基于PC的數據采集系統(tǒng)畢業(yè)設計論文.doc

內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日期： 使用授權說明本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝?、縮印、數字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績热?。作者簽名： 日 期： 學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權 大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日注 意 事 項1.設計（論文）的內容包括：1）封面（按教務處制定的標準封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關鍵詞4）外文摘要、關鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結論7）參考文獻8）致謝9）附錄（對論文支持必要時）2.論文字數要求：理工類設計（論文）正文字數不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字數不少于1.2萬字。3.附件包括：任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準請他人代寫2）工程設計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應符合國家技術標準規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫3）畢業(yè)論文須用a4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設計（論文）2）附件：按照任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）次序裝訂3）其它基于的數據采集系統(tǒng)摘 要數據采集是通過傳感器把被測信號轉換成電壓或電流信號，通過信號采集卡采集數據，并進行相應的處理的過程。本文采用流行的虛擬儀器技術構建數據采集系統(tǒng)，它是在基于傳感器技術和計算機技術基礎上發(fā)展起來的新興測控技術，能靈活的根據需要組建符合用戶自定義的數據采集系統(tǒng)，打破了傳統(tǒng)的數據采集模式，實現了用軟件來替代儀器，而且更加快速和迅捷，對數據處理的功能更加多樣靈活。本文采用以pci為總線的虛擬儀器采集方案，它的特點是通過數據采集卡以及虛擬儀器軟件搭配組建的數據采集系統(tǒng)對標準的數據信號進行采集、分析。本文以此為指導思想，提出了合適的組成方案，主要工作是以ni公司pci-6221數據采集卡為硬件支持，labview為軟件開發(fā)平臺，通過實驗模擬測試以求實現實時數據采集、數據顯示、數據存儲、在線監(jiān)測以及對歷史數據的回放和分析等功能。經測試表明，由熱電偶、scc-68接線盒、scc-tc02熱電偶處理模塊和pci-6221數據采集卡所構建的數據采集硬件系統(tǒng)，可實現對溫度的實時采集，并對采集過程的變化進行相應的調整，這些都體現虛擬儀器技術的特點和優(yōu)勢。證實本文所采用的數據采集理論和方法是可行的。關鍵詞：虛擬儀器；數據采集；labview；pci-6221；scc-68；scc-tc02 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）date acquisition base on pcabstractdata acquisition through the sensor to the measured signals into voltage or current signals, signal acquisition, through data acquisition card and the corresponding process. in this paper, the popular virtual instrument technology to build data acquisition system, which is based on sensor technology and computer technology developed on the basis of measurement and control of emerging technology, the flexibility to form the basis of need in line with the user-defined data acquisition system, breaking the traditional data acquisition mode, the realization of the software to replace equipment, and more fast and agile, data-processing functions on a more flexible and diverse. in this paper, for a pci bus virtual instrument collection program, which is characterized by the adoption of data acquisition cards, as well as the formation of virtual instrument software with the data acquisition system of standards for data signals collection, analysis. in this paper, as the guiding ideology, the composition of a suitable program, the main work is based on ni company pci-6221 data acquisition card for the hardware support, labview software development platform, through experimental simulation tests in order to achieve real-time data acquisition, data show , data storage, on-line monitoring and playback of historical data and analysis functions. tested indicated that thermocouple, scc-68 junction box, scc-tc02 thermocouple processing module and the pci-6221 data acquisition card by building a data acquisition hardware system, enabling real-time acquisition of the temperature of the acquisition process changes in the corresponding adjustment, which reflects the characteristics of virtual instrument technology and advantages. confirmed in this article used the theory and methods of data collection is feasible.key words： virtual instrument；daq；labview；pci-6221；scc-68；scc-tc02內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）目 錄摘 要iabstractii第一章 緒論11.1 研究目的及意義11.2 國內外研究現狀11.3 本文研究的主要內容3第二章 數據采集方案設計42.1 虛擬儀器組成42.1.1 高效的軟件42.1.2 模塊化的i/o硬件52.1.3 用于集成的軟硬件平臺52.2 虛擬儀器的特點62.2.1 性能高62.2.2 可擴展性強62.2.3 無縫集成62.3 虛擬儀器的發(fā)展前景72.4 虛擬儀器軟件介紹72.4.1 可視化編程工具72.4.2 labwindows/cvi82.4.3 labview8第三章 數據采集硬件設計103.1 數據采集卡103.1.1 數據采集卡的選用103.1.2 pci-6221型數據采集卡123.2 傳感器的選擇123.3 信號調理模塊143.4 接線盒153.5 ni-daq安裝163.6 daqmx介紹18第四章 數據采集軟件設計204.1 軟件總體設計204.2 主程序204.2.1 主程序框架204.2.2 主程序前面板224.2.3 主程序后面板244.3 子程序254.3.1 采集子程序254.3.2 查詢子程序264.3.3 存儲子程序274.4 數據處理284.4.1 濾波功能選擇284.4.2 調用數字濾波器子程序的幾個基本問題314.4.3 濾波器的選用324.4.4 越限報警334.5 labview數據庫334.5.1 labview中數據庫的訪問334.5.2 利用ado技術訪問數據庫344.6 access數據庫364.6.1 在access中建立一個數據庫364.6.2 建立與數據庫的連接37第五章 系統(tǒng)調試385.1 調試方法385.2 調試過程385.2.1 檢查采集是否正常385.2.2 檢查數據庫建表、記錄和查詢功能395.2.3 檢查參數設置和存儲設置功能40總結41參考文獻42附錄a：程序前面板43附錄b：程序總圖44致謝45 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）第一章 緒論1.1 研究目的及意義基于pc的數據采集系統(tǒng)是利用數據采集板卡和計算機的強大的數據處理能力和對數據進行采集、處理和顯示的過程。在自動化過程中，數據的在線采集是實現自動控制的第一步，現在大多工廠的設備進行數據采集還是基于人工檢測或機械儀表測量，存在很大的誤差，而且實時性不強，不利于后續(xù)的準確控制，這就要求能夠有一種方便、經濟、高效的檢測手段能夠實現這一過程?；谔摂M儀器技術的數據采集手段，是隨著微機和傳感器技術的發(fā)展而出現新興的測控手段之一，它主要以pc機為平臺的測控技術。labview是美國國家儀器公司(ni)推出的一種基于圖形化語言的虛擬儀器開發(fā)平臺，它功能強大，可以進行數據采集、數值分析、信號處理、數據表達等，ni公司的口號是“軟件即儀器”，即是用軟件來實現儀器的功能。1.2 國內外研究現狀現今，在實驗室研究、測試和測量以及工業(yè)自動化領域中，絕大多數科研人員和工程師使用配有pci、pxi/compact pci、pcmcia、usb、ieee1394、isa、并行或串行接口的個人電腦(pc)采集數據。許多應用使用插入式設備并把數據直接傳送到計算機內存中，在一些其它應用中數據采集硬件和pc分離，通過并行或串行接口和pc相連?；趐c的數據采集系統(tǒng)由下列部分組成：pc傳感器信號調理數據采集硬件軟件數據采集系統(tǒng)所使用的計算機會極大地影響數據采集的速度，計算機的數據傳送能力也會極大地影響數據采集系統(tǒng)的性能。pci、isa和ieee1394設備可以支持dma和中斷傳送方式，而pcmcia和usb設備只能使用中斷傳送方式。數據傳送方式會影響數據采集設備的數據吞吐量。限制數據采集量的因素常常是硬盤，硬盤的訪問時間和硬盤的分區(qū)會極大地降低數據采集和存儲到硬盤的最大速率。對于要求采集高頻信號的系統(tǒng)，就需要選擇配置高速硬盤pc機，從而保證有連續(xù)(非分區(qū))的硬盤器或專用的嵌入式處理器，如數字信號處理(dsp)板卡。為了保證硬盤的訪問速度和整個程序運行的流暢性，要用專門的硬盤進行采集并且在把數據存儲到磁盤時使用另一個獨立的磁盤運行操作系統(tǒng)。此外，對于要實時處理高頻信號的應用，需要用到32位的高速處理器以及相應的協(xié)處理。在實際生產工藝中，為了滿足短期目標的同時，要根據投資所能產生的長期回報的最大值來確定選用何種操作系統(tǒng)和計算機平臺。隨著微電子技術、計算機技術、軟件技術、網絡技術的高度發(fā)展極其在電子測量技術與儀器上的應用，新的測試方法，新的測試領域以及新的儀器結構不斷出現，在許多方面已經突破傳統(tǒng)儀器的概念，電子測量儀器功能和作用己經發(fā)生了質的變化。在這種情況下，美國國家儀器公司(ni)在20世紀80年代最早提出虛擬儀器的概念同時推出了用于虛擬儀器開發(fā)工程軟件包labview是ni公司宣稱“即軟件就是儀器”，虛擬儀器利用現有的計算機，加上特殊設計的儀器硬件和專用軟件，形成既有的普通儀器基本功能，又有一般儀器沒有的特殊功能的高檔低價的新型儀器，虛擬儀器的出現是儀器發(fā)展史上的一場革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向和新潮流，對科學技術的發(fā)展和工業(yè)生產的進步將產生不可估量的影響。1.3 本文研究的主要內容labview是“l(fā)aboratory virtual instrument engineering workbench”的簡寫，即實驗室虛擬儀器工程平臺，是美國ni公司推出的一種基于g語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具，最初它是基于蘋果公司的macnitosh微機，后來ni公司不斷推出基于各種操作系統(tǒng)的labview版本。正是由于labview的出現開創(chuàng)了儀器研究新方法虛擬儀器。全文分為七章：第一章為緒論，主要說明選題的意義和目的、國內外的相關研究情況。第二章為虛擬儀器技術，了解虛擬儀器的概念及其特點。第三章為系統(tǒng)的總體方案設計，制定出相應的采集技術方案，并對系統(tǒng)的硬件組成進行解釋說明等。第四章為講述系統(tǒng)的軟件開發(fā)部分。對數據庫的基本知識，數據庫的操作進行了介紹。第五章敘述了對系統(tǒng)進行測試的過程，以檢驗系統(tǒng)是否達到設計的要求。最后為總結部分，對本次設計的內容和方式作一個總結概括性的結論，并提出還需要努力完善的部分。第二章 數據采集方案設計數據采集方式方法有很多種，如傳統(tǒng)的儀器儀表、matlab數據采集工具、單片機、虛擬儀器等等，考慮到本設計的需要和各種方案的特點，本設計將采用虛擬儀器進行數據采集和處理。2.1 虛擬儀器組成虛擬儀器技術是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。靈活高效的軟件能幫助用戶創(chuàng)建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成，標準的軟硬件平臺能滿足對同步和定時應用的需求。這也正是虛擬儀器廠商近30年來始終引領測試測量行業(yè)發(fā)展趨勢的原因所在。只有同時擁有高效的軟件、模塊化i/o硬件和用于集成的軟硬件平臺這三大組成部分，才能充分發(fā)揮虛擬儀器技術性能高、擴展性強、開發(fā)時間少，以及出色的集成性這四大優(yōu)勢。虛擬儀器技術的由三大組成部分：高效的軟件、模塊化的i/o硬件、用于集成的軟硬件平臺。2.1.1 高效的軟件軟件是虛擬儀器技術中最重要的部份，使用正確的軟件工具并通過設計或調用特定的程序模塊，工程師和科學家們可以高效地創(chuàng)建自己的任務以及友好的人機交互界面。ni公司提供的行業(yè)標準圖形化編程軟件labview，不僅能輕松方便地完成與各種軟硬件的連接，更能提供強大的后續(xù)數據處理能力，設置數據處理、轉換、存儲的方式，并將結果顯示給用戶。此外，ni提供了更多交互式的測量工具和更高層的系統(tǒng)管理軟件工具，例如連接設計與測試的交互式軟件signalexpress、用于傳統(tǒng)c語言的labwindows/cvi、針對微軟visual sutdio的measuremnet studio等等，均可滿足用戶對高性能應用的需求。有了功能強大的軟件，就可以在儀器中創(chuàng)建智能性和決策功能，從而發(fā)揮虛擬儀器技術在測試應用中的強大優(yōu)勢。2.1.2 模塊化的i/o硬件面對如今日益復雜的測試測量應用，虛擬儀器廠商提供了全方位的軟硬件的解決方案。無論是使用pci，pxi，pcmcai，usb或者是1394總線，都能提供相應的模塊化的硬件產品，產品種類從數據采集、信號調理、聲音和振動測量、視覺、運動、儀器控制、分布式i/o到can接口等工業(yè)通訊，應有盡有。高性能的硬件產品結合靈活的開發(fā)軟件，可以為負責測試和設計工作的工程師們創(chuàng)建完全自定義的測量系統(tǒng)，滿足各種獨特的應用要求。目前，ni公司己經達到了每2個工作日推出一款硬件產品的速度，大大拓寬了用戶的選擇面：例如ni新近推出的新一代數據采集設備先期推出的20款m系列daq卡，就為數據采集領域設定了全新的標準。2.1.3 用于集成的軟硬件平臺ni首先提出的專為測試任務設計的pxi硬件平臺，已經成為當今測試、測量和自動化應用的標準平臺，它的開放式構架、靈活性和pc技術的成本優(yōu)勢為測量和自動化行業(yè)帶來了一場翻天覆地的改革。由ni發(fā)起的pxi系統(tǒng)聯盟現已吸引了68家廠商，聯盟屬下的產品數量也已激增至數千種。pxi作為一種專為工業(yè)數據采集與自動化應用度身定制的模塊化儀器平臺，內建有高端的定時和觸發(fā)總線，還配以各類模塊化的i/o硬件和相應的測試測量開發(fā)軟件，用戶就可以建立完全自定義的測試測量解決方案。無論是面對簡單的數據采集應用，還是高端的混合信號同步采集，借助pxi高性能的硬件平臺，都能應付自如。這就是虛擬儀器技術的無可比擬的優(yōu)勢。2.2 虛擬儀器的特點虛擬儀器具有以下幾個基本特點：性能高、可擴展性強、無縫集成。2.2.1 性能高虛擬儀器技術是在pc技術的基礎上發(fā)展起來的，所以完全“繼承”了以現成即用的pc技術為主導的最新商業(yè)技術的優(yōu)點，包括功能卓越的處理器和文件i/o，方便用戶在數據高速導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網和越來越方便快捷的計算機網絡使得虛擬儀器技術展現其更強大的優(yōu)勢。2.2.2 可擴展性強ni的軟硬件工具使得工程師和科學家們不再局限于當前的技術中。得益于ni軟件的靈活性，只需更新計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進整個系統(tǒng)。在利用最新科技的時候，用戶可以把它們集成到現有的測量設備，最終以較少的成本加速產品上市的時間。開發(fā)時間少，在驅動和應用兩個層面上，ni高效的軟件構架能與計算機、儀器儀表和通訊方面的最新技術結合在一起。ni設計這一軟件構架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強大的功能，使用戶輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。2.2.3 無縫集成虛擬儀器技術從本質上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產品在功能上不斷地趨于復雜，工程師們通常需要集成多個測量設備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設備總是要耗費大量的時間。ni的虛擬儀器軟件平臺為所有的i/o設備提供了標準的接口，幫助用戶輕松地將多個測量設備集成到單個系統(tǒng)，減少了任務的復雜性。2.3 虛擬儀器的發(fā)展前景虛擬儀器依靠其自身的優(yōu)勢使它在儀器市場的競爭力不斷增強，許多大型儀器公司均在虛擬儀器市場占有一席之地，1988年國際上開始有虛擬儀器產品面市，當時只有五家制造商推出30種產品，此后，虛擬儀器產品每年成倍增加，到1994年底，虛擬儀器制造廠已達95家工生產1000多種虛擬儀器產品，銷售額達293億美元，占整個儀器銷售額73億的4%。目前，我國正處于科學技術蓬勃發(fā)展的新時期，對虛擬設備的需求量將更大。虛擬儀器賴以生存的pc機正以迅猛的勢頭席卷全國，這為虛擬儀器的發(fā)展奠定了基礎。虛擬儀器作為傳統(tǒng)儀器的替代品，市場容量巨大。據統(tǒng)計，1995年我國進口電子測量儀器73.5萬臺，價值32億美元，據專家預測，到本世紀初十年我國將有50%的儀器為虛擬儀器。2.4 虛擬儀器軟件介紹虛擬儀器軟件由兩部分構成，即應用程序和i/o接口儀器驅動程序。虛擬儀器應用實現虛擬儀器面板功能并定義測試功能的流程圖。i/o接口驅動程序完成特定外部硬件設備的擴展、驅動與通信。構造一個虛擬儀器系統(tǒng)時，在基本硬件確定后，就可以通過不同的軟件實現不同的功能。軟件是虛擬儀器系統(tǒng)的關鍵，對提高計算機軟件編程的效率意義重大。虛擬儀器系統(tǒng)的軟件主要分為4層：系統(tǒng)管理層、測控程序層、儀器驅動層和i/o接口層。作為開發(fā)虛擬儀器軟件的工具平臺，必須使設計出的以上軟件層具有鮮明的“既調既用”特征，并且確保用戶能用以完成整個系統(tǒng)中所有軟件部分的開發(fā)。目前比較流行的軟件開發(fā)平臺有：可視化編程工具、labwindows/cvi、labview。2.4.1 可視化編程工具visual c+是一種功能齊全的面向對象的開發(fā)工具，可直接對硬件操作，支持多任務多線程。visual c+不僅是c語言的集成開發(fā)環(huán)境，而且與win32緊密相連，所以，利用visua1 c+開發(fā)系統(tǒng)可以完成各種各樣應用程序的開發(fā)，從底層軟件直到上層直接面向用戶的軟件都可以用visual c+來完成開發(fā)。2.4.2 labwindows/cvilabwindws/cvi是ansic的、交互式c語言集成發(fā)平臺。最新4.0版本的具有以主要特點：（1）基于ansic，不用學復雜的c+即可實現編程；（2）同標準兼容，可實現32位用戶庫、目標模塊、dll的相互調用；（3）可直接生成32位dll，生成的dll也可被labview直接調用；（4）提供各種靈巧方便的界面生成、編程、調試工具，使得編程、調試輕松自如；（5）提供豐富的數值分析、數字信號處理函數庫；（6）提供gpbi、vxi、rs232、數據采集板卡以及網絡連接功能；（7）可免費獲得數百種源碼組gpib、vxi、rs232儀器驅動程序；2.4.3 labviewlabview是一個開放式的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)應用軟件，它為設計者提供了一個便捷、輕松的設計環(huán)境，利用它設計者可以像搭積木一樣，輕松組建一個測量系統(tǒng)或數據采集系統(tǒng)，并任意構造自己的儀器面板，而無需進行任何煩瑣的計算機代碼的編寫，從而可以大大簡化程序的設計。labview與vc+、vb、labwindows/cvi等編程語言不同，它們采用的基于文本語言的程序代碼，而labview是使用圖形化程序的g語言，用方框圖代替了傳統(tǒng)的程序代碼。labview所運用的設備圖標與科學家、工程師們習慣的大部分圖標一致，這種編程過程和思維非常相似。用labview設計的虛擬儀器可以脫離labview開發(fā)環(huán)境，最終用戶看見的是和實際的硬件儀器相似的操作面板。labview包含有專門用于設計數據采集程序和儀器控制程序的功能庫和開發(fā)工具庫。labview的程序設計實質就是設計一個個的“虛擬儀器”，即“vis”。在計算機上利用功能庫和開發(fā)工具產生一個前面板(frontr panel)；在后臺則利用圖形化編程語言編制用于控制前面板的程序。程序的前面板具有與傳統(tǒng)儀器類似的界面，可接受用戶的鼠標指令，一般來說，每一個vi都可以作為其它vi的調用對象，其功能類似于文本語言的子程序。用labview編制的圖形化vi是分層次和模塊化的，并且可以用于頂層程序，也可用作其它程序或子程序的子程序。一個vi用在其它vi中，稱之為subvi，subvi在調用它的程序中同樣是以一個圖表的形式出現的。labview依據并發(fā)展了模塊化程序設計的概念。用戶可以把一個應用題目分解為一系列的子任務，每個子任務還可以進一步分解成許多更低一級的子任務，直到把一個復雜的題目分解為許多子任務的組合。設計時，首先設計subvi完成每個子任務，然后它們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)平臺有以下優(yōu)點：(1)圖形化的編程方式，設計者無需寫任何文本格式的代碼，是真正的工程師語言。(2)提供了豐富的數據采集、分析及存貯的庫函數。(3)即提供了傳統(tǒng)的程序調試手段，如設置斷點、單步運行，同時提供有獨到的執(zhí)行工具，使程序動畫式運行，利于設計者觀察程序運行的細節(jié)，使程序的調試和開發(fā)更為便捷。(4)囊括了daq、gpib、pxi、vxi、rs-232/485在內的各種儀器通信總線標準的所有功能函數，使得不懂總線標準的開發(fā)者也能夠驅動不同總線標準接口設備與儀器。(5)提供大量與外部代碼或軟件進行連接的機制，諸如dlls、dde、activex等。(6)強大的internet功能，支持常用網絡協(xié)議，方便網絡、遠程測控儀器的開發(fā)。第三章 數據采集硬件設計系統(tǒng)所用到的硬件有：傳感器、ni scc-68接線盒、ni scc-tc02模塊、pci-6221數據采集卡、pc機。3.1 數據采集卡3.1.1 數據采集卡的選用選擇一款合適的數據采集卡，首先要了解數據采集卡的核心部件a/d轉換器，此外還應該了解板卡上一些有關部件和一些選用的指標。(1)數據分辨率和精度精度和分辨率有所不同，精度除了涉及a/d轉換精度外還考慮測試系統(tǒng)各部分誤差。采集板卡的分辨率必須大于所要求的測試精度。(2)最高采樣速度數據采集卡的最高采樣速度一般用最高采樣頻率(hz)來表示，它表示單通道采樣能使用的最高采樣頻率，這也就限制了該數據采集卡能夠處理信號的最高頻率(最高采樣頻率/2)。如果要進行多通道采樣，則能夠達到的采樣頻率是原最高采樣頻率除以通道數。(3)通道數通道數指能夠同時采樣的通道數，根據測試任務選擇。任務的通道可自行設定，采集任務可以在daqmx中進行建立。(4)數據總線接口類型不同的總線接口類型的數據采集板卡的接口硬件形式不一樣，數據傳遞的規(guī)則和數據傳遞的速度也不一樣，pci總線是臺式計算機中目前最通用的總線：而筆記本電腦中常用pxmcia總線；pxi和vxi總線是比較新興的高速傳輸總線。(5)是否有隔離好的數據采集板卡每個通道的輸入和輸出之間帶有隔離放大器。對于工作在強電磁場干擾環(huán)境中的數據采集系統(tǒng)，選擇具有隔離配置的數據采集板卡才能保證數據采集的可靠性。(6)板卡本身是否帶有微處理器自身帶有微處理器(cpu)的數據采集卡可以當作主機的下位機使用，自行控制采樣的進行。(7)是否有標定功能數據采集卡使用一段時間后，器件值會有變化，基準電壓也可能會改變，零點會漂移。對于高精度的數據采集，需要每隔一段時間進行精度標定，好的數據采集卡具有自我標定功能，但價格高很多。(8)支持的軟件驅動程序及軟件平臺和數據采集卡的硬件接口類似，買來的數據采集板卡能在什么軟件環(huán)境中使用，使用起來是否還需要自己編制驅動程序，這也是選擇一款數據采集卡很重要的因素。選擇數據采集卡的軟件除了和現有的測試系統(tǒng)兼容以外，還應考慮其更廣泛的兼容性和靈活性，以備在其他測試任務和系統(tǒng)中也能使用。另外，數據采集卡的選擇還有一些常用的指標，如輸入電壓的最大范圍、輸入增益的種類、是否有模擬輸出、輸入觸發(fā)的類型等。3.1.2 pci-6221型數據采集卡圖3.1 ni pci-6221數據采集卡圖3.1即為所用的核心部件：ni公司的pci-6221型數據采集卡。此卡性能適合設計的采集任務需要。它屬于ni公司m系列16位數采卡產品，具有16個模擬輸入通道，2個模擬輸出通道，10個數字i/o通道，具有從2hz1mhz范圍的的數字i/o功能，最大工作速率達到250ks/s，輸入輸出電壓范圍-10v+10v。此外有37針數據接入端子，有32位的計數器和數字觸發(fā)。3.2 傳感器的選擇在考慮到傳感器的可靠性，為了減少后續(xù)處理電路模塊的麻煩，最好選用的傳感器的輸出量是電壓量。溫度傳感器：比較經濟的辦法是采用熱電偶傳感器。熱電偶由接線盒、接線端子、保護管、絕緣套管及內部的熱電偶組成。其利用的原理是：當兩個接點溫度不同時回路中將產生電勢，該電勢的方向和大小取決于兩導體的材料及兩接點之間的溫度差，而與導體的粗細、長短無關。這種現象稱為物體的熱電效應（塞貝克效應）。組成的測量傳感器稱為熱電偶。熱電偶價格合適，市場上可選擇的種類較多，國際電工委員會(iec)對其中被國際公認、性能優(yōu)良、產量最大的7種制定了標準，如表3.1所示表3.1 熱電偶標準分類表分度號材料測溫范圍（）我國標準號s鉑/銠10-鉑01300（1600）gb 3775-83b鉑/銠30-鉑601600（1800）gb 2902-82k鎳鉻-鎳硅、鎳鉻-鎳鋁01200（1300）gb 2614-81t銅-康銅-200+400gb 2903-82e鎳鉻-康銅-200+900j鐵-康銅-40+750r鉑銠13-鉑01300（1600）gb 1598-79注：括號內的溫度為短期測溫溫度k型熱電偶測溫范圍寬，價格便宜，適宜設計中選用。壓力傳感器：作為檢測壓力的傳感器必須有一定高的工作溫度范圍和耐濕能力。采集的信號是緩變信號，可以考慮采用霍爾式壓力傳感器。具有較高可靠性，能承受溫度和濕度的變化影響。輸出的是電壓量，能用于遠距離的測量和顯示?；魻柺綁毫鞲衅骰驹景▋刹糠郑阂徊糠质菑椥栽鐝椈晒芑蚰ず械?，用它感受壓力，并把它轉換成位移量；另一部分是霍爾元件和磁路系統(tǒng)。工作原理：彈性元件受力發(fā)生形變，帶動霍爾片在均勻梯度磁場中移動，作用在霍爾片上的磁場發(fā)生變化，由 (3-1)上式中b為磁感應強度；i為流過磁場的電流；為磁感應強度b與霍爾片法線方向的夾角；為產生的霍爾電勢；可知：霍爾片的變化，使輸出的霍爾電勢隨之改變，并且霍爾電勢與位移（壓力）成線性關系。3.3 信號調理模塊信號調理是聯系傳感器和數據采集模塊的橋梁。隨著傳感器技術的發(fā)展，其輸出信號的可能性也不斷增加，測試系統(tǒng)在信號進入數據采集卡之前所需做的工作也不斷增加，信號調理是一個不斷更新的環(huán)節(jié)，所做的工作主要有：信號放大(或衰減)、濾波、隔離、多路復用、擴展、整流、熱電偶、補償、激勵、線性化、同步采樣保持等。選取的是ni公司的儀器信號調理板卡scc-tc02，是用于調理各類熱電偶的單通道模塊，包括j、k、t、b、e、n、r和s以及100 mv范圍內的毫伏輸入。ni scc-tc02包括一個2 hz低通靜噪濾波器、具有100增益的儀器放大器，以及實現m系列daq設備最高掃描速率的緩沖輸出。scc-tc02模塊的輸入電路還包含高阻抗偏壓電阻器，可用于熱電偶開路的檢測以及浮動熱電偶和接地參考熱電偶的處理。該模塊包括一個用于冷端溫度補償的板載熱敏電阻。如圖3.2所示：圖3.2 ni scc-tc02其特點有：（1）2 hz低通靜噪濾波器和儀器放大器；（2）用于熱電偶和mv輸入的單通道模塊；（3）板載熱敏電阻可用于冷端溫度補償；（4）熱電偶開路檢測和自動接地參考；3.4 接線盒ni scc-68是一款i/o接線盒，便于信號連往ni m系列或e系列數據采集設備。ni scc-68 適用于簡單卻可擴展的臺式機測試系統(tǒng)。它有68個i/o信號連接螺絲端子、1個通用電路試驗板區(qū)域和數個外接和接地電源的總線終端。通過scc-68的4個scc插槽，可在測量系統(tǒng)中集成熱電偶、應變計、rtd、頻率輸入、電流輸入、電壓衰減器、低通濾波器、測壓元件輸入、加速度傳感器、饋通板、spdt繼電器、隔離的數字i/o設備和隔離電壓輸入模塊。如圖3.3所示：圖3.3.3 ni scc-68接線盒其特點有：（1）4個擴展插槽用于scc信號調理模塊；（2）68個螺栓端子，實現簡單的i/o連接；（3）多數情況下，借助daq設備進行驅動 (見手冊)；（4）i/o接線盒可搭配m系列和e系列daq設備 (僅ni-daqmx)；（5）內置冷端補償傳感器，適合低價位的熱電偶測量；（6）通用電路試驗板，用于自定義電路；3.5 ni-daq安裝ni測試產品包括ni-daq驅動程序，用戶可以通過labview，labwindows/cvi等應用程序給驅動發(fā)送諸如采集、顯示和分析等指令，為用戶節(jié)省了編寫底層函數的時間和麻煩。ni-daqmx和ni-daq(legacy)不同版本所支持的ni應用程序有所不同。ni-daq8.5安裝的步驟如下：1.首先安裝應用程序labview，由于條件限制，試驗中安裝labview8.5。如果有用8.5以前版本編寫的程序最好作備份。2.安裝ni-daq8.5，首先插入安裝光盤，它將自動運行。ni-daq8.5包括幾個驅動和他們的api-ni-daqmx，你可根據自己的設備情況選擇：安裝程序也會自動檢測安裝在系統(tǒng)里的ni軟件以自動確定支持驅動和語言支持文件等。3.安裝好采集卡、調理模塊和接線盒。本文采用的是pc-daq方式，安裝pci設備時必須按以下步驟：(1)確保關掉電源，拔出電源插頭。(2)打開電腦機箱，找到pci插槽。(3)用手接觸電腦的任何金屬部分以釋放靜電。(4)把pci設備(本文是ni-pci數據采集卡)插入pci插槽。(5)把pci設備用安裝螺釘固定在電腦背板上。(6)重新裝好機箱。4.雙擊measuerment&automation圖標打開max，然后devices and interfaces下拉菜單，找到所安裝的設備，可以找到所安裝的pci-6221數據采集卡，右擊設備，進行自測，若檢測成功則進行下一步的操作。5.右擊數據采集卡名稱，選擇properties進行數據采集卡的配置設定，可參照使用說明書。6.瀏覽和安裝設備文檔。文檔包括設備的支持文件和工具包。7.接著安裝信號調理和開關設備、以及接傳感器和導線。在本文中，只對采集程序進行虛擬測試，故這些硬件可適時缺省。8.運行測試面板。打開max在devices and interfaces選擇testpanels，打開測試面板界面，通過tabs可逐項選擇測試內容。9.新建任務和配置通道。物理通道是指信號端口，負責接受或發(fā)送模擬或數字信號。而虛擬通道則是設置的稱謂，包括名字、物理通道、輸入端口連接、信號測試和發(fā)生類型。在ni-daq中，虛擬通道的配置可以在任務中進行，也可以獨立配置。任務的配置有兩種方法。第一，可以右擊date neighborhood選擇create new窗口，在窗口中選擇ni-daqmx task，然后點擊next。第二，也可通過labview里的daq助手來實現，按里面的提示進行操作。在新建任務界面上選擇任務類型，在界面上可看到有溫度、應變等各種參量專門任務類型，本設計采集多路信號，而且各路物理信號不盡相同，所以把這些物理信號轉為電壓統(tǒng)一采集，所以在這這里選擇電壓采集任務的類型時，在界面上選擇analog input中的voltage任務類型。然后點擊finish到下一級通道選擇界面，用兩路信號發(fā)生器模擬調理過的信號輸入采集卡，然后在界面上選擇兩個通道，每個任務的物理通道號和對應一個傳感器輸入信號。3.6 daqmx介紹在labview中，數據采集vi主要位于ni measurements子模板，在這個子模板中，又分別有data acquisition和daqmx-data acquisition兩個子模板，其中前者是傳統(tǒng)的數據采集vi，后者是數據采集daqmx類型的數據采集vi。傳統(tǒng)類型的數據采集vi面向單個數據采集卡直接采進信號的電壓值，其操作對象是單個的數據采集卡；而daqmx類型的數據采集vi可以面向多個數據采集卡，其操作對象是信號輸入或輸出通道，并且采進來的電壓值可以根據預先給定的規(guī)則變換成實際的物理量值，如位移、應變等。本文采集多路信號，采用daqmx數據采集vi編程。daqmx其實是ni公司開發(fā)的測量服務軟件，可以把測量服務軟件看作是i/o驅動軟件層，然而它不僅僅是一個驅動。測量服務是快速應用程序開發(fā)中最為重要的部分之一。這個軟件提供了虛擬儀器軟件和硬件之間的連通性以用于測量和控制。直觀的應用程序編程接口(api)、儀器驅動、配置工具、快速i/o助手和其他包含在所購買的ni硬件中的軟件是它的特色。ni測量與自動化瀏覽器(max)和daq assistant(daq助手)是ni-damx測量服務軟件體現它無限價值的兩個例子。max配置工具特性包含配置和測試i/o，以及存儲標定、校準和通道別名信息，這些對于以更短的時間完成首次測量、維護測試系統(tǒng)和解決測試系統(tǒng)故障是十分重要的。daq助手是一個交互式工具，用來快速創(chuàng)建測量應用程序，它提供了一個面板，用戶可以在上面輕松配置常用的daq參數，而無需任何編程工作。daqmx具有很多優(yōu)點，它能更輕松地往daq api中添加新特性、更輕松地添加新設備、更有效的多線程數據采集、提高數據采集性能(尤其是單點性能)、更輕松地進行數據采集。此外，daqmx將支持ni公司的高性能新硬件產品，包括m系列插入式daq設備，一些最新的usb daq設備，以及數以百計的傳統(tǒng)ni-daq所支持的daq設備。以daqmx為兼容對象的產品將是采集硬件發(fā)展的方向，ni公司m系列的產品以及以后開發(fā)的數據采集產品都將以支持daqmx為主，對于傳統(tǒng)數據采集vi將逐漸淘汰。第四章 數據采集軟件設計4.1 軟件總體設計用模塊化的設計思想，對軟件進行功能的劃分，有助把握軟件整體設計思路，簡化程序結構。本設計實現的功能主要包括幾個部分：第一是實現數據的在線采集顯示，第二是對采集到的數據進行相關的處理，第三是對一些主控參數進行在線監(jiān)測，第四是對數據和波形記錄，第五是對歷史數據進行查詢，第六是對歷史數據分析。如圖4.1為軟件的功能模塊圖：圖4.1 軟件功能模塊圖4.2 主程序4.2.1 主程序框架在整個程序構架里，主程序負責運行控制，并協(xié)調各個功能模塊之間的數據通信。主程序分為前面板與后面板。前面板是主程序的操作界面，是直接面向用戶的窗口，其設計必須簡潔明了，界面友好，功能齊備，能使用戶一目了然地根據測試的要求輸入參數，并提供可選擇的測試項目進行操作，能與用戶良好互動。后面板存放主程序的執(zhí)行代碼，程序的編寫在這里實現，是軟件設計的主要內容。圖4.2是主程序的流程圖，流程的控制依此實現。圖4.2主程序流程圖數據的來源是首先由傳感器檢測到的物理信號，經由調理模塊的處理傳輸到數據采集卡上，經過卡內a/d轉換芯片轉換成數字信號，再由數據采集卡和計算機通信接口送至labview應用程序進行處理。所以流程圖中的數據是數字數據。當主程序啟動時，每次采集到的數據都要存入數據庫，如果要實時記錄每時每刻的數據，那數據量將會很龐大，造成后繼的檢索和報表的生成麻煩，從實際的生產角度來說也沒必要。根據實際情況，主程序設計了定時采集的辦法，每隔一段時間采集一次，使數據符合實際情況。4.2.2 主程序前面板如圖4.3是主程序的用戶界面。整個界面分為實時采集、歷史數據查詢和配置三個選項卡。圖4.3 主程序用戶界面實時采集放置在一個tab控件里，是前面板的主要區(qū)域，它包括三個部分：波形顯示窗口、數字顯示窗口、儀表窗口、按鈕區(qū)。用戶能夠從波形窗口上的選擇控件選擇顯示的通道，波形窗口顯示該通道的實時采集波形。數字顯示窗口里放置了物理量參數的數據顯示，一目了然，用戶讀取非常方便。儀表窗口是面板提供的形象化顯示方式，把參數用傳統(tǒng)儀表的表現形式的顯示使傳統(tǒng)用戶更容易接受。圖4.4 數據查詢界面如圖4.4所示歷史數據查詢分析區(qū)也是由tab控件組成，查詢部分中，用戶通過輸入查詢時間段就可以得出該參數的歷史數據，用一個數據表就能顯示出來。顯示查詢的時間、采集的次數、實時采集到的溫度值和壓力值。參數設置區(qū)放置在一個tab控件里，它包含三個部分的設置內容：采集參數設置、監(jiān)測閥值與文件路徑設置、物理通道設置。采集參數設置的內容包括任務選擇、物理通道選擇、采樣模式選擇、采樣率選擇等的設置，這些內容是關系到采集結果正確是首要因素，如果用戶不做設置則系統(tǒng)采用默認值。點擊第二選項是監(jiān)測和文件存儲的設置內容，閥值是主控參數報警的閥值設置，在采集過程中需要對一些參數進行監(jiān)測，當其超過閥值設置后報警燈亮，提示用戶注意。如圖4.5所示。圖4.5 參數設置界面4.2.3 主程序后面板如圖4.6所示，程序采用順序結構來安排各功能程序的運行先后。首先是運行采集程序，將采集到的波形進行濾波，這放置在第一個順序框。接著運行數據處理分析程序，對濾波后的波形進行處理分析，放置在第二步順序框。將數據存入數據庫和波形文件，這放置在第三個順序框。數據庫查詢和波形回放程序放置在第四個順序框。這樣的安排符合程序的采集和控制流程。圖4.6 主程序圖4.3 子程序4.3.1 采集子程序在采集子vi中，用戶可以根據需要進行測試選擇的設置，其內容包括：采樣式設置、采樣率的設置、采樣點數的設置、輸入電壓范圍的設置、物理通道設置、任務選擇等，如圖4.7所示。對于這些設置做如下的默認設定：在本文中，選擇限點采樣模式，每采集一次，每個通道采集點數為1000點。采樣率的設置必須滿足奈奎斯特定理，由于設計中所檢測的信號大都屬于低頻信號，故采樣率的設置不宜高，每個通道的采樣率大約等于1khz即可。輸入電壓范圍暫定于-10v+10v。可根據所檢測的參數數量設定通道數。圖4.7 采集子程序4.3.2 查詢子程序在查詢子程序中要實現對采集到的數據的查詢功能，輸入查詢的時間段即可查詢出該時間段內數據庫中存儲的采集數據，以表格的形式顯示出來。包括采集編號、該點的時間、溫度值、壓力值。如下圖4.8所示，查詢子程序采用圖4.8 查詢子程序4.3.3 存儲子程序圖4.9 存儲子程序4.4 數據處理數據分析和處理程序里包括軟件濾波程序、求樣點平均值程序和越限報警程序等內容。4.4.1 濾波功能選擇濾波器按能通過的范圍來分可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器以及其它類型通帶濾波器；按處理信號的性質來分有模擬濾波器和數字濾波器。隨著數字計算機的發(fā)展，使數字濾波器也有了很大的發(fā)展和應用，但其基本出發(fā)點仍基于模擬濾波器。數字濾波器又可以分為有限沖擊響應濾波器(fir df)和無限沖擊響應(iir df)兩種類型。1. 濾波器的基本參數描述濾波器性能的參數有紋波幅度、截止頻率、帶寬、品質因素等。紋波幅度是指在一定頻率范圍內，實際濾波器的幅頻特性可能呈波紋變化，其波動幅度與幅頻的平均值相比，越小越好，一般應小于-3db，既。截止頻率是幅頻特性值等于所對應的頻率稱為濾波器的截止頻率。以為參考值，對應于-3db。若以信號的幅值平方表示信號功率，則所對應的點正好是半功率點。上下兩截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波器帶寬，或-3db帶寬。帶寬決定了濾波器分離信號中相鄰頻率成分的能力頻率分辨力。在測試電路中q通常用來代表諧振回路的品質因數。在二階振蕩環(huán)節(jié)中，q值相當于諧振點的幅值增益系數q=1/2 (阻尼率)。對于帶通濾波器，通常把中心頻率f。和帶寬b之比稱為濾波器的品質因數q。例如一個中心頻率為500hz的濾波器，