摘 要：就目前工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域的現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢(shì),提出了一個(gè)基于虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的綜合測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)論述了以數(shù)據(jù)采集卡和通用PC機(jī)為核心硬件資源,利用LabVIEW語(yǔ)言設(shè)計(jì)一個(gè)綜合測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、結(jié)構(gòu)組成、實(shí)現(xiàn)方法和功能。與傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)相比，基于虛擬儀器技術(shù)的綜合測(cè)試系統(tǒng)，具有可操作性強(qiáng)，通用性好，性價(jià)比高，功能強(qiáng)大，快捷方便，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，在工程實(shí)際中具有廣闊的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵字：虛擬儀器, 綜合測(cè)試, 數(shù)據(jù)采集卡， LabVIEW [b][align=center]Integrated Measurement System Based on Virtual Instrument Technology Que Hao,Yue Rui-hua[/align][/b] Abstract：With a View to the present situation and future development of the industrial automatic control domain,the paper provides a design scheme foraintegrated measurement system based on virtual instrument technology.Taking data acquisition card and generic personel-computer as the primary hardware and using the language LabVIEW to design and development a integrated measurement system,the article discusses in details the system designing idea, frame form, realization method and function. Compared with traditional measurement system, the integrated measurement system based on virtual instrument technology takes on the characteristic of good maneuverability, operation shortcut advantageous, strongly function and can realize automatism data acquisition and remote online condition monitoring, the system has widely applications foreground in practice engineering. Key words: Virtual Instrument, Integrated Measurement, Data Acquisition Card , LabVIEW 1 引言 　　隨著虛擬儀器技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)測(cè)控平臺(tái)進(jìn)行“虛擬化”改造已成為一種潮流。在這種潮流的影響下，我們?cè)谠袦y(cè)控平臺(tái)的基礎(chǔ)上結(jié)合虛擬儀器技術(shù)，建立基于虛擬儀器結(jié)構(gòu)的綜合測(cè)試系統(tǒng)，以改善實(shí)驗(yàn)條件，提高測(cè)試效率，使得數(shù)據(jù)處理更加快捷準(zhǔn)確。虛擬儀器及技術(shù)將成為工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域的重要方法和手段，具有非常廣闊的發(fā)展前景。[1] 2 系統(tǒng)的組成 　　本系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩大部分組成。其中硬件平臺(tái)采用PXI（PCI extensions for instrumention）總線系統(tǒng)，軟件平臺(tái)采用NI公司的LabVIEW（laboratory virtual instrument engineering workbench）可視化圖形編程平臺(tái)。 　　2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 　　系統(tǒng)的硬件主要由傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、PXI主機(jī)、PXI-4472數(shù)據(jù)采集卡和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。 [align=center] 圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　（1）PXI主機(jī)的選擇：PXI最初只能使用內(nèi)嵌式控制器（零槽控制器），后來NI公司又發(fā)布了MXI-3接口，擴(kuò)展了PXI的系統(tǒng)控制。包括直接PC控制、多機(jī)箱擴(kuò)展和更長(zhǎng)的距離控制，擴(kuò)大了PXI的應(yīng)用范圍。由于一個(gè)零槽控制器就需要好幾萬的價(jià)格，比臺(tái)式機(jī)要貴 　　上好幾倍，因此選用臺(tái)式機(jī)加MXI3作為控制方案。從而需要配置PXI8335, PCI8335和兩者通信的光纜連接線。 　　（2）數(shù)據(jù)采集卡和調(diào)理模塊的選擇：由于綜合測(cè)試系統(tǒng)涉及的參數(shù)是很豐富的，有溫度、壓力、振動(dòng)參數(shù)等模擬量，也有數(shù)字信號(hào)量，有些情況下對(duì)信號(hào)測(cè)量的同步性要求比較高，所以我們選擇選擇NI公司的PXI-4472多功能數(shù)據(jù)采集卡和SCXI1121信號(hào)調(diào)理模塊。PXI-4472多功能數(shù)據(jù)采集卡基于PXI總線，將Compact PCI的集成式觸發(fā)功能與 Windows操作系統(tǒng)結(jié)合在一起，在保留PCI總線與Compact PCI模塊結(jié)構(gòu)功能的基礎(chǔ)上，增加了系統(tǒng)參考時(shí)鐘與觸發(fā)器總線等，使得PXI系統(tǒng)更加適合構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)。對(duì)于輸出是非標(biāo)準(zhǔn)的輸出信號(hào)，需要選擇調(diào)理模塊，針對(duì)壓力傳感器和溫度傳感器以及速度傳感器分別選用SCXI1121的模塊。 　　（3）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器件的選擇：考慮到網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)瀏覽和控制的需要，要給系統(tǒng)配置一臺(tái)服務(wù)器和客戶端（調(diào)試用）以及集線器。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候把和PXI通過MXI3連接的PC機(jī)作為服務(wù)器。 　　PXI主機(jī)和PXI-4472多功能數(shù)據(jù)采集卡是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的核心，在系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著接收用戶命令、數(shù)據(jù)采集、波形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析等任務(wù)。 　　2.2系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 　　軟件是虛擬儀器的靈魂。一個(gè)高效的軟件開發(fā)平臺(tái)有利于構(gòu)建功能強(qiáng)大的虛擬儀器系統(tǒng)。本綜合測(cè)試系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)采用NI公司的LabVIEW作為開發(fā)平臺(tái)，LabVIEW主要用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域，是一個(gè)很好的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，它使用圖形化的編程語(yǔ)言，具有形象、直觀、集成度高等特點(diǎn)。LabVIEW程序中包含豐富的函數(shù)庫(kù)，同時(shí)集成了GPIB、 VXI、RS-232、RS-485等通信模塊，可以方便的進(jìn)行模塊化編程;LabVIEW還具有內(nèi)置程序庫(kù)，提供了大量的聯(lián)結(jié)機(jī)制，通過DLLs、共享庫(kù)、OLE等途徑實(shí)現(xiàn)與外部程序代碼或軟件的連接[2,3]。 　　為實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)軟件的可擴(kuò)展和易維護(hù)，需要在系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)階段仔細(xì)地設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)軟件能夠適應(yīng)新的硬件模塊和算法。采用通用框架的處理方法，把數(shù)據(jù)和測(cè)試流程分開，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試軟件的通用性和靈活性。測(cè)試儀器、測(cè)試項(xiàng)目的配置參數(shù)由項(xiàng)目配置文件來保存，測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫(kù)來管理，而測(cè)試流程的任務(wù)則是讀取配置文件的數(shù)據(jù)，配置測(cè)試儀器，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集、分析計(jì)算，以及把測(cè)試結(jié)果寫到測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)中。 　　經(jīng)過分析，可以按照如下功能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)： 　　（1）測(cè)試項(xiàng)目配置：完成測(cè)試項(xiàng)目的工作參數(shù)配置，采用結(jié)構(gòu)化的通用設(shè)計(jì)思想，把測(cè)試過程中用到的硬件參數(shù)，軟件參數(shù)以及一些特殊的要求存到一個(gè)配置文件里，并把必要的參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，測(cè)試的時(shí)候只要調(diào)用各項(xiàng)目的配置文件，就能完成相應(yīng)的測(cè)試任務(wù)，這樣操作人員不需要對(duì)系統(tǒng)有太深的指示，或?qū)τ?jì)算機(jī)要有太多的了解，只需按照測(cè)試流程用鼠標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作即可。綜合測(cè)試系統(tǒng)中的信號(hào)分析系統(tǒng)采用模塊化的軟件編程設(shè)計(jì)思想，每個(gè)分析功能的實(shí)現(xiàn)都由一個(gè)模塊來完成。信號(hào)分析系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、波形顯示、參數(shù)測(cè)量和信號(hào)分析等部分，最終能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、分析和顯示等功能。 　　（2）物理通道的標(biāo)定：由于數(shù)據(jù)采集卡采來的是電壓或電流信號(hào)，并不直接反映物理量的大小，他需要通過一個(gè)轉(zhuǎn)換的過程，這個(gè)過程就叫標(biāo)定。比如從壓力傳感器采到的數(shù)據(jù)是100mv，而實(shí)際上加載在傳感器上的壓力是1Mpa，那么標(biāo)定的結(jié)果就是10Mpa/V。系統(tǒng)實(shí)際工作的過程中存在非線性的誤差，所以在標(biāo)定的時(shí)候要考慮如何進(jìn)行校正，本文在實(shí)現(xiàn)該功能時(shí)應(yīng)用了非線性的校正的方法。 　　（3）系統(tǒng)自檢和數(shù)據(jù)采集卡配置：系統(tǒng)在工作之前需要確保各個(gè)部分都正常工作，所以要對(duì)通道進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自檢。否則當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到后來才發(fā)現(xiàn)出了問題，那樣既浪費(fèi)了人力，又浪費(fèi)的時(shí)間。 　　（4）數(shù)據(jù)采集：這個(gè)部分是系統(tǒng)的重點(diǎn)，也是系統(tǒng)最為復(fù)雜的一個(gè)部分，它包括錄波，數(shù)據(jù)存盤，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)布，簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理等諸多功能。 　　（5）數(shù)據(jù)回放：這個(gè)部分是系統(tǒng)的核心，所有數(shù)據(jù)分析和處理都在這個(gè)部分完成，它包括處理結(jié)果入庫(kù)，報(bào)表自動(dòng)生成，打印報(bào)表等功能。 　　（6）數(shù)據(jù)管理：由于所有的測(cè)試結(jié)果都是要求存入數(shù)據(jù)庫(kù)，所以對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的管理其實(shí)就成了對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)的管理，管理的內(nèi)容包括測(cè)試記錄的檢索等功能，即可以在本地機(jī)管理，也可以在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行管理。 　　（7）使用幫助：一個(gè)應(yīng)用軟件系統(tǒng)如果沒有一個(gè)清晰明了的幫助系統(tǒng)就不會(huì)是一個(gè)好的系統(tǒng)，通過瀏覽幫助可以讓一個(gè)新手很快熟練使用。 　　在綜合考慮系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，把整個(gè)軟件劃分為主控模塊、通道標(biāo)定配置模塊、系統(tǒng)自檢模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)回放模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、幫助模塊等，各模塊又可分別劃分為更小的子模塊來實(shí)現(xiàn)。各模塊之間的關(guān)系如圖2所示。 [align=center] 圖2 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)[/align] 3 信號(hào)的分析與處理[5,6] 　　數(shù)據(jù)的分析處理是綜合測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理的方法有很多，它們各有不同的功能，實(shí)際工程測(cè)試中常常需要同時(shí)采用多種不同的方法才能得到滿意的結(jié)果。因此，綜合測(cè)試系統(tǒng)利用LabVIEW開發(fā)了信號(hào)分析處理軟件包，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析和處理。主要分析包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、時(shí)域分析、頻域分析和聯(lián)合時(shí)頻分析。 　　傳感器采集到的輸出信號(hào)經(jīng)過采樣和A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，在送入分析處理系統(tǒng)前，還要對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理的目的是盡可能地去除混雜在信號(hào)中的噪聲，以提高信號(hào)的信噪比。數(shù)據(jù)預(yù)處理的范圍很廣，通常包括加窗、數(shù)字濾波、去除均值、提取趨勢(shì)項(xiàng)、標(biāo)準(zhǔn)化處理等，然后，再根據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。 4 網(wǎng)絡(luò)功能的實(shí)現(xiàn) 　　為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)控，我們利用虛擬儀器技術(shù)中的DataSocket技術(shù)，將不同地域不同功能的設(shè)備聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)資源共享，使數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程傳輸成為可能。具體步驟如下：利用網(wǎng)絡(luò)上單獨(dú)的一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為DataSocket Server，即服務(wù)器，用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)布的功能，即作為DataSocket Publisher;連接在網(wǎng)絡(luò)上的其他計(jì)算機(jī)作為DataSocket Subscriber。服務(wù)器采集數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)發(fā)送端，設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)備號(hào)和采集通道，選擇合適的采樣數(shù)及采集速度，采用AI Sample Channel. vi采集信號(hào)，利用DataSocket Publisher把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)布到DataSocket Server中，客戶端利用DataSocket Subscriber從DataSocket Server中接收數(shù)據(jù)。應(yīng)用DataSocket技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸程序流程圖如圖3所示[4]。 　　在圖4中，數(shù)據(jù)發(fā)布端，調(diào)用DataSocket Write函數(shù)向URL（uniform resource locator）指定的位置寫數(shù)據(jù);在遠(yuǎn)程客戶接收端，調(diào)用DataSocket Read函數(shù)從URL指定的位置讀取數(shù)據(jù)，并還原為原來的數(shù)據(jù)類型送到前面板窗口中的Waveform Graph中顯示。在本例中，URL指定的位置是“dstp://ni-302aph”。在數(shù)據(jù)發(fā)送端和遠(yuǎn)程接收端，While循環(huán)中的stop按鈕分別可以控制數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的終止。 [align=center] 圖3 數(shù)據(jù)采集發(fā)送端和遠(yuǎn)程接收端程序流程圖[/align] 5 小結(jié) 　　本文采用了PXI總線以及LabVIEW可視化編程軟件設(shè)計(jì)了一套具有模塊化、通用化、系列化的綜合測(cè)試系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)測(cè)量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)分析處理功能夠快速有效地反映出被測(cè)系統(tǒng)的各種參數(shù)信息，便于對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。與傳統(tǒng)測(cè)試儀器相比，基于虛擬儀器技術(shù)的綜合測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、功能豐富，發(fā)揮了軟件設(shè)計(jì)的靈活性，以一臺(tái)計(jì)算機(jī)取代多臺(tái)儀器，具有可操作性強(qiáng)，通用性好，性價(jià)比高，功能強(qiáng)大，快捷方便的特點(diǎn)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此，該系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 劉君華，白鵬，湯曉君，郭會(huì)軍等.基于Lab WindowslC VI的虛擬儀器設(shè)計(jì).電子工業(yè)出版社.2003.1 　　[2] 劉君華等. 虛擬儀器圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW教程[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2001. 　　[3] 周求湛,錢志鴻等. 虛擬儀器與LabVIEWTM7 Express程序設(shè)計(jì)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004. 　　[4] Networking in LabVIEW[M]. 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