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电子测量技术 主编 李延廷 27309 8A 第8章自动测量技术 实验室虚拟仪器工程平台 27309 8A 8 1 2自动测量系统的发展过程 1 第一代自动测量系统2 第二代自动测量系统3 第三代自动测量系统 27309 8A 1 第一代自动测量系统 第一代自动测量系统主要有自动数据采集系统 自动产品检验系统及自动分析系统等 这些系统能完成大量的复杂测量任务 承担繁重的数据分析与处理工作 并快速 准确地给出测量结果 第一代自动测量系统能完成人工难以或无法完成的测量任务 显示出了极大的先进性 但也存在着明显的不足 这些不足主要体现在系统设计者需要解决计算机与仪器 仪器与仪器之间的接口问题 27309 8A 2 第二代自动测量系统 第二代自动测量系统的主要特征是采用通用接口总线 GeneralPurposeInterfaceBus GPIB GPIB可将许多不同厂家生产的仪器设备用统一的标准总线连接起来 不必再花费时间设计专用接口 近年来 随着计算机系统的大幅降价和多种大规模GPIB接口集成电路的出现 第二代自动测量系统得以迅速普及 27309 8A 3 第三代自动测量系统 与人工测量相比 第一 二代自动测量系统具有极大的优越性 但这两代系统的计算机主要承担系统控制及一些数据处理工作 并未发挥应有的作用 第三代自动测量系统则将计算机与测量系统更加紧密地结合在一起 并用功能强大的软件代替硬件的功能 尤其是用计算机参与激励信号产生和测量特性解析 这种以计算机为核心的 用少量硬件就能替代多种仪器的测量系统称为第三代自动测量系统 27309 8A 8 1 3自动测量系统的组建 1 测量任务分析对测量任务的测量环境 测量参数 测量要求及数据处理等进行分析 2 总体测量方案设计针对要组建的系统提出总体技术要求 拟定总体测量方案 3 系统硬件选择 设置与连接选定所需要的控制器 程控设备 总线与接口等硬件 对系统中的一些部件 如激励源 程控设备等 进行地址设置 并利用选定的总线与接口进行系统硬件连接 27309 8A 8 1 3自动测量系统的组建 4 测量软件编制根据测量技术要求 画出测量流程图 编制测量软件 即测量程序 5 系统调试接通系统供电电源 输入并启动测量软件 进行系统调试 27309 8A 图8 2虚拟仪器的硬件组成 8 2虚拟仪器 27309 8A 1 PC DAQ型 这种类型的虚拟仪器将具有数据采集和信号调理功能的硬件板卡 DAQ卡或模块 插入到计算机的ISA或PCI插槽中 再加上各种功能的软件 能实现具有电压表 示波器 频率计 频谱分析仪等多种功能的仪器 这种构成形式是最基本的虚拟仪器形式 性价比较高 27309 8A 2 GPIB型 这种类型的虚拟仪器是以GPIB仪器和计算机为硬件平台组成的虚拟仪器测量系统 一个典型的GPIB型虚拟仪器由一台计算机 一块或多块GPIB接口卡 若干台GPIB仪器及GPIB电缆组成 一般情况下 一块GPIB接口卡有15个接口 1个接口连计算机 其他的接口连接仪器 电缆长度可达20m 27309 8A 3 PXI总线型 这种类型的虚拟仪器是以PXI PCIeXtensionsforInstrumentation 面向仪器系统的PCI扩展 并行系统总线仪器和计算机为硬件平台组成的虚拟仪器测量系统 它是CompactPCI PedpherdComponentInterconnect 周边元件扩展接口 在仪器领域的扩展 27309 8A 4 VXI总线型 VXI是一种开放性仪器的总线标准 采用这种总线标准的仪器系统结构紧凑 数据吞吐量大 配置灵活 VXI系统最多可包含256个装置 主要由主机箱 零槽控制器 多功能仪器模块 仪器模块驱动软件 系统应用软件等组成 系统中的各仪器模块可随意组合 更换而形成新的虚拟仪器系统 27309 8A 5 串行接口总线型 这种类型的虚拟仪器是以串行接口总线 包括RS232 USB和IEEE1394 仪器和计算机为硬件平台组成的虚拟仪器测量系统 这种虚拟仪器适用于对测量速度要求不高的场合 27309 8A 8 2 3虚拟仪器的软件组成 图8 3虚拟仪器的软件组成 27309 8A 1 LabVIEW 是美国NI公司的产品 采用可视化图形语言进行编程 这种语言不但具有传统开发平台的功能 而且简单直观 易于掌握 利用这工具开发测量系统软件所需时间仅为传统方法的20 其程序的运行速度却与传统方式开发的程序相当 27309 8A 8 3 2虚拟仪器图形编程软件LabVIEW 1 LabVIEW环境2 LabVIEW的工作窗口3 LabVIEW的主菜单4 LabVIEW的模板5 LabVIEW的虚拟仪器前面板6 LabVIEW的程序框图 27309 8A 1 LabVIEW环境 实验室虚拟仪器工程平台 LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench 的英文简称 是科研和工程领域主要的图形开发环境 广泛应用于数据采集 测量分析 数据显示 仪器控制及仿真等嵌入式应用系统的开发 27309 8A 5 LabVIEW的虚拟仪器前面板 虚拟仪器前面板是控件和指示器的组合 控件仿真常规仪器上的输入设备 如开关 按钮 旋钮等 并具有将输入从前面板传送到基本程序框图的作用 指示器仿真常规仪器上的输出设备 具有显示前面板背后的程序框图数据的作用 27309 8A 6 LabVIEW的程序框图 1 快速VI与子VI快速VI ExpressVI 是用于快速构建公共测量任务程序所需要的虚拟仪器 2 节点节点的作用类似于文本编程语言中的语句 函数或子程序 3 端子端子的作用类似于文本编程语言的常量和参数 它是可以通过连线输出或接收数据的点 4 连线连线是端子间的数据传输通道 其作用类似常规语言中的变量 27309 8A 1 新建VI文件启动LabVIEW 在打开的窗口中单击New 在出现的窗口中选择BlankVI 按下OK按钮 即可新建虚拟仪器 2 放置数字控件和指示器用两个前面板控件输入数字 用4个指示器显示输入数字的加 减 乘 除运算的结果 用一个布尔型指示器LED指示比较结果 3 修改数字控件和指示器的属性双击各数字控件或指示器的标签 将各数字控件 指示器的标签分别修改为X Y X Y X Y X Y X Y Equation 如图8 8所示 8 4 3虚拟仪器的设计实例 例1 创建一个具有加 减 乘 除运算及比较功能的虚拟仪器 27309 8A 8 4 3虚拟仪器的设计实例 4 放置加 减 乘 除和相等比较函数在Window菜单下选择ShowBlockDiagram 将前面板窗口切换到程序框图窗口 5 连接控件 函数和指示器在光标移动到控件 函数或指示器的端子上时 将出现连线工具 6 保存虚拟仪器在前面板窗口或程序框图窗口的File菜单下选择Save 即可保存所设计的虚拟仪器 7 输入数据进行验证输入X Y数据 单击Run按钮 验证计算结果 27309 8A 8 4 3虚拟仪器的设计实例 例2 条件结构 If a0 1 a 0 2 C 1 27309 8A 例3while循环while 表达式 语句 循环体 表达式为真 就重复执行循环体 反之 执行循环体外的下一行语句 27309 8A 利用While循环产生随机数 当产生的随机数大于0 8时 循环停止 步骤如下 1 打开前面板 新建两个数值显示控件 一个为循环次数 一个显示最后产生的那个大于0 9的随机数 2 切换到程序框图 放置一个While循环 3 放置随机数函数到While循环内 并连线 4 放置比较函数 将循环次数与重复端子连线 5 运行 即可在前面板上看到结果 27309 8A 例4 for循环 For 表达式1 表达式2 表达式3 语句 循环体 表达式1赋初值 判断表达式2是否满足循环条件 若是则执行循环体内语句 然后到 反之不执行循环语句直接到 求解表达式3 回到 退出for循环 执行下一条语句 27309 8A For循环应用举例 产生10个随机数 并把最后一个显示出来 步骤如下 1 放置一个数值显示控件到前面板 并改名为随机数 2 放置For循环到程序框图 3 放置随机数函数到程序框图 并连线4 计数端子上单击右键 选择创建常量 并输入10 5 运行程序 便可在前面板上看到结果 6 因为程序的运行的速度非常快 我们无法一个一个地看清所产生的10个随机数 我们可以在程序框图中添加时间延迟控件 它位于函数 编程 定时 时间延迟 27309 8A 例 1到100求和移位寄存器 右端子在每完成一次迭代后存储数据 移位寄存器将上次迭代的存储数据在下一次迭代开始时移动到左端子上 下面是1 2 3 4 100的程序 说明 进行第一次运算的是0 0 For循环中的重复端子是从0开始计数 移位即寄存器在没有初始化的情况下 默认的数值是0 所以第一次运算的是0 0 第二次运算的是寄存器的0与重复端子的1相加 所以循环要进行101次 而计数端子输出的数据始终是101 移位寄存器的初始化 移位寄存器的初始化是非常必要的 因为只要用户不退出VI 移位寄存器便可记录上次运算完时的结果 所以上面的程序在第二次执行时输出的结果不是5050 而是10100 添加初始化即可 27309 8A 例 计算一组随机数的最大值和最小值新建一个VI 在前面板上放置一个波形图标 它位于新式 图形 波形图表 用它来记录产生的随机数 同时在前面板上放置两个数值显示控件 最大值 和 最小值 用来显示随机数中的最大值和最小值 在程序框图中 放置一个For循环 设置循环次数为50次 单击边框选择添加两个移位寄存器 分别初始化为0和1 放置随机数函数和最大最小值函数与程序框图中 其中最大最小值函数位于编程 比较 最大值与最小值 然后连线 27309 8A 在前面板上放置一个数值输入控件 阶次n 和一个数值显示控件 求和结果 在程序框图上放置两个For循环嵌套结构 外层循环的计数端口与 阶次n 连接 输出是各个数的阶乘所组成的一个数组 它的重复端子加1作为内层循环的循环次数 内层循环利用一个移位寄存器实现阶乘运算 移位寄存器的初始值设为1 同样在程序框图的右边在放置一个For循环结构 它的计数端子没有任何连接数据 使用的是自动索引功能 这个循环的作用是对由阶乘所组成的一个数组进行索引 对索引出的各个元素进行求和计算 最后将计算结果输出给 求和结果 完成连线 例 计算 27309 8A 8 5数据采集设备的连接和设置 8 5 1数据采集过程8 5 2数据采集设备8 5 3LabVIEW数据采集系统的组成8 5 4数据采集设备的设置与测试 27309 8A 8 5 1数据采集过程 虚拟仪器测量系统硬件的基本结构为传感器 信号调理器 数据采集设备 计算机 传感器将被测量的温度 压力 位移 流量 发光强度等多种物理量转换为电信号 电压或电流 信号调理器对电信号进行放大 滤波 隔离等处理 数据采集设备将模拟信号转换为数字信号 计算机对数字信号进行预定的数据处理 27309 8A 8 5 2数据采集设备 1 数据采集设备的类型2 数据采集设备的技术指标 27309 8A 1 数据采集设备的类型 目前 常用的虚拟仪器数据采集设备主要有以下类型 插卡式数据采集设备 分布式数据采集设备 VXI与PXI设备 GPIB或串口设备及基于计算机的仪器 插卡式数据采集设备一般是插入计算机的PCI扩展槽或PCMCIA插槽的数据采集卡 这种数据采集设备通常需要在计算机的外面配备信号调理器 可以满足一般测量的要求 27309 8A 2 数据采集设备的技术指标 采样率是指数据采集设备进行A D转换的速率 目前 NI公司的数据采集卡的采样率可从上百kHz达到几GHz 在设计自动测量系统时 不应盲目提高采样率 应根据待测信号的类型和数量选择合适的采样率 否则可能只会增加测量系统的成本 在选择数据采集卡的采样率时 应注意 数据采集卡是多个通道共用A D转换器 还是各通道独立配置A D转换器 27309 8A 8 5 3LabVIEW数据采集系统的组成 图8 10TraditionalNI DAQ数据采集系统的组成 27309 8A 8 5 3LabVIEW数据采集系统的组成 图8 11NI DAQmx数据采集系统的组成 27309 8A 8 5 4数据采集设备的设置与测试 1 在Traditional2 在NI DAQmx系统中进行设备设置与测试 27309 8A 8 5 4数据采集设备的设置与测试 图8 12MAX窗口 27309 8A 1 在Traditional 1 设置在TraditionalNI DAQ系统中进行设备设置的过程如下 以PCI 6035E为例 用右键单击设备名PCI 6035E 出现快捷菜单 选择Properties 出现设置对话框 如图8 13所示 2 测试在TraditionalNI DAQ系统中进行设备测试的过程如下 在测试前 将非屏蔽式螺钉端子接线盒CB 68LP的67针和55针 68针和22针连接起来 27309 8A 图8 13设备设置对话框 27309 8A 2 在NI DAQmx系统中进行设备设置与测试 1 设置在MAX中对数据采集设备PCI 6035E进行设置 2 测试在测试前 将CB 68LP的67针和55针 68针和22针连接起来 27309 8A 27309 8A 27309 8A 图8 16NI DAQmx计数器输入 输出测试面板 27309 8A 8 6模拟信号采集 8 6 1数据采集通道8 6 2数据采集函数 27309 8A 8 6 1数据采集通道 1 实通道地址2 虚通道地址3 通道极限设置4 标度创建 27309 8A 1 实通道地址 设置实通道地址只需要在应用程序的数据采集函数中找到通道参数 并在参数框中输入通道号 在进行数据采集时 按照通道参数的排列顺序扫描各通道 在输出数据时按通道参数的排列顺序刷新各通道 通常 数据采集函数的通道参数用字符串型数据进行赋值 一般填写的数据为0 N 1 N为数据采集卡的通道数 27309 8A 2 虚通道地址 要设置虚通道地址必须先在MAX中创建虚通道 启动MAX 在当前窗口的DataNeighborhood上弹出快捷菜单 选中CreateNew 打开新建对话框 在框中选择TraditionalNI DAQVirtualChannel 弹出创建虚通道向导 在向导的指导下选择通道类型 通道名 传感器类型 信号单位 标度及数据采集设备等 在建立虚通道后 在DataNeighborhood下将出现通道名 27309 8A 3 通道极限设置 通道极限设置是指设定输入或输出模拟信号的最大值和最小值 通道极限直接影响数据采集设备的增益 可以一个通道对应一对极限值 也可以多个通道对应一对极限值 应注意 极限值必须在数据采集设备的输入输出范围内 27309 8A 4 标度创建 标度用于对虚通道中的数据进行预处理 以便在程序中应用所传递的数据 在MAX中有标度项Scale 在Scale上弹出快捷菜单 选择New 弹出标度建立向导 这时可以选择建立TraditionalDAQ标度 在该向导的引导下 即可创建标度 当然 若无需对通道传递的数据进行预处理 可以不要标度 27309 8A 8 6 2数据采集函数 在AllFunctions模板的NIMeasurements子模板下 可以找到数据采集函数子模板DataAcquisition DataAcquisition函数模板包含7个子模板 模拟输入 模拟输出 数字输入输出 计数器 校准与设置 信号调理及TraditionalDAQ通道常数 通过这些子模板可以找到不同的数据采集函数 数据采集函数可以作为独立的程序进行数据采集 也可以作为子程序采集并返回数据 27309 8A 8 7信号调理 8 7 1信号调理设备的类型8 7 2信号调理设备的设置 27309 8A 8 7 1信号调理设备的类型 常用的信号调理设备主要有信号调理器 SCXI 信号调理附件 便携式信号调理模块 SCC 前端模拟信号调理模块 5B系列 PXI接口的数据采集设备 SC系列 及分布式信号采集系统 信号调理器由信号调理模块 信号连接端口及信号调理机箱组成 它是一种可扩展的信号调理系统 用于插入式数据采集卡的前端信号调理 27309 8A 8 7 2信号调理设备的设置 在信号调理设备安装完成后 还需要在MAX中进行设置 信号调理设备是非即插即用设备 需要在TraditionalDAQ中分别进行设置 下面仅以由SCXI 1000信号调理机箱 SCXI 1122信号调理模块及SCXI 1322接线端子组成的信号调理设备为例 并在TraditionalDAQ系统中进行设置 这里使用的SCXI 1000是一个小巧的4插槽交流电源机箱 提供低噪音信号调理环境 可放置任何SCXI模块 27309 8A 8 8自动测量系统的设计 8 8 1温度测量原理8 8 2在TraditionalDAQ系统中进行温度测量 27309 8A 8 8 1温度测量原理 常用的测量温度的器件有热电偶 电阻温度探测器 RTD 及热敏电阻 热电偶响应时间短 但精度不高 性能不稳定 RTD精度高 线性度高 但响应时间长 热敏电阻的灵敏度高 但精度 线性度都比RTD稍低 在工业上 上述三种器件虽都有使用 但以RTD使用最为广泛 27309 8A 8 8 2在TraditionalDAQ系统中进行温度测量 图8 17温度测量系统的前面板 27309 8A 8 8 2在TraditionalDAQ系统中进行温度测量 图8 18温度测量系统的程序框图 27309 8A 8 9实训1 熟悉LabVIEW 1 实训目的2 实训原理3 实训设备4 实训内容5 实训报告要求 27309 8A 1 实训目的 1 掌握LabVIEW7Express的作用 2 熟悉LabVIEW7Express的前面板窗口和程序框图窗口 3 熟悉LabVIEW7Express的主菜单 工具模板 控件模板及函数模板的功能 4 掌握用LabVIEW7Express设计虚拟仪器的方法 27309 8A 2 实训原理 1 新建VI文件 2 放置控件和指示器 3 修改控件和指示器的属性 4 在程序框图窗口中放置需要的函数 5 连接控件 函数和指示器 6 保存虚拟仪器 7 输入数据进行验证 27309 8A 图8 19简单数学运算虚拟仪器的前面板 27309 8A 3 实训设备 本实训所用的设备为若干台已安装Windows98 ME 2000 XP等系统的计算机 27309 8A 4 实训内容 1 熟悉LabVIEW7Express的前面板工具条和程序框图工具条 2 熟悉LabVIEW7Express的File Edit Operate Tools Window等菜单 3 熟悉LabVIEW7Express的Tools模板 Controls模板和Functions模板 4 按照图8 19和图8 20 练习设计虚拟仪器 简单数学运算虚拟仪器 的前面板和程序框图 5 按照图8 21和图8 22 练习设计虚拟仪器 数字温度计虚拟仪器 的前面板和程序框图 27309 8A 图8 20简单数学运算虚拟仪器的程序框图 27309 8A 5 实训报告要求 1 写出实训目的 实训原理 实训设备及实训内容 2 指出设计简单数学运算虚拟仪器和数字温度计虚拟仪器所使用的控件和函数 3 思考题 画出CaseStructure函数的条件为False时的数字温度计虚拟仪