摘 要：就目前工業自動控制領域的現狀與未來發展趨勢,提出了一個基于虛擬儀器技術構建的綜合測試系統設計方案。詳細論述了以數據采集卡和通用PC機為核心硬件資源,利用LabVIEW語言設計一個綜合測試系統的設計思想、結構組成、實現方法和功能。與傳統測試系統相比，基于虛擬儀器技術的綜合測試系統，具有可操作性強，通用性好，性價比高，功能強大，快捷方便，可實現數據的自動采集和遠程在線實時監測的特點，在工程實際中具有廣闊的應用前景。 關鍵字：虛擬儀器, 綜合測試, 數據采集卡， 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 　　隨著虛擬儀器技術的飛速發展，對測控平臺進行“虛擬化”改造已成為一種潮流。在這種潮流的影響下，我們在原有測控平臺的基礎上結合虛擬儀器技術，建立基于虛擬儀器結構的綜合測試系統，以改善實驗條件，提高測試效率，使得數據處理更加快捷準確。虛擬儀器及技術將成為工業自動控制領域的重要方法和手段，具有非常廣闊的發展前景。[1] 2 系統的組成 　　本系統主要由硬件和軟件兩大部分組成。其中硬件平臺采用PXI（PCI extensions for instrumention）總線系統，軟件平臺采用NI公司的LabVIEW（laboratory virtual instrument engineering workbench）可視化圖形編程平臺。 　　2.1 系統硬件結構 　　系統的硬件主要由傳感器、信號調理模塊、PXI主機、PXI-4472數據采集卡和網絡服務器等組成。系統硬件結構如圖1所示。 [align=center] 圖1 系統硬件結構圖[/align] 　　（1）PXI主機的選擇：PXI最初只能使用內嵌式控制器（零槽控制器），后來NI公司又發布了MXI-3接口，擴展了PXI的系統控制。包括直接PC控制、多機箱擴展和更長的距離控制，擴大了PXI的應用范圍。由于一個零槽控制器就需要好幾萬的價格，比臺式機要貴 　　上好幾倍，因此選用臺式機加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）數據采集卡和調理模塊的選擇：由于綜合測試系統涉及的參數是很豐富的，有溫度、壓力、振動參數等模擬量，也有數字信號量，有些情況下對信號測量的同步性要求比較高，所以我們選擇選擇NI公司的PXI-4472多功能數據采集卡和SCXI1121信號調理模塊。PXI-4472多功能數據采集卡基于PXI總線，將Compact PCI的集成式觸發功能與 Windows操作系統結合在一起，在保留PCI總線與Compact PCI模塊結構功能的基礎上，增加了系統參考時鐘與觸發器總線等，使得PXI系統更加適合構建工業自動化測控系統。對于輸出是非標準的輸出信號，需要選擇調理模塊，針對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）網絡服務器件的選擇：考慮到網絡遠程數據瀏覽和控制的需要，要給系統配置一臺服務器和客戶端（調試用）以及集線器。在系統設計的時候把和PXI通過MXI3連接的PC機作為服務器。 　　PXI主機和PXI-4472多功能數據采集卡是整個測試系統的核心，在系統中擔負著接收用戶命令、數據采集、波形顯示、數據存儲和數據分析等任務。 　　2.2系統軟件結構 　　軟件是虛擬儀器的靈魂。一個高效的軟件開發平臺有利于構建功能強大的虛擬儀器系統。本綜合測試系統軟件部分設計采用NI公司的LabVIEW作為開發平臺，LabVIEW主要用于儀器控制、數據采集、數據分析等領域，是一個很好的虛擬儀器開發環境，它使用圖形化的編程語言，具有形象、直觀、集成度高等特點。LabVIEW程序中包含豐富的函數庫，同時集成了GPIB、 VXI、RS-232、RS-485等通信模塊，可以方便的進行模塊化編程;LabVIEW還具有內置程序庫，提供了大量的聯結機制，通過DLLs、共享庫、OLE等途徑實現與外部程序代碼或軟件的連接[2,3]。 　　為實現測試系統軟件的可擴展和易維護，需要在系統軟件的設計階段仔細地設計軟件結構，使系統軟件能夠適應新的硬件模塊和算法。采用通用框架的處理方法，把數據和測試流程分開，從而實現測試軟件的通用性和靈活性。測試儀器、測試項目的配置參數由項目配置文件來保存，測試結果數據由數據庫來管理，而測試流程的任務則是讀取配置文件的數據，配置測試儀器，并進行相應的數據采集、分析計算，以及把測試結果寫到測試結果數據庫中。 　　經過分析，可以按照如下功能對系統進行架構： 　　（1）測試項目配置：完成測試項目的工作參數配置，采用結構化的通用設計思想，把測試過程中用到的硬件參數，軟件參數以及一些特殊的要求存到一個配置文件里，并把必要的參數存入數據庫，測試的時候只要調用各項目的配置文件，就能完成相應的測試任務，這樣操作人員不需要對系統有太深的指示，或對計算機要有太多的了解，只需按照測試流程用鼠標進行簡單的操作即可。綜合測試系統中的信號分析系統采用模塊化的軟件編程設計思想，每個分析功能的實現都由一個模塊來完成。信號分析系統包括數據采集與存儲、波形顯示、參數測量和信號分析等部分，最終能夠實現數據的采集、存儲、分析和顯示等功能。 　　（2）物理通道的標定：由于數據采集卡采來的是電壓或電流信號，并不直接反映物理量的大小，他需要通過一個轉換的過程，這個過程就叫標定。比如從壓力傳感器采到的數據是100mv，而實際上加載在傳感器上的壓力是1Mpa，那么標定的結果就是10Mpa/V。系統實際工作的過程中存在非線性的誤差，所以在標定的時候要考慮如何進行校正，本文在實現該功能時應用了非線性的校正的方法。 　　（3）系統自檢和數據采集卡配置：系統在工作之前需要確保各個部分都正常工作，所以要對通道進行檢測，對系統進行自檢。否則當實驗進行到后來才發現出了問題，那樣既浪費了人力，又浪費的時間。 　　（4）數據采集：這個部分是系統的重點，也是系統最為復雜的一個部分，它包括錄波，數據存盤，數據實時發布，簡單的數據處理等諸多功能。 　　（5）數據回放：這個部分是系統的核心，所有數據分析和處理都在這個部分完成，它包括處理結果入庫，報表自動生成，打印報表等功能。 　　（6）數據管理：由于所有的測試結果都是要求存入數據庫，所以對測試數據的管理其實就成了對測試數據庫的管理，管理的內容包括測試記錄的檢索等功能，即可以在本地機管理，也可以在網絡上進行管理。 　　（7）使用幫助：一個應用軟件系統如果沒有一個清晰明了的幫助系統就不會是一個好的系統，通過瀏覽幫助可以讓一個新手很快熟練使用。 　　在綜合考慮系統功能的基礎上，把整個軟件劃分為主控模塊、通道標定配置模塊、系統自檢模塊、數據采集模塊、數據回放模塊、數據管理模塊、幫助模塊等，各模塊又可分別劃分為更小的子模塊來實現。各模塊之間的關系如圖2所示。 [align=center] 圖2 系統軟件總體結構[/align] 3 信號的分析與處理[5,6] 　　數據的分析處理是綜合測試系統的關鍵環節。對采樣數據進行分析和處理的方法有很多，它們各有不同的功能，實際工程測試中常常需要同時采用多種不同的方法才能得到滿意的結果。因此，綜合測試系統利用LabVIEW開發了信號分析處理軟件包，對采集的信號進行分析和處理。主要分析包括數據預處理、時域分析、頻域分析和聯合時頻分析。 　　傳感器采集到的輸出信號經過采樣和A/D轉換為數字信號，在送入分析處理系統前，還要對采樣信號進行數據預處理。數據預處理的目的是盡可能地去除混雜在信號中的噪聲，以提高信號的信噪比。數據預處理的范圍很廣，通常包括加窗、數字濾波、去除均值、提取趨勢項、標準化處理等，然后，再根據需要對數據進行分析處理。 4 網絡功能的實現 　　為了實現遠程測控，我們利用虛擬儀器技術中的DataSocket技術，將不同地域不同功能的設備聯系起來，實現資源共享，使數據采集和遠程傳輸成為可能。具體步驟如下：利用網絡上單獨的一臺計算機作為DataSocket Server，即服務器，用來實現數據采集和數據發布的功能，即作為DataSocket Publisher;連接在網絡上的其他計算機作為DataSocket Subscriber。服務器采集數據，在數據發送端，設置數據采集卡的設備號和采集通道，選擇合適的采樣數及采集速度，采用AI Sample Channel. vi采集信號，利用DataSocket Publisher把采集到的數據發布到DataSocket Server中，客戶端利用DataSocket Subscriber從DataSocket Server中接收數據。應用DataSocket技術進行數據采集和傳輸程序流程圖如圖3所示[4]。 　　在圖4中，數據發布端，調用DataSocket Write函數向URL（uniform resource locator）指定的位置寫數據;在遠程客戶接收端，調用DataSocket Read函數從URL指定的位置讀取數據，并還原為原來的數據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”。在數據發送端和遠程接收端，While循環中的stop按鈕分別可以控制數據采集、數據發送和接收的終止。 [align=center] 圖3 數據采集發送端和遠程接收端程序流程圖[/align] 5 小結 　　本文采用了PXI總線以及LabVIEW可視化編程軟件設計了一套具有模塊化、通用化、系列化的綜合測試系統，具有數據采集、數據測量、數據存儲、數據共享和數據分析處理功能夠快速有效地反映出被測系統的各種參數信息，便于對被測對象進行狀態監測與故障診斷。與傳統測試儀器相比，基于虛擬儀器技術的綜合測試系統結構緊湊、功能豐富，發揮了軟件設計的靈活性，以一臺計算機取代多臺儀器，具有可操作性強，通用性好，性價比高，功能強大，快捷方便的特點，并且能夠實現遠程在線實時監測。因此，該系統具有廣闊的發展應用前景。 參考文獻 　　[1] 劉君華，白鵬，湯曉君，郭會軍等.基于Lab WindowslC VI的虛擬儀器設計.電子工業出版社.2003.1 　　[2] 劉君華等. 虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW教程[M].西安:西安電子科技大學出版社，2001. 　　[3] 周求湛,錢志鴻等. 虛擬儀器與LabVIEWTM7 Express程序設計[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2004. 　　[4] Networking in LabVIEW[M]. National Instruments LabVIEW User Manual, 2003. 　　[5] 胡廣書. 數字信號處理理論、算法與實現[M]. 北京：清華大學出版社，2003. 　　[6] 盛兆順,尹琦嶺. 設備狀態監測與故障診斷技術及應用[M].北京:化學工業出版社,2003. 　　[7] 程興亞. 基于嵌入式系統的虛擬儀器設計. 微計算機信息 ， 2004年第12期.