国内外单片机研究的现状与发展毕业论文.doc

太原科技大学毕业设计说明书国内外单片机研究的现状与发展毕业论文第一章 引 言 1.1概述本文的选 题来自于太原科技大学机械电子工程学院的“基于反力式滚筒的车辆性能测试实验台”课题。目前，该实验台已经经过验收，信号采集和分析过程，是采用的离线评估的方法。同时，整个过程中针对信号使用的是比较散的非智能化的采集、AD转换、接收、处理的过程，同时没有实时存储的功能；而且在硬件设计中存在一个制约性的设计点，那就是反力式双滚筒的中心矩不能够根据现场的需要进行调整。本文的目的就是实现对系统进行改进和更新。并且对系统进行测试实验，利用实验室现有的PCI8333板卡进行数据采集，处理并保存这些采集的数据，现场或回到实验室都可以对数据进行处理，并进一步对系统性能做出评估。在更新了实验台硬件设计制约点后，同时在这个数据采集系统设计中采用NI公司开发的虚拟仪器的设计思想，丰富了采集系统在上位机分析处理的功能，并且充分利用了虚拟仪器开发的低成本、高效率优点，提高了系统的集成度和缩短了开发周期。本文主要从硬件和软件的设计两方面进行开发，硬件方面添加液压双向锁紧装置解决制约中心矩的设计点，软件方面利用LabVIEW开发了一套上位机软件。基于反力式滚筒的车辆制动性能测试并不是本文的设计内容，所以在本文中并没有提及。对于虚拟仪器的引入，使得本系统的应用并不只应用于车辆行驶性能测试方面，还可以综合至车辆的整体性能测试方面。1.2国内外研究的现状与发展1.2.1测试技术的现状与发展现代测试技术，既是促进科学技术发展的重要技术，又是科学技术发展的结果。现代科技的发展不断地向测试技术提出新的要求，推动测试技术的发展。与此同时，测试技术迅速吸取和综合各个科技领域(如物理学、化学、生物学、材料科学、微电子学、计算机科学和工艺学等)的新成就，开发出新的方法和装置。近年来，新技术的兴起促使测试技术蓬勃发展，尤其在以下几个方面的发展最为突出:1)、 电 路 设计的改进广泛采用运算放大器和各种集成电路，大大简化了测试系统，提高了系统特性。例如有效地减小了负载效应 ，线性误差，等等。2)、 新 颖 传感器层出不穷，可测量迅速增多当今世界己拥有极高水平的各种电子设备和信息技术。传感器是信息之源头，只有拥有良好而多样的传感器，才能在非电量的自然界中有效地使用这些设备和技术。有人认为支配了传感器技术，就能把握住新时代。能不能开发出性价比高的测试装置，关键也在于传感器的开发和应用。3)、 广 泛 应用信息技术信息技术，特别是计算机技术和信息处理技术，使测试技术产生了巨大变化，大幅度地提高测试系统的精确度、测试能力和工作效率;引进许多新的分析手段和方法，使测试系统具有实时分析、记忆、逻辑决断、自校、自适应控制和某些补偿能力，向着智能化发展。4)、 多参量 测试系统的开发由于出现各种廉价传感器和实时处理装置，为开发多传感器和多种参量测试系统提供了可能性。这种测量系统可实现多自变量函数的测量，是自动控制系统必不可少的装置。它也广泛用于设备的监测和组成线型或面型传感器阵列进行图象或场量的测试。1.2.2虚拟仪器技术的回顾、现状及其展望虚拟技术、计算机通讯技术与网络技术是信息技术最重要的组成部分，它们被称为21世纪科学技术中的三大核心技术1391。虚拟技术蕴含的巨大潜力，使发达国家趋之若鹜，在这一领域的研究上投入巨资，希望有朝一日能在它的带动下率先进入信息时代，而把工业时代远远地抛在后面20 世纪80年代首先在美国兴起和发展起来的虚拟仪器无疑是虚拟技术领域中的重要组成部分，因此，它成为发达国家研究开发的热点技术之一。1.2.3汽车检测技术的现状及展望汽车技术发源于国外汽车检测技术的发展也是从国外开始的。随着现代电子技术、计算机技术的出现和进步促使汽车检测技术得到了飞速发展。目前人们已经能够利用各种先进的仪器设备对汽车性能进行检测，达到安全、迅速、准确地诊断故障、评价性能、确定维修方案等目的。为了借鉴国外已经取得的成功经验促进国内汽车检测技术的发展，有必要对国外汽车检测状况有所了解。 1）全新的汽车发动机检测诊断技术 国外采用最新技术的汽车发动机分析仪在功能上更加强大和完善如美国大熊公司生产的大熊牌BEAR,40-200型、BEAR-400型全电脑发动机诊断检测系统德国博世公司推出的FSA60O0型发动机综合检测仪及奥地利A V L公司生产的AVL-845型电脑发动机诊断检测仪等，都代表了当代的先进技术水平。2）汽车四轮定位检测技术 四轮定位相关技术在汽车维修和检测作业中得到了广泛应用。究其原因，主要是发达国家的高速公路已形成网络，车辆行驶速度高，从安全性和车辆行驶稳定性方面来说四轮定位检测和调整非常必要；另一方面是汽车四轮定位设备调校简单，使用方便，精确度高。在动态条件下测定与调整车轮定位参数是车辆四轮定位检测技术的发展新方向。3）车辆轮胎测试技术据统计，我国高速公路的交通事故，约40 是由于爆胎造成的。造成爆胎的原因很多，其中胎面磨损和胎冠的磨损、裂纹和凹坑是造成汽车爆胎的主要原因。在我国只强调检测轮胎动平衡，对轮胎胎面及胎冠的磨损情况只靠目测，而在德国是通过轮胎测试仪来测试轮胎，确定是否需要更换，防止出现爆胎事故。4) 制动性能检测技术随着汽车ABS、AsR技术的进一步普及，现阶段的反力式制动检测台已经不能够满足汽车检测的需要，为了在室内进行相应的制动力检测，国外知名企业先后开发了相应的双轴ABS制动检测台。5) 车辆排放检测技术及相关措施为了有效地保护环境，控制车辆的排放是一个重要的环节。针对此情况，西方发达国家政府制定严格的新车排放法规和标准，同时为保证新车满足排放法规的要求，采取了相应的监督检验机制。6) 检测设备一体化 集成化由于电子技术和信息技术的不断发展，汽车检测设备的集成化也随之有了长足的进步。如日本弥荣公司把汽车制动台、车速表、排放分析仪、噪声计等与四轮定位动态测定系统组合一起， 但可以测定汽车四轮定位参数，还可测定底盘输出功率、发动机功率、汽车行驶状态模拟， 四轮定位、振动悬挂以及制动和速度等，具有一机多项的测试功能。西门子公司开发的汽车综合性能检测线，集成度高，在2O米的长度内包括了车速、制动、排放、灯光噪声等功能，并还可以按照要求加装电涡流测功机。由此可见检测设备的一体化、集成化也是汽车检测下一阶段的发展方向。7) 汽车检测联网系统在发达国家，检测机构大多会采用先进的计算机无线通讯联网系统，如德国的计算机无线通讯联网系统。系统是由一个软件包、条形码和一个可移动的数据载体构成。它能将所有用户资料、车辆数据、以前的和当前的汽车检测数据，通过一个可移动系统，对数据进行工位采集、存储并把数据传输给计算机。这样就保证了在一个大的检测站或维修车间，所有的检测设备通过数据载体就可与计算机联网，这使检测线更具灵活性。检测线上配备的小型数据载体可放在检测员的口袋中随检测员移动，并可以通过无线通讯与在检测设备上的接收平台实现快捷、可靠的数据传输便于检测操作人员输入和查询信息。我国在汽车检测方面的差距我国汽车检测技术经历了从无到有，从小到大；从引进技术、引进检测设备到自主研究开发推广应用，从单一性能检测到综合检测，虽然已经取得了很大的进步，但与世界先进水平相比，还有一定距离。这主要表现在两个方面：首先，我们国家的检测部门带有浓厚的政府部门色彩，这就对检测技术的发展，数据的保护利用制造了严重的障碍；另外，我们国家的检测人员的业务素质比较低，这是制约我们国家检测技术发展的一个重要的因素。目前也只有为数不多的几个大型汽车制造厂家建立了自己的汽车性能检测线。所以我们应该加倍地努力去迎头赶上。1.3 本章小结 综合上述所描述的观点,可以了解到目前国内国际上测试行业的状况和发展前景。同时还可以了解到虚拟仪器技术的回顾、现状及其展；其中重点介绍了了汽车测试技术在国际，国内的情况及发展前景，并作了比较，提出了我们作为未来的汽车测试人，要快速的适应技术的飞速发展，同时还要不断地学习测试技术的新知识。第二章 虚拟仪器技术及LabVIEW简介2.1 虚拟仪器技术概述2.1.1 虚拟仪器简介及其国内外发展概况 虚拟仪器（Virtual Instruments）是基于计算机软、硬件的测试平台，用于代替传统的测量测试仪器，可集成于自动控制、工业控制系统和构建专用仪器系统。它由计算机、应用软件和仪器硬件组成。与传统仪器一样虚拟仪器有三大功能：信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出。 无论哪种虚拟仪器系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式PC 或工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成的。 虚拟仪器技术最核心的思想就是利用计算机的硬/软件资源，使本来需要硬件实现的技术软件化（虚拟化），以便最大限度的降低系统成本，增强系统的功能和灵活性。由于大量使用通用的计算件硬件，虚拟仪器大大缩小了仪器硬件的成本和体积；而且，通过软件实现对数据的显示、存储及分析处理，发挥了计算机越来越强大的运算功能，所以虚拟仪器技术是充分利用了计算机硬件和软件技术来实现并提高传统仪器功能的一种先进技术。由于计算机性能以摩尔定律 (每半年提高一倍) 飞速发展，这给虚拟仪器生产不断带来较高的技术更新速率,所以开发和应用虚拟仪器及其测试技术是一种必然趋势。 虚拟技术、计算机通讯技术与网络技术是信息技术最重要的组成部分，它们被称为21世纪科学技术中的三大核心技术。虚拟技术蕴涵的巨大潜力，使发达国家趋之若鹜，在这一领域的研究上投入了巨资，希望有朝一日能在它的带动下率先进入信息时代。虚拟仪器是日益发展的计算机硬件、软件和总线技术在向其它技术领域密集渗透的过程中，与测试技术、仪器技术密切结合，共同孕育出的一项新成果。20 世纪 80 年代美国国家仪器公司（National Instruments Company 简称 NI）首先提出了虚拟仪器的概念。这一概念的核心思想是：以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示以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，使之与计算机结合起来融为一体，这样便构成了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资源的全新的仪器系统。由于仪器的专业化功能和面板控件都是由软件形成，因此在国际上把这类新型的仪器称为“虚拟式仪器”或称“软件即仪器”。自20 世纪80年代以来，NI 公司已研制和推出了多种总线系统的虚拟式仪器，特别是它推出的 LabVIEW 图形编程环境已享誉世界，成为这类新型仪器开发系统的世界生产大户。该公司推出 HPVEE 编程系统可以提供数十至数百种虚拟仪器的组建单元和整机，用户可以用它组建或挑选自己所需的仪器。除此之外，世界上陆续有数百家公司，如 Tektronix 公司，Racal 公司等也相继推出了总线系统多达数百个品种的虚拟式仪器。作为仪器领域中最新兴的技术，虚拟式仪器的研究、开发在国内已经过了起步阶段。从 90 年代中期以来，国内的重庆大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、西安电子科技大学、成都电子科技大学、中科泛华电子科技公司等院校和高科技公司，在研究和开发仪器产品和虚拟式仪器设计平台以及引进消化 NI 公司、HP 公司的产品等方面做了一系列有益工作，取得了一批瞩目的成果。这一预测对整个仪器仪表领域，不啻是一次强烈的震撼，使从事电测仪器科学技术研究与开发的科学家和工程师们都看清了虚拟式仪器对传统仪器的巨大挑战，认识到在本世纪虚拟式仪器将成为电测仪器的发展方向。2.1.2 虚拟仪器的优点现代化生产要求电子仪器品种多、功能强、精度高、自动化程度高，而且要求测试速度快、实时性好、具有良好的人机界面。虚拟仪器正可以实现这些要求。与传统仪器相比，虚拟仪器具有优点如表2.1：表 2.1 虚拟仪器与传统仪器的比较2.1.3 虚拟仪器的构成及分类 虚拟仪器通常由硬件设备与接口、设备驱动软件、测试功能软件和可视化虚拟仪器面板等组成。例如，采用 LabVIEW（或 LabWindows/CVI）开发平台设计的基于 PC-DAQ 的虚拟仪器测试系统结构如图 2.1所示： 图2.1 虚拟仪器测试系统结构构建基于计算机的虚拟仪器测试系统，需要有相应的硬件来支持。虚拟仪器的硬件一般分为基础硬件平台和仪器硬件设备。基础硬件平台目前可以选择各种类型的计算机；而仪器硬件设备则主要包括各种计算机内置插卡和外置测试设备等。根据所用仪器硬件的不同，虚拟仪器可分为GPIB（IEEE488）总线式、以计算机数据采集卡和信号调理为仪器硬件而组成的PC总线式、VXI总线式、PXI总线式、并行总线式、串行总线式、现场总线式等不同的硬件体系结构。目前虚拟仪的发展主流是GPIB, PCI-DAQ, VXI和PXI四种标准体系结构。 GPIB总线系统 GPIB 总线，即IEEE488 通用接口总线，是HP 公司在70 年代推出的台式仪器接口总线。该标准总线在仪器、仪表及测控技术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GPIB 卡，通过24 或25 线电缆连接到仪器端口的GPIB 接口。由于GPIB 系统在PC 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，传输速率最高只有1MB/s，传输距离20m（加驱动器也只达到500m），最多只能连接15 台设备等。GPIB 测试系统的结构和命令简单，主要市场在台式仪器市场。但是它与PC 机相连需要专用接口以及GPIB 仪器，结构复杂，传递速率较低，逐渐被其他形式的仪器所代替。GPIB 测试系统适合于精确度要求(虚拟仪器面板应用程序LabVIEW或 LabWindows/CVI 函数模块设备驱动程序LabVIEW或 LabWindows/CVI 函数模块数据采集卡计算机信号调理模块电量传感器,非电量传感器其它传感器)高，但不要求对计算机进行高速数据传输的应用，成本也较高。不过尽管如此，它目前仍是仪器、仪表及测控系统与计算机互连的主流并行总线。 VXI 总线系统 VXI（VME Bus eXtension for Instrumentation）总线是高速VME 计算机总线在仪器领域的扩展，由HP 等公司于1987 年提出，1992 年成为IEEE1155 标准。VXI系统综合了计算机技术、GPIB 技术、PC 仪器技术、接口技术、VME 总线和模块化结构技术的成果，其1998 年修订的VXI20 版本已经具有64 位的扩展能力，数据传输速率最高可达80MB/s，最多可包含256 个设备。VXI 总线支持即插即用，人际界面良好，资源利用率高，容易实现系统集成，在组建大、中规模自动化测量系统以及对速度、精度要求高的场合，具有其他仪器所无法比拟的优势。然而，组建VXI 总线要求有机箱、零槽管理器以及嵌入式控制器，造价比较高，硬件设计复杂，面市的品种也较少。 PXI 总线系统 PXI 总线是1997 年美国NI 公司发布的一种具有较高性价比的总线。PXI 是PCI 在仪器领域的扩展（PCI eXtension for Instrumentation），在机械结构方面与Compact PCI 总线的要求基本相同，不同的是PXI 总线规范对机箱和印刷电路板的温度、湿度、振动、冲击、电磁兼容性和通风散热等提出了要求，与VXI 总线的要求非常相似。在电气方面，PXI 总线完全与Compact PCI 总线兼容，所不同的是PXI 总线为适合于测控仪器、设备或系统的要求，增加了多板同步触发总线的参考时钟，适合于精确定时的星形触发总线，以及便于相邻模块的高速通信的局部总线。PXI 有高度的可扩展性，它有8 个扩展槽，而台式PCI 系统只有3-4 个扩展槽；通过使用PCI-PCI 桥接器，可扩展到256 个扩展槽，但成本比较高，硬件设计复杂。 PC 总线系统 也称PCI 总线系统、插卡型系统。这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件，完成测试任务。它充分利用计算机的总线、系统内存、机箱、电源以及软件的便利，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。具有良好的开放式软、硬件平台。其接口总线简化了系统构成，使得系统扩充、变更更容易，构建测试系统更灵活，系统的总体性能优于GPIB。并且随着A/D 转换技术、仪器放大技术、抗混叠滤波技术与信号调理技术的迅速发展，测试系统的采样速率最高已达到1Gb/s,精度更高达24 位，通道数高达64 个，并能任意结合数字I/O，模拟I/O、计数器/定时器等通道。仪器厂家生产了大量的测试功能模块可供用户选择，如示波器、数字万用表、串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等。在PC 计算机上挂接若干测试功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有若干功能的PC 仪器。但这种方式受PC 机机箱和总线限制，且存在电源功率不足、机箱内部的噪声电平较高、机箱内无屏蔽等缺点。由于插卡式仪器价格最便宜，性价比比较高，灵活性较好，个人计算机数量非常庞大，因此其用途广泛，在国内势必迅速发展。本课题采用的也正是这种方案，即在台式计算机内插入一块PCI2003 数据采集卡，进行信号的采集，通过软件控制采集、存储、运算分析、显示结果等一系列功能，可根据需要对软件进行增加或改进，以满足不同的需要。由以上分析可知，GPIB 方式控制的虚拟仪器主要针对单一的专用仪器，数据传输速度有限，通用性不强。基于PXI 总线的虚拟仪器测试系统由于电磁兼容性能及冷却性能的改善和它的模块式结构，使它可用在一般要求的测试系统场合和系统总价格有所限制的测试系统中。而基于VXI 总线的虚拟仪器测试系统具有良好的性能，可用于测试系统，但由于价格昂贵，主要应用于尖端测试领域，特别适合于高速大数据量测试系统、宽频带测试系统和军用自动化测试中。而由数据采集卡构成的虚拟仪器通常适用于一般的教学实验、实验室常规测试和低频低速的过程测控系统中，其性能价格比较高，设计手段灵活，通用性强，应用前景广阔。本次课题从性价比和灵活性考虑，采用PC 插入式数据采集卡（PC-DAQ）硬件体系结构，构建模块化、开放式的高性能虚拟仪器测试系统。2.1.4虚拟仪器的软件由两大部分构成：1) I/O接口仪器驱动程序。这类程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。设备驱动程序是联系用户应用程序与底层硬件设备的基础。每一种设备驱动程序都是为增加编程灵活性和提高数据吞吐能力而设计的。每个设备驱动程序都具有一个共同的应用程序接口（API），因此，不管虚拟仪器所使用的计算机或者操作系统是什么，最终所编写的用户应用程序都是可移植的。数据采集系统一个主要的方面是驱动软件的使用。驱动软件是直接对数据采集硬件系统注册来进行设计的软件层，管理着系统的操作以及计算机资源，比如CPU中断、DMA传输、存储器等。在保持高性能、提供给用户易于理解的同时，隐藏了复杂、详细的硬件级程序设计。越来越复杂的DAQ硬件、计算机、软件等实际上更提高了驱动程序的重要性和价值。2) 应用程序。用于虚拟仪器开发的应用软件目前大致有两类：一类是文本式的编程语言，如Borland C，Visual C+， LabWindows/ CVI 等；另一类是图形化编程语言,也称G语言，最具代表性的有NI的LabVIEW、HP的HPVEE等。大部分虚拟仪器开发环境均提供一定程度的I/O 设备支持。许多I/ O 驱动程序已经集成在开发环境中。以LabVIEW 为例, 它能够支持串行接口、GPIB、VXI 等标准总线和多种数据采集板，LabVIEW还可以驱动许多仪器公司的仪器，如HewlettPackard、Philips、Tektronix、B&K、Fluke 等。同时,LabVIEW可调用Windows 动态连接库和用户自定义的动态连接库中的函数,以解决对某些非NI 公司支持的标准硬件在使用过程中的驱动问题。2.2 虚拟仪器各部分的作用要从一个基于计算机的虚拟仪器系统得到合理的结果，完成测试，就必须要依赖于系统的每一个组成部分。以一个PCI-DAQ式虚拟仪器测试系统结构为例，它主要由传感器、信号调理、数据采集(DAQ)硬件、个人计算机、软件等基本要素构成。 传感器 传感器是把物理量换成电信号的装置。对于每种传感器，电信号的大小都与被监测的物理量参数成比例。选用不同的传感器，可以完成对不同物理量的测试。一些传感器，像热电偶等，由于精度较低，信号也微弱，因而常常需要对其进行调理和校正才可能得出精确的测试结果。 信号调理 从传感器输出的信号一般必须经过信号调理才能够有效地进行数据采集，常见的信号调理包括放大、滤波、隔离、传感器激励、线性化等。1) 放大 根据采集系统的量程对微弱信号要进行放大(通常使调理后信号的最大电压值和ADC的最大输入值相等)，这样可以提高分辨率，从而可以提高测试精度.信号调理的前端系统有几种放大模式，最常见的有通用集成放大器、仪表放大器、隔离放大器和程控放大器等。2) 滤波 滤波可以消除噪声信号。对于常见的测试系统，混入的一般为高频噪声，所以测试系统中，一般采用低通滤波器，用于直流、低频交流信号的调理。通过设计适当的截止频率，就可以消除由于高频信号在采集过程中所引起的频率混叠效应产生的干扰。3) 隔离 隔离也是信号调理中的一种。它在有些应用中十分重要。一方面，从安全的角度看，把传感器信号同计算机测试系统的前端隔离，可以免除因为被监测系统可能产生瞬时高电压而损坏整个测试系统；另一个方面，隔离可以消除数据采集卡出来的信号受地电位和输出模式的影响。当输入数据采集卡的信号与原始的信号不共地时，可能产生较大误差甚至损坏系统，而用隔离办法就能保证信号准确。4) 激励 信号调理也能够为某些传感器提供工作电流或电压。电阻温度计(RTD)需要电流将电阻变化反映出来，而应变片需要一个完备的桥式电路及电源。很多设备都提供电流源和电压源以便使用这些传感器。5) 线性化 很多传感器对被测量的物理量都有非线性响应，因而需要对传感器输出信号进行线性化。可以在驱动程序和一些应用软件对信号进行线性化处理。 数据采集卡 数据采集卡是虚拟仪器的重要组成部分，主要完成模拟量到数字量的转换，以及数据到计算机的传送。数据采集卡与众多因素相关。模拟输入的相关参数1）采样频率 采样频率高，就能在一定时间获得更多的原始信号信息。为了再现原始信号，必须有足够高的采样频率。如果信号变化比数据采集卡的数字化要快，或者采样频率太低，就会产生波形失真。根据奈奎斯特理论，采样频率至少是信号最高频率的两倍，才不至于产生波形失真。2）采样方法 通用数据采集卡一般有多个模拟输入通道，但是多数采集卡并非每个通道配置一个ADC（模数转换器），而是各通道共用一个ADC；在ADC之前一般有多路开关、仪用放大器和采样保持器。通过采样保持器和多路开关的切换，可以实现多通道的采样。采用连续扫描方法，要比给每个通道一个放大器和ADC要经济得多，但这仅适用于对采样同步性要求不是很严格的场合。如果采样点同步性要求严格，则必须同时采集。对于低频信号，可以用间隔扫描办法来产生同时采样的效果，而不必增加采样保持电路。3）分辨率 分辨率可以用模数转换（ADC）的位数来衡量。ADC的位数越多，分辨率就越高，可以区分的最小电压就越小。目前就采集卡的分辨率来说，8位采集卡属于初级产品，12位采集卡属于中档产品，16位采集卡则比较高级，它们可以将模拟输入电压分别量化为=256，=4096，=65536份。4）电压范围 电压范围由ADC能够进行模数转换的模拟信号的最高和最低的电压决定。一般情况下，采集卡的电压范围是可调的，所以可选择与信号电压变化相匹配的电压范围，以充分利用分辨率的范围，得到更高的精度。5）增益 增益主要用于在ADC之前将信号进行放大。使用增益可以使送给ADC的信号尽可能接近满量程，从而可以更好的复原信号。一般情况下要选择合适的增益，使得输入信号的动态范围与ADC的电压范围相适应。当信号的最大电压乘以增益，超过板卡的最大电压时，超出部分将被截断而读出错误的数据。6）可分辨的最小电压（LSB） 一个采集卡的分辨率、输入电压范围和增益决定了可分辨的最小电压，表示为1LSB（LSB=LastSignificantBit最低位第0位。MSB=MostSignificantBit是最高位第7位）。例如，若某采集卡分辨率为12位，电压范围取010V，增益取100 1 LSB = 10 V /( 100 4096 ) = 24 V 公式2.1这样，在数字化过程中，能分辨的最小电压就为24V。2.3 虚拟仪器开发环境LabVIEW 介绍2.3.1 LabVIEW 的基础知识 LabVIEW 实验室虚拟仪器集成环境（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）的简称，是美国NI公司的创新软件产品，它内置信号采集、测量分析与数据显示功能，摒弃了传统开发工具的复杂性，在提供强大功能的同时保证了系统灵活性，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境。利用LabVIEW 开发平台，可实现数据采集、仪器控制、过程监控和自动测试、运动控制等实验室研究和工业自动化领域的测试与控制。LabVIEW 还为科学家和工程师提供了功能强大的高级数学分析库，包括统计、估计、回归分折、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，LabVIEW 也提供了专门的附加软件包。2.3.2 LabVIEW 编程环境介绍同 C 和 BASIC 语言一样，LabVIEW 也是一种通用语言，包括常规的程序开发工具，并带有各种函数库，LabVIEW 的函数包括数据采集、通用接口总线和仪表的实时控制、数据分析、数据显示以及数据的存储等。但它与传统的文本编程语言不同，采用了一种基于流程图的图形化编程形式，因此也被称为 G语言（graphical language）。这种图形化的编程形式，既直观易学，又极大地提高了编程效率，方便了非软件专业的工程师快速编程。LabVIEW 也不同于传统文本式的编程语言的顺序执行方式，而是采用了数据流的执行方式，这种方式要求程序仅在各节点已获得它的全部数据后才执行。使用 LabVIEW 开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序，简称 VI。VI 包括三个部分：前面板(front panel)程序框图(block diagram) 以及图标/连接器(icon/connector)三部分。前面板是图形用户界面，也就是 VI 的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制(control)和显示对象(indicator)。图 2.2上半部分所示是一个正弦信号发生和显示的简单 VI的前面板。上面有一个显示对象，以曲线的方式显示了所产生的一个正弦波形。还有一个控制对象开关,可以启动和停止工作。显然，并非简单地画两个控件就可以运行，在前面板后还有一个与之配套的程序框图。程序框图提供 VI 的图形化源程序。在程序框图中对 VI 编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。程序框图中包括前面板上的控件的连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。函数：正弦波函数与前面板控件对应的连线端与前面板控件对应的连线端结构：循环控制对象（输入）显示对象（输出）由图2.2可以看到程序框图中包括了前面板上的开关和波形函数显示器的连线端子，还有一个正弦函数及程序的循环 结构。正弦函数通过连线将产生的正弦波信号送到显示控件，为了使它持续工作下去，设置了一个 While Loop 循环，由开关控制这一循环的结束。如果将 VI 与标准仪器相比较，那么前面板上的东西就是仪器面板上的东西，而程序框图上的东西相当于仪器箱内的东西。在许多情况下，使用 VI 可以仿真标准仪器，不仅屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与标准仪器相差无几。图标/连接器是子 VI 被其它 VI 调用的接口。图2.2下半部分是对应的VI的程序框图 图标是子 VI 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，就像函数的参数。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。连接器一般情况下隐含不显示，除非用户选择打开观察它。 LabVIEW 具有多个图形化的操作模板，用于创建和运行程序。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，为工具(Tools)模板控制(Controls)模板和功能(Functions)模板。 工具模板(Tools Palette)工具模板为编程者提供了各种用于创建修改和调试 VI 程序的工具。这些工具包括给程序设置断点、探针等，在实际的程序调试过程中这些工具将起到关键的作用。 控制模板(Controls Palette)控制摸板用于创建前面板的过程中，它也只是在前面板作为当前页面显示时才出现。用控制模板可以给前面板添加输入控制和输出显示。每个图标代表一个子模板。通过这些控制子模板可以找到创建程序所需的面板对象。 功能模板(Functions Palette)功能模板是创建程序框图的工具，只是在程序框图作为当前页面显示时才出现。该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。通过这些功能子模板可以找到创建程序所需的程序框图工具，比如运算符号、各种类型的常数等，通过连线把在前面板中创建的对象连成一个完整的程序流程。与传统程序语言不同，LabVIEW 采用强大的图形化语言（G 语言）编程，面向测试工程师而非专业程序员，编程非常方便，人机交互界面直观友好，具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力等特点。LabVIEW 的强大功能归因于它的层次化结构，用户可以把创建的 VI 程序当作子程序调用，以创建更复杂的程序，而这种调用的层次是没有限制的。LabVIEW这种创建和调用的子程序的方法，使创建的程序结构模块化，更易于调试、理解和维护。2.3.3 LabVIEW 具有以下几个主要特点： 提供大量的仪器面板中的控制对象，如各种开关、表头、旋钮、图表、刻度杆、指示灯等，而且用户可以方便地设计库中没有的仪器。 使用图标表示功能模块，使用连线表示各模块间的数据传递，使用数据流程图式的语言书写程序源代码，这样使得编程过程与思维过程非常相近。 提供程序调试功能。可以在源代码中设置断点，单步执行源代码，连线上设置探针，观察程序运行过程中数据流的变化，可以直观地对程序进行动态调试并实时地记录调试结果。 采用编译方式运行 32 位应用程序，运行速度快。应用程序生成器可以将LabVIEW 编写的文件转化为可在 Windows 下独立执行的软件包，保护应用程序被修改，也增强了程序运行的灵活性。 提供了大量的函数库供用户直接调用。除包括基本的数学函数、字符串处理函数、数组运算函数和文件 I/O 函数外，还有：高级分析函数库，具有信号生成、时域和频域分析、信号加窗、滤波等数字处理和数理统计、线性分析、曲线拟合、线性代数等数值分析计算能力；工具箱库，包括结构化查询语言工具箱、统计过程工具箱、PID 控制工具箱、测试运行工具箱、图形控制工具箱等；综合时频分析控制箱，具有快速频变信号的实时谱/图分析、语音处理、振动信号分析和动态信号监控等功能；仪器驱动函数库，提供了包含 500 多种、40 多个仪器厂家制造的硬件驱动程序。 提供 DLL（Dynamic Link Library,动态链接库）接口和 CIN（Code Interface Node，外部代码接口节点）节点，使用户能在它的平台上使用其它软件平台译的模块。能调用 C、BASIC 语言程序。支持 ActiveX 技术，可以直接使用 VB、VC 生成的控件，可以在控件和程序之间交换数据。 支持 TCP/IP 协议，可以通过 INTERNET 调用远程机上的 LabVIEW 程序。使用 LabVIEW 的 VI Server 可以很容易地实现远程网络监控。2.3.4 LabVIEW 的实际应用 LabVIEW 自 1986 年正式推出以来，经过20多年的时间，已经发展到最新版本 LabVIEW 8.5为核心，包括控制与仿真、高级信号数字处理、统计过程控制、模糊控制和 PID 控制等众多附加软件包，运行于 Windows、Unix、Macintosh、Sun、Linux 和 HP-UX 等多种平台的工业标准软件开发环境。在美国，许多工科大学已经将 LabVIEW 作为课堂或者实验室教学内容，作为工程师素质培养的一个方面。不同领域的科学家和工程师都借助这个易用的软件包来解决工作中的各种应用课题。LabVIEW 在包含航空、航天、通信、汽车、半导体和生物医学等世界范围的众多领域内得到了广泛应用，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，从探索研究到技术继承，都可以发现应用 LabVIEW的成果和开发产品。 LabVIEW 应用于测试和测量 LabVIEW 已成为测试与测量领域的工业标准，通过 GPIBVXIPLC串行设备和PCI 数据采集板可以工程实际的数据采集系统。它提供工业界最大的仪器驱动程序库，同时还支持通过 Internet、ActiveX、DDE 和 SQL 等交互通信方式实现数据共享，它提供的众多开发工具使复杂的测试和测量任务变得简单。 LabVIEW 应用于过程控制和工业自动化 LabVIEW 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 LabVIEW 基础上发展起来的 BridgeVIEW 是更好的选择。 LabVIEW 应用于实验室研究与自动化LabVIEW 为科学家和工程师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、小波和数字滤波器的设计等高级或特殊分析场合，LabVIEW 也为此提供了专门的附加软件包。LabVIEW 是计算机处理分析系统软件之一。在 PC 机为基础测量和工控软件中，LabVIEW 的市场普及率仅次于 C+/C 语言。LabVIEW 开发环境具有一系列优点，从流程式的编程、不需预先编译就存在语法检查、调试过程使用的数据探针，到丰富的函数功能、数值分析、信号处理和设备驱动等功能，都令人称道。2.4 本章小结 本章详细介绍了虚拟仪器的概念以及虚拟仪器的构成,通过传统仪器和虚拟仪器的比较,着重的阐述了虚拟仪器的优势以及发展前景。介绍了LabVIEW 图形编程语言的特点以及相对于文本编程语言的优势，论证了本课题采用 LabVIEW 平台的可行性。第三章： 数据采集系统设计3.1 数据采集卡的硬件参数 数据采集（Data Acquisition，DAQ）是对多路模拟信号进行数字化测量，从而获得大量数据以便进行分析和处理。虚拟仪器的硬件平台由PC计算机与数据采集卡（PCI8333）组成。其中，数据采集卡又由以下几个部分组成： 多路开关。如前所述，并不是每块数据采集卡都可以实现所有通道的并行采集的，大多数数据采集卡上只有一个ADC（模数转换），要实现多个通道的采集只能是通过多路开关将各路信号将各路信号轮流切换到放大器的输入端，实现多参数多路信号的分时采集。如果多路开关在各个通道之间的切换时间与信号的周期相比非常短，那么不会影响到多通道采集时对信号实时性产生太大的影响。 放大器。将一级多路开关切换进入待采集信号进行放大（或衰减）至采样环节的量程范围内。 采样/保持器。取出待测信号在某一瞬时的值（即实现信号的离散化），并在A/D转换过程中保持信号不变。 A/D转换器。将输入模拟信号量转换为数字量输出，并完成信号幅值的量化。随着电子技术的发展，目前通常将采样/保持器同A/D转换器集成在一块芯片上。以上四个部分都处在PC计算机的前向通道，是组成数据采集卡的主要环节，与其它有关电路如定时/计数器、总线接口电路等做在一块电路板上，即构成了数据采集的基本功能配置，完成对信号数据的采集、放大及模/数转换任务。当对多路通道进行采样时，如果多路开关以某一频率轮换将各个通道连入ADC，以获取信号，则这种采样方式叫做循环采样。循环采样的缺点是，不能对多个通道进行同步采样。这是由于多路开关要在通道间进行切换，这种切换需要时间，于是就产生了不同通道采样时刻的延迟。下面来分析这个延迟会不会对信号采集产生实质性的影响。假设相邻通道间的建立时间为10S（微秒），现在设计一个有两个通道的数据采集系统，待采集的信号频率是100Hz，那么信号的周期是1/100=0.01S=10MS（毫秒）=10000S；由于建立通道时间需要10S，那么第二个通道实际是在第一个通道获得数据10S后才获得数据的，但是可以看到，这一个延迟要远远的低于信号的周期，两个通道的循环采集完全可以看作是同步采集。所以，对于一个通道建立时间为10S的数据采集卡来说，完成100Hz频率的信号的采集是毫无问题的。本文所用的PCI8333数据采集卡的硬件指标如下：1)模入部分： 输入通道数：单端16路 * ( 标*为出厂标准状态，下同 ) 双端8路 输入信号范围：0V10V*；-5V+5V 输入阻抗： 10M A/D转换分辨率：12位 A/D转换速度：10S A/D启动方式：程序启动/定时触发启动/外触发启动 A/D转换结束识别：程序查询/中断方式 A/D转换非线性误差：1LSB A/D转换输出码制：单极性原码*/双极性偏移码 系统综合误差： 0.1 F.S2)模出部分： 输出通道数：2路 输出范围： 电压方式：05V；010V*；-5V+5V；-2.5V+2.5V； +1V+5V 电流方式：010mA；420mA 输出阻抗： 2 ( 电压方式 ) D/A转换分辨率：12位 D/A转换输入码制：二进制原码 ( 单极性输出方式时 ) * 二进制偏移码 ( 双极性电压输出方式时 ) D/A转换综合建立时间： 2S D/A转换综合误差：电压方式： 0.1 F.S 电流方式： 0.5 F.S 电压输出方式负载电流： 5mA 电流输出方式负载电阻范围： 使用机内12V电源时：0250 外加24V电源时：0750 3)数字量输入输出部分： DI：16路/DO：16路；TTL电平 定时/计数器部分： 16位字长计数/定时器：3路 基准时钟：1MHz，占空比50 电源功耗： + 5V(10) 800mA +12V(10) 50mA ( D/A 电流方式输出，并使用机内电源时 ) 使用环境要求：工作温度：1040 相对湿度： 4080 存贮温度：-55+854)外型尺寸：( 不含档板 )外型尺寸：长高175.0mm106.7mm ( 6.89英寸4.2英寸)本文要实现的是一个双通道的数据采集系统，来实现X-Y函数记录仪的功能；而实际的低周期反复加载实验的周期要远低于1Hz，因此，由以上的数据采集卡的硬件参数来看，在采样频率上是完全满足要求的。 本课题使用的是PCI8333数据采集卡前端的信号调理的功能，其输出的电压范围都是可调的。一般来说，传感器传入信号调理设备的信号都是毫伏级的，只要信号调理设备的增益调整合适，其输出的电压信号不会超过数据采集卡的最大电压输入范围。所以，从输入数据采集卡的电压信号的幅度来看，也是很容易满足要求的。3.2 数据采集卡的驱动程序接口函数 数据采集卡要装上驱动程序才能使用。由于本课题是基于LabVIEW的平台开发的，所以要想办法在LabVIEW中能调用数据采集卡的驱动程序才能在LabVIEW中实现数据采集。NI 公司推出图形化虚拟仪器 LabVIEW 的同时，为其所有的DAQ 接口卡也都配备了相应的驱动程序，但是，由于本课题中所使用的数据采集卡是北京中泰研创公司生产的PCI8333 数据采集卡，LabVIEW 程序中没有相应的驱动程序接口，所以必须设计一套驱动程序接口函数使 LabVIEW 和数据采集卡之间达成通讯。通过对各种通用数据采集卡的接口方法的分析，通用数据采集卡和 LabVIEW之间的接口方法主要有三种： 直接用 LabVIEW 中的 In Port、Out Port 图标对端口操作LabVIEW 的 Functions 模板内 Advanced、Memory 中的 In port、Out Port图标。在 C 语言中的选择信号通道 ch 的指令是_outp、_inp 功能相同。在采样速率要求较低的情况下，这不失为最方便，直观的方法而且可以随时修改，但如果采样速率要求较高，则容易失真。 用 LabVIEW 的 CIN 图标生成 A/D 插卡驱动程序的子 VI。LabVIEW的Functions模板内Advanced中有一个CIN(Code Interface Node)图标，用来在 LabVIEW 程序方框图中直接调用其他编程语言(如 VC)写的代码。当 CIN被执行的时候，LabVIEW 就调用被编译好的可执行代码，从框图中传递输入参数，并从可执行的代码中返回数据到框图中。CIN 的主要特点是运行速度快、可同步执行、使用灵活，CIN 与 VC+有着相同的数据类型，只是定义的关键字不一样。用 CIN 节点生成 A/D 插卡驱动程序的子 VI 的方法