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計開發歡迎訪問Freekaoyan論文站    歡迎訪問Freekaoyan論文站      摘 要： 從虛擬儀器的概念出發，采用低成本自動化系統的研究方法，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，并著重從硬件設計和軟件開發等方面進行了分析與論述。      虛擬儀器技術的概念及其應用前景    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、通訊技術和測量技術于一體的模塊化儀器便在世界范圍內得到了廣泛的認同與應用，逐步體現了儀器儀表技術發展的一種趨勢。由于微電子技術、計算機技術、網絡通訊技術和軟件技術的高度發展，以及它們與各種測量技術在儀器儀表上的應用，使新的測試理論、測試方法、測試領域以及儀器結構不斷涌現并發展成熟，在許多方面已經沖破了傳統儀器的概念，儀器測量的功能和作用也發生了質的變化。虛擬儀器概念的產生正是基于這樣一種技術背景。    儀器儀表技術的發展大致經歷了以下兩條發展主線：從測量的技術和方

3、法上劃分，經歷了從機械儀表、模擬電子儀表、數字化電子儀表到智能儀表的發展過程；從儀表結構上劃分，經歷了單機儀表、疊架式儀器系統到虛擬儀器系統的發展過程。傳統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、信號處理機構或電路等，檢測結果輸出方式有數字、指針或圖形窗口等，有的還有打印輸出口。傳統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。這種架構形式決定了傳統儀器只能由儀器的生產廠來定義制造，而用戶無法改變。傳統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。計算機技術的發展，給傳統儀表技術

4、注入了強大的活力，在微電子技術和LSIC技術推動下，有力地促進了數字化儀器、智能儀器的快速發展。    在虛擬儀器系統中，用計算機靈活強大的軟件代替傳統儀器的某些部件，用人的智力資源代替許多物質資源，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。虛擬儀器本質上是利用PC機強大的運算能力、圖形環境和在線幫助功能，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、數據分析與顯示，并通過一組軟件和硬件，實現完全由用戶自己定義、適合不同應用環境和對象的各種功能。在虛擬儀器系統中，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、運行的物理環境，軟件才是整個儀器的核心構件，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模，甚至儀器的性質。    虛擬儀器的構成：如果按照構成儀器的三大功能部件來分，所有控制系統、工業計測系統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據采集系統（SCADA），見圖。可編程儀器的信號處理、定時控制、集成總線、高速緩存、DMA等技術的應用，使這樣的SCADA系統能達到儀器級的性能、精度與可靠性。    虛擬儀器的軟件開發平臺：虛擬儀器的軟件

6、開發平臺目前主要有兩類：第一類是基于傳統語言的Turbo C、VB、VC+等，這類語言具有適應面廣、開發靈活的特點，但開發人員需有較多的編程經驗和較強的調試能力；第二類是基于圖形組態和編程的圖形組態軟件，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。這類組態軟件都通過建立和連接圖標來構成虛擬儀器工作程序并定義其功能，而不是用傳統的文本編輯形式。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。該類軟件缺點是缺少程序流程控制

7、，大都解釋執行。    當今的儀器儀表開發技術正與計算機技術日益緊密地結合在一起，利用虛擬儀表技術開發基于PC機的多功能無紙記錄儀，可使其硬件結構簡單、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要求和系統功能    基于虛擬儀器的多功能無紙記錄儀在技術上不僅要具備傳統式儀表所應具有的電氣性能和環境適應能力，而且還應具備如下的通用技術指標和系統功能：   （）信號采樣：設置模擬輸入通道16路

8、，采樣周期可選0.25秒0.5秒1秒。記錄間隔可通過設置畫面設定為1秒2秒4秒8秒20秒40秒120秒等。開關量輸入24點，接收被測對象的狀態信號。模擬量輸入通道可允許10V、5V、20mA的標準信號和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。   （）設置功能：系統應具有強大的設置功能，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等進行設置。允許保存100組用戶自定義設置。   （）連鎖與報警功能：配置24點開關量輸出通道，根據采樣信號，提供簡單

9、的連鎖和狀態控制信號；并可任意設置各通道上限、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。根據每種流體不同的測試方法，通過參數設置畫面，以實現合適的測量與補償功能。   （）主要技術參數：    ·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。    以上技術指標和系統功能定義是多功能無紙記錄儀軟、硬件配置與設計的基本依據。    多功能無紙記錄儀的硬件平臺與軟件開發    3.1硬件方案    目前無紙記錄儀的硬件平臺的架構大致分為兩類：第一類采用通用型單片機（MCS51系列、MCS96系列、MCS196系列等）或專用掩膜電路，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結構模板，構成嵌入式PC機系統，具有結構緊湊、功能強大、可靠性高、兼容性好、應用靈活方便、支持自開發、開發周期短等特點。考慮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據分析處理能力、較大的存儲空間和數據網絡傳輸能力，因此選用ALL-IN-ONE型PC/104嵌入式模板構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應用環境的惡劣條件而設計的，與PC機完全兼容，硬件接口均符合PC機標準可直接駁接硬盤、軟驅、顯示器、鍵盤、鼠標等外部設備，共享PC機的設備驅動程

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VRAM，用于圖形、圖表、數據的顯示，允許數據并行傳輸。  &

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

14、方式0，可通過軟件設置來決定某一路的輸入或輸出狀態。    ·RS-485轉換器，將PCM-3335上的RS-232C端口轉換為RS-485端口，可實現單主站、多從站類型的分布式系統，其節點既可以是多臺多功能無紙記錄儀，也可以是其它控制設備如PC機、PLC或智能儀表等。開關電源    上述部件通過標準插件聯接，實現了模塊化儀表結構設計，根據需要可更換部分模件，配以相應的軟件，即可方便地組成適用各種應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。本記錄儀開發無需專用開發環境，

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

16、，中斷周期為1001000ms可調。    鍵盤掃描中斷服務程序的任務是對數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，根據判斷結果置相應的標志，以便主程序執行相應的功能子程序。該定時程序邏輯1/3秒執行一次。鍵盤中斷優先級低于采樣中斷。    3.3軟件設計要點    對采樣信號的數值處理是保證記錄儀記錄精度的重要環節。在軟件中針對各種信號相對于時間的變化率不同，采用了不同的數值濾波方法，如中值均值復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合濾波法采用每次對

17、每個參數連續采樣次，將所得的數據排序，去除最大值和最小值，將其余數據取算術平均值作為有效采集數據。    另外為提高系統的實時性和可靠性，減少讀寫硬盤的次數，為系統安裝了SMARTDRV程序，在擴展內存中創建了一個2MB超高速緩沖區，即當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中，下次應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中提供信息，從而提高了程序執行速度。而且SMARTDRV總是將新的或修改過的信息拷貝到硬盤，所以關機時不會丟失數據。    在畫面程序

18、設計時采用了如下方法：首先用繪圖軟件繪出畫面的靜態部分，制成壓縮的圖形數據文件，系統啟動時將各圖形數據文件自動調入內存虛擬盤上，需顯示某畫面時將該圖形數據文件直接寫入VRAM中，再從動態數據區取所需顯示數據。這樣大大加快了畫面及漢字的顯示與刷新速度，滿足了實時響應的要求。    本記錄儀采用全漢字界面，但動態提示信息中用到的漢字僅幾十個，為減少系統占用的存儲空間，有必要建立自己的漢字庫。利用公式：    區位碼漢字機內碼-0xA0A0    字庫碼（區碼-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，在西文環境下利用PUTPIXEL函數以點圖方式顯示。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用前景   （）由于采用嵌入式設計，記錄儀外形尺寸可制成標準模擬儀表安裝尺寸，直接替換型儀表。經使用0.01級標準表檢測，其實時顯示精度優于±0.3%FS。 &#