基于虛擬儀器的USB接口數據處理系統設計

虛擬儀器技術(shù)在計算機測控領(lǐng)域得到了快速廣泛的推廣應用，從簡(jiǎn)單的儀器控制、數據采集到尖端的測控和工業(yè)自動(dòng)化；從大學(xué)實(shí)驗室到工業(yè)現場(chǎng)；從探索研究到技術(shù)集成都可以發(fā)現了虛擬儀器技術(shù)應用的很多領(lǐng)域。國內外相關(guān)學(xué)者對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)是一種基于計算機的儀器，就是在通用計算機上加上軟件和硬件，使得使用者在操作這臺計算機時(shí)，就像是在操作一臺他自己設計的專(zhuān)用傳統電子儀器。在虛擬儀器系統中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個(gè)儀器系統
的關(guān)鍵，任何一個(gè)使用者都可以通過(guò)修改軟件的方法，很方便地增減儀器系統的功能與規模，所以有“軟件就是儀器”之說(shuō)。虛擬儀器技術(shù)的出現，徹底打破了傳統儀器由廠(chǎng)家定義，形成用戶(hù)無(wú)法改變功能的模式，虛擬儀器技術(shù)給用戶(hù)一個(gè)充分發(fā)揮自己才能和想象力的空間。用戶(hù)(而不是廠(chǎng)家)可以隨心所欲地根據自己的需求，設計自己的儀器系統，滿(mǎn)足多種多樣的應用需求。
LabVIEW是美國NI公司開(kāi)發(fā)的面向計算機測控領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺，它是一種功能強大的圖形編程語(yǔ)言，但它與傳統的文本編程語(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(chēng)為G語(yǔ)言(graphical language)。這種圖形化的編程形式，方便了非軟件專(zhuān)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(guò)多線(xiàn)程技術(shù)來(lái)實(shí)現的，不同的任務(wù)實(shí)際上通過(guò)各自的線(xiàn)程輪流占用CPU時(shí)間片來(lái)達到“同時(shí)”處理的目的。LabVIEW也采用了多線(xiàn)程技術(shù)，而且與傳統文本式的編程語(yǔ)言相比，有兩大優(yōu)點(diǎn)：LabVIEW把線(xiàn)程完全抽象出來(lái)，編程者不需對線(xiàn)程進(jìn)行創(chuàng )建、撤銷(xiāo)及同步等操作；LabVIEW使用圖形化的數據流執行方式，因此在調試程序時(shí)，可以非常直觀(guān)地看到代碼的并行運行狀態(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算機硬件2部分組成。應用軟件由儀器驅動(dòng)程序、開(kāi)發(fā)環(huán)境和用戶(hù)接口3部分組成。

2 數據采集與處理系統的功能和組成
2．1 系統功能
數據采集(data acquisition，DAQ)與處理系統的基本功能是物理信號的測量、采集與處理。要使計算機系統能夠測量物理信號，首先要使用傳感器把物理信號轉換成電壓或者電流之類(lèi)的電信號。通常不能把被測信號直接連接到DAQ卡，而必須使用信號調理輔助電路，將信號進(jìn)行一定的預處理?？傊?，數據采集與處理是借助軟件來(lái)控制整個(gè)DAQ系統的，包括采集原始數據、分析數據和輸出與存儲數據。
2．2 系統組成
設計過(guò)程中采用煉油廠(chǎng)高溫煙氣發(fā)電系統的工藝參數檢測作為應用對象。系統結構框圖如圖1所示。

系統的硬件包括溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器等傳感器、信號調理模塊、數據采集卡和工控機。信號調理模塊選用的是美國國家儀器公司的NI SCXI-1102型溫度調理模塊和NI SCXI-1520型應變信號調理模塊，用這2個(gè)模塊完成對采集信號的預處理；數據采集卡采用的是NI USB-6008DAQ型；工控機采用的是具有PXI插槽的一臺計算機和一臺PC機。
整個(gè)系統共設置8路模擬輸入端口，2路模擬輸出端口，12路數字輸入／輸出端口，1路事件計數端口。
(1)NI SCXI-1102的特點(diǎn)和功能。NI SCXI-1102專(zhuān)為高精度熱電偶測量而設計。它們具有相同的架構，該架構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。在此架構下，可以通過(guò)高達333 SPS(每通道3μs)的速度來(lái)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。每個(gè)模塊的所有通道都可以被DAQ設備的某一路通道采集，也可另加模塊，以增加通道數。
(2)NI SCXI-1520的特點(diǎn)和功能。NI SCXI-1520是8通道通用應變片輸入模塊，具有進(jìn)行簡(jiǎn)單或高級應變測量所需要的所有功能。用戶(hù)可借助這一模塊，從應變傳感器、力傳感器、扭矩傳感器和壓力傳感器上讀取信號。NI SCXI-1520包含在各類(lèi)環(huán)境中均適于自動(dòng)校準的板載參考電壓。它的每路通道均配有可編程放大器和4級可編程Butter worth濾波器。每條通道還具有一個(gè)獨立0～10 V可編程激勵源。此外，SCXI-1520系統在模塊內部提供了組成半橋電路的電阻網(wǎng)絡(luò )，并在SCXI-1314接線(xiàn)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(xiàn)盒。
(3)USB接口及NI USB-6008 DAQ的特點(diǎn)和功能。通用串行總線(xiàn)(universal serial bus，USB)是目前電腦上應用較廣泛的接口規范，USB接口是電腦主板上的一種四針接口，其中中間2個(gè)針傳輸數據，兩邊2個(gè)針給外設供電。USB接口速度快，連接簡(jiǎn)單，不需要外接電源，同時(shí)對外設有良好的兼容性，最多可連接127臺外設。USB有2個(gè)規范，即USB 1．1和USB2．0。
USB通用串行總線(xiàn)是由Intel，Microsoft，Compaq，IBM，NEC，Northern Telcom等幾家大廠(chǎng)商發(fā)起的新型外設接口標準。USB傳輸速度12 Mb／s，最新USB2．0可達480 Mb／s；電纜最大長(cháng)度5 m，USB電纜有4條線(xiàn)，2條信號線(xiàn)，2條電源線(xiàn)，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(guò)串聯(lián)方式最多可串接127個(gè)設備，支持即插即用和熱插拔。