题t目：基于虚拟仪器的无纸记录仪的设计与实现

题t目：基于虚拟仪器的无纸记录仪的设计与实现内容摘要：

己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。 图形化的程序语言，又称为“ G”语言。 使用这种语言内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图。 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 [7]。 LabVIEW的运行机制 所有的 LabVIEW 应用程序，即虚拟仪器（ VI），它包括前面板、流程图以及图标 /连结器三部分。 前面板是图形用户界面，也就是 VI 的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制和显示对象 ，前面板可以根据用户的需要自己设定。 控制对象(输入 ) 显示对象 (输出 ) 图 随机信号发生器的前面板 面板 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 图 所示 是 一个随机信号发生和 显示的简单 VI 的前面板，上面有一个显示对象，以曲线的方式显示了所产生的一系列随机数。 另外， 还有一个控制对象 — 开关，可以启动和停止工作。 显然，并非简单地画两个控件就可以运行，在前面板后还有一个与之配套的流程图。 流程图提供 VI 的图形化源程序。 在流程图中对 VI 编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。 流程图中包括前面板上控件的连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。 图 是与图 对应的流 程图。 我们可以看到流程图中包括了前面板上的开关和随机数显示器的连线端子，还有一个随机数发生器函数及程序的循环结构。 随机数发生器通过连线将产生的随机信号送到显示控件，为了使它持续工作下去，设置了一个 While 函数：随机数发生器 结构：循环 与前面板控件对应的连线端子 与前面板控件对应的连线端子 图 随机信号发生器的流程图 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） Loop 循环，由开关控制这一循环的结束。 如果将 VI 与标准仪器相比较，那么前面板上的东西就是仪器面板上的东西，而流程图上的东西相当于仪器箱内的东西。 在许多情况下，使用 VI 可以仿真标准仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与标准仪器相差无几。 从而可以 看出虚拟仪器无论在设计上和应用上 比普通仪器有着绝对的优势。 LabVIEW的操作模板 在 LabVIEW 的用户界面上，应特别注意它提供的操作模板，包括工具模板、控制模板和函数模板。 这些模板集中反映了该软件的功能与特征。 该模板提供了各种用于创建、修改和调试 VI 程序的工具。 如果该模板没有出现，则可以在 Windows 菜单下选择 Show Tools Palette 命令以显示该模板。 当从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。 当从 Windows 菜单下选择了 Show Help Window 功能后，把工具模板内选定的任 一种工具光标放在流程图程序的子程序或图标上，就会显示相应的帮助信息。 该模板用来给前面板设置各种所需的输出显示对象和输入控制对象。 每个图标代表一类子模板。 如果控制模板不显示，可以用 Windows 菜单的 Show Controls Palette 功能打开它，也可以在前面板的空白处，点击鼠标右键，以弹出控制模板。 功能模板是创建流程图程序的工具。 该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。 若功能模板不出现，则可以用 Windows 菜单下的 Show Functions Palette 功能打开 它，也可以在流程图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出功能模板。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 调试技术 如果一个 VI 程序存在语法错误，则在面板工具条上的运行按钮会变成一个折断的箭头，表示程序不能被执行。 这时该按钮被称作错误列表。 点击它，则 LabVIEW 弹出错误清单窗口，点击其中任何一个所列出的错误，选用 Find 功能，则出错的对象或端口就会变成高亮。 在 LabVIEW 的工具条上有一个画着灯泡的按钮，这个按钮叫做“高亮执行”按钮。 点击这个按钮使它变成高亮形式，再点击运行按钮， VI 程序就以较慢的速度运行 ，没有被执行的代码灰色显示，执行后的代码高亮显示，并显示数据流线上的数据值。 这样，你就可以根据数据的流动状态跟踪程序的执行。 为了查找程序中的逻辑错误，有时希望流程图程序一个节点一个节点地执行。 使用断点工具可以在程序的某一地点中止程序执行，用探针或者单步方式查看数据。 使用断点工具时，点击你希望设置或者清除断点的地方。 断点的显示对于节点或者图框表示为红框，对于连线表示为红点。 当 VI 程序运行到断点被设置处，程序被暂停在将要执行的节点，以闪烁表示。 按下单步执行按钮，闪烁的节点被执行，下一个将要 执行的节点变为闪烁，指示它将被执行。 你也可以点击暂停按钮，这样程序将连续执行直到下一个断点。 可用探针工具来查看当流程图程序流经某一根连接线时的数据值。 从 Tools 工具模板选择探针工具，再用鼠标左建点击你希望放置探针的连接线。 这时显示器上会出现一个探针显示窗口。 该窗口总是被显示在前面板窗口或流程图窗口的上面。 在流程图中使内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 用选择工具或连线工具，在连线上点击鼠标右键，在连线的弹出式菜单中选择“探针”命令，同样可以为该连线加上一个探针。 用 LabVIEW 编制出的图形化 VI 是分层次和模块化的。 每个 VI 既可 以单独运行，也可以被其他 VI 调用。 一个 VI 用在其他 VI 中，称之为 SubVI， SubVI 在调用它的程序中同样是以一个图标的形式出现的。 LabVIEW依附并发展了模块化程序设计的概念。 用户可以把一个应用题目分解为一系列的子任务，每个子任务还可以进一步分解成许多更低一级的子任务，指导把一个复杂的题目分解为许多子任务的组合。 首先设计 SubVI 完成每个子任务，然后将之逐步组合成能够解决最终问题的 VI。 归纳起来 LabVIEW软件开发平台有以下优点 ： （ 1） 图形化的编程方式，设计者无需写任何文本格式的代码，是真正的工程 师的语言。 （ 2） 提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数。 （ 3） 既提供了传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供有独到的高亮执行工具 ，使程序动画式运行，利于设计者观察程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷。 （ 4）囊括了 DAQ， GPIB， PXI， VXI， RS232/485 在内的各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使得不懂总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备与仪器。 （ 5）提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，诸如 DLLS（动态连接库）、 DDE（共享库）、 ActiveX 等。 （ 6）强大的 Inter 功能，支持常用网络协议，方便网络、远程测控仪器的开发。 图形化程序设计编程简单、直接、开发效率高。 随着虚拟仪器技术的不断发展，图形化的编程语言必将成为测试和控制领域内最流行发展趋势。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 数据采集卡 的选用 数据采集卡 的简介 计算机与 数据采集卡组成了 虚拟无纸记录仪 的硬件平台基础。 数据采集卡是 虚拟无纸记录仪 的重要组成部分，其性能指标直接影响 虚拟无纸记录仪 的采样速度、精度等主要指标。 CPU的速度及计算机的内存影响 记录仪处理数据的速度， 计算机的硬盘决定了数据存储的容量。 LabVIEW 中数 据采集库包含了许多有关采样和生成数据的函数，它们与 NI 的插卡式或远程数 据采集产品协同工作。 数据采集卡价格低廉、操作携带方便，因此， 大大的降低了每个通道的成本。 数据采集的任务是采集原始信号，其主要指标有采样精度、采样速度。 采样精度由转换器的位数来决定，而采样速度是与采样频率 相关 的。 从提高精度的角度出发，模数转换器的位数与采样频率之间是相互制约的。 数据采集 卡 的选择主要与采样率、测量通道、分辨率和测量精度有关。 采样率即在单位时间内的测量次数，一般用 Hz 即采样频率来表示，也有用 S/s表示。 采样率的选择，取决于被 测量的信号的变化速度，根据奈奎斯特采样定理，所需的采样频率应为所测信号的最高频率分量的两倍以上，即选用 100KHz的板卡才能完成最高频率为 50KHz的被测信号的测量工作。 数据采集卡的主要组成部分 多路开关将多路信号轮流切换到放大器的输入端，实现多参数多路信号的分时采集。 放大器将待采集信号放大或衰减至采样环节的量程范围内。 通常实际系统中，放大器的增益是可调的，设计者可以根据输入信号幅值的大小选择不同的增益倍数。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） /保持器 采样 /保持器取出 被 测信号在某一瞬时的值，即实现信号 的时间离散化，并在 A/D转换过程中保持信号不变。 如果被测信号变化很缓慢，也可以不用采样 /保持器。 A/D 转换器将输入的模拟量转化成为数字量输出，并完成信号幅值的变化。 随着电子技术的发展，通常将采样 /保持器 同 A/D 转换器集成在一块芯片上。 以上四个部分都处在 PC 的前向通道，是数据采集卡的主要组成部分。 其他相关电路，如定时 /计数器、总线接口电路等也集成在一块电路板上，完成对信号数据的采集、放大及模 /数转换任务。 很多数据采集卡电路板上，还装有数 /模转换器，它处在 PC 的后向输出通道，用于将计算机输 出的数字量转换为模拟量，从而实现控制功能。 数据采集卡的参数设置 要使数据采集卡正确地实现数据采集功能，必须根据实际测量的需要对一些参数进行设置，这就是数据采集卡的软件驱动。 待设置的参数主要有采集卡的设备号及地址码，此外还有如下设置项。 设置信号的输入方式：输入信号是单端输入还是双端输入，输入信号是单极性信号还是双极性信号等。 选择增益：根据输入信号的幅值变化范围和分辨率要求，选择增益。 选择量程：一般根据输入信号是单极性还是双极性，选择合适量程。 设定 信号输入通道号。 设定采样点数。 设定采样速率。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 测量通道是 整个系统测量信号的输入输出口 ，产品不同，可测量的通道数也不同。 在选取产品时需要注意：可测通道数是否满足要求；当需要差分输入测量时，板卡上有无差分输入以及差分输入的通道数，应注意产品能否扩展 以 及最多可扩展的 通 道数。 测量中都需将模拟信号经 A/D 转换成二进制的数字信号，分辨率就是将满量程信号经 A/D 转换后得到的二进数的位数，分辨率越高，意味着可检测出来的电压变化越小，它和测量范围（可测量的最高电平）及增益（板卡的放大倍数）一起决定了该板卡可测的最小电压 变化量，也称为二进码的宽度，产品中 使用 8 位 、 12 位、 16 位的 较 多。 PCI6221 数据采集卡 图 PCI6221 数据采集卡 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） PCI6221 卡是一种基于 PCI 总线的数据采集卡，可直接插在 IBMPC/AT 或与之兼容的计算机内的任一 PCI 插槽中，构成实验室、产品质量检测中心等各种领域的数据采集、波形分析和处理系统。 也可构成工业生产过程监控系统。 其 引脚图如图 ， 基本参数 如下： （ 1） 分辨率： 16Bit （ 2） 采样率： 250 kS/s， 16 路模拟输入 （ 3） 两路 16位模拟输出 （ 833 kS/s） （ 4） 24 路数字 I/O； 32位计数器 ； 数字触发 （ 5） NIMCal 校准支持 （ 6） NIDAQmx 测试软件和硬件配置程序支持 （ 7） NIST 校准证书和多余 70 种的信号调理模块选择 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 第三章 虚拟无纸记录仪 的 数据采集系统 数据采集系统的构成 工程上使用具有 PCI、 PXI、 USB、并口及串口的计算机来获取测试数据，称之基于PC 的 DAQ 系统。 这种系统一般有两种方案：一种是通过插入式的 DAQ 卡直接获取数据传输给计算机；另外一种是由计算机外部的 DAQ 硬件获取测试数据，然后通过各种总线，传输给计算机。 基于 PC 的 DAQ 系统包含以下基本要素： （ 1） 传感器 传感器感应物理信息并生成可测量的电信号。 例如热电偶、电阻式测温计（ RTD）、热敏电阻器和 IC 传感器可以把温度转变为 ADC 可测量的模拟信号。 （ 2） 信号调理装置 从传感器得到的信号可能会很微弱，或者含有大量噪声，或者是非线性的等等，这种信号在进入采集卡之前必须经过信号调理。 信号调理的方法主要包括放大、衰减、隔离、多路复用、滤波、激励和数字信号调理等。 （ 3） DAQ 设备 通过信号调理后的信号就可以与数据采集设备连接了。 通常情况下数据采集设备是一个数据采集卡，与。