基于LabVIEW的互相关流速测量系统的设计.doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 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parameters of multiphase flow，such as velocity，size and position of bubbles is a very important investigation subject.two-phase cross-correlation flow velocity measurement system changes the flow noise signal into electrical signal by the upper and under sensors，through the amplification，filtering，a/d converter circuit，and the digital signal will be sent cross correlator.finally output is the transit time and the velocity.this systemic designed to inter-related fluid flow measuring instrument virtual instrument technology and the principle of combining cross-correlation.this method got delay of two signals by cross-correlation function between two signals.the fluid flow can be exceed by the delay value of the two signal in case of the distance of l between two sensors is known.system carry the data which is a random noise signal simulation by labview，and then acquisition the data to various computing.this system shows fluid flow rate measuring instrument achieve process based on labview and cross-correlation which shows core procedures of labview and analysed the error of the result.key words：two-phase flow；cross-correlation；virtual instrument；velocity measurement目 录摘 要iabstractii第一章 引言11.1两相流测量的应用背景11.2我国流量仪表的发展及现状11.2.1概述11.2.2我国流量仪表的发展回顾21.2.3流量仪表总体的技术发展方向31.2.4对流量测量技术的展望3第二章 相关流量测量技术42.1相关流量测量技术简介42.2相关测量技术的发展简史42.3互相关知识简介52.3.1测量原理52.3.2互相关算法归一化算法差动自相关算法72.4相关流量测量的特点92.5相关测试系统的构成92.6相关流量计的局限性102.7相关流量测量技术未来的发展方向10第三章 虚拟仪器简介123.1虚拟仪器简介123.1.1虚拟仪器简介123.1.2虚拟仪器的发展过程123.1.3虚拟仪器系统的构成虚拟仪器系统的硬件构成虚拟仪器系统的软件构成143.1.4虚拟仪器的分类143.1.5虚拟仪器的技术优势153.2 labview简介163.2.1 labview简介163.2.2 labview的作用173.2.3 labview的优点173.3数据采集技术183.3.1数据采集技术简介183.3.2数据采集系统的构成传感器和变换器信号调理数据采集设备203.3.3 pc与软件21第四章 基于labview的互相关流速测量系统的设计234.1系统总体方案设计234.2前面板的设计234.2.1用户登录界面254.2.2模拟采样信息更改界面和模拟信号生成界面264.2.3相关算法实现界面274.2.4数据保存回放界面294.2.5流速计算界面294.3程序框图的设计304.3.1用户登陆程序313.3.2模拟信号生成程序314.3.3相关算法程序模块324.3.4计算流体流速程序334.3.5波形保存程序344.3.6数据回放程序34总结35参考文献36附录37附录a37附录b38致谢3942第一章 引言1.1两相流测量的应用背景随着科学技术的发展，多相流动体系在国民经济和人类生活中的地位日益重要。它遍布于化工、冶金、能源、环保、轻工和军工等各个工业领域，煤粉输送、原油开采、污水排放、纸浆输送、粉尘测量、气力输送等生产过程均存在多相流体的测量问题。由于多相流各相流体的动力学特性极其复杂，因此多相流的测量迄今为止在国际上尚未得到满意的解决。多相流动体系，通常是由两种连续介质和若干种不连续介质组成的，连续介质通常称为连续相，不连续介质如固体颗粒、水泡、液滴等称为分散相(或非连续相)。根据流体中包括物质相数目的不同多相流一般可以分为两相和三相流。根据组分物理状态的不同，两相流一般又分为气/液、气/固、液/固、液/液(如油/水)两相流；三相流一般分为气/液/液、气/液/固三相流等。多相流动体系中又以两相流动体系最为普遍。两相流动体系在自然界和工业生产中设计范围十分广泛，例如，自然界的大漠扬沙，江河的泥沙俱下，以及空气中烟尘弥漫都是与人类生活有关的两相流现象。两相流由两种组分构成，而各组分之间存在着密度、粘度等物理性质上的差异，在重力、温度、压力、各相流量及管道形状等诸多因素的作用下两相流的各组分之间会产生滑脱及随机可变的相界面效应，因此其物理特性和数学描述比单相流检测复杂得多，致使两相流参数检测难度很大。要认清两相流体系的复杂现象，揭示两相流运动的机理，建立两相流动模型并对流动过程进行预测或控制，首先要解决的就是两相流检测的技术问题。随着海洋石油开采和海洋高技术的发展，尤其是混相增压和混相计量技术的需求，加之工业生产过程中计量、节能和控制精度的提高，对于两相流参数检测的要求越来越迫切。此外，两相流参数检测技术还能为流体力学工作者提供强有力的实验手段，促进两相流体力学理论的发展，为两相流过程工艺设计提供理论依据。几十年来，国内外科技工作者在解决两相流流动参数的检测问题上开展了大量的理论与实验研究工作，已经取得了一些成果，近年来，基于多相流流动特征信号提取流动参数的软测量方法取得了一定进展。同时研发出了一些商品化的多相流量计产品，并在一定范围内得到应用，但是仍存在许多问题1。1.2我国流量仪表的发展及现状1.2.1概述流量计量广泛应用于工农业生产、国防建设、科学研究、对外贸易以及人民生活各个领域，目前，已投入使用的流量计已超过100种，按测量原理分，主要有力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理、原子物理学原理等2。流量、温度和压力被公认为热工计量的三大重要参数，随着工业及经济的发展，流量计量技术及产品日新月异。具有悠久历史的流量测量，可追溯到公元1000年前古埃及测量尼罗河水流量。西方国家工业革命的实施，推动了流量测量技术的迅速发展，产品不断涌现。特别是20世纪，过程测量能源计量、环境保护、交通运输等应用领域对流量测量的需求急速增长，同时，由于电子技术、特别是微电子技术的迅速发展，为流量仪表的制造技术提供一代又一代电子元器件，进一步推动了流量仪表从机械式、机电一体化、智能化、模块化等的推陈出新。当今，微电子技术对流量仪表的发展之影响举足轻重，基于大规模集成电路及通讯技术的应用，总线型、智能化、具有远程校准、自诊断等功能的流量仪表，成为了流量仪表中的新生代，引领着现代流量计量仪表的新潮流和新趋势。新技术、新器件、新材料、新工艺和新软件的开发应用，使得流量仪表的测量准确度越来越高，测量的流量范围越来越大，仪表对测量介质的要求降低，适用范围越来越宽，对实现智能化其使用更为方便并越来越傻瓜化，产品的可靠性得到了很大的提高。伴随着基础工业的发展，我国流量仪表在赶超先进水平的过程中，机遇与困难并存，实现赶超还要走一段较长的路。31.2.2我国流量仪表的发展回顾我国历史上，早在战国时期“都江堰”污水工程中，就在崖壁上刻了“水则”用来测量水位，控制流量，这同古罗马用孔板测量居民用水的流量和古埃及用堰槽方法测量尼罗河的流量一样，都是古代人智慧的结晶。近代历史上，我国作为一个半殖民地半封建的国家，受到外国列强的势力瓜分，根本没有自己的民族工业，也没有我们自己的仪表工业，更没有我国的流量仪表工业可言。新中国成立后，随着第一个5年计划的实施， 在原苏联援助项目的带动下，我国引进使用了许多苏联的流量仪表，上海一些仪表制造企业陆续仿制这些产品，形成了一定的流量仪表生产能力，如孔板流量计、文丘利节流装置、椭圆齿轮流量计、浮子式水银差压计等。50年代末到60年代，由上海热工仪表研究所（上海工业自动化仪表研究所）、沈阳玻璃仪器厂、上海光华仪表厂、开封仪表厂、哈尔滨仪表厂等开发生产玻璃转子流量计、电磁流量计、涡轮流量计、腰轮流量计等，70年代到80年代，北京化工研究院、重庆工业自动化仪表研究所、上海工业自动化仪表研究所、上海自动化仪表九厂等先后开发了热式质量流量计、涡街流量计、旋进旋涡流量计、超声波流量计、刮板流量计等流量仪表。90年代，太行仪表厂、湖北仪表厂、合肥仪表厂、北京自动化仪表研究所等先后研究开发科里奥利质量流量计、双转子流量计、液体多声道超声波流量计、流量、温度、压力组合式一体化流量计等等3。1.2.3流量仪表总体的技术发展方向随着电子技术软件技术的发展，特别是传感器技术的发展，使流量仪表的多参数测量已成可能，流量计不同的原理和信号为不同参量的测量提供相应的测量方法，有待人们进一步研究并使之成为产品。相关技术主要有：(1)超声波流量计的技术开发(2)科里奥利质量流量计新技术(3)涡街流量计(4)一体型流量仪表的研究开发(5)夹装式管道用超声波流量计的现场应用技术开发(6)小流量及微流量测量 (7)多相流量计量技术研究31.2.4对流量测量技术的展望流量测量技术发展到今天虽然已日趋成熟 ,但其种类仍然不断增加、新的结构、新的用途的流量仪表不断涌现。每种流量计都有其适用范围，也都有局限性，至今尚无一种对于任何场合都适用的流量计。同时，由于流量测量技术的复杂化，以及科学技术的迅速发展给流量计量提出更新更高的要求，流量计量的现状远不能满足生产的需要，还有大量的流量计量技术问题有待进一步研究解决。特别对腐蚀性流体、脏污流体、高粘性流体、多相流体、微小流量等的检测，有待进一步发展更有效的测量手段。4第二章 相关流量测量技术2.1相关流量测量技术简介相关流量测量技术是以随机过程相关理论和信息理论为基础发展起来的一种在线流动参数检测技术。早在上世纪60年代，英国等国家利用随机函数互相关理论开展了工业生产过程中物体移动速度及管道中流体流动速度的测量研究。70年代，相关流量测量技术迅速发展起来，一些研究成果显示了相关测量方法在解决环境恶劣且介质复杂的两相流测量方面的潜力，实现了一些相关流量测量系统。70年代中后期，研究的重点主要是低成本的“高速在线实时互相关器”，以便用于工业生产，如德国的e+h及英国的kent公司。但是，到80年代中期，相关流量测量技术并未因高速相关器的实现而在工业中得到广泛应用，对相关流量测量技术的研究又转到随机信号相关理论、流场变化对传感器作用、流动噪声信号提取与处理、传感器设计等方面。进入90年代，相关测速代表的实际物理含义解释成为制约相关流量测量技术发展的重要因素，建立相关测速与流体实际流速间准确、有效关联物理模型成为相关流量测量理论的发展重点。52.2相关测量技术的发展简史(1)50年代常用模拟式相关器，采用模拟电路计算相关函数，模拟技术(乘法器、积分器)精度低，零漂大，工作频率不够高，模拟信号的时延设备复杂，所以被后来的数字式相关器替代了。在数字式相关器中，用数字技术计算相关函数，数字乘法器精度高，但结构复杂。对高频信号，因舍弃样点，减少量化的比特数而导致误差。(2)1962年由p.jespers等提出采用1比特量化的极性重合相关器，简化了乘法器与积分器，使电路大为简化，提高了运算速度。具有数字式相关器时延简单、无零漂等优点，特别适用于高频信号，但测量结果的随机误差较大。(3)1973年a.m.hayes提出了两种简化方法来简化相关器的设计，降低其价格，实现速度显示。第一种方法是粗量化方法:对输入信号之一或两者作8比特或12比特的粗糙量化处理；第二种方法是两点差分法:使两个相关函数在两个时延值处的差值趋于零。存在问题是积分时间的取值及流速变化时响应慢等。(4)1979年，henry提出渡越零点极性相关的算法，从而使相关计算的软件实现成为可能，并在280上成功实现了这种算法，效率高、运算速度快，而且不需外加电路。但此法需记录零点信号数据，只适用于信号带宽小于2.5khz的场合。(5)1989年，harba提出了一种“块采样”的极性算法，可同时采集一批输入信号，采样率高，速度快，所需存贮量少于零点渡越法，计算时间短(比零点渡越法快)，不需专门硬件，应用范围广。22.3互相关知识简介基于互相关法进行流量测量早在60年代提出后，c o u l t h l a r d 、me s c h、b e c h等科学家对该方法进行了深入的研究，随着对高精度非接触式多相流流量测量的需求日益增大，基于相关函数的流量测量方法重新引起科学界的重视。德国科学研究院已于1997年批准资助由两个大学八个研究所提出的重点研究项目“流量测量中的流体动力学基础研究”，其中九个子项目之一是“基于相关函数和多极配置的声学体积流量测量方法研究”。为了克服国内基础设施相对较弱的现状，西安工业大学教授王磊、西安工业大学博士生王智慧与德国essen大学在该领域进行了合作研究，并制造出超声波互相关流量测量装置6。互相关流量测量技术是以随机过程的互相关理论为基础发展起来的一种在线流动参数检测技术，利用流体内部自然产生的随机流动噪声现象，将流体的流动速度测量转化为流体通过在不同位置两传感器间的时延估计问题。其测量精度与流体的温度、浓度无关，是一种高精度测量方法，适合于两相流体及多相流体流量的计量7。2.3.1测量原理基于随机过程中的相关理论，利用流体内部自然产生的随机流动噪声现象，将流体的流动速度测量转化为流体通过相距一定距离的两截面的时间间隔测量问题。如图2.1所示，流体在管道内流动时，从相距l的两个结构完全相同的上下游传感器可以分别提取出与被测流体流动状况有关的流动噪声信号x(t)和y(t)，对两路随机信号作互相关运算可以得到互相关函数rxy()的图形(如图2.2)，互相关函数可由下式计算得出：rxy()= (21)互相关函数峰值位置所对应的时间位移0一般称之为渡越时间。在满足“凝固”流动模型假设条件下，被测流体混合速度vcp可用相关速度vc来表示，即：vcp=vc= (22)实际流体流动不可能完全符合“凝固”流动模型假设，尤其是在两相或多相流测量中存在相间局部相对运动、速度分布和浓度分布的复杂流动状态，使得相关测速既不等于两相流实际混合速度，也不等于分相实际速度，因此，在式22中引入了流速校正因子k，得到被测流体体积流量q为5：q =kvca = (23)图2.1 相关流量测量的基本原理图2.2 流动噪声信号及互相关函数图2.3.2互相关算法对于两个随机信号x(t)和y(t)，为求得其相关函数，有下面几种计算形式：归一化算法为了方便地比较和说明上、下游传感器的流动噪声信号x(t)和y(t)相关程度的大小，计算其归一化互相关函数： (24)在上式中，、分别为x(t)、y(t)的均方值。对于的估计可以通过离散化信号样本在时域上的运算实现。具体地，如果以x(k),y(k)(k=0，1，2，n- 1，n+l-1)分别表示等间隔离散化的x(t)和y(t)，则的估计值为下式，(m=0，1，l) (25)上式中，m为对应于延时量的延时点数，对所有的都满足。利用该式对进行估计时，对应于每一个不同的延时量m的，总共需进行2n次的数值乘法和数值加法运算，当样本不断变化时，还需不断地对和进行估计，其运算量更大，而为了提高相关函数测量的实时性，对相关器中乘法和加法运算速度的要求是相当高的8。差动自相关算法差动自相关测量系统的构成如图2.3所示。设上、下游两个传感器检测流体随机流动噪声所获得的信号分别为x(t)和y(t)，经差动电路后得 (26)若流体流动符合“凝固”假设，则可认为y(t)为x(t)的延时，故 (27)式中为流体流过两个传感器的渡越时间，故 (28)对z(t)做自相关：=可见z(t)的自相关函数由4部分组成。和分别为x(t)和y(t)信号的自相关数，如果信号为符合平稳遍历性的随机信号，根据随机理论其自相关函数应该为一冲激信号，即 (29)和分别为原点搬移到t=和t=-的自相关函数。当这4者相加时，可以预见，其波形除在t= 0处有一正峰值外，在t=和t=-处应该分别有一负峰值。但是时间t=没有实际意义，因此只要取坐标轴的右半部分找到负峰值所对应的时间就可以确定流体的渡越时间，见图2.4。由图2.3可见，差动自相关测量方法除需两个独立检测转换电路外，系统的后续处理电路只用一路。这样，只需保证传感器和转换电路的对称性，而硬件电路大为简化，技术难度和成本都大大降低。用差动自相关的方法使2个传感器互为参照，可以从原理上做到很好地、动态地抵消传感器初始值的影响，使输出信号只与扰动量有关系，大大提高检测灵敏度，并可以减少后续数据处理的工作量9。差动自相关与互相关法从原理上很相似，但比它更具有以下几大突出的优点:(1)减少了对系统对称性的要求，提高了整个系统的性价比。只要保证传感器和转换电路的对称性，对后面复杂的信号处理电路则要求较小，并共用一个数据采集系统。既减小了技术难度，又减少了硬件电路。(2)能够提高测量的灵敏度。电容传感器的本身的初始值大，而信号引起的变化量小。初始值的存在限制了电路的放大倍数，从而影响了测量灵敏度。采用差动自相关的方法，使两个传感器互为参照，从原理上抵消了初始值的影响，且不会增加电路的复杂性。(3)有极好的抗共模干扰的能力。对两个传感器受到的因温度、振动等因素产生的共模干扰对差动自相关系统影响很小10。图2.3 差动自相关测量系统图2.4 差动自相关函数波形2.4相关流量测量的特点用渡越时间相关法测量流量，属于非接触式测量方法，即流量检测元件不与被测流体相接触，传感器一般放在管子外壁，不破坏原来流体的流场，也不会造成节流压力损失因而节约能量。可测介质的面广，既可测洁净液体和气体又能测脏污流体、浆液及气/固、液/固两相流。测得的流量仅与管道体积有关，故不必进行单独标定，能抑制外界输入的干扰信号输出呈线性，精度较高。相关法测流量有广阔的应用前景11。2.5相关测试系统的构成相关测试系统包括随机流动噪声敏感器、流动噪声信号传递通道和互相关器三个关键部件。流动噪声信号检测系统由测量管段、传感器以及信号放大、调节和滤波等环节构成。上、下游传感器的敏感元件所检测到的信号，随噪声信号分别通过放大、解调及滤波等环节后，包含在其中的随机噪声信号被提取出来，并输入相关测量系统作进一步处理。相关测量系统的作用是实现相关流量测量。通过比较上、下游流动噪声信号的相似性，确定流动噪声信号在上、下游传感器所在横截面之间的平均传递时间。从某种意义上讲,相关流量测量系统要解决的是系统模型的参数辨识问题。流动参数模型描述了参考模型的参数与被测流体的体积平均流速或体积流量之间的关系。一般来说，根据流动噪声信号的检测原理及传感器的结构形式，可以对流动参数模型进行一些定性分析，确定其模型的形式。但由于被测流体流动的复杂性，通过上述分析获得的流动参数模型还需要通过定量实验来验证6。2.6相关流量计的局限性目前，相关流量计还有一些局限性有待完善。(1)测量精确度不高上、下游信号通道特性的不一致性和互相关运算中平均时间有限时是引起测量误差的两个主要原因。目前相关流量计的流速测量精确度可以达到2%左右。(2)单一流量计测量覆盖面小由于多项流流型很复杂，相间界面即各相的形态变化很大，目前尚无一种多相流量计可以覆盖所有流型范围。(3)vc的物理意义尚待进一步探讨相关速度vc与被测流体的平均速度vcp之间的关系与许多因素有关。由于流动噪声现象的随机性，很难根据单纯的理论计算来确定它们的关系。(4)标定工作较为困难122.7相关流量测量技术未来的发展方向相关流量测量技术以其适用面广、可实现非接触式测量显示出在解决多相流“困难流体”方面的广泛应用前景，相关流量计从产生、发展直到今天已经取得了长足的进步，相关流量测量技术已从大学实验室的原理性研究发展到仪器仪表公司规模化生产并应用于工业现场在线测量阶段，但是，客观地说，相关流量测量技术仍存在许多尚未解决好的问题，并有待进一步研究和发展，相关流量测量技术未来发展方向为：(1)要对相关流量测量系统中的传感器进行系统优化（包括相关测速传感器及必要的分相含率传感器)。(2)原来人们认为相关流量测量是一种绝对测量方法，但深入研究后发现，这个观点不是完全正确的，相关测速不仅取决于敏感场的区域范围及灵敏度分布，还与分散相与敏感场相互作用方式有关（即使两相流呈均匀分布，由于敏感场各点权因子不同最后的相关测速仍不会等于流体平均流速），两相流流型复杂多变且流动过程中离散相与连续相之间滑脱等现象也会使相关测速变得异常复杂。(3)在深入研究相关流量传感器检测机理及优化设计的基础上，相关流量计的标定是另一个急待解决的问题13，相关流量计的测量对象大都为“困难流体”，而许多“困难流体”的标定本身就是一个难以解决的困难问题，所以相关流量计的标定问题值得深入研究，多相流标定装置的水平也有待于进一步提高。(4)相关流量测量系统向智能化信息处理方向发展及优化后的阵列集成传感器对多相流多种信息挖掘与融合技术研究是保证相关流量测量技术向更宽应用领域发展的新途径5。第三章 虚拟仪器简介3.1虚拟仪器简介3.1.1虚拟仪器简介虚拟仪器是现代技术与计算机技术结合的产物。随着计算机技术特别是计算机的快速发展，cpu处理能力的增强，总线吞吐能力的提高以及显示器技术的进步，人们逐渐认识到，可以把仪器的信号分析和处理、结果的表达与输出功能转移给计算机来完成。这样，可以利用计算机的高速计算能力和宽大的显示屏更好地完成原来的功能。如果在计算机内插上一块数据采集卡，就可以把传统仪器的所有功能模块都集中在一台计算机中了，而软件就成了虚拟仪器的关键，任何一个使用者都可以通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能，这就是美国ni公司“软件就是仪器”一说的来历。 所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的功能，用户操作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示功能。虚拟仪器的最大特点是其灵活性，用户在使用过程中，可以根据需要添加或删除仪器功能，以满足各种需求和各种环境，并且突破了传统仪器在数据处理、表达、传送以及存储方面的限制。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将ni labview图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。3.1.2虚拟仪器的发展过程(1)gpibvsipxi总线方式（适合大型高精度集成系统）gpib于1978年问世，vxi于1987年问世，pxi于1997年问世。(2)pc插卡并口式串口usb方式（适合于普及型的廉价系统，有广阔的应用发展前景）pc插卡式于80年代初问世，并行口方式于1995年问世，串口usb方式于1999年问世。综上所述，虚拟仪器的发展取决于三个重要因素：计算机是载体软件是核心高质量的a/d采集卡及调理放大器是关键。 3.1.3虚拟仪器系统的构成虚拟仪器由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成，如图3.1所示。其中，硬件设备与接口可以是各种以pc为基础的内置功能插卡、通用接口总线接口卡、串行口、vxi总线仪器接口等设备，或者是其它各种可程控的外置测试设备，设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序，虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通讯，并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各种控件。用户用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样真实与方便。图3.1 虚拟仪器系统构成图虚拟仪器系统的硬件构成 虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。它管理着虚拟仪器的软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。因此，计算机技术在显示、存储能力、处理器性能、网络、总线标准等方面的发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展。 按照测控功能硬件的不同，vi可分为daq、gpib、vxi、pxi和串口总线五种标准体系结构，它们主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换。虚拟仪器系统的软件构成测试软件是虚拟仪器的主心骨。ni公司在提出虚拟仪器概念并推出第一批实用成果时，就用软件就是仪器来表达虚拟仪器的特征，强调软件在虚拟仪器中的重要位置。ni公司从一开始就推出丰富而又简洁的虚拟仪器开发软件。使用者可以根据不同的测试任务，在虚拟仪器开发软件的提示下编制不同的测试软件，来实现当代科学技术复杂的测试任务。在虚拟仪器系统中用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特性的分析，使仪器中的一些硬件甚至整个仪器从系统中消失，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能。虚拟仪器测试系统的软件主要分为以下四部分：(1)仪器面板控制软件 (2)数据分析处理软件 (3)仪器驱动软件 (4)通用i/o接口软件3.1.4虚拟仪器的分类虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型：(1) pc总线插卡型虚拟仪器这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如labview相结合（注：美国ni公司的labview是图形化编程工具，它可以通过各种控件自己组建各种仪器。labview/cvi是基于文本编程的程序员提供高效的编程工具，通过三种编程语言visual c+,visual basic,labviews/cvi构成测试系统，它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。但是受pc机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。另外，isa总线的虚拟仪器已经淘汰，pci总线的虚拟仪器价格比较昂贵。(2)并行口式虚拟仪器最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。美国link公司的dso-2xxx系列虚拟仪器,它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式pc机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。由于其价格低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。(3)gpib总线方式的虚拟仪器gpib技术是ieee488标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的gpib系统由一台pc机、一块gpib接口卡和若干台bpib形式的仪器通过gpib电缆连接而成。在标准情况下，一块gpib接口可带多达14台仪器，电缆长度可达40米。gpib技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很多方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。gpib测量系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。(4)vxi总线方式虚拟仪器vxi总线是一种高速计算机总线vme总线在vi领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的rfi/emi屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。经过多年的发展，vxi系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。有其他仪器无法比拟的优势。然而，组建vxi总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。(5)pxi总线方式虚拟仪器pxi总线方式是pci总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的，增加了多板发总线，以使用于相邻模块的高速通讯的局总线。pxi的高度可扩展性。pxi具有8个扩展槽，而台式pci系统只有34个扩展槽，通过使用pcipci桥接器，可扩展到256个扩展槽，台式pc的性能价格比和pci总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来的虚拟仪器平台。3.1.5虚拟仪器的技术优势同其他技术相比，虚拟仪器技术具有四大优势：(1)性能高虚拟仪器技术是在pc技术的基础上发展起来的，所以完全继承了以现成即用的pc技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件i/o，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。(2)扩展性强ni的软硬件工具使得我们不再受限于当前的技术中。这得益于ni软件的灵活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个系统。在利用最新科技的时候，我们可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。(3)开发时间少在驱动和应用两个层面上，ni高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。ni设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使我们轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。(4)无缝集成虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。ni的虚拟仪器软件平台为所有的i/o设备提供了标准的接口，帮助我们轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。美国国家仪器公司ni（nationalinstruments）提出的虚拟测量仪器（vi）概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河14。3.2 labview简介3.2.1 labview简介 labview(laboratory virtual instrument engineering workbench)主要用于仪器控制、数据采集、数据分析等领域，它是一种基于图形编程语言（g语言）的开发环境，主要是以框图形式编写程序。它与c等传统编程语言有着诸多相似之处，如：相似的数据类型、数据流控制结构、程序调制工具，以及层次化、模块化的编程特点。但二者最大的区别在于：传统编程语言用文本语言编程；而labview使用图形语言（即：各种图标、图形符号、连线等），以框图的形式编写程序。用labview编程无须太多的编程经验，因为labview使用的都是测试工程师熟悉的术语和图标，如各种旋钮，开关，波形图等，界面直观形象。labview是一个功能强大的集成开发环境，它完整的集成了与gpib、vxi、rs-232和内插式数据采集卡等硬件的通讯。labview还具有内置程序库，提供了大量的连接机制，通过dlls、共享库、ole等途径实现与外部程序代码的连接。使用labview开发环境，用户可以创建32位的编译程序，从而为常规的数据采集、测试等任务提供了更快的执行速度。labview是真正的编译器，用户可以创建独立的可执行程序，能够脱离开发环境而单独运行。一个labview程序包含三个主要部分：前面板、框图程序、图标/连接端口。前面板是labview程序的交互式图形化用户界面，用于设置用户输入和显示程序输出，目的是仿真真实仪器的前面板。框图程序则是利用图形语言对前面板上的控制量和指示量进行控制。图标/连接端口用于把labview程序定义成一个子程序，以便在其他程序中加以调用，这使labview得以实现层次化，模块化编程。3.2.2 labview的作用由于labview可以用来创建通用的应用程序，因此被称为一种通用的编程语言，但是它在测试、测量和自动化等领域具有更大的优势，因为labview提供了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示和存储，同时它还提供了大量常用于自动化测试测量领域的图形控件，这使得用户可以在数分钟内完成一套完整的从仪器连接、数据采集到分析、显示和存储的自动化测试测量系统。因此它被广泛的应用于汽车、通信、航空、半导体、电子设计生产、过程控制和生物医学等各个领域，涵盖了从研发、测试、生产到服务的产品开发所有阶段。现在欧美的许多高校非计算机专业的学生选修g语言并用它开发应用软件的人已经超过c等文本语言。近年来我国高校g语言教学实践也正在迅速开展。labview不仅可以用来快速搭建小型自动化测试测量系统，还可以用来开发大型的分布式数据采集控制系统。3.2.3 labview的优点选择labview开发测试和测量应用程序的一大决定性因素是其开发速度。通常，使用labview开发应用系统的速度比使用其他编程语言快410倍。这一惊人速度背后的原因在于labview易用易学，它所提供的工具使创建测试和测量应用变得更为轻松。labview的具体优势主要体现在以下几个方面。(1)提供了丰富的图形化控件，并采用图形化的编程方法，彻底把工程师们从复杂枯涩的文本编程工作中解放出来。(2)内建的编译器在用户编写程序的同时就在后台自动完成了编译。因此用户在编写程序的过程中如果有语法错误，它会被立即显示出来。(3)由于采用数据流模型，它实现了自动的多线程，从而能充分利用处理器尤其是多处理器的处理能力。(4)通过dll、cin节点、activex、.net或matlab脚本节点等技术，可以轻松实现labview与其他编程语言混合编程。(5)通过应用程序生成器可以轻松地发布exe、动态链接库或安装包。(6)labview提供了大量的驱动与专用工具，几乎能与任何接口的硬件轻松连接。(7)labview内建了600多个分析函数，用于数据分析和信号处理。(8)ni同时提供了丰富的附加模块，用户扩展labview在不同领域中的应用，例如实时模块、pda模块、fpga模块、数据记录与监控（dsc）模块、机器视觉模块与触摸屏模块等。3.3数据采集技术3.3.1数据采集技术简介数据采集与仪器控制是labview最具有竞争力的核心技术之一。ni公司提供了种类丰富的硬件设备以满足不同的测量与控制需求，其中包括数据采集(daq)硬件、实时测量与控制、pxi与compact pci、信号调理、开关、分