基于虛擬儀器概念的多功能無紙記錄儀的設(shè)計開發(fā)

1、歡迎訪問Freekaoyan論文站基于虛擬儀器概念的多功能無紙記錄儀的設(shè)計開發(fā)歡迎訪問Freekaoyan論文站    歡迎訪問Freekaoyan論文站      摘 要： 從虛擬儀器的概念出發(fā)，采用低成本自動化系統(tǒng)的研究方法，提出了一種在硬件上基于PC/104嵌入式工控模板、軟件上基于通用編程語言的多功能無紙記錄儀，并著重從硬件設(shè)計和軟件開發(fā)等方面進行了分析與論述。      虛擬儀器技術(shù)的概念及其應(yīng)用前景    自1986年美國國

2、家儀器公司（NI）提出虛擬儀器(Virtual Instrument)的概念以來，這種集計算機技術(shù)、通訊技術(shù)和測量技術(shù)于一體的模塊化儀器便在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的認(rèn)同與應(yīng)用，逐步體現(xiàn)了儀器儀表技術(shù)發(fā)展的一種趨勢。由于微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和軟件技術(shù)的高度發(fā)展，以及它們與各種測量技術(shù)在儀器儀表上的應(yīng)用，使新的測試?yán)碚?、測試方法、測試領(lǐng)域以及儀器結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)并發(fā)展成熟，在許多方面已經(jīng)沖破了傳統(tǒng)儀器的概念，儀器測量的功能和作用也發(fā)生了質(zhì)的變化。虛擬儀器概念的產(chǎn)生正是基于這樣一種技術(shù)背景。    儀器儀表技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下兩條發(fā)展主線：從測量的技術(shù)和方

3、法上劃分，經(jīng)歷了從機械儀表、模擬電子儀表、數(shù)字化電子儀表到智能儀表的發(fā)展過程；從儀表結(jié)構(gòu)上劃分，經(jīng)歷了單機儀表、疊架式儀器系統(tǒng)到虛擬儀器系統(tǒng)的發(fā)展過程。傳統(tǒng)儀器一般均為一個獨立的裝置，有機箱、操作面板、信號I/O端子、信號處理機構(gòu)或電路等，檢測結(jié)果輸出方式有數(shù)字、指針或圖形窗口等，有的還有打印輸出口。傳統(tǒng)儀表的功能可概括描述為：信號采集與控制、信號分析與處理、結(jié)果的表達與輸出，這些功能均以硬件或固化軟件的形式存在。這種架構(gòu)形式?jīng)Q定了傳統(tǒng)儀器只能由儀器的生產(chǎn)廠來定義制造，而用戶無法改變。傳統(tǒng)儀器基本上未能擺脫獨立使用、手動操作、功能相對固定、使用具有局限性的模式。計算機技術(shù)的發(fā)展，給傳統(tǒng)儀表技術(shù)

4、注入了強大的活力，在微電子技術(shù)和LSIC技術(shù)推動下，有力地促進了數(shù)字化儀器、智能儀器的快速發(fā)展。    在虛擬儀器系統(tǒng)中，用計算機靈活強大的軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些部件，用人的智力資源代替許多物質(zhì)資源，通過一組軟件和硬件，形成了既有普通儀器的基本功能、又有一般儀器所不具備的特殊功能的新型儀器。虛擬儀器本質(zhì)上是利用PC機強大的運算能力、圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立具有良好人機交互性能的虛擬儀器面板，完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)分析與顯示，并通過一組軟件和硬件，實現(xiàn)完全由用戶自己定義、適合不同應(yīng)用環(huán)境和對象的各種功能。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是解決信號的輸入輸出問題的方法和

5、軟件賴以生存、運行的物理環(huán)境，軟件才是整個儀器的核心構(gòu)件，正如NI公司提出的口號“軟件就是儀器”，任何使用者只要通過調(diào)整或修改儀器的軟件，便可方便地改變和增減儀器的功能和規(guī)模，甚至儀器的性質(zhì)。    虛擬儀器的構(gòu)成：如果按照構(gòu)成儀器的三大功能部件來分，所有控制系統(tǒng)、工業(yè)計測系統(tǒng)均可歸納至虛擬儀器的框架中來。目前較為常見的虛擬儀器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA），見圖?？删幊虄x器的信號處理、定時控制、集成總線、高速緩存、DMA等技術(shù)的應(yīng)用，使這樣的SCADA系統(tǒng)能達到儀器級的性能、精度與可靠性。    虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺：虛擬儀器的軟件

6、開發(fā)平臺目前主要有兩類：第一類是基于傳統(tǒng)語言的Turbo C、VB、VC+等，這類語言具有適應(yīng)面廣、開發(fā)靈活的特點，但開發(fā)人員需有較多的編程經(jīng)驗和較強的調(diào)試能力；第二類是基于圖形組態(tài)和編程的圖形組態(tài)軟件，如HP公司的VEE、IOtech公司的Dasylab、NI公司的LabVIEW、Capital Equipment公司的Testpoint 2.0和HEM公司的Snap-Master等。這類組態(tài)軟件都通過建立和連接圖標(biāo)來構(gòu)成虛擬儀器工作程序并定義其功能，而不是用傳統(tǒng)的文本編輯形式。它們具有編程效率高、通用性強、交*平臺互換性好的特點，適用于大批量多品種儀器的生產(chǎn)。該類軟件缺點是缺少程序流程控制

7、，大都解釋執(zhí)行。    當(dāng)今的儀器儀表開發(fā)技術(shù)正與計算機技術(shù)日益緊密地結(jié)合在一起，利用虛擬儀表技術(shù)開發(fā)基于PC機的多功能無紙記錄儀，可使其硬件結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、兼容性好、功能大大增強、使用更為靈活，并且可通過更新軟件實現(xiàn)不同的記錄要求，真正達到一機多用的目的。    多功能無紙記錄儀的技術(shù)要求和系統(tǒng)功能    基于虛擬儀器的多功能無紙記錄儀在技術(shù)上不僅要具備傳統(tǒng)式儀表所應(yīng)具有的電氣性能和環(huán)境適應(yīng)能力，而且還應(yīng)具備如下的通用技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)功能：   （）信號采樣：設(shè)置模擬輸入通道16路

8、，采樣周期可選0.25秒0.5秒1秒。記錄間隔可通過設(shè)置畫面設(shè)定為1秒2秒4秒8秒20秒40秒120秒等。開關(guān)量輸入24點，接收被測對象的狀態(tài)信號。模擬量輸入通道可允許10V、5V、20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號和S、B、R、K、N、T、E、J熱電偶以及PT100、Cu50熱電阻等多種信號輸入，且可提供隔離輸入。   （）設(shè)置功能：系統(tǒng)應(yīng)具有強大的設(shè)置功能，可對儀表的通道名稱、量程、報警上下限、信號類型、單位、記錄周期、流量累計、流量溫度壓力補償參數(shù)等進行設(shè)置。允許保存100組用戶自定義設(shè)置。   （）連鎖與報警功能：配置24點開關(guān)量輸出通道，根據(jù)采樣信號，提供簡單

9、的連鎖和狀態(tài)控制信號；并可任意設(shè)置各通道上限、上上限、下限、下下限報警，在各顯示畫面上實時顯示報警值，同時實現(xiàn)報警輸出。   （）流量溫壓補償功能：包括對蒸汽、天然氣、液體等各類流體的溫壓補償。根據(jù)每種流體不同的測試方法，通過參數(shù)設(shè)置畫面，以實現(xiàn)合適的測量與補償功能。   （）主要技術(shù)參數(shù)：    ·顯示精度：工程量實時顯示精度為±0.3%FS（滿量程），曲線棒狀圖顯示及追憶精度為±0.5%FS；    ·存儲時間：僅受硬盤容量限制，一般16路模擬信號值可

10、保存三年以上；    ·通訊接口：提供RS-232C/RS-485兩個串行通訊接口。    以上技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)功能定義是多功能無紙記錄儀軟、硬件配置與設(shè)計的基本依據(jù)。    多功能無紙記錄儀的硬件平臺與軟件開發(fā)    3.1硬件方案    目前無紙記錄儀的硬件平臺的架構(gòu)大致分為兩類：第一類采用通用型單片機（MCS51系列、MCS96系列、MCS196系列等）或?qū)Ｓ醚谀る娐?，并輔以外圍I/O通道、存儲電路等，具有成本低廉的特點，但開發(fā)周期

11、長、存儲容量小、軟件通用性差；第二類是采用ALL-IN-ONE結(jié)構(gòu)模板，構(gòu)成嵌入式PC機系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能強大、可靠性高、兼容性好、應(yīng)用靈活方便、支持自開發(fā)、開發(fā)周期短等特點?？紤]到多功能無紙記錄儀不同于其他專用檢測儀，它必須具有良好的數(shù)據(jù)分析處理能力、較大的存儲空間和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸能力，因此選用ALL-IN-ONE型PC/104嵌入式模板構(gòu)成記錄儀的硬件平臺是合適的。    PC/104總線的嵌入式工控模板是針對工業(yè)應(yīng)用環(huán)境的惡劣條件而設(shè)計的，與PC機完全兼容，硬件接口均符合PC機標(biāo)準(zhǔn)可直接駁接硬盤、軟驅(qū)、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等外部設(shè)備，共享PC機的設(shè)備驅(qū)動程

12、序和其它基于PC的成熟軟件。    本機采用了PC/104家族中的PCM-3335模板，其配置為386SX-40CPU、板載4MRAM、一個ATA硬盤接口、一個1.44MB軟驅(qū)接口、一個VGA接口、一個平板顯示器接口、一個打印機并口和RS-232串口。    除PCM-3335模板外，構(gòu)成硬件平臺的其它部件有：    ·一個分辨率為320×RGB×240的6彩色液晶顯示器，自帶控制器和顯示緩沖區(qū)VRAM，用于圖形、圖表、數(shù)據(jù)的顯示，允許數(shù)據(jù)并行傳輸。  &

13、#160; ·×薄膜數(shù)字鍵盤，主要用于人工設(shè)定或功能切換等操作。    ·16路12位A/D轉(zhuǎn)換模板，可編程信號增益為16，A/D轉(zhuǎn)換速率達30kHz，用于對模擬信號的采樣和轉(zhuǎn)換。    ·熱電偶轉(zhuǎn)換卡可編程增益為0.5500，板上自帶冷端補償電路；熱電阻轉(zhuǎn)換卡可接鉑、銅電阻，測量范圍為-200+500；熱電偶、熱電阻轉(zhuǎn)換卡與A/D轉(zhuǎn)換模板配合可直接接收熱電偶或熱電阻的溫度信號。    ·48路開關(guān)量輸入輸出模板，24×通道TTLDIC為8255

14、方式0，可通過軟件設(shè)置來決定某一路的輸入或輸出狀態(tài)。    ·RS-485轉(zhuǎn)換器，將PCM-3335上的RS-232C端口轉(zhuǎn)換為RS-485端口，可實現(xiàn)單主站、多從站類型的分布式系統(tǒng)，其節(jié)點既可以是多臺多功能無紙記錄儀，也可以是其它控制設(shè)備如PC機、PLC或智能儀表等。開關(guān)電源    上述部件通過標(biāo)準(zhǔn)插件聯(lián)接，實現(xiàn)了模塊化儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)需要可更換部分模件，配以相應(yīng)的軟件，即可方便地組成適用各種應(yīng)用場合的記錄型智能儀表。    多功能無紙記錄儀硬件配置示意圖見圖。本記錄儀開發(fā)無需專用開發(fā)環(huán)境，

15、只需在本配置上外接VGA顯示器和一個標(biāo)準(zhǔn)鍵盤，即可實現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)。    3.2 軟件設(shè)計與功能實現(xiàn)    由于PC/104模板與PC機系統(tǒng)完全兼容，為軟件開發(fā)帶來了極大的方便，無需編寫專門的硬件驅(qū)動程序。    本機軟件采用通用編程語言TURBOC2.0編制，運行在DOS6.22操作系統(tǒng)平臺上，主要由采樣中斷服務(wù)程序、鍵盤掃描中斷服務(wù)程序和主控程序組成。    采樣中斷服務(wù)程序主要是對各路模擬輸入信號進行定時采集、數(shù)值濾波、工程量變換、信號補償、報警判斷、流量累計、數(shù)據(jù)存儲等

16、，中斷周期為1001000ms可調(diào)。    鍵盤掃描中斷服務(wù)程序的任務(wù)是對數(shù)字鍵盤進行定時掃描。每個按鍵在不同操作畫面下作用各不相同，根據(jù)判斷結(jié)果置相應(yīng)的標(biāo)志，以便主程序執(zhí)行相應(yīng)的功能子程序。該定時程序邏輯1/3秒執(zhí)行一次。鍵盤中斷優(yōu)先級低于采樣中斷。    3.3軟件設(shè)計要點    對采樣信號的數(shù)值處理是保證記錄儀記錄精度的重要環(huán)節(jié)。在軟件中針對各種信號相對于時間的變化率不同，采用了不同的數(shù)值濾波方法，如中值均值復(fù)合濾波法和卡爾曼濾波法，防止脈動和隨機干擾引起的誤差。例如對于中值均值復(fù)合濾波法采用每次對

17、每個參數(shù)連續(xù)采樣次，將所得的數(shù)據(jù)排序，去除最大值和最小值，將其余數(shù)據(jù)取算術(shù)平均值作為有效采集數(shù)據(jù)。    另外為提高系統(tǒng)的實時性和可靠性，減少讀寫硬盤的次數(shù)，為系統(tǒng)安裝了SMARTDRV程序，在擴展內(nèi)存中創(chuàng)建了一個2MB超高速緩沖區(qū)，即當(dāng)程序要從磁盤讀取信息時，SMARTDRV從磁盤讀入多倍于所需信息的信息，保存在超高速緩沖區(qū)中，下次應(yīng)用程序還要從該文件中讀入信息時，SMARTDRV就直接從超高速緩沖區(qū)中提供信息，從而提高了程序執(zhí)行速度。而且SMARTDRV總是將新的或修改過的信息拷貝到硬盤，所以關(guān)機時不會丟失數(shù)據(jù)。    在畫面程序

18、設(shè)計時采用了如下方法：首先用繪圖軟件繪出畫面的靜態(tài)部分，制成壓縮的圖形數(shù)據(jù)文件，系統(tǒng)啟動時將各圖形數(shù)據(jù)文件自動調(diào)入內(nèi)存虛擬盤上，需顯示某畫面時將該圖形數(shù)據(jù)文件直接寫入VRAM中，再從動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)取所需顯示數(shù)據(jù)。這樣大大加快了畫面及漢字的顯示與刷新速度，滿足了實時響應(yīng)的要求。    本記錄儀采用全漢字界面，但動態(tài)提示信息中用到的漢字僅幾十個，為減少系統(tǒng)占用的存儲空間，有必要建立自己的漢字庫。利用公式：    區(qū)位碼漢字機內(nèi)碼-0xA0A0    字庫碼（區(qū)碼-1）×94（位碼-1）    從UCDOS的16×16的字庫中提取出所需漢字的字模信息，存入一文件構(gòu)成小漢字庫。顯示時，從自建字庫中找到所需漢字的字模，在西文環(huán)境下利用PUTPIXEL函數(shù)以點圖方式顯示。由于所用漢字有限，所以小漢字庫占用空間不大。    多功能無紙記錄儀的特點與應(yīng)用前景   （）由于采用嵌入式設(shè)計，記錄儀外形尺寸可制成標(biāo)準(zhǔn)模擬儀表安裝尺寸，直接替換型儀表。經(jīng)使用0.01級標(biāo)準(zhǔn)表檢測，其實時顯示精度優(yōu)于±0.3%FS。 &#