基于虛擬儀器的無紙記錄儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 CP/IP、 ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動(dòng)有趣。圖形化的程序語言，又稱為“ G”語言。使用這種語言內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念 。 因此， LabVIEW 是一個(gè)面向最終用戶的工具。它 可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率 [7]。 LabVIEW的運(yùn)行機(jī)制 所有的 LabVIEW 應(yīng)用程序，即虛擬儀器（ VI），它包括前面板、流程圖以及圖標(biāo) /連結(jié)器三部分。 前面板是圖形用戶界面，也就是 VI 的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對象 ，前面板可以根據(jù)用戶的需要自己設(shè)定 。 控制對象(輸入 ) 顯示對象 (輸出 ) 圖 隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器的前面板 面板 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 圖 所示 是 一個(gè)隨機(jī)信號(hào)發(fā)生和顯示的簡單 VI 的前面板，上面有一個(gè)顯示對象，以曲線的方式顯示了所產(chǎn)生的一系列隨機(jī)數(shù)。 另外， 還有一個(gè)控制對象 — 開關(guān)，可以啟動(dòng)和停止工作。顯然，并非簡單地畫兩個(gè)控件就可以運(yùn)行，在前面板后還有一個(gè)與之配套的流程圖。 流程圖提供 VI 的圖形化源程序。在流程圖中對 VI 編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。流程圖中包括前面板上控件的連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。 圖 是與圖 對應(yīng)的流程圖。我們可以看到流程圖中包括了前面板上的開關(guān)和隨機(jī)數(shù)顯示器的連線端子，還有一個(gè)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器函數(shù)及程序的循環(huán)結(jié)構(gòu)。隨機(jī)數(shù)發(fā)生器通過連線將產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào)送到顯示控件，為了使它持續(xù)工作下去，設(shè)置了一個(gè) While 函數(shù)：隨機(jī)數(shù)發(fā)生器 結(jié)構(gòu)：循環(huán) 與前面板控件對應(yīng)的連線端子 與前面板控件對應(yīng)的連線端子 圖 隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器的流程圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） Loop 循環(huán)，由開關(guān)控制這一循環(huán)的結(jié)束。 如果將 VI 與標(biāo)準(zhǔn)儀器相比較，那么前面板上的東西就是儀器面板上的東西，而流程圖上的東西相當(dāng)于儀器箱內(nèi)的東西。在許多情況下，使用 VI 可以仿真標(biāo)準(zhǔn)儀器，不僅在屏幕上出現(xiàn)一個(gè)惟妙惟肖的標(biāo)準(zhǔn)儀器面板，而且其功能也與標(biāo)準(zhǔn)儀器相差無幾。 從而可以 看出虛擬 儀器無論在設(shè)計(jì)上和應(yīng)用上比普通儀器有著絕對的優(yōu)勢。 LabVIEW的操作模板 在 LabVIEW 的用戶界面上，應(yīng)特別注意它提供的操作模板，包括工具模板、控制模板和函數(shù)模板。這些模板集中反映了該軟件的功能與特征。 該模板提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試 VI 程序的工具。如果該模板沒有出現(xiàn)，則可以在 Windows 菜單下選擇 Show Tools Palette 命令以顯示該模板。當(dāng)從模板內(nèi)選擇了任一種工具后，鼠標(biāo)箭頭就會(huì)變成該工具相應(yīng)的形狀。當(dāng)從 Windows 菜單下選擇了 Show Help Window 功能 后，把工具模板內(nèi)選定的任一種工具光標(biāo)放在流程圖程序的子程序或圖標(biāo)上，就會(huì)顯示相應(yīng)的幫助信息。 該模板用來給前面板設(shè)置各種所需的輸出顯示對象和輸入控制對象。每個(gè)圖標(biāo)代表一類子模板。如果控制模板不顯示，可以用 Windows 菜單的 Show Controls Palette 功能打開它，也可以在前面板的空白處，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，以彈出控制模板。 功能模板是創(chuàng)建流程圖程序的工具。該模板上的每一個(gè)頂層圖標(biāo)都表示一個(gè)子模板。若功能模板不出現(xiàn)，則可以用 Windows 菜單下的 Show Functions Palette 功能打開它，也可以在流程圖程序窗口的空白處點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵以彈出功能模板。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 調(diào)試技術(shù) 如果一個(gè) VI 程序存在語法錯(cuò)誤，則在面板工具條上的運(yùn)行按鈕會(huì)變成一個(gè)折斷的箭頭，表示程序不能被執(zhí)行。這時(shí)該按鈕被稱作錯(cuò)誤列表。點(diǎn)擊它，則 LabVIEW 彈出錯(cuò)誤清單窗口，點(diǎn)擊其中任何一個(gè)所列出的錯(cuò)誤，選用 Find 功能，則出錯(cuò)的對象或端口就會(huì)變成高亮。 在 LabVIEW 的工具條上有一個(gè)畫著燈泡的按鈕，這個(gè)按鈕叫做“高亮執(zhí)行”按鈕。點(diǎn)擊這個(gè)按鈕使它變成高亮形式，再點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕， VI 程序就以較慢的速度運(yùn)行，沒有被執(zhí)行的代碼灰色顯示，執(zhí)行后的代碼高亮顯示，并顯示數(shù)據(jù)流線上的數(shù)據(jù)值。這樣，你就可以根據(jù)數(shù)據(jù)的流動(dòng)狀態(tài)跟蹤程序的執(zhí)行。 為了查找程序中的邏輯錯(cuò)誤，有時(shí)希望流程圖程序一個(gè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)地執(zhí)行。使用斷點(diǎn)工具可以在程序的某一地點(diǎn)中止程序執(zhí)行，用探針或者單步方式查看數(shù)據(jù)。使用斷點(diǎn)工具時(shí)，點(diǎn)擊你希望設(shè)置或者清除斷點(diǎn)的地方。斷點(diǎn)的顯示對于節(jié)點(diǎn)或者圖框表示為紅框，對于連線表示為紅點(diǎn)。當(dāng) VI 程序運(yùn)行到斷點(diǎn)被設(shè)置處，程序被暫停在將要執(zhí)行的節(jié)點(diǎn)，以閃爍表示。按下單步執(zhí)行按鈕，閃爍 的節(jié)點(diǎn)被執(zhí)行，下一個(gè)將要執(zhí)行的節(jié)點(diǎn)變?yōu)殚W爍，指示它將被執(zhí)行。你也可以點(diǎn)擊暫停按鈕，這樣程序?qū)⑦B續(xù)執(zhí)行直到下一個(gè)斷點(diǎn)。 可用探針工具來查看當(dāng)流程圖程序流經(jīng)某一根連接線時(shí)的數(shù)據(jù)值。從 Tools 工具模板選擇探針工具，再用鼠標(biāo)左建點(diǎn)擊你希望放置探針的連接線。這時(shí)顯示器上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)探針顯示窗口。該窗口總是被顯示在前面板窗口或流程圖窗口的上面。在流程圖中使內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 用選擇工具或連線工具，在連線上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，在連線的彈出式菜單中選擇“探針”命令，同樣可以為該連線加上一個(gè)探針 。 用 LabVIEW 編制出的圖形化 VI 是分層次 和模塊化的。每個(gè) VI 既可以單獨(dú)運(yùn)行，也可以被其他 VI 調(diào)用。一個(gè) VI 用在其他 VI 中，稱之為 SubVI， SubVI 在調(diào)用它的程序中同樣是以一個(gè)圖標(biāo)的形式出現(xiàn)的。 LabVIEW 依附并發(fā)展了模塊化程序設(shè)計(jì)的概念。用戶可以把一個(gè)應(yīng)用題目分解為一系列的子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)還可以進(jìn)一步分解成許多更低一級的子任務(wù)，指導(dǎo)把一個(gè)復(fù)雜的題目分解為許多子任務(wù)的組合。首先設(shè)計(jì) SubVI 完成每個(gè)子任務(wù)，然后將之逐步組合成能夠解決最終問題的 VI。 歸納起來 LabVIEW 軟件開發(fā)平臺(tái)有以下優(yōu)點(diǎn) ： （ 1） 圖形化的編程方式，設(shè)計(jì)者無需寫任何文本 格式的代碼，是真正的工程師的語言。 （ 2） 提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲(chǔ)的庫函數(shù)。 （ 3） 既提供了傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步運(yùn)行，同時(shí)提供有獨(dú)到的高亮執(zhí)行工具 ，使程序動(dòng)畫式運(yùn)行，利于設(shè)計(jì)者觀察程序運(yùn)行的細(xì)節(jié)，使程序的調(diào)試和開發(fā)更為便捷。 （ 4）囊括了 DAQ， GPIB， PXI， VXI， RS232/485 在內(nèi)的各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，使得不懂總線標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)者也能夠驅(qū)動(dòng)不同總線標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備與儀器。 （ 5）提供大量與外部代碼或軟件進(jìn)行連接的機(jī)制，諸如 DLLS（動(dòng)態(tài)連接庫）、 DDE（共享庫） 、 ActiveX 等。 （ 6）強(qiáng)大的 Inter 功能，支持常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程測控儀器的開發(fā)。 圖形化程序設(shè)計(jì)編程簡單、直接、開發(fā)效率高。隨著虛擬儀器技術(shù)的不斷發(fā)展，圖形化的編程語言必將成為測試和控制領(lǐng)域內(nèi)最流行發(fā)展趨勢。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 數(shù)據(jù)采集卡 的選用 數(shù)據(jù)采集卡 的簡介 計(jì)算機(jī)與 數(shù)據(jù)采集卡組成了 虛擬無紙記錄儀 的硬件平臺(tái)基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集卡是 虛擬無紙記錄儀 的重要組成部分，其性能指標(biāo)直接影響 虛擬無紙記錄儀 的采樣速度、精度等主要指標(biāo)。 CPU 的速度及計(jì)算機(jī)的內(nèi)存影響 記錄儀處理數(shù)據(jù)的速度， 計(jì)算機(jī)的硬盤決定了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的容 量。 LabVIEW 中數(shù)據(jù)采集庫包含了許多有關(guān)采樣和生成數(shù)據(jù)的函數(shù)，它們與 NI的插卡式或遠(yuǎn)程數(shù) 據(jù)采集產(chǎn)品協(xié)同工作。數(shù)據(jù)采集卡價(jià)格低廉、操作攜帶方便，因此， 大大的降低了每個(gè)通道的成本。 數(shù)據(jù)采集的任務(wù)是采集原始信號(hào)，其主要指標(biāo)有采樣精度、采樣速度。采樣精度由轉(zhuǎn)換器的位數(shù)來決定，而采樣速度是與采樣頻率 相關(guān) 的。從提高精度的角度出發(fā)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)與采樣頻率之間是相互制約的。 數(shù)據(jù)采集 卡 的選擇主要與采樣率、測量通道、分辨率和測量精度有關(guān)。采樣率即在單位時(shí)間內(nèi)的測量次數(shù)，一般用 Hz 即采樣頻率來表示，也有用 S/s 表示 。采樣率的選擇，取決于被測量的信號(hào)的變化速度，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，所需的采樣頻率應(yīng)為所測信號(hào)的最高頻率分量的兩倍以上，即選用 100KHz的板卡才能完成最高頻率為 50KHz的被測信號(hào)的測量工作。 數(shù)據(jù)采集卡的主要組成部分 多路開關(guān)將多路信號(hào)輪流切換到放大器的輸入端，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)多路信號(hào)的分時(shí)采集。 放大器將待采集信號(hào)放大或衰減至采樣環(huán)節(jié)的量程范圍內(nèi)。通常實(shí)際系統(tǒng)中，放大器的增益是可調(diào)的，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)輸入信號(hào)幅值的大小選擇不同的增益倍數(shù)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） /保持器 采樣 /保持器取出 被 測信號(hào)在 某一瞬時(shí)的值，即實(shí)現(xiàn)信號(hào)的時(shí)間離散化，并在 A/D轉(zhuǎn)換過程中保持信號(hào)不變。如果被測信號(hào)變化很緩慢，也可以不用采樣 /保持器。 A/D 轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬量轉(zhuǎn)化成為數(shù)字量輸出，并完成信號(hào)幅值的變化。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，通常將采樣 /保持器 同 A/D 轉(zhuǎn)換器集成在一塊芯片上。 以上四個(gè)部分都處在 PC 的前向通道，是數(shù)據(jù)采集卡的主要組成部分。其他相關(guān)電路，如定時(shí) /計(jì)數(shù)器、總線接口電路等也集成在一塊電路板上，完成對信號(hào)數(shù)據(jù)的采集、放大及模 /數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)。很多數(shù)據(jù)采集卡電路板上，還裝有數(shù) /模轉(zhuǎn)換器，它處在 PC 的后向 輸出通道，用于將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，從而實(shí)現(xiàn)控制功能。 數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)設(shè)置 要使數(shù)據(jù)采集卡正確地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，必須根據(jù)實(shí)際測量的需要對一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，這就是數(shù)據(jù)采集卡的軟件驅(qū)動(dòng)。待設(shè)置的參數(shù)主要有采集卡的設(shè)備號(hào)及地址碼，此外還有如下設(shè)置項(xiàng)。 設(shè)置信號(hào)的輸入方式：輸入信號(hào)是單端輸入還是雙端輸入，輸入信號(hào)是單極性信號(hào)還是雙極性信號(hào)等。 選擇增益：根據(jù)輸入信號(hào)的幅值變化范圍和分辨率要求，選擇增益。 選擇量程：一般根據(jù)輸入信號(hào)是單極性還是雙極性，選擇合適量程。 設(shè)定信號(hào)輸入通道號(hào)。 設(shè)定采樣點(diǎn)數(shù)。 設(shè)定采樣速率。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 測量通道是 整個(gè)系統(tǒng)測量信號(hào)的輸入輸出口 ，產(chǎn)品不同，可測量的通道數(shù)也不同。在選取產(chǎn)品時(shí)需要注意：可測通道數(shù)是否滿足要求；當(dāng)需要差分輸入測量時(shí)，板卡上有無差分輸入以及差分輸入的通道數(shù)，應(yīng)注意產(chǎn)品能否擴(kuò)展 以 及最多可擴(kuò)展的 通 道數(shù)。 測量中都需將模擬信號(hào)經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)，分辨率就是將滿量程信號(hào)經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后得到的二進(jìn)數(shù)的位數(shù)，分辨率越高，意味著可檢測出來的電壓變化越小，它和測量范圍（可測量的最高電平）及增益（板卡的放大倍數(shù)）一起決 定了該板卡可測的最小電壓變化量，也稱為二進(jìn)碼的寬度，產(chǎn)品中 使用 8 位 、 12 位、 16 位的 較 多。 PCI6221 數(shù)據(jù)采集卡 圖 PCI6221 數(shù)據(jù)采集卡 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） PCI6221 卡是一種基于 PCI 總線的數(shù)據(jù)采集卡，可直接插在 IBMPC/AT或與之兼容的計(jì)算機(jī)內(nèi)的任一 PCI 插槽中，構(gòu)成實(shí)驗(yàn)室、產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心等各種領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集、波形分析和處理系統(tǒng)。也可構(gòu)成工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)。 其 引腳圖如圖 ， 基本參數(shù) 如下： （ 1） 分辨率： 16Bit （ 2） 采樣率： 250 kS/s， 16 路模擬輸入 （ 3） 兩路 16位模擬輸出 （ 833 kS/s） （ 4） 24 路數(shù)字 I/O； 32位計(jì)數(shù)器 ； 數(shù)字觸發(fā) （ 5） NIMCal 校準(zhǔn)支持 （ 6） NIDAQmx 測試軟件和硬件配置程序支持 （ 7） NIST 校準(zhǔn)證書和多余 70 種的信號(hào)調(diào)理模塊選擇 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第三章 虛擬無紙記錄儀 的 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成 工程上使用具有 PCI、 PXI、 USB、并口及串口的計(jì)算機(jī)來獲取測試數(shù)據(jù)，稱之基于PC 的 DAQ 系統(tǒng)。這種系統(tǒng)一般有兩種方案：一種是通過插入式的 DAQ 卡直接獲取數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)；另外一種是由計(jì)算機(jī)外部的 DAQ 硬件獲取測試數(shù)據(jù)，然后通 過各種總線，傳輸給計(jì)算機(jī)。 基于 PC 的 DAQ 系統(tǒng)包含以下基本要素： （ 1） 傳感器 傳感器感應(yīng)物理信息并生成可測量的電信號(hào)。例如熱電偶、電阻式測溫計(jì)（ RTD）、熱敏電阻器和 IC 傳感器可以把溫度轉(zhuǎn)變?yōu)?ADC 可測量的模擬信號(hào)。 （ 2） 信號(hào)調(diào)理裝置 從傳感器得到的信號(hào)可能會(huì)很微弱，或者含有大量噪聲，或者是非線性的等等，這種信號(hào)在進(jìn)入采集卡之前必須經(jīng)過信號(hào)調(diào)理。信號(hào)調(diào)理的方法主要包括放大、衰減、隔離、多路復(fù)用、濾波、激勵(lì)和數(shù)字信號(hào)調(diào)理等 。 （ 3） DAQ 設(shè)