（检测技术与自动化装置专业论文）基于虚拟仪器的测控平台的设计与研究.pdf

论文题目 基于虚拟仪器的测控平台的设计与研究 专业 检测技术与自动化装置 硕士生 罗德柱 指导教师 马宪民 摘要 虚拟仪器技术是计算机技术与仪器技术相结合的产物 代表了仪器的最新发展方 向 它把传统仪器中的某些硬件乃至整个仪器都用计算机软件替代 这样不仅可以节 省硬件丌支 而且缩短了研发时间 减小了设计难度 本文正是基于n i 公司 l a b v i e w 的虚拟仪器软件开发环境 研究以l a b v i e w 图形化软件编程方法和集成开 发环境来实现计算机测控系统平台的技术和方法 并将其应用在链条炉测控系统平台 的设计中 本论文首先分析虚拟仪器的构成以及分类与应用 选择图形化软件l a b v i e w 作 为测控系统的开发环境 然后 在此基础上研究虚拟仪器集成开发环境中的测控系统 开发优势 提出基于l a b v i e w 的测控系统设计方案 包括系统结构 功能和性能特性 以及设计流程和设计方法 通过基于优先级的设置和执行系统的选择 结合固定时间间隔调度和时间片调度 以及事件驱动机制 设计实现了基于l a b v i e w 测控平台的三种多任务调度策略 通过 采用循环缓冲技术 高速磁盘流技术 异步读取d a q 事件技术解决了数据的高速采集 问题 将利用虚拟仪器技术开发的测控平台应用于链条炉测控系统中 设计了简洁 友 好的人机交互界面 实现测控系统平台中控制策略生成 画面监控 参数设置 参数 趋势显示 报警处理以及数据库访问和网络通讯等功能 在控制算法上 研究p i d 参 数整定方法 提出自调整模糊p i d 控制算法 设计的基于l a b v i e w 自调整模糊p i d 控制器 应用于链条炉测控系统平台中 在控制方案上 研究基于l a b v i e w 的测控系 统平台多冗余 多策略控制系统的构建方法 采用常规控制与智能控制结合的控制方 案 解决了控制方案的优化问题 关键词 虚拟仪器 测控平台 l a b v i e w 链条炉 多任务 自调整模糊p i d 研究类型 应用研究 s u b j e c t t h er e s e a r c ha n dd e s i g no ft h em e a s u r ea n dc o n t r o l p l a t f o r mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t s p e c i a l t y m e a s u r e m e n tt e c h n o n l o g ya n da u t o m a t i o n n a m e d e z h u l n o i n s t r u c t o r x i a n m i nm a a b s t r a c t s i g n a t u r e 龇丝 s i g n a t u r e 逝以 l v i r t u a li n s t r u m e n ti st h ec o m b i n eo u t c o m eb e t w e e nt h ec o m p u t e ra n dt h ei n s t r u m e n t t e c h n o l o g y i ti st h en e wd e v e l o p m e n ta s p e c to f t h ei n s t r u m e n t t h ec o m p u t e rc a nr e p l a c et h e p a r t so ft h eh a r d w a r e e v e nt h ew h o l ei n s t r u m e n t i tl e a d st os a v eh a r d w a r ee x p e n d i t u r e r e d u c et h er e s e a r c ht i m ea n dw e a k e nt h ed e s i g nd i f f i c u l t t h el a b v i e wv i r t u a li n s t r u m e n t s o f t w a r ee x p l o d e rc i r c u m s t a n c ei si n v o l v e db a s e do nt h en ic o i nt h ep a p e r t h et e c h n o l o g y a n dt h ew a yo ft h ec o m p u t e rt e s ta n dc o n t r o la r ea c h i e v e db a s e do nt h el a b v i e wg r a p h i c s m o d ep r o g r a m m e dw a ya n dt h ei n t e g r a t i o ne x p l o d e rc i r c u m s t a n c e f i r s t l y t h ev i r t u a li n s t r u m e n ti sb r i e f e di n t r o d u c e di nt h ep a p e r i n c l u d i n gt h ef o r ma n d t h ea p p l i c a t i o no fi t t h e nt h eg r a p h i c sm o d es o f t w a r ee x p l o d e rc i r c u m s t a n c e t h em e r i t sa n d t h ep o w e r f u lf u n c t i o n so f t h el a b v i e wl a n g u a g ea r es h o w e di nt h ep a p e r i ti si m p o r t a n tt h a t t h ec o m p u t e rt e s ta n dc o n t r o ls y s t e md e s i g ns c h e m ei nt h ev i r t u a li n s t r u m e n te x p l o d e r c i r c u m s t a n c eb a s e d0 1 1t h el a b v i e wa r eg i v e n i ti n c l u d e st h es y s t e mf l a m e f u n c t i o n p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c d e s i g nf l o wa n dd e s i g nw a y t h e3 m u l t i t a s k i n gd i s p a t c hs t r a t e g i e sb a s e do nl a b v i e wt e s ta n dc o n t r o lf i a tv i a s e r i n gp r i o r i t ya n dt h es e l e c tp e r f o r ms y s t e m i ti sc o n n e c t e dw i t ht h ec h a n g e l e s st i m e i n t e r v a la n dt h et i m eb l o c kd r i v em a c h i n e m a d e i ts o l v e st h em e t q u e s t i o n sd u r i n gh i g h s p e e d d a t aa c q u i s i t i o nv i ac i r c l eb u f f e rs t o r a g e h i g h s p e e dd i s ks t o r a g et e c h n o l o g y a s y n c h r o n o u s r e a dd a qi n c i d e n t s al a b v i e wt e s ta n dc o n t r o lf l a t n a m e l y g r a t e f i r e df l r n a c ei s d e s i g n e d ab r i e f f r i e n d l yi n t e r f a c eb e t w e e nt h ec o m p u t e ra n dm a ni sr e a l i z e d t h ep r o c e s sc o n t r o l t h ep i c t u r e s u p e r v i s e t h ep a r a m e t e rs e t u p t h ep a r a m e t e rt r e n d g i v e na na l a r m d a t a b a s ev i s i ta n dt h e n e t w o r kc o m m u n i c a t i o ne t ca r ei m p l e m e n t e db a s e do nl a b v i e wt h ev i r t u a li n s t r u m e n t e x p l o d e rc i r c u m s t a n c ei nt h ep a p e r t h em u l t i r e d u n d a n c ya n dm u l t i s t r a t e g yc o n t r o ls y s t e m f o r mw a yb a s e do nt h el a b v i e wt e s ta n dc o n t r o lf l a ti sr e s e a r c h e do nt h ec o n t r o lp r o j e c t a u n i v e r s a l i t yp i dp a r a m e t e rl i n e su pa n dt h es e l f r e g u l a t ef u z z yp i dc o n t r o la r i t h m e t i ci s d e s i g n e d a n dt h e nt h es e l f r e g u l a t ef u z z yn d c o n t r o l l e ri sr e a l i z e db a s e do i lt h el a b v i e w t h em a t e r i a la p p l i c a t i o ni sm a t e r i a l i z e di nt h es t o k e rt e s ts y s t e mp l a t o nt 1 1 ec o n t r o lp r o j e c t t h ec o n t r o lo p t i m i z eq u e s t i o ni ss o l v e db e t w e e nt h eg e n e r a la n dt h ei n t e l l e c t i v ec o n t r 0 1 t h e m u l t i r e d u n d a n c ya n dt h em u l t i s t r a t e g i e ss y s t e ma r ec o n c e i v e db a s e do nt h el a b v i e w t e s t a n dc o n t r o ls y s t e mp l a t f o r m k e yw o r d s v i r t u a li n s t n m a e n t s y s t e mo f m e a s u r ea n d a u t o m a t i o nl a b v i e w g r a t e f i r e df u m a c em u l t i t a s k i n g t h e s e l f r e g u l a t ef u z z yp i d t h e s i s a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西要科技大学 学位论文独创性说明 y 9 2 3 10 0 本人郑重声明 所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果 尽我所知 除了文中加以标注和致谢的地方外 论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料 与我一同工作的同恚对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 罗儒旌日期 粥矿 多 4 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定 即 研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学 学校有权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 本人允许论文被查阅和借阅 学校可以将本学 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 等复制手段保存和汇编本学位论文 同时本人保证 毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学 保密论文待解密后适用本声明 学位论文作者签名 写镶槛 指导教师签名 弧 劫o i f 年 月6 日 l 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景和目的 1 1 1 研究背景 现代化技术的进步以计算机技术的进步为代表 不断革新的计算机技术 从各个 层面上影响并引导着各行各业的技术更新 使仪器仪表在许多方面突破了传统的概 念 7 0 年代将微处理器引人仪器的设计中 出现了智能仪器 8 0 年代后计算机技术 通信技术的飞速发展 以及虚拟现实的引入 产生了虚拟仪器技术川 虚拟仪器系统是测控技术和计算机技术相结合的革命性产物 它从根本上更新了 仪器的概念 其有传统仪器无法比拟的优势 它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i j j l 4 j 表1 1 概括了虚拟仪器与传统仪器的性能差别 表1 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器传统仪器 开发和维护费用低 技术更新周期短 0 5 1 年 软件是关键 价格低 开放 灵活与计算机同步 可重复用和 重配置 可用网络联络周边各仪器 自动化 智能化 多功能 远距离传输 只可连有限的设备 功能单一 操作不便 虚拟仪器技术的出现 使得用户可以自己定义仪器 灵活地设计仪器系统 以满 足多样化的实际需求 用户可以用虚拟仪器来组建适合自己的任何测控系统 再也不必 将自己封闭在功能固定 性能单一而且常常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 1 1 2 研究目的 本课题研究内容是利用虚拟仪器技术和l a b v i e w 集成开发环境构建测控系统平 0 5高0 用长费期 护周键 维新关贵和更是昂 发术件格定开技硬价固 西安科技大学硕士学位论文 台 在应用于链条炉测控系统中的基础上 研究基于虚拟仪器测控系统的工程应用价 值 链条炉由于其投资少 结构简单 运行稳定 操作方便和易于维护 在国内中小 型供热企业和化工企业中使用很普遍 是企业主要的供热 供汽设备 目前 链条炉 控制主要以常规模拟调节仪表控制和计算机控制与常规模拟调节仪表控制相结合为 主 由常规模拟调节仪表组成的控制系统 虽然具有高可靠性 操作简便等优点 但 模拟仪表难以实现集中显示和操作 其自动化程度较低 基本处于操作人员手动控制 的状况 由常规模拟调节仪表与计算机控制相结合的控制系统 以p l c 或工控机为主 要控制器 结合常规模拟调节仪表 虽可以实现参数的集中显示与操作 但对控制器 要求很高 由常规模拟调节仪表与计算机控制相结合的控制系统相对来说投资较高 且网络通讯能力差 通用性不强 这对于投资少的链条炉控制系统并不是一个完善的 解决方案 采用虚拟仪器平台开发中小型测控系统包括链条炉测控系统的优势体现在 它提 供给仪器设计所需的丰富的功能控件 节省大量硬件投资 以软件实现不同仪器的功 能 针对测控任务能在很短的时间内完成兼容性好 通用性强的测控系统设计 它提 供了开放的硬件接口 可通过g p i b v x i p x i p l c 串行设备和插卡式数据采集板 等 配合通用p c 机的标准软硬件资源 构建灵活的 层次体系明晰的 功能强大的且 人机界面友好的数据采集系统和便捷高效的控制系统 且虚拟仪器平台自带有的模糊 控制模块以及可以移植入几种通用的编程语言 如 c v c m a t l a b 可以实现复杂 的智能控制算法 最优控制 自适应控制乃至模糊控制 智能控制 专家系统等 同 时虚拟仪器平台也具有很强和较开放的网络通信功能 使测控系统和信息网有机地结 合起来 实现网络化测控 代表了测控系统未来的发展方向 1 2 国内外的研究和应用现状 1 2 1 虚拟仪器技术在国外的发展 虚拟仪器技术目前在国外发展很快 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 以美国国家仪器公司 n i 公司 为代表的一批厂商已经在市场上推出了基于虚拟 器技术而设计的商品化仪器产品 在美国虚拟仪器系统及其图形编程语言 已作为理 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的机械工程系 子类 专业都要求三 四年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制 近年来 世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件 以便使用 者用这些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 1 绪论 件 最早和最具影响力的开发软件 是n i 公司的l a b v i e w 软件和l a b w i n d o w 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 s 环境下的标准 a n s ic 开发环境 除了上述的优秀丌发软件之外 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 n i x 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 s t e r 平台软件 也是国际上公认的优秀虚拟仪器丌发平台 软件 当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括传统的r s 2 3 2 串行总线 g p m l b 通用 接口总线 v x i 总线 以及已经被p c 机广泛采用的u s b 通用串行总线和i e e e 1 3 9 4 总线 即f i r ew i r e 也叫做火线 世界各国的公司 特别是美国n i 公司 为 使虚拟仪器能够适应上述各种总线的配置 开发了大量的软件以及适应要求的硬件 插件 可以灵活地组建不同复杂程度的虚拟仪器自动测试 测控系统 m 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 l e w 和虚拟仪器教学生们使用最新的测量和设计技术 1 2 2 虚拟仪器技术在国内的发展 在国内已有很多院校的实验室引入了虚拟仪器系统 早期的有上海交通大学 广 州暨南大学 华中理工大学 四川联合大学等 目前西安地区近十余所高校引进了虚 拟仪器设备 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 华中理工大学机械学院工程测试实验室将其开发成果在网上公开展示 四川联合大学 的教师基于虚拟仪器的设计思想 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 使用方便 灵活 清华大学汽车系利用虚拟仪器技术构 建的汽车发动机检测系统 用于汽车发动机的出厂检验 此外 国内已有几家企业在 研制p c 虚拟仪器 哈尔滨工业大学仪器王电子有限责任公司就是其中之一 它的产 品已达到一定的批量 其主要产品有数字存储示波器系列 任意波形发生器及频率计 系列 多通道大容量波形记录仪系列 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 因此有专家预测 未来的几年内我国将有超过5 0 的仪器为虚拟仪器 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 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 西安科技大学硕士学位论文 1 3 论文的研究工作和任务 本论文主要完成以下工作和研究 1 研究l a b v i e w 编程技术 研究基于l a b v i e w 集成开发环境中测控系统的方案 设计 2 分析研究基于l a b v i e w 的测控平台的多任务机制 分析测控平台的任务划 分 并对测控平台多任务机制的实现进行说明 3 研究基于l a b v i e w 的高速数据采集技术 研究自调整模糊p i d 控制算法 4 研究基于l a b v i e w 的数据库技术和网络通讯技术 实现l a b v i e w 环境下数据 库的访问和网络通讯 5 在l a b v i e w 环境下完成链条炉测控平台各个功能模块的设计和软件算法的实 现 1 4 本文的结构安排 全文共分七章 第一章为绪论 简要说明论文的课题研究背景和研究目的 国内外的研究和应用 现状 论文的研究工作和任务 并介绍论文的结构安排 第二章为虚拟仪器的编程环境 本章首先介绍了虚拟仪器的概念和虚拟仪器的构 成以及虚拟仪器系统的分类与应用 然后是l a b v i e w 的概述和工作机制 第三章为基于l a b v i e w 集成开发环境中测控平台的方案设计 本章首先介绍了计 算机测控系统的概述和设计原则 然后提出了基于l a b v i e w 的w i n d o w 测控平台设计 方案 设计方案包括 结构分析 功能分析 性能特性 设计流程设计方法 第四章为基于l a b v i e w 的测控平台的多任务调度策略 首先介绍了l a b v i e w 环 境下多任务机制 分析了测控平台多任务策略 然后给出了基于l a b v i e w 的测控平台 多任务调度的实现 第五章为基于l a b v i e w 的数据采集和模糊自整定p i d 首先研究了高速数据采集 技术 然后就自整定模糊p i d 控制算法进行了研究 第六章为链条炉测控平台软件设计的实现和链条炉测控平台数据管理功能 网络 测控功能的实现 4 2 虚拟仪器概述和开发平台l a b v i e w 2 虚拟仪器概述和开发平台l a b v i e w 2 1 虚拟仪器概述 2 1 1 虚拟仪器概念 所谓虚拟仪器 就是用户在通用计算机平台上 根据需求定义和设计仪器的测试 功能 使得使用者在操作这台计算机时 就象是在操作一台他自己设计的测试仪器一 样 虚拟仪器的组成粗略地可以概括为被测对象的数据采集 数据分析与处理 结果 表达与输出单元等三部分 如图2 1 所示 被信 数 数 测号 据 对调 采 一 据 集 处 象理理 卡 2 1 虚拟仪器方案图 虚拟仪器 v i r t u a li n s t r u m e n t 是基于计算机和标准总线技术的模块化系统 通常由 通用个人计算机 模块化功能硬件和控制软件所组成 虚拟仪器通过软件将计算机硬 件资源与仪器硬件有机地融合为一体 从而把计算机强大的数据处理能力和仪器硬件 的测量 控制能力结合在一起 大大减小了仪器硬件的成本和体积 并通过软件实现 数据的显示 存储以及分析处理 可以看出 软件是虚拟仪器的核心 软件就是仪 器 从本质上反映了虚拟仪器的特征 需要特别指出的是 虚拟仪器实质上是一种创新的仪器设计思想 而非一种具体的 仪器 换言之 虚拟仪器可以有各种各样的形式完全取决于实际的物理系统和构成仪 器数据采集单元的硬件类型 但是有一点是相同的 那就是虚拟仪器离不开计算机控 制 软件是虚拟仪器设计中最重要的 也是最复杂的部分 2 1 2 虚拟仪器的构成 虚拟仪器系统总体上由硬件和软件两部分组成 2 1 0 采用模块式结构 一套完整 的虚拟仪器系统一般分为4 层 1 测试管理层 使用虚拟仪器生产商开发的应用程 序 组成一套具体的测试仪器或测试系统 2 应用程序开发层 3 仪器驱动层 4 r o 总线驱动层 模块之间用相同的标准总线连接起来 形成一套完整的数据采集和 测试系统 仪器模块可以包括v x i 仪器 g p i b 仪器 p x i 仪器和串行口仪器 西安科技大学硕士学位论文 计算机是虚拟仪器的硬件基础 对于工业自动控制 测试与测量而言 计算机是 功能强大 价格低廉的运行平台 由于虚拟仪器充分利用了计算机的图形用户界面 g u i 所开发的具体应用程序都赖于w i n d o w s 运行环境 所以计算机的配置必须合 适 g u l 对计算机的c p u 速度 内存大小 显示卡性能等都有最基本的要求 一般而 占要使用5 8 6 以上的c p u 和6 4 m 以上的内存的计算机才能获得良好的效果 除此以外 虚拟仪器还须配备其它硬件设备 如各种计算机内置插卡或外置测试 设备以及相应的传感器 才能构成完整的硬件系统 实际应用中有两种构成方式 一 种是把带有某种接口的各种测试设备连接到p c 上 如带有g p i b 或r s 一2 3 2 口的测量 仪表 但是 带r s 2 3 2 口的仪表可直接连接到p c 上 带g p i b 口的仪表还需通过p c 中内置的g p i b 接口卡刊 能和p c 相连 如果用计算机控制v x i 总线设备 也需要配备 一块g p i b 接口卡 通过g p i b 总线与v x i 主机箱零槽模块通信 零槽模块的g p i b v x i 翻译器将g p i b 的命令翻译成v x i 命令 并把各模块返回的数据以一定的格式传 回主控计算机 另外 由于计算机中的r s 一2 3 2 串行接口有限 如果仪器设备比较多 必要时须选择合适的r s 一2 3 2 总线接口扩展计算机的r s 一2 3 2 接口 另一种是直接把传 感器的输出信号经放大调理后送到p c 内置的专用数据采集卡 然后由软件完成数据处 理 软件部分主要由虚拟仪器面板软件 数据分析处理软件和设备驱动软件组成 其 中 设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序 虚拟仪器通过底层设备驱动 软件与真实的仪器系统进行通信 并以虚拟仪器面板的形式在显示器上显示与真实仪 器面板操作元素相对应的各种控件 在这些控件中集成了对应仪器的程控信息 所以 用户用鼠标操作虚拟仪器面板就如同操作传统仪器一样真实与方便 如果硬件接口没 有相应的驱动程序或者驱动程序的版本不合适 用户就需要编写其驱动程序 这里 硬件部分实现数据采集功能并提供数据处理的具体环境 而数据的处理 显示和存储 等则由软件来完成 所阻说软件是虚拟仪器系统的核心 由它来定义仪器的具体功 能 具备了前述条件以后 接下来需确定监控系统软件的编程语言 如果用户有专业 的图形化编程软件 如h pv e e n il a b v i e w 那么就可以采用专业的图形化编程软 件进行编程 如果没有此类软件 则可以采用通用编程语言 如m i c r o s o f t 公司的 v i s u a lb a s i c 或者b o r l a n d 公司的d e l p h i 由于它们易于学习 易于使用以及功能强大 而倍受测控人员的青睐 监控系统软件通过仪器驱动程序和u o 接口软件实现对硬件 的操作 进行数据采集 同时完成诸如数据处理 数据存储 报表打印 趋势曲线 报警和记录查询等功能 系统软件部分直接面对操作人员 要求有良好的人机界面 操作方便等特点 6 2 虚拟仪器概述和开发平台l a b v i e w 2 1 3 虚拟仪器系统的分类与应用 虚拟仪器的发展随着微机的发展以及采用的总线方式的不同 可以分为以下6 种类 型 1 p c 总线一插卡型虚拟仪器 这种方式借助于插入p c 中的数据采集卡和专用的 软件 如l a b v i e w 相结合 完成具体的数据采集和处理的任务 它充分利用p c 的总 线 机箱和电源等硬件资源以及极其丰富的软件资源 插卡式仪器价格比较昂贵 这 类仪器受计算机机箱和总线的限制 还有电源功率不足 机箱内部噪声电平较高且无 屏蔽以及插槽尺寸较小且数量少等缺点 2 g p i b 总线方式的虚拟仪器系统 i e e e4 8 8 通用接口总线又称g p i b g e n e r a l p u r p o s ei n t e r f a c eb u s 总线 是h p 公司在7 0 年代推出的台式仪器接口总线 因此又叫 h p i b h pi n t e r f a c eb u s 1 9 7 5 年i e e e 和i e c 确认为i e e e4 8 8 和i e c6 5 2 标准 该标准 总线在仪器 仪表及测控领域得到了最为广泛的应用 这种系统是在微机中插入一块 g p i b 接口卡 通过2 4 或2 5 线电缆连接到仪器的g p i b 接口 一块g p i b 接口卡最多 可带1 4 台仪器 由于g p i b 系统在p c 出现的初期问世 所以有一定的局限性 如其 数据线只有8 根 传输速率最高1 m b s 传输距离2 0 m 力n 驱动器可达5 0 0 m 等等 3 v x i 总线方式的虚拟仪器系统 v x j f v m e b u s e x t e n s i o nf o r l n s t r u m e n t a t i o n 总线是 高速v m e 计算机总线在仪器领域中的扩展 由h p 等公司于1 9 8 7 年提出 1 9 9 2 年成 为工e e e1 1 5 5 标准 v x i 系统综合了计算机技术 g p i b 技术 p c 仪器技术 接口技 术 v m e 总线和模块化结构技术的成果 1 9 9 8 年修订的v x l 2 0 版本规范采用了 v m e 总线的最新进展 提供了6 4 位扩展能力 数据传输率最高可达8 0 m b s 4 p x i 工总线方式的虚拟仪器系统 p x i 总线是1 9 9 7 年美国n i 公司发布的一种高 性能低价位的开放性 模块化仪器总线 p x i 是p c i 在仪器领域的扩展 p c ie x t e n s i o n s f o ri n s t r u m e n t a t i o n 是用于自动测试系统机箱底板总线的规范 在机械结构方面与 c o m p a c tp c i 总线的要求基本相同 p x i 将w i n d o w sn t 和w i n d o w s9 5 定义为其标准软 件框架 并要求所有的仪器模块都必须带有按v i s a 规范编写的w i n 3 2 设备驱动程 序 使p x i 成为一种系统级规范 保证系统易于集成与使用 从而进一步降低用户的 开发费用 所以 在数据采集 工业自动化系统 计算机机械光测系统和图像处理等 方面获得了广泛应用 5 并行式虚拟仪器系统 这是一种最新发展起来的一系列可连接到p c 并行口的 测试装置 它们把硬件集成在一个采集盒里或一个探头上 软件则装在计算机中 通 常可完成各种虚拟仪器的功能 其最大优点在于能和便携式p c 相连 方便野外作业 又可和台式p c 相连 实现台式和便携式两用 6 串行口虚拟仪器系统 它分为主机和从机两部分 主机是p c 机 完成虚拟仪 西安科技大学硕士学位论文 器的面板设计以及对采集到的数据进行处理 从机部分即为数据采集器 它利用单片 机功能全面的优势 使调理电路和数据采集电路智能化 从而使虚拟仪器在保证数据 采样速率的前提下 更加方便使用 该数据采集器为外接式 利用标准r s 2 3 2 4 8 5 串 口与p c 机连接 插拔方便 适合与笔记本电脑组成便携式仪器 如果p c 机接入互联 网可构建网络化的虚拟仪器实现远距离测量 串行口虚拟仪器系统从构成来看也可以 称为主从式虚拟仪器 它最大的特点是支持远距离传输 抗干扰能力强 价格便宜 适用于数据传输率要求不高 电磁干扰强 噪声大的工业控制场合 2 2 虚拟仪器开发平台l a b v i e w 2 2 1l a b v i e w 概述 l a b v i e w l a b o r a t o ro fv i r t u a li n s t r u m e n t se n g i n e e r i n gw o r k b e n c h 是美国国家仪器公 司n i m a t i o n a li n s t r u m e n t s 推出的3 2 位 为v x i 即插即用联盟r v x ip l u g p l a y s y s t e m sa l l i a n c e 认可的编写g w i n 和w i n 框架的驱动程序的标准虚拟仪器丌发平 台 l a b v i e w 是一个基于图形化编程语言g 的虚拟仪器开发环境 它提供了一种全新 的编程方法 即对称之为 虚拟仪器 v i r t u a l l n s t r u m e n t s v i s 的软件对象进行图形化的 操作组合 利用l a b v i e w 可以通过交互式的图形化前面板来控制系统 例如 可以 对几千种硬件设备 g p i b v x i p x i r s 2 3 2 r s 4 8 5 p l c 插入式数据采集卡 等 进行数据采集 可以通过网络 交互应用通讯和结构化查询语言 s q l 等方式与其 他数据源相联 可以利用其功能强大的数据分析程序对原始数据进行分析 得到有意 义的结果并加以显示输出 可以创建执行速度较快的3 2 位编译程序 l a b v i e w 是一个 真正的3 2 位编译器 用来实现数据采集等测试任务 l a b v i e w 带有大量数据采 集 分析 显示 存储的函数库以及众多的程序开发工具 还通过动态链接库d l l 共享库函数 a c t i v e x 等提供了大量的外部代码接口 在调试方面 具有设置断点 单 步运行等有力的功能 2 2 1l a b v l e w 的工作机制 所有的l a b v i e w 程序 即虚拟仪器v i s 都是出前面板和框图构成的 l 8 1 1 前面板 f r o n t p a n e l 在l a b v i e w 中 前面板是虚拟仪器v i s 的图形用户界面 其中包含着旋钮 按 钮 图表等控件 c o n t r 0 1 指示器 i n d i c a t o r 用来接收用户的输入以及显示程序的输 出 图2 2 各个控件 指示器是l a b v i e w 与用户的接口 它们的外观和实际仪器对 应元件的外观几乎一样 因此 计算机屏幕所显示的就像一台实际仪器的前面板 既 直观又友好 2 虚拟仪器概述和开发平台l a b v i e w 图2 2 示波器前面板 2 框图 b l o c k d i a g r a m l 框图与图元 i c o n s 一起包含着虚拟仪器图形方式的源代码 在框图中 可以使用g 语言对前面板中所创建的各种输入 输出的功能进行编程 框图中可以包括l a b v i e w 内部的虚拟仪器库函数 f u n c t i o n 结构 s t r u c t u r e 还可以包括与前面板上的控件 指 示器有关的接线端子 t e r m i n a l 图2 3 图2 3l a b v i e w 程序框图 3 选项板 p a l e t t e 选项板提供了创建 编辑用户v i s 的前面板 框图时所需要的一些选项 l a b v i e w 中有以下三个选项板 工具选项板 工具选项板既可用在前面板设计时 也可用在框图设计时 它包括 了创建 编辑 调试前面板及框图对象的一些工具 图2 4 a 控件选项板 该选项板用在前面板设计时 其中包括t c j 建用户界面时所需要 的各种控件 指示器 图2 4 b 函数选项板 函数选项板用于框图设计时 其中包括了对v i s 进行编程时可使 用的一些标准模块 如算术运算 文件l o 仪器i o 数据采集等模块 图2 4 c 9 西安科技大学硕士学位论文 图2 4 a 工具选项板图2 4 b 控件选项板图2 4 c 函数选项板 4 数据流图 d a t a f l o w 用l a b v i e w 创建的v i s 是按一定的数据流动模型来执行的 框图一般由v i s 结 构 前面板上的接线端子等结点 n o d e n 成 这些结点通过 导线 w i r e 连接起来 由 此连接关系决定了程序执行过程中的数据流动 图2 5 当一个结点的功能被执行完 后 其所有的输出都将被移动到数据流图路径上的下一个结点上 图2 5 数据流图 限于篇幅 这里不在对开发虚拟仪器v i s 的一般步骤做详细介绍 只给出一个用 l a b v i e w 开发出来的串口调试的前面板图 图2 6 该功能面板实现对串口数据采集 的设置和采集数据图表显示以及l a b v i e w 和串口采集卡数据同步的调试 图2 6 串口调试前面板 2 虚拟仪器概述和开发平台l a b v i e w 2 3 本章小结 本章首先介绍了虚拟仪器的概念和构成以及虚拟仪器系统的分类与应用 然后介 绍了虚拟仪器开发平台l a b v i e w 语言的特点和工作机制 西安科技大学硕士学位论文 3l a b v i e w 集成开发环境中测控系统的方案设计 3 1 计算机测控系统及设计原理 3 1 1 计算机测控系统概述 计算机测控系统是计算机技术和自动控制理论相结合的产物 9 所谓自动控制 是指在无人直接参与的情况下 利用控制器操纵被控对象 使被控量自动地按预先规 定的规律运行 计算机控制系统顾名思义就是一套由计算机来实现自动控制过程的系 统 它可以是单个回路参数的简单控制 也可以是复杂控制规律的多变量解耦控制 最优控制 自适应控制乃至模糊控制 智能控制 专家系统等 计算机控制系统基本要素包含以下三个方面 1 测量和采集 就是对客观事物某一现象或过程的物理 化学和生物参数进行测量 采集 显示 和记录 这些任务需要各种各样的传感器 测量装置和数据采集硬件系统来完成 2 控制 就是对某一过程或试验对象的某些参数按预定的要求或规律实行控制 这就需要 有相应的控制硬件系统实现和执行各种控制功能 3 1 计算机管理和操作 现代的测量 数据采集和控制系统都是在计算机的管理和操作下进行工作的 因 此 现代的测控系统通常都配置有相应的计算机外设 测控系统主要是由计算机和外围输入和输出通道组成 输入通道接受和采集来自 各种传感器和有关环节送来的各种信号和信息 经过计算机的分析 判断 计算和处 理 然后通过输出通道发出各种控制信号和命令 以完成预定的测控任务 包括对各 种测控系统硬件的驱动 诊断和对被测数据进行处理以后的数字 图标 图像 图形 和文件的形式显示 记录和打印 对受控过程或试验对象以某种规律或控制算法进行 控制 上述这些任务需要驱动 诊断和处理软件以及算法软件来完成 这些软件是运 行在计算机上的测控系统软件 为了能及时 准确的完成测控任务 测控系统应具备 下述基本功能 测量和采集模拟输入信号的功能 接受数字信息和中断型数字信息的 功能 测量脉冲量和频率量的功能 模拟信号输出功能 数字量输出功能 脉冲量输 出功能 信号调理功能 校准功能 采集数据的存储 显示和记录功能 开环 闭环 和复合控制功能 系统仿真功能 数据回放 处理 提供图标和报告的功能 系统升 级 扩展及联网功能 系统工作环境的抗干扰功能 3l a b v l e w 集成开发环境中测控系统的方案设计 3 1 2 计算机测控系统的设计原理 计算机测控系统设计一般包括系统总体设计 硬件设计和软件设计 1 2 1 7 1 同时 在设计过程中还必须考虑到系统的可靠性 即应考虑计算机控制系统的抗干扰能力 软硬件冗余度和故障诊断与处理 设计计算机控制系统的基本原则如下 1 操作性能好 即使用方便和便于维护 操作人员易操作 系统中应配有高级语言 使得用户程 序编制容易 也使一般操作人员能很快掌握 一旦故障发生 应能尽快排除 从软件 角度讲 系统应配备查错程序或诊断程序 从硬件角度讲 零部件应便于检修与更 换 2 通用性和可扩充性 一个通用的计算机控制系统应能够适用于多种不同的设备和不同的过程参数 因 此在系统设计时应考虑到系统的通用性和扩充能力 首先要进行系统的软硬件功能划 分和资源配置 硬件的设计和配置应尽可能标准化 软件的设计应尽可能通用化 此 外 在进行系统设计时 各项指标应留有余量 如c p u 的工作速度 电源功率 内存 容量 输入输出通道等 以便为系统扩充创造条件 3 可靠性 可靠性是最突出和最重要的一个基本要求 因为一个系统工作正常与否会影响到 整个装置 整个车间 甚至整个工厂的正常工作 若系统可靠性不高 经常发生故 障 导致生产过程瘫痪 停顿 会造成重大经济损失 因此 在设计时应充分重视 并采取一切可能的措施来提高系统的可靠性 4 设计周期短 价格便宜 在研制工业用的控制设备时一个很重要的要求是 设计周期短 价格便宜 由于 科学技术的迅速发展 新技术和新产品不断出现 市场竞争很激烈 所以要求设计周 期短 以达到最佳性能 价格比 3 2 基于l a b v i e w 测控系统的分析 3 2 1 测控系统的结构分析 本文第二章节虚拟仪器编程环境论述了虚拟仪器系统一般分为4 层 1 测试管理 层 2 应用程序开发层 3 仪器驱动层 4 i o 总线驱动层 同时也论述了虚拟仪器 的发展随着微机的发展以及采用的总线方式的不