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虛擬儀器技術(shù)在計算機測控領(lǐng)域得到了快速廣泛的推廣應(yīng)用,從簡單的儀器控制、數(shù)據(jù)采集到尖端的測控和工業(yè)自動化;從大學(xué)實驗室到工業(yè)現(xiàn)場;從探索研究到技術(shù)集成都可以發(fā)現(xiàn)了虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用的很多領(lǐng)域。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對此做了很多的研究工作。
1 虛擬儀器與圖形化編程語言-LabVIEW
虛擬儀器(virtual instrument,VI)是一種基于計算機的儀器,就是在通用計算機上加上軟件和硬件,使得使用者在操作這臺計算機時,就像是在操作一臺他自己設(shè)計的專用傳統(tǒng)電子儀器。在虛擬儀器系統(tǒng)中,硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出,軟件才是整個儀器系統(tǒng)
的關(guān)鍵,任何一個使用者都可以通過修改軟件的方法,很方便地增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模,所以有“軟件就是儀器”之說。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn),徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義,形成用戶無法改變功能的模式,虛擬儀器技術(shù)給用戶一個充分發(fā)揮自己才能和想象力的空間。用戶(而不是廠家)可以隨心所欲地根據(jù)自己的需求,設(shè)計自己的儀器系統(tǒng),滿足多種多樣的應(yīng)用需求。
LabVIEW是美國NI公司開發(fā)的面向計算機測控領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺,它是一種功能強大的圖形編程語言,但它與傳統(tǒng)的文本編程語言(如C語言)不同,采用了一種基于流程圖的圖形化編程形式,因此也被稱為G語言(graphical language)。這種圖形化的編程形式,方便了非軟件專業(yè)的工程師快速編制程序。多任務(wù)并行處理一般是通過多線程技術(shù)來實現(xiàn)的,不同的任務(wù)實際上通過各自的線程輪流占用CPU時間片來達到“同時”處理的目的。LabVIEW也采用了多線程技術(shù),而且與傳統(tǒng)文本式的編程語言相比,有兩大優(yōu)點:LabVIEW把線程完全抽象出來,編程者不需對線程進行創(chuàng)建、撤銷及同步等操作;LabVIEW使用圖形化的數(shù)據(jù)流執(zhí)行方式,因此在調(diào)試程序時,可以非常直觀地看到代碼的并行運行狀態(tài),這使編程者很容易理解多任務(wù)的概念。虛擬儀器的硬件由儀器硬件和計算機硬件2部分組成。應(yīng)用軟件由儀器驅(qū)動程序、開發(fā)環(huán)境和用戶接口3部分組成。
2 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的功能和組成
2.1 系統(tǒng)功能
數(shù)據(jù)采集(data acquisition,DAQ)與處理系統(tǒng)的基本功能是物理信號的測量、采集與處理。要使計算機系統(tǒng)能夠測量物理信號,首先要使用傳感器把物理信號轉(zhuǎn)換成電壓或者電流之類的電信號。通常不能把被測信號直接連接到DAQ卡,而必須使用信號調(diào)理輔助電路,將信號進行一定的預(yù)處理。總之,數(shù)據(jù)采集與處理是借助軟件來控制整個DAQ系統(tǒng)的,包括采集原始數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和輸出與存儲數(shù)據(jù)。
2.2 系統(tǒng)組成
設(shè)計過程中采用煉油廠高溫?zé)煔獍l(fā)電系統(tǒng)的工藝參數(shù)檢測作為應(yīng)用對象。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
系統(tǒng)的硬件包括溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器等傳感器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡和工控機。信號調(diào)理模塊選用的是美國國家儀器公司的NI SCXI-1102型溫度調(diào)理模塊和NI SCXI-1520型應(yīng)變信號調(diào)理模塊,用這2個模塊完成對采集信號的預(yù)處理;數(shù)據(jù)采集卡采用的是NI USB-6008DAQ型;工控機采用的是具有PXI插槽的一臺計算機和一臺PC機。
整個系統(tǒng)共設(shè)置8路模擬輸入端口,2路模擬輸出端口,12路數(shù)字輸入/輸出端口,1路事件計數(shù)端口。
(1)NI SCXI-1102的特點和功能。NI SCXI-1102專為高精度熱電偶測量而設(shè)計。它們具有相同的架構(gòu),該架構(gòu)的每路輸入通道包括了一個儀器放大器和一個2 Hz的低通濾波器。在此架構(gòu)下,可以通過高達333 SPS(每通道3μs)的速度來掃描SCXI-1102及其他模塊的模擬輸入通道,也可掃描冷端溫度補償傳感器及其他輸入通道。SCXI-1102可采集mV、V、0~20 mA以及4~20 mA電流的輸入信號。每個模塊的所有通道都可以被DAQ設(shè)備的某一路通道采集,也可另加模塊,以增加通道數(shù)。
(2)NI SCXI-1520的特點和功能。NI SCXI-1520是8通道通用應(yīng)變片輸入模塊,具有進行簡單或高級應(yīng)變測量所需要的所有功能。用戶可借助這一模塊,從應(yīng)變傳感器、力傳感器、扭矩傳感器和壓力傳感器上讀取信號。NI SCXI-1520包含在各類環(huán)境中均適于自動校準的板載參考電壓。它的每路通道均配有可編程放大器和4級可編程Butter worth濾波器。每條通道還具有一個獨立0~10 V可編程激勵源。此外,SCXI-1520系統(tǒng)在模塊內(nèi)部提供了組成半橋電路的電阻網(wǎng)絡(luò),并在SCXI-1314接線盒提供了1個350 Ω的插座式電阻,用以組成l/4橋。120 Ω的1/4橋電阻均隨附于接線盒。
(3)USB接口及NI USB-6008 DAQ的特點和功能。通用串行總線(universal serial bus,USB)是目前電腦上應(yīng)用較廣泛的接口規(guī)范,USB接口是電腦主板上的一種四針接口,其中中間2個針傳輸數(shù)據(jù),兩邊2個針給外設(shè)供電。USB接口速度快,連接簡單,不需要外接電源,同時對外設(shè)有良好的兼容性,最多可連接127臺外設(shè)。USB有2個規(guī)范,即USB 1.1和USB2.0。
USB通用串行總線是由Intel,Microsoft,Compaq,IBM,NEC,Northern Telcom等幾家大廠商發(fā)起的新型外設(shè)接口標(biāo)準。USB傳輸速度12 Mb/s,最新USB2.0可達480 Mb/s;電纜最大長度5 m,USB電纜有4條線,2條信號線,2條電源線,可提供5 V電源;USB電纜還分屏蔽和非屏蔽2種,屏蔽電纜傳輸速度可達12 Mb/s,價格較貴,非屏蔽電纜速度為1.5 Mb/s,但價格便宜;USB通過串聯(lián)方式最多可串接127個設(shè)備,支持即插即用和熱插拔。
NI USB-6008具有基本的數(shù)據(jù)采集功能,其應(yīng)用范圍包括簡單的數(shù)據(jù)記錄、便攜式測量和學(xué)術(shù)機構(gòu)的實驗室試驗,其技術(shù)參數(shù)如表1所示。NI USB-6008可使用LabVIEW或C以及自帶的NI-DAQ mx Base測量服務(wù)軟件編程,創(chuàng)建用戶自定義的測量系統(tǒng)。但這些只能完成簡單的測量和分析,若要完成復(fù)雜的工程運算或?qū)崟r控制還需借助其他的軟件環(huán)境。
3 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)軟件設(shè)計
NI USB-6008通過USB接口與工控機相連,構(gòu)成一個數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。
NI-DAQmx Base具有NI-DAQmx的部分功能,支持Windows,Linux,Mac OS X和Pocket PC操作系統(tǒng)。簡潔的編程接口、可編程通道和任務(wù)生成以及與NI LabVIEW的高度集成使得應(yīng)用開發(fā)極為簡單。該驅(qū)動軟件包含立即可用的LabVIEWVI和C函數(shù)實例,這些實例與具有完整功能的NI-DAQmx軟件中的相似。
數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的軟件包括驅(qū)動程序和用戶應(yīng)用程序,用戶應(yīng)用程序是用虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境LabVIEW設(shè)計的。
系統(tǒng)軟件采用LabVIEW編程,前面板如圖2所示。
4 結(jié)語
設(shè)計測試表明,將虛擬儀器與LabVIEW結(jié)合用于常規(guī)的數(shù)據(jù)采集與處理等任務(wù),可以減少系統(tǒng)的開發(fā)時間,也可提高編程效率,節(jié)省系統(tǒng)成本。
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