1、绪 论一.1 引言测控技术在现代科学技术、工业生产和国防科技等诸多领域中应用十分广泛，它的现代化已被认为是科学技术、国防现代化的重要条件和明显标志。20世纪70年代以来，计算机、微电子等技术迅猛发展，在其推动下，测控仪器与技术不断进步，相继诞生了智能仪器、PC仪器、VXI仪器、虚拟仪器及互换性虚拟仪器等微机化仪器及其自动测控系统，计算机与现代化仪器设备间的界限日渐模糊，测控领域和范围不断拓宽1。近年来，以计算机为中心、以网络为核心的网络化测控技术与网络化测控系统得到越来越多的应用，尤其是在航空航天等国防科技领域。网络化的测控系统大体上由两部分组成：测控终端与传输介质，随着个人计算机的高速发展，
2、测控终端的位置越来越多的被个人计算机所占据，其中，软件系统是计算机系统的核心，甚至是整个测控系统的灵魂，应用于测控领域的软件系统称为监控软件。传输介质组成的通信网络主要完成数据的通信与采集，这种数据采集系统是整个测控系统的主体，是完成测控任务的主力。因此，这种“监控软件数据采集系统”构架的测控系统结构在很多领域都得到了广泛的应用，并形成了一套完整的理论1。一.2 课题背景虚拟仪器（VI）是计算机技术和传统的仪器技术相结合的产物，是仪器发展的一个重要方向。LabVIEW是一个基于图形化编程语言的虚拟仪器软件开发工具。本文重点介绍了虚拟仪器的界面，LabVIEW应用，并设计了一个基于虚拟仪器的数字
3、化温度测量和控制系统，阐述了系统开发过程中数据的采集和软硬件的设计，虚拟仪器设备可以由使用者自己定义，这意味着可以自由地组合计算机平台，硬件（包括传统仪器），软件，以及各种实现应用所需要的附件。这种灵活性在由供应商定义，功能固定，独立的传统仪器上是很难达到的。常用的数字万用表，示波器，信号发生器，数据记录仪，以及温度和压力监控仪器就是这种传统仪器的代表。从传统仪器设备向虚拟仪器设备的转变，为现代实验带来了更多实际的利益，同时也促进着实验手段不断更新。一.3 本设计所做的工作本设计以两个独立通道进行设计，从传感器来的模拟输入信号，经过信号调理后，输入到USB5935数据采集卡，然后经过USB总线
4、送入PC机，由软件进行数据处理，包括采样波形的实时显示，并进行历史数据保存，边采集边保存，还有实时报警并记录处理等功能。虚拟仪器2.1虚拟仪器技术概述2.1.1 虚拟仪器的概念虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司（National Instruments）最先提出的45。所谓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、工业控制系统之中；可自由构建成专有仪器系统。虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器。虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器” 。该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分。虚拟仪器以通用计算
5、机和配备标准数字接口的测量仪器（包括GPIB、RS-232等传统仪器以及新型的VXI模块化仪器）为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件（处理器、存储器、显示器）和测量仪器（频率计、示波器、信号源）等硬件资源与计算机软件资源（包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及图形用户界面）有机的结合起来。2.1.2 虚拟仪器的特点及优势虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心678，如图1所示，其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。这是虚拟仪器最大
6、的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。虚拟仪器中应用程序将可选硬件（如GPIB，VXI，RS-232，DAQ板）和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。源代码库函数为用户构造自己的虚拟仪器（VI）系统提供了基本的软件模块。由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的VI系统而不丢失己有的硬件和软件资源。图1虚拟仪器开发框图虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且
7、功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。虚拟仪器技术十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器” 。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程。2.1.3虚拟仪器测试系统的组成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。这种结合基本有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能
8、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9。虚拟仪器的组成与传统仪器一样，主要由数据采集与控制、数据分析和处理、结果显示三部分组成。如图2所示。图2虚拟仪器的内部功能的划分对于传统仪器，这三个部分几乎均由硬件完成；对于虚拟仪器，前一部分由硬件构成，后两部分主要由软件实现。与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化，设计工作量大大减小。通常虚拟仪器测试系统硬件组成部分是由传感器部件、信号调理及信号采集部件（如外置
9、或内置数据采集卡、图形图像采集卡及摄像机及其用于辅助测量并能与计算机通讯的常规仪器等）、通用计算机、打印机等构成。系统软件部分通常用专用的虚拟仪器开发语言（如LabVIEW）编写而成，并可通过Internet实现网络扩展。2.1.4 虚拟仪器I/O接口设备I/O接口设备主要用来完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。可根据实际情况采用不同的I/O接口硬件设备，如数据采集卡/板（DAQ）、GPIB总线仪器、VXI总线仪器、串口仪器、USB等。这里主要讲数据采集卡。DAQ（Data Acquisition）数据采集卡是指基于计算机标准总线（如ISA、PCI、USB等）的内置功能插卡。其中USB是最
10、新技术的数据采集卡，具有精度高，可携性好等优点，它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性；利用DAQ卡可方便快速地构建虚拟仪器系统。在性能上，随着A/D转换技术，滤波技术和信号调理技术的发展，DAQ卡的采样速率已达1GB/s，精度高达24位，通道数高达64个，并具有数字I/O，模拟I/O和计数器/定时器等通道。各仪器厂家生产了大量的DAQ卡功能模块供用户选择，如示波器、串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等。在计算机上挂接多个DAQ功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有多功能的测试仪器。这种基于计算机的仪器，既具有高档仪器的测量品质，又能满足测量需求的多
11、样性。对我国大多数用户来说，它具有很高的性能价格比，是一种特别适合我国国情的虚拟仪器方案。2.1.5 虚拟仪器的软件结构虚拟仪器技术的核心是软件，其软件基本结构如图3所示。用户可以采用各种编程软件来开发自己所需要的应用软件。以美国NI公司的软件产品LabVIEW和LabWindows/CVI为代表的虚拟仪器专用开发平台是当前流行的集成化开发工具。这些软件开发平台提供了强大的仪器软面板设计工具和各种数据处理工具，再加上虚拟仪器硬件厂商提供的各种硬件的驱动程序模块，简化了虚拟仪器的设计工作。随着软件技术的迅速发展，软件开发的模块化、复用化，和各种硬件仪器驱动软件的模块化、标准化，虚拟仪器软件开发将
12、变得更加快速、方便。图3 虚拟仪器软件结构2.2虚拟仪器的开发软件2.2.1 图形化虚拟仪器开发平台LabVIEWLabVIEW（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/PI、ActiveX等软件标准的库函数，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更加形象
13、化。传统的文本式编程是一种顺序的设计思路，设计者必须写出执行的语句。而LabVIEW是基于数据流的工作方式，同时是基于图形化的编程，这使得设计者不必掌握大量的编程语言和程序设计技巧便可设计出虚拟仪器系统11。目前，在以PC机为基础的测试和工控软件中，LabVIEW的市场普及率仅次于C+/C语言。LabVIEW具有一系列无与伦比的优点：首先，LabVIEW作为图形化语言编程，采用流程图式的编程，运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常相似；同时，LabVIEW提供了丰富的VI库和仪器面板素材库，近600种设备的驱动程序（可扩充）如GPIB设备控制、V
14、XI总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储；并且LabVIEW还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够设置断点，调试过程中可以使用数据探针和动态执行程序来观察数据的传输过程，更加便于程序的调试。因此，LabVIEW受到越来越多工程师、科学家的普遍青睐。2.2.2 基于LabVIEW平台的虚拟仪器程序设计所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器（VI），它包括前面板（Front Panel）、流程图（Block Diagram）以及图标/连结器（Icon/Connector）三部分。1）前面板：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
15、象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制和显示对象。但并非画出两个控件后程序就可以运行，在前面板后还有一个与之对应的流程图。2）流程图：流程图提供VI的图形化源程序。在流程图中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件连线端子，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。如果将VI与传统仪器相比较，那么前面板上的控件对应的就是传统仪器上的按钮、显示屏等控件，而流程图上的连线端子相当于传统仪器箱内的硬件电路。在许多情况下，使用VI可以仿真传统仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与传统标准仪器相差无几。系统设
16、计理论及硬件平台的实现3.1数据采集理论该部分主要包括数据采集技术概述，传感器，输入信号的分析、调理以及测量系统的选择，下面分别予以说明。3.1.1 数据采集技术概论在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。各种类型信号采集的难易程度差别很大。实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。假设现在对一个模拟信号x（t）每隔t时间采样一次。时间间隔t被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数l/t被称为采样频率，单位是采样数/每秒。t0，t，2t，3t等等，x（t）的数值就被称为采样值。所有x（0），x
17、（t），x（2t）都是采样值。这样信号x（t）可以用一组分散的采样值来表示：x（0），x（t），x（2t），x（3t），x（kt），图4显示了一个模拟信号和它采样后的采样值。采样间隔是t，注意，采样点在时域上是离散的。图4模拟信号采样图如果对信号x（t）采集N个采样点，那么x（t）就可以用下面这个数列表示：X=x0，xl，x2，x3，xNl这个数列被称为信号x（t）的数字化显示或者采样显示。这个数列中仅仅用下标变量编制索引，而不含有任何关于采样率（或t）的信息。所以如果只知道该信号的采样值，并不能知道它的采样率，缺少了时间尺度，也不可能知道信号x（t）的频率。根据采样定理，最低采样频率必须是信
18、号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。图5和图6显示了一个信号分别用合适的采样率和过低的采样率进行采样的结果。图5 合适采样率采样波形图6 采样率过低采样波形采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠。出现的混频偏差是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集（A/D）之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。理论上设置采样频率
19、为被采集信号最高频率成分的2倍就够了，但实际上工程中选用5-10倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。3.1.2 采集系统的一般组成3.1.3 传感器传感器部分是跟外界沟通的门户，负责把外界的各种物理信息，如光、压力、温度、声音等物理信号变成电信号。因为被测试对象的信号来源已经是变换好了的电信号，所以传感器部分在设计中没有得到具体体现，但是这部分是设计过程中必需要考虑的。3.1.4 信号调理从传感器得到的信号大多要经过调理才能进入数据采集设备，信号调理功能包括放大、隔离、滤波、激励、线性化等。由于不同传感器有不同的特性，除了这些通用功能外，还要根据具体传感器的特性和要求来设计特殊的信号调理
20、功能。信号调理的通用功能如下：1）放大 微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声，使调理后信号的电压范围和A/D的电压范围相匹配。信号调理模块应尽可能靠近信号源或传感器，使得信号在受到传输信号的环境噪声影响之前已被放大，使信噪比得到改善。2）隔离 隔离是指使用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号，避免直接的电连接。使用隔离的原因：是从安全的角度考虑；二是隔离可使从数据采集卡读出来的数据不受地电位和输入模式的影响。如果数据采集卡的地与信号地之间有电位差，而又不进行隔离，那么就有可能形成接地回路，引起误差。3）滤波 滤波的目的是从所测量的信号中除去不需要的成分。大多数信号调
21、理模块有低通滤波器，用来滤除噪声。通常还需要抗混叠滤波器，滤除信号中感兴趣的最高频率以上的所有频率的信号。另外，某些高性能的数据采集卡自身带有抗混叠滤波器。4）激励 信号调理也能够为某些传感器提供所需的激励信号，比如应变传感器、热敏电阻等就需要外界电源或电流激励信号。很多信号调理模块都提供电流源和电压源以便给传感器提供激励。5）线性化 许多传感器对被测量的响应是非线性的，因而需要对其输出信号进行线性化，以补偿传感器带来的误差。目前，数据采集系统也可以利用软件来解决这一问题。6）数字信号调理 即使传感器直接输出数字信号，有时也有必要进行调理，其作用是将传感器输出的数字信号进行必要的整形或电平调整
22、。大多数数字信号调理模块还提供其他一些电路模块，使得用户可以通过数据采集卡的数字I/O比直接控制电磁阀、电灯、电动机等外部设备。如下是稳压模块设计，通过输出+-12V驱动信号调理电路进行信号采集。图8 +-12V稳压电源如下是信号调理电路。利用1mA恒定电流通过pt100热电阻产生相应的电压再通过低通滤波器滤掉100hz以上的信号。利用差动放大器放大12倍再通过滤波器放大1.6倍。然后输出到数据采集卡进行信号采集。图9 热电阻调理电路3.1.5 输入信号的类型在进行数据采集前，必须对要采集的信号有所了解，因为不同信号的测量方式和对采集系统的要求是不同的，只有了解被测信号，才能选择合适的测量方式
23、和采集系统。任意一个信号是随时间而改变的物理量。一般情况下，信号所运载信息是很广泛的，比如：状态（State）、速率（Rate）、电平（Level）、形状（Shape）、频率成分（Frequency Content）。根据信号运载信息方式的不同，可以将信号分为模拟或数字信号。数字信号又可分为开关信号和脉冲信号。模拟信号则可分为直流、时域、频域信号。1）数字信号（Digital）第一类数字信号是开关信号（On-Off），如图10所示。一个开关信号运载的信息与信号的瞬间状态有关。TTL信号就是一个开关信号，一个TTL信号如果在2.0V到5.0V之间，就定义它为逻辑高电平，如果在0到0.8V之间，就
24、定义为逻辑低电平。图10 开关信号第二类数字信号是脉冲信号（Pulse Train），如图11所示。这种信号包括一系列的状态转换，信息就包含在状态转化发生的数目、转换速率、一个转换间隔或多个转换间隔的时间里。图 11 脉冲信号2）模拟信号（Analog）模拟直流信号（DC）是静止的或变化非常缓慢的模拟信号，如图12所示。图 12模拟直流信号直流信号最重要的信息是它在给定区间内运载的信息的幅度。常见的直流信号有温度、流速、压力、应变等。采集系统在采集模拟直流信号时，需要有足够的精度以正确测量信号电平。模拟时域信号（Time Domain）运载的信息不仅有信号的电平，还有电平随时间的变化，如图13
25、所示。在测量一个时域信号或者说是波形时，需要关注波形形状的特性，如斜度、峰值等。为了测量一个时域信号，必须有一个精确的时间序列，间隔也要合适，以保证信号的有用部分被采集到。现实中存在许多不同的时域信号，比如心脏跳动信号、视频信号等，测量它们通常是因为对波形的某些方面的特性感兴趣。图 13 模拟时域信号模拟频域信号（Frequency Domain）与时域信号类似，但从频域信号中提取的信息是信号的频域内容，而不是波形的形状，也不是随时间变化的特性，如图14所示。用于测量一个频域信号的系统必须有必要的分析功能，用于从信号中提取频域信息。为了实现这样的数字信号处理，可以使用应用软件或特殊的DSP硬件
26、来迅速而有效地分析信号。模拟频域信号也很多，比如声音信号、地球物理信号、传输信号等。图 14 模拟频域信号现实中的信号并不是互相排斥的，一个信号可能运载有不只一种信息，可以用几种方式来定义信号并测量它，用不同类型的系统来测量同一个信号，从信号中取出需要的各种信息。3.1.6 输入信号的连接方式一个电压信号可以分为接地和浮动两种类型。测量系统可以分为差分（Differential）、参考地单端（RSE）、无参考地单端（NRSE）三种类型。1）接地信号接地信号，就是将信号的一端与系统地连接起来，如大地或建筑物的地。因为信号用的是系统地，所以与数据采集卡是共地的。接地最常见的例子是通过墙上的接地引出
27、线，如信号发生器和电源。2）浮动信号一个不与任何地（如大地或建筑物的地）连接的电压信号称为浮动信号，浮动信号的每个端口都与系统地独立。一些常见的浮动信号的例子有电池、热电偶、变压器和隔离放大器。3.1.7 测量系统分类1）差分测量系统（DEF）差分测量系统中，信号输入端与一个模拟入通道相连接。具有放大器的数据采集卡可配置成差分测量系统。图15描述了一个8通道的差分测量系统，用一个放大器通过模拟多路转换器进行通道间的转换。标有AIGND（模拟输入地）的管脚就是测量系统的地。一个理想的差分测量系统仅能测出（+）和（-）输入端口之间的电位差，完全不会测量到共模电压。然而，实际应用的板卡却限制了差分测
28、量系统抵抗共模电压的能力，数据采集卡的共模电压的范围限制了相对与测量系统地的输入电压的波动范围。共模电压的范围关系到一个数据采集卡的性能，可以用不同的方式来消除共模电压的影响。如果系统共模电压超过允许范围，需要限制信号地与数据采集卡的地之间的浮地电压，以避免测量数据错误。图 15八通道差分测量系统2）参考地单端测量系统（RSE）一个RSE测量系统，也叫做接地测量系统，被测信号的一端接模拟输入通道，另一端连接系统地AIGND。图16表示了一个16通道的RSE测量系统。图16十六通道RSE测量系统3）无参考地单端测量系统（NRSE）在NRSE测量系统中，信号的一端接模拟输入通道，另一端接一个公用参
29、考端，但这个参考端电压相对于测量系统的地来说是不断变化的。图17说明了一个NRSE测量系统，其中AISENSE是测量的公共参考端，AIGND是系统的地。图 17 十六通道NRSE测量系统3.2数据采集卡的选择数据采集板卡的性能与众多因素相关，要根据具体情况来具体分析。所以在选择数据采集卡构成系统时，首先必须对数据采集卡的性能指标有所了解。3.2.1 数据采集卡的主要性能指标1）采样频率采样频率的高低，决定了在一定时间内获取原始信号信息的多少，为了能够较好的再现原始信号，不产生波形失真，采样率必须要足够高才行。根据奈奎斯特理论采样频率至少是原信号的两倍，但实际中，一般都需要510倍。2）采样方法
30、采集卡通常都有好几个数据通道，如果所有的数据通道都轮流使用同一个放大器和A/D转换器，要比每个通道单独使用各自的经济的多，但这仅适用于对时间不是很重要的场合。如果采样系统对时间要求严格，则必须同时采集，这就需要每个通道都有自己的放大和A/D转换器。但是处于成本的考虑，现在普遍流行的是各个数据通道公用一套放大器和A/D转换器。3）分辨率ADC的位数越多，分辨率就越高，可区分的电压就越小。例如，三位的A/D转换把模拟电压范围分成23=8段，每段用二进制代码在000到111之间表示。因而，数字信号不能真实地反映原始信号，因为一部分信息被漏掉了。如果增加到十二位，代码数从8增加到212=4096，这样就可以获得就能获得十分精确的模拟信号数字化表示。4）电压动态范围电压范围指ADC能扫描到的最高和最低电压。一般最好能够使进入采集卡的电压范围刚好与其符合，以便利用其可靠的分辨率范围。例如，一个12位多功能DAQ卡，其可选的范围从0到10V，或5到5V，其可选增益有1，2，5，10，20，50或100。电压取值范围从0
