1虛擬儀器技術

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(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1。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(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，這類語言具有適應面廣、開發(fā)靈活的特點，但開發(fā)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(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來構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、交叉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，大都解釋執(zhí)行。

虛擬儀器技術的三大組成部分：

(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虛擬儀器技術

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)建自己的應用以及友好的人機交互界面。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(shù)據(jù)處理能力，設置數(shù)據(jù)處理、轉換、存儲的方式，并將結果顯示給用戶。此外，還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 Studio的Measurement Studio等等，均可滿足客戶對高性能應用的需求?！　∮辛斯δ軓姶蟮能浖涂梢栽趦x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)模塊化的I/O硬件

面對如今日益復雜的測試測量應用，已經提供了全方位的軟硬件的解決方案。無論您是使用PCI， PXI， PCMCIA， 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(shù)據(jù)采集、信號條理、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。

(3)用于集成的軟硬件平臺

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?！　XI作為一種專為工業(yè)數(shù)據(jù)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，再配以各類模塊化的I/O硬件和相應的測試測量開發(fā)軟件，您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(shù)據(jù)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，您都能應付自如。這就是虛擬儀器技術帶給您的無可比擬的優(yōu)勢。

3 多功能無紙記錄儀的技術要求和系統(tǒng)功能

記錄儀是工業(yè)生產自動化系統(tǒng)中十分常見的二次儀表。傳統(tǒng)型模擬記錄儀結構簡單、功能單一，存在著卡紙、卡筆、斷線等易發(fā)故障和換筆、換紙、添墨等大量日常維護工作。此類記錄儀由于其結構與功能的局限性，無法滿足綜合生產管理、生產過程智能化、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡化和在線數(shù)據(jù)分析處理的需要。90年代以來，隨著虛擬儀器技術的日益發(fā)展，采用低成本自動化技術，研制與開發(fā)各類多功能智能型記錄儀表呈迅猛發(fā)展之勢，并逐漸批量進入工業(yè)應用領域。特別是在石化、冶金等行業(yè)的基礎自動化與過程自動化系統(tǒng)中，已大量融入各種類型的虛擬嵌入式儀表，其卓越的性能、良好的數(shù)據(jù)在線處理能力和實時數(shù)據(jù)通訊能力以及友好的人機交互平臺，得到人們日益重視。

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(tǒng)式儀表所應具有的電氣性能和環(huán)境適應能力，而且還應具備如下的通用技術指標和系統(tǒng)功能：

(1)信號采樣：設置模擬輸入通道1～16路，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(tài)信號。模擬量輸入通道可允許0～10V、1～5V、4～20mA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。

(2)設置功能：系統(tǒng)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(shù)等進行設置。允許保存100組用戶自定義設置。

(3)存儲功能：配置硬盤，使存儲歷史數(shù)據(jù)量達GB級。根據(jù)采樣時間不同，16個通道數(shù)據(jù)可存儲三年以上，形成數(shù)據(jù)文件并能調出任意歷史時刻曲線、數(shù)據(jù)、報警、流量累計值;可通過軟盤轉存任意時間段的歷史數(shù)據(jù)或通過RS-232接口傳送給其他PC機，在其上進行回放和分析打印。

(4)顯示功能：全中文人機界面，顯示信息豐富直觀，操作簡單。主要顯示畫面應有：①單通道趨勢、棒圖、瞬時數(shù)字顯示(選顯/循顯)畫面;②單通道歷史趨勢追憶;③多通道棒圖、數(shù)字顯示畫面;④多通道歷史趨勢追憶;⑤多通道流量累計畫面;⑥參數(shù)設置畫面;⑦報警顯示畫面;⑧軟盤轉存畫面;⑨RS-232通訊畫面。

(5)連鎖與報警功能：配置24點開關量輸出通道，根據(jù)采樣信號，提供簡單的連鎖和狀態(tài)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(xiàn)報警輸出。

(6)數(shù)據(jù)管理功能：①顯示各通道記錄信號平均值、瞬時峰值、谷值等;②顯示流量累積的班平均值、日平均值、月平均值;③顯示流量累積的班累積值、日累積值、月累積值、年累積值;④提供常用數(shù)理統(tǒng)計工具，方便調用分析。

(7)打印功能：可連接通用打印機，隨時打印任意時刻歷史數(shù)據(jù)，打印單通道和多通道趨勢曲線、報警信息、流量累積值等。

(8)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)設置畫面，以實現(xiàn)合適的測量與補償功能。

(9)通訊功能：可選擇使用RS-232C、RS-485通道接口與計算機聯(lián)網(wǎng)，進行遠距離通訊，可多臺儀表組網(wǎng)實現(xiàn)集中管理。

(10)主要技術參數(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(tǒng)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(jù)。

3 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(fā)周期長、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(tǒng)，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(fā)、開發(fā)周期短等特點。

PC/104總線的嵌入式工控模板是針對工業(yè)應用環(huán)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1GB硬盤驅動器和1.44MB軟盤驅動器，用于記錄數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、組態(tài)文件的存儲和轉儲。

·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。

·2×3薄膜數(shù)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1～16，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0.5～500，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，24×2通道TTLDIC為8255方式0，可通過軟件設置來決定某一路的輸入或輸出狀態(tài)。

·開關電源，提供+5V/7A、-5V/1A、+12V/3A、-12V/1A四組電源供各模板使用，PC/104模板大多只需+5V單一電源，且具有先進的電源管理功能、功耗低，從而降低了系統(tǒng)對電源的要求。

上述部件通過標準插件聯(lián)接，實現(xiàn)了模塊化儀表結構設計，根據(jù)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2。本記錄儀開發(fā)無需專用開發(fā)環(huán)境，只需在本配置上外接VGA顯示器和一個標準鍵盤，即可實現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)。

3.2 軟件設計與功能實現(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(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，中斷周期為100～1000ms可調。

主控程序包括對各部分程序的初始化、設置參數(shù)的讀入、實時數(shù)據(jù)的動態(tài)刷新、畫面切換、實時趨勢顯示、歷史趨勢顯示、流量累計顯示、報警顯示及輸出、數(shù)據(jù)的軟盤轉存、RS232或RS485通訊及數(shù)據(jù)、趨勢、報警信息的打印等子程序模塊。

系統(tǒng)開機后首先進行系統(tǒng)參數(shù)初始化和模擬量板、開關量板、RS232口等硬件的初始化，然后開辟內存數(shù)據(jù)區(qū)，設置實時中斷，進入畫面顯示狀態(tài)。系統(tǒng)共設置九類畫面，根據(jù)按鍵判斷調用不同的畫面功能子程序，以實現(xiàn)趨勢、棒圖、實時數(shù)據(jù)、歷史趨勢、數(shù)據(jù)轉存、RS232通訊、報警、打印等畫面的切換功能。