基于LabVIEW湿地环境检测软件设计.docx
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基于LabVIEW湿地环境检测软件设计
基于LabVIEW湿地环境检测软件设计
摘要
湿地与森林、海洋一起并列为全球三大生态系统，具有巨大的环境功能和环境效益，与人类的生存发展息息相关，在涵养水源、蓄洪防旱、改善气候、控制污染、维护生物多样性和区域生态平衡等方面发挥着重要的作用，有“自然之肾”之称。
近年来，有关湿地保护与开发的研究成为国际社会普遍关注的重点和热点，在理论和实践、局部和全面、宏观和微观多层面建立了湿地保护与开发的理论和技术体系，研究成果集中体现于湿地的概念、分类、功能及其评价、保护与开发利用技术等方面。
我国是世界湿地分布的重点区域之一，湿地类型多样，分布广泛，但同时人为干扰影响较大。
湿地如此的重要，所以我们要对湿地加以监控和保护。
在此我们可以利用LabVIEW开发平台，运用数据采集技术及处理可对湿地的各个监测因子进行监控。
本设计是虚拟仪器在环境监控领域的一次成功尝试。
实践证明虚拟仪器是一种优秀的解决方案，能够高效的实现各种监测任务。
关键词：
湿地监控，虚拟仪器，数据采集，LabVIEW
Wetlandsmonitoringsystemofmulti-channeldataacquisitionsoftware
Abstract
Wetlandsandforests,asaglobaloceanwiththethreemajorecosystems,theenvironmenthasgreatfunctionalityandenvironmentalbenefits,andiscloselyrelatedtohumansurvivalanddevelopment,inwaterconservation,floodanddroughtandimprovetheclimate,pollutioncontrol,maintenanceofbiologicaldiversityandregionalecologicalbalance,suchasplayinganimportantroleinthe"kidneysofnature"iscalled.Wetlandisreferredasoneofthemostimportantecologicalsystems,whichembracesmultiplefunctionsinresourcescapacity,ecologicalconservation,economicsupportandculturalendowments.Wetlandcontributesmostsignificantlyinwaterconservation,environmentalprotection,andcarbonstorageandbiodiversityprotection.Sofar,approachesonwetlandprotectionanddevelopmenthavebeenworldwideemphasized,eitherintheoryorinpractice,oronthemacroscopicandonthemicrocosmicleve1.Achievementscanbesummarizedonitsdefinition,classification,function,functionalevaluation,utilizationandconservation.Chinaistypicalofandrichinwetlandresources,butsomehavebeenextremelydisturbedbycomplicatedmanpower.
Wetlandsaresoimportant,sowehavetobeonthewetlandmonitoringandprotection.WecanusetheLabVIEWdevelopmentplatform,theuseofdataacquisitionandprocessingtechnologyofthevariousmonitoringwetlandsmonitoringfactor.
Thevirtualinstrumentdesignisthefieldofenvironmentalmonitoringinasuccessfulattempt.Practiceshowsthatthevirtual
instrumentisagoodsolution,toefficientlymonitortherealizationofavarietyoftasks.
Keywords:
Wetlandsmonitoring,VirtualInstrument,DAQ,LabVIEW
目录
前言1
第1章绪论3
错误！
未找到引用源。
§1.1项目背景概述3
§1.2虚拟仪器技术概述4
§1.2.1虚拟仪器的概念4
§1.2.2虚拟仪器的软件结构5
§1.3虚拟仪器的开发软件5
§1.3.1基于LabVIEW平台的虚拟仪器程序设计5
第2章系统设计理论8
§2.1数据采集技术概述9
§2.2采集系统的一般组成及各部分功能描述10
§2.3传感器错误！
未定义书签。
§2.4信号调理错误！
未定义书签。
§2.5输入信号的类型12
§2.6输入信号的连接方式13
§2.7测量系统分类13
§2.8选择合适的测量系统错误！
未定义书签。
§2.9数据采集卡的选择14
§2.10数据采集卡（DAQ卡）的组成错误！
未定义书签。
第3章系统软件设计14
§3.1信号采集软件驱动接口设置14
§3.2湿地模拟信号采集系统设计14
结论14
参考文献14
致谢14
前言
湿地是具有独特水文、土壤、植被与生物特征的生态系统，处于陆地生态系统与水生生态系统之间，是二者的过渡带。
按拉姆萨尔（Ramsar）公约，湿地的定义为：
“湿地是指不问其为天然或人工、长久或暂时性的沼泽地、泥炭地、水域地带，静止或流动的淡水、半咸水、咸水体，包括低潮时水深不超过6米的水域”。
湿地与森林、海洋一起并列为全球三大生态系统[1]，具有巨大的环境功能和环境效益，与人类的生存发展息息相关，在涵养水源、蓄洪防旱、改善气候、控制污染、维护生物多样性和区域生态平衡等方面发挥着重要的作用，有“自然之肾”之称。
我国湿地类型多样、分布很广，总面积在6500万公顷以上，居世界第三位，从寒温带到热带，从沿海到内陆，从平原到高原山区均有湿地分布，包括沼泽、泥炭地、湿草甸、浅水湖泊、高原咸水湖泊、盐沼和海岸滩涂等多种类型。
但是，对湿地的盲目开垦和改造等不当行为使我国湿地正面临着区域生态环境破坏、自然景观消失、生物多样性减少、气候条件变化、生态系统结构和功能丧失等多种生态灾难，从而严重制约了湿地的开发利用和湿地生态系统的保护。
湿地具有巨大的生态价值和环境效益，湿地保护与管理已成为近年来科学家和政府官员关注的焦点和热点，湿地的保护与管理已不仅仅是保护区的建立和与水禽有关的重要湿地的管理，而是从景观和生态系统范围的保护与管理，需要跨地区和全球的合作。
在湿地的保护与管理方面，着重研究湿地监测体系、湿地管理体制建设以及湿地立法等方面。
湿地生态监测主要是运用一些可比的方法，在时间和空间上对特定的湿地地域范围内生态系统的类型、数量、结构和功能等方面的一个或多个要素进行定期的测定和观察[2]。
建立完善的湿地监测体系，对湿地的动态变化情况进行监测和控制，为湿地管理、科学研究和合理利用提供及时准确的参考资料，对于保护湿地，维护湿地生态功能，实现国家社会经济的可持续发展有重大意义。
但是湿地也是近代史上遭受人类活动破坏最为严重的生态系统，它是继其他生态系统如农业、林业、沙漠等之后，人类重视最晚的一种资源[3]。
随着社会经济的发展，湿地的特殊性和重要性已受到全世界的关注，湿地研究已成为当前的热门研究领域。
基于如此，湿地的监测成为湿地研究及保护的重要方法。
湿地监测主要包括有自然环境监测湿、湿地水文系统监测、地面积变化监测水质变化的监测、土壤监测生物监测、湿地利用情况监测、周边社会经济状况监测及湿地威胁因子监测等。
本文基于LabVIEW平台运用数据采集卡来对湿地的监测因子进行模拟采集及实时显示。
主要包括有：
如何再LabVIEW中运用国产数据采集卡进行数据采集；采集对象有温度，ph值，湿度及氨氮含量；对超标的数据进行报警。
第1章绪论
错误！
未找到引用源。
§1.1项目背景概述
洛阳黄河湿地位于河南西部，洛阳市的北端，涉及新安、孟津、吉利3个县（区），共7个乡（镇），总面积24000.0hm2。
地理坐标介于北纬34°47′34″~35°04′16″，东经111°57′53″~112°48′16″之间。
东西长96km，南北宽约3~16km。
地处黄河中游，具有丰富的动植物资源，在河南湿地中占有非常重要的地位，在生态功能上具有缓冲和调节黄河水体、净化水质、补给洛阳及周边地区地下水的作用，既是黄河鲤鱼及其它一些回游鱼类的良好栖息地，也是黑鹳、白鹳、丹顶鹤、白天鹅、野鸭等候鸟迁徙中补给食物、生殖繁衍的重要场所。
洛阳黄河湿地从西到东依次为两种不同的地貌类型，即低山和平原地貌。
从新安与渑池交界到小浪底大坝以下的西霞院为低山地貌类型，海拔介于400~800m之间。
黄河小浪底水库建成后，此处形成27320hm2的大面积水域（上溯至三门峡）。
小浪底以下至孟津是由山地进入平原的过渡地段，河道逐渐由200~300m，放宽到3~5km，两岸滩涂逐渐增多，北岸是断续的黄土低崖，南岸为绵延的邙山。
洛阳黄河湿地是以河流为依托，包括了河流湿地、水库、池塘等自然和人工湿地类型。
其中水库类型约占东西长度的2/3，河流湿地类型约占1/3，池塘零星分布于平原地貌的河道两岸。
洛阳黄河湿地地理环境独特,有山地、丘陵、平原、不稳定的黄河主河道及浅滩水域、黄河滩涂等,为众多鸟类提供了良好的栖息地和充足的食物来源,许多鸟类集中在湿地上或湿地周围,形成了湿地生物多样性指数高的生态体系,有着很高的生态价值和经济价值。
所以洛阳黄河湿地的实时监测,湿地的保护及生态管理具有重要意义。
本课题从湿地的保护出发对湿地的实时监控系统进行研究，主要设计运用LabVIEW对国产数据采集卡的驱动，以及运用数据采集技术对湿地的一些监测因子进行采集和进行报警。
本文主要介绍有：
LabVIEW的基本知识、数据采集理论、软件设计等方面。
§1.2虚拟仪器技术概述
§1.2.1虚拟仪器的概念
LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是实验室虚拟仪器集成环境的简称，是美国国家仪器公司（NATIONALINSTRUMENTSTM，简称NI）推出的一种基于图形程序的虚拟仪器仪表开发平台，和仪器系统的数据采集、分析、显示部分一起协调工作，是简化了而又更易于使用的基于图形化编程语言G的开发环境，其在测量测试、数据采集、仪器控制、数字信号分析、工厂自动化等领域获得了广泛的应用[4-5]。
一个完整的LabVIEW开发环境包括基本模块和扩展模块两部分。
引擎部分是整个图形化开发环境的核心，它包括编辑模块、运行模块和调试模块，其程序主要包括两个部分：
前面板（即人机界面）和流程图程序。
前面板（frontpanel）用于模拟真实仪器的面板操作，由控件和指示元件组成。
控件集成了旋钮、开关等用户输入控制对象，可以为程序输入数据。
指示元件类似仪器的输出装置可以显示输出值以及实现图表和文字显示。
软件前面板其实是自动化的拓展，它保持了传统直观的视觉和感觉效果，同时软件前面板创建了一个真正的接口，无论用户使用什么类型的硬件，软件前面板只包含了对于一个应用场合很重要的参数，用户能够很容易地从一个单一的前面板控制多台，并把整个系统作为一台虚拟仪器看待。
流程图是用图标连线方式的图形，是程序的图形化源代码。
工作指令由K语言编制的图标式流程图获得，它既可被用作最高的程序也可以被其它程序调用的子程序（每个程序都可以称为一个VI）。
模块的程序由连线把数据的输入输出端连接起来。
图标连接点作为图形参量列表以使其它VI可以将数据传递给子VI。
它包括函数（functions）、结构（structures）、代表前面板上控制对象和显示对象的端子及连线等。
编辑模块的功能就是用于进行前面板和流程图的编程工作，而图形化元素库则用于编程、调试前面板和流程图上对象的工具。
流程式的程序设计与科技工程人员较为熟悉的数据流和方框图的概念是一致的，而且由于流程图与传统程序设计语言的语法细节无关，构建和测试程序就可以少费时间，使用方框图方法可以实现内部的自我复制。
采用前面板、流程图和图标等，用户就对整个系统实现图形化描述，同时，用户还能够重用虚拟仪器，也可以随时改变虚拟仪器来满足自己的需要。
§1.2.2虚拟仪器的软件结构
虚拟仪器技术的核心是软件，其软件基本结构如图1-1所示。
用户可以采用各种编程软件来开发自己所需要的应用软件。
以美国NI公司的软件产品LabVIEW和LabWindows/CVI为代表的虚拟仪器专用开发平台是当前流行的集成化开发工具。
这些软件开发平台提供了强大的仪器软面板设计工具和各种数据处理工具，再加上虚拟仪器硬件厂商提供的各种硬件的驱动程序模块，简化了虚拟仪器的设计工作。
随着软件技术的迅速发展，软件开发的模块化、复用化，和各种硬件仪器驱动软件的模块化、标准化，虚拟仪器软件开发将变得更加快速、方便[4,6]。
图1-1虚拟仪器软件结构
§1.3虚拟仪器的开发软件
§1.3.1基于LabVIEW平台的虚拟仪器程序设计
所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器（VI），它包括前面板（FrontPanel）、流程图（BlockDiagram）以及图标/连结器（Icon/Connector）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。
但并非画出两个控件后程序就可以运行，在前面板后还有一个与之对应的流程图。
2）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的控件连线端子，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。
如果将VI与传统仪器相比较，那么前面板上的控件对应的就是传统仪器上的按钮、显示屏等控件，而流程图上的连线端子相当于传统仪器箱内的硬件电路。
在许多情况下，使用VI可以仿真传统仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与传统标准仪器相差无几。
这种设计思想的优点体现在两方面：
①类似流程图的设计思想，很容易被工程人员接受和掌握，特别是那些没有很多程序设计经验的工程人员。
②设计的思路和运行过程清晰而且直观。
如通过使用数据探针、高亮执行调试等多种方法，程序以较慢的速度运行，使没有执行的代码显示灰色，执行后的代码会高亮显示，同时在线显示数据流线上的数据值，完全跟踪数据流的运行。
这为程序的调试和参数的设定带来诸多的方便。
3）图标/连接设计：
这部分的设计突出体现了虚拟仪器模块化程序设计的思想。
在设计大型自动检测系统时一步完成一个复杂系统的设计是相当有难度的。
而在LabVIEW中提供的图标/连接工具正是为实现模块化设计而准备的。
设计者可把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个都可完成一定的功能。
这样设计的优点体现在如下几方面：
①把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，程序设计思路清晰，给设计者调试程序带来了诸多的方便。
同时也对于将来系统的维护提供了便利。
②一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个子系统都是一个完整的功能模块，这样把测试功能细节化，便于实现软件复用，大大节省软件研发周期，提高系统设计的可靠性。
③便于实现“测试集成”和虚拟仪器库的思想。
同时为实现虚拟仪器设计的灵活性提供了前提[7]。
第2章系统设计理论
§2.1数据采集技术概述
在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。
它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。
各种类型信号采集的难易程度差别很大。
实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。
数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。
假设现在对一个模拟信号x（t）每隔△t时间采样一次。
时间间隔△t被称为采样间隔或者采样周期。
它的倒数l/△t被称为采样频率，单位是采样数/每秒。
t＝0，△t，2△t，3△t……等等，x（t）的数值就被称为采样值。
所有x（0），x（△t），x（2△t）都是采样值。
这样信号x（t）可以用一组分散的采样值来表示：
{x（0），x（△t），x（2△t），x（3△t），…，x（k△t），…}
图2-1显示了一个模拟信号和它采样后的采样值。
采样间隔是△t，注意，采样点在时域上是离散的。
图2-1模拟信号采用图
如果对信号x（t）采集N个采样点，那么x（t）就可以用下面这个数列表示：
X={x[0]，x[l]，x[2]，x[3]，…，x[N－l]}
这个数列被称为信号x（t）的数字化显示或者采样显示。
这个数列中仅仅用下标变量编制索引，而不含有任何关于采样率（或△t）的信息。
所以如果只知道该信号的采样值，并不能知道它的采样率，缺少了时间尺度，也不可能知道信号x（t）的频率。
根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。
反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。
如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。
图2-2和图2-3显示了一个信号分别用合适的采样率和过低的采样率进行采样的结果。
图2-2合适采样率采样波形
图2-3采样率过低采样波形
采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。
这种信号畸变叫做混叠。
出现的混频偏差是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。
为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集（A/D）之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。
理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的2倍就够了，但实际上工程中选用5-10倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些[8-9]。
§2.2采集系统的一般组成及各部分功能描述
图2-4数据采集结构图
图2-4表示了数据采集的结构。
在数据采集之前，程序将对采集板卡初始化，板卡上和内存中的Buffer是数据采集存储的中间环节。
需要注意的两个问题是：
是否使用缓冲？
是否使用外触发启动、停止或同步一个操作？
1）缓冲（Buffers）
这里的缓冲指的是PC内存的一个区域（不是数据采集卡上的FIFO缓冲），它用来临时存放数据。
例如，你需要采集每秒采集几千个数据，在一秒内显示或图形化所有数据是困难的。
但是将采集卡的数据先送到Buffer，你就可以先将它们快速存储起来，稍后再重新找回它们显示或分析。
需要注意的是Buffer与采集操作的速度及容量有关。
如果你的卡有DMA性能，模拟输入操作就有一个通向计算机内存的高速硬件通道，这就意味着所采集的数据可以直接送到计算机的内存。
不使用Buffer意味着对所采集的每一个数据你都必须及时处理（图形化、分析等）。
下列情况需要使用BufferI/O：
①需要采集或产生许多样本，其速率超过了实际显示、存储到硬件，或实时分析的速度。
②需要连续采集或产生AC数据（>10样本/秒），并且要同时分析或显示某些数据。
③采样周期必须准确、均匀地通过数据样本。
下列情况可以不使用BufferI/O：
①数据组短小，例如每秒只从两个通道之一采集一个数据点。
②需要缩减存储器的开支。
2）触发（Triggering）
触发涉及初始化、终止或同步采集事件的任何方法。
触发器通常是一个数字或模拟信号，其状态可确定动作的发生。
软件触发最容易，你可以直接用软件，例如使用布尔面板控制去启动/停止数据采集。
硬件触发让板卡上的电路管理触发器，控制了采集事件的时间分配，有很高的精确度。
硬件触发可进一步分为外部触发和内部触发。
当某一模拟入通道发生一个指定的电压电平时，让卡输出一个数字脉冲，这是内部触发。
采集卡等待一个外部仪器发出的数字脉冲到来后初始化采集卡，这是外部触发。
许多仪器提供数字输出（常称为“triggerout”）用于触发特定的装置或仪器，在这里，就是数据采集卡[10-11]。
下列情况使用软件触发：
用户需要对所有采集操作有明确的控制，并且事件定时不需要非常准确。
下列情况使用硬件触发：
①采集事件定时需要非常准确。
②用户需要削减软件开支。
③采集事件需要与外部装置同步。
§2.5输入信号的连接方式
一个电压信号可以分为接地和浮动两种类型。
测量系统可以分为差分（Differential）、参考地单端（RSE）、无参考地单端（NRSE）三种类型[4,13]。
1）接地信号
接地信号，就是将信号的一端与系统地连接起来，如大地或建筑物的地。
因为信号用的是系统地，所以与数据采集卡是共地的。
接地最常见的例子是通过墙上的接地引出线，如信号发生器和电源。
2）浮动信号
一个不与任何地（如大地或建筑物的地）连接的电压信号称为浮动信号，浮动信号的每个端口都与系统地独立。
一些常见的浮动信号的例子有电池、热电偶、变压器和隔离放大器。
§2.6数据采集卡的选择
数据采集板卡的性能与众多因素相关，要根据具体情况来具体分析。
所以在选择数据采集卡构成系统时，首先必须对数据采集卡的性能指标有所了解[16-17]。
数据采集卡的主要性能指标
1）采样频率
采样频率的高低，决定了在一定时间内获取原始信号信息的多少，为了能够较好的再现原始信号，不产生波形失真，采样率必须要足够高才行。
根据奈奎斯特理论采样频率至少是原信号的两倍，但实际中，一般都需要5～10倍。
2）采样方法
采集卡通常都有好几个数据通道，如果所有的数据通道都轮流使用同一个放大器和A/D转换器，要比每个通道单独使用各自的经济的多，但这仅适用于对时间不是很重要的场合。
如果采样系统对时间要求严格，则必须同时采集，这就需要每个通道都有自己的放大和A/D转换器。
但是处于成本的考虑，现在普遍流行的是各个数据通道公用一套放大器和A/D转换器。
3）分辨率
ADC的位数越多，分辨率就越高，可区分的电压就越小。
例如，三位的A/D转换把模拟电压范围分成23=8段，每段用二进制代码在000到111之间表示。
因而，数字信号不能真实地反映原始信号，因为一部分信息被漏掉了。
如果增加到十二位，代码数从8增加到212=4096，这样就可以获得就能获得十分精确的模拟信号数字化表示。
4）电压动态范围
电压范围指ADC能扫描到的最高和最低电压。
一般最好能够使进入采集卡的电压范围刚好与其符合，以便利用其可靠的分辨率范围。
例如，一个12位多功能DAQ卡，其可选的范围从0到10V，或－5到＋5V，其可选增益有1，2，5，10，20，50或100。
电
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