实时多通道检测系统的现状与发展完成.docx

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实时多通道检测系统的现状与发展完成

摘要四要素

研究目的，

研究方法，

研究结果，

研究结论

摘要

基于虚拟仪器技术的实时多通道检测系统是将仪器技术、计算机技术、软件技术和检测技术紧密融合在一起，利用计算机强大的数字处理能力实现对机械设备运行状态实时检测的一种先进检测系统。

首先介绍了（深入研究）测控技术和虚拟仪器在国内外的现状，进而引出研究实时多通道检测系统的意义和目的。

其次，用一个章节具体研究检测系统的发展历程以及检测系统原理结构，探究现阶段检测系统的发展状况；用另一个章节分析了虚拟仪器的优势、结构组成。

再次，将虚拟仪器技术和检测技术相结合，探究基于虚拟仪器技术的实时多通道检测系统的工作原理、组成结构，并探讨了实时多通道系统的网络化、标准化的发展趋势。

最后，列举了一个基于LabWindows/CVI的检测系统应用实例。

研究表明，基于虚拟仪器技术的实时多通道检测系统有很大的发展前景，网络化、标准化是主要发展趋势。

关键字：

实时，虚拟仪器，监测系统，多通道，数据采集

Abstract

Multi-channelreal-timedetectionsystemwhichbasedonvirtualtechnologycombinesComputerScience,Measure-controlsystemBusTechnology,SoftwareTechniquewithMeasurementTechnique,anditisadvancedmechanicalequipmentwhichusedcomputerpowerfuldigitalprocessingcapabilitytodetectthereal-timestateofmechanicalequipment.

ThepaperintroducesthecurrentsituationofMeasurementandControlTechnologyandvirtualinstrumentatfirst.Andthendrawoutthepurposeandsignificanceofstudyingthemulti-channelreal-timedetectionsystem.Secondly,itusesachaptertoresearchthedevelopmentprocessandsystemstructureofdetectionsystem.Anditspendsanotherchaptertoanalyzetheadvantagesandthestructureofthevirtualinstrument.CombiningVirtualInstrumentTechnologywithMeasurementTechnique,thenextchapterprobesintotheworkingprincipleandstructureoftheMulti-channelreal-timedetectionsystembasedonVirtualInstrumentTechnology,anddiscussesthedevelopmenttrendofmulti-channelreal-timedetectionsystemaboutnetworkingandstandardization.OneexampleaboutdetectionsystemwhichbasedonLabWindows/CVIislistedatlast.

Keywords:

real-time,virtualinstrument,detectionsystem,multi-channel,Dataacquisition

目录

摘要I

AbstractII

目录III

1绪论1

1.1引言1

1.2技术背景1

1.2.1测控技术的国内外现状1

1.2.2虚拟仪器的国内外现状1

1.3课题研究的目的与意义2

2监测监控系统4

2.1监测监控系统概论4

2.2监测监控系统的发展历程4

2.2.1手动控制4

2.2.2局部自动化4

2.2.3集中数字控制4

2.2.4集散控制5

2.2.5分布式网络控制5

2.3检测系统原理结构5

3虚拟仪器7

3.1虚拟仪器的概念7

3.2虚拟仪器与传统仪器的比较7

3.3虚拟仪器的结构组成8

3.3.1虚拟仪器硬件结构8

3.3.2虚拟仪器软件结构9

3.4虚拟仪器的开发软件10

4实时多通道检测系统11

4.1数据采集系统的工作原理11

4.2实时多通道检测系统硬件结构12

4.2.1传感器12

4.2.2信号调理电路板12

4.2.3数据采集卡13

4.3实时多通道系统的软件结构14

4.3.1检测系统检测参数的设定14

4.3.2检测系统检测数据及信号处理方式15

4.3.3检测系统程序一般结构16

4.4实时多通道检测系统的发展趋势16

4.4.1检测系统网络化17

4.4.2检测系统标准化17

5基于LabWindows/CVI的检测系统应用实例18

6总结与结论21

7参考文献22

8致谢23

1绪论

1.1引言

测控技术在现代的科学技术和国防科学技术等许多领域中都应用十分广泛，它的发展被认为是科学技术、国防科技现代化的重要的条件和明显的标志。

现代设备的结构越来越复杂，自动化程度也越来越高，但同时给系统也带来了维修保障困难的问题。

在以往的工业现场，各种数据都是采用的人工读数和记录，无法做到对大数据的实时采集和实时分析，费时费力效率不高而且还容易出错。

随着现代计算机和微电子等技术的高速发展，结合高精度、高性能的数据采集仪器的应用，使得数据采集实现了人工智能化，大量数据采集和分析都由计算机自动完成，大大的提高了检测精度和检测速度，实现了检测数据的大量采集和实时性。

而随着测控技术的不断进步，而后诞生了智能仪器、PC仪器、VXI仪器以及虚拟仪器等自动测控系统，而软件系统在此时也成为了计算机系统的核心，其中LabWindows/Cvi就是计算机处理分析系统软件之一[1]。

本文主要研究实时多通道检测系统的现状及发展。

1.2技术背景

1.2.1测控技术的国内外现状

早期的测控系统利用的是大型的仪表对各个设备状态进行监控，然后通过操作盘进行操控；计算机系统则是以计算机为主体，配合检测装置、执行机构与被控对象构成的整体，系统中的计算机用于生产过程的各种监控。

但是由于通信协议不开放，这种测控系统只是一个自封闭的系统，只能完成单一的测控功能，而不能实现通用。

随着社会和技术两方面的发展，许许多多的应用要求以“及时方式”（即按所要求的时间）处理并管理大量共享信息。

自20世纪80年代开始，尤其是今年，社会的数字化信息呈爆炸式发展，新的过程与工程型、主动规则型、动态不确定型、时间关键型及超大规模等“现代应用”（advancedapplications）不断涌现，而且随着社会的发展，它们还会迅速扩大。

也就是说，大量的应用既是实时的，同时又是数据密集型的，既要维护大量数据信息和应用的实时性，又要管理数据之间、应用之间及数据与应用之间的、带时间语义的彼此关系。

随着测量和处理的数据量越来越大，速度的要求越来越快，对测控系统提出了更高的要求。

实时性和多通道测量便成为测控系统的发展方向。

1.2.2虚拟仪器的国内外现状

虚拟仪器是在计算机基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的仪器。

虚拟仪器的出现彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面，从而使得任何一个用户都可以方便灵活地用鼠标或按键在计算机显示屏幕上操作虚拟仪器软面板的各种“旋钮”进行测试工作，并可以根据不同的测试要求通过窗口切换不同的虚拟仪器，或通过修改软件来改变、增减虚拟仪器系统的功能与规模。

虚拟仪器具有的这种“可开发性”和“可扩展性”等优越特点使虚拟仪器具有强大的生命力和竞争力。

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[2][3]。

1.3课题研究的目的与意义

检测系统是利用测控技术对运转中的设备整体或其零部件的技术状态进行检查鉴定。

即对特定的特征信号进行检测、变换、记录、分析处理并显示，以判断其运转是否正常，有无异常与劣化征兆，预测其劣化趋势，确定其劣化及磨损程度等[4]。

随着计算机技术的日新月异，虚拟仪器逐步取代了传统仪器，虚拟仪器技术更是在今天成为了测试系统研究的热点。

“SoftisInstrument”正在被越来越多的人接受和认可，传统意义下的仪器，如万用表、示波器、信号发生器、数据记录仪以及各种监控仪器、报警装置正逐渐被由用户自己定义功能、可自由组合的由计算机平台、软硬件以及各种附件构成的虚拟仪器所取代。

基于LabWindows/CVI虚拟仪器技术的检测系统，开发周期短，所耗费用少，软件编程容易。

虚拟仪器在数据采集中的应用，给系统的集成和开发带来了极大的好处，大大减少了系统的开发周期，同时提高了开发的质量，使工业控制领域的数据采集变得简单，避免了开发驱动程序带来的困难。

在科学技术高速发展的今天，在工业生产领域，常常需要对多个物理量进行实时动态检测。

而将LabWindows/CVI虚拟仪器技术运用于检测系统便可实现对多个物理量进行实时动态检测。

机器在工作过程中能提供各种各样的信息，有许多参数能表征机械的性能，例如振动、温度、压力、流量、转速等。

基于LabWindows/CVI虚拟仪器技术的实时多通道检测系统，能同时检测机器工作过程中提供的机械性能参数，实现动态检测。

对机器的实时动态监测可以显示机器的运行状态和工作面状况，及早发现机械的隐患和异常，跟踪及预测其变化，为制定机械维修计划提供可靠保障；找出机械不能正常工作的原因和可能发生故障的部位，制定维修方案。

基于机器动态检测的故障诊断的机械设备保障措施，可以减少停机损失、降低维修成本、提高经济效益和社会效益。

虚拟仪器的出现是仪器史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，是信息技术的一个重要领域，必将对科学技术的发展和工业生产产生不可估量的影响。

2监测监控系统

2.1监测监控系统概论

在科学实验和工业生产过程中，需要对描述被控对象特征的某些参数进行“检测”，获得表征它们的有关信息。

以便对被测对象进行定性了解和定量掌握。

另外，还需要根据检测的结果采用一定的策略去“控制”用于描述被控对象特征的某些参数，以便能稳定、快速、准确的达到人们预想的目标。

“检测”与“控制”是人类认识世界和改造世界的两项工作任务，而监测监控系统则是人类实现这两项任务的工具和手段。

监测监控系统就其功能而言，一是“测”，即检测被控变量，二是“控”，即根据检测参数去控制执行机构；就其技术而言，监测监控系统是传感器技术、通信技术、计算机技术、控制技术、计算机网络技术等信息技术的综合；就其应用而言，监测监控系统是现代化生产和管理的有利工具，广泛应用于国民经济的各个领域，如化工、冶金、纺织、能源、交通、电力和城市公共事业的自来水、供热、排水、医疗等，在科学研究、国防建设和空间技术中的应用更是屡见不鲜。

2.2监测监控系统的发展历程

2.2.1手动控制

20世纪40年代初，由于当时的生产规模较小，检测控制仪表尚处于发展的初级阶段，所采用的仅仅是安装在现场、只具备简单测控能力的“基地式气动仪表”，其信号仅在本仪表内起作用，一般不能传送给别的仪表和系统，即各测控点处于封闭状态，无法与外界沟通信息。

因此，操作人员只能通过现场的巡查，了解生产过程的状况，进行手动控制。

2.2.2局部自动化

20世纪50～60年代初，随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握较多的运行参数和信息，需要同时按多点的信息实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的“单元组合式仪表”，出现了集中控制室，生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，送往集中控制室。

操作人员可以坐在控制室纵观生产流程各处的状况，可以把单元仪表的信号按需要组合成复杂控制系统，实现工厂仪表化和局部自动化。

2.2.3集中数字控制

20世纪60～70年代初，由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，提高计算机精度和速度的开销、难度都较大，信号传输的抗干扰能力也较差，人们开始寻找用数字信号代替模拟信号，出现了“直接数字控制”。

由于当时的数字计算机技术尚且不发达，价格昂贵，人们企图用一台计算机代替控制室所有的仪表，出现了集中式数字控制系统。

但由于当时的数字计算机可靠性较差，一旦出现了某种故障，就会造成所有控制回路瘫痪，生产停产的严重局面，这种危险的集中系统结构很难被生产过程所接受。

2.2.4集散控制

20世纪80年代初，随着计算机可靠性的提高，价格的大幅度下降，出现了数字调节器，可编程控制器（PLC）以及有多个计算机递阶构成的集中、分散相结合的集散控制系统。

这就是今天被许多企业采用的DCS（DistributedControlSystem）。

DCS中，检测仪表一般为模拟仪表，因而它是一种模拟数字混合系统。

这种系统在功能、性能上与模拟仪表、集中式控制系统有了很大的进步，可在此基础上实现装置级、车间级的优化控制。

但是，在DCS形成的过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭这一缺陷的影响，各厂家的产品自成系统，难以实现互换与互操作，组成更大范围的信息共享网络存在很多困难。

2.2.5分布式网络控制

20世纪90年代后，新型的现场总线控制技术则突破了DCS中通信由专门网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专业的解决方案变为基于公开化、标准化的解决方案，即可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化“智能仪表”，通过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化的各种功能，同时把DCS集中于分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场仪表本身便可实现基本检测和控制。

2.3检测系统原理结构

检测系统是监测监控系统类别之一。

检测系统，是一个单纯以“检测”为目的的系统，一般用来对被测对象中的一些物理量进行测量并获得相应的数据。

图2.1为检测系统的原理结构图：

图2.1检测系统原理结构图

（1）敏感元件环节：

从被测对象感受信号，同时产生一个与被测物理量成某种函数关系的输出量。

（2）变量转换环节：

将敏感元件的输出变量做进一步变换，即变换成更适合于处理的变量，并且要求它应当原始信号中所包含的全部信息。

（3）变量控制环节：

为了完成对检测系统提出的任务，要求用某种方式去控制以某种物理量表示的信号。

这里所说的控制意思是在保持变量物理性质不变的前提下，根据某种规律，仅仅改变变量的数值。

（4）数据传输环节：

当检测系统的几个功能环节被分隔开的时候，必须从一个地方向另一个地方传递数据。

（5）数据显示环节：

有关测量的信息要想传给人以完成监视、控制和分析的目的，则必须将信息转换成人能够接受的形式。

完成这种转化技能的环节称为数据显示环节，例如：

数字显示和打印记录。

（6）数据处理环节：

检测系统要对测量所得的数据进行数据处理。

数据处理工作由机器自动完成，不需要人工进行繁琐的运算[5]。

3虚拟仪器

3.1虚拟仪器的概念

虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司（NationalInstruments）最先提出的。

所谓虚拟仪器（VirtualInstruments），就是以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。

使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器。

虚拟仪器的出现使测量仪器与个人计算机的界限模糊了。

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I／O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统[6]。

3.2虚拟仪器与传统仪器的比较

虚拟仪器不但可以完成几乎所有传统仪器的功能，而且其功能比传统仪器更为先进。

虚拟仪器代替了传统仪器，改变了传统仪器的使用方式，提高了仪器的功能和使用效率，大幅度地降低了仪器的价格。

“传统的独立仪器由制造商来定义它的功能，而虚拟仪器完全由用户自己来定义仪器的功能”，NI国际销售经理NormanYee用这简明扼要的一句话，透彻地说明了虚拟仪器与传统仪器的根本区别，虚拟仪器与传统仪器相比其区别如下：

1）传统仪器的面板只有一个，上面布置了种类繁多的显示和操作元件。

由此导致许多识读和操作错误。

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单纯化和面板布置的简洁化，从而提高操作的正确性和便捷性。

同时，虚拟仪器的面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受标准元件和加工工艺的限制，由编程来实现，设计者可以根据用户的要求和操作需要来设计仪器面板。

2）在通用硬件平台确定后，软件取代传统仪器中由硬件完成的仪器功能。

3）仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义，不是事先由厂家定义的。

4）仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，不需购买新仪器。

5）虚拟仪器开放、灵活，与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。

6）由于其以PC为核心，使得许多数据处理的过程不必像过去那样由测试仪器本身来完成，而是在软件的支持下，利用PC机CPU的强大的数据处理功能来完成，使得基于虚拟仪器的测试系统的测试精度、速度大为提高，实现自动化、智能化、多任务测量。

7）可方便地存贮和交换测试数据，测试结果的表达方式更加丰富多样。

8）虚拟仪器在高性价比的条件下，降低系统开发和维护费用，缩短技术更新周期。

表3.1虚拟仪器与传统仪器比较

虚拟仪器

传统仪器

开放性、可扩展性

封闭、兼容性差

关键是软件，升级方便，开发周期短

关键是硬件，升级困难，开发周期长

成本低，可重复利用

成本高，设备损耗大，再利用性差

用户定义程序功能

厂家定义仪器功能

可以方便的网络连接

功能单一，连接有限的设备

开发维护费用低，周期短

开发维护费用高，周期长

技术更新时间短

技术更新周期长

3.3虚拟仪器的结构组成

虚拟仪器技术最核心的思想就是利用计算机的硬/软件资源，使本来需要硬件实现的技术软件化（虚拟化），以便最大限度的降低系统成本，增强系统的功能和灵活性。

虚拟仪器系统分为硬件系统和软件系统，其中，硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件（GPIB、VXI、PXI和DAQ四种准体系结构），软件系统从底层到顶层，由VISA库、仪器驱动程序、应用软件三部分组成。

虚拟仪器结构图如图3.1。

图3.1虚拟仪器结构图

3.3.1虚拟仪器硬件结构

硬件平台包括计算机和I/O接口设备两大部分。

1）计算机

一般为PC机或计算机工作站，是硬件平台的核心，主要完成数据处理和结果的显示。

2）I/0接口设备

I/O接口设备主要用来完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。

可根据实际情况采用不同的I/O接口硬件设备，如数据采集卡/板（DAQ）、GPIB总线仪器、VXI总线仪器、串口仪器、USB等。

DAQ（DataAcquisition）数据采集卡:

是指基于计算机标准总线（如ISA、PCI、USB等）的内置功能插卡。

GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）通用接口总线:

是计算机和仪器的标准通信协议。

典型的GPIB测试系统包括一台计算机，一块基于GPIB总线的接口卡和多台GPIB仪器软件及相应的传感模块硬件。

VXI（VMEbuseXtensionforInstrumentation）:

是VME总线在仪器领域的扩展，1993年VXI总线1.4版本被批准为IEEE-1155标准，成为开放式工业标准。

VXI系统是以VXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统

PXI（PCIeXtensionForInstrumentation）:

是CompactPCI总线在仪器领域的扩展，是NI公司于1997年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。

PXI系统是以PXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。

串口系统:

是以Serial标准总线仪器与计算机为仪器精简平台组成的虚拟测试系统。

无论上述哪种VI系统组成一台虚拟仪器后，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相结合，其中，PC—DAQ测量系统是构成VI的最基本的方式，也是最廉价的方式。

3.3.2虚拟仪器软件结构

虚拟仪器技术的核心是软件，其软件的基本结构分为用户界面、数据处理、硬件驱动程序。

如图所示：

图3.3虚拟仪器软件结构

（1）硬件驱动程序Windows下动态连接库（DLLS），将自己设计的硬件驱动程序编入DLL中，然后在主程序中调用，实现数据采集卡的驱动。

（2）数据处理设置各仪器的参数并采集数据，然后分析处理，最后计算出结果。

（3）用户界面用户应用软件与用户需求紧密联系，它主要实现：

为用户提供各种测试仪器的虚拟界面；完成特定的测试任务，调用各个仪器，管理测试流程;一些辅助功能如文件保存数据库等。

3.4虚拟仪器的开发软件

基于软件在虚拟一起中的运用，美国国家仪器公司（nationalinstruments,NI）提出了“软件即仪器”的口号，而其软件LabVIEW和LabWindows/CVI提供了虚拟仪器的图形编程环境[7]。

具体在LabWindows／CVI平台上开发软件时，软件应当采用模块化设计思路，首先确定各个模块功能及具体结构，然后以各个模块进行详细设计及调试，