采集虚拟网（精选八篇）
采集虚拟网 篇1
在工业生产中,电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。其中,温度控制也越来越重要。在工业生产的很多领域中,人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点,而且可以大幅度提高被控温度的技术指标,从而大大提高产品的质量和数量。因此,单片机对温度的控制问题是工业生产中经常会遇到的控制问题。
目前应用的温度检测系统大多采用由模拟温度传感器、多路模拟开关、A/D转换器及单片机等组成的传输系统。这种温度采集系统需要大量的测温电缆,才能把现场传感器的信号送到采集卡上,安装和拆卸繁杂,成本也高。同时线路上传送的是模拟信号,易受干扰和损耗,测量误差也比较大,不利于控制者根据温度变化及时做出决定。针对这种情况,本文提出一种采用数字化单总线技术的温度采集系统,并利用Proteus和KeilμVision 3软件对设计电路进行综合虚拟仿真,实现了温度实时测量和显示。
1 方案论证
1.1 DS18B20简介
DS18B20是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种数字化单总线器件,属于新一代适配微处理器的改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比,它能够直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。可以分别在93.75 ms和750 ms内完成9位和12位的数字量,并且从DSl8B20读出的信息或写入DSl8B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写,温度变换功率来源于数据总线,总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电,而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单,可靠性更高。同时其“一线总线”独特而且经济的特点,使用户可轻松地组建传感器网络,为测量系统的构建引入了全新的概念。DS18B20“一线总线”数字化温度传感器支持“一线总线”接口,测量温度范围为-55 ℃~125 ℃,在-10~+85 ℃范围内,精度为土0.5 ℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,用符号扩展的16位数字量方式串行输出,大大提高了系统的抗干扰性。因此,数字化单总线器件DS18B20适合于恶劣环境的现场温度测量,如:环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面都有了很大的改进,给用户带来了更方便和更令人满意的效果。可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中[1]。
1.2 Proteus和KeilμVision 3简介
Proteus是英国Labcenter electronics公司研发的EDA工具软件。Proteus不仅是模拟电路、数字电路、模/数混合电路的设计与仿真平台,更是目前世界最先进、最完整的多种型号微控制器系统的设计与仿真平台。它真正实现了在计算机上完成从原理图设计、电路分析与仿真、单片机代码级调试与仿真、系统测试与功能验证到形成PCB的完整电子设计与研发过程。Proteus产品系列也包含了革命性的VSM 技术,可以对基于微控制器的设计连同所有的外围电子器件一起仿真。
KeilμVision 2是Keil 公司关于8051系列MCU的开发工具,可以用来编译C源码、汇编源程序、连接和重定位目标文件和库文件、创建HEX文件、调试目标程序等,是一种集成化的文件管理编译环境。它集成了文件编辑处理、编译连接、项目管理、窗口、工具引用和软件仿真调试等多种功能,是相当强大的开发工具[3,4]。
1.3 Proteus与Keil的连接设置
(1) 检测TCP/IP。
(2) 复制Proteus安装目录下的MODELS文件夹里的vdm51.dll到keilc/C51/bin目录。
(3) 修改Keil安装目录下的tools.ini,添加TDRV4=BINVDM51.DLL。
(4) 在Proteus中画好原理图,在“Debug”菜单中选择“Use Remote Debug Monitor”。
(5) 在Keil中打开一个工程,右击Target1,选择Options for Target‘Target 1’。在打开的对话框中选择“Debug”选项卡,选择使用Proteus VSM Emulator仿真(如图1所示),单击“Ok”完成Debug设置。
这样Proteus和Keil就连接好了,仿真结果可以在Proteus或者Keil中看到。
2 电路仿真
该电路系统采用“一线总线”数字传感器DS18B20实现温度的采集,采用LM016L液晶显示器进行数据显示。首先启动Proteus并从Proteus元件库中选择需要的元件绘制电路图并设置相应元件的参数值,接口电路原理图如图2所示。
电路绘制完成以后,打开Keil μVision 2新建一个项目,命名为cewen.uv2。选择Project菜单下的Select Device for Target选择AT89C51。然后单击Project菜单下的Option for Target‘Target1’项,选择Debug,使用Proteus VSM Emulator仿真。然后新建一个源文件cewen.c,写入源程序(只给出读取温度函数):
void ReadTemperature(void)
{
unsigned char a=0;
unsigned char b=0;
unsigned char t=0;
Init_DS18B20();
WriteOneChar(0xCC);
WriteOneChar(0x44);
delay_18B20(100);
Init_DS18B20();
WriteOneChar(0xCC);
WriteOneChar(0xBE);
delay_18B20(100);
a=ReadOneChar();
b=ReadOneChar();
temp1=b<<4;
temp1+=(a&0xf0)>>4;
temp2=a&0x0f;
temp=((b*256+a)>>4);
最后将该源程序文件加入到当前工程项目中进行编译,编译通过后单击Debug菜单下的Start/ Stop Debug Session,这时切换至Proteus界面会发现电路已经启动仿真,并可以看到仿真结果。图3,图4分别是对温度传感器进行示波器显示的接口电路和显示结果。
3 结论
本文设计了一种新的温度采集系统,该系统能通过扩展对多点温度进行实时巡检,各个测试模块能各自实现自己的功能。同时采用Proteus和Keil结合仿真的方法对设计的单片机测温系统进行了虚拟仿真和性能检测,得到了比较好的仿真结果和分析结果。结果证明采用Proteus和Keil结合仿真的可以大大简化硬件电路的设计过程,可以降低单片机系统的开发成本、提高效率和开发速度,具有很好的实际应用和指导意义。
摘要：提出一种基于单片机并采用数字化单总线技术的温度采集系统设计方案,能够对被检测系统进行实时巡检并对测量结果进行存储和显示。同时针对该电路系统进行了虚拟仿真和性能分析并得到了很好的仿真结果。分析表明该单片机的温度采集系统的设计的具有合理性和有效性。
关键词：单片机,数字化,温度采集,虚拟仿真,硬件电路
参考文献
[1]求是科技.单片机典型外围器件及应用实例[M].北京:人民邮电出社,2006.
[2]田清,田立,代方震.51单片机C语言常用模块与综合系统设计实例精讲[M].北京:电子工业出版社,2007.
[3]童英华,冯忠岭.基于Proteus软件的单片机仿真教学[J].电脑知识与技术,2007(22):209-207,306.
虚拟仪器数据采集应用论文 篇2
虚拟仪器的特点和构成 1.1 虚拟仪器的特点
与传统仪器相比，虚拟仪器具有高效、开放、易用灵活、功能强大、性价比高、可操作性 好等明显优点，具体表现为：
智能化程度高，处理能力强 虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。
复用性强，系统费用低 应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，如同一个高 速数字采样器，可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。这样形成的测试仪 器系统功能更灵活、更高效、更开放、系统费用更低。通过与计算机网络连接，还可实现虚 拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。
可操作性强，易用灵活 虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。使用计算机的 多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数 据库系统或通过网络发送。测量完后还可打印、显示所需的报表或曲线，这些都使得仪器的 可操作性大大提高而且易用、灵活。
1.2 虚拟仪器的构成 虚拟仪器的构建主要从硬件电路的设计、软件开发与设计2个方面考虑。
硬件电路的设计主要根据用户所面对的任务决定，其中接口设计可选用的接口总线标准包 括Gp IB总线、VXI总线等。推荐选用VXI总线。因为他具有通用性强、可扩充性好、传输速 率高、抗干扰能力强以及良好的开放性能等优点，因此自1987被首次推出后迅速得到各大仪 器生产厂家的认可，目前VXI模块化仪器被认为是虚拟仪器的最理想平台，是仪器硬件的发 展方向。由于VXI虚拟仪器的硬件平台的基本组成是一些通用模块和专用接口。因此硬件电 路的设计一般可以选择用现有的各种不同的功能模块来搭建。通用模块包括：信号调 理和高速数据采集；信号输出与控制；数据实时处理。这3部分概括了数字化仪 器的基本组成。将具有一种或多种功能的通用模块组建起来，就能构成任何一种虚拟仪器。例如使用高速数据采集模块和高速实时数据处理模块就能构成1台示波器、1台数字化仪或 1台频谱分析仪；使用信号输出与控制模块和实时数据处理模块就能构成1台函数发生器、1台信号源或1台控制器。专用接口是针对特定用途仪器需要的设计，也包括一些现场总线 接口和各类传感器接口。系统的主要硬件包括控制器、主机箱和仪器模块。常用的控制方案 有GpIB总线控制方式的硬件方案、MXI总线控制方式的硬件方案、嵌入式计算机控制方式的 硬件方案3种。VXI仪器模块又称为器件（devices）。VXI有4种器件：寄存器基器件、消 息基器件、存储器器件和扩展器件。存储器器件不过是专用寄存器基器件，用来保存和传输 大量数据。扩展器目前是备用件，为今后新型器件提供发展通道。将VXI仪器制作成寄存器 基器件，还是消息基器件是首先要做出的决策。寄存器基器件的通信情况极像VME总线器件，是在低层用二进制信息编制程序。他的明显优点在于速度寄存器基器件完全是在 直接 硬件控制这一层次上进行通信的。这种高速通信可以使测试系统吞吐量大大提高。因此，寄 存器基器件适用于虚拟仪器中信号/输出部分的模块（如开关、多路复用器、数/模转换输出 卡、模/
数转换输入卡、信号调理等）。消息基器件与寄存器基器件不同，他在高层次上用A SCII字符进行通信，与这种器件十分相似是独立HpIB仪器。消息基器件用一组意义 明确的 “字串行协议”相互进行通信，这种异步协议定义了在器件之间传送命令和数据所需的挂钩 要求。消息基器件必须有CpU（或DSp）进行管理与控制。因此，消息基器件适用于虚拟仪器 中数字信号处理部分的模块。
软件的开发与设计包括3部分：VXI总线接口软件、仪器驱动软件和应用软件（软面板）。软件结构如图1所示。
VXI总线接口软件由零槽控制器提供，包括资源管理器、资源编辑程序、交互式控制程序和 编程函数库等。该软件在编程语言和VXI总线之间建立连接，提供对VXI背板总线的控制和支 持，是实现VXI系统集成的基础。
仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序，也即模块的驱动软件，他 的设计必须符合Vpp的2个规范，即Vpp3.1《仪器驱动程序结构和模型》和Vpp3.2《仪器 驱动程序设计规范》。
“软面板”设计就是设计具有可变性、多层性、自助性、人性化的面板，这个面板应不 仅同传统仪器面板一样具有显示器、LED、指针式表头、旋钮、滑动条、开关按钮、报警装 置等功能部件，而且应还具有多个连贯操作面板、在线帮助功能等。
虚拟仪器在数据采集中的应用
利用虚拟仪器制作数据采集器可以按照硬件设计、软件设计两个步骤来完成。
2.1 硬件设计
硬件设计要完成以下内容：
1)模/数转换及数据存储
设置具有通用性的数据自动采集系统，一般应满足能对多路信号尽可能同步地进行采集，为了使所采集到的数据不但能够在数据采集器上进行存储，而且还能及时地在采集过程中 将数据传送到上位机，选用存储量比较适中的先进先出存储器，这样既能满足少量数据存储 的需要，又能在需要实时传送数据时，在A/D转换的同时进行数据传送，不丢失任何数据。)VXI总线接口
VXI总线数据采集器通常可以利用两种VXI总线通用接口消息基接口和寄存器基接口。消 息基接口的作用是通过总线传送命令，从而控制仪器硬件的操作。通用寄存器基接口是由寄存器简单的读写来控制仪器硬件的操作。利用消息基接口进行设计，具体消息基接口的框图见图2。
3)采样通道控制
为了满足几种典型系统通道控制的要求，使通道的数量足够多，通道的选取比较灵活，可以利用寄存器电路、可预置计数器电路以及一些其他逻辑电路的配合，将采样通道设计成最多64路、最少2路可以任意选择，而且可以从任意一路开始采样，也可以到任意一路结束采样，只要截止通道号大于起始通道号就可以了。整个控制在虚拟仪器软面板上进行操作，通过消息基接口将命令写在这部分的控制寄存器中，从而设置计数器的初值以及采样的通道总数。
4)定时采样控制
由于不同的自动测试系统对采样时间间隔的要求不同，以及同一系统在不同的试验中 需要的采样时间间隔也不尽相同，故可以采用程控的方式将采样时间间隔设置在2 μs~13.0 ms之间任意选择，可以增加或减少的最小单位是2 μs。所有这些选择设置可以在虚拟仪器软面板上进行。
5)采样点数控制
根据不同测试系统的需求，将采样点数设计成可在一个比较大的范围中任意选择，该选择同样是在软面板上进行。
6)采样方式控制
总结各种自动测试系统的采样方式不外乎软件触发采样和硬件 触发采样。在硬件触发采样中又包括同步整周期采样和非同步整周期采样，这2种采样又可 以是定时进行的或等转速差进行的。所有这些采样方式，对于数据采集器来说都可以在软面 板上进行选择。
2.2 软件设计
软件是虚拟仪器的关键，为使VI系统结构清晰简洁，一般可采用组件化设计思想，将各部分彼此独立的软件单元分别制成标准的组件，然后按照系统的总体要求组成完整的应用系统，一个标准的组件化的虚拟仪器软件系统，如图3所示。
应用软件为用户提供了建立虚拟仪器和扩展其功能的必要工具，以及利用pC机、工作站的 强大功能。同时Vpp联盟提出了建立虚拟仪器标准结构库（VISA）的建议，为虚拟仪器的研 制与开发提供了标准。这也进一步使由通用的VXI数据采集模块、CpU/DSp模块来构成虚拟仪 器成为可能。
基于虚拟仪器的数据采集器的软件包括系统管理软件、应用程序、仪器驱动软件和I/O接 口 软件。以往这4部分需要用户自己组织或开发，往往很困难，但现在NI公司提供了所有这 四部分软件，使应用开发比以往容易得多。
下面简单介绍以NI公司的Lab Windows/CVI为开发环境，来进行VXI虚拟仪器的驱动程序开 发的方法。
第一步：生成仪器模块的用户接口资源文件（UIR）。用户接口资源、文件是仪器模块 开 发者利用Lab Windows/CVI的用户界面编辑器为仪器模块设计的一个图形用户界面（GUI）。一个Lab Windows/CVI的GUI由面板、命令按钮、图标、下拉菜单、曲线、旋钮、指示表以及 许多其他控制项和说明项构成。
第二步：Lab Windows/CVI事件驱动编程。应用程序开发环境Lab Windows/CVI中设计一个 用户接口，实际上是在用户计算机屏幕上定义一个面板，他由各种控制项（如命令按钮、菜 单、曲线等）构成。用户选中这些控制项就可以产生一系列用户接口事件（events）。例如，当用户单击一个命令按钮，这个按钮产生一个用户接口事件，并传递给开发者编写的C语 言驱动程序。这是运用了Windows编程的事件驱动机制。Lab Windows/CVI中使用不同类型的 控制项，在界面编辑器中将显示不同类型的信息，并产生不同操作的接口事件。在Lab Wind ows/CVI的开发平台中，对事件驱动进行C程序编程时可采用2种基本的方法：回调函数法和 事件循环处理法。
回调函数法是开发者为每一个用户界面的控制项写一个独立的用户界面的控制函数，当选中某个控制项，就调用相应的函数进行事件处理。在循环处理法中，只处理GUI控制 项所产生的COMMIT事件。通过Get User Event函数过滤，将所有的COMMIT事件区分开，识别 出是由哪个控制项所产生的事件，并执行相应的处理。
第三步：应用函数/VI集与应用程序软件包编写。应用函数/VI集需针对具体仪器模块 功能进行编程，应用程序软件包只是一些功能强大、需要完善的数据处理能力的模块才需要 提供，如波形分析仪模块、DSp模块等。结语
本文探讨了虚拟仪器的基本组成，以及实际的虚拟仪器软硬件设计的一般方法，这些方法经过实际设计工作运用证明是可靠的，可供系统工程技术人员在组建具体的基于VXI总线的虚拟仪器数据采集、测试时参考使用。
参考文献
1］赵勇.虚拟仪器软件平台和发展趋势［J］.国外电子测量技术,2002,(1)
2］陈光禹.VXI总线测试平台［M］.北京：电子科技大学出版社,1996
3］孙昕，张忠亭，薛长斌.集成VXI总线自动测试系统的方法［J］.测控技术,1996,15(4)
4］张毅刚，彭喜元，姜宁达，等.自动测试系统［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2001
采集虚拟网 篇3
桥梁健康监测通过对桥梁结构状态的监测与评估,为其在特殊气候、特殊交通条件下或运营状况严重异常时触发预警信号,分析评估桥梁使用寿命,并为桥梁的养护、维修与管理决策等提供科学的依据[1]。
桥梁健康监测需要大量的硬件和软件支持,传统仪器虽然有很多优点,但是使用功能单一,价格昂贵,虚拟仪器已经在测量控制行业得到了迅速的发展,其综合了计算机强大的计算功能,以及和通信网络的技术融合,使得桥梁的远程实时监测成为现实。
LabVIEW作为一款图形化编程平台,它在数据采集(DAQ)、虚拟仪器软件框架(VISA)、通用接口总线(GPIB)及串口仪器控制、图像处理、数据分析和图表显示方面都具有强大的优势[2]。
该文主要利用虚拟仪器搭建了桥梁振动信号的采集系统,利用LabVIEW实现了信号处理系统的设计。最后通过实验验证了系统的性能。
1 系统整体方案
桥梁的固有频率是桥梁健康评价的重要指标,通过对桥梁在自然环境激励下振动信号的同步采集和分析,可以得到桥梁的固有频率[3]。该文所设计的振动信号采集与处理系统属于桥梁健康监测系统的一部分,主要包括传感器子系统[4]、数据同步采集与传输子系统、数据存储与显示子系统[5]、数据处理子系统。振动数据采集处理系统结构图如图1所示。
2 同步采集系统搭建
同步采集技术根据同步基准的不同,可以分为基于信号的同步和基于时间的同步。基于信号的同步,子系统的时钟和触发信号通过物理连接分享,而对于空间距离较大的数据同步,由于信号同步最大距离的限制,使用基于时间的同步更为合适[6]。
PXI是多通道同步采集最理想的平台,PXI的背板提供多种基于信号的同步选项,其中包括一个系统定时槽位、星形触发总线、一个10 MHz的系统参考时钟、同步脉冲和触发总线等。一座桥梁分布在广阔的地理空间中,致使传感器之间的距离较大,这样通过电缆传输采样信号和触发信号并不实际可行。可以通过GPS进行基于时间的同步采集。GPS卫星上有准确时钟,可以同时用于定时和时间同步。GPS用户通过GPS卫星接收机获取空间位置信息,同步时标和标准时间。基于上述分析,可以搭建出合理的桥梁分布式数据采集系统,以振动信号为例,其基于GPS时间同步的数据采集系统如图2所示。其中PXI-6143同步采集卡负责采集来自加速度传感器的测量数据,PXI-6682接收来自GPS天线的同步时间作为各采集站的时间基,并产生触发信号。
3 数据采集系统软件设计
采集站采用的是LabVIEW RT实时操作系统,LabVIEW RT系统是NI公司在LabVIEW开发环境上加上了RT模块,配合必要的硬件平台,为实时系统开发提供的一个易用的高性能平台[7]。采集站软件主要采用NI-DAQmx开发,利用其子VI实现不同数据的采集,其中振动信号的采集需要使用GPS时间作为触发条件。如图3所示,为振动信号的采集程序,首先对振动信号的通道参数、采集范围、采样率等进行配置,同时将GPS的同步时间作为采集的触发信号。上位机采用Windows XP系统和LabVIEW软件进行采集数据的存储显示与处理。
4 数据处理的理论分析
环境振动法是桥梁结构测试的使用方法。采用这种方法交通可以不被中断,利用地面环境振动和自然界的脉动风力等作为振源,激起结构的振动,然后采集振动信号,通过分析,获得模态信息。峰值拾取法是桥梁模态参数识别的常用方法[8]。该文设计的数据处理系统正是基于该方法,通过分析采集数据的自功率谱和互功率谱来识别固有频率。为了实现对信号的频率辨识,需要对采集的时域信号进行傅里叶变换,将时域信号转换到频域,然后建立频谱函数、自功率谱、互功率谱、相干函数等频域分析函数[9]。
设x(n)是长度为N点的有限长信号(注意这个前提),即信号仅仅分布在[0,N-1]区间,其余时间均为0,那么,该信号的离散傅里叶变换(DFT)定义如下:
对于N点离散傅里叶变换,f为频率,则f与k的关系式为:
式中:fs为采样频率;Δt为总时长。
在频谱分析中,傅氏变换X(f)称为x(t)的频谱函数,而频谱函数的模|X(f)|称为x(t)的振幅频谱。离散傅里叶变换(DFT)在实际计算中采用快速算法,也即众所周知的快速傅里叶变换(FFT)。如果噪声中含有某种频率信号,则可以从自功率谱中看出来,它可以显示振动信号各频率处能量的分布情况。自功率谱公式为:
互功率谱可以用来分析结构的动力特性,其公式为:
互功率谱为复数,记为:
其振幅和相位则为:
相干函数可以反映测试信号受噪声污染的情况,相干函数值越大,说明噪声污染越小。通常相干函数用γ
对于长度为N的有限长信号,计算其相干函数时,通常将数据分段,每一组数据长度为nfft(nfft≤N/2),共分r段(其中r= int(N/nfft)),然后计算其相干函数,采用如下公式:
5 数据处理系统设计与验证
5.1 LabVIEW编程方法[10]
这一节主要介绍用LabVIEW编程实现频谱分析及相干函数分析的实现方法。首先,将以固定格式存储在数据库中的数据读取出来,选择需要显示的信号,并通过时间控制显示信号的长度,得到固定长度的原始信号。如图4所示,为振动数据处理系统前界面。
使用Auto Power Spectrum.vi计算时域信号单边且已缩放的自功率谱,同时需要计算时域信号采样周期,利用公式dt=1/fs进行计算,式中fs为信号的采样频率,在该VI中,df为功率谱的频率间隔,通过公式df=1/(Ndt)计算得到,其现实将df作为横轴显示间隔,即可显示各频率处的能量分布情况。使用Cross Spectrum(Mag-phase)VI可得到两个通道信号的互功率谱幅度和相位。在使用该VI前,先将信号转变为波形形式,t0可采用数据库的采集开始时间或者设置为0,在这里不影响处理的结果,dt=1/fs。在LabVIEW中没有相干函数这个VI,可以通过调用Matlab script node公式节点VI,通过Matlab函数实现该功能。
5.2 实验平台的搭建
采用1 000 mm×100 mm×10 mm的钢板搭建简支梁,在上面布置4支加速度传感器,采用力锤作为激振源,进行多点激励。PXI采集的数据传送到上位机后存入数据库。采样速率设置为2 560 Hz。通过读取数据库数据程序将测试数据显示在前界面上,读取的原始数据如图4所示。
5.3 实验数据处理结果显示
通过对自功率谱和互功率谱幅频图的分析(如图5和图6所示),可以大概得到简支梁的前4阶振动频率为396.719 Hz,551.016 Hz,772.109 Hz,950.937 Hz。通过对互功率谱相频图的分析,在这几个频率处相位均在0°或±180°附近(如图7所示),相干函数在这几个频率处的值均大于0.95,从而可以确定以上4个频率即为简支梁的前4阶振动频率,相干分析如图8所示。
6 结 语
本文对桥梁振动信号同步采集理论进行了论述,搭建了基于GPS同步时间的分布式数据采集系统。对峰值拾取法进行了理论分析,阐述了利用LabVIEW实现振动信号频谱分析的过程。通过对实验平台数据的采集及分析结果显示,该系统运行正常,分析结果正确,可以运用于桥梁健康监测中。
参考文献
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采集虚拟网 篇4
关键词：虚拟仪器,数据采集,监测,LabVIEW
建筑能耗在我国总能耗中所占的比例越来越大,目前国内急需完善建筑能耗统计工作,真实准确的建筑能耗统计数据对我国进一步推进建筑节能工作具有重大意义,而获得准确的能耗统计数据的关键是要有成熟的建筑能耗数据采集方法。近期建设部颁布了《关于加强国家机关办公建筑和大型公共建筑节能管理工作的实施意见》(建科[2007]245号)、《国家机关办公建筑和大型公共建筑能源审计导则》。依据上述文件的要求,国家将逐步建立国家机关办公建筑和大型公共建筑节能监管体系,其中建筑能耗实时动态监测系统是节能监管体系的基础平台。因此,开展对公共建筑能耗数据采集与监测技术的研究符合国家相关政策,是十分必要的。本文主要对公共建筑用电能耗数据的采集与监测技术研究。
1 虚拟仪器与LabVIEW
虚拟仪器(virtual instrument)是基于计算机的仪器,是对传统仪器的重大突破,是计算机技术与仪器技术相结合的产物。它利用计算机系统的强大功能,结合相应的硬件,大大突破传统仪器在数据处理、显示、传送和存储以及系统维护和扩展等方面的限制。虚拟仪器的众多优点使其得到了广泛的应用,其最大的特点就是充分发挥计算机的能力,具有强大的数据处理能力,而且用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器,各种仪器的差异主要是软件。
虚拟仪器是当前测控领域的一个重要发展方向,而LabVIEW被认为是标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW 是美国NI(National Instruments)公司推出的一个通用图形化软件开发环境,是一种基于数据流控制的、适合任何编程任务和具有扩展数据库的通用编程语言。
LabVIEW 是一个开放性的环境,它与测量硬件之间的连接简单,能很快地完成数据的采集工作,并能方便地与各种仪器相连;内置多个分析函数,能轻松地提取有用信息、进行测量数据分析和信号处理;而且还具有较强的数据显示、界面设计和数据管理等功能。广泛用作开发数据采集系统、仪器控制软件和分析软件的标准语言,可以方便灵活地搭建功能强大的测试系统,适用于实验室、多品种小批量的生产线等需要经常改变仪器和设备的参数与功能的场合,及对信号进行分析研究、传输等场合。
2 研究内容
主要对公共建筑电力能源消耗实时监测与数据采集技术进行研究。依据《国家机关办公建筑和大型公共建筑能源审计导则》,在公共建筑中,空调、照明、办公设备、综合服务、特殊功能等系统是电力能源消耗的主体,其各项主要能耗指标如下:
(1)空调通风系统能耗指标:指用于向房间供冷服务的设备系统能耗与建筑空调面积的比值。这部分能耗包括分散式空调设备和集中空调系统的冷源、输配系统、末端及末端再热设备、通风换气设备、热回收设备、风幕设备等消耗的能源。
(2)供暖系统能耗指标:指用于向房间供暖服务的设备系统能耗与建筑采暖面积的比值。这部分能耗包括分散式供暖设备和集中供暖系统的热源、输配系统、末端、热回收设备、风幕设备、水处理设备等所有与供暖系统相关的设备消耗的能源。
(3)照明系统能耗指标:建筑照明系统能耗与建筑面积的比值。按不同功能,照明系统可分为以下三类:
(a)普通照明:用于满足室内照度需求的照明。
(b)应急照明:建筑物内部用于疏散、安全以及备用的照明。
(c)景观照明:建筑物外部泛光照明灯具以及外部装饰用照明。
(4)室内设备能耗指标:室内设备能耗与建筑面积的比值。室内设备是指满足建筑一般功能性要求的设备,包括通常从插座取电的各类设备,如计算机、饮水机、电冰箱、电视机、台灯等。
(5)综合服务系统能耗指标:除暖通空调系统、照明系统、室内设备系统之外的其它常规耗能系统(包括电梯系统、给排水系统等)能耗量与建筑面积的比值。
(6)特殊区域能耗总量指标:建筑的各类特殊区域设备能耗量与建筑特殊区域面积的比值。
以《国家机关办公建筑和大型公共建筑能源审计导则》、《民用建筑能耗数据采集标准》为依据,从分析民用建筑能耗监测平台中电力能耗分项计量的方法入手,构建一个能耗实时监测系统的实验室模型,重点研究实现上述能耗指标实时监测的数据采集与传输技术,初步研究数据处理、数据实时显示以及系统应用界面的实现方法。
3 系统的组成
本系统主要由硬件和软件两大部分组成。硬件采用NI PCI-6251数据采集卡,借助NI ELVIS实验台搭建,软件采用LabVIEW可视化图形编程平台。
3.1 系统硬件结构
系统的硬件主要由传感器、信号调理模块、PC机、NI PCI-6251数据采集卡等组成。系统硬件结构如图1所示。
系统硬件的前端在NI ELVIS平台上搭建,NI ELVIS由一个基于LabVIEW的虚拟仪器组成,它是一套多功能数据采集设备与一个用户自定义的工作台。
选用的数据采集卡NI PCI-6251是一款高速M系列多功能DAQ板卡,采用高精度M系列可提高测量精度、分辨率和敏感度,在高采样频率下也能保持高精度。
PCI-6251的特性:16-Bit, 1 MS/s (多通道), 1.25 MS/s (单通道), 16路模拟输入。2路16位模拟输出 (2.8 MS/s);24条数字I/O线;32位计数器。PCI-6251具有很强的抗干扰能力,用户进行系统二次开发中,不必花费过多的精力在抗干扰问题上。
PC机和NI PCI-6251数据采集卡是整个系统的核心,在系统中担负着接收用户命令、数据采集、波形显示、数据存储和数据分析等任务。
3.2 系统软件结构
软件是虚拟仪器的灵魂。本系统选用的LabVIEW是一个很好的虚拟仪器开发环境,内含丰富的函数库,可方便的进行模块化编程。为实现系统软件的可扩展和易维护,需要在系统软件的设计阶段仔细地设计软件结构,使系统软件能够适应新的硬件模块和算法。采用模块化编程的方法实现系统软件的通用性和灵活性。系统软件结构如图2所示。
(1)数据采集模块:
这个部分是系统的重点,也是系统最为复杂的一个部分,它包括数据的通信、数据存储、数据动态显示,数据实时发布,简单数据处理等诸多功能。在数据采集前面板上对通道、采样率、采样点数、电压的最大/最小值和信号的连接方式等方面进行设置,在控制面板中利用DAQmx相关函数的功能完成数据采集。
(2)数据管理模块:
所采集的数据要存入数据库,对数据的管理其实就成了对数据库的管理,管理内容包括数据的查询、删除等功能。既可以在本地机管理,也可以在网络上进行管理。
(3)数据分析、处理模块:
数据的分析处理是系统的关键环节。通过对数据分析处理后才能得到满意的结果。传感器采集到的输出信号经过采样和A/D转换为数字信号,在进入分析处理系统前,通常还要对采样信号进行数据预处理。
此外,系统还可实现远程监控。利用虚拟仪器技术中的DataSocket技术,将不同地域采集到的数据联系起来,实现资源共享,使数据采集和远程传输成为可能。
4 预期成果
该研究的预期成果将是一个基于虚拟仿真技术的小型的智能化检测系统,集能耗数据采集、实时动态监测于一体,主要应用于公共建筑中的能耗数据采集,能耗实时动态监测,为确立建筑能耗与环境变量的函数关系提供基础资料;同时可完善能耗数据采集体系,利于形成一套成熟的建筑能耗数据采集、处理与分析方法。基于虚拟仪器的采集监测系统结构紧凑、功能丰富、发挥了软件设计的灵活性,具有可操作性强、通用性好,功能强大、快捷方便的特点,且能够实现远程在线实时监测。因此,该研究成果将具有广泛的发展应用前景。
参考文献
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采集虚拟网 篇5
1 系统基本结构及原理
系统的原理框图如图1所示。脑电信号用电极拾取后,通过无源低通滤波与缓冲电路,由仪表放大器进行初步放大。为降低系统噪声,前置增益小于10,高性能的前置放大电路对干扰与噪声能起到很好的抑制作用,而右腿驱动电路引入则能进一步提高信号的采集质量。放大后的信号通过防混叠滤波电路,由24位多通道ADC采样。数字信号由单片机通过SPI接口读取。单片机通过串口与计算机之间传输数据或指令。为减少计算机端引入干扰,串口连接中采用高速数字光耦进行隔离。计算机接收数据后,基于虚拟仪器技术的设计思想,通过软件模拟传统仪器面板的控制和显示,实现信号的各种分析、大量存储和按需回放等多种功能[2]。
2 硬件电路设计
2.1 输入电路设计
脑电信号有3个特点:(1)频率主要集中于低频段,一般在40 Hz范围内;(2)信号微弱,一般在2～200μV或者更小;(3)信号的源阻抗高,易受外界干扰。因此,输入电路的设计必须具备高输入阻抗、高CMRR和低噪声等特点
整个模拟处理电路涉及到过载保护、低通滤波、缓冲电路、前置放大、以及电平抬升等几个部分。作为生物电前置级,应在信号输入处设置保护电路,采用反向并联二极管作为过载保护措施。输入电路设计两级低通滤波器消除高频干扰,截止频率为2 kHz。缓冲电路采取运算放大器OP4177连接的电压跟随器,保证系统的高输入阻抗。
脑电放大器前置级通常采用差分放大,本系统提取均为单极导联脑电,即对每个测量点相对耳垂电极连接线的电位差进行放大,记录两个活动电极的单极信号后求差即可得到双极导联信号。前置级采用仪表放大器ADS8221,它的CMRR达到100 dB以上(增益G≤10),且具有低噪声低漂移的特性,最大输出噪声电平约为0.5µV,实现了对共模信号的抑制和无失真地放大微弱的脑电信号,简化后续电路的设计并提高了整个系统CMRR。为减少对外围干扰与噪声的放大,仪表放大器的增益设定为7。
2.2 右腿驱动与屏蔽驱动电路
从仪表放大器的增益设置电阻中点引出的信号作为右腿驱动电路的输入信号,从而可减少外界电网频率(50 Hz)对于微弱脑电信号的干扰。电极线采用屏蔽电缆。为消除屏蔽电容不对称的影响,采取屏蔽层不直接接地,而是接到共模输入信号的等电位点。这样使共模电压不衰减地传送到差动放大器输入端,从而不会产生因共模不等量衰减形成的共模误差。右腿驱动与屏蔽驱动电路如图3所示。
2.3 防混叠滤波设计
模拟信号进行AD采样前,需经过防混叠滤波电路,脑电信号的频率主要集中于0.5～40 Hz,系统采样率设定为200 Hz,应用二阶Butterworth有源滤波器作为防混叠滤波器,我们经过计算得到图4中所示的电阻、电容值,使得低通滤波器的截止频率为100 Hz。
2.4 A/D转换电路
本系统采用16通道24位∆-∑模数转换器ADS1258,其拥有的23.7 kSPS据称是目前业界最高通道周期率和仅42µs的最低时延。ADS1258适用于多导联高精度脑电信号的采集,自动通道扫描有序循环全部16个通道,循环时间小于675µs。为提高数据的采样精度,系统采用高精度低漂移1.25 V基准电压源REF3112提供参考电压。1.25 V基准电压通过电压跟随器进一步稳定,连接到ADS1258参考电压高电平端。ADC转换电路如图5所示。
单片机通过SPI接口配置ADS内部的控制寄存器,设定ADC的采样率、采样模式以及读取采样数据。ADS1258DRDY与CS引脚连接到单片机,在SPI通信时,CS信号需要保持低电平;当一次转换完成后,DRDY输出低电平,与单片机相连引脚低电平中断响应,发送SCLK信号,ADS1258的DOUT引脚依次输出数据。
2.5 MCU控制部分
系统设计采用电池供电。为减少功耗,我们采用MSP430F435超低功耗16位单片机作为控制模块。MSP430F435比较适合构成一个全功能的便携式单片机应用系统,它除具备丰富的硬件资源外,且有系统低功耗运行为核心的设计结构[3],工作电压1.8～3.6 V,处于活动模式时的电流消耗约300µA。MSP430F435外围硬件扩展只需做很少的工作,不仅使硬件设计变得简单,而且减少电路体积,提高可靠性。
2.6 电极帽设计
系统专门设计了脑电采集的电极帽,将装有硬件电路的屏蔽盒安装到电极帽,硬件通过短屏蔽线连接部署在电极帽上的Ag/AgCl电极,采集装置与电极帽设计为整体,只通过串口连接计算机。这一便携式设计,不仅缩短走线长度,而且也减少了采集电路受周围环境电磁场的干扰。
3 软件实现
整个脑电采集系统软件,包括下载到单片机Fl ASH中运行的下位机程序和PC端上位机程序。
3.1 下位机程序设计
下位机程序在MSP430系列单片机的开发平台IAR Embedded Workbench上采用C语言编写实现,对硬件电路控制全部由单片机承担。单片机主要工作流程如图6所示。为进一步降低系统功耗,单片机在两次数据读取间隙处于低功耗状态。当定时器计时完毕,产生中断,唤醒单片机开始读取ADC数据。单片机每次读取数据量为16通道24位数据共计48 byte,数据先存于RAM中,再打包为成一个数据帧,发送前在帧头和帧尾各加标识字节,以方便上位机接收时进行校验。数据采用USART口发送,波特率为115200。下位机的程序流程如图6所示。
3.2 上位机程序设计
上位机程序基于虚拟仪器开发平台LabVIEW编写。LabVIEW是基于图形化的程序设计语言,它的主要特点是可以将算法和数据流统一图形化的方式表示出来,具有很强的层次化和模块化功能,极易于系统的功能扩展[4,5]。系统利用LabVIEW图形语言的编程环境,开发出一套模块化、用户界面友好的采集程序,主要完成读取串行数据,进行实时的显示、数据存储和数据回放。工作流程如下:用VISA Configure Serial Port进行串口初始化,主要配置数据源、波特率和数据格式;用VISA Read函数读取数据,存放在数组;数组内的数据按照顺序排列,识别帧头与帧尾标识字节后,定位连续的3个字节组合成一个24位二进制数据;应用Waveform charts函数显示数据,得到脑电采集的原始波形;用Open/Create/Replace File函数和Write To Spreadsheet File函数实现将数据打包成文件并存储到硬盘,供后期分析处理。上位机软件用户界面如图7所示。
4 实验与讨论
本文对采集的脑电波形进行功率谱分析,来说明脑电信号的特点,其实验设计如下:
(1) 实验设计三种不同思维活动状态:第一组平静清醒闭目状态;第二组闭目状态,同时大脑在进行复杂数学运算的心理作业,促使大脑兴奋;第三组麻醉监测。
(2) 选择脑部无器质性病变的成年人为实验对象,每个测试对象依次进行上述3种状态下的测试,每次记录数据长度10 min以上。每次测试之间间隔1小时以上。
通过对三种状态下测量的脑电信号进行功率谱分析,可以看出脑电采集系统能有效反映典型思维活动状态下特征波形,实现了基于头皮脑电信号采集的脑-机接口功能。功率谱分析对比如下:平静清醒闭目状态下,整个皮层均产生10 Hz左右的α波,脑电明显呈现节律性α波(图8.a);大脑做复杂运算的条件下,出现大量的20 Hz左右的脑电波,幅度较α波有所降低,推测是由于大脑兴奋,产生了大量的β波(图8.b),这说明脑电波中有诱发电位叠加;在麻醉监测环节中,从清醒到睡眠过程中,我们发现脑电信号频谱能量向低频方向移动,依次逐渐出现4～7 Hz的θ波(图8.c)与1～3.5 Hz的δ波(图8.d);实验对象处于深度睡眠时,脑电频谱主要能量始终处于5 Hz以内。从上述分析可知,脑电图的波形随着生理情况的变化而变化,当脑电图由高振幅的慢波变为低振幅的快波时,兴奋过程加快,反之则表明抑制过程进一步发展。
由于脑电信号可以反映大脑的不同状态,能够实时地被提取和分类,且记录简单、无创,因此基于头皮脑电信号的脑-机接口是最近的研究热点[6]。本系统将微电子技术最新发展成果应用到人体微弱电生理信号的采集,具有精度高、性能稳定、体积小和功耗低等特点,系统的研制是对有关脑-机接口技术中头皮脑电信号采集部分的一项探索性研究。
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采集虚拟网 篇6
为此, 针对传统测试手段存在的上述问题和虚拟仪器技术体现的优点, 结合模拟钻柱动态力测量的需求, 设计一种基于虚拟仪器串口采集的动态力测试信号分析系统, 在实验室条件下基于由多节钻杆与管箍组成的模拟钻柱进行底部钻具组合动态特性的实验研究。
1 虚拟仪器串口采集
图形化语言Lab VIEW具有强大的数据采集与分析功能, 其可通过驻留于计算机系统中的VISA库, 完成计算机与仪器之间的连接, 用以实现对仪器的程序控制, 其实质是用于虚拟仪器系统的标准的API。VISA本身不具备编程能力, 它是一个高层API, 通过调用底层驱动程序实现对仪器的读写。若VISA Read读取的字节数大于缓冲区中的数据字节数, VISA Read操作将一直等待, 直至Timeout或者缓冲区中的数据字节数达到要求的字节数, 因此需要设置Timeout参数, 否则系统可能无法正常通讯。但该方法只能采取串口循环查询的方法, 因此占用资源, 影响其它线程的响应。
而MSComm是微软公司提供的用于串行通信编程的Active X控件, 它有两种处理方法:事件驱动法和查询法。其中, 查询方式实质上仍然属于事件驱动, 通过检查Comm Event属性值来查询事件和错误。当属性值发生变化时, 表明一个通信事件或一个错误发生, 但适用于较小的应用程序。与查询方式相比, 事件驱动通信是一种有效处理串行端口交互作用的方法。通过捕获MSComm控件的On Comm事件并处理这些通信事件, 具有响应及时、可靠性高的优点[8,9]。为此, 考虑到现场测试终端与计算机主机之间串口采集的实时性, 选择了基于MSComm控件的虚拟仪器串口采集方法, 以实现低转速条件下模拟钻柱动态力的过程监测和存储。
2 动态力测量系统
为研究实际钻杆的受力分布, 分析钻杆受损的原因, 研制了模拟钻杆四分量力测量系统, 如图1所示, 分别测量轴向力、径向力、扭矩和转速。其中模拟钻柱由具有不同管径和长度的钢管通过接头联接而成, 总长度约6.44米。驱动装置控制液压系统对模拟钻柱施加作用力。测力传感器随钻柱同步旋转, 则贴附有应变片的直梁受外力作用而发生变形。动态力采集终端检测受力变化, 并无线发送至主控计算机。计算机监测平台通过虚拟仪器串口, 实现动态力参数的测量、显示与存储。
图2为电池供电型动态力采集终端, 主控芯片选用超低功耗单片机MSP430F1232, 内有8路10位、200kbps的A/D转换器和8KB的Flash存储器。由于设计的动态力传感器输出范围为0~5V, 取2.5V为轴向力和径向力的方向零点。即, 当传感器输出大于2.5V时, 轴向力和径向力受压;反之, 则受拉。系统采用FSK调制方式和高效前向纠错信道编码技术, 并对发送的数据进行累加和的校验, 最大传输距离为300m, 误码率低于10-6。
为兼顾模拟钻柱转角检测、动态力参数的串口无线传输与侧向力计算, 以及人机交互, 提出了可多线程测量的虚拟仪器检测方法, 设计了基于MSComm事件驱动方法的Lab VIEW中断串口通讯。该方法无需VC等文本语言的复杂编程, 同时克服了以往Lab VIEW应用VISA模块查询串行端口而降低效率的问题, 实现动态力参数的测量、显示与文件存储, 如图3所示。
图3中人机交互界面作为主线程, 负责主消息循环, 并调度其它的两个辅助线程—串口无线采集和转角脉冲计数。为避免图形显示占用过多资源而影响数据读取和处理的问题, 两个辅助线程均被编制成子VI, 属性分别设置为I/O子系统和DAQ子系统, 从而减少了顶层VI的程序代码。虽然子VI代码和数据仍驻留在内存, 但相对于整个程序作为独立VI所占用的内存和时间都有所改善, 而且当子VI调用完毕后, 系统将释放该子VI享有的内存, 提高了系统的运行速度。但VI优先级设置不当将会引起程序运行混乱, 可能导致并行运算中优先级低的VI无法执行, 从而造成瓶颈而降低程序的工作性能, 故需针对各线程的重要性, 程序设置了不同的延时时间t1、t2、t3, 以协调数据采集和用户交互对CPU的占用频率, 防止单一线程独占CPU资源而阻塞进程。
3 动态力测量实验
测量实验装置由动态力采集终端、实验架、模拟钻柱和模拟井筒等构成, 如图4所示。通过模拟钻柱组合进行不同底部钻具组合的模拟实验。设置不同的井斜角, 在模拟钻柱的顶端施加不同液压力, 测量不同钻压和井斜角时近钻头处轴向力、侧向力和扭矩, 实验转速为1.5r/s。
表1示出了底部钻具组合的实验结构尺寸。底部钻具组合为双稳定器结构, 由不同几何尺寸的刚性段和柔性段组成, 其基本形式为:刚性较大的模拟钻柱+第1稳定器+柔性较大的模拟钻柱+第2稳定器+刚性较大的模拟钻柱。
轴向力是分析底部钻具组合运动规律的关键参数, 则图5示出了不同模拟钻柱组合时近钻头处轴向力随井斜角与钻压的变化状态。由图可知: (1) 轴向力与钻压和井斜角有关, 而且钻压是影响底部钻柱动态特性的主要因素; (2) 实验中轴向力对钻压波动敏感, 且与钻压的变化趋势相同。在钻压一定的情况下, 改变井斜角为0°、30°、60°和90°时不同底部钻具组合的轴向力变化为1.5%FS~8%FS。因此, 改变稳定器至钻头的距离, 以及两稳定器之间的钻具柔度能够改变底部钻柱的动态力, 即改变钻具的井斜性能, 控制井眼轨迹。
4 结论
获取底部钻柱动态力参数有助于分析钻柱的动力学特性、控制井眼运动轨迹和优化钻进参数。为此, 阐明了实验室条件下模拟钻柱动态力测量的研究意义, 并基于虚拟仪器MSComm控件的中断工作模式, 设计了模拟钻柱动态力无线测量系统, 结合I/O子系统设置和数据同步方法, 实现了串口无线通讯和外部脉冲计数的多线程检测, 并进行了不同钻压和井斜角情况下模拟钻柱旋转过程中近钻头处动态力参数的测量实验。结果表明, 该系统能够满足模拟钻柱动态测试的要求, 可为随钻测井中底部钻柱动力学特性研究提供实验基础。
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虚拟仪器技术是基于计算机的仪器及测量技术。与传统意义上的仪器技术不同, 虚拟仪器技术包含了数据采集设备, 建立在通用计算机平台上, 根据需求可以高效率地构建起形形色色、功能更加完善的测量系统。对于绝大多数的虚拟仪器数据采集系统用户而言, 他们的主要工作变成了软件设计。虚拟仪器技术突破了传统仪器技术的很多局限, 它可以将许许多多的信号处理方法更加方便地应用于测量当中, 并且为自动测量和网络实时化测量创造了更为便利的条件。虚拟仪器的主要特点有: (1) 尽可能采用通用的硬件, 各种仪器的差异主要还是在软件上。 (2) 可充分发挥计算机的能力, 有强大的数据处理功能, 可以创造出功能强大的仪器。 (3) 用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。
1 数据采集的原理
LabVIEW是一个在图形化方面划时代的编程系统, 它就数据的分析、表达及采集与控制等方面创造了一种史无前例的程序编写方法, 即我们称之为“虚拟仪器” (Virtual Instruments, VIs) 的针对软件对象进行的图形化组合操作。有市场调查分析指出, LabVIEW已经成为工程师和科学家们进行仪器应用与开发的首选图形工具。
数据采集是指从传感器和其他待测设备的模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。数据采集系统是基于计算机的测量软硬件产品来实现的灵活的、用户能够自定义的系统, 其工作原理如图1所示。
在LabVIEW环境下开发的应用程序我们称为VI (Virtual Instrument) , 它是LabVIEW的核心, 由一个人机交互的界面——前面板和相当于原代码功能的框图程序——后面板组成。前面板是程序的界面, 在这一界面上有控制量和显示量2类对象。在前面板中, 控制量模拟了仪器的输入装置, 例如开关、旋钮, 并把数据提供给VI的框图程序;而显示量则模拟了仪器的输出装置, 例如用于显示波形的窗口等, 并显示由框图程序获得或产生的数据。后面板又称为“代码窗口”或“流程图”, 是VI图形化的原程序。在流程图中可对VI进行编程, 以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出等功能。流程图中包括前面板上对象的连线端子, 还有一些前面板上没有但编程必须有的对象, 如函数、结构和连线等。
2 具体施工案例和盾构掘进姿态管理
1990年1月上海地铁1号线开始动工, 从法国引进了7台FCB公司制造的6.34 m土压平衡盾构 (1~7号盾构) 来进行隧道工程的施工;与此同时, 还有2台6.34 m土压平衡盾构 (8号和9号盾构) 从法国FRAMATOME公司被引进进来。不久前, 这9台盾构又投入到了上海轨道交通明珠线第二期工程区间隧道的施工之中, 因为该项目对盾构设备和隧道施工信息管理有了新的要求, 所以有必要对这9台盾构在数据信息采集系统中存在的一些功能缺陷进行技术性改造, 即根据陀螺仪检测的盾构方位角和坡度角与盾构设计轴线进行比较, 以实施盾构掘进姿态管理, 计算出盾构切口平面误差、盾构坡度误差角、盾构方位误差角、盾构切口高程误差、盾尾平面误差、盾尾高程误差, 以此来对盾构司机的及时纠偏进行指导。
3 轴线输入与仿真校验在盾构施工设计中的应用
要使操作者只需输入相邻线型交界点的特征参数, 就可完成相应线型内所有设计轴线数据的输入工作, 就要根据隧道盾构中心坐标设计资料中提供的里程、线型、线长、方位角、x坐标、y坐标及曲线要素和数据上的断链, 建立易于校验和操作的数据结构和数据模型。
数据采集的内容主要是盾构设备信息和掘进施工信息, 以实现数据显示、数据处理、数据分析和数据存储。1~7号盾构收集了58个开关量数据和24个模拟量数据, 8号、9号盾构采集了87个开关量数据和29个模拟量数据。其中, 模拟量量程如表1所示。
4 盾构实时性的数据信息远传
可扩展的专用局域网络在本系统的数据通信中起到了重要的作用。
4.1 盾构数据地面管理计算机与采集计算机间的数据信息通信
采用MM300S (兆比特调制解调器) 解决了盾构机和地面的长距离实时数据信息通信问题, 它的SDSL技术能利用地面到盾构机的普通铜质电话线路传送128 kbps~2 Mbps的全双工数据 (0~2 000 m) , 远远超过了目前的低速率模拟调制解调器的性能, 比ISDN技术要先进得多。
4.2 盾构机和远程管理者间的数据通信
通过利用社会公共通讯, 再进一步采用传统式的点对点网络拨号方法, 形成了盾构机和远程管理者间的数据通信桥梁, 施工地面现场计算机实时数据的镜像就自然成了远程管理者计算机中的实时数据。
5 结语
综上所述, 根据生产的实际要求, 我公司制定并实施了一种技术改造方案, 在应用方面改造和延伸了之前所引进的地铁盾构实时数据系统。本次改造开发了盾构掘进姿态管理功能, 新增加了硬件陀螺仪、应用于盾构施工数据管理的计算机软件和可扩展的专用局域网络。该数据采集系统在盾构管理方面有了质的飞跃。
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发动机测功机是发动机动态性能试验的核心设备。转速是发动机测功机直接提供的两个重要信号之一, 它既是测功机实现转速闭环控制的必需反馈量, 又体现了发动机的综合运行状况。因此, 设计好测功机转速的采集和处理方法有着重要的现实意义。
虚拟仪器能够利用高性能的模块化硬件和高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用, 已经成为现代工业自动化检测最受欢迎的开发方法。以工业控制计算机为测控主机, 配以多功能数据采集卡, 结合高度集成的工业化信号调理模块, 以图形化编程语言为软件开发工具, 本文快速、可靠地搭建起一套数字化的测功机转速采集与分析系统, 并通过实验对该方法进行了验证。
1 发动机测功机基本工作原理
发动机测功机是根据作用力与反作用力平衡原理设计的[1]。发动机与测功机以联轴节相连接, 发动机旋转可带着测功机的转子旋转, 且其间不存在速比或者滑差, 也不需要考虑效率[2]。在不断的加载、受载过程中, 测功机的测试系统便可动态地读取发动机的扭矩和转速, 进而计算功率、油耗等重要性能参数。图1是发动机测功机的工作原理框图。发动机测功机是许多科研部门和动力机械生产厂进行车辆台架试验的基础设施, 因此测功机的控制系统也要求具有高精度、高可靠性、高自动化程度、稳定性能好、信息处理交换方便等特点[3]。
2 转速信号的采集与分析
2.1 需求分析
随着发动机启动、加速、减速等各工况的变换, 测功机转速也在不断变化, 并且其变化范围非常之大。因此, 测功机转速属于动态信号, 对它的采集和分析必须要着重考虑实时性。另外, 发动机高热强振动的同时, 还存在着各种电器、传感器以及线束, 由于发动机性能试验属于高精度试验, 因此, 对转速的处理还需解决抗干扰、微弱信号的调理和低频信号的精确测量等问题, 以使仪器测试具有高精确度和可靠性[4]。
2.2 数据采集模块
2.2.1 数据采集硬件组成
测功机转子轴与发动机的输出轴用联轴器联接, 测功机与发动机之间不存在速比或滑差, 可将转速传感器安装在测功机转子轴上。本文选择圆光栅角度传感器作为转速传感器, 配以NI SCXI信号调理模块, 调理后的信号再送入NI PCI-6220多功能数据采集卡 (DAQ卡) , 最后, 在工控机中由Lab VIEW将该信号从DAQ卡上读取, 完成数据采集任务。
光栅式传感器具有精度高、分辨率高, 易于实现动态测量及数据处理的自动化, 以及具有较强的抗干扰能力等优点, 主要适用于实验室较少油污和灰尘的车间。英国Renishaw公司RESO-LUTE RESA绝对式圆光栅角度传感器可用于最高转速36 000rpm的被测对象, 采用C模式 (单向) Biss串行通讯协议, 可实现最高10 MHz通讯。本文选择18位分辨率的该款传感器。
NI SCXI信号调理模块是用于测量和自动化系统的高性能信号调理和开关平台, 用户可以根据需要在SCXI机箱中安装各种不同的信号调理板卡[5]。由于圆光栅角度传感器的输出信号已经是数字脉冲信号, 并且分辨率已满足测功机转速的检测精度要求, 因此, NI SCXI信号调理模块无需考虑信号的整形和细分, 只要将其隔离、放大、滤波后便可送入DAQ卡了。根据参考文献[6], 可以利用TI公司的SN75179B芯片设计Biss信号转换为TTL电平信号的接口。这样, 转速信号就可以以TTL电平的形式送入NI SCXI信号调理模块了。如图2所示。
NI PCI-6220是16bits的DAQ卡, 其采样率可达250 k S/s, 24路双向数字I/O最大电压范围为-10 V~10 V, 且适用于Windows操作系统, 满足本文要求。
2.2.2 数据采集软件实现
图形化编程语言Lab VIEW拥有包括数据采集、数据分析、数据显示、数据存储等的庞大函数库, 通过它们Lab VIEW可以与NI的众多硬件实现无缝集成。即安装硬件驱动软件后, 便被直接集成至提供选板的Lab VIEW, 用户可以非常便捷地访问相关函数, 从而配置和控制硬件设备, 实现在单一开发环境中使用各类硬件。
NI-DAQmx测量服务软件可以用作NI PCI-6220的驱动软件。NI-DAQmx提供了虚拟仪器软件和硬件之间的连通, 能够控制DAQ系统 (包括NI信号调理设备) 的每一方面, 从配置, 在Lab VIEW中编程, 直到低层操作系统和设备控制。图3所示为NI-DAQmx的应用流程。
在发动机测功机中, 转速信号要与其他数字信号一起输入到DAQ卡中, 因此可以将一个数字口设置成一个数字虚拟通道, 然后从该通道上读取多个传感器信号。如图4和图5所示, 可将port0设置为DIO虚拟通道, 然后将其上的数字信号进行读取。
2.3 数据分析处理模块
2.3.1 软件数字滤波器
从信号调理模块经DAQ卡再到工控机这一过程中, 信号同样会受到外界电场、磁场以及温湿度场等的辐射引起的干扰, 如果不加以分析处理, 那么最终被采用的输入信号就会含有各种噪声, 使测功机的稳定性和精度大打折扣。因此, 信号进入工控机后首先要以软件的方法进行滤波。Lab VIEW已经提供了滤波器功能模块, 其中包含了各种常用的基本数字滤波器, 为用户根据具体情况对所需数字滤波器进行二次设计提供了方便。
输入到工控机中的转速信号是方波脉冲信号, 可以用傅里叶变换分解为多个正弦信号的叠加, 为了使其经过滤波器后不会产生相位失真, 必须要求它所包含的这些正弦信号通过滤波器的时间是一样的, 因此本文选择FIR滤波器。该滤波器对DAQ卡实时采集信号进行滤波, 选用Hanning窗函数, 采样频率和截止频率根据实际信号频率而定。如图6所示。
2.3.2 频率-周期法计算转速
频率-周期法 (M-T法) 以测频率法 (M法) 为基础, 吸收了测周期法 (T法) 的优点, 兼顾高低转速, 可以在宽调速范围内对转速进行高精度测量, 其测速原理为:在转速输出脉冲的下降沿启动定时器 (定时长度为Tc) 时, 对转速输出脉冲个数M1和时钟脉冲个数M2同时进行计数。测量时间到, 先停止对转速输出脉冲个数计数, 待下一个转速输出脉冲下降沿到来时, 再停止对时钟脉冲计数, 以保证测到整个转速传感器的输出脉冲[7]。图7为M-T法脉冲计数原理图。
M-T法测转速的方程式为:
式中fc———定时器时钟脉冲频率, ;P———光栅每转发出的脉冲个数。[8]
对于该计算方法中的定时器, 可以利用PCI-6220 DAQ卡自带的32位定时器, 在Lab VIEW中通过DAQ助手就可轻松设置参数。该定时器的最大信号源频率为80 MHz, 完全满足时钟脉冲频率要求。
3 实验验证
为了对本文进行验证, 以470型汽油发动机为实验对象, 设定转速为2 000 rpm, 选用研华IPC-610H工控机, DAQ卡定时器的定时长度Tc=2 ms进行测试。与此同时, 用发动机专用转速校准装置对发动机转速进行测试。在软件中以1 min为时间间隔记录测试数据, 并计算误差。测试结果如表1所示。
由表1可知, 本文设计方案的测试误差小于等于±0.004 rpm。
4 结束语
转速信号是发动机测功机对发动机进行动态测试非常重要的物理量, 用虚拟仪器技术实现转速信号的测试具有开发周期快、灵活度高、易于优化升级等优势。本文在虚拟仪器技术的平台之上, 选用高精度的圆光栅角度传感器作为转速传感器, 结合NI公司高性能、灵活快捷的SCXI信号调理模块和PCI多功能数据采集卡, 提出了数据采集硬件结构, 并详细介绍了用Lab VIEW实现转速信号从DAQ卡上的读取, 以及滤波和转速换算方法。实验结果表明, 本文用虚拟仪器技术开发发动机测功机转速采集与分析, 能较好的完成测试任务。因此, 本文提出的用虚拟仪器技术对发动机测功机的转速进行采集和分析方法是完全可行的。
摘要：基于虚拟仪器技术, 提出了对发动机测功机转速信号进行采集与分析的方法。以测功机工作原理和转速特性为基础, 选用Renishaw绝对式圆光栅角度传感器, 搭配NI SCXI信号调理模块和NI PCI DAQ卡, 构建了转速采集硬件。软件以LabVIEW为平台, 给出了数据读取和软件滤波的程序, 阐明了频率-周期法的原理与定时器实现方法。通过在470汽油发动机上进行实验, 证明了可行性。
关键词：虚拟仪器,发动机测功机,转速采集,软件滤波,频率-周期法
参考文献
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