基于虚拟仪器的压力监测系统正稿.doc

基于虚拟仪器的压力监测系统基于虚拟仪器的压力监测系统第1章 绪论1.1论文背景随着天然气使用的普及，越来越多的天然气开始被应用于居民的生活以及各行各业的工作中。随之而来的就是更多的天然气管道被铺设在城市以及工业现场。天然气开始担任更多的关键角色，比如医院，工厂，学校的供暖设施，居民的日常生活等。这就对供气站的供气质量提出了更高的要求。当供气站的供气压力由于阀门堵塞而变的很小时，经过管道的运输减压，到达使用端时供气压力已经不能使天然气被正常使用了。或则当高压段的阀门没有很好的减压，而使天然气在管道中以很高的压力来传输时，就有可能使管道爆破，而天然气又属于易燃易爆的气体，这样就会带来安全事故。所以对供气站供气压力的检测是非常重要的。天然气中转站图1-1一般分为高压中转站和中压中转站。其中高压中转站一般设立在天然气被开采的那一端，它主要负责将天然气运输到各个城市。中压中转站一般设立在大型医院，工厂或则居民区里，它主要负责将天然气运输到各个使用端口。而压力记录仪一般就使用在天然气中转站中。用来实时的监测管道的压力。图1-1天然气中转站示意图一般我们是在供气站阀门的两侧来采集压力值，根据两侧的压力值来判断出当前阀门是否正常工作，再分别根据两侧的压力值来判断压力是否超出了标准范围，从而采取相应的措施。所以为了保证天然气的供气质量，对压力的监测是非常重要的。当供气压力不正常的时候，现场工人就能够及时的去调整减压阀门或则检查运输管道。如上图所示，由高压侧运输过来的天然气首先经过中压进气阀门的调节，然后由过滤器过滤，由于运输过来的天然气里可能含有杂质，所以必须要经过过滤器来过滤杂质，否则，运输时间长了以后就有可能堵塞阀门或则管道，从而造成通气不畅。在经过过滤器之后，就要由我们的压力检测设备来检测主调压阀之前的压力值了，进口的压力范围一般在0.020.8MPa，所以，在高压侧我们要采用一个量程大的压力记录仪P1，在经过主调压器之后，管道气体的压力范围一般在1.5440KPa 之间，所以我们采用一个量程小的压力记录仪P2 来测量压力就行了。当中压出气处的压力过大时，安全阀门就会打开，从而主阀门关闭。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 。电子测量技术作为测控技术的一部分，其发展总是与自然科学，特别是电子技术的最新发展紧密相连。从传统的电测量指示仪表、数字化仪表到智能仪器，再到虚拟仪器，电子测量技术发生了革命性变化。虚拟仪器改变了传统测量仪器的概念、模式和结构，用户完全可以自己定义一起的功能和参数，即“软件即是仪器”，虚拟仪器以其特有的优势显示了强大的生命力。虚拟仪器技术综合运用了计算机技术、数字信号处理技术、标准总线技术和软件工程技术，代表了测量仪器与自动测试系统的未来发展方向。采用虚拟仪器构建测试仪器，开发效率高，可维护性强，测试精度、稳定性和可靠性能够得到充分的保证，具有很高的性能价格比，节省投资，便于设备的更新和功能的转换与补充。因此，虚拟仪器在产品性能测试、设备故障诊断、生产过程控制中得到普遍应用。1.2 国内外研究进展对于天然气管道压力检测设备的研究，到目前为止在国外的文献上还查不到太多电子式的压力记录设备，大多还是采用机械式的压力监测设备。从很早就开始了研究。根据我国的天然地理位置，天然气主要集中在四川省。我国建成的第一条天然气运输线是巴渝输送管道，当时还是采用机械式的压力表来监控的配气站压力。然而随着电子技术的发展，最近我国国内涌现出了一批制造电子式压力记录仪的公司，比如：（1）北京中西远大科技有限公司。他们生产的DruckTest2000，主要用于天然气管道的压力检测。屏幕上可以同时显示历史最大和最小压力值，以及当前压力值。测量范围020MPa 以及20200MPa，测量精度能够达到0.5%。（2）宝鸡恒通电子有限公司。他们生产的平膜型NP93420-II 压力记录仪，也主要是应用于天然气管道的压力测量，测量范围07MPa，最小量程为5KPa，测量精度能够达到0.1%。（3）广州骏凯电子科技有限公司。他们生产的便携式数字微压记录仪JKDP2000，主要应用于各种管道，烟道内较小静压，全压，动压的测量。它具有体积小，重量轻，现场测试准确，简便，快速等特点。它的测量范围是01999Pa，分辨率能够达到1Pa 左右。1.3论文主要任务本论文的主要任务有：（1）研究目前天然气管道压力的监测方法。（2）学习虚拟仪器Labview并利用其进行图形化编成；（3）调试程序并实现对天然气管道气体压力的虚拟监控；1.4课题的实现对于本课题，有很多的实现方法，然而由于资金与实验条件的多种限制，我只能用虚拟仪器的方式来简单地模拟天然气管道压力监测。而如今的科技发展离不开计算机，而作为PC机应用程序的Labview作为一种图形化编程的语言,使用方便而且满足功能因此被我选择使用设计并实现此课题。Labview是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是Labview与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而Labview使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。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。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框图。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。38基于虚拟仪器的压力监测系统第2章 压力监测系统总体设计2.1设计思路本设计为天然气管道气压监测系统，并通过Labview进行图形化编程。整体设计思路如下：利用压力传感器监测压力信号此信号为模拟信号，并由数据采集系统进行A/D信号转换将模拟信号转换成数字信号送入PC机。进入PC机的数字信号由Labview软件采集，通过设计图形化的界面实现对天然气管道气体压力的动态数据（波形）显示并实现简单的报警和控制。在采集信号的同时可设定信号上限，超出的信号不能显示出来并使路灯闪亮(报警)。对于虚拟仪器LABVIEW，软件才是它的核心。在规划、设计整个系统软件时应坚持以下几个原则：操作界面友好，使用方便。以方便习惯使用现有测量仪的人员的使用；另一方面也是让工作人员更容易接受这套系统。labview软件设计动态特性测试系统，实现数据采集、波形显示、静态特性分析、数据保存及回放等功能。这些功能主要通过Labview软件实现的。本实验的软件部分主要设计四个部分：信号的采集、数据的写入、数据的读出、数据的拟合。最后在软件的前面板显示出动态特性测试结果。图2-1为系统总体设计框图。信号输入输出信号数据采集PC机LABVIEW图2-1系统总体设计框图利用压力传感器，传感器输出的信号送入电路转换为电压信号，再送入数据采集卡将模拟量到数字量的转换，并输入到PC机中，然后利用PC机中的LABVIEW图形化编程软件将输入的电压信号处理输出并且显示，并对信号进行分析对超限信号起到报警功能和简单的控制功能。图2-2为系统的总细节框图。报警LABVIEW数据处理压力传感器接受压力信号数据采集卡接受模拟信号进行A/D转换成数字信号压力信号存储显示压力数据的曲线和数字实时显示数据接收控制图2-2 系统总体细节框图 第3章 压力传感器3.1 压力传感器定义压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。3.2 压力传感器分类1.应变片压力传感器电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。2.陶瓷压力传感器抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变。3.扩散硅压力传感器工作原理被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。4.蓝宝石压力传感器利用应变电阻式工作原理，采用硅- 蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。 5压电压力传感器压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失。3.3 传感器的使用原则现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 1根据测量对象与测量环境确定传感器的类型要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。2灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。3.频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。4.线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。5.稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。6.精度精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。3.4 传感器的选用3.4.1 传感器的选用综上本设计选用PY206天然气管道气压传感器。PY206天然气管道气压传感器：采用全不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性。广泛用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力测量与控制。图3-1为PY206天然气管道气压传感器的实物图。图3-1实物图3.4.2 PY206天然气管道气压传感器特点产品概述及特点:A、 采用进口感压芯片；B、 选进的贴片工艺，具有零点、满量程补偿，温度补偿；C、 高精度和高稳定性放大集成电路；D、 全封焊结构、抗冲击、耐疲劳、可靠性高；E、 输出信号多样化（有电流型、电压型）；F、 结构小巧，安装方便；G、 采用高温补偿最高介质温度可达350度。3.4.3 PY206天然气管道气压传感器性能技术指标PY206天然气管道气压传感器的主要参数： 被测介质：气体、液体及蒸气 量 程：-100KPa60Mpa 综合精度：0.25%FS、0.5%FS 输 出：420mA 或 05VDC、010VDC、0.54.5VD 供 电： 24V Dc（936VDC） 绝缘电阻： 1000 M/100VDC 负载电阻: 电流输出型：最大800 电压输出型：大于50K 介质温度： -2085、-20150、-20200、-20300（可选） 环境温度：-2085 储存温度：-4090 相对湿度： 095% RH 密封等级：IP65/IP68 过载能力： 150%FS 响应时间：10mS 稳 定 性：0.15%FS/年 振动影响：0.15%FS/年（机械振动频率20Hz1000Hz） 电气连接：紧线螺母直接出线；标准配线3米 压力连接：M201.5，其它螺纹可依据客户要求设计 连接螺纹材料：304/316L不锈钢第4章 数据采集4.1数据采集数据采集(DAQ)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析,处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。通常，必须在数据采集设备采集之前调制传感器信号,包括对其进行增益或衰减和隔离,放大,滤波等.对待某些传感器，还需要提供激励信号在工业现场，我们会安装很多的各种类型的传感器，输入压力的温度的流量的声音的电参数的等等，受现场环境的限制传感器信号如压力传感器输出的电压或者电流信号不能远传或者因为传感器太多布线复杂，我们就会选用分布式或者远程的采集卡（模块）在现场把信号较高精度地转换成数字量，然后通过各种远传通信技术（如485、232、以太网、各种无线网络）把数据传到计算机或者其他控制器中进行处理。这种也算作数据采集卡的一种，只是它对环境的适应能力更强，可以应对各种恶劣的工业环境。4.2数据采集的基本概念(1)采样率：对于数据采集设备来讲采样率就是进行A0转换的速率，不同的设备具有不同的采样率，进行测试系统设计时应该根据测试信号的类型选择合适的采样率，盲目提高采样率，会增加测试系统的成本。(2)分辨率：分辨率是数据采集设备的精度指标，用模数转换器的数字位数来表示。如果把数据采集设备的分辨率看作尺子上的刻线，同样长度的尺子越多，测量就越精确。同样的，数据采集设备模数转换的位数越多，把模数信号划分的就越细，可以检测到的信号变化量也就越小。例如，三位转换把模拟电压范围分成23段，每段用二进制代码在000到111之间表示。因而，数字信号并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16位，代码数从8增加到65535，这样就可以较精确地反映原始信号的数字信息。目前工程上常用的数据采集卡分辨率最低为12位，可以满足一般的应用要求，对于有较高要求的场合，可以使用16位或24位的数据采集卡。本系统采用的数据采集卡分辨率为12位。(3)通道：通道一般分为物理通道和虚拟通道两种。物理通道是测试和产生模拟或数字信号的端子，每个通道可以包含多个端子，例如，每个数字通道可以包含8个端子(8根数字线)。每个物理通道都有一个唯一的名称，这个名称通常根基DAQ的命名原则来命名(例如Devai0)。虚拟通道是物理通道和通道信息的封装体。虚拟通道是由DAQ库VI创建的。根据功能的不同，虚拟通道也分为几大类：模拟输入通道、模拟输出通道、数字输入输出通道、计数器输入输出通道。如果用户没有指定虚拟通道的名称，则DA0会自动分配一个名称。目前数据采集卡一般有16通道和64通道，可以根据被测试信号的数量选择，如果有更多的信号需要测试可以采用多个数据采集卡，或使用多路复用板。(4)缓存：缓存通常指计算机为某个特殊目的而开辟的临时数据存取空间。例如，当需要采集很多数据时，同时处理和分析这些数据对于计算机来讲，负荷是很大的，这时就可以先把采集来的数据放进缓冲区，稍后再进行分析。因此缓存大小的设置和采集速率有很大的关系。表21是采样率和相应缓存区的大小。如果DAQ卡具有DMA功能，即模拟输入操作存在一个硬件的高速通道用于通向计算机内存，这时所采集的数据可以直接传给计算机内存，极大地增加了采集速度。在某些情况下，是必须要用到缓存功能的。i采集速率过大，超过计算机处理数据的能力：ii需要连续采集，并且实时分析这些数据：iii采集周期必须准确均匀。使用缓存就意味着增加计算机开支，因此没有必要可以不用缓存。i采集数据少，例如每秒从一个通道采集单个数据；ii需要缩减存储器开支。表4-1采集率和相应的缓存区的大小采集率(采集点数)缓存区大小没有指定采集率10KB01001KB10010k10KB10K1M100KB1M1MB4.3UA301 型 数据采集器综上我的设计为监测天然气管道气体压力且考虑到采集器的使用的方便普遍最适合使用USB采集，而基于我所设计内容我选用UA301 型 数据采集器来完成。将采集到的信号放大滤波后，由UA301 型 数据采集器进行A/D转换并将其送入PC机中。虚拟仪器是计算机和仪器技术深层次结合的产物,它将计算机硬件资源仪器与测控系统硬件资源和虚拟仪器软件资源有效结合起来。基于UA301 型 数据采集器和LabVIEW图形化编程语言组成虚拟仪器测试系统的硬件和软件以及仪器的功能特点,实现了数据采集测试的控制与实时显示数据存储与分析等功能,提高了测试的精度。且灵活性好,能够根据需要方便携带移动应用到其它的测试场合。4.3.1UA301 型 数据采集器简介图4-1UA301 型 数据采集器实物图UA301型数据采集器是USB总线数据采集产品, 可与带USB接口的各种台式计算机, 笔记本机, 工控机连接构成高性能的数据采集测量系统. 该产品采用美国新型 12位A/D转换芯片, 设计讲究, 测量精度高 （保证 12bit 精度， 恒定输入无跳码） , 速度快, 编程简便, 且具有USB设备体积小巧, 连接方便, 无需外接电源, 即插即用, 可带电拔插等特有优点. 可广泛应用于科学实验, 工业测量控制领域。 UA301 型 数据采集器一.主要功能及特点 分辩率 : 12bit 16或32模入通道 实用最高采样频率 : UA301 100KHz 装有控放大器 任意设定采样通道数, 可通道自动扫描采集 16KB先进先出(FIFO)缓冲存储器, 可实现自动数据块采集 软件或定时器触发采样, 可任意设定采样频率 可加装数字量I/O 可最高频率连续大数据量采集存盘 带DC/DC隔离电源, 精度稳定 小盒式, 小机箱式, 或卡式供应, 方便使用 丰富的软件支持 二.技术指标 1.A/D部分 分辩率: 12bit 精度: 优于0.05(满量程) 最高实用采样频率: UA301 100KHz 模入通道: 16或32 单端 模入范围: 5V 程控增益：1、2、4、8、16倍 ( 可扩充为: 1、2、4、8、16、32、64、128 ) 输入阻抗: 100M 触发方式: 定时器触发, 软件触发 FIFO存储器: 16KB 2.数字量I/O 数字量I/O: (可扩至8DI/8DO) 可编程输入或输出 TTL电平兼容 3.定时计数器 3通道可编程定时4.3.2数据采集硬件连接一A/D卡的连接 UA301盒式采集器一端装有一只37芯D型插座, 另一端装有方形USB插座. 使用时, 37芯D型插座接信号; USB插座接USB电缆, 电缆另一端接主机USB插口. 37芯D型插座, 定义如下图: 其中: CH x 为模拟输入通道 D x 数字量 I/O线 1.16通道模拟输入型信号插座定义（孔型）: 2.32通道模拟输入型信号插座定义（孔型）: 4.3.3安装驱动软件及应用软件一 安装驱动程序 UA301 使用时需要安装设备驱动程序. 一台计算机在第一次连接UA301时需要人工安装设备驱动程序, 以后再连接UA301时设备驱动程序会自动安装. 下面介绍人工安装设备驱动程序的方法. 步骤一: 当计算机在开机状态, WINDOWS正常运行时, 将USB电缆方形端插入UA301采集器(电缆另一端应预先插在计算机任意USB插口上)。此时屏幕出现“找到新的硬件设备”。步骤二：点击下一步，出现对话窗口： 步骤三：选择“搜索设备的最新驱动程序”，点击下一步，出现对话窗口步骤四：将UA300 驱动光盘插入 驱动器，选择“搜索软盘驱动器”，点击下一步，出现对话窗口： 步骤五：点击下一步，出现对话窗口： 步骤六：点击完成，驱动程序安装成功了！ 二安装应用软件UA300 光盘上还提供了其它软件工具，如：动态连接库，演示应用软件等，应该把它们拷入硬盘以便使用安装方法是：将软盘中UA300文件夹直接拷入任意硬盘即可 三运行程序安装软件后，您就可以运行程序，测试一下采集器了双击硬盘中UA300文件夹，运行其中UA301.exe 文件即可进入双通道采集示波界面， 此时在模拟通道0或1接入信号源或用手触摸输入端便可见到采集波形显示 点击“Fr.”按钮可改变采集频率 点击“CH+”按钮可改变通道 点击“数据.”按钮可显示电压值 点击“G+.”按钮可改变放大倍数 点击画面可冻结波形，再次点击画面可回复动态采集 其余可按照界面提示操作 第5章 虚拟仪器的概述 5.1 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。NI公司同时也提出了“软件即仪器”的口号，彻底打破了传统仪器只能由厂家定义，用户无法改变的局面，从而引起了仪器和自动化工业的一场革命。随着现在硬件和软件技术的飞速发展，仪器的智能化和虚拟化成为各级实验室以及研究机构发展的方向。虚拟仪器，它既具有传统仪器的功能，又有别于其他传统仪器。它能够充分利用和发挥现有计算机的先进技术，使仪器的测试和测量及自动化工业的系统测试和监控变得异常方便和快捷。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、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。虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。虚拟仪器以通用计算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。软件是虚拟仪器的关键，当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求。利用计算机丰富的软、硬件资源，可以大大突破传统仪器的数据的分析、处理、表达、传递、存储等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。它不仅可以用于电子测量、测试、分析、计量等领域，而且还可以用于进行设备的监控以及工业过程自动化。虚拟仪器还可以广泛用于电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等多个方面。虚拟仪器的设计方法和实现步骤与一般软件的设计方法和实现步骤基本相同 ，只不过虚拟仪器设计时要考虑硬件部分。虚拟仪器设计方法主要包括以下三个部分： 1.IO接口仪器驱动程序的设计2.仪器面板的设计3.仪器功能算法的设计5.2 虚拟仪器的组成虚拟仪器从构成要素上讲，由计算机、应用软件和仪器硬件等构成；从构成分式上讲则由以DAQ板和信号调理为仪器硬件而组成的PC-DAQ测试系统，或已GPIB，VXI，Serial和Field bus等标准总线仪器为硬件组成的GPIB系统、VXI系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。虚拟仪器的构成如图5-1所示。测控对象信号调理数据采集GPIB接口仪GPIB接口卡串行口仪器VXI仪器现场总线设备其它硬件Labview图5-1 虚拟仪器组成框图目前，虚拟仪器的构成方式有以下几种：1.PC-DAQ插卡式的VI这种方式用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件，便可构成各种数据采集和虚拟仪器系统。它充分利用了计算机的总线、机箱、电源以及软件的便利，其关键在于A/D转换技术。这种方式受PC机机箱、总线限制，存在电源功率不足，机箱内噪声电平较高、无屏障，插槽数目不多、尺寸较小等缺点。随着基于PC的工业控制计算机技术的发展，PC-DAQ方式存在的缺点已经和正在被克服。因个人计算机数目非常庞大，插卡式仪器价格便宜，因此其用途广泛，特别适用于工业测控现场、各种实验室和教学部门使用。2.并行口式的VI最新发展的可连接到计算机并行口的测试装置，其硬件集成在一个采集盒里或探头上，软件装在计算机上，可以完成各种VI功能。它的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC相连，实现台式和便携式两用，非常方便。3.GPIB总线方式的VIGPIB（General Purpose Interface Bus）技术是IEEE488标准的VI早期的发展阶段。它的出现使电子测量由独立的单台的手工操作向大规模自动测试系统发展。典型的GPIB系统由一台PC机，一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下，一块GPIB接口卡可带多达14台的仪器，电缆长度可达20m。GPIB技术可以用计算机实现对仪器的操作和控制，代替传统的人工操作方式，很方便的把多台机器组合起来，形成大的自动测试系统。GPIB测试系统的结构和命令简单，造价较低，主要市场在台式仪器市场。适用于精确度要求高，但对计算机速率要求和总线控制实时性要求不高的场合应用。4.VXI总线方式的VI VXI总线是VMEbus eXtension for Instrumentation的缩写，是高速计算机总线VME在VI领域的扩展，有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。由于它的标准开放，且具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，得到广泛的应用。经过多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，有其他仪器无法比拟的优势，适用于组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合，但VXI系统要求有专用的机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。5.PXI总线方式的VI PXI总线是PCI eXtension for Instrumentation 的缩写，是PCI在VI领域的扩展。这种新型模块化仪器系统是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，具有多板同步触发、精确定时的星形触发、相邻模块间高速通讯的局部总线以及高度的可扩展性等优点，适用于大型高精度集成系统。6.网络接口方式的VI尽管Internet 技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起，不过NI等公司已经开发了通过Web浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品，使人们可以通过Internet 操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性，我们能够方便的将虚拟仪器组成计算机网络。利用计算机网络将分散在不同地理位置不同功能的设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。现在，有关MCN（Measurement and Control Networks ）方面的标准正在积极进行，并取得一定的进展。由此可见，网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。7.USB接口方式的VIUniversal Serial Bus（USB）因为其在PC机上的广泛使用、即插即用的易用性和USB2.0高达480Mbits/s的传输速率，逐渐的成为仪器控制的主流总线技术。现在计算机上的USB接口越来越多，也使得工程师可以很方便的将基于USB的测量仪器连接到整个系统中。但是USB在仪器控制方面上亦有一些缺点。比如说USB的排线没有工业标准的规格，在恶劣的环境下，可能造成数据的丢失，此外，USB对排线的距离也有一定的限制。无论哪种VI系统，都是将硬件仪器搭载到笔记本电脑，工作站等各种计算机平台加上应用软件构成的。5.3 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，如图2-1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。虚拟仪器开发者虚拟仪器软件面板虚拟仪器软件开发平台底层驱动程序硬件模块虚拟仪器开发者图5-2 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。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溯到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，仪器级别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IEEE488或GPIB协议。未来的仪器也应当是网络化的。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。虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势，但它并