题目基于虚拟仪器的无纸记录仪的设计与实现.docx
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题目基于虚拟仪器的无纸记录仪的设计与实现
虚拟无纸记录仪
摘要
目前，在电子测量和自动化控制领域，虚拟仪器技术取得了巨大的发展。
它充分利用计算机技术，在基本硬件的支持下，通过调用相应的软件模块来完成数据的采集、控制、分析、处理、以及结果存储和显示，从而完成各种传统仪器的功能。
本文从探索研究的角度出发，利用虚拟仪器技术完成一种虚拟无纸记录仪的设计，使其能够对一般的电压信号实现采集、测量、结果存储和显示等功能。
本设计采用模块化的软件设计思想编写，每个功能的实现由一个模块完成。
设计采用的软件为美国NI公司的LabVIEW，是一种基于图形化编程语言的开发环境，采用的硬件是PCI6221数据采集卡。
经过测试，本文设计的虚拟无纸记录仪可以完成信号的采集、显示、波形存储读取，以及信号的均值、均方根值、幅值等参数测量功能。
充分体现了计算机的强大功能和LabVIEW软件设计的灵活性。
关键词：
记录仪；虚拟仪器；数据采集；LabVIEW
DesignofVirtualPaperlessRecorder
basedonLabVIEW
Abstract
Atpresentthevirtualinstrumentusedwidelyinthemeasureandautomaticcontrolarea.Itmakemuchofcomputertechnology,combinesthevirtualinstrument’shardwarewithsoftwareaccomplishdataacquisition,dataanalysis,thenstorethedigitalanddisplaytheresultonthescreen,achievethefunctionoftraditionalinstrument.Inthischaptertheauthorusedvirtualinstrumenttodesignthevirtualpaperlessrecorder,itconsistsdataacquisition,measurement,storageanddisplay.
Weusedthedesignofmodularizationsoftware,eachfunctioncanaccomplishbyonemodule.ThesoftwareusedinthepaperisLabVIEW,itisakindofsoftwarebasedongraphiclanguage.ThehardwareofthisdesignisthePCI6221ofdataacquisitioncard.
Afterdebugging,thevirtualpaperlessrecorderbyLabVIEWwouldcompletedataacquisition,wavestorage,displayandreadthedatawhichisstored.Moreover,thisvirtualpaperlessrecorderalsohavethefunctionofmeasurementaboutfmplitude,averageandRMSvalues.Itwellexplainthestrongfunctionofcomputerandthevariousdesignofsoftware.
Keywords:
Paperlessrecorder;Virtualinstrument;Dataacquisition;LabVIEW
第一章绪论
一.1虚拟仪器的概述
一.1.1虚拟仪器的基本概念
所谓虚拟仪器，就是以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。
虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果；利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理；利用接口设备完成信号的采集、测量和调理，从而完成各种测试功能的计算机测试系统[1]。
使用这种键盘或者鼠标操作的虚拟面板，就如同使用一台专用的测量仪器一样。
因此，虚拟仪器的出现，使测量仪器与计算机的界限模糊了。
虚拟仪器的“虚拟”两字主要包括以下两方面的含义[2]。
（1）虚拟仪器的面板是虚拟的
虚拟面板上的各种图标与传统仪器面板上的各种器件所完成的功能是相同的，由各种开关、按钮、显示器等图标实现仪器电源的通断，实现被测量信号的输入通道、放大倍数等参数的设置，以及实现测量结果的数值显示、波形显示等。
传统仪器面板上的器件都是实物，而且是由手动和触摸进行操作的，虚拟仪器前面板是外形与实物相像的图标，每个图标的通断、放大等动作通过用户操作计算机鼠标或键盘来完成。
因此，设计虚拟仪器前面板就是在前面板设计窗口中摆放所需的图标，然后对图标的属性进行设置。
（2）虚拟仪器测量功能是通过图形化软件流程图的编程来实现的
虚拟仪器是在以PC为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器的功能。
因为可以通过不同测试功能软件模块组合来完成多种测试功能，所以在硬件平台确定后，就有软件就是仪器的说法。
这也体现了测试技术与计算机深层次的结合。
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。
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在数据分析、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应用于电力工程、矿物勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等多个方面。
一.1.2虚拟仪器的构成
虚拟仪器从构成要素上讲，由计算机、应用软件和仪器硬件构成。
从构成的方式上讲，则有以DQA板卡和信号调理为仪器硬件而组成的PC-DAQ测试系统，或以GPIB、VXI、Serial和Fieldbus等标准总线仪器为硬件组成的GPIB系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。
无论哪种VI系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式微机或工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成的[3]。
虚拟仪器的构成方式如图1.1所示：
图1.1虚拟仪器的结构图
一.1.3虚拟仪器的特点
与传统仪器相比虚拟仪器主要有以下特点：
（1）传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件，易于导致许多识别与操作错误。
虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。
这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的简单化与面板布置的简洁化，从而提高操作的正确性与便捷性。
同时，虚拟仪器面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受标准件和加工工艺的限制，他们是由编程来实现的，设计者可以根据用户的认知要求和操作要求，设计仪器面板。
（2）在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。
（3）仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的。
（4）仪器性能的改进和功能扩展只需要更新相关软件设计而不需要购买新的仪器。
（5）研制周期较传统仪器大为缩短。
（6）可以与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。
一.1.4虚拟仪器的现状和发展
虚拟仪器的概念，是美国国家仪器公司（NationalInstrumentCorp，简称NI）与1986年提出的。
80年代以来，NI公司研制和推出了许多总线系统的虚拟式仪器，成为这类新型仪器世界第一大生产户，此后，美国的惠普公司，Tektronix公司，Racal公司等也相继推出了许多此类仪器，并在短短的十年便占有了世界仪器市场的10%左右。
虚拟仪器技术目前在国外发展很快，以NI公司为代表的一批厂商已经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品。
在美国，虚拟仪器系统及其图形编辑语言，已作为各大学理工科学生的一门必修课。
美国的斯坦福大学的机械工程系要求三、四年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制。
据世界仪表及自动化杂志预测，21世纪初叶，世界仪器的生产厂家超过千家，其品种将达到数千种，市场占有率将达到50%左右。
虚拟仪器将成为本世纪仪器的发展方向，而且有逐步取代传统硬件化电子仪器的趋势。
作为仪器领域中的新兴的技术，虚拟仪器的开发和研究在国内尚属起步阶段。
从90年代中期以来，国内的清华大学、重庆大学、西安交通大学、西安电子科技大学以及中科泛华电子科技公司，东方振动和噪声技术研究所等高校和公司，在研究开发虚拟仪器产品和虚拟仪器建设平台以及消化吸收产品等方面做了大量工作，其成果已在汽车发动检测、自动计量控制系统等方面得到应用。
其中，成果比较显著的是重庆大学检测中心所研究的虚拟仪器，其研制的产品已包括：
分析仪、噪声测试分析仪、小波变换信号分析仪、多通道数据采集器等20多个品种，并且可以根据客户需求进行个性化设计。
这些虚拟仪器在中国计量科学研究院的测试结果表明，其产品性能完全达到同类硬件仪器的技术指标。
在国内已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，复旦大学、上海交通大学、暨南大学、华中科技大学。
近一两年来这些学校在原有的基础上，又开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。
清华大学汽车系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检验。
主要检测发动机的功率特性、负荷特性等。
一台发动机检测完后，就可打印出完整的检测报告。
华中科技大学机械学院信息所开发出的Inventor可重构虚拟实验台，深圳市蓝津信息技术有限公司开发了DRVI快速可重组虚拟仪器平台，可广泛用于实验室、工程测控等场合。
浙江大学仪器系在”九五”期间也开发了中文VPP。
它们为实现仪器编程提供了便捷的途径。
此外，国内已有几家企业在研制虚拟仪器。
虚拟仪器的开发厂家，为扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数据处理、表达模式及变换方面也做了许多工作，发布了各种软件，建立了数据处理的高级分析库和开发工具库，使虚拟仪器发展成为可以组建极为复杂自动测试系统的仪器系统[7]。
专家预测：
未来几年内，国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监控。
随着微型计算机的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。
一.1.5虚拟无纸记录仪的介绍
记录仪是工业生产自动化系统中十分常见的二次仪表，用来实现数据的记录功能。
传统型模拟记录仪结构简单、功能单一，存在着卡纸、卡笔、断线等易发故障和换笔、换纸、添墨等大量日常维护工作。
此类记录仪由于其结构与功能的局限性，无法满足综合生产管理、生产过程智能化、数据传输网络化和在线数据分析处理的需要。
90年代以来，随着虚拟仪器技术的日益发展，采用低成本自动化技术，研制与开发各类多功能智能型记录仪表呈迅猛发展之势，并逐渐批量进入工业应用领域。
特别是在石化、冶金等行业的基础自动化与过程自动化系统中，已大量融入各种类型的虚拟嵌入式仪表，其卓越的性能、良好的数据在线处理能力和实时数据通讯能力以及友好的人机交互平台，得到人们日益重视。
一.2课题研究的背景
随着科学技术的发展，在测量领域中需要不断更新测量设备，以满足越来越高的测量要求，在我国，传统仪器技术还比较落后，目前大批陈旧的测试仪器等待更新。
这些仪器的测量精度和可靠性均低于国外，并且自动化程度较低。
高档仪器基本上依靠国外进口，每年都消耗国家大量外汇。
然而，花大量资金购买的仪器，可能我们只需要其中的一部分功能，同时有些其它应用的功能要求，该仪器却满足不了。
这些情况无疑是大大浪费了投资。
设想要是能将仪器稍微改动以实现更大的使用范围该多好，但这对于传统仪器来说是非常困难的。
虚拟仪器的出现，将彻底改变这种局面。
利用计算机丰富的软硬件资源，用户可以随心所欲地根据自己的要求，设计自己的仪器系统，满足多样的应用需求。
记录仪是在科学研究和工程设计中广泛应用的一种通用仪器。
目前高精度、具有数据存储能力的记录仪，生产工艺复杂，价格昂贵，所以虚拟无纸记录仪的设计有一定的经济价值。
本文设计的虚拟无纸记录仪，可同时显示、记录和存储输入的波形，并且可以对波形进行数据分析和处理，具有一定的研究意义。
一.3课题研究的方法
本课题的主要工作是对虚拟无纸记录仪的进行整体设计；熟悉数据采集卡的使用；掌握虚拟仪器的软件编程环境LabVIEW的使用；用图形化编程语言LabVIEW实现虚拟示波器的数据采集模块、电平测量模块、数据存储和读取模块的设计。
本文各章的主要安排：
第一章为绪论部分，综述本文的研究背景，阐明课题的研究方法。
第二章为虚拟无纸记录仪的总体设计。
介绍了总体设计思路，以及软硬件的选用。
第三章主要介绍了虚拟无纸记录仪的数据采集系统。
第四章是本文的关键部分，主要介绍了虚拟无纸记录仪的各个功能模块的具体设计方法，并对设计结果进行了测试和相应的分析。
结束语部分对设计的虚拟无纸记录仪做了整体的评价，对不足之处做了相应的分析，有利于进一步改进。
第二章虚拟无纸记录仪的总体设计方案
二.1总体设计思路
结合虚拟仪器技术和软件编程技术，本文设计并实现了一个虚拟无纸记录仪，整个系统分为硬件和软件两个部分。
硬件部分主要由计算机和数据采集模块组成。
数据采集模块采用PCI6221数据采集卡，由于硬件部分主要是购买的成熟产品，本文的研究重点放在软件的编制和实现上。
本文设计的虚拟无纸记录仪的工作原理是，对模拟信号进行数据采集后，根据使用者的不同要求由软件对数据进行相应的分析、处理，并在显示控件上显示处理结果。
设计采用模块化的软件设计思想编写，每个功能的实现由一个模块完成。
本文所设计的虚拟无纸记录仪主要由数据采集、参数测量、波形存储和读取模块组成。
将这些子模块在虚拟仪器的框图程序中按照一定的逻辑关系组合起来，就形成了完整的虚拟无纸记录仪器。
它具有传统仪器所没有的许多优点，如波形可以存储为数据文件，可以长久保存并随时调用，成本低廉，可以根据需要进行功能拓展。
二.2软件开发平台
二.2.1LabVIEW简介
LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineering）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。
LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。
它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。
这是一个功能强大且灵活的软件。
利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，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]。
二.2.2LabVIEW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。
1.前面板
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。
图2.1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。
2.程序框图
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2.2是与图2.1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WhileLoop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。
二.2.3LabVIEW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。
1.工具模板
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ShowToolsPalette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ShowHelpWindow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。
2.控制模板
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ShowControlsPalette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。
3.功能模板
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ShowFunctionsPalette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。
二.2.4调试技术
1.找出语法错误
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。
2.设置执行程序高亮
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。
3.断点与单步执行
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。
4.探针
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，RS-232/485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Internet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。
二.3数据采集卡的选用
二.3.1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。
二.3.2数据采集卡的主要组成部分
1.多路开关
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。
2.放大器
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。
3.采样/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。
4.A/D转换器
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
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