基于虛擬儀器的USB接口數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

虛擬儀器技術(shù)在計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域得到了快速?gòu)V泛的推廣應(yīng)用，從簡(jiǎn)單的儀器控制、數(shù)據(jù)采集到尖端的測(cè)控和工業(yè)自動(dòng)化；從大學(xué)實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)；從探索研究到技術(shù)集成都可以發(fā)現(xiàn)了虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用的很多領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)此做了很多的研究工作。

1 虛擬儀器與圖形化編程語(yǔ)言-LabVIEW
    虛擬儀器(virtual instrument，VI)是一種基于計(jì)算機(jī)的儀器，就是在通用計(jì)算機(jī)上加上軟件和硬件，使得使用者在操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)，就像是在操作一臺(tái)他自己設(shè)計(jì)的專用傳統(tǒng)電子儀器。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號(hào)的輸入輸出，軟件才是整個(gè)儀器系統(tǒng)
的關(guān)鍵，任何一個(gè)使用者都可以通過修改軟件的方法，很方便地增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模，所以有“軟件就是儀器”之說。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義，形成用戶無法改變功能的模式，虛擬儀器技術(shù)給用戶一個(gè)充分發(fā)揮自己才能和想象力的空間。用戶(而不是廠家)可以隨心所欲地根據(jù)自己的需求，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應(yīng)用需求。
    LabVIEW是美國(guó)NI公司開發(fā)的面向計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)，它是一種功能強(qiáng)大的圖形編程語(yǔ)言，但它與傳統(tǒng)的文本編程語(yǔ)言(如C語(yǔ)言)不同，采用了一種基于流程圖的圖形化編程形式，因此也被稱為G語(yǔ)言(graphical language)。這種圖形化的編程形式，方便了非軟件專業(yè)的工程師快速編制程序。多任務(wù)并行處理一般是通過多線程技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，不同的任務(wù)實(shí)際上通過各自的線程輪流占用CPU時(shí)間片來達(dá)到“同時(shí)”處理的目的。LabVIEW也采用了多線程技術(shù)，而且與傳統(tǒng)文本式的編程語(yǔ)言相比，有兩大優(yōu)點(diǎn)：LabVIEW把線程完全抽象出來，編程者不需對(duì)線程進(jìn)行創(chuàng)建、撤銷及同步等操作；LabVIEW使用圖形化的數(shù)據(jù)流執(zhí)行方式，因此在調(diào)試程序時(shí)，可以非常直觀地看到代碼的并行運(yùn)行狀態(tài)，這使編程者很容易理解多任務(wù)的概念。虛擬儀器的硬件由儀器硬件和計(jì)算機(jī)硬件2部分組成。應(yīng)用軟件由儀器驅(qū)動(dòng)程序、開發(fā)環(huán)境和用戶接口3部分組成。

2 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的功能和組成
2．1 系統(tǒng)功能
    數(shù)據(jù)采集(data acquisition，DAQ)與處理系統(tǒng)的基本功能是物理信號(hào)的測(cè)量、采集與處理。要使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠測(cè)量物理信號(hào)，首先要使用傳感器把物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓或者電流之類的電信號(hào)。通常不能把被測(cè)信號(hào)直接連接到DAQ卡，而必須使用信號(hào)調(diào)理輔助電路，將信號(hào)進(jìn)行一定的預(yù)處理?？傊?，數(shù)據(jù)采集與處理是借助軟件來控制整個(gè)DAQ系統(tǒng)的，包括采集原始數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和輸出與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
2．2 系統(tǒng)組成
    設(shè)計(jì)過程中采用煉油廠高溫?zé)煔獍l(fā)電系統(tǒng)的工藝參數(shù)檢測(cè)作為應(yīng)用對(duì)象。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    系統(tǒng)的硬件包括溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器等傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)。信號(hào)調(diào)理模塊選用的是美國(guó)國(guó)家儀器公司的NI SCXI-1102型溫度調(diào)理模塊和NI SCXI-1520型應(yīng)變信號(hào)調(diào)理模塊，用這2個(gè)模塊完成對(duì)采集信號(hào)的預(yù)處理；數(shù)據(jù)采集卡采用的是NI USB-6008DAQ型；工控機(jī)采用的是具有PXI插槽的一臺(tái)計(jì)算機(jī)和一臺(tái)PC機(jī)。
    整個(gè)系統(tǒng)共設(shè)置8路模擬輸入端口，2路模擬輸出端口，12路數(shù)字輸入／輸出端口，1路事件計(jì)數(shù)端口。
    (1)NI SCXI-1102的特點(diǎn)和功能。NI SCXI-1102專為高精度熱電偶測(cè)量而設(shè)計(jì)。它們具有相同的架構(gòu)，該架構(gòu)的每路輸入通道包括了一個(gè)儀器放大器和一個(gè)2 Hz的低通濾波器。在此架構(gòu)下，可以通過高達(dá)333 SPS(每通道3μs)的速度來掃描SCXI-1102及其他模塊的模擬輸入通道，也可掃描冷端溫度補(bǔ)償傳感器及其他輸入通道。SCXI-1102可采集mV、V、0～20 mA以及4～20 mA電流的輸入信號(hào)。每個(gè)模塊的所有通道都可以被DAQ設(shè)備的某一路通道采集，也可另加模塊，以增加通道數(shù)。
    (2)NI SCXI-1520的特點(diǎn)和功能。NI SCXI-1520是8通道通用應(yīng)變片輸入模塊，具有進(jìn)行簡(jiǎn)單或高級(jí)應(yīng)變測(cè)量所需要的所有功能。用戶可借助這一模塊，從應(yīng)變傳感器、力傳感器、扭矩傳感器和壓力傳感器上讀取信號(hào)。NI SCXI-1520包含在各類環(huán)境中均適于自動(dòng)校準(zhǔn)的板載參考電壓。它的每路通道均配有可編程放大器和4級(jí)可編程Butter worth濾波器。每條通道還具有一個(gè)獨(dú)立0～10 V可編程激勵(lì)源。此外，SCXI-1520系統(tǒng)在模塊內(nèi)部提供了組成半橋電路的電阻網(wǎng)絡(luò)，并在SCXI-1314接線盒提供了1個(gè)350 Ω的插座式電阻，用以組成l／4橋。120 Ω的1／4橋電阻均隨附于接線盒。
    (3)USB接口及NI USB-6008 DAQ的特點(diǎn)和功能。通用串行總線(universal serial bus，USB)是目前電腦上應(yīng)用較廣泛的接口規(guī)范，USB接口是電腦主板上的一種四針接口，其中中間2個(gè)針傳輸數(shù)據(jù)，兩邊2個(gè)針給外設(shè)供電。USB接口速度快，連接簡(jiǎn)單，不需要外接電源，同時(shí)對(duì)外設(shè)有良好的兼容性，最多可連接127臺(tái)外設(shè)。USB有2個(gè)規(guī)范，即USB 1．1和USB2．0。
    USB通用串行總線是由Intel，Microsoft，Compaq，IBM，NEC，Northern Telcom等幾家大廠商發(fā)起的新型外設(shè)接口標(biāo)準(zhǔn)。USB傳輸速度12 Mb／s，最新USB2．0可達(dá)480 Mb／s；電纜最大長(zhǎng)度5 m，USB電纜有4條線，2條信號(hào)線，2條電源線，可提供5 V電源；USB電纜還分屏蔽和非屏蔽2種，屏蔽電纜傳輸速度可達(dá)12 Mb／s，價(jià)格較貴，非屏蔽電纜速度為1．5 Mb／s，但價(jià)格便宜；USB通過串聯(lián)方式最多可串接127個(gè)設(shè)備，支持即插即用和熱插拔。[!--empirenews.page--]
    NI USB-6008具有基本的數(shù)據(jù)采集功能，其應(yīng)用范圍包括簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)記錄、便攜式測(cè)量和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。NI USB-6008可使用LabVIEW或C以及自帶的NI-DAQ mx Base測(cè)量服務(wù)軟件編程，創(chuàng)建用戶自定義的測(cè)量系統(tǒng)。但這些只能完成簡(jiǎn)單的測(cè)量和分析，若要完成復(fù)雜的工程運(yùn)算或?qū)崟r(shí)控制還需借助其他的軟件環(huán)境。

3 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    NI USB-6008通過USB接口與工控機(jī)相連，構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。
    NI-DAQmx Base具有NI-DAQmx的部分功能，支持Windows，Linux，Mac OS X和Pocket PC操作系統(tǒng)。簡(jiǎn)潔的編程接口、可編程通道和任務(wù)生成以及與NI LabVIEW的高度集成使得應(yīng)用開發(fā)極為簡(jiǎn)單。該驅(qū)動(dòng)軟件包含立即可用的LabVIEWVI和C函數(shù)實(shí)例，這些實(shí)例與具有完整功能的NI-DAQmx軟件中的相似。
    數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的軟件包括驅(qū)動(dòng)程序和用戶應(yīng)用程序，用戶應(yīng)用程序是用虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境LabVIEW設(shè)計(jì)的。
    系統(tǒng)軟件采用LabVIEW編程，前面板如圖2所示。

4 結(jié)語(yǔ)
    設(shè)計(jì)測(cè)試表明，將虛擬儀器與LabVIEW結(jié)合用于常規(guī)的數(shù)據(jù)采集與處理等任務(wù)，可以減少系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間，也可提高編程效率，節(jié)省系統(tǒng)成本。