（检测技术与自动化装置专业论文）基于labview的电磁场对生物溶液低速冷冻时相变影响的实验系统及研究.pdf

江苏大学项士学位论文 摘要 随着社会的发展和科学技术的进步 低温生物学越来越受到人们的关注 本 课题是由国家自然科学基金 电磁场对低温下生物生态影响的机理研究 提供支 持 目的是研究生物在低温保存过程中 低频电磁场对生物的冰晶形成的机理研 究 由于降温速率的快慢直接影响细胞的存活 这就要求对降温和升温速率在合 适的可调范围内 因此在低温生物学的发展过程中 对能提供低温环境下的温控 系统的需求也越来越重要 本文先是介绍了以半导体制冷器为温控元件 采用 p w m 方式驱动的微机温控系统 基本实现了在低降温速率的条件 降温速率控 制为o 5 c m i n 该系统中首先对温度显微系统的总体平台进行了设计 采用以 i a b v i e w 为平台的软件系统 利用数据采集卡采集温度信号 通过输出p w m 波 进行温度的控制 其次设计出系统的硬件 并对如何产生低频旋转电磁场的设计 方案给出了详细的说明 本课题是讨论的是基于l a b v i e w 的电磁场对生物溶液低速冷冻时相变影响 的实验系统及实验研究 本文选用的是基本生物溶液一生理盐水 为观察方便 用性质相似的浓度为o 9 的k m n 0 4 溶液 作为实验对象 选用半导体制冷器 作为降温元件 研制了磁场与温度变化参数可控的实时显微实验系统 利用低温 生物显微镜对低温状态下生物溶液结冰过程进行观察 在不同频率 磁场以及某 一恒定低降温速率下 观察溶液结冰过程中冰晶形状与磁场频率和强度的关系 以探求最佳的电磁控制参数来改善溶液冰晶生长的状况 通过大量的实验 得到 了一些可供分析的结果 在降温速率为0 5 c m i n 时 加入频率为5 0 h z 的低频 旋转磁场 磁场强度为5 9 6 高斯条件下 观察到冰晶比其它低频情况下形状更 为细密 冰晶极小 因此对细胞的伤害较小 有利于对生物的保存 关键词 l a b v l e w 数据采集 旋转磁场 生物溶液 冰晶 兰茎垄竺翌主兰堡垒查 a b s t r c t w i t ht h es o c i a l d e v e l o p m e n ta n dt h ep r o g r e s so fb l o d e r us c i e n c ea n dt e c h n o l o g y s t u d i e so n c r y o b i o l o g y 躺a l 蒯玛m o l ea n dm o r ea t t e n t i o n t h i sp a p e ra i m s a ta n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo f l o wf r 郴c ye l e c 髓u m a g n e t i cf i e l do n 位f o r m a t i o no f t b eo r g a n i s m sk r y o g e nw h e n i ti st ob e p r e s e r v e da ta c e r t a i nl o wt e m p e r a t u r e s i n c et h es p e e do f r i n gt h et e m p e r a t u r ea f f e c t st l l e s u r v i v a lo ft h ec e l ld i a 训yo rm a yc 锄mh a r mt ot h ec e l l ss t n 蟛慨t h i sa l t e r a t i o ns h o u l db e c o n f i n e dt oas u i t a b l ea n de d j u s t a b l ed e g r e e t h u s t h e r ei sag r e a tn e e df o rt h et e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e mu n d e ral o wt e m p e r a t u r e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc r y o b i o l o g y t h i sp a p e rf i r s t l y i n t r o d u c e dt h ec o m p u t e r b a s e dt e m p e r a t u r ec o a t r o ls y s t e mt h a tt a k e st h es e m i c o n d u c t o r 嬲 t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e ra n di sd r i v e nb ym e a n so f p w m g e n e 嘲p r c m i s e s o nt h i sc o m p u t e r b a s e d t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mw c r ef i r s t l yd e f i n e di n t h i ss y s t e m t h a ti s t ou l a b v i e wa s s o f t w a r ea n dd a qt oc o l l e c td a t aa n dt oc o n t r o lt h et e m p e r a t u r eb yp w l v l t h e nt h ep a p e r i n t r o d u c e dt h eh a r d w a r eo ft h es y s t e m w h i c hi n c l u d e st h ef u n c t i o no ft h ep l a t i n u mr e s i s t a n c e d ra n dt h ed e s i g no f t h es 塘l l a lm e d i a t eb o a r da n dt h ehb r i d g ed r i v ec i r c u i ta sw e l la saf u r t h e r e x p l a n a t i o no nd d e s i g no f t i l cl o wf r e q u e n c yr e v o l v i n ge l e c t r o m a g n e t i cf i e l d t h i sp a p e re l a b o r a t e dt h er e c i p r o c a la f f e c t i o no f t h el a b v i e w b a s e de l e c t r o m a g n e t i cf i e l do n t h eb i o l o g i c a ls o l u t i o ni nt h ep r o c e s so ff r e e z i n ga tal o ws p e e d b ya d o p t i n gk m n 0 4 s o l u t i o n w i t h8d e n s i t yo f 0 9 岫鞠m 霉硒t h a to fs a l i n ew a t e ra ss a m p l e s t h es e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t o r a st h et e m p e r a t u r e 缸e ma n db yo b s e r v i n gt h ef r e e z i n gp r o c e s so f t h eb i o l o g i c a ls o l u t i o nu n d e ra l o wt e m p e r a t u r ew i t ht h ec r y o b i o l o g i c a lm i c r o s c o p e t h i ss t u d ya l d e a v 0 幅t of i n do u tt h eb e s t m a g n e t i cc o n t r o lp a r a m e t e rt oi m p m v et h eg r o w t ho fs o l u t i o nk r y o g e nt h r o u g ha n a l y z i n gt h i s f r e e z i n gp r o c e s s a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es h a p eo ft h ek r y o g a na n d t h em a g n e t i c f r e q u e n c ye n di n t e n s i t yo nt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n tf r e q u e n c i e sa n dm a g n e t i cf i e l d sa ta c e r t a i n s p e e do fl o w i n gt h em m p e m m m t h r o u g hal o to fe x p e r i m e n t s w eg e ts o m ea n a l y z i n gr e s u l t s w h e ny o ua d j u s tt h es p e e do fl o w i n gt e m p e r a t u r et o0 5 c m i n a n da d dt h ef r e q n c yo fr o t a t e m a g n e t i cf i e l dt o5 0 h z a n dr i t ei n t e n s i t yo f l o wm a g n e t i cf i e l di s5 9 6g a u s s w e 啪o b s e r v e t h e s h a p eo fk r y o p a ni ss m a l l e ra n dc l o s e rt h a no t h e rl o wf r e q u e n c yc o n d i t i o n s ow e 锄c o n c l u s i o n t h a ta tt h i sc o n d i t i o ni td o e sl i t t l eh a r mt ot h ec e l l a n di ti saf a v o rt op r e s e r v et h eb i o l o g y k e yw o r d s l a b v i e w d a t ac o l l e c t i o n r o t a t em a g n e t i cf i e l d b i o l o g i c a ls o l u t i o n k r y o g e n 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 低温生物学是研究低温对生物体的影响 着重研究生物溶液在低温下的变 化 低温损伤的机理及其防治等 进入8 0 年代以来 由于热物理学 物理学 化学 工程学和生物学 医学等学科的交叉 渗透 低温工程理论及使用设计原 理的不断更新及应用 低温生物学的研究快速发展 取得许多突破性的进展 1 伫1 诸如高精度程控降温仪 低温显微镜 微热电偶测温计的问世 使得研究生物溶 液冻存的降温速率 测定冰晶形成方式 诱导冰核形成等更为方便 人们可以在 3 0 一1 8 0 范围内任意调整变温 根据冻存材料的种类和状况 调节降温速率 现已证明 不同的单细胞个体 在同一种细胞或组织 在相同的低温保护剂中 以不同的速率降温冻存 复温后 活性相差甚远 但人们通过借助高精度低温研 究仪器 控制降温条件 可以取得明显的冻存效果 目前 各种生物材料单细胞 长期冻存成为可能 并能对包括动物器官 胰腺 皮肤 角膜 眼球等 植物 组织 花粉 胚 叶片等 进行冻存 另外 玻璃化冻存技术已从研究应用发展 各种玻璃化保护剂配比设计 保护剂种类的选择 浓度的调整 加入方法和去除 方法都在不断完善 并趋于标准化 基础研究成为实际应用奠定了基础 使得多 种生物材料已能成功地玻璃化冻存 应该说 这一技术具有广阔的应用前景 随着科学技术的发展 人们不断改变着生物包括人类本身所赖以生存 进化 的环境 近年来 越来越多的实验表明 电磁场对生物体会产生作用 因而电磁 环境的改变 势必对生物特别是对人类产生影响 人们对此已经进行了一系列重 要的研究 并逐渐形成了一门新的边缘学科 生物电磁学哪 在生物电磁学 领域中 电磁场产生的生物学效应及其应用是一个十分重要的研究课题 生物电 磁学就是研究从直流到远红外的电场 磁场和电磁场与生物相互作用的科学 它 的最终任务就是趋利避害 发扬其有利的正效应 躲避防护其有害的负效应 因此 将生物电磁学应用到生物的低温保存中来 在玻璃化降温保存条件下 找到最佳的保证溶液能够玻璃化的最佳电磁场控制参数将是对传统保存方法的 一种突破 具有广阔的前景 1 江苏大学硕士学位论文 1 2 国内外研究的现状 为避免细胞损伤 在低温保存过程中抑制或减少细胞内外的结冰是非常必要 的 从2 0 世纪7 0 年代起 一批物理学家 工程学家 特别是工程热物理学家投 入到了低温生物学的研究 在降温过程中 当温度降至一5 左右时 细胞及其周围递质还未冻结 都处 于过冷状态 在一5 一1 5 之间 细胞外溶液开始结冰 自然结冰或人工种晶结 冰 如果假定细胞膜阻止了冰晶生长进入细胞 则细胞内没有结冰 仍处于过冷 状态 此时细胞内部水的化学势增大 水开始渗出细胞 然后在细胞外结冰 随后 细胞的反应则取决于降温速率 如果冷却过快 细胞就没有充足的时间通过渗出 水来维持内外溶液的渗透压平衡 使细胞内溶液过冷 最终细胞内开始结冰 简称 胞内冰 i i f 而使细胞内外达到渗透压平衡 1 根据实验数据和理论推 导 m u l d r e w 等 1 提出了胞内冷冻损伤的渗透撕裂假定和模型 认为降温过程中 水穿过细胞膜后引发了细胞内结冰 d i l l e r 等嘲研制了新型的显微技术 用以 观察降温过程中细胞行为 以及胞内结冰温度和动力过程 最近 在各向异相成核 理论 热力学以及实验结果基础上 t o n e r 等 1 提出一个i i f 模型 以描述胞内冰 形成概率与降温速率 温度以及细胞低温生物学性质之间的关系 低温保护剂对 水的传输 成核结晶以及冰晶生长都有影响 因而降温过程中细胞的反应会因添 加低温保护剂而有所变化 k a r l s s o n 等 考虑了存在c p a 时i i f 模型 以预测胞 内冰的形成和生长过程 为降温速率 温度和c p a 浓度的函数 如果降温速率很慢 细胞就有充分的时间脱水 细胞内部溶液浓度就逐渐升 高 过冷度开始消失 胞内冰就不容易产生 然而如果降温过慢 在到达共晶温度 所有成分均结晶 之前 细胞就会因长期处在高浓度溶液 主要为电解质 环境 之下过度收缩而造成细胞损伤 l o v e l o c k 推断 溶液浓度增加及细胞脱水对细 胞膜的类脂蛋白化合物有不良影响 即其功能减弱以及类脂和磷脂的流失增加 使电解质能够通过细胞膜而进入细胞 直至细胞膨胀破裂 l e v i t 推测细胞质 丢失水分会使蛋白恰好进入某一位置 使得原本因距离太远 氢键结构太牢固而 不能形成的一些化学键有形成的机会 k a r o w 等 3 1 认为 呈晶格排列的束缚水对 于细胞完整性来讲是必不可少的 但慢速降温使束缚水在降温过程中因参与结冰 而离开蛋白质 造成细胞损伤 2 江苏大学硕士学位论文 m a z u r 等 对慢速降温下溶液浓度变化带来的细胞损伤 即 溶液效应 进 行了归纳 指出慢速降温下细胞在高浓度溶液下如暴露时间过长 溶液效应 会得到强化 他同时也指出 超渗应力也会导致非渗透性溶质 即电解质 的流入 或流出 当细胞返回到等渗环境时 细胞膨胀后的体积会超过其等渗体积从而溶 解 m e r y m a n 指出 慢速降温会导致细胞体积小于其临界体积 随着细胞外部渗 透压增大 细胞体积会缩小 但内部受压的细胞质抵制后续缩小变形的趋势也逐 步增大 这势必导致细胞膜两侧的静压增大 从而使细胞膜破坏 有关这方面的 研究 其他人也相继提出了有价值的理论 州 随着电磁场技术的应用 我们也可以发现不少有关高频 低频微波和欧姆加 热的报道 但有关于电场和低频磁场应用于冻结过程中的研究却不多见 1 1 9 9 2 年 h a n y u y 等人通过一个外加电磁波发射源装置的反射镜式显微镜 对生物溶液的低温冷冻进行研究 实验中发现 生物组织样品在高电磁场的辐射 下快速冷冻 在冰晶周围出现的未冰冻区域最终以玻璃体形式镶嵌在冰晶中 2 1 9 9 7 年 t h o m a s 等人 在低温显微镜下观察到 以乙烯乙二醇为低温保 护剂的水溶液样品在微波辐射下明显的抑制了冰晶的形成 例如 3 5 m l 乙烯乙 二醇溶液在微波辐射下 冰晶形成减少5 6 电磁场的这种效应可能是由于电磁 场中的电场分量和极性水分子相互作用而抑制了冰核的形成 这一发现为实验者 在低温保存生物材料时采用微波辐射技术来提高玻璃化冷冻的研究提出了可能 性 最近 美国高大勇教授和他的课题组发现了微波与不同浓度防冻剂相互作用 对水溶液的玻璃化具有显著促进作用 目前 他们正在研制一种新型单模微波腔 以实现在c p a 浓度较低和慢降温速率条件下的玻璃化降温方法 由上述可知在对生物溶液进行冻存过程中 降温速率过快或者过慢都会导致 细胞的死亡 因此低温生物学的首要任务就是要如何能安全的降温 本文采用的 是当前最为流行的l a b v i e w 虚拟仪器软件 作为实现控制降温速率的软件平台 1 3 虚拟仪器国内外发展状况 所谓虚拟仪器 是将现有的计算机主流技术与革新的易用的软件和高性能模 块化硬件结合在一起 建立起功能强大又灵活易变的基于计算机的测量与控制系 3 江苏大擘硕士学位论文 统来替代传统仪器功能的技术 这种方式不但能体现普通p c 机不断发展的性能 还可体现出完全自定义的测量和自动化系统功能的灵活性 最终构建起满足特定 需求的系统 检测技术是工业控制的重要组成部分 智能仪表又是自动检测技术 的重要手段 随着计算机技术和传感技术的不断发展 检测技术朝着集成化 小 型化 智能化方向发展 虚拟仪器技术就是在这种趋势下应运而生的一种新兴技 术 传统的仪器设备往往受限于制造商所赋予的功能 虚拟仪表则可以当作许多 仪器设备来使用 例如 温度监控器 数字电压表 趋势图记录器 示波器和频 谱分析仪等 虚拟仪器进一步拓宽了智能仪表的研究领域 虚拟仪器系统是对仪 器仪表传统概念的重大突破 它将计算机与仪表技术相结合 充分利用最新的计 算机技术 实现和扩展传统仪器的功能 虚拟仪器突破传统仪器在数据处理 显 示 传送 存储等方面的局限 方便地对仪器进行维护 扩展 升级 随着计算 机 信息和测控技术的发展 虚拟仪器将会逐步取代传统仪器成为测控仪器的主 流 懈 2 0 世纪8 0 年代中期 传统模拟式仪器 澳0 控系统的设计遇到计算机技 术强有力的冲击 模拟式系统逐步被计算机数字系统所取代 进入9 0 年代 随着 软件技术的迅速发展 智能仪器 虚拟仪表 数字化测控系统形成蓬勃发展之势 为了缩短开发周期 统一设计标准 降低开发费用 各种面向仪器与监控系统的 计算机软件应用平台应运而生 它们的出现为智能仪器 虚拟仪表 数字化测控 系统的迅猛发展提供了有利条件 美国国家仪器公司 n a t i o n a l i ns t r u m e n t s 在1 9 8 6 年推出了一种革命性的图形编程语言l a b v i 阴 l a b o r a t o r yv i r t u a l i 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 开创了虚拟仪器控制的新纪元 使用者 可以以一般的电脑搭配经济的硬件设备来建立自己的仪器控制系统 这些以软件 为核心的系统充分利用了电脑超强的运算 管理及拓展能力 可以组成功能强且 弹性大的仪器控制设备 使用者可以将资料采集 数据分析 仪器控制硬件以及 现有的仪器设备予以整合集成 来建立完全符合自己特殊需求的虚拟仪器控制系 统 我国的虚拟仪器研制是从1 9 8 4 年开始起步的 十几年来 在p c 上进行了研制 和开发 主要工作有两个方面 一是通用仪器卡 一是专用测试仪 日前 虚拟 仪器已在科研开发 计算机检测 测控 超大规模集成电路测试 模拟和数字电 路测试以及军事 航天 生物医学 电工技术领域等可移动式现场测试工作中得 到应用 且应用领域还将不断拓宽 嘲嘲 从1 9 8 7 年专用集成电路 s l c 和计 4 江苏大学硕士学位论文 算机技术为基础的总线仪器 即虚拟仪器的雏形问世 到1 9 9 3 年虚拟仪器己发展 到三百多家厂商 上千多种虚拟仪器产品 1 9 9 5 年厂商更达一千余家 产品数量 千种 美国是虚拟仪器的诞生地 也是全球最大的虚拟仪器制造国 生产虚拟仪 器的主要厂家有n i 公司 咿公司等 可以说虚拟仪器正以传统仪器无法比拟的速 度飞速发展 虚拟仪器技术的优势在于用户自定义仪器功能 结构等 且构建容 易 转换灵活 因此应用领域十分广阔 当前 国内外有许多部门和公司都在积 极地开展这些方面的研究和应用 例如 美国的g e o m a t i c s 公司和g o d s m i t h 公司 等利用虚拟仪器开发工具 研制开发出了农业自动化灌溉系统和秧苗分析系统 比利时i n t e r s o f t 电子工程公司里用虚拟仪器思想开发出了r a s s p d p 和r a s s s 软 件美国斯坦福大学利用虚拟仪器技术构建了虚拟仪器教学 试验 仿真系统 挪 威c a r d i a c 公司采用l a b v i e w 习z 台构建了测试北海油田石油 大气 水流的m p f m 系 统 在国内清华大学应用虚拟仪器技术构建汽车发动机性能检测系统嘲 用于汽 车发动机出厂前的自动检测 石油科学研究院将虚拟仪器技术应用于小型石油精 炼实验系统中 电子部三所应用虚拟仪器奇数建立了仪器自动化计量控制系统 虚拟仪器的发展可以说是一场仪器革命 经历了三个阶段 i 传统仪器中加入计算机 即智能仪器 2 建立了开放的仪器体系结构 例如 d a q d a t a a c q u i s i t i o n 板和v x l 总线 3 建立虚拟仪器框架 l a b v i e w 和v e e 为图形虚拟仪器框架 l a b w i n d o w s 为应用文本语言的虚拟仪器框架 经过这二个阶段的发展 虚拟仪器己经初具规 模 形成下列主要特性 l 灵活性 虚拟仪器非常灵活 把仪器功能交付给编程人员去实施 随着测 量需要的变化 用户可方便的增加硬件或软件组成部分 或者重新配置现有的硬 件或软件组成部分 特别是当用户转移到下一个研究开发工程项目时 不必抛弃 原有的硬件或软件 只需开发一种新的虚拟仪器 2 功能强大 这里既有仪器硬件的功能 软件技术也不断发展 所以虚拟仪 器就比传统仪器的功能大为增强 3 使用方便 易于维护 现在有很友好的用户界面 窗口接口 随着多媒体 技术的发展 这方面还会变得更方便 这就为使用和维护提供了有利条件 4 价格低廉 现在虚拟仪器还比较贵 但从长远的角度来看 由于可重用 江苏大学顽士学位论文 性强 因此投资的回报率还比较高 虚拟仪器是仪器发展史上新的里程碑 代表 当今仪器仪表工业的发展方向和潮流 1 4 本课题研究的主要内容 在磁场对低温下生物生态影响的机理研究中 分析生物体在低温下破坏细 胞帷幕地研究对象 因在生物体的组成中 极大部分是由水组成 研究水在不同 条件下相变时的差异 对生物体低温形态作用显著 低温冷冻对细胞的损伤有两 个方面 其一是细胞内外的水分形成冰晶 析出了盐份等物质 因浓度增大 细 胞脱水而死亡 其二是冰晶形成 体积增大而损伤细胞膜 采用极高速冷却 可 形成玻璃化盐冰 冰晶极小且来不及析出物质 已冷冻完成 且不伤害细胞 加 防冻剂也是一种方法 但引入了杂质并产生高的渗透率而伤害细胞 因此 在研 究生物低温保存的课题中 减少细胞损伤的焦点集中在如何减少冷冻过程中生物 组织液形成的冰晶 以往所完成相关实验研究大多数针对电场和高频磁场对低温生物冰晶形成 的影响 而本文在研究电场影响的基础上将低频旋转磁场作为影响低温生物冰晶 形成的主要因素来进行研究 通过改变磁场的频率和强度 并直接拍出冰晶图片 来直观的比较 从实验系统方面 本文是基于l a b v i e w 的电磁场对生物溶液低速冷冻时相交 影响的实验系统设计及其实验研究 包括温度控制器硬件电路设计 软件开发和 实验的结果分析三大部分 硬件电路是控制系统的物理基础 在软件的操作下协调执行预定的测量和控 制任务 所以硬件的设计非常重要 本系统的硬件电路总体划分为温度信号的输 入 调理电路 喃f 驱动电路等 本系统在温度测控方面实现的主要模块有 数据采集 动态显示 实时监测 信号分析 数据存储等 1 采集模块 通过参数设定可对采样频率 采样点数 数据块大小及 数量进行设定 且数据可以自动存盘 采样数据文件可被信号分析 软件调用做进一步的处理 2 监测模块 该模块具有示波器的功能 将采集到的温度通过图形和 6 江苏大擘硕士学位论文 数字的方式集中的显示在计算机屏幕上 动态的显示数据 对制冷 器件的温度可以进行实时 直观的监测 3 信号分析模块 该模块对所采集到的数字信号进行分析 分析了各 种数字滤波的功能与作用 并选择出合适的滤波方法 7 江苏大学硕士学位论文 第二章系统平台 2 1 虚拟仪器开发平台 虚拟仪器技术是当今计算机技术和测控技术相结合 渗透的产物 在拥有计 算机及相应的硬件的环境下 弓i 入虚拟仪器开发平台 可以以最快的速度设计 调试和开发实际的测试系统 使工业过程的测量 计量 控制系统更灵活 更紧 凑 更经济 更高效 功能更强 技术更新更快 在本课题的研究过程中 我们 选用了美国国家仪器公司的l a b v i e w 虚拟仪器开发平台和数据采集卡来构成电磁 场在低温环境下对生物的温度监控系统 2 1 1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器 v i r t u a li n s t r u m e n t v i 是指计算机辅以少量通用硬件 如a d d a 采集器等完成原来由物理仪器完成的检测装置 它的运行主要依赖于软件 具有造价低 功能全 灵活性好等特点 虚拟仪器的基本构成从要素上说包括计 算机 虚拟仪器软件 硬件接口模块等 从构成方式上说 则包括以d a q 板和信 号调理部分硬件组成的p c d a q 测试系统 g p i b 接口卡 v x i 控制器 串行总线 系统等 目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统 g p i b 仪器控制系统 v x i 仪器系统以及这三者之间的任意组合嘲渊 构造和使用虚拟仪器的关键在于应用软件 正所谓 软件即仪器 t h e s o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t 虚拟仪器的应用软件主要包括 集成的开发环 境 与仪器硬件的高级接口和虚拟仪器的用户界面 虚拟仪器的应用软件由用户 编制 可以采用各种编程软件 面向对象的编程方式和可视化编程语言环境的推 出 为虚拟仪器应用软件的编程做出了重要贡献 虚拟仪器的出现是仪器技术领域的一次革命 开始了测量仪器的新时代 由 于软件是虚拟仪器技术的关键 因此开发出一个优秀的虚拟仪器软件开发平台 就成了虚拟仪器生产厂家的一项首要任务 经过多年的研制 美国国家仪器公司 n a t i o n a li n s t r u m e n t s 开发出了一种虚拟仪器图形化的编程环境l a b v i e w 此 后不久 l a b v i e w 就作为一种完整优异的图形化开发平台得到了工业界和学术界 3 江苏大学硕士学位论文 的一致认可 并迅速占领市场 赢得了广大用户的青睐 l a b v i e w 不仅是一个软 件开发环境 它是编程语言 除了编程方式不同 l a b v i e w 具备语言的所有特征 因此又称之为g 语言 町 v i 技术的兴起源于美国国家仪器公司1 9 8 6 年推出的l a b v i e 研虚拟仪器开发 平台 l a b v i e w 是实验室虚拟仪器集成环境 l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n t e n g i n e e r i n gw o r k b e n c h 的简称 时至今日 n i 公司不断推出了新的虚拟仪器 开发软件版本和相关产品 尽管v i 开发平台用v i s u a lb a s i c v i s u a lc d e l p h i 等软件也可以实现仪器虚拟化 但其易用性和影响力显然不及n i 公司的 l a b v l e w 软件包 考虑到兼容性 移植性 升级性方面的原因 本文选用l a b v i e w 作为本系统的v i 开发平台 2 1 2 虚拟仪器的介绍 1 v i 含义 虚拟仪器通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来 用户可通过友 好的图形界面来操作这台计算机 就像在操作自己定义 自己设计的一台单个仪 器一样 从而完成对被测试量的采集 分析 判断 显示 数据存储等 虚拟仪 器是随着计算机技术 现代测量技术发展起来的新型高科技产品 代表着当今仪 器发展的最新趋势 虚拟仪器不但功能多样 测量准确 而且界面友好 操作简 易 与其它设备集成方便灵活 虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台 它可 代替传统的测量仪器 如示波器 逻辑分析仪 信号发生器 频谱分析仪等 可 集成于自动控制 工业控制系统 可自由构建成专有仪器系统 虚拟仪器通过软 件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体 从而把计算机强大的计算处 理能力和仪器硬件的测量有机地结合起来 2 v i 构成 从构成要素讲 虚拟仪器系统由计算机 应用软件和少量的仪器硬件组成 虚拟仪器系统构成如图2 i 所示 无论哪种虚拟仪器系统 都是将硬件仪器搭载 到笔记本电脑 台式计算机或工作站等各种计算机平台上 再加上虚拟仪器应用 软件而构成的 9 江苏大擘硕士学位论文 图2 1 虚拟仪器体系结构 2 1 3 虚拟仪器与传统仪器的比较 与传统仪器相比 虚拟仪器的特点在于 1 打破了传统仪器的 万能 功能概念 将信号的分析 显示 存储 打印 和其它管理集中交由计算机来处理 由于充分利用了计算机技术 完善了数据的 传输 交换等性能 使得组建系统变得更加灵活 简单 2 软件就是仪器 的新概念 系统的功能 规模的改变均可通过软件的修 改 增减实现 软件在仪器中充当了以往由硬件实现的角色 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 使系 统的测量精度 测量速度和可重复性大大提高 3 仪器由用户自己定义 可方便地同外设 网络和其它应用连接 4 由于虚拟仪器的开放性和功能软件的模块化 用户可以将仪器的设计 使 用和管理统一到虚拟仪器标准 使资源的可重复利用率提高 系统组建时间缩短 功能易于扩展 管理规范 通用性好 使用方便 软 硬件生产 维护和开发的 费用较低 5 性价比高 虚拟仪器能达到一机多用的功效 是由于它测量功能的设置极 为方便 技术更新周期短 系统组建时间少 同时由于测量时完全采用数字化 降低了环境干扰和系统误差的影响 从而节省了硬件环节 也减少了测试系统的 1 0 江苏大学硕士学位论文 歼发成本和维护成本 所以经济实用 6 具有很强的数据处理 存储和分析能 虚拟仪器具有传统仪器无法比拟的强大优势 由图 2 可以看出 因而将成 为仪器发展的未来趋势 尽管如此 它并不否定传统仪器的作用 它们相互交叉 又相互补充 相得益彰 在高速度 高带宽和专业测试领域 独立仪器具有无可 替代的优势 在中低档测试领域 虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作 但完 成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏 是传统的独立仪器难以胜任 的 甚至不可思议的工作 在这个计算机和网络时代 利用计算机和网络技术对 传统的产业进行改造 己是大势所趋 而虚拟仪器系统正是计算机和网络技术与 传统的仪器技术进行融合的产物 从发展史看 电子测量仪器经历了由模拟仪器 智能仪器到虚拟仪器 由于计算机性能以摩尔定律 每半年提高一倍 飞速发展 己把传统仪器远远抛到后面 表2 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器传统仪器 仪器功能由用户自己定义仪器功能由仪器厂商定义 面向应用的系统结构 可 与其它仪器设备的连接 方便的与网络外设连接 友好的图形界面 计算机图形界面小 人工读数 读数 分析处理信息量小 数据可编辑 存储 打印数据无法编辑 关键是软件关键是硬件 价格低廉 可复用可重复 价格昂贵 行强 基于计算机开发的功能模 系统封闭 功能固定可扩 块 可构成多种仪器 展性强 基于软件系统的结构 大 开发和维护费用高 大节省开发维护费用 技术更新周期短 1 2 月 技术更新周期长 5 1 0 月 个人可拥有一个实验室多为实验室部门所拥有 江苏大学硕士学位论文 2 2 图形化编程语言l a b v i e w 2 2 1 图形化编程语言 l a b v i e w 是一种用于虚拟仪器开发的软件平台 同时也是一种基于图形化编 程的高级开发语言 由美国国家仪器公司 n i 于1 9 8 6 年开发出来的 l a b v i 阴 以简单直观的图形化编程方式 丰富实用的分析表达功能等 为用户快速地构造 自己的仪器系统提供了良好的环境 目前 l a b v i e w 广泛地用于仪器控制 数据 采集 数据分析 数据显示等领域 l a b v i e w 与传统编程语言有着诸多相似之处 如 相似的数据类型 数据流控制结构 程序调试工具等 但二者最大的区别在 于 传统编程语言是用文本语言编程 而l a b v i e w 用图形语言 即各种图标 图形 符号 连线等 编程 用l a b v i e w 编程界面非常直观形象 都是工程师们熟悉的旋 钮 开关 图形等 再者 l a b v i e w 也提供传统程序语言 如c 语言 的接口 对于 其自身不易或不擅长完成的任务可通过利用其它编程语言来实现 从而最终增强 了l a b v i e w 的整体功能 图形化的编程语言在实时监控方面的应用相对于纯文本语言有着绝对的优 势 据统计 使用l a b v i e w 设计虚拟仪器系统 一般可以比纯文本编程语一言 如 v c p b 等 减少2 5 8 0 的开发时间 效率提高4 1 0 倍 而且 利用其模块化和层 次递归的编程方法 用户可以在很短的时间内构建 设计和更改自己的虚拟仪器 系统 另外 l a b v i e w 也拥有大量由n i 公司或第三方公司提供的非常实用的支持软 件 如 a p p l i c a t i o nb u i l d e r 用于将用户的v i 程序生成文件 s q l t o o l k t 用于将 l a b v l e w 程序与本地或远程数据库相连 也可调用其它软件 如m a t l a b 等 l a b v i e w 的程序框架从宏观上讲是一种考虑任务优先级和先后顺序的c p u 分 时占用多任务并行的运行机制 平台的执行系统周期性扫描系统的就绪任务队 列 根据任务的优先级和先后顺序 决定在下一个时间片内哪个任务将获得c p u 的使用权 删矧 并行任务优先级的设置有两种方式 一是设置v i v i r t u a l i n s t r u m e n t 的优先级 但此种方法易引起程序运行混乱 不易控制 二是v i 中使 用w a i t 函数 在l a b v l e w 中 一个正在执行的并行任务被终止运行有以下几种情 况 一是其执行了一个完整的时间片 二是程序执行到w a i t 函数 包括时间或事件 江苏大学硕士学位论文 等待 自动放弃c p u 等待下一次运行 构建一个多任务系统 还要解决好任务 阊的同步和互斥 以及任务间的通信 共享数据区等问题 2 2 2i a b v i e 3 m 的特点 1 l a b v i e w 是一种基于图形化语言的虚拟仪器软件开发平台 其编程十 分简洁方便 类似电路图的设计 因而既便是非计算机专业技术人员也可以 设计出优秀的虚拟仪器 程序查错简单明了 工作效率很高 2 强大的测试功能 l a b v i e w 应用于测试与测量 l a b v i e w 己成为测试与测量领域的工业标准 通过g p i b y x i p l c 串行设 备和插卡式数据采集卡可以构成实际的数据采集系统 它提供了工业界最大的仪 器驱动程序库 同时还支持通过i n t e r n e t a c t i v e x d d e 和s q l 等交互式通信方 式实现数据共享 使复杂的测试与测量任务变得简单易行 l a b v i e w 应用于过程控制和工业自动化 l a b v i e w 强大的硬件驱动 图形显示能力和便捷的快速程序设计为过程控制 和工业自动化应用提供了优秀的解决方案 对于更复杂 更专业的工业自动化领 域 在l a b v i e w 基础上发展起来的b r i d g e v i e w 是更好地选择 3 丰富的数学分析功能 l a b v l e w 提供了功能强大的高级数学分析库 包括统计 估计 回归分析 线性代数 信号生成算法 时域和频域算法等众多科学领域 可满足各种计算和 分析需要 即使在联合时域分析 小波和数字滤波器设计等高级或特殊分析场合 l a b v i e w 也为此提供了专门的附加软件包 4 提供多种数据类型和函数库 l a b v i e w 不仅拥有通用数据类型 而且也拥有仪器操作的特殊数据类型 如复 数类型 极坐标类型 时域数据类型 频谱数据类型等 用户进行系统的图形 化编程时不用考虑数据类型的转换与统一 图形化控件具有数据类型自动识别与 转换功能 5 提供复杂的数学分析能力 l a b v i e w 提供了多种数学运算函数和信号处理函数 也提供了某些专业领域 江苏大学硕士学位论文 的统计函数和控制函数 大大方便了用户的各种分析与处理工作 另外 用户也 可以自己创建函数 对于某些非常复杂的数学运算要求 用户可以将l a b v i e w 连 接到其它的应用软件 如m a t l a b 等 中 以实现所需要的运算和处理需求 6 提供丰富的数据显示方法 l a b v i e w 为用户提供了多种结果显示控件 如旋钮 表头 表盘 图表等 以及多种结果显示方式 例如 数字显示 模拟仪表显示 极坐标显示 时域波 形显示 频谱图形显示等 7 灵活的数据报表生成方式 l a b v i e w 一般是以数据文件或数据库文件的形式储存监测与分析结果的 它 本身包含了丰富的数据报表格式 如果需要生成的数据报表格式非常复杂 可通 过接口将数据输出至f j e x c e l 等专用电子表格软件中 由e x c e l 完成报表的生成与统 计工作 8 提供虚拟仪器的接口 l a b v i e w 最终的对象是具体的测试仪器 因此必须提供具有可扩展性的 开 放性的虚拟仪器接口 有些图形化软件平台提供了仪器的虚拟面板方式 数据可 以在虚拟面板上显示并通过虚拟面板控制仪器 但这种虚拟面板是事先设计好了 的 自动测试系统中所集成的虚拟仪器必须包含在虚拟面板库中 不具有真正的 可扩展性 l a b v i e w 平台中提供了基于v x i 总线即插即用规范 p l u g p l a y 等仪 器接口 9 开放式的开发平台 l a b v i e w 提供了对o l e o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g 即对象的链接和 嵌入 的支持 也提供d l l d y n a m i cl i n kl i b r a r y 动态链接库 接口和c i n c o d e i n t e r f a c en o d e 接口代码节点 接口 用户可以在平台上调用其它软件平 台编译的模块 另外 l a b v i e w 还支持t c p i p d d e l a c 等网络功能 2 2 3l a b v i e w 程序组成 所有的l a b v i e w 程序 即虚拟仪器程序v i 都由三个部分组成 前面板 框图程 序 图标和连接端口 前面板是v i 的图形用户接口 它集成了用户输入和输出功 能 为更逼真地模拟传统仪器的工作方式 l a b v i e w 提供了各种各样的控件 如 1 4 江苏大学硕士学位论文 各种旋钮 开关 按钮 波形图 波形图表等控制与显示模块 并可根据用户实 际需要定制控件 用户可以根据自己的需要在前面板上放置按钮等控制模块和显 示模块 而程序流程图包含了虚拟仪器的图形化源代码 在程序流程图中对虚拟 仪器进行编程 以控制和操纵定义在前面板上输入和输出功能 流程图包括内置 于l a b v i e w 库中的函数 f u n c t i o n 和结构 s t r u c t u r e s 还包括仪器面板上的控 制对象 显示对象对应的连线端子 t e r m i n a l s l a b v i e w 构成的虚拟仪器是数据 流驱动的 流程图中的诸元素如结构 功能模块等构成节点 这些节点由数据线 相连接 这些线定义了程序中数据的流向 这些线在程序中按照数据类型不同显 示出不同的颜色和类型 使得用户能对程序中传送的数据种类 目了然 a 某个 节点的所有输入均为有效 该节点即可运行 运行结束后 将结果送入数据流路 径的下一个节点 l a b v i e w 的特色在于拥有功能超强且庞大的分析函数库 足以 与专业数学分析套装软件相匹敌 这些函数库包括了统计 回归分析 线性代数 讯号处理演算法则 时域频域演算法则 数字滤波器 二维图形处理等 l a b v l e w 的基本程序单位是一个v i 对于一个简单的测试任务 可以由一个 完成 而复杂的测试应用可以通过之间的层次调用结构构成 高层功能的v i 调用 一个或者多个低层的特殊功能的v i 可见 l a b v l e w 中的v i 相当于常规语言的程 序模块 通过它实现了软件的重用 多层v i 的结构就需要通过图标和连接端口组 合到一起 图标和连接端口可以将一个虚拟仪器系统变成一个子系统 s