《自动显示技术与仪表》课件第3章

第3章智能显示仪表3.1

智能显示仪表概述与实例3.2无纸记录仪3.3虚拟显示仪器3.4模糊显示仪器思考与练习题

3.1智能显示仪表概述与实例

3.1.1智能显示仪表概述

1.智能显示仪表的基本结构

智能显示仪表是计算机技术、显示技术和测量仪表相结合的产物，是含有微计算机或微处理器并具有智能化功能的仪表。智能显示仪表实际上是一个专用的微型计算机系统，它由硬件和软件两大部分组成。

1）硬件部分

硬件部分主要包括主机电路、输入/输出通道、人机对话通道、标准仪用通信接口等，其通用结构框图如图3-1所示。

（1）主机电路用来存储程序、数据并进行一系列的运算和处理，它通常由微处理器、存储器、I/O接口电路等组成，它本身构成一个单片微型计算机。

（2）输入/输出通道用来输入/输出模拟量和数字量信号，主要由A/D转换器、D/A转换器及信号调理电路等部分组成。

（3）人机对话通道的作用是沟通操作者和仪表之间的联系，主要由仪表面板中的键盘和显示器等组成。

（4）标准仪用通信接口用于实现仪表与外部系统的联系，使仪表可以接受外部程控命令。目前生产的智能仪器一般都配有RS-232C/485、GPIB、USB等标准通信接口，并向现场总线型仪表发展。图3-1智能显示仪表结构框图

2）软件部分

软件部分通常由监控程序、中断处理程序、测量控制程序、数据处理程序和通信程序等组成。

（1）监控程序实现对仪表的全部管理功能，各功能模块均有监控程序调用并构成有机整体。功能包括：①管理键盘和显示器，按仪器的键入命令转入相应的功能服务程序；②接受输入/输出接口、内部电路等发出的中断请求信号，按中断优先的顺序转入相应的中断服务程序，进行实时测量、控制或数据处理；③系统的定时器管理；④仪器自身检测和故障诊断处理；⑤仪器初始化、手动/自动切换控制、电源监测、掉电保护等。（2）测量控制程序主要完成测量以及测量过程的控制任务，如多通道切换、采样、A/D转换、D/A转换、输出限幅、越限报警、程控放大器增益控制等。这些功能可以由若干个模块实现，供监控程序或中断服务程序调用。

（3）数据处理程序包括各种数值运算（算术运算、逻辑运算和各种函数运算）、非数值运算（如查表、排序和插入等）和数据处理（如非线性校正、数字滤波和标度变换等）程序。

（4）中断处理程序处理各种中断服务请求。有时由它调用测量控制程序或数据处理程序。

（5）通信程序按照某种通信标准协议，实现测量数据传输。

2.智能显示仪表的特点

与传统仪表相比，智能显示仪表有许多突出特性。传统仪表进行数据处理，必须用复杂的模拟电路或数字电路才能完成，而智能显示仪表充分发挥微处理器的功能，用程序代替各种电路进行运算处理，数据处理精度高，综合性强，可以进行硬件电路很难实现的信号处理（如数字滤波、模糊化等），还可根据对象的变化和外界的情况改变处理方法。智能显示仪表的主要特点如下：（1）自动测量功能。智能显示仪表运用微处理器的控制功能，实现量程自动转换、自动调零、触发电平自动调整、自动校准、自诊断等功能，大幅度提高了仪器的自动化测量水平。例如智能型的数字示波器有一个自动分度功能（Autoscale），仪器能根据被测信号的频率及幅度，自动设置好最合理的垂直灵敏度、时基以及最佳的触发电平，使信号的波形稳定地显示在屏幕上。（2）数据处理功能。智能显示仪表具有很强的数据处理能力，能对测量结果进行复杂的数据处理，如零点迁移、求平均值、求极值、统计分析等，使用户从繁重的数据处理中

解放出来；能够按照一定的算法减小或消除测量误差，提高仪表的测量精度。

（3）智能显示仪表具有友好的人机对话界面。操作人员只需通过键盘输入指令，仪表就能实现某种测量和处理功能，同时显示仪表运行情况、工作状态及对测量数据的处理结

果，使人机之间的联系非常密切。（4）智能显示仪表一般都配有RS-232C/485、USB或GPIB等接口实现双向通信，使其具有可程控操作的能力，可以很方便地与计算机和其它仪表一起组成多功能的自动测量系统，完成更复杂的测试任务。

近年来，智能显示仪表已开始从较为成熟的数据处理向知识处理发展，具有模糊识别与模糊控制、人工神经网络建模与识别、专家系统、多传感器信息融合、故障诊断、容错技术、机件寿命预测等功能，使智能显示仪表的功能向更高的层次发展。

3.智能显示仪表的自诊断

智能显示仪表广泛使用自诊断技术，并将其作为保障系统可靠性的主要措施之一。仪表利用预置的软件程序对自身硬件进行检查，及时发现系统中的故障，根据故障程度采取校正、切换、重组或报警等技术措施，可减少仪表带病运行的概率，提高系统的可靠性。自诊断方式有三种：①上电自检，可避免系统带病运行；②定时自检，由系统周期性地在线自检，可以及时发现运行中的故障；③键控自检，操作者随时可以通过键盘操作来启动一次自检过程，这在操作者对系统的可信度下降和进行系统维护时特别有用。下面就常见的自诊断功能加以介绍。

1）CPU的自诊断

CPU是微机系统的核心，如果CPU出现故障，则系统不能正常工作，显然CPU的自诊断是最为关键的。

一般用户系统的CPU自诊断程序可认为是系统的测试程序，如果系统能正确地运行完自检程序，则可以认为CPU自身是正常的。

2）ROM的自诊断

EPROM和E2PROM是用于存放程序和数据的载体，在长期的使用过程中，其存储的信息可能发生变化。如EPROM的窗口没有封好，经外界光线的长期作用就会改变其存储信息。E2PROM存储的信息也可能受电磁的干扰而发生意外的改变。ROM（EPROM、E2PROM等）中信息的变化无疑会造成系统无法正常运行。

ROM的具体诊断方法有多种，有校验和法（奇/偶检验法）、单字节累加位法、双字节累加位法等。校验和法是比较常用的ROM自诊断方法，具体实施步骤如下：当写入程序代码和数据时，在ROM中保留一个单元（通常是紧接在有效信息单元后面），用于存放所有有效代码的校验和（加法和或者异或和）。加法和是有效代码的对应位进行不进位加法的值，应将其取补存放；异或和是有效代码的异或值，直接存储。在自诊断时，将有效代码和校验和逐一读出，同时按写ROM时相应的运算规则计算其校验和。若ROM中的数据正确，则加法和的值应为全1，而异或和的值应为全零，否则即是ROM的内容已发生了变化。

3）RAM的自诊断

RAM是智能显示仪表的重要组成部分，RAM中频繁地

发生着信息的传输。RAM结构复杂且处于动态的工作状态，是微机系统中故障率较高的单元。通常使用两种RAM自诊断方法。

(1)固定模式测试。固定模式测试是将某数据写入被测试的RAM单元中，然后再从中读出并与原始数据进行比较，以此来判断RAM的写入和读出的可靠性。为检查字节单元的各个位之间的影响，应将可能出现的每一种数据组合都进行一次测试，如8位RAM字节所有的数据组合为00～FFH。实际系统中也常用0AAH（10101010B）和55H（01010101B）这两个0和1间隔的数进行检查，可发现最易出现的相邻位关联的故障。这种方法的不足之处是没有检查RAM单元之间的影响。

(2)游动模式测试。游动模式测试是先将所有需测试的RAM单元初始化为全1或全0，再将一个数据送入一个被测单元，并检查其它单元是否受到该次写入的影响；然后将该单元的数据读出并与原始数据比较，以检查该单元自身的情况及是否受到其它单元的影响；如果该单元检查无误，则将其恢复为初始化值，检测其它单元，如此直到所有RAM单元通过检查。

与固定模式相似，送入RAM中的数据应考虑所有可能的组合状态，通常选择有代表性的几种数据进行测试，如AAH、55H或反码连续测试等。反码测试使一个单元在很短的时间内

被写“1”和写“0”，可检查出寄生电容影响较大的隐含故障。

4）数据采集通道的诊断

智能显示仪表的数据采集通道一般是由A/D转换器和多路模拟开关构成的，一种自诊断的方案如图3-2所示。系统占用多路模拟开关的一个通道，接一个已知的模拟电压，其等效电压的数值一般为通道的中心值。进行自诊断时，系统对该已知电压进行A/D转换，若转换结果与预定值相符，则认为采集通道正常；若有少许偏差，则说明数据通道发生漂移，可求出校正系数供实际测量时进行补偿；若偏差过大，则判断为故障。图3-2数据采集通道的自检更周密的自诊断方案需要用两路模拟开关：一路接基准电压信号；另一路接采集通道的等效零点信号。通过对两路信号的自诊断测试，不但可以进行故障诊断，还可进行零点漂移和增益漂移的补偿。将这种思路和方法推广到整个测量通道，就是智能显示仪表的自校正技术。

5）模拟输出通道的诊断

智能显示仪表的模拟输出通道一般由D/A转换器完成，对D/A通道诊断的目的是为了确保模拟输出量的准确性，而要

判断模拟量是否准确又必须将该输出转换为数字量，CPU才能进行判断。因此，模拟输出通道的自诊断要借助数据采集环节。图3-3所示的是一种借助多路数据采集通道对D/A进行自诊断的方案。适当调整分压比，使D/A-A/D的环节增益为1，即可达到满意的诊断效果。D/A自诊断的前提是数据采集通

道工作正常可信。

在自诊断时，可选择在D/A输出范围内比较典型的值如中值、准上限值（不是最大值）、准下限值（不是最小值）分别进行自诊断测试。图3-3D/A转换的自检电路

6）总线的自检

总线自检是指对经过缓冲器的总线进行检测。由于总线没有记忆能力，因此设置了两组锁存触发器，分别用于记忆地址总线和数据总线上的信息。只要执行一条对存储器或I/O设备的写操作指令，地址线和数据线上的信息便能分别锁存到这两组8D触发器（地址锁存触发器和数据锁存触发器）中，通过对这两组锁存触发器分别进行读操作，便可判知总线是否存在故障，实现原理如图3-4所示。图3-4总线检测电路总线自检程序应该对每一根总线分别进行检测。具体作法是使被检测的每根总线依次为“1”，并保持其余总线为“0”。如果某总线一直停留在“0”或“1”，则说明有故障存在。要注意的是，存有自检程序的ROM芯片与CPU的连线应不通过缓冲器，否则，若总线出现故障便不能进行自检。

7）人机界面的诊断

人机界面是系统与操作者进行信息交换的通道，包括显示器、键盘、打印机和告警装置等，如果出现故障，就必然影响操作者对系统信息的获得和对系统的控制，进而造成系统运行故障。人机界面自诊断的特别之处在于，诊断的结论不是由CPU决定的，而是由操作者来判断自诊断程序的运行结果是否与预期的一致。

8）自诊断程序

在编写自诊断程序时，通常将各单元的诊断程序编成独立的模块，系统根据实际情况，调用不同的模块，实现各种自诊断功能。通常上电自诊断是包含自检项目最多、最关键的步骤，全面有效的上电自诊断程序可以最大限度地减少系统带病运行的概率。在编写自诊断模块时，要对故障形式进行编码，便于排除故障和维修。自诊断程序一般有两个出口：一个是正常出口，系统进入实质性运行状态；另一个就是

故障出口，系统进入故障处理状态。

4.智能显示仪表的模块化结构

智能显示仪表的设计通常采用模块化设计方法，就是将整个系统按功能划分为若干子功能块，每个子功能块具有一定的通用性。设计不同仪表时，某些子功能块可以移植(例如显示子模块)，从而加速仪表的研制。

1）模块化的概念

（1）模块的定义。模块是可组合成系统、具有某种确定功能和接口结构的典型的通用独立单元。模块具有以下

特征：

①是可组合成系统的独立单元。模块是系统的组成部分，是构成系统的单元。用模块可以组合成新系统，也易于从系统中分离、拆卸和更换。

②具有确定的功能。模块虽然是系统的组成部分，但它不是对系统任意分割的产物，它具有明确的特定功能，这一功能不依附于其它功能而能相对独立地存在，并且不受其它功能的干扰。这种特定功能可以是系统按物理性能分解而

得的。③是一种标准单元。模块结构具有典型性、通用性或兼容性，并往往可构成系列。模块是通过对同类产品的功能和结构的分析而分解出来的，是运用标准化中简化和统一化方法而得出的具有典型性的部件，这个典型性正是模块具有广泛通用性的基础。模块的通用性通常体现在：互换性（可置换性）和兼容性，模块的通用性是通过其接口的标准化或通用化实现的。模块还常常按照系列化原理，使其功能和结构形成系列，以满足不同规格、不同容量产品的需要。④具有能组合成系统的接口。模块具有传递功能、组成系统的接口（输入、输出）结构。系统是一个有序的整体，各模块既有相对独立的功能，又互相联系。模块有机结合而构成系统，模块间的这种共享界面（结合处）就是接口，接口的作用就是传递功能。（2）模块化的定义。所谓模块化，就是为了取得最佳效益，从系统观点出发，研究产品（或系统）的构成形式，用分解和组合的方法，建立模块体系，并运用模块组合成产品（或系统）的全过程。模块化的优点包括：

①简化产品系统结构，简化设计与制造，缩短产品研制周期；

②以最少要素的组合实现产品品种的多样化，使产品结构柔性化；③减少科技人员的重复劳动，将各产品系统中共性的要素或单元分离出来作为通用单元，实现技术共享；

④调整生产结构，使多品种、小批量的生产方式与效益达到有机的统一；

⑤提高产品质量和可靠性。

根据智能显示仪表的工作原理，可以将其硬件和软件分别划分成若干模块。

2）智能显示仪表硬件设计的模块化

智能显示仪表的硬件结构通常包括专用微机系统、人机对话接口、数据采集接口和过程控制接口等，都具有相对独立的功能，可以进行模块化设计。

（1）专用微机系统。专用微机系统包括微处理器、时钟电路、复位电路、存储器及I/O口扩展电路等，是智能仪表的核心部分，也是各类智能仪表的公共部分，容易实现模块化设计。（2）人机接口。人机接口是指专用微机系统与各种人机对话设备之间的接口。人机对话设备通常包括键盘、显示器、打印机等。人机接口由各种I/O接口芯片及相应的驱动电路组成。这些I/O接口芯片对内作为专用微机系统的组成部分，对外通过各种驱动电路与人机对话设备连接。人机设备分为输入设备与输出设备，相应的人机接口的数据通道也有输入、输出之分。根据人机对话设备的不同，接口电路有的十分简单，有的却相当复杂。复杂的人机接口除了数据线以外，往往还提供一些传递命令与状态信息的联络线。（3）数据采集系统。数据采集系统是智能仪表的重要组成部分，它包括模拟测量电路、模/数转换电路等部分。模拟测量电路由传感器、信号变换器、滤波器、前置放大器等部件组成，用以实现信号的检测、放大、标度变换、隔离滤波等，其设计方法与常规仪表类似。模/数转换电路则包括多路切换器、采样保持器、A/D转换器以及适用于各种特殊信号的转换电路，用以把各种不同的模拟信号（如电压、电流、频率、相位、脉宽等）转换成微机能处理的数字信号。数据采集系统直接影响到整机的测量精度、分辨率、输入阻抗、测量速度以及抗干扰能力等主要指标。（4）过程控制接口。某些智能仪表需要有控制接口以便对自身的某些环节或生产过程实现自动控制。过程控制接口负责各种开关量输出和数/模转换，开关量用于控制信号灯、继电器、报警装置等。一般要求具备足够的驱动能力并能与现场实现电气隔离。数/模转换以D/A转换器为核心，必要时再加功率晶体管驱动器、V/I变换器等，用以控制电动执行器、可控硅设备、步进电机驱动装置等。（5）电源模块。智能显示仪表大都采用工频交流电供电，有两种类型的电源模块，一种是普通线性电源，它由变压器、整流器、低通滤波器、稳压器等部件组成，结构简单，成本较低；另一种是开关电源，它按照脉宽调制(PWM)原理工作，体积小巧，稳定性好，稳压精度高。

3）软件设计的模块化

软件模块是为了完成某项功能而能独立执行的程序段，它是把一个大型程序从结构上分成许多相对独立的程序模块，每一个程序模块具有特定功能，有信息出、入口，调试时可分块进行，不同程序模块的组合就可以构成不同的大型程序。

智能显示仪表的软件包括各种不同的功能模块，通过这些功能模块，完成各种实质性的任务。（1）自检模块设计。功能包括：程序代码自检，即执行校验算法判断程序代码是否改变；数据存储器自检，即进行非破坏性读写校验，判断存储器是否正常；A/D通道自检，即测试已知信号，以判断通道是否正常；D/A通道自检，通过输出已知数字量，再用A/D通道来检测其转换结果，以判断通道是否正常；显示自检，显示固定内容，从而判断显示是否正常。（2）初始化模块设计。功能包括：对各种外部芯片设定明确的初始状态，实现外部硬件初始化；对微处理器内功能部件设定明确的初始状态，实现功能部件初始化；设置堆栈空间初始化指针，实现堆栈初始化；为各种变量和指针设置初始默认值；为所有软件标志设置初始状态；设置系统初始时间。仪表在上电复位后即进入初始工作状态，初始化完成后，仪表进行自检，自检结束后，等待执行主程序。（3）时钟模块设计。功能包括：时钟源选择；定时周期的确定；时钟的设置与校对，要通过键盘操作来完成；触发与系统时间相关的任务；使用计时器，测试某任务执行的时间，任务启动时清零，任务执行时与时钟一起运行，任务结束时停止，读取结果；使用闹钟，控制某任务的时间间隔，任务启动时置初始值，任务执行时由时钟进行倒计时，计时结束则停止任务。（4）通信模块设计。功能包括：设置波特率，与信道质量有关，由通信双方共同约定；通信协议（帧结构）的设计由通信内容来决定，一般包含地址码、帧长度、命令码、

数据校验码等；设立通信缓冲区，其长度应该能够存放下最长帧，工作时和一个指针进行配合完成一帧数据的收发；

通信如果采用查询模式可一次接收或发送完一帧内容。为提高系统效率最好采用中断模式，一次中断只接收或发送一个字节。（5）信息采集模块设计。功能包括：由采样对象的频率特性决定采样周期；对数字信号的采集；使用合适的数字滤波算法实现模拟信号的采集；对于多路信号的采集，当定时间隔远小于采样周期时，可采用一路A/D器件对各路信号轮回进行采样，当定时间隔与采样周期相当时，必须采用多路A/D器件对各路信号同时进行采样；当随机信号产生外部中断，在中断子程序中进行随机信号的采集。（6）数据处理模块设计。功能包括：数据格式的选择，用汇编语言程序时，采用定点数格式还是采用浮点数格式；用C言语编程时，采用整数格式还是采用实数格式。数据格式的选择应该由数据的变化范围和分辨率来确定；数据格式的转换，用汇编语言程序时，应该进行人机交互格式与内部运算格式之间的转换，可调用相关子程序来完成；数据处理过程，先编制若干相关标准运算子程序，然后将各种复杂运算分解为若干标准运算，通过调用这些标准运算子程序来实现数据处理的目标。为提高可靠性，尽可能使用子程序库中的子程序，为提高效率尽可能使用迭代算法。（7）控制决策模块设计。控制决策模块的位置应安排在信息采集模块和数据处理模块之后，信号输出模块之前。根据控制对象的特征和系统控制指标的要求来选择控制决策算法，常用算法有PID算法及其变形算法。对对象进行逻辑控制（如通断控制、启停控制等）的决策结果，一般用软件标志来表示；对对象进行程度控制（如温度控制、流量控制等）的决策结果为一个数据，必须转换成D/A器件对应的整型数据。（8）信号输出模块设计。决策模块的运算结果不直接控制对象，而是存放在内存的输出缓冲区中，由信号输出模块来执行输出，实现输出信号的缓冲控制。将“输出”从决策模

块中独立出来以后，就可以实现一次决策多次输出，提高可靠性。控制决策模块不产生各个独立的逻辑控制信号，而是产生系统状态信号，信号输出模块按状态查表来输出一组逻辑控制信号，可以保证输出的合理性，从而避免事故。（9）键盘管理、显示及打印模块。该部分模块起人机对话作用，它一方面通过键盘把有关参数、命令、密码等信号送入CPU，另一方面将被测参数显示出来。键盘扫描程序以定时中断方式设计，每隔一定时间中断扫描键盘一次，判断是否有键接下，若有键按下，进一步判断是什么键接下，从而转入相应键处理程序。显示模块通过查询系统的状态信息（状态编码和各种状态标志）可以判断应该显示哪些数据，在预定的位置找到这些数据并将其转换成显示所需要的格式。当某显示内容发生变化时可置位“申请刷新”标志，由显示模块来检测该标志并刷新显示，然后清除该标志。为保证显示内容正确，即使没有“申请”也应该定时刷新。打印子程序是将仪表各种参数数据根据需要传送给微型打印机供其打印。数据传送采用定时中断方式进行，打印时不影响主程序和中断程序的运行。打印程序中设计了定时打印和随机打印两种方式供选择。定时打印可随时调整，随机打印是通过键盘输入来实现的。

主控模块随仪表类型不同而不同，在设计主控模块时，尽量调用子程序模块中的子程序，可大幅度减少主程序的重复设计工作。3.1.2智能显示仪表实例

SRHD智能记录仪是一个典型的智能显示仪表。

1）概述

SRHD智能记录仪是内装微处理器的多路打点式记录仪，其输入信号为1～5V直流电压，具有四个输入通道，除通常的记录功能外，还具有事故记录功能。

SRHD记录仪有五种记录方式：瞬时值、平均值、最大值、最小值四种打点记录和最大值与最小值跟踪记录。事故记录可由一个触发信号（条件接点)启动，它中断通常记录，以高速记录触发信号发生前后的过程数据（最多512个数据)。至于记录的采样周期、触发信号发生前需要多少个

数据、触发信号发生后需要多少个数据，即所谓前置数据和后续数据的数目等事故记录的方式，则可作为记录条件单个给定，如表3-1所示。因此，可在较宽范围内进行过程上升、下降异常情况的记录。

2）输入、输出信号回路

SRHD记录仪的信号输入、输出框图如图3-5所示。图3-5SRHD记录仪的信号输入、输出框图（1）模拟输入信号。直流1～5V的模拟输入信号先进入隔离器插件，如输入不需要隔离，则可不附装隔离放大，而先通过干扰仰制器（J11～J14，J21～J24），再进入多路切换开关，但这时输入信号（－）端是公共点。因此对各通道（CH1～CH4）间不允许使用公共接地方式的，则必须使用输入隔离。（2）事故记录触发输入信号。触发输入信号可以是跳变电压或无电压的接点信号。事故发生信号状态是接点闭合ON时且闭合时间是500ms以上。状态输入是隔离型时，为阻抗接受方式。

（3）报警输出FAIL。CPU异常，A/D转换异常时，FAIL输出采取晶体管开关输出形式，FAIL输出时开关变成断开状态。

3）软件功能

模拟输入信号经由多路切换开关，再经A/D转换进入CPU，在CPU里进行信号处理，以给定的记录方式进行记录。SRHD记录仪的软件功能如图3-6所示。图3-6SRHD记录仪的软件功能

4）输入信号处理

各输入通道的数据在0.25s周期内进行运算处理。将输入数据进行瞬时值、最大值、最小值、平均值的运算，其结果作为记录输出。对于最大值与最小值跟踪记录，则是将最大值及最小值的运算结果进行综合，作为记录输出。至于事故记录，则将瞬时值写入文件，根据开始命令，记录文件数据和事故时间。

输入信号处理项目的内容如表3-2所示。各输入通道记录数据从以下五种记录方式中选择。

（1）瞬时值（ins）：当前采样数据值。

（2）最小值（min）：记录周期内最小数据值。

（3）最大值（max）：记录周期内最大数据值。

（4）平均值（mean）：记录周期内区间平均数据值（扫描数据的积算值除以扫描次数）。

（5）最小值与最大值（min/max）：在记录周期里，在最小值和最大值的数据区间内做事故记录。另外记录周期限定为90s，45s（记录速度为10mm/h、20mm/h），当记录速度以1mm/min以上的高速记录时，无论给定何种记录方式，则都为瞬时记录。

5）自诊断功能

用自诊断功能可对记录仪进行功能检查。功能是否异常可以从仪表正面的FAIL（红）或ALM（黄）LED指示灯得知。异常内容在调整面板上用液晶显示器进行信息指示。CPU异常时不能作信息指示。FAIL时，故障指示灯亮，同时由故障接点FAIL进行输出。自诊断功能有20多种。

3.2无纸记录仪

无纸记录仪是一种新型记录仪，属于智能仪表范畴。它以微处理器为核心，包括内置大容量存储器、信号采样单元、液晶显示器、开关电源等部分，集显示、记录、调节、计算、报警、通信功能于一体，可以存储多个过程变量的大量历史数据，能够显示通道实时数据、棒图、实时趋势、历史趋势、工程单位、报警状态等，还可以完成报警追忆、流量累计、流量温度补偿、PID控制、功能和画面组态等功能。当前，大多数无纸记录仪产品都具有标准串行通信接口RS-232C/485，支持现场总线技术，支持Modbus通信协议及HART协议（可寻址远程传感器高速通道开放通信协议），有的产品甚至具备以太网和无线通信接口。嵌入式处理系统的应用，使无纸记录仪中可安装嵌入式组态软件包，用户自由编辑组态软件实现工艺流程配置、趋势图、棒图、报表、历史记录回放等高级组态。配合液晶触摸屏技术，快速构成高性能的人机界面。

目前技术水平最高、产量较大的无纸记录仪产商是日本横河公司及美国的Honeywell公司。

3.2.1无纸记录仪的基本结构

无纸记录仪功能各异，但基本结构相同，传感器将各种需要记录的物理量变成电信号，经过信号调理，送入A/D转换器转换成数字信号，主控板卡的数据记录分析软件就会对数据进行计算、分析和存储，最后在显示屏中的各个功能模块中显示出来，当监测的数据超出设定指标时，就会激发报警系统。其系统框图如图3-7所示。

无纸记录仪包括信号输入、CPU板、大容量存储设备、显示器、供电电源及通信接口电路等单元。

1）CPU板

CPU板是无纸记录仪的核心，包括中央处理单元CPU和程序、数据存储器ROM及RAM。CPU实现对输入变量的运算，并负责指挥协调无纸记录仪的多个模块，完成预定的功能。ROM和RAM是无纸记录仪的数据信息存储装置，ROM中存放支持仪表工作的系统程序，RAM中存放中间变量和临时数据。

2）信号输入

无纸记录仪可实现多通道输入，通道间隔离电压大于

400V，具有抗共模干扰性能，保证了所有测量现场都能实现稳定测量。信号输入部分为专用模块和万能模块输入。万能模块可输入多种信号而无需更换模块，通过软件组态改变每个通道的输入类型。

3）大容量存储设备

大容量存储设备是无纸记录仪的重要部件之一，用于存储记录数据，相当于机械式记录仪中的记录纸。当前无纸记录仪都选用FLASH存储器，其数据保存可长达十年而无需电池。FLASH存储器在写入时有复杂的命令操作，可以减小在受到干扰时数据被改写的可能性。

4）显示器

目前无纸记录仪大都采用液晶显示屏，不仅能够方便地显示字符、数字，还可以显示图形、文字。通常采用平板式LCD带背光的单色图形液晶屏，在黑暗处同样清晰可见。LCD背光的亮度均匀柔和，背光光源工作寿命长达10年。

5）供电电源

无纸记录仪大多使用开关电源供电，工作电压范围为85～265VAC，45～55Hz，具有PWM输出、过热和过流保护等功能。在电源的结构设计上，采用了具有高稳定性的反馈结构，使得能输出稳定的仪表电压，也可定制直流24V供电模块。

6）通信接口电路

无纸记录仪具有标准串行通信接口RS-232C/485，采用标准开放的Modbus通信协议。已经有一部分仪表配备了USB、以太网等接口。3.2.2画面显示和按键操作

无纸记录仪具有多个实时显示画面和组态界面，显示清晰、信息量大、组态方便。不同厂家的无纸记录仪，其显示操作界面和操作键盘都不相同，各有特色。完整的显示画面通常包括状态显示区、曲线显示区、数字显示区、标尺显示区、菜单显示区等。状态显示区可以将无纸记录仪的运行状态显示出来；曲线显示区以曲线波形显示各通道的实时数据、工业单位及其它信息；数字显示区可以将通道标示号码、工业单位、各

通道的实时数据和报警状态显示在画面上；标尺显示区显示各通道的标尺，在标尺上可显示彩色标尺带、报警标志及棒图；菜单显示区显示仪表的功能菜单，配合用户的键盘操作。这些区域都可打开和关闭，用户可以根据需求和习惯对显示画面进行定制。下面以国产KH300彩色记录仪为例介绍无纸记录仪的键盘操作、各实时显示画面及各组态画面。

1.键盘操作

键盘功能如图3-8所示，各个键在实时显示画面和组态画面中具有不同的功能。仪表通电后，首先进入系统初始化画面，初始化系统完毕，进入特大数显画面。按翻页键可以切换到不同的实时显示画面，如图3-9所示。在实时显示各画面里，同时按住翻页键和确认键两秒钟，就可以进入组态画面。图3-8键盘示意图图3-9各实时显示画面

2.特大数显画面

如图3-10所示，在这个画面里，同时显示一个通道的各个参数，画面各部分分别介绍如下：

图3-10特大数显画面

A：通道，表示目前画面显示的数据对应的通道号。

B：类型，表示输入信号的类型。

C：位号，表示显示通道对应的位号，位号由用户在通道组态中设置。

D：棒图标尺，指示出棒图中0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%尺度的相对

位置。

E：棒图，填充区域表示了目前数据在量程中占的百

分量。

F：特大数显，显示该通道的工程量数据。

G：单位，显示该通道数据的单位。

H：累积量，如果用户在组态里设置该通道数据的累积功能，在屏幕的中央左部将显示8位的累积量。

I：上下限报警指示，左边第一组四个小方块分别表示（从上至下）上上限、上限、下限、下下限报警；从左至右每组方块依次为第一通道至第八通道的上下限报警标志。

J：报警触点指示，从左至右八个“○”依次表示第1～8个报警继电器的当前状态，“○”表示该报警继电器触点处于打开状态，“●”表示该报警继电器触点处于闭合状态。

K：当前时间，表示“年—月—日时∶分∶秒”。

L：量程上限指示标志。

M：量程下限指示标志。

N：输入模板工作是否正常，若输入模板不存在或者工作不正常，则显示为△符号。

3.八棒图数显画面

如图3-11所示，在这个画面里，同时显示8个通道的数据和棒图，画面各部分分别介绍如下：

A：通道号，从左至右依次为1~8。

B：工程量数据，从上至下依次为1~8通道的工程量数据。

C：棒图标尺，指示出棒图中0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%尺度的相对

位置。

D：当前时间，表示“年-月-日时∶分∶秒”。

E：量程上限指示标志。

F：量程下限指示标志。图3-11八棒图数显画面

4.四通道曲线画面

如图3-12所示，在这个画面里，同时显示4个通道的实时数据和曲线，画面各部分分别介绍如下：

A：通道，表示目前画面显示的相应颜色的曲线数据的通道号。

B：数值，显示该通道数据的数值。图3-12四通道曲线画面

C：记录间隔，表示当前显示数据的记录间隔。每个通道最多能记录128K个数据，记录数据保存时间的长短是由记录间隔决定的，最短36个小时，最长365天。记录间隔可根据对象的不同而不同：对于变化缓慢的信号如温度，其记录间隔可取得大些，如30s；而对于变化比较快的信号如流量，其记录间隔可取2～4s；其它如压力、液位信号，其记录间隔可取8s。

D：曲线标尺，指示出曲线图中0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%尺度的相对

位置。

E：当前时间，格式为“年-月-日时∶分∶秒”。

5.四通道追忆画面

如图3-13所示，在这个画面里，同时显示4个通道的历史数据和曲线，画面各部分分别介绍如下：

A：通道，表示目前画面显示的相应颜色的曲线数据的通道号。

B：数值，显示该通道数据的数值。

C：记录间隔，表示当前显示数据的记录间隔。图3-13四通道追忆画面

D：曲线标尺，指示出曲线图中0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%尺度的相对

位置。

E：追忆时间，格式为“年-月-日时∶分∶秒”。

F：追忆方式，两只手左右排列表示连续时间追忆，两只手上下排列表示调整时间追忆。

此画面采用全动态显示，曲线能够自由缩放。

6.八通道数显画面

如图3-14所示，在这个画面里，同时显示8个通道的数据，画面各部分分别介绍如下：

A：通道，表示目前画面显示数据的通道号。

B：单位，显示该通道数据的单位。

C：工程量数据，当前显示通道的工程量数据。图3-14八通道数显画面3.2.3组态操作介绍

组态就是组织仪表的工作状态，即利用无纸记录仪本身存储的组态软件，根据组态界面提供的组态项目，选择、设置具体的项目和相应参数，完成界面显示的设定和修改。

1.组态画面功能介绍

组态初始画面如图3-15所示。图3-15组态初始画面

A：密码，该部分由6位数和“*”组成。输入密码时，通过移动光标位置和修改数值，调整输入密码，然后按确认键，系统校对密码。如果密码校对通过，则“*”消失。再移动光标位置，可分别进入“系统组态”、“通道组态”或“退出组态”。若密码校验没通过，用户将不能进入各组态画面。记录仪的组态操作一般都设有密码，进入组态界面前应先正确输

入组态密码。

B：系统组态，将光标移到该位置，按确认键，进入“系统组态”。

C：退出组态，将光标移到该位置，按确认键，进入“特大数显画面”。

D：通道组态，将光标移到该位置，按确认键，进入“通道组态”。

2.系统组态画面

系统组态画面如图3-16所示。图3-16系统组态画面

A：日期，显示“年-月-日”，将光标移到“年”、“月”、“日”位置处，修改日期。

B：时间，显示“时∶分∶秒”，将光标移到“时”、“分”、“秒”位置处，修改时间。

C：密码，该部分由6位数组成，输入密码时，通过移动光标位置和修改数值，调整密码数值。

D：通道数目，显示通道数目，通过移动光标位置和修改数值，调整输入通道的数值。

E：记录间隔，按通道键和时标键可修改记录间隔，可在以下参数中作选择：1s/2s/5s/10s/15s/30s/1m/2m/4m。

F：通信地址，按通道键和时标键可修改通信地址，从0～99。

G：波特率，按通道键和时标键可修改波特率，可在以下参数中作选择：1200/2400/9600/57600。

H：AD板在线标定状态，出厂设置为NO，用户无法

修改。

I：显示冷端温度。

J：退出，将光标移到这里，按确认键，可切换到组态画面。

3.通道组态画面

通道组态画面如图3-17所示，在这个画面里，可以同时看到和设置通道的各参数。用户可以将光标移到相应位置，按通道键和时标键修改通道参数。画面各部分分别介绍如下：

A：通道号，按通道键和时标键可修改通道号，最大不超过硬件所配置的最大通道数。

B：类型，按通道键和时标键可选择类型，选择顺序为Fr型、III型、S、B、K、T、E、J、350Ω、Pt100、Cu50、20mV、100mV、10mA、5V，其中，各信号量程说明

如下：

Fr型（频率信号）：0～10kHz；

III型：4～20mA，1～5V；

S型热电偶：－100～1600℃；

B型热电偶：500～1800℃；

K型热电偶：－100～1300℃；

T型热电偶：－100～380℃；

E型热电偶：－100～1000℃；

J型热电偶：－100～1000℃；

350Ω：0～350Ω；

Pt100：－200～600℃；

Cu50：－50～140℃；

20mV：0～20mV；

100mV：0～100mV；

10mA：0～10mA；

5V：0～5V。

C：量程，按通道键和时标键可修改量程，范围是-9999～19999，按确认键修改小数点位置。

D：工程单位，按通道键和时标键可选择各通道信号的工程单位，选择顺序为：℃、%、m3/h、kg/h、t/h、r/min、kPa、MPa、Pa、mm、PH、Hz、kHz、A、V、kWh、

mA、mV、ppm。

E：数字滤波，按通道键和时标键可修改数字滤波时间参数，范围是0～9.9s。

F：开方，按通道键和时标键可选择是否开方。

G：小信号切除，按通道键和时标键可修改小信号切除参数，范围是0%～9.9%。

H：通道下下限、下限、上限、上上限报警、回差数值，要注意以下几点：

下下限、下限、上限、上上限、回差数值设置范围是

－9999～19999，按确认键修改小数点位置。下下限数值小于下限数值，上上限数值大于上限数值。图3-17通道组态画面实际数据在超过相应限值和回差的和或差时，才产生或消除报警信号（在特大数显画面的闪光报警处）。举例来说：用户通道上限设置为2000，回差设置为2，当现场输入信号的

数据上升超过2000时，上限报警；当现场输入信号数据从报警状态下降低于1998时，上限报警信号才消失。下限报警则相反，如下限为10，当信号下降低于10时下限报警，当从下限报警上升超过12时下限报警才消失。

I：仪表报警触点设置，将相应的报警信号输出设置为各触点输出。

J：累积设置，设置为是时，该通道进行流量累积。

K：清零设置，设置为是时，对该通道累积量清零。

L：退出，将光标移到这里，按确认键，可切换到组态画面。3.2.4安装与接线

1.无纸记录仪的安装

通常情况下，仪表水平安装在仪表板上，特殊情况下，仪表可倾斜一定角度，生产厂家都有明确规定。液晶屏有一定的视角，用户应将仪表安装在人的正常平视范围（1.4～1.8m）之内，过低或过高安装，效果都不好。液晶屏的对比度受温度的影响会发生改变，在不同的温度条件下液晶屏的对比度过高或过低时，用户可以自行调节液晶屏对比度。仪表的安装地点不应有强电磁干扰或剧烈电压、电流波动。若仪表周围有强电磁干扰及剧烈电压、电流波动，请将仪表及与仪表相连的信号线屏蔽或选用防干扰模块。仪表外形尺寸、安装方法及开孔尺寸如图3-18所示。图3-18仪表外形尺寸、安装方法及开孔尺寸

2.无纸记录仪接线

KH300仪表共有左、右两排44个端子，功能定义如图

3-19所示。

记录仪允许多种类型的信号同时输入，不同的信号按照不同的接线方式接入表内，通过对拨码开关和组态软件的设定，可实现灵活配置。输入模板上拨码开关共有八路，分别代表记录仪的八路输入信号，表3-3为各信号类型与拨码开关之间的对应关系。不同信号的接线方式如图3-20。图3-19接线端子图图3-20不同信号接线方式3.2.5通信接口

目前无纸记录仪为用户提供两种与上位计算机通信的标准接口RS-232C和RS-485，支持标准开放的Modbus通信协议。RS-232C通信距离最长5m，其主要在仪表与便携计算机通信时使用。RS-485通信距离最长1.5km，允许一台上位机同时挂多台记录仪，此种通信方式适用于使用终端机的用户实时接收记录仪数据和与各类控制系统相连。RS-485通信接线方式如图3-21所示。图3-21RS-485通信接线方式双芯屏敝线的屏敝层作为接地线。当传输距离较远时，传输线的两端需分别加一个120Ω的匹配电阻，连接在RS-485通信线“+”和“－”之间。当一台计算机挂多台记录仪时，

通信线采用并联的方法。需注意的是，匹配电阻要接在通信线分支前，分支后的传输线要尽可能的短，以减少干扰。通信距离长时可选择中继模块。一个完整的网络系统如图3-22所示。图3-22基于485总线及ModBus协议的无纸记录仪网络系统示意图

3.3虚拟显示仪器

3.3.1虚拟仪器的概念和特点

1.虚拟仪器的概念

近20年来，计算机应用的迅速普及，促进了测试测量和自动化仪器系统的革新，其中虚拟仪器的出现与发展是最显著的成就之一。虚拟仪器（VirtualInstrumention，VI）是由计算机硬件资源、模块化仪表硬件和用于数据分析处理、过程通信、实现图形化用户界面的软件组成的测控系统。在一台工业标准计算机或工作站上配置功能强大的应用软件、模块化的硬件（例如USB接口数据采集卡）和相应的驱动程序，通过软件实现数据的显示、存储以及分析处理，从而完成传统仪器的功能，就构成了虚拟仪器。虚拟仪器中的硬件仅仅是为了实现信号的输入/输出，软件才是虚拟仪器系统的核心和关键。虚拟仪器的专业功能和面板、控件都是由软件形成的。

虚拟仪器作为新兴的仪器仪表，用户可以自定义其结构和功能，且构建灵活，易于扩展和集成，因此它在军事、航空、航天、通信、汽车、半导体和生物医学等领域都得到了广泛应用。目前流行的虚拟仪器开发平台软件有两类，即文本式编程语言（C、C++、VB、Delphi、Labwindows/CVI等）和图形化编程语言（LabVIEW、VEE等）。其中美国国家仪器公司（NationInstruments，NI）的LabVIEW应用最广泛，是目前发展最快、功能最强的图形化开发环境。

LabVIEW是LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench（实验室虚拟仪器工程平台）的简写，目前已经发展到LabView8.2，包括控制与仿真、高级数字信号与处理、

统计过程控制、模糊控制和PID控制等众多附加软件包，可跨平台运行。

2.虚拟仪器的特点

传统仪器和基于软件的虚拟仪器具有许多相同的结构组件，但是在体系结构原理上完全不同，两者的体系结构如图3-23所示。除了专用的元件和电路，基于PC机的虚拟仪器的基本框架其实类似于传统仪器，两者都需要一个或多个微处理器、通信端口(如串口、GPIB接口)、显示及数据采集模块。其根本区别在于用户是否能够根据各自不同的要求通过软件对其进行修改和扩展。图3-23传统仪器和虚拟仪器体系结构比较(a)传统仪器；(b)虚拟仪器传统仪器把所有软件和测量电路封装在一起，通过仪器前面板为用户提供一组有限的功能。而虚拟仪器提供的则是完成测量或控制任务所需的所有软件和硬件设备，功能完全由用户自定义，不使用厂商定义的、预封装好的软件和硬件。因此，用户获得了最大的自定义灵活性，可使用高效且功能强大的软件来自定义采集、分析、存储、共享和显示功能。

与传统仪器相比，虚拟仪器具有四大优势：

（1）高性能。虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了现有PC技术的优点，包括功能强大的处理器和文件I/O，在数据高速写入磁盘的同时能实时地进行各种复杂的数据分析、处理。（2）扩展性强。由于虚拟仪器软/硬件结构的灵活和开放性，因此只需局部配置，就可以把最新科技成果集成到现有的测量设备中，以较少的成本加速产品的更新换代。

（3）开发时间短。虚拟仪器高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通信方面的最新技术结合在一起，使用户能够快速地配置、创建、开发高性能测量控制系统。（4）无缝集成。虚拟仪器技术从本质上就是一个集成的软/硬件系统。随着产品功能不断趋于复杂，用户通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统中，减少了任务的复杂性。为了获得长期的兼容性，虚拟仪器通常提供了一个软件构架，它包括标准的应用程序接口（Application[JP]ProgrammingInterfaces，API），以便在计算机、网络和操作系统不断改进的同时确保兼容性和可扩展性。3.3.2虚拟仪器的组成与工作原理

1.虚拟仪器的组成

虚拟仪器由三部分组成，即高效的软件、模块化的I/O硬件和便于集成的软/硬件平台。

1）高效的软件

软件是虚拟仪器中最重要的部分，仪器的专业功能和面板、控件都是由软件形成的。使用软件工具并通过设计或调用特定的程序模块，用户可以高效地创建自己的应用系统和友好的人机交互界面。标准图形化编程软件的重要特点是模块化，这不仅能轻松方便地完成与各种软/硬件的连接，更能提供功能强大的后续数据处理能力，设置数据处理、转换、存储的方式，并将结果显示给用户。虚拟仪器软件可以划分成三个层次，如图3-24所示。图3-24虚拟仪器软件的层次结构（1）应用层软件。它是建立应用程序的主要开发环境，包括诸如LabVIEW、HPVEE、LabWindows/CVI、C、C++、MeasurementStudio、SignalExpress和VILogger等。

（2）测试和数据管理软件。该软件层建立在应用层之上，包含应用层开发提供的诸多功能模块和程序，进行系统范围内的数据管理，提供人机界面。（3）测量和控制服务软件。最后一层测量和控制服务软件往往容易被忽略，然而它对保证软件开发效率是至关重要的。该软件层包括驱动程序，例如NI-DAQmx，可实现与所有硬件间的通信。测量和控制服务软件层需要调用硬件的功能并维护其性能，保证能够与其互操作。该软件层必须和系统中其它驱动程序和多种类型I/O模块一起工作。

2）模块化的I/O硬件

在虚拟仪器中I/O处于关键地位。模块化的I/O硬件使虚拟仪器建立在可伸缩的硬件平台上，以模块化形式构建。模块化的硬件产品结合灵活的开发软件，用户可创建完全自定义的测量系统，易于融合各种先进技术，满足各种独特的应用要求。为适应日益复杂的测试测量应用，无论是使用PCI、PXI、PCMCIA、USB还是1394总线，都有相应的模块化的硬件产品，种类从数据采集、信号调理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制、分布式I/O直至CAN总线接口，提供如模拟输入/输出、数字输入/输出、计数、定时、过滤、同步采样和波形发生等多种功能。模块化I/O硬件的优势使虚拟仪器系统有更高的数据采集速率、测量准确度及精度和更好的信号隔离功能。

3）便于集成的软/硬件平台

虚拟仪器的硬件由计算机和模块化I/O接口设备组成，如图3-25所示。计算机是硬件平台的核心，I/O接口设备负责被测信号的采集、调整、放大及模/数转换。图3-25虚拟仪器的硬件构成虚拟仪器软件将可选硬件（如DAQ、GPIB、RS-232、VXI、PXI）和可以重复使用的源码库函数等软件结合起来，实现模块间的通信、定时与触发。源码库函数为用户构造自己的虚拟仪器系统提供了基本的软件模块。当用户的测试要求变化时，可以方便地由用户来增减软件模块，或重新配置现有系统的测试功能。

2.虚拟仪器工作原理

与传统仪器一样，虚拟仪器同样划分为数据采集与控制、数据分析处理、结果表达三大功能模块，如图3-26所示。图3-26虚拟仪器的功能模块以PC-DAQ为接口的虚拟仪器，其整体系统结构如图3-27所示，信号测试流程如图3-28所示。图3-27以PC-DAQ为接口的虚拟仪器整体系统结构图3-28以PC-DAQ为接口的虚拟仪器信号测量流程图虚拟仪器把计算机资源和I/O模块的测试能力结合起来，实现其测量功能。

虚拟仪器以计算机为硬件核心，配合各种I/O模块，实现模拟信号的采集、放大、整形、滤波、转换等信号处理任务，然后将数字信号送入应用软件以实现数据分析、处理及显示。

虚拟仪器软件包括应用程序和I/O接口设备驱动程序。I/O接口设备驱动程序实现对特定外部硬件设备的控制。应用程序由实现虚拟仪器前面板功能的子程序和定义测试功能流程图的子程序两部分构成，是虚拟仪器的核心。虚拟仪器用各种图标或控件来虚拟传统仪器面板上的各种器件。用各种开关图标来实现仪器电源的通断；用各种按钮图标来设置被测信号的“放大倍数”、“通道”等参数；用各种显示控件以数值或波形的方式显示测量或分析结果；用计算机的鼠标和键盘操作来模拟传统仪器面板上的实际操作；用图形化编程来实现各种信号测量和数据分析功能。

3.接口技术

1）USB总线接口

通用串行总线（USB）主要用于外围设备（比如键盘和鼠标）和PC机之间的连接。USB接口已成为如今PC机上的标准配置。USB为数据采集设备/仪器与PC机之间的连接提供了一个费用低廉且简单易用的方案，无须为连接USB接口的数据采集设备或仪器购置专用控制器，USB的设备可在Windows98/Me/2000/XP操作系统上使用。使用USB连接的设备都具有热插拔功能，在添加或拆除设备时不需要关机。

USB主机会自动探测新添加的设备，询问并确认设备身份，并适当配置驱动程序，用户插入设备后无须对其进行手工配置。USB总线拓扑结构的特性，使一个端口可以同时运行多达127个设备，而传统的串口在一个端口上只支持一个设备。此外，通过增加集线器（HUB），主机上还可以添加更多的端口，为更多的外围设备提供空间。USB总线比一些传统的内部PC总线（如PCI和ISA）更加易于使用。基于USB总线的虚拟仪器系统如图3-29所示。图3-29基于USB总线的虚拟仪器系统

USB1.1规范的最高传输速率为12MB/s，USB2.0规范的传输速率提升至480MB/s。[JP]USB1.1设备都与USB2.0标准兼容。

2）IEEE1394（FireWire）总线接口

IEEE1394-1995标准是苹果公司在20世纪80年代初发展的高效串口总线，IEEE1394的数据吞吐速率最高可以达到400MB/s。Windows操作系统与IEEE1394兼容。IEEE1394总线为高速传输应用提供很大的潜能，许多数码相机及其它消费性电子产品均已包含IEEE1394接口，供传输资料使用。IEEE1394的高带宽为复杂的多媒体应用提供了可行的解决方案。IEEE1394比USB更具优越性，其总线技术上有一专为控制仪器而定义的传输协定，但是目前仅有少数的仪器具有1394接口。

3）以太网络接口

随着互联网技术发展和应用的普及，以太网络作为仪器控制已是必然的趋势。虚拟仪器系统经常使用以太网实现远程测量系统控制、分布式I/O和企业数据共享。以太网提供了一种廉价、传输速率适中的方法远距离交换数据和控制命令。然而，由于它基于包的结构，因此具有不确定性和相对的高延迟。对于某些应用，例如仪器系统，不确定性和延迟使得以太网不适宜集成I/O模块。这种情况下，最好选择专业的总线，比如PXI、VXI或者GPIB。以太网络要用于仪器控制方面，尚需考虑传输速率﹑确定性、安全性等因素。最常见的以太网络传输速率为10BaseT或100BaseTX，传输速率分别达到10Mb/s与100Mb/s。但是，数据传输的不确定性决定了以太网络上的通信无法确认，同时还要加强安全措施，以确保数据的完整性与私密性。虚拟仪器系统通常使用其它类型的总线与以太网联接。典型的，一个网络节点由I/O模块组组成，在组内不同I/O模块之间使用高速、低延迟总线交换数据，邻接节点之间通信、远程数据传输或者接受远程命令使用以太网。3.3.3虚拟仪器的软件实现

以NI公司的LabVIEW为例，介绍虚拟仪器的设计与实现。

1.LabVIEW功能简介

LabVIEW是一个交互式的图形化软件开发环境，又称G语言，它具有的各种卓越特性使其成为开发、测试、测量、自动化控制等应用项目的理想工具。面对不同行业和层次的用户，LabVIEW都能提供与其编程经验相匹配的开发界面，从而迅速地开发应用系统，完成产品设计验证与自动化控制等应用项目。用户可以交互式地配置LabVIEW中的各种函数，并随时观察配置效果，而无需等到整个程序编制完成。另外，由于LabVIEW是建立在牢固的、功能齐全的编程语言基础上的，因此用户还可以充分利用其功能强大的、可自定义的程序组件及构架。

用G语言编写的程序被称为VirtualInstrument(VI)，每个VI均由两部分组成：前面板和程序框图。前面板是一个图形化的用户界面，由输入控件和显示控件组成，如图3-30所示。

这些控件是VI的输入/输出端口。输入控件是指旋钮、按钮、转盘等输入装置。显示控件是指图表、指示灯等显示装置。输入控件模拟仪器的输入装置为VI的程序框图提供数据。显示控件模拟仪器的输出装置用以显示程序框图获取或生成的

数据。用户可以在此界面上输入命令及数值，或操作旋钮及按钮等对象来对应用程序进行控制。前面板也是应用程序的执

行结果以指示灯、图形及其它方式进行显示的地方。构建前面板内容与构建程序框图一样简单。可以拖拉并放置对象，这些对象同时会出现在前面板和程序框图的相应位置上,然后可以为这些对象设定输入或输出数据，并在前面板与程序框图的代码之间传递数据。图3-30基于LabVIEW的虚拟仪器前面板示意图程序框图是图形化源代码的集合，如图3-31所示。图形化源代码又称G代码，或程序框图代码，它决定了VI的运行方式。程序框图代码使用图形化表示的函数来控制前面板对象。前面板对象在程序框图上显示为带有接线端子的图标。连线将输入控件和显示控件的接线端与ExpressVI、VI和函数相互连接。数据从输入控件沿着连线流向VI和函数，再从这些VI和函数流向其它VI和函数，最后流向显示控件。数据在程序框图节点中的移动决定了VI和函数的执行顺序。图3-31LabVIEW虚拟仪器程序框图

LabVIEW应用程序的执行和数据的传递是基于一种叫做数据流(Dataflow)的方式。数据从一个VI流向另一个VI，最终定义出整个应用程序的执行顺序及功能。程序框图包括由图标表示的函数模块、图标之间的连线以及控制执行逻辑的程序结构。数据从一个函数或VI流向另一个函数或VI，只有在所有终端和连线都接收到可供处理的数据后，函数及VI才会被执行。用户可以通过各种交互式的控件选板、对话框、菜单及数以百计的函数模块（通常称为VI程序）进行编程。可以简单地将这些VI模块拖拉到程序框图中，并定义它在应用程序中的功能。基于多层结构来开发大型的应用程序可以实现封装和模块化，因此易于扩展和维护。对于所有编程语言，创建良好的模块层次结构都是至关重要的。在LabVIEW中，通过将若干VI打包，可以很容易地实现封装和模块化，然后就可以将这些VI作为一个单元使用，这些单元被称为子VI或模块。在一个设计完善的VI中，每个模块都对应一个目标或功能。如果单个模块试图完成多个功能，则很容易混乱，并且很难维护。同时，LabVIEW的图形化方式也使各层次及其代码非常容易理解。

VI程序有两种类型——标准VI和ExpressVI（快捷VI）。使用标准VI，可以使用LabVIEW提供的所有功能，从低层原语(例如加或减算法)一直到高层函数(如数据采集、分析、测量及报告生成等)。要配置一个标准VI，需将数值及参数连接到VI端子上，然后这些数值及参数在程序执行时被读取到函数中。

ExpressVI都是由一些常用的函数组成的，每个VI都可以利用交互式的可自定义对话框方便地进行配置。ExpressVI在被拖放到程序框图中后，会有一个窗口打开，可以在此窗口中设置函数的各个参数，并立即显示结果。然后，LabVIEW会使用交互配置得到的参数自动创建底层代码；而如果使用标准VI，则需要手动创建这些代码。有些ExpressVI还可以使用I/OAssistant（I/O助手），将其交互操作界面的应用扩展到诸多配置任务中，如数据采集（DAQ助手）或仪器控制（仪器I/O助手）。ExpressVI还简化了模块化仪器的配置，例如信号发生器、高速数字化仪及数字波形发生器／分析仪等。在有ExpressVI之前，每个模块化仪器的编程均须了解专为该仪器开发的一组函数。而ExpressVI使模块化仪器的配置过程变得及其简单，它为每个仪器提供