基于虚拟仪器的数据采集系统

2013-12-07王宏娟

中国设备工程 2013年8期

敖阳，郭烽，王宏娟

(1.沈阳黎明航发集团物资配送中心原材料仓储中心，辽宁沈阳 110043；2.中国科学院沈阳计算技术研究所有限公司,辽宁沈阳 110168)

一、虚拟仪器概述

二、数据采集系统设计

虚拟仪器(Virtual Instrument，简称VI)是基于计算机系统的数字化测试测量仪器，是应用于通用计算机上的一种软件和硬件的组合，可代替传统的测量仪器，如信号发生器、示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等；它充分利用现有计算机资源，并配以独特设计的仪器硬件和专用软件,能实现普通仪器的全部功能以及某些普通仪器无法实现的特殊功能，常被称作软件仪器。可利用数据采集模块完成一般测量测试仪器的数据采集功能,利用软件实现对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口，最终使得计算机系统完成一般测量测试仪器的数据分析和输出显示等功能。

虚拟仪器是计算机技术、现代测量技术共同发展的结晶,代表着当今仪器发展的最新趋势。虚拟仪器的软件结构是虚拟仪器的关键部分。其软件结构分为三部分:输入输出(I/O)接口软件、仪器驱动程序和应用软件开发环境。其开发框图如图1所示。

1.硬件结构

(1)整体架构

数据采集系统主要通过传感器采集特定部位的流量、压力、温度等信号，采集的信号经过处理后再传输到计算机中，现场采集的模拟信号主要是0~10V直流电压信号及4~20mA电流信号，由于系统对数据采集的实时性要求较高，总体上的采样频率要求较高，软件开发采用的是美国NI公司推出的LabVIEW软件，该软件具有友好的图形化开发界面，节省了编程时间，提高了工作效率。硬件结构整体框图如图2所示。

(2)PCI数据采集卡

PCI(Peripheral Component Interconnect，外围部件互联)是一种独立于CPU的同步局部总线，也是目前计算机上使用极为广泛的高性能总线。它是处理器、存储器与外围控制部件、外围扩展卡之间的互连设备，其优点是具有独立处理能力、运行速度快、数据传输速率高、而且扩展性与兼容性好、可靠性高。

为保证采集数据的实时性及准确性，避免数据采集过程受到严重干扰，选用研华公司的工控机和数据采集卡PCI-1713。PCI-1713是基于PCI总线的隔离高速模拟量输入卡，它提供32路单端或16路差分模拟量输入通道，或组合输入方式，A/D转换器的采样速率可达100KS/s，采用12位高速A/D转换，并在输入和PCI总线之间提供2500VDC的直流隔离保护。PCI-1713板卡的安装使用十分方便，在Windows2K/XP/9X下板卡安装的流程图如图3所示。

(3)传感器的选择

图3 PCI板卡安装流程图

该数据采集系统主要用于监测现场的运行参数，主要采集流量、压力、温度等信号，下面以采集流量信号为例，说明传感器的选择原则。由于测量的流量计种类繁多，因此在选择流量计时需要根据实际的情况合理的选择流量计量仪表。选择时主要遵循以下原则：确定被测流体的类型；确定工艺过程的工作条件如何及温度和压力的界限值；确定流量计的安装条件；确定性能和测量能力方面总的要求；确定流量计安装和运行的经济性。

总之，选择流量计时，要综合考虑并权衡以上这些重要的因素，才可能同时做到既满足技术要求，并且经济上合理，实现流量计合理的选型。

2.软件开发

(1)LabVIEW介绍

虚拟仪器系统应用软件的开发环境主要有两种:一种是基于传统的文本语言式的平台，主要是Nl公司的Labwmdows/CVI、VC、VB等;一种是基于图形化工程环境的平台，如Nl公司的LabVIEW和HP公司的VEE等。该数据采集系统的软件设计采用专业图形化编程软件进行开发即NI公司的LabVIEW，LabVIEW是一个多线程、最佳化的图形编译器，它能在最大程度上优化系统的性能。该环境包括三个部分：程序前面板、框图程序和图标连接端口。程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。在程序前面板上，输入量被称为控制(Controls)，为虚拟仪器的框图程序提供数据;输出量被称为显示(Indicators)，显示虚拟仪器流程图中获得或产生的数据。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，这使得前面板直观易懂。

(2)功能模块

该数据采集系统的软件功能模块包括参数设定、数据采集、数据处理、波形显示、数据记录、数据保存、数据查看、打印报表等。

该数据采集系统现已成功应用于某航空领域的现场，并进行了大量的试验，试验结果表明：该系统工作稳定可靠、测试精度高、操作简单、维护方便，大大提高了工作效率，实现了数据采集与监控，为实现高性能的计量管理奠定了基础。