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DZ183虚拟仪器实验系统,毕业设计

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江苏大学毕业设计 (论文 ) 题 目 虚拟仪器实验系统 院 系 计算机科学与通信工程学院 专 业 计 算 机 科 学 与 技 术 年 级 计 算 机 002 班 学生姓名 曾 玄 指导教师 马 学 文 2004年 6 月 12 日 nts 2 目录 第一章 LabVIEW 介绍 4 第二章 LabVIEW 运行机制 5 第三章 虚拟仪器概述 7 第四章 虚拟仪器的主要特点 8 第五章 LabVIEW 的编程思想 9 第六章 基于虚拟仪器的数据采集系统 10 第七章 数据采集信道设置 13 第八章 信号调理技术 15 常用信号调理设备形式 16 信号调理设备与数据采集设备的通信 17 信号调理设备安装与设置 17 信号调理的增益 18 信号调理时间设置 18 第九章 VI数据采集方式 18 数据采集子程序设计 20 第十章 温度检测系统 VI 程序设计 21 串行通讯调试 22 第十一章 基于虚拟仪器的温度校准系统 23 系统构成 23 软件设计 25 基本功能要求 25 温度控制 25 数据测量 27 nts 3 程序调试 30 结 论 31 摘要 美国国家仪器公司 (National Instruments,NI)的创新软件产品 LabVIEW自 1986年问世以来 ,在研究 ,制造和开发的众多领域的到广泛应用 .从简单的仪器控制 ,数据采集到尖端的测试和工业自动化 ,从大学实验室到工厂 ,从探索研究到技术集成 ,人们都可以发现 LabVIEW应用的成果和开发的产品 .G语言编程和虚拟仪器技术已经成为工业界关注的热点技术之一 . 关键词：数据采集，传感器，信号调理器 ABSTRACT The importance of magnetic resonance imaging (MRI) in the medical field is well known.This research focuses on the design and implementation of a non-medical MRI instrument based on a personal computer running LabVIEW software.The instrument is able to monitor and control any externalexperimental or industrial paramaters that may be requird by the application.The instrument employs several techniques hitherto unknown,or minimally known in magnetic resonance such as undersampling and pulse sequences using continuous on magnetic field gradients Key words:sensor,streaming,ultrasound nts 4 第一章 什么是 LabVIEW? 20 多年前，美国国家仪器公司 NI（ National Instruments）提出 “ 软件即是仪器 ” 的虚拟仪器（ VI）概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了 “ 软件即是仪器 ” 的先河。 LabVIEW（ Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形化的编程语言，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。 LabVIEW集成了与满足 GPIB、 VXI、 RS-232和 RS-485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 TCP/IP、 ActiveX 等软件标准的库函数。这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。 图形化的程序语言，又称为“ G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而 代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此， LabVIEW 是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。 利用 LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的 32位编译器。像许多重要的软件一样， LabVIEW 提供了 Windows、 UNIX、 Linux、 Macintosh 的多种版本。 Labview 使用了 所见即 所得 的可视化技术建立人机界面，提供了许多仪器面板中的控制对象，如表头、旋钮、开关及坐标平面图等。用户可以通过使用编辑器将控制对象改变为适合自己工作领域的控制对象。 Labview 提供了多种强有力的工具箱和函数库，并集成了很多仪器硬件库。 Labview 支持多种操作系统平台，在任何一个平台上开发的 Labview LabVIEW(laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench ,实验室虚拟仪器工程平台 )是基于图形化编程语 言的开发环境。 LabVIEW 整合了与诸如满GPIB ,VXI,PXI,RS-232和 RS-485以及数据采集卡等硬件通讯的全部功能。 LabVIEW还内置了便于应用 TCP/IP ,ACTiveX等软件标准的库函数。 利用 LabVIEW ,能产生 32-bit的编译程序 ,这还可使用户的数据采集 ,测试和测量nts 5 方案得以高速运行。还可以生成单词可执行文件 ,因为 LabVIEW 是一个真正的32-bit编译器。使用没有多少编程经验 ,技术人员 ,科学家 ,工程师仍可利用所熟悉的术语 ,图标和概念 ,使用图形化的符号而 不是文本式的语言来描述程序的 ,LabVIEW正是提供了这样的编程环境。 LabVIEW包括丰富的用于数据采集 ,分析 ,表达及数据存储的库函数。 LabVIEW还有传统的编程开发工具 ,可以设置断点 ,可以使程序动画式运动以观察程序的运行细节 ,还可以单步运行 ,这些使程序的调试和开发更为简化。 LabVIEW也提供了大量的诸如 DDLs,共享库 ,ActiveX等外部代码或软件进行连接的机制。另外 ,满足各种应用需要的工具箱也应有尽有 . 第二章 LabVIEW运行机制 所有的 LabVIEW 程序 ,即虚 拟仪器 (vis),都包括前面板 (frontpanel),流程图 (blockdiagrom)两部分。相对于程序的这两部分 ,LabVIEW 工作区也分为不同的两个部分 ,每个部分都有自己独立的操作界面。而在不同的操作界面内又有不同的工具模板 (palettes),以实现不同的功能。 LabVIEW 的模板上含有用于创建和修改 VI的选项。 (1 )工具模板 :包含用于编辑 ,调试前面板和流程图对象所需要的工具。 (2 )控制模板 :包含用于创建用户接口的前面板控制对象和显示对象。 流程图的工作界面中 ,有工具模 板和功能 (函数 function)模板。 (3)工具模板 :工具模板包含用于编辑 ,调试前面板和流程图对象所需要的工具。 (4)功能模板 :功能模板包含用于 VI 编程的对象 ,例如 :算术运算 ,仪器 I/ O,文件 I/ O以及数据采集等操作 . 第三章 虚拟仪器概述 虚拟仪器 （ virtual instrumention） 的概念是美国 NI 公司 (National Instrument)在 20世纪 80年代中期提出来的。所谓虚拟仪器就是以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机的运算、存储、回放、调用、显示及 文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用了计算机智能nts 6 资源的全新仪器系统。与传统仪器相比，虚拟仪器有许多优点：对测试量的处理和计算可更复杂且处理速度更快，测试结果的表达方式更加丰富多样，可以方便地存储和交换测试数据，价格低，技术更新快。它的最大特点就是把由仪器生产厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能，满足多种多样的应用需求。由于虚拟仪器的测试功能、面板控件都实现了软件化，任何使用者都可通过修改虚 拟仪器的软件来改变它的功能和规模，这充分体现了 软件就是仪器 的设计思想。 虚拟仪器的技术基础是计算机技术，核心是计算机软件技术。其中最有代表性的图形化编程软件是美国 NI公司推出的 Labview(laboratory virtual instrument engineering workbench 即实验室虚拟仪器工作平台 )。它是世界上第一个采用图形化编程技术的面向仪器的 32位编译型程序开发系统，它的目标就是简化程序的开发工作，提高编程效率，让科学家和工程技术人员充分利用计算机的资源和强大功能，快速简捷地完 成自己的工作任务，它被称为 科学家与工程师的语言 。 所谓虚拟仪器，实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。 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，控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。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，已把传统仪器远远抛到后面，并给虚拟仪器生产厂家不断带来较高的技术更新速率。虚拟 仪器是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。 虚拟仪器一般包括三部分：系统硬件、系统软件以及计算机组成，充分体现了虚拟仪器以“软件代替硬件”的思想。之所以如此，关键是其软件中安装了 核心基础软件，被称为“发动机”的设备驱动程序，从而使这些基础的仪器驱动软件，使得系统的开发与仪器的硬件变化无关，这是虚拟仪器的最大优点。虚拟技术作为一种新兴交叉学科，目前尚未形成成熟的理论体系。虚拟仪器可以看作面向对象思想在智能化仪器领域的发展，也就是在由软件和硬件构成的虚拟仪器系统中，用户不必了解电子线路及系统软件的细节，用虚拟仪器系统提供的“用户软件接口”和“用户硬件接口”，经过简单的二次开发，就可以在较短的周期内开发出适应不同检测对象需要的仪器。虚拟仪器最有优势的技术是软件开发环境，与传统程序设计语言 不nts 7 同，这类软件一般采用强大的图形化语言编程，面向测试工程师，而不是面向专业程序员，编程非常方便，人机交互界面非常友好，具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力。如使用各种图标、图形符号、连线等编程，界面非常直观形象，而且还可以使用检测工程师熟悉的旋钮、开关、波形等制作的仪器面板，对测试工程师来说，无疑是最好的选择。面向对象思想在虚拟仪器领域的应用和发展，极大地发展了现代仪器的设计方法和技术。相信不久的将来，开发大型高度智能化的仪器也会象“搭积木”一样简单。 为实现从物理量提取到数据分析结果的虚拟仪器的市场需 求，九八年初开始，先后有美国惠普公司、美国 Ni公司、美国吉时利仪器公司等，率先将这类产品推向国际市场，引起工程检测领域不小的轰动 . 第四章 虚拟仪器的主要特点 : 1 尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。 2 可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。 3 用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。 虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算 机语言是美国 NI公司的 LabVIEW。 虚拟仪器的起源可以追朔到 20 世纪 70 年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。 PC 机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在Microsoft 公司的 Windows 诞生之前， NI 公司已经在 Macintosh 计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。对虚拟仪器和 LabVIEW 长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。 普通的 PC 有一些不可避免的弱点。用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能太高。目前作为计算机化仪器的一个重要发 展方向是制定了 VXI 标准，这是一种插卡式的仪器。每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。这些卡插入标准的 VXI机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。 VXI 仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的 PXI 标准仪器。 虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。目前使用较多的是 IEEE 488或 GPIB协议。未来的仪器也应当是网络化的。 nts 8 虚拟仪器和传统仪器的对比 虚拟仪器具有传统独立仪器 无法比拟的优势，但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 .下面将虚拟仪器和传统仪器做一个简单的比较 . 虚拟仪器 传统仪器 开放型 ,灵活 ,可与计算机技术保持同步 . 封闭性 ,仪器间相互配合较差 . 关键是软件 ,系统性能升级方便 ,通过网络下载升级程序即可 . 关键是硬件 ,升级成本较高 ,而且升级必须上门服务 . 价格低廉 ,仪器间资源可重复 ,利用率高 . 价格昂贵 ,仪器间一般无法互相利用 . 用户可以定义仪器功能 . 只有厂家能定义仪器功能 . 可以与网络以及周边设备方便连接 . 开发与维护开销高 . 开发与维护费用降至最低 . 开发和维护开销高 . 技术更新周期短 (1-2年 ). 技术更新周期长 (5 10 年 ). 专家们指出，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， 已是大势所趋，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，因此，在 21世纪，虚拟仪器将大行其道，日渐受宠，将会引发传统的仪器产业一场新的革命。 LabVIEW是 NI 推出的虚拟仪器开发平台软件，它们能够以其直观简便的编程方式、众多的源码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户快捷地构筑自己在实际生产中所需要的仪器系统创造了基础条件。 LabVIEW采用图形化编程语言 -G语言，产生的程序是框图的形式，易学易用，特别适合硬件工程师、实验室技术人员、生产线工艺技术人员的学习 和使用，可在很短的时间内掌握并应用到实践中去。特别是对于熟悉仪器结构和硬件电路的硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员来说，编程就像设计电路图一样；因此，nts 9 硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员们学习 LabVIEW 驾轻就熟，在很短的时间内就能够学会并应用 LabVIEW。也不必去记忆那眼花缭乱的文本式程序代码。 LabVIEW 这么容易学习和使用，是不是 LabVIEW 的功能十分有限呢？不。像 C或 C+等其它计算机高级语言一样， LabVIEW 也是一种通用编程系统，具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集 、 GPIB、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储，甚至还有目前十分热门的网络功能。 LabVIEW 也有完善的仿真、调试工具，如设置断点、单步等。 LabVIEW 的动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据及其变化情况，比其它语言的开发环境更方便、更 而且 LabVIEW与其它计算机语言相比，有一个特别重要的不同点：其它计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码行，而 LabVIEW采用图形化编程语言 -G语言。 LabVIEW 程序又称为虚拟仪器，它的表现形式和功能类似于实际的仪器；但LabVIEW程序很容易改变设置和功能。因此， LabVIEW特别适用于实验室、多品种小批量的生产线等需要经常改变仪器和设备的参数和功能的场合，及对信号进行分析研究、传输等场合。 总之， 由于 LabVIEW 能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省时简便，深受用户青睐。与传统的编程语言比较， LabVIEW 图形编程方式能够节省 85以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响，体现出了极高的效率。使用虚拟仪器产品，用户可以根据实际生 产需要重新构筑新的仪器系统。例如，用户可以将原有的带有 RS232 接口的仪器、 VXI总线仪器以及 GPIB仪器通过计算机，联接在一起，组成各种各样新的仪器系统，由计算机进行统一管理和操作。 可以预见，由于 LabVIEW 这些其他语言无法比拟的优势， 已经成为该领域的一朵奇葩！最终将引发传统的仪器产业一场新的革命。 第五章 LabVIEW语言的编程思想 由于 LabVIEW 语言是一种非常实用的虚拟仪器开发工具，其编程方式和程序员常用的几种软件有很大的区别。 传统仪器一般是一台独立的装置。从外观上看，它一般有操作面 板、信号输入端口，检测结果输出这几个部分。操作面板上一般有一些开关，按扭，旋扭等等。检测结果的输出方式有：数字、指针式表头、图形窗口、打印输出等等。从功能方nts 10 面分析传统一起可以分为：信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出这几个部分。传统仪器的功能都是通过硬件（或者固化的软件）实现的。这种框架结构决定了它只能由仪器厂家来定义、制造，而且功能和规模一般都是固定的，用户无法随意改变其结构和功能。计算机技术、微电子技术和大规模集成电路技术的发展带来了数字化仪器、智能仪器，但是传统仪器还是没有摆脱独立使用 、手动操作的模式。在较为复杂的应用场合或者测试参数较多的情况下，使用起来就很不方便。 虚拟仪器 VI 是现代仪器技术与计算机技术结合的产物。随着计算机技术特别是微机的快速发展， CPU 处理能力的增强，总线吞吐能力的提高和标准化以及显示器技术的进步，人们逐渐意识到可以把仪器的信号分析和处理，结果的表达与输出功能转移给计算机来完成。这样可以利用计算机的告诉计算能力和宽大的显示屏更好的完成原来的功能。 在现代化工业生产中 ,需要进行稳定测量和监控的场合是越来越多 .据统计 ,温度测量占占工业生产中各种测量总量的 50%左 右 .测温的方法也多种多样 .但是 ,常规的测温方法中存在许多缺点 ,这促进了测温技术中新原理 ,新技术 ,新方法的诞生和发展 .虚拟传感器 ,网络温度传感器 ,红外测温技术等代表了未来测温技术的发展方向 . 第六章 LabVIEW的数据采集系统 广义的数据采集包括模拟输入和模拟输出两个部分 ,它们往往使用同一个系统 ,有许多相同的概念和术语 . 数据采集硬件有多种形式 ,数据采集硬件的选择要根据具体的应用场合并考虑到自身的现有的技术资源 .硬件驱动程序是应用软件对硬件的编程接口 ,它包含着对硬件的操作命令 ,完成与硬件 之间的数据传递 .依靠硬件驱动程序可以大大简化LabVIEW 的编程工作 ,提高开发效率 ,降低开发成本 .LabVIEW 开发环境安装时 ,会自动安装 NI-DAQ 软件 ,它包含 NI 公司各种数据采集硬件的驱动程序 .在驱动程序的用户接口 Measurement & Automation Explorer 中用户可以对硬件进行各种必要的设置和测试 .LabVIEW 中的数据采集 VI 按照 Measurement & Automation Explorer 中的设置采集数据 . 1数据采集特有的数据类型 a 数据采集信道名 数据采集信 道名 DAQ Channel Name 控件在前面板上位于空间模板的 I/O 子模板中 ,从形式上看他是一个单选框 ,其中包含着用户在 Measurement& Automation nts 11 Explorer中设置过的所有信道的名称 .这个对象既可以做控件又可以做显示文件 ,通过弹出菜单上的 Chang to.选项进行转换 ,.数据采集信道名常数在图形代码窗口中功能模板的数据采集子模板中 .数据采集信道名这种数据类型为用户给数据采集VI连接信道表参数带来极大的便利 . b 波形 波形 Waveform 对象在前面板上也位于控制模板 的 I/O 子模板 ,既可以做控件又可以做显示件 ,通过弹出菜单上的 Chang to.选项进行转行 .它类似于一个簇 ,但是它的成员是固定的 .波形全部的成员包括数据采集的起始时间 t0,时间间隔 dt,波形数据 y(一个信号数组成一个信号数值 )和属性 (关于波形的其他信息 ).在图形代码窗口中功能模板上有一个波形子模板 ,其中包括对波形进行操作的非常丰富的 VI. LabVIEW的数据采集 VI 在默认的情况下也返回一个波形 ,不同的数据采集 VI返回的波形中包含的成员不尽相同 . 2数据采集 VI的位置 LabVIEW 中的数据 采集 VI位于采集子模板 Data Acquisition中 ,这个子模板中包含 6 个下级子模板图标 ,分别是模拟输入 ,模拟输出 ,数字输入输出 ,计数器 ,校准于设置和信号调整子模板 .通过它们可以分别访问不同的数据采集 VI.这些 VI 可以作为单独的程序运行 ,执行数据采集任务 ,也可以作为子程序调用返回采集的数据 . 3数据采集 VI的分级 a 易用 VI 易用 VI 执行最简单的数据采集操作 ,一般位于数据采集子模板的第一行 .需要完成最基本的数据采集操作的时候它的功能是很出色的 ,它还能自动进行出错提示 ,用一个对话框询问用户是终止 执行还是忽略错误 .易用 VI 通常由中级 VI 构成 ,但是它只提供最基本的输入输出接口 .这类似于一台傻瓜照相机 ,它不需要操作者多少干预 ,也得不到什么特定的效果 .对于复杂的应用程序 ,应该用中级的或者高级的数据采集 VI,以便得到更多功能和更好的性能 . b 中级 VI 中级 VI由高级 VI组成 ,但是它们使用较少的参数 ,并且不具备某些高级的功能 . 中级 VI 比易用 VI 给用户更多的对错进行处理的机会 .在每一个 VI 中我们都可以检查错误 ,将出错信息簇传递给其他 VI. c 实用 VI 许多 LabVIEW 的数据采集子 模板中都有实用 VI.它们也由中级 VI 组成 ,但是比易用 VI 具有更多的输入输出参数 ,因此在开发应用软件是 ,比易用 VI 具备更多的硬件操作功能 ,能够更有效的控制硬件 . d 高级 VI 高级 VI 是对数据采集驱动程序最低层的接口 .很少有应用软件需要高级 VI.当nts 12 易用 VI或者中级 VI不具备对于控制某些特殊数据采集功能的输入参数时 ,就有必要使用高级 VI,它从数据采集驱动程序返回最多的状态信息 . 4关于数据采集 VI 的参数多义性 如同 LabVIEW 的其他许多 VI 一样 ,它的数据采集 VI 也具有参数多义性的特点 ,它们可以接受或者 返回不同类型的数据 . 例如在缺省情况下模拟输入 VI 返回的数据类型是波形 ,但是可以在它的输出端口上弹出菜单选择 Select Type,选择用户需要的其他数据类型 .例如 AI Read One Scan VI 可以返回单点波形 ,量化数组 ,二进制数组等四种类型的数据 . 5数据采集 VI的参数约定 LabVIEW 在数据采集 VI 前面板上或者调用它的程序的帮助窗口中 ,用控制件或者显示件标签的外观区分各个参数的重要程度 .控制件或者显示件名称用粗体字时 ,在图形代码中必须为节点上这个参数连线才能使程序运行 ;使用普通字体时 说明这个参数对程序运行不是特别必要 ;而在方括号内的参数很少用到 .参数的缺省值在圆括号内显示在改参数名右侧 . 6缺省值 ,缺省设置和当前值 数据采集 VI 的缺省输入是它前面板上对应控制件的缺省值 .缺省设置是记录在设备驱动程序中的缺省参数值 .当前设置是任意给定时刻一个参数的值 .当 VI的某一个输入端口美欧连线时 ,这个端口所对应的 VI 前面板控制件的缺省值就被传递给驱动程序 ,它的缺省设置成为当前设置并一直保持到参数值被改变 . 7数据采集 VI的常用参数 在模拟输入输出 ,数字输入输出和记数程序中 ,device 参数指用户在Measurement & Automation Explorer 中为某一个数据采集设备设定一个数值 ,这个值作为一个表示贯穿于整个程序 .task ID 也可以包含一组关于信道和增益的信息 . 8某些数据采集 VI只执行设备设置或者只执行输入输出操作 ,而另一些 VI既执行设置又执行操作 .后者有一个循环数 iteration参数输入 ,使用这些 VI时我们通常把它放在一个循环中 ,将循环数输出端口连接到 VI的 iteration输入端口 .这样当程序运行第一个循环 ,iteration 等于 0 时 ,LabVIEW 进行数据采 集设备设置 ,然后执行指定的输入输出操作 ;以后各次循环中 iteration 值都大于 0,VI 只用当前设置进行输入输出操作 .这样避免了每次进行输入输出操作时都进行数据采集设备设置 ,可以改进应用软件的性能 . 9出错处理 每个易用 VI 中都包含一个出错处理子程序 .一旦易用 VI 中有错误发生 ,立即会出现一个对话框 .中级和高级的 VI 则有一个出错信息输入参数和一个出错信息输出参数 .这个参数数据类型是一个簇 ,其中包含一个布尔量 ,指出是否有错误发生 ;一个错误代码 ,表示发生何种错误 ;还有一个值给出错误原信息或者返回出错信息的nts 13 VI名 .如果出错信息输入参数指出发生了错误 ,则该 VI不执行任何数据采集操作 ,并将出错信息传递到出错信息输出端口 . 第七章 数据采集的信道设置 1 信道定址 在多信道数据采集或者输出系统中 ,必须为数据采集设备指定对哪个信道进行操作 ,这就是信道定址 .信道定址通过在数据采集 VI的信道表参数 Channel list 中写入信道名或者信道号实现 .在数据采集过程中按信道表列出的顺序扫描信道 ,在数据输出过程中按信道表列出的顺序刷新 .信道定址有两种方法 . a 信道名定址 采用信道名定址首先要在 Measurement & Automation Explorer 中对信道进行设置 .打开 Measurement & Automation Explorer 后在 Data Neighborhood 选项上单击右键 ,再由下级菜单上点击 Create New 弹出信道向导 ,在它的引导下创建一个虚拟信道 .一步步悬在信道类型 ,信道名 ,传感器类型 ,信号的单位 ,使用的数据采集设备等 . 信道创建后的 Data Neighborhood 下出现一个信道名 ,在这个信道名上弹出菜单可以现在 Properties 对信道的设置进行修改 ,或者 选择 Test 对信道进行测试 . 在 Measurement & Automation Explorer 中设置的信道名即可写入信道表参数Channels.信道表可以是一个信道名 ,也可以是一个信道名数组 .如果是哟嘎信道名数组 ,可以把每个信道名作为一个数组成员 ;也可以把整个信道表指定为一个单独成员 ;或者使用这两个方法的任意组合 .如果在信道表中输入多个信道名 ,表中所有信道必须都设置为同样的数据采集设备 .例如我们用信道名设置 lacation 和pressure 两个信道 ,它们都是由一个数据采集设备采样 ,则可以把 它们写在同一个数组成员中 ,用逗号分开 lacation,pressure.写信道时要注意拼写和空格 ,但是大小写不比区分 . 使用信道名定址时不必再连接 device 输入参数 ,LabVIEW 自动忽略这个参数 .如果不需要更改信道设置也不比连接 input limits 或者 input config 等参数 .使用信道名定址时 LabVIEW 根据 Measurement & Automation Explorer 中的参数设置硬件 . b 信道号定址 信道定址的另一种方式时信道号定址 .使用信道号定址时不一定要在Measurement & Automation Explorer 中设置过信道 .输入给数据采集 VI 的信道表参数可以时是一个字符串数组 ;也可以是一个单个的字符 .如果使用信道表数组 ,我们可以把每个信道作为一个数组成员 ;也可以把所有的信道指定为一个单独成员 ;或者使用这两者的任意接合 .例如我们有信道 0,1,2.或者用一个分号隔开第一个和最nts 14 后一个信道 ,从而指定一个范围 ,例如 0;2. LabVIEW 可以识别三种类型的信道 :数据采集卡上的 ,多路复用板上的和信号调理器上的 . 数据采集卡上的信道指插卡式数据采集设备 提供的模拟和数字输入输出信道 .如果 x 是一个数据采集卡上的信道 ,我们可以输入 x 或者 OBx 为信道表成员来指定它 . 2 极限设置 极限设置量是我们测试或者输出的模拟信号的最大值和最小值 ,它关系到数据采集设备的增益每个 .每个模拟输入或者输出信道可以有一对单独的极限设置 ,极限设置量必须在设备的输入输出范围内 .如果不给数据采集 VI 输入极限设置参数 ,或者为上下限参数输入 0,那么就使用设备的缺省范围 ,或者 Measurement & Automation Explorer 中为信道设置的范围 . 易用模拟输入 VI 只有一对极限值输入 ,它构成一个簇 ,所有信道使用同样的极限设置 .易用模拟输出 VI 没有极限值参数 .中级模拟输入输出 VI 用一个极限设置簇数组对应信道表数组进行极限设置 .各个信道的极限设置情况于两个数组成员的个数和信道表从写法都有关系 . 如果极限设置簇数组的成员少于信道数组的成员 ,LabVIEW按照极限设置簇数组最后一个条目指定多余信道的极限 . 如果在 Measurement & Automation Explorer 中设置了信道 ,极限设置所用的单位就是信道设置中用于某个特定信道名的物理单位 .例如我们 在数据采集信道向导中设置了一个信道的物理单位为 Dec C ,极限设置值就被看作摄氏度 ,如果没有在Measurement & Automation Explorer 中设置信道 ,用于极限设置的缺省单位值通常是伏特 . 3 输入输出的数据结构 当我们从多个信道连续采集数据时 ,默认情况下数据采集 VI 返回的数据是一个波形数组 ,数组中每个成员对应一个信道的信息 .但是前面说过 ,LabVIEW 的许多数据采集 VI具有参数多义性的特点 ,我们也可以使它们返回一个二维数组 . 二维数组的两个索引选择器上面一个用于 选择行 ,下面一个用于选择列 . LabVIEW 的数据采集 VI 按列组织二维数组的数据 ,即每个列包含一个信道的数据 ,所以选择一列就等于选择了一个信道 .模拟输入 VI 返回数据的一行包含一次扫描的数据 ,因此对模拟输入数据选择就等于选择了一次扫描 . 用图形显示数据采集 VI 返回的二维数组时 ,我们必须吧 chart 或者 graph 设置为转换数组 ,方法时弹出菜单 ,选中 Transpose Array.如果没有给图形显示件连接二维数组这个选项是暗的 ,也可以在程序中使用 Function-Array-Transpose 2D nts 15 Array 函数转换数组 . 如果要从数据采集 VI 返回的二维数组中提取一个信道的数据可以使用Function-Array-Index Array 函数 . 多信道模拟输出 VI 同样需要二维数组的每列包含一个信道的数据 ,而每行包含一次刷新的数据 .创建这样的数据时 ,首相将每个信道的数据构建一个一维数组 .然后选择 Function-Array-Build Array 函数将这些数组合成一个二维数组 .其中每个一维数组时二维数组的一行 .再用 Transpose 2D Array 函数把二维数 组的行列转换 ,完成以上步骤后数组就可以用于模拟输出 VI了 . 数据采集设备的设置与测试 数据采集设备要根据测试的条件于测试目的进行正确的设置才能正常工作 .一个数据采集系统进行调试之前和运行中发生异常时 ,需要首先对数据采集设备进行测试 ,以排除硬件故障 .设置与测试在驱动程序的用户接口 Measurement & Automation Explorer 中进行 .具体的设备设置和调试方法根据不同的采集卡而定 . 典型的数据采集系统的结构如下 : 传感器 -信号调节 -数据采集 -计算机 其中信 号调节的主要作用是使传感器输出信号与 A/D 转换器相适应 ,也就是使传感器的输出信号能够让 A/D转换器识别 ,如果传感器的信号太小 ,A/D转换器不能感应 ,反之如果太大了就会损坏 A/D 传感器 .如果传感器的输出信号中带有或者在传输过程中 ,混入了虚假成分 ,就需要对信号进行滤波 ,压缩频带 ,用以降低采样率 ,另外 ,阻抗变换 ,屏蔽接地 ,调整与解调 ,信号线性化等等 ,皆是处理范畴 .在信号调节的过程中 ,要将数字的与模拟的严格分开 ,同时在前置放大器的设计中要考虑抗阻匹配以获得最佳的信噪比数尺 . 第八章 信号调理的基本概念 传感器可以 把温度 ,压力 ,位移 ,声 ,光 ,等物理现象转变成为电信号 . 来自传感器的电信号一般不能用数据采集设备测量 ,最主要的问题是它们大多数输出电压非常小 ,而且极易受噪音影响 ,而有些信号又有可能存在很高的尖峰值 .因此在将它们转换为数字量之前需要先进行放大 ,滤波或者隔离的预处理 ,这项工作叫做信号调理 . 1 放大 放大是一种最常用的信号调理 .对电信号进行放大的两个好处是它可以改进信号的数模转换精度并可以减少噪音 .为了得到尽可能高的精度 ,应该将信号放大到它的幅值等于模数转换器的最大输入范围 .虽然对底电平信号进行放大可以在数据采集设备中进行 ,也可以在信号源附近的信号调理模块中进行 ;但是在数据采集设备中nts 16 对信号进行放大 ,信号就带着进入导线的噪音一起被放大 ,然后进行模数转换和测量 ;而在信号源附近用信号调理模块放大信号 ,噪音的破坏作用将降低 ,数字化后能更好的反应电平的原始信号 . 使用护套电缆或者双绞线电缆 ,并尽量缩短电缆长度能够减少噪音 ,此外 ,让信号线远离交流电源线和显示器将有助于减少 50Hz的噪音 . 2 隔离 当被检测的信号含有高电压峰值时 ,它有可能损坏计算机或者伤害操作者 .在这种情况下处于安全考虑就需要将计算机与传感器隔离 .进行隔离的 另一个原因时确保数据采集设备的测量不受地势差的影响 .当数据采集设备与信号不是参考同一点地势点的话 ,就有可能发生对地环流 ,影响测量的精确性 ;如果信号地和数据采集设备的地势差很大的话 ,甚至有可能损坏测试系统 .使用信号调理器的隔离模块可以减小对地环流 ,确保信号测试精确 . 3 滤波 信号调理系统可以从被测试信号中虑除掉不需要的成分或者噪音 .对类似于温度这样缓慢变化的信号常常需要使用底通滤波器 ,减少信号的高频部分 ,提高数模转换的精度 .是可用底通滤波器可以虑除截止频率以上的所有信号频率成分 .许多信号调理装置都有 40Hz的底通滤波器 ,它很实用从低频采样的信号中虑除 50Hz的交流噪音 .还有些信号调理装置可以在软件中选择截止频率 . 4 传感器激励 应变片 ,热电阻等许多传感器都需要外部电压或者电流的激励来进行物理现象测试 .一些插入式的数据采集设备和 SCXI=1121,SCXI-1122 等信号调理模块都可以对传感器提供必要的激励 . 5线性化 热点偶等许多传感器对被测的物理现象的相应是非线性的 .LabVIEW可以对传感器的电压信号进行线性化 ,从而使电压信号被正确标定为被测的物理现象 .LabVIEW 提供简单的标定 VI,用来将应变片 ,热电阻 ,热电偶以及热敏电阻的电压信号进行转换 . 常用的信号调理设备形式 1 信号调理器 (SCX-Signal Conditionng eXtensions for instrumentation) 信号调理器由信号调理机箱 ,信号调理模块 (实现信号调理功能的主要部件 ,具有多种功能模块可以选择 )和信号连接端口组成 .这是一种高度可扩展的信号调理系统 ,也是信号调理设备的常见形式 . 2 信号调理板 信号调理板是低价位 ,单功能的信号调理装置 ,外形类似于数据采集卡 .信号调理板主要有应变板 ,热电偶和热电阻调理板 ,多通 道同步放大调理板等几种 . nts 17 3 信号调理模块 (5B 系列 ) 此系列信号调理模块于信号调理板的功能和特点相似 ,但是它是由一个个信号调理模块插入一个背板组成 .背板上有电缆插口便于与数据采集卡连接 . 4 分布式信号调理模块 (Filed Point) 分布式信号调理模块工业为现场测试提供了方便 ,它可以使信号调理房子靠近传感器的位置 .分布式信号调理模块的一个背板上需要分别安装信号调理模块 ,控制模块和通讯模块 .用寻模块与计算机的通讯有串口 ,以太网 ,无线等几种形式 . 信号调理设备与数据采集设备的通信 信号调理器作前端信号调 理系统时 ,它向数据采集设备传递数据有两个基本的操作模式 :多路复用模式和并行模式 .但是有些信号调理设备只支持多路复用模式 ,例如 SCXI-1100,SCXI-1122等信号调理模块 . 采用多路复用模式时信号调理设备的所有输入信道都被复合到一个信道输出 .在缺省情况下 ,以差分方式输出到数据采集设备的 0 信道 .如果机箱中装有多个模块 ,则只需要将一个模块直接连接到数据采集设备 ,由于所有模块都插入信号调理器总线背板 ,所以数据采集设备可以通过信号调理器总线访问机箱中的其他模块 .数据采集卡上某些模拟和数字线保留做信号调理器通信 用 . 在多路复用模式中有些数据采集设备支持多信道 ,多扫描的采集 ,而有些设备只支持担心道或者单扫描采集 . 当模拟输入模块运行在并行模式下时 ,这个模块直接把它每个信道的信号传送到与它相连的数据采集设备的一个单独的模拟输入信道 .此时如果信号调理器中装有其他模块 ,也不能通过这个模块来与数据采集设备通信 .在这种情况下 ,可以在计算机中安装多个数据采集设备 ,分别与信号调理器机箱中各个单独的模块连接 .例如安装两个 AT-MIO-16E-2设备 ,将它们分别连接到一个单独的 SCXI-1120 模块上 . 在缺省情况下 ,运行在并行模式 下的模块将 0 信道信号以差分方式送到数据采集设备的模拟输入 0信道 ,1信道信号送到数据采集设备模拟输入 1信道 ,一次类推 ,数据采集设备上有效的信道数限定了模拟输入的总信道数 . NI公司建议大多数情况下使用多路复用模式 . 信号调理设备安装与设置 许多信号调理器模块需要在安装前进行一些跳线设置 ,以确定诸如与数据采集设备传递数据的方式 ,信号调理设备的增益 ,参考地点的选择 ,相连的机箱或者模块的数量等工作条件 .具体的跳线位置需要参考所使用的信号调理模块的用户手册 . 信号调理器系统安装后还需要在 Measurement & Automation Explorer 中进行不同的设置 ,LabVIEW 需要关于设置的信息才能使信号调理系统正确工作 .例如信号nts 18 调理板要设置为一个附件 ,而信号调理器要设置为一个设备 . 信号调理器的增益 信号调理设备可以提供比数据采集设备更高的增益 . 有些信号调理模块是通过跳线来分别为各个信道设置增益 ,例如SCXI-1120,SCXI1121等 ;有些信号调理模块则是在软件中为各个信道选择增益值 ,例如 SCXI-1141;还有些信号调理模块只能在软件中为整个模块设置统一的增益值 ,例如 SCXI-1100,SCXI-1122等 . 对于用跳线设置增益的信号调理模块 ,在 Measurement & Automation Explorer中进行信号调理模块设置时 ,要输入所设置的增益值 .LabVIEW根据这个增益值 ,将放大以后的信号进行比例化 ,返回升级的信号电平 .如果在程序中为模拟输入 VI 输入了极限设置参数 ,那么 LabVIEW 通过适当选取卡上的增益 ,使它与信号调理器的增益配合 ,以尽可能接近模拟输入 VI上设置的极限 . 而对于软件设置增益的模块 ,当程序中为