敖 陽(yáng)，郭 烽，王宏娟

(1.沈陽(yáng)黎明航發(fā)集團(tuán)物資配送中心原材料倉(cāng)儲(chǔ)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110043；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110168)

一、虛擬儀器概述

二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

虛擬儀器(Virtual Instrument，簡(jiǎn)稱VI)是基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字化測(cè)試測(cè)量?jī)x器，是應(yīng)用于通用計(jì)算機(jī)上的一種軟件和硬件的組合，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量?jī)x器，如信號(hào)發(fā)生器、示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀等；它充分利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)資源，并配以獨(dú)特設(shè)計(jì)的儀器硬件和專用軟件,能實(shí)現(xiàn)普通儀器的全部功能以及某些普通儀器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特殊功能，常被稱作軟件儀器?？衫脭?shù)據(jù)采集模塊完成一般測(cè)量測(cè)試儀器的數(shù)據(jù)采集功能,利用軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理、表達(dá)以及圖形化用戶接口，最終使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成一般測(cè)量測(cè)試儀器的數(shù)據(jù)分析和輸出顯示等功能。

虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)共同發(fā)展的結(jié)晶,代表著當(dāng)今儀器發(fā)展的最新趨勢(shì)。虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)是虛擬儀器的關(guān)鍵部分。其軟件結(jié)構(gòu)分為三部分:輸入輸出(I/O)接口軟件、儀器驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。其開(kāi)發(fā)框圖如圖1所示。

1.硬件結(jié)構(gòu)

(1)整體架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要通過(guò)傳感器采集特定部位的流量、壓力、溫度等信號(hào)，采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后再傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，現(xiàn)場(chǎng)采集的模擬信號(hào)主要是0~10V直流電壓信號(hào)及4~20mA電流信號(hào)，由于系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性要求較高，總體上的采樣頻率要求較高，軟件開(kāi)發(fā)采用的是美國(guó)NI公司推出的LabVIEW軟件，該軟件具有友好的圖形化開(kāi)發(fā)界面，節(jié)省了編程時(shí)間，提高了工作效率。硬件結(jié)構(gòu)整體框圖如圖2所示。

(2)PCI數(shù)據(jù)采集卡

PCI(Peripheral Component Interconnect，外圍部件互聯(lián))是一種獨(dú)立于CPU的同步局部總線，也是目前計(jì)算機(jī)上使用極為廣泛的高性能總線。它是處理器、存儲(chǔ)器與外圍控制部件、外圍擴(kuò)展卡之間的互連設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)是具有獨(dú)立處理能力、運(yùn)行速度快、數(shù)據(jù)傳輸速率高、而且擴(kuò)展性與兼容性好、可靠性高。

為保證采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確性，避免數(shù)據(jù)采集過(guò)程受到嚴(yán)重干擾，選用研華公司的工控機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡PCI-1713。PCI-1713是基于PCI總線的隔離高速模擬量輸入卡，它提供32路單端或16路差分模擬量輸入通道，或組合輸入方式，A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速率可達(dá)100KS/s，采用12位高速A/D轉(zhuǎn)換，并在輸入和PCI總線之間提供2500VDC的直流隔離保護(hù)。PCI-1713板卡的安裝使用十分方便，在Windows2K/XP/9X下板卡安裝的流程圖如圖3所示。

(3)傳感器的選擇

圖3 PCI板卡安裝流程圖

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要用于監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行參數(shù)，主要采集流量、壓力、溫度等信號(hào)，下面以采集流量信號(hào)為例，說(shuō)明傳感器的選擇原則。由于測(cè)量的流量計(jì)種類繁多，因此在選擇流量計(jì)時(shí)需要根據(jù)實(shí)際的情況合理的選擇流量計(jì)量?jī)x表。選擇時(shí)主要遵循以下原則：確定被測(cè)流體的類型；確定工藝過(guò)程的工作條件如何及溫度和壓力的界限值；確定流量計(jì)的安裝條件；確定性能和測(cè)量能力方面總的要求；確定流量計(jì)安裝和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

總之，選擇流量計(jì)時(shí)，要綜合考慮并權(quán)衡以上這些重要的因素，才可能同時(shí)做到既滿足技術(shù)要求，并且經(jīng)濟(jì)上合理，實(shí)現(xiàn)流量計(jì)合理的選型。

2.軟件開(kāi)發(fā)

(1)LabVIEW介紹

虛擬儀器系統(tǒng)應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境主要有兩種:一種是基于傳統(tǒng)的文本語(yǔ)言式的平臺(tái)，主要是Nl公司的Labwmdows/CVI、VC、VB等;一種是基于圖形化工程環(huán)境的平臺(tái)，如Nl公司的LabVIEW和HP公司的VEE等。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用專業(yè)圖形化編程軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)即NI公司的LabVIEW，LabVIEW是一個(gè)多線程、最佳化的圖形編譯器，它能在最大程度上優(yōu)化系統(tǒng)的性能。該環(huán)境包括三個(gè)部分：程序前面板、框圖程序和圖標(biāo)連接端口。程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實(shí)儀表的前面板。在程序前面板上，輸入量被稱為控制(Controls)，為虛擬儀器的框圖程序提供數(shù)據(jù);輸出量被稱為顯示(Indicators)，顯示虛擬儀器流程圖中獲得或產(chǎn)生的數(shù)據(jù)?？刂坪惋@示是以各種圖標(biāo)形式出現(xiàn)在前面板上，如旋鈕、開(kāi)關(guān)、按鈕、圖表、圖形等，這使得前面板直觀易懂。

(2)功能模塊

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件功能模塊包括參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、波形顯示、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)查看、打印報(bào)表等。

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)現(xiàn)已成功應(yīng)用于某航空領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)，并進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、測(cè)試精度高、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，大大提高了工作效率，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，為實(shí)現(xiàn)高性能的計(jì)量管理奠定了基礎(chǔ)。

三、結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)虛擬儀器以及開(kāi)發(fā)軟件LabVIEW介紹，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)友好的人機(jī)界面，可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的監(jiān)控，該系統(tǒng)具有功能擴(kuò)展性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)周期短、測(cè)試性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)大批量、無(wú)限時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，有著廣闊的應(yīng)用前景。

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