a c c u r a c y w h i l em e a s u r i n gl a r g e d i a m e t e r s u s i n gr o l l e r s ，t h e e r r o r sw h i c ha f f e c tm e a s u r e m e n tp r e c i s i o n s h o u l db ec o r r e c t e ds u c ha st h a tc a u s e db yt h ed is t o r t i o no ft h er 0 1 l er sa n d t e m p e r a t u r ef l u c t u a t ee t c s 0 f i v ek i n d so ft r a n s d u c e r s ，m or et h a n3 0i n n u m b e rt o t a l l ya r eu s e di nt h e d e v e l o p e dm e a s u r i n gs y s t e m ，a n dt h o s e tr a n s d u c er ss h o u l dw o r ki n p h a s e h a r d w a r ea n d s o f t w a r eo ft h ed a t a a c q u i s i t i o n a n d c o n t r o l l i n gs u b s y s t e m ，s o m e t h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n d e x p e r i m e n t a t i o na r ei n t r o d u c e di nt h ep a p e r e s p e c i a l l y ，an e wm e t h o d0 f s o f t w a r ec o n t r o l l e d s y n c h r o n o u ss a m p l i n g i nam u l t i - s e n s o rd a t a a c q u i s i t i o n s y s t e mb a s e do nv ir t u a li n s t r u m e n ti ss t u d i e d ，t h a tisar e a l t i m em e a s u r e m e n t c o n t r o l l i n gs i g n a l f r o mo n ek i n ds e n s o ri nt h e m e a s u r e m e n ts y s t e mi su s e dt oc o n t r o lt h es t a r ta n ds t o po fo t h e rs e n s o r s s i g n a la c q u i s i t i o n i ti sp r o v e dt h a tt h i sm e t h o dh a sr e a l i z e dt h e t i m i n g c o h e r e n c eo f s i g n a la c q u i s i t i o no fe a c hk i n do f s e n s o rw h e nt h em o v e m e n t s t a t eo ft h em e a s u r a n dc a n n o tb ec o n t r 0 1 1 e da c c u r a t e l y k e y w o r d s ：r o l l e r sm e t h o d ，v i r t u a li n s t r u 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 i i n gc o n t r o l 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_ l 作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特j ；, l j n 以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒壁王业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。 学位论文作者签字：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒g b 王些本堂有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 鲤王些盔堂可以将学位论文的全部或部分论文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) 学位论文者签名 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名 签字隰唯月穹日 电话： 邮编： 致谢 本论文得以完成，首先我要衷心感谢导师余晓芬教授! 导师严谨 的治学态度、求实的工作作风，深厚的理论知识都使我深感钦佩。在 我学习、做课题期间，余老师自始至终都给了我悉心指导，也指出了 我自身存在的一些问题，使我获益匪浅。在此向余老师衷心的感谢， 并致以深深的敬意。感谢余老师为本文提出很多研究设计思想，感谢 余老师对我的辛勤培养! 另外，感谢黄其圣老师、金施群老师和张老师对我的学业和生活 上给予的关心和帮助。感谢所有关心和帮助过我的老师和同学们f ! 作者：肖风云 2 0 0 4 年3 月2 5 1 1 研究意义 第一章绪论 随着机械加工技术的发展，可加工的大型零部件的空i 司尺寸越来越大，其 所能达到的尺寸、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。由于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 寸精度是我国核工业、航空航天制造业、造船等军工及大型机电设备加工业等 行业面临的一个技术难题，是国内外都未能很好解决的测量难题。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。但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。本课题要求大直径的测量误差不能超过5 , u r n m ，这是目前所见 报道中大直径测量方法和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，必需对影响测量精度的误差因素进行修正，所以我们采 用多滚压轮进行冗余测量并通过误差修正提高测量精度。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，继而通过由标定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。 在这多传感器测量系统中，传感器的种类和数目比较多，各类传感器信息采集 的控制方法都需要研究，如何把多传感器集中于一个测量控制系统，正确的获 取来自传感器的信息，以及如何实现采集系统作出正确的响应和控制，成了本 测量控制系统中必须解决的问题。所以对滚轮法测量大直径系统中数据采集和 控制的研究有重要的意义。 1 2 数据采集控制系统的发展 数据采集系统是把从传感器或其它方式得到的信号，经过必要的信号处理 后，转换成数字信号，以供存储、传输、处理和显示之用。在众多的仪器设备 中，数据的采集和控制是必需的，区别仅是数据的多少，复杂程度的高低，采 集速率的快慢及自动化能力的强弱。所以数据采集控制系统是仪器的重要组成 部分。 早期数据采集控制系统是通过纯硬件来实现的，近期微电子器件和微处理 机技术的发展，在仪器和设备中普遍采用微处理机数据采集系统，特别是较为 复杂的测量系统更是如此。由于微处理机的使用为数据的采集和处理带来极大 方便它不仅应用微处理机的硬件能力，而且充分发挥微处理机灵活多变的软 件特点，使数据采集提高到一个新的水平。正是软件在数据采集系统早面发挥 了很大的作用，软件功能的研究越来越被人们所重视，软件编程语言也从传统 的汇编语言，以及v c 、v b 等纯文本语言发展到图形化编程语言。随着软件种 类的发展，促使单片微处理机采集系统进一步发展到p c 机数据采集系统。基 于p c 的数据采集( d a q ) 系统的出现，彻底改变了工程师和科学家们进行测 量的方式。基于p c 的数据采集与体积庞大的单机仪器不同，它可以利用计算 机的强大功能帮助人们有效地开发测量与控制软件，也无需将测量数据记录在 纸上。特别是发展不久的虚拟仪器技术，实现了“软件”即是仪器。虚拟仪器 是一种新兴的构造仪器的技术，它利用计算机强大的计算能力和丰富的软硬件 资源来组织仪器系统，实现从传统仪器向计算机虚拟仪器系统的过渡。 现代科学技术的发展己在速度、分辨率、精度、接口能力、抗干扰能力以 及系统结构方面对数据采集系统设计提出越来越高的要求。随着虚拟技术被引 进到仪器设计中，测量仪器仪表技术也由单台仪器、叠架式仪器逐渐向虚拟仪 器发展，即用少量的硬件设备配合软件，即可完成测量工作。虚拟仪器技术已 经被广泛地应用到了测量的各个领域，其代表着仪器发展的最新方向和潮流。 1 3 本论文的主要研究内容 本学位论文的研究工作来源于国防军工计量“十五”计划技术重点科研项 目“大直径多滚压轮高准确度测量方法研究”，重点研究多滚压轮大直径测量 系统中的数据采集与控制子系统。 本课题的研究工作主要包括以下几个方面： 数据采集与控制系统的硬件设计 1 数据采集卡的选择 根据传感器需要的模拟输入通道数，采样精度，最高采样频率，计数定时 功能以及联系本课题的特点，确定了数据采集卡类型。 2 硬件系统的搭建 通过分析各类传感器输出的特性以及经过调理电路后的信号特性，并根据 采集卡的性能指标，完成各种硬件组件的连接。 二软件系统的设计 1 各种传感器数据采集软件的研制 不同类型传感器信号的采集，均需要根据信号特点编写相应的采集软件。 本文采用虚拟仪器技术，完成滚轮法大直径测量系统的数据采集。 2 2 控制软件的研制 在这多传感器测量系统中，传感器的种类和数目比较多，进行冗余测量的 同类传感器之间有相位差恒定的要求，同一测量头中的压力传感器和光栅传感 器要求同步采样，另外连续测量的次数，还需要根据测量情况可调，数据采集 的控制是测量系统的一个重要环节。 3 界面软件的研制 软件设计中，用户界面是否良好，直接关系到人们的使用效果和整个仪器 的使用性能。根据本测量系统自身特点，设计了一个方便美观利用操作者使用 的用户界面，且具有人机交互的功能。 三、仿真实验 1 控制软件功能验证 通过压力和电感微位移传感器数据采集模块，验证大轴转动一周或者几周 时光电传感器测量信号对采集模块启停的控制功能。 2 光栅传感器数据采集软件功能验证 通过光栅传感器采集软件，验证在l a b v l e w 中，通过c a l ll i b r a r yf u n c t i o n 调用v c 环境下编制的动态链接库d l l 继而实现控制光栅信号采集的功能。 第二章数据采集控制系统的框架设计 2 1 大直径的测量方法 长期以来，国内外学者对大直径测量进行了大量的研究，但是始终没有理 想的方法和仪器出现，使其成为重大装备制造精度提高的瓶颈。目前采用的测 量方法有：1 ) 大型量具测量法、n 尺测量法、弓高弦长法以及经纬仪测量法等， 这些测量方法实施简便，测量效率高，但测量不确定度达不到要求，满足不了 高精度测量要求：2 ) 超声波法、激光瞄准定位块法等，这些测量方法可达很高 的准确度，但这些方法实施困难，测量效率底，难以在生产实践中推广应用；3 ) 大型坐标机测量法虽然测量范围大，测量精度高，但其价格十分昂贵，且不方 便在线测量。4 ) 利用滚轮法测量被测件的周长，然后算出其直径，此方法优点 是被测工件的尺寸不受限制，能以小测大并可方便的进行在线动态测量，是一 种应用较广的大直径测量方法。从理论上讲滚轮法是无原理误差的，但由于打 滑、滚轮受压变形以及温度误差等因素的存在，限制了其测量精度的提高，使 测量达不到高准确度的水平。如果能避免或减小打滑、滚轮变形以及温度等诸 因素对“滚轮法”测量结果的影响，提高其测量精度，则该方法将有很好的发 展前景。所以很多研究人员也针对滚轮和被测工件之间打滑这一主要误差源， 采取了多种措施，例如通过采用空气轴承以减小滚轮轴摩擦力；通过微调机构 使滚轮轴与工件轴平行；阻及采用单片机监控打滑现象的发生等。这些方法一 定程度上都可以减小打滑对测量结果的影响，但由于滚轮受压变形和温度变形 的影响依然存在，所以测量结果仍达不到高精度的要求。 2 2 高精度滚轮法大直径测量系统的工作原理 传统的单滚压轮测量原理如图2 1 所示，其是利用已知直径的标准滚轮与被测 工件作无滑动的对滚，通过光电传感器测出大轴的转数n ( 取整数) ，且同步通过光 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) ，然后由下式求得 被测大轴的轴径d ： d = d n n 式中d 为标准滚轮的直径，它经过高精度仪器精确标定。 图2 1 滚轮法测量原理 由于单滚压轮法测量受打滑、滚轮受压变形以及温度误差的影响，测量达不到高 准确度的水平。为了减少这些因素对大直径测量精度的影响，采用多滚压轮冗余测量， 并通过误差修正技术提高测量精度。多滚压轮冗余测量装置结构如图2 2 所示，整 个测量装置硬件由测量系统、装调系统、控制系统三大部分组成。 口 温度引起尺寸偏差修正 滚轮压力变形修正 工件旋转轴向跳动修正 打滑引起转角误差修正 传感器系统误差修正 计算工件平均直径 计算最大直径及位置 计茸最小直径及位置 计算圆度误差 温度测量信号 力测量信号 位移测量信号 光栅转角测量信号 大轴转数测量信号 图2 2 多滚压轮大轴直径测量装置示意图 整个测量系统将使用多类多个传感器对被测工件的直径变化、温度、转数 以及标准滚轮的转角、工作压力、温度进行“冗余”测量，采用的传感器有电 感微位移传感器、压力传感器、温度传感器、圆光栅、光电开关等。在本文研 究的多滚压轮大直径测量系统中，可移动测量台架上安装了三个测量头，其接 触点位于被测人轴的同一轴截面内。在每套测量头中，均有一个直径为d 的标 准滚轮、实时测量滚轮温度值的2 个温度传感器、测量大轴转数的1 个光电传 感器、测量滚轮工作压力的1 个压力传感器、测量被测大轴直径变动量的1 个 电感传感器；另外在被测大轴表面还有1 5 个温度传感器。标准滚轮的压力测量 是为了修f 滚轮受压变形引起的误差；用i 个电感测头测量被测大轴转动时的 直径变动量，再依据预先建立的数学模型可计算被测大轴的圆度误差；用三个 圆光栅进行冗余测量是为了辩识出测量过程中的“打滑发生段”，并剔除打滑信 号，从而避免滚轮“打滑”引起的测量误差；温度传感器测量被测大轴和滚轮 的温度值，町根据预先建立的数学模型对温度引起的测量误差进行修正。 2 3 数据采集控制的要求与特点 多滚轮法大轴直径测量系统采用的传感器种类和数目都比较多，且对各传 感器的信号采集还有较高的时问及顺序的控制要求，如进行冗余测量的同类传 感器之间有相位差恒定的要求，同一测量头中的压力传感器和光栅传感器要求 同步采样，另外连续测量的次数，还需要根据测量情况可调，在实现这些测量 和控制的同时，还需要记录和存储循环采集的大量数据。因此若用常规的手段 和设备来控制该系统的测量过程将使系统非常复杂，因此我们选用了虚拟仪器 测量系统。虚拟仪器系统是建立在计算机技术和数据采集技术基础之上的，它 适合复杂环境下的自动化测试。 2 4 虚拟仪器定义及特点 由于微机技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子 测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及 新的仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破了仪器的概念，电子测量仪器的 功能和作用发生了本质变化。在这种背景下，1 9 8 6 年美国n i 公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n tc o ) 首先提出了虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 的概念。 所谓虚拟仪器是指在通用微型计算机上加入必要的模块化功能硬件( 如数 据采集卡 ) ，在计算机屏幕上用图形界面模拟仪器面板，通过虚拟面板上控件或 按钮的操作、调用控制程序，完成信号的采集、分析、显示、存储和输出等， 从而实现真实仪器的功能。测试系统功能可根据软件模块的功能不同组合和灵 活配置。它的实质是将传统仪器和最新计算机软件结合起来，通过软件使硬件 资源得到最大限度的“共用”，实现了“软件即是仪器( t h es o f t w a r ei st h e i n s t r u m e n t ) ，从而大大降低仪器构造的成本。 与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下一些鲜明的特点： 6 ( 1 ) 测量精度和重复性精度高 由于虚拟仪器减少了硬件的使用，因此也减少了测量误差源。据报道，采 用虚拟仪器对窄脉冲的测量精度比传统仪器可提高2 个数量级，同时重复性精 度也进一步提高。 ( 2 ) 缩短组建系统时间，降低仪器硬件开销，同时也降低了系统故障率 虚拟仪器模块都支持相同的共用硬件平台，当测试系统要增加一个新的测 量功能时，只需要增加软件来执行新的功能或增加一个新的模块来扩展系统的 测量范围，因此系统的组建速度将大大加快，同时系统硬件需求少，系统故障 率也得以降低。 ( 3 ) 实现了用户自定义测量功能 用户可以根据需要，通过增加或修改软件，为虚拟仪器加入新的测量功能， 而不用购买新的仪器。 ( 4 ) 易于扩展 为提高系统性能，可方便的加入或更换仪器模块，而不必购买新系统，有 利于测试系统扩展。 ( 5 ) 具有较短的系统更新周期 虚拟仪器是建立在计算机技术和数据采集技术基础之上的，出于这类技术 发展非常迅速，将使虚拟仪器的更新周期由传统仪器的5 1 0 年缩短到1 2 年。 虚拟仪器与传统仪器的比较可以总结为表1 - 1 传统仪器虚拟仪器 功能由仪器制造商定义并固定功能由用户定义 硬1 t 睫关键软件是关键 系统封闭，与其它仪器设备连接受限 基于计算机的开放系统 制 价格高，开发维护费用高价格低，软件结构可节省开发和维护费 技术更新周期慢( 5 1 0 年)技术更新周期快( 1 2 年) 友好的中英文图形界面 图形界面小而呆板，不友好 仪器通用化和网络化 表2 - 1 虚拟仪器与传统仪器对比 虚拟仪器的突出成就不仅是可以利用p c 机组成灵活的虚拟仪器，更重要的 是它可以通过各种不同的接口总线，组建不同规模的自动测试系统。另外虚拟 仪器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性与经济性，因而特别 适应于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高更新的测量要 求。正是由于虚拟仪器有着这些特点，它必然会在科学技术的各个领域得到广 泛的应用，甚至可以取代测量技术领域中的一些传统仪器。 2 5 虚拟仪器图形化编程语言l a b v i e w 一l a b v i e w 的特点及功能 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，实验室虚 拟仪器工程平台) 是美国n i 公司推出的一种基于g 语言( g r a p h i c sl a n g u a g e ， 图形化编程语言) 的虚拟仪器软件开发工具，它广泛地被工业界、学术界和研 究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。l a b v i e w 集成了 与满足g p i b 、v x i 、r s 2 3 2 和r s 4 8 5 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功 能。它还内置了便于应用t c p i p 、a c t i v e x 等软件标准的库函数，是一个功能 强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面 使得编程及使用过程都生动有趣。使用l a b v i e w 这种语言编程时，基本上不 需要写程序代码，取而代之的是流程图，这为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、 轻松的设计环境。利用它，设计者可以象搭积木一样，轻松组建个测量系统 和构造自己的仪器面板，而无需进行任何繁琐的计算机代码的编写。 l a b v i e w 软件工具有以下特点： 1 ) 图形化的编程方式，设计者无须写任何文本格式的代码，是真正工程师 的语言。 2 ) 提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数。 3 ) 既提供了传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供有独 到的高亮执行工具，使程序动画式运行，利于设计者观察程序运行的细 节，使程序的调试和开发更为便捷。 4 ) 3 2 b i t 的编译器编译生成3 2 b i t 的编译程序，保证用户数据采集、测试和 测量方案的高速执行。囊括了d a q 、g p i b 、p x i 、v x i 、r s 2 3 2 4 8 5 在 内的各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使得不懂总线标准的开发 者也能够驱动不同总线标准接口设备与仪器。 5 ) 提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，诸如提供d l l s ( 动态链 接库) 、d d e ( 共享库) 、a c t i v e x 等连接节点。 6 ) 强大的i n t e r n e t 功能，支持常用网络协议，方便网络、远程测控仪器的 开发。 二l a b v i e w 的开发环境 l a b v i e w 程序称为虚拟仪器程序，简称为v i 。v i 包括三个部分：程序前 面板、框图程序和图标连接器。前面板的功能等效于传统测试仪器的前面板， 布置有旋钮、按钮等操作件以及信号观察窗；流程图功能等效于传统测试仪器 与前面板相联系的硬件电路；图标连接器是子v i 被其它v i 调用的接口。 程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，可以模拟真实仪表的前面板。 在程序前面板上，输入量被称为控制( c o n t r o l s ) ，输出量被称为显示 ( i n d i c a t o r s ) 。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、 按钮、图表、图形等，这使前面板直观易懂。而每一个虚拟前面板都对应着一 段框图程序。框图程序用l a b v i e w 图形编程语言编写，它的作用类似于传统 程序的源代码。框图程序由端口、节点、图框和连线构成。其中端口为虚拟前 面板的控制和显示传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实 现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内 的数据流动方向。图标和连接端口的功能就像一个图形化参数列表，可在v i 和子v i 之间传递数据。图标是子v i 在其他程序框图中被调用的节点表现形式； 而连接器则表示节点数据的输入输出口，就象函数的参数。用户必须指定连接 器端口与前面板的控制和显示一一对应。 l a b v i e w 是一种图形化设计语言，在一个虚拟仪器v i 的开发过程中，主 要利用模板创建和运行程序。这些操作模板可以随意在屏幕上移动，并可以放 置在屏幕的任意位置。操纵模板共有三类：工具( t o o l s ) 模板、控制( c o n t r o l s ) 模板和功能( f u n c t i o n s ) 模板。 1 ) 工具模板( t o o lsp a l e t t e ) 工具模板为编程者提供了各种用于创建、修改和 调试v i 程序的工具( 如图2 3 所示) 。该模板可以在 w i n d o w s 菜单下选择s h o w t o o l sp a l e t t e 命令以显示该 模板。当从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就 会变成该工具相应的形状，它包括的工具包有：操作 工具、定位工具、标签工具、连线工具、对象弹出菜 单工具、滚动工具、断点工具、探针工具、颜色拷贝 工具和颜色工具。灵活运用工具模板里面的工具，可 以简化编程过程。 例如在调试程序时，使用探针工具非常频繁。 图2 3 ： 具模板 圈 探针工具图标 因为当调试程序失败时，必须搞清是在哪个环节上啦了问题。因此可用探 针工具在框图程序内的数据流线上设置探针，程序调试员可以通过探针窗口来 观察该数据流线上的数据变化状况。在所研制的测量系统中，由于是通过测得 9 的光电丌关脉冲信号来控制其它传感器采集模块的启停。如果控制信号的测量 值没有传递给其它v i ，那么就不能实现控制功能。在全局变量c o u n t 的数据流 线上设置的探针窗口如下图所示。 若有数据流过该数据连线，在c o u n t 对话框就会自动显示这些流过的数据。 通过观察探针窗口的数据，知道程序中采集的脉冲数据的变化情况，分析观察 的数据，可以查找出程序中存在的许多问题，简化了对控制软件的调试、修改。 2 ) 控制模板( c o n t r 0 1 sp a l e t t e ) 虚拟仪器的面板是通过软件实现的。 就是l a b v i e w 将传统仪器上的各种旋纽、 开关、显示屏等所有可能涉及到的操作部 件，都做成外形相似的“控件”分类存于 控制模板上。设计仪器面板时，只需根据 需要选择合适的“控件”放在面板相应的 位置上即可。控制模板可以用w i n d o w s 菜 单的s h o wc o n t r o l sp a l e t t e 功能打开它， 也可以在前面板的空白处，点击鼠标右键， 以弹出控制模板。它只有当打开前面板窗 口时才能调用。控制模板如图2 4 所示， 它包括的子模板有：数值子模板、布尔值 子模块、字符串子模板、列表和环( r i n g ) 子模板、数组和群子模板、图形子模板、 图2 4 控制模板 路径和参考名( r e f n u m ) 子模板、控件容 器库子模板、对话框子模板、修饰子模板、用户自定义的控制和显示以及调用 存储在文件中的控制和显示的接口。控制模板主要在设计前面板时使用。下面 是一个温度计( t h e r m o m e t e r v i ) 的虚拟前面板。 0 由图可以看出，虚拟前面板就象真实仪器的面板，上面有两个显示对象， 一个控制对象开关，可以控制在哪个显示对象中显示数据。看上去很象温 度计的控件就是用来显示测量的温度值，它位于控制模板中数值子模板里面。 前面板上的m o d e 控件，包含在控制面板的布尔予模板中，它具有开关触点属性， 是模拟实际继电器开关触点开闭特性的。通过点击m o d e 按钮可选择在不同控 件中显示数据。 3 ) 功能模板( f u n c t i o r l sp a l e t t e ) 功能模板就是l a b v i e w 将传统仪器上的各种测 试功能、信号分析文件操作以及输入输( i o ) 接口 设备的驱动做成可供直接调用的库函数。使用时只需 根据预定的功能与操作，从子模板上选择相应的“图 标”放在流程图编辑窗口中相应的位置上即可。该模 板上的每一个顶层图标都表示一个子模板( 如图2 5 所示) 。它可以用w i n d o w s 菜单下的s h o wf u n c t i o n s p a l e t t e 功能打开它，也可以在框图程序窗口的空白处 点击鼠标右键弹出功能模板。而且它只有打开了框图 程序窗口后才能出现。它包括结构子模板、数值运算 予模板、布尔逻辑子模板、字符串运算子模板、数组 子模板、族子模板、比较予模板、定时和对话框子 模板、文件输入输出子模板、仪器控制子模板、仪 图2 5 功能模板 器驱动程序库、数据采集子模板、数据采集子模板、 波形子模板、信号分析子模板、仪器i 0 予模板、运动和景象子模块、数学子 模块、通信子模板、应用程序控制子模板、图形和声音子模板、教学子模板、 报表生成子模板、高级子模板、选择v i 子模板和用户库子模板。 设计框图程序时，使用功能模板里面的对象可以实现各种控制要求的数据 采集。在本系统中使用到比较多的功能模板的予模板有下面几个： 结构子模板定时和对话框子模板数据采集子模板 在光电脉冲采集程序以及控制程序里面，用到结构子模板的循环结构和全 局变量，完成连续循环采集数据，以及数据传递功能。为了控制连续测量的时 间间隔，用到定时和对话框子模板里面的定时器节点。 在压力传感器数据采集软件设计中，使用数据采集子模板下面的中级模入 子模块。设置一个模入应用时，首先使用的v i 总是模拟输入配置( a ic o n f i g ) 模块。a ic o n f i g 对指定的通道设置模入操作，包括硬件、计算机内b u f f e r 的 分配。它常用的端子如下面a ic o n f i g 图标所示。 device(oi)。奇产马x描-tasklchannels o ( 0 ) f 产习= ；l 附陋塞“o rj i r l 嘿5 e “r r 0 5 r 3 ) = 产秆p 一“e r r 【n 0 。一 a ic o n f i g v i d e v i c e - - d a q 设备的编号。在n i 采集设置工具中设定。该参数告诉 l a b v i e w 你使用什么卡，它可以使采集v i 自身独立于卡的类型，也就是说， 如果你稍后使用了另一种卡，并且赋予它同样的设备号，你的v i 程序可正常 工作而无须修改。 c h a n n e l s - - 指定待采集的模拟信号所在是通道号。 b u f f e rs i z e 一单位是s c a n ，设置存储采集数据的缓冲区大小。 e r r o ri n 一在该v i 执行之前，输入的错误代码和信息。如果已经发生了错 误，则v i 不执行任何操作，将e r r o ri n 由e r r o ro u t 传送给后面的v i 。 a ic o n f i g 会产生一个t a s k l d 。所有别的模入v i 接受这个t a s k i d 以识别 操作的设备和通道，并且在操作完成后输出一个t a s k i d 。因为t a s k i d 是一个 输入并向另一个模入v i 输出，所以该参数形成了采集v i 之间的一个关联数据。 另外还有比较重要的i n t e r c h a n n e ld e l a y 一扫描间隔设置，用来控制采集卡的 扫描速率。数据采集子模板是n i 公司产品特有的功能子模板，功能非常强大， 通过灵活的运用，可以编制各种信号的采集程序。 l a b v i e w 模板里面的子模板大多数包括多个对象，可以实现不同的功能， 编制软件时通过对控制和功能模块中子模块的灵活调用，选取相应的功能子模 块，分别置于前后面板内，使用连线工具即可完成虚拟仪器设计。l a b v i e w 语 言是当今在测控领域内的虚拟仪器开发软件，它满足了实现虚拟测试仪器的条 件，是虚拟仪器开发环境中图形化语言的杰出代表之一。l a b v i e w 语言是一种 2 面向工程技术人员的图形化编程语言，是一神面向对象的模块化编程语言，使 面向对象技术程序的复用性达到最佳，被誉为工程师和科学家的语言。 总之我们采用虚拟仪器技术，就是因为它具有测量精度高，测量速度快 可重复行好，实现了用户自定义测量功能。而且可以缩短组建系统时间，降低仪 器硬件开销，同时也降低了系统故障率。我们还可以利用它易于扩展、系统更 新周期短的特点，来优化我们的测量系统。 3 1 前言 第三章数据采集与传输系统的硬件设计 数据采集系统的基本任务是获取被测对象的信息并传输至计算 机。一般数据采集与控制系统的硬件包括五个部分：传感器、信号调 理电路、数据采集硬件、计算机、连接电缆。一般通过传感器将测量 信息转换为电信号，在许多情况下，所获得的信号是非常低的电压， 并且对噪声敏感。这时不能把被测信号直接连接到d a q 卡，而必须使 用信号调理辅助电路，先将信号进行一定的处理。在所研制的测量系 统中，传感器用来获取被测大轴的直径变化、温度、转数以及标准滚 轮的转角、工作压力、温度等信息，从传感器输出的信号经过调理后 进入数据采集板。信号调理电路一般对传感器输出信号进行放大、光 电隔离、滤波等处理，以获得更精确的测量结果。 所研制测量系统的数据采集予系统的硬件构成框图如图3 - 1 所示。 图3 1 硬件系统构成框图 3 2 各类传感器及其信号调理电路的技术参数 根据各类传感器的测量范围及精度要求，进行了传感器的选择。 压力传感器是华东电子仪器厂生产的g g d 1 0 0 型秤量控制器，它属于 电阻应变式测力仪。它的技术参数主要有： 测量范围：0 2 0 0 n ； 精度：o 5 n ： 输出范围0 1 0 v ： 供电电源：2 2 0 v 。 电感传感器是中原量仪研究所生产的o g c 一8 z g c 型传感器，以及 d t 一5 2 l 型通用电感处理单元板。主要技术参数： 线性误差：0 5 f s ； 长时间稳定性：0 5 f s 4 h ： 测量范围：1 0 0 o n ，2 0 0 a m ，5 0 0 a m ： 输出范围o 10 v 。 光电开关是日本欧姆龙公司生产的e e s x 6 7 2 a 型传感器。主要技 术参数： 供给电压：5 2 4 v d c ： 响应频率：1k h z ； 输出状态：可选亮动、暗动； 输出电压：5 2 4 v ( 可控) 。 温度传感器是上海自动化仪表三厂w z p m - 2 0 l b 型b 级三线制端面 铂热电阻。测量温度范围为0 10 0 ，允许偏差为( 0 3 0 + 0 0 0 5i t1 ) ， 分辨率为0 1 。信号调理电路巡检仪主要技术参数 输入信号：p t l 0 0 ； 测量范围：一19 9 9 1 9 9 9 字； 测量精度：0 2 f s l 字； 分辨率：l 字： 温度补偿：o 5 0 ： 输出方式：标准模拟量输出0 l0 m y ( 5 0 0q ) 0 5 v ； 使用环境：环境温度0 5 0 ； 联机通讯：通讯协议为三线制( r s 一2 3 2 ) 。 光栅传感器是英国雷尼绍公司生产的r e s r 2 0 s a 圆光栅和 r g h 2 0 y 数字读数头。主要技术参数有： 供电电压：5 v 分辨率：0 1 , u r n 外直径：1 0 0m m ，l5 7 4 4 线周 插值因子：2 0 0 与光栅传感器连接的是f a g o r 公司的光栅计数卡，主要技术指标 有： 1 ) 坐标数：四坐标，可以同时进行四轴信号计数。 2 ) 输入信号：a 、b 两相t t l 或者v p p 正弦波信号输入。 3 ) 倍频数：4 倍频，可以对输入信号进行4 细分，进一步提高输 入信号的采样精度，它还具有四轴同时锁存，分别采样，清零功能。 3 3 数据采集卡的介绍 3 ，3 ，1 数据采集卡的选择 现在虽然有各种数据采集卡、数据采集芯片可供选用，但是许多情况下 需要按照数据采集系统的要求进行选取。一般根据测试对象以及系统的技术 指标，主要考虑以下因素： 1 输入信号的特性 在输入信号的特性方面主要考虑以下问题：信号的数量，信号的 特点，是模拟量还是数字量，信号的强弱及动态范围，信号的输入范 围，信号的输入方式，信号的频带宽度，信号是周期信号还是瞬态信 号，信号中的噪声及共模电压大小，信号源的阻抗等等。在本课题里 面，根据硬件框图，只要考虑压力传感器、电感微位移传感器及光电 开关传感器输出的信号特性。 2 对数据采集系统性能的要求 1 ) 系统的通过率 系统的通过率又称为系统速度。传输速率，采样速率或吞吐率， 是指在单位时间内系统对模拟信号的采集次数。通过速率的倒数是通 过周期( 吞吐时间) ，通常又称为系统响应时间或系统采集周期，表明 系统每采集并处理一个数据所占用的时间。它是设计数据采集系统的 重要技术指标，对于高速数据采集系统尤为重要。 2 ) 系统的分辨率 ， 系统的分辨率是指数据采集系统可以分辨的输入信号最小变化 量。通常用最低有效位值( l s b ) 、系统满刻度值的百分数( f s r ) 或 系统可分辨的实际电压数值等来表示。 3 ) 系统的精度 系统的精度是指当系统工作在额定通过率下，系统采集的数值和 实际值之差，它表明系统误差的总和。与系统分辨率是两个不同的概 念。 另外还包括系统的非线性误差、共模抑制比、串模抑制比等指标。 4 ) 接口特性 接口特性包括采样数据的输出形式( 并行输出还是串行输出) ，数 据的编码格式，与什么数据总线相接等。 本课题设计的数据采集系统服务于高精度大直径实时测试系统， 被测大轴和标准滚轮都是近似匀速转动的采集卡输入信号的特征均 1 6 与各类传感器及其信号调理电路输出特性相关。传感器输出有模拟量、 数字量和脉冲量信号，只有模拟量和脉冲量信号需经过采集卡传输到 计算机。几种传感器获取的信号，其中除了温度信号变化比较缓慢外， 其它信号如压力、微位移、光栅均是随时间变化的瞬态量，这些信号 均具有周期性和双极性。 采样是把连续信号变成离散序列的过程。这一过程相当于在连续 信号上“抽取”许多离散的信号瞬时值。采样定理给出了一个在理论 上能不失真的再现原信号的最低频，即采样频率c o 。，它必须满足： ( os 兰2c on 13 一l 其中。为信号的最高频率分量。一般情况下。在采样频率满足采 样定职求情况下，可以通过加一个理想的低通滤波器提取主分量。 一7 奠在实际工程中的低通滤波器不可能有理想的低通滤波特性，故采样 频率需要更高，通常取信号最高频率分量的4 2 0 倍，即c o 。= ( 4 2 0 ) u 。在本课题研究的测量系统中，被测大轴3 0 秒转动一周，滚轮3 秒转动一周。在大轴转动的一个周期内，电感传感器采样的采样点数 为2 0 4 8 个，那么采样频率大约为7 2 h z 。在滚轮转动的一个周期内，确 定对压力传感器采样点数为5 1 2 个，那么采样频率大约为1 8 0 h z ，传感 器信号采样的频率不超过2 0 0 h z 范围内，根据采样定理可以设定数据 采样频率最高为4 0 0 0 t t z 。 分辨率取决于模数转换的位数，a i d 的位数越多，分辨率就越高， 可区分的最小电压就越小。分辨率要足够高，数字化信号才能有足够 的电压分辨能力，才能较好地恢复原始信号。数据采集卡的a d 分辨 率、区间决定了可检测输入信号的最小变化量。这种变化量的计算公 “ 式为： 一 、 2 严r a n g e 3 2 r a n g e 表示d a o 卡的区间，即是输入电压范围 d a q 卡的分辨率，一般用比特表示。 本系统中，压力传感器和电感传感器的输出电压都在o 1o v ，精 度分别为0 0 2 5 v 和0 0 0 5 v ，由公式3 2 可以知道a d 的分辨率为 io b i t 。故选择1 2 位a d 转换器。 3 3 2 数据采集卡与计算机的接口选择 计算机与计算机之间、计算机与智能仪器之间、智能仪器与智能 仪器之间，经常需要传输各种不同的数据。数据通信是计算机及智能 设备连成网络必不可少的手段。为了传输信号，不同的设备之间要有 导线把它们连接起来，这些互联信号线的集合称之为总线，是组建智 能检测系统的关键部分。传统的外设与p c 机的通讯接口一般是基于p c i 总线、i s a 总线或者是r s 一2 3 2 c 串行总线。r s 一2 3 2 c 串行总线连结虽 然比较简单，但其传输速度慢( 5 6 k b ps ) ，且主机的串口数目也有 限。一般在传感器种类较多的情况下，不选用这种接口形式。 本课题的测试系统选择了基于计算机内部总线的数据采集卡。目 前市场上的产品以i s a 总线、p c i 总线系列功能数据采集卡为主。随着 计算机微处理性能的不断提高，i s a 总线由于其传输速度的限制而逐渐 被淘汰，而p c i 总线以其高性能等特点正广泛应用于计算机系统。在 该测量系统中，光电开关需要计数功能，结合输入信号的采样频率、 a d 转换的分辨率、输入范围等因素，该系统采用了美国n i 公司制造 的p c i 一6 0 7 1e 产品，以及与之配套的i o 连接器s c b l0 0 完成数据 采集任务。p c i - 6 0 7 1 e 卡是外界电信号与p c 机之间的桥梁，它不但具 有数据采集的功能，还具有信号控制和输出的功能。 3 3 ，3p c f 总线简介 微处理机性能的迅速提高以及多媒体技术和高速网络的不断发 展，人们对微机系统的i o 带宽提出了越来越高的要求，原有的标准 总线如i s a 、e i s a 和m c 已逐渐不能胜任现代技术的要求。19 9 1 年底 i n t e l 公司提出p c i ( p