INNPM12保護(hù)、控制、測(cè)量、數(shù)據(jù)通信一體化

虛擬儀器技術(shù)在計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域得到了快速?gòu)V泛的推廣應(yīng)用，從簡(jiǎn)單的儀器控制、數(shù)據(jù)采集到尖端的測(cè)控和工業(yè)自動(dòng)化；從大學(xué)實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)；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(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)此做了很多的研究工作。

　　1 虛擬儀器與圖形化編程語(yǔ)言-LabVIEW

虛擬儀器（virtual instrument，VI）是一種基于計(jì)算機(jī)的儀器，就是在通用計(jì)算機(jī)上加上軟件和硬件，使得使用者在操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)，就像是在操作一臺(tái)他自己設(shè)計(jì)的專(zhuān)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(hào)的輸入輸出，軟件才是整個(gè)儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵，任何一個(gè)使用者都可以通過(guò)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(shuō)。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠(chǎng)家定義，形成用戶(hù)無(wú)法改變功能的模式，虛擬儀器技術(shù)給用戶(hù)一個(gè)充分發(fā)揮自己才能和想象力的空間。用戶(hù)（而不是廠(chǎng)家）可以隨心所欲地根據(jù)自己的需求，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，滿(mǎn)足多種多樣的應(yīng)用需求。

　　LabVIEW是美國(guó)NI公司開(kāi)發(fā)的面向計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它是一種功能強(qiáng)大的圖形編程語(yǔ)言，但它與傳統(tǒng)的文本編程語(yǔ)言（如C語(yǔ)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(chēng)為G語(yǔ)言（graphical language）。這種圖形化的編程形式，方便了非軟件專(zhuān)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(guò)多線(xiàn)程技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，不同的任務(wù)實(shí)際上通過(guò)各自的線(xiàn)程輪流占用CPU時(shí)間片來(lái)達(dá)到“同時(shí)”處理的目的。LabVIEW也采用了多線(xiàn)程技術(shù)，而且與傳統(tǒng)文本式的編程語(yǔ)言相比，有兩大優(yōu)點(diǎn)：LabVIEW把線(xiàn)程完全抽象出來(lái)，編程者不需對(duì)線(xiàn)程進(jìn)行創(chuàng)建、撤銷(xiāo)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(shí)，可以非常直觀(guān)地看到代碼的并行運(yùn)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(jì)算機(jī)硬件2部分組成。應(yīng)用軟件由儀器驅(qū)動(dòng)程序、開(kāi)發(fā)環(huán)境和用戶(hù)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(hào)的測(cè)量、采集與處理。要使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠測(cè)量物理信號(hào)，首先要使用傳感器把物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓或者電流之類(lèi)的電信號(hào)。通常不能把被測(cè)信號(hào)直接連接到DAQ卡，而必須使用信號(hào)調(diào)理輔助電路，將信號(hào)進(jìn)行一定的預(yù)處理?？傊?，數(shù)據(jù)采集與處理是借助軟件來(lái)控制整個(gè)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(chǔ)數(shù)據(jù)。

　　2．2 系統(tǒng)組成

　　設(shè)計(jì)過(guò)程中采用煉油廠(chǎng)高溫?zé)煔獍l(fā)電系統(tǒng)的工藝參數(shù)檢測(cè)作為應(yīng)用對(duì)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(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)。信號(hào)調(diào)理模塊選用的是美國(guó)國(guó)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(hào)調(diào)理模塊，用這2個(gè)模塊完成對(duì)采集信號(hào)的預(yù)處理；數(shù)據(jù)采集卡采用的是NI?USB-6008DAQ型；工控機(jī)采用的是具有PXI插槽的一臺(tái)計(jì)算機(jī)和一臺(tái)PC機(jī)。

　　整個(gè)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(jì)數(shù)端口。

　?。?）NI SCXI-1102的特點(diǎn)和功能。NI SCXI-1102專(zhuān)為高精度熱電偶測(cè)量而設(shè)計(jì)。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(gè)儀器放大器和一個(gè)2 Hz的低通濾波器。在此架構(gòu)下，可以通過(guò)高達(dá)333 SPS（每通道3μs）的速度來(lái)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(bǔ)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(hào)。每個(gè)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)。

　?。?）NI SCXI-1520的特點(diǎn)和功能。NI SCXI-1520是8通道通用應(yīng)變片輸入模塊，具有進(jìn)行簡(jiǎn)單或高級(jí)應(yīng)變測(cè)量所需要的所有功能。用戶(hù)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(hào)。NI SCXI-1520包含在各類(lèi)環(huán)境中均適于自動(dòng)校準(zhǔn)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(jí)可編程Butter worth濾波器。每條通道還具有一個(gè)獨(dú)立0～10 V可編程激勵(lì)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(xiàn)盒提供了1個(gè)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(xiàn)盒。

　　。

　?。?）USB接口及NI USB-6008 DAQ的特點(diǎn)和功能。通用串行總線(xiàn)（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(gè)針傳輸數(shù)據(jù)，兩邊2個(gè)針給外設(shè)供電。USB接口速度快，連接簡(jiǎn)單，不需要外接電源，同時(shí)對(duì)外設(shè)有良好的兼容性，最多可連接127臺(tái)外設(shè)。USB有2個(gè)規(guī)范，即USB 1．1和USB2．0。

　　USB通用串行總線(xiàn)是由Intel，Microsoft，Compaq，IBM，NEC，Northern Telcom等幾家大廠(chǎng)商發(fā)起的新型外設(shè)接口標(biāo)準(zhǔn)。USB傳輸速度12 Mb／s，最新USB2．0可達(dá)480 Mb／s；電纜最大長(zhǎng)度5 m，USB電纜有4條線(xiàn)，2條信號(hào)線(xiàn)，2條電源線(xiàn)，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(dá)12 Mb／s，價(jià)格較貴，非屏蔽電纜速度為1．5 Mb／s，但價(jià)格便宜；USB通過(guò)串聯(lián)方式最多可串接127個(gè)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(jiǎn)單的數(shù)據(jù)記錄、便攜式測(cè)量和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，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(cè)量服務(wù)軟件編程，創(chuàng)建用戶(hù)自定義的測(cè)量系統(tǒng)。但這些只能完成簡(jiǎn)單的測(cè)量和分析，若要完成復(fù)雜的工程運(yùn)算或?qū)崟r(shí)控制還需借助其他的軟件環(huán)境。

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