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智能化测控技术论文
目录
第一章绪论1
1．1虚拟仪器技术概述1
1．2虚拟仪器硬件技术1
1．3虚拟仪器软件技术3
1．4虚拟仪器技术的发展4
第二章LabVIEW简介6
2．1LabVIEW概述6
2．2LabVIEW的操作模板7
第三章虚拟仪器测量原理10
3．1稳压电源10
3．2直流电机脉宽调制12
3．3方波发生器15
第四章总结19
参考文献20
第一章绪论
1．1虚拟仪器技术概述
虚拟仪器（VirtualIntrument，简称VI）是计算机技术与仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器，是对传组仪器概念的重大突破，是仪器领域内的一次革命。
虚拟仪器是继第一代仪器——模拟式、仪表器二代仪器——分立元件式仪表、第三代仪器——数字式仪器、第四代仪器——智能化仪器之后的新一代仪器。
虚拟仪器是在计算机的显示屏上虚拟了传统仪器面板的计算机化仪器，它尽可能多的将原来由硬件电路完成的信号调理和信号处理的功能，代替为计算机的程序来完成。
这种硬件功能软件化，是虚拟仪器的一大特征。
操作人员在计算机的屏幕上利用指点设备操作虚拟的仪器，就象操作真实的仪器一样，完成对被测量的采集、显示、分析、处理、存储及数据生成。
是一种以计算机和测试模块的硬件为基础、以计算机软件为核心所构成的，并且在计算机屏幕上显示虚拟的仪器面板，可由用户软件来定义仪器功能的仪器。
虚拟仪器系统可以广泛地应用在通讯、自动化、半导体、航空、电子、电力、生化制药、和工业生产等各种领域。
现有的虚拟仪器系统按硬件工作平台主要可分为基于PC总线的虚拟仪器、基于VXI的虚拟仪器、基于PXI的虚拟仪器，所应用场合不同各有其特点。
虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。
灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。
这也正是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。
只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。
1．2虚拟仪器硬件技术
1．卡式仪器
传统仪器主要由控制面板和内部处理电路组成；而卡式仪器自身不带仪器面板，必须借助计算机强大的图形环境，建立图形化的虚拟面板，完成对仪器的控制、数据分析和显示。
以数据采集卡为例，通常具有A/D和D/A转换、数字I/O和计数器/定时器等功能，有些还有数字滤波和数字信号处理功能。
现在多功能数据采集卡多采用“虚拟硬件（VH）的技术”，它的思想源于可编程器件，使用户通过程序能够方便地改变硬件的功能或性能参数，从而依靠硬件设备的柔性来增强其适用性和灵活性。
目前市面上的VH，其采样率和精度都是可变的。
由于卡式仪器与计算机结合紧密，能够充分利用已有的计算机资源，较之传统仪器成本更低廉、使用更灵活、性能更强，因此它是一种极具潜力的仪器种类。
2．总线技术
1．仪器总线：
（1）基于PC总线的虚拟仪器内置PC总线（如ISA、PCI）的通用数据采集卡DAQ。
（2）基于GPIB通用接口总线的虚拟仪器国际标准（IEEE488.1和IEEE488.2），技术成熟；但其数据传输速度一般低于500Kb/s
（3）基于VXl总线的虚拟仪器具有模块化、系列化、通用化、“即插即用”及VXI仪器的互换性和互操作性。
但价格相对较高，适合于高端的测试领域。
（4）基于PXI总线的虚拟仪器兼容PCI总线产品。
集CompactPCI的高性能和VXI可靠性，性价比最好。
GPIB总线（即IEEE488总线）是一种数字式并行总线，主要用于连接测试仪器和计算机。
该总线最多可以连接15个设备（包括作为主控器的主机）。
如果采用高速HS488交互握手协议，传输速率可高到8MBps。
VXI总线（即IEEE1155总线）是一种高速计算机总线—VME总线在仪器领域的扩展。
它是在1987年，由五家测试和仪器公司制订的仪器总线标准。
VXI总线具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强最高可达40MBps、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的特点，因此得到了广泛的应用。
不过，由于价格较高，推广应用受到一定限制，主要集中在航空、航天等国防领域。
PXI总线是以CompactPCI为基础的，由具有开放性的PCI总线扩展而来（NI公司于1997年提出）。
PXI总线符合工业标准，在机械、电气和软件特性方面充分发挥了PCI总线的全部优点。
PXI构造类似于VXI结构，但它的设备成本更低、运行速度更快，体积更紧凑。
目前基于PCI总线的软硬件均可应用于PXI系统中，从而使PXI系统具有良好的兼容性。
PXI还有高度的可扩展性，它有8个扩展槽，而台式PCI系统只有3～4个扩展槽。
PXI系统通过使用PCI-PCI桥接器，可扩展到256个扩展槽。
PXI总线的传输速率已经达到132Mbps（最高为500Mbps）。
2．计算机总线：
ISA总线是一种8位或16位非同步数据总线，工作频率为8MHz，最高数据传输率在8位时为24MBps，16位时为48MBps。
这种总线对于低速数据采样与处理来说是有效的，但对于基于高性能PC机的多任务操作系统和高速数据采集系统来说，ISA总线由于其带宽、位数等的限制，故不能满足系统工作的要求。
PCI总线是一种同步的独立于CPU的32位或64位局部总线，时钟频率为33MHz，数据传输率高达132～264MBps，PCI总线技术的无限读写，可在一瞬间发送大量数据。
PCI总线上的外围设备可与CPU并发工作，从而提高了整体性能。
PCI总线还有自动配置功能，从而使所有与PCI兼容的设备实现真正的“即插即用”。
PCI总线由于上述优点而得到了广泛应用，已成为PC工业的事实标准。
USB通用串行总线和IEEE1394总线是被PC机广泛采用的两种总线，它们已被集成到计算机主板上。
USB总线能以雏菊链方式连接127个装置，需要一对信号线及电源线。
USB2.0标准的数据传输率能达到480Mbps。
该总线具有轻巧简便、价格便宜、连接方便快捷的特点，现在已被广泛用于宽带数字摄像机、扫描仪、打印机及存储设备。
IEEE1394总线是由苹果公司于1989年设计的高性能串口总线，目前传输速率为100、200、400Mbps，将来可达3.2Gbps。
这种总线需要两对信号线和一对电源线，可以用任意方式连接63个装置，它是专为需要大数据量串行传送的数码相机、硬盘等设计的。
3．工业现场总线：
为了共享测试系统资源，越来越多用户正在转向网络。
工业现场总线是一个网络通讯标准，它使得不同厂家的产品通过通讯总线使用共同的协议进行通讯。
虚拟仪器系统组建方案
通过各种不同的接口总线，组建不同规模的自动测试系统。
虚拟仪器系统按硬件构成方式，可有以下几种组建方案：
1）GPIB仪器通过GPIB接口卡与计算机组成GPIB系统。
2）VXI仪器与计算机组成VXI系统。
3）PXI仪器组成PXI系统。
4）以DAQ和信号调理部分为硬件组成PC-DAQ测试系统。
5）并行总线仪器组成并行总线系统。
6）串行总线仪器组成串行总线系统。
7）现场总线设备组成现场总线系统。
1．3虚拟仪器软件技术
1．软件开发平台
虚拟仪器的开发环境主要有VisualC++，VisualBasic，以及HP公司的VEE和NI公司的LabVIEW、LabWindows/CVI等。
VC、VB、LabWindows/CVI对开发人员的编程能力要求很高且开发周期长。
VEE是一个基于图形的虚拟仪器编程环境，拥有较多的用户，缺点是其生成的应用程序是解释执行的，运行速度较慢。
LabVIEW是目前国际上唯一的基于数据流的编译型图形编程环境，它把复杂、烦琐、费时的语言编程简化成用简单或图标提示的方法选择功能（图形），并用线条把各种图形连接起来的简单图形编程方式，使得不熟悉编程的工程技术人员都可以按照测试要求和任务快速“画”出自己的程序，“画”出仪器面板，这大大提高了工作效率，减轻了科研和工程技术人员的工作量，因此，LabVIEW是一种优秀的虚拟仪器软件开发平台。
2.仪器驱动程序
仪器驱动程序是测试系统中最重要的组成部分之一，用来实现仪器硬件的通信、控制功能。
传统的仪器驱动程序由于在更换仪器硬件时不得不修改测试代码。
为了能自由互换仪器硬件而无需修改测试程序，即解决仪器的互操作问题，VXIplug&play联盟开发了仪器驱动标准VISA。
VISA用G语言（图形语言）或ANSIC语言写成，它可以用于多种虚拟仪器开发环境和多种操作系统。
3．I/O接口软件
I/O接口软件（VISA库）
I/O接口软件存在于仪器设备（即I/O接口设备）与仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器寄存器进行直接存取数据操作，并为仪器设备与仪器驱动程序提供信息传递的底层软件。
VISA库，是标准的I/O函数库。
1．4虚拟仪器技术的发展
由IT产业特征决定了VI技术必须走标准化、开放性这条技术路线，目前VI已发展成具有GPIB、PC-DAQ、VXI和PXI四种标准体系结构的开放技术。
1998年NI公司又发布了虚拟硬件和可互换虚拟仪器（IVI）的概念，与此同时产生IVI技术开发规范。
此规范使程序的开发完全独立于硬件，提高了程序代码的复用性，大大降低了应用程序的维护费用，必将成为测控技术的主要基础技术之一。
然而VI的外延由于VI技术以计算机为平台，具有方便、灵活的互联能力，因而支持诸如CAN、DeviceNet、FieldBus、PROFIBUS等各种工业总线标准且有大量适应于工业现场的分布式I/O。
尽管Internet技术最初没考虑如何将嵌入式智能设备连接一起，不过NI等公司已通过Web浏览器观测嵌入式设备的产品，使人们可以通过Internet操作仪器设备，进而形成遍布家庭、办公室和工业现场的分布式测控网络。
而有关MCN方面的标准正在积极进行，并取得了一定进展。
随着测量、控制过程的进一步网络化，一个真正虚拟化的测控时代即将到来。
随着计算机技术、仪器技术和网络通信技术的不断完善，虚拟仪器将向以下三个方向发展：
1）外挂式虚拟仪器
PC-DAQ式虚拟仪器是现在比较流行的虚拟仪器系统，但是，由于基于PCI总线的虚拟仪器在插入DAQ时都需要打开机箱等，比较麻烦，而且，主机上的PCI插槽有限，再加上测试信号直接进入计算机，各种现场的被测信号对计算机的安全造成很大的威胁，同时，计算机内部的强电磁干扰对被测信号也会造成很大的影响，故以USB接口方式的外挂式虚拟仪器系统将成为今后廉价型虚拟仪器测试系统的主流。
2）PXI型高精度集成虚拟仪器测试系统
PXI系统高度的可扩展性和良好的兼容性，以及比VXI系统更高的性价比，将使它成为未来大型高精度集成测试系统的主流虚拟仪器平台。
3）网络化虚拟仪器
尽管Internet技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起，不过NI等公司已开发了通过Web浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品，使人们可以通过Internet操作仪器设备。
根据虚拟仪器的特性，我们能够方便地将虚拟仪器组成计算机网络。
利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能的测试设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。
现在，有关MCN（MeasurementandControlNetworks）方面的标准正在积极进行，并取得了一定进展。
由此可见，网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。
第二章LabVIEW简介
2．1LabVIEW概述
LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：
其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。
LabVIEW是由美国国家仪器（NI）公司研制开发的一个功能大而又灵活的仪器和分析软件应用开发工具。
类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：
其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。
与C和BASIC一样，LabVIEW[2]也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。
LabVIEW[2]的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据
显示及数据存储，等等。
LabVIEW[2]也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。
LabVIEW[2]（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。
传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而LabVIEW[2]则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。
VI指虚拟仪器，是LabVIEW[2]的程序模块。
LabVIEW[2]提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。
用户界面在LabVIEW[2]中被称为前面板。
使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。
这就是图形化源代码，又称G代码。
LabVIEW[2]的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。
LabVIEW系统由其应用执行文件和许多相关文件以及子目录组成。
LabVIEW使用文件和目录来存储创建VI所必需的信息，部分重要的文件和目录如下：
1）LabVIEW可执行程序：
用于启动LabVIEW。
2）vi.lib目录：
该目录包含VI库，如数据采集、仪器控制和分析VI。
它必须与LabVIEW执行程序在同一目录下。
不要改变vi.lib目录名称，因为LabVIEW启动时要查找该目录。
如果改变此名称，就不能使用众多的控件和库函数。
3）Examples目录：
该目录包含许多VI示例，这些例子示范了LabVIEW的功能。
4）user.lib目录：
用户创建的VI保存于该目录并将出现在LabVIEW的FunctionsPalette（函数选项板）上。
5）instr.lib目录：
如果希望用户仪器驱动程序库出现在LabVIEW的函数选项板上，应将其放置在该目录下。
6）Learning目录：
该目录包含有用户使用时所需要的VI库。
2．2LabVIEW的操作模板
LabVIEW具有多个图形化的操作模板，用于创建和运行程序。
这些操作模板可以随意在屏幕上移动，并可以放置在屏幕的任意位置。
操纵模板共有三类，为工具（Tools）模板、控制（Controls）模板和功能（Functions）模板。
1.工具模板
工具模板为编程者提供各种用于创建、修改和调试VI程序的工具。
可在Windows菜单下选ShowToolsPalette以显示模板。
从模板内选择任一工具后鼠标箭头就会变成该工具相应形状。
当从Windows菜单下选择ShowHelpWindow，把选定的任一工具光标放在框图程序的子程序或图标上，就会显示帮助信息。
图2—1LabVIEW的工具模板
如图2—1所示是LabVIEW的几种工具图标，从左往右且从上往下，依照顺序依次介绍这几种常用工具的功能：
1）操作工具：
来操作前面板控制和显示。
用它键入值时工具变标签形状。
2）选择工具：
选择、移动或改变对象大小。
用改变对象连框会变相应形状。
3）标签工具：
输入标签文本或建自由标签。
当建自由标签时会变相应形状。
4）连线工具：
在框图程序上连接对象。
当帮助窗口打开会显示其数据类型。
5）对象弹出菜单工具：
用左鼠标键可以弹出对象的弹出式菜单。
6）漫游工具：
使用该工具就可以不需要使用滚动条而在窗口中漫游。
7）断点工具：
使用该工具在VI的框图对象上设置断点。
8）探针工具：
在框图程序内数据流线上设置探针。
通过窗口看数据流变化。
9）颜色提取工具：
使用该工具来提取颜色用于编辑其他的对象。
10）颜色工具：
用来给对象定义颜色。
它也显示出对象的前景色和背景色。
2．控制模板
控制模板可以给前面板添加输入控制和输出显示。
每个图标代表一个子模板。
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。
但只在前面板时才能调用它。
图2—2LabVIEW的控制模板
控制模板如图所示，从左往右且从上往下，依次介绍它所包含的几个子模板：
1）数值子模板：
包含数值的控制和显示。
2）布尔值子模块：
逻辑数值的控制和显示。
3）字符串子模板：
字符串和表格的控制和显示。
4）列表和环（Ring）子模板：
菜单环和列表栏的控制和显示。
5）数组和群子模板：
复合型数据类型的控制和显示。
6）图形子模板：
显示数据结果的趋势图和曲线图。
7）路径和参考名（Refnum）子模板：
文件路径和各种标识的控制和显示。
8）控件容器库子模板：
用于操作OLE、ActiveX等功能。
9）对话框子模板：
用于输入对话框的显示控制。
10）修饰子模板：
用于给前面板进行装饰的各种图形对象。
11）用户自定义的控制和显示。
12）调用存储在文件中的控制和显示的接口。
3.功能模板
功能模板是创建框图程序的工具。
该模块每一顶层图标都表示一个子模板。
可以用Windows菜单下的ShowFunctionsPalette功能打开它，也可以在框图程序窗口的空白处点击鼠标右键。
只有打开了框图程序窗口，才能出现功能模板。
图2—3LabVIEW的功能模板
功能模板如图所示，从左往右且从上往下，依次介绍它所包含的几个子模板：
1）结构子模板：
包括程序控制结构命令以及全局变量和局部变量。
2）数值运算子模板：
包括各种常用数值运算符以及数值运算式、数值常数。
3）布尔逻辑子模板：
包括各种逻辑运算符以及布尔常数。
4）字符串运算子模板：
串操作函数、数值与字符串间转换函数、字符常数。
5）数组子模板：
包括数组运算函数、数组转换函数，以及常数数组等。
6）群子模板：
包括群的处理函数、群常数等。
此群相当于C语言中的结构。
7）比较子模板：
包括各种比较运算函数，如大于、小于、等于。
8）时间和对话框子模板：
包括对话框窗口、时间和出错处理函数等。
9）文件输入/输出子模板：
包括处理文件输入/输出的程序和函数。
10）仪器控制子模板：
GPIB、串行、VXI控制程序和函数、VISA功能函数。
11）仪器驱动程序库：
用于装入各种仪器驱动程序。
12）数据采集子模板：
数据采集硬件驱动程序、信号调理所需各种功能模块。
13）信号处理子模板：
包括信号发生、时域及频域分析功能模块。
14）数学模型子模块：
统计、曲线拟合等功能模块，微分、积分等工具模块。
15）图形与声音子模块：
包括3D、OpenGL、声音播放等功能模块。
16）通讯子模板:
包括TCP、DDE、ActiveX和OLE等功能的处理模块。
17）应用程序控制子模块:
包括动态调用VI、标准可执行程序的功能函数。
18）底层接口子模块：
包括调用动态连接库和CIN节点等功能的处理模块。
19）文档生成子模板。
20）示教课程子模板：
包括LabVIEW示教程序。
21）用户自定义的子VI模板。
22）“选择…VI子程序”子模板：
可选择任一VI作子程序插入当前程序中。
第三章虚拟仪器测量原理
3．1稳压电源
1．稳压电源的参数指标
我们常用稳压电路的技术指标去衡量稳压电路性能的高低。
一般分为两种：
一种是特性指标包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数、输出电阻、温度系数及纹波电压等。
这些质量指标的含义，可简述如下：
由于输出直流电压Vo随输入直流电压Vi（即整流滤波电路的输出电压）、输出电流Io和环境温度T（℃）的变动而变动，即输出电压Vo=f（Vi，Io，T），
因此，可得如下公式：
Kv是输入调整因数，反映了输入电压波动对输出电压的影响，实际中常用输入电压变化时引起输出电压的相对变化表示，称为电压调整率，即
有时也以输出电压和输入电压相对变化之比来表征稳压性能，称为稳压系数，即
输出电阻R是反映负载电流I变化对V的影响，即
表示温度变化对输出电压的影响，其表达式为
2.稳压电源的工作原理
本次课程设计所设计的稳压电源是串联反馈式的稳压电源，它的实际电路设计结构图如图3-1所示，图中Vi=12V是整流滤波电路的输出电压，Q为调整管，LM358P运放是稳压电源的核心芯片，其组成的电路为比较放大电路，Vref为基准电压，它由一个5.1V的稳压管与一个5.1K的电阻串联所构成的简单稳压电路获得，R1和R2组成反馈网络，用来反映输出的电压。
图3-1串联反馈式稳压电路的结构图
串联型稳压电源由基准电压、比较放大环节、调整环节、取样环节组成。
其中调整环节就是一个射极输出器。
取样环节是将输出电压量取出，加到误差比较放大器的反相输入端，与同相输入端的基准电压相比较。
这种稳压电路的主回路是起调整作用的Q与负载串联，故称为串联式稳压电路。
输出电压的变化量由反馈网络取样经放大电路（A）放大后去控制调整管Q的c-e极间的电压降，从而达到稳定输出电压Vo的目的。
稳压原理可简述如下：
当输入电压Vi增加（或负载电流Io减小）时，导致输出电压Vo增加，随之反馈电压Vf=R2Vo/（R1+R2）=FvVo也增加（Fv为反馈系数）。
Vf与基准电压Vref相比较，其差值电压经比较放大电路放大后使Vb和Ic减小，调整管Q的c-e极间电压Vce增大，使Vo下降，从而维持Vo基本恒定。
同理，当输入电压Vi减小（或负载电流Io增加）时，亦将使输出电压基本保持不变。
在深度负反馈条件下，
时，可得
上式表明，输出电压Vo与基准电压Vref近似成正比，与反馈系数Fv成反比。
当Vref及Fv已定时，Vo也就确定，因此它是设计稳压电路的基本关系式。
3．稳压电源的虚拟测控
通过上一小节的简述，使得我们了解了串联反馈式稳压电源的基本原理，通过对基本原理的认识，使得我们可以运用虚拟仪器的测试技术来设计和实际操作稳压电源的虚拟式的测控，实现对其智能化的操控技术。
本次课程设计，主要的操作平台和设备是NIELVIS。
它是一个基于LabVIEW的虚拟仪器组成，它是一套多功能数据采集设备与一个用户自定义的工作台，工作台上还有一块原型实验面包板。
这一整套设备即可为实验室提供诸多常用仪器的功能，包括示波器、函数发生器、数字万用表、可编程控制的电源以及波特分析器、动态信号分析仪与任意波形发生器。
稳压电源的虚拟测控操作具体步骤如下：
1）根据电路的结构图，在面包板上搭接电路。
2）将面包板SUPPLY+口和地口分别与NIELVIS前面板的数字万用表测电压口的正极和地极相接并打开前面板SUPPY+电源，旋转电压调节旋钮，然后打开NIELVIS软件，点DigitalMultimeter观测电压值，直到值为12V，停止旋转。
3）将芯片的8脚和电路中的输入电压源接在面包板的SUPPLY+口，再将芯片4脚和RL的一端接地。
4）将要测量的5.1K电阻的一端延伸出一条导线接入数字万用表的测量
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