1、常熟理工学院课程设计报告目录课程设计任务书 11 测控系统的发展 .61.1 测控系统发展的概述 61.2 现代测控技术的特点 71.3 现代测控系统概述 .71.4 现代测控技术的应用 82 虚拟仪器 .92.1 虚拟仪器的概念 .102.2 虚拟仪器和传统仪器的比较 112.3 虚拟仪器测试系统的组成 123 数据采集系统 153.1 数据采集简介 .153.2 数据采集卡的产生及构成 153.3 数据采集(DAQ) 卡 .174 光敏电阻 .204.1 光敏电阻概念及组成 204.2 光敏电阻的作用 .204.3 主要参数与特性 .214.4 工作原理及应用 .235 总体方案设计 25
2、5.1 硬件电路的设计 255.2 程序总流程图设计 265.3 利用 LabVIEW 画图 276 心得体会 .41参考文献 42常熟理工学院课程设计报告1课程设计任务书测控系统综合设计设计任务书(六)题目：基于虚拟仪器技术的光采集系统设计一、设计任务本课题所要求设计的基于虚拟仪器技术的光采集系统的工作原理为：利用NI ELVIS II 的函数发生器（FGEN）功能，向光源 LED 提供频率可调、幅值可调的电压信号，光敏电阻的光电流随着光通量的不同而变化，光强越强，光电流越大利用压力应变片，将所受的压力转换成电信号。首先，应设计硬件电路对该信号进行初步的调理，然后由 NI ELVIS II
3、数据采集平台提供的模拟输入通道送至计算机中，利用虚拟仪器软件开发平台 LabVIEW 来开发系统软件，以实现对光信号的采集、分析、处理与报表生成等，并利用 LabVIEW 编写的软件系统对信号进行处理。具体指标与要求如下：(一)硬件设计要求1、理解光敏电阻测量的电路原理及基本的信号处理的方法；了解光敏电阻的电阻变化与光强的关系。要求对光敏电阻进行选型，对光信号调理电路进行设计，说明其工作原理。2、理解NI ELVIS II数据采集平台的工作原理，通过NI ELVIS II数据采集平台对光信号及其调理电路出来的电压信号进行采集、分析与处理。(二)软件设计要求要求采用状态机的软件设计结构来设计光采
4、集系统软件。系统软件具有“系统初始化”、“系统等待”、“数据采集”、“报表生成”“打开报表”、“退出”等功能。具体要求如下：1、系统初始化光采集系统软件运行后，首先进入系统初始化状态。系统初始化状态主要可以对NI ELVIS II数据采集平台，所用的数据采集通道及软件界面上的所有控件进行初始化。系统初始化结束后，软件进行等待状态中，等待其他功能的选中与运行。常熟理工学院课程设计报告22、系统等待在系统等待状态下，用户可选择其他功能并运行。要求系统等待状态采用事件驱动结构来实现。3、数据采集要求系统可以对光信号进行连续的实时采集、分析与显示。可对采样参数进行设置包括对所用NI ELVIS II数
5、据采集平台物理通道、采样速率、每通道采样点数、电压最大值与最小值等参数的设置。可对光源信号参数进行设定包括对波形类型、直流偏压(V)、幅度(V)、频率(Hz)等参数的设置。将采集到的时域波形等参数进行实时显示，对信号进行频谱分析并显示其频谱波形。4、报表生成报表生成功能可以实现对光信号连续采集与分析过程中的相关参数包括所用NI ELVIS II数据采集平台物理通道，电压最大值、最小值、采样速率、每通道采样点数、时域波形、频谱波形等参数或波形作为报表的内容进行保存。5、打开报表打开报表功能可以对保存的报表进行打开以便进行离线进行分析和处理。6、退出按下“退出”键，将退出系统软件。要求系统软件界面
6、设计友好，方便操作。在系统软件界面即前面板上必须有状态显示栏，以显示软件当前运行的状态。二、设计目的通过本次设计使学生具备：(1) 初步了解测控系统的设计步骤，掌握系统设计方法，加深对专业理论知识的理解，能够综合运用所学的传感器原理与检测技术 、 虚拟仪器技术 、测控电路 、 测控系统原理与设计等专业知识设计测控系统各个单元，并组成系统。(2) 通过制定测控系统设计方案，合理选择传感器及其他元件，正确计算、选择各电路和元件参数，确定尺寸和选择材料，以及较全面地考虑制造工艺、使用和维护等要求，达到了解和掌握测控系统综合设计过程和方法的目的。常熟理工学院课程设计报告3(3) 进行设计基本技能的训练
7、。如：计算、绘图、熟悉和运用设计资料（手册、图册、标准和规范等）以及使用经验数据、进行经验估算和数据处理及计算机应用的能力。 (4)了解现代仪器科学与技术的发展前沿，学习和掌握基于虚拟仪器技术的测控系统组成和工作原理；进一步掌握虚拟仪器 LabVIEW 图形化软件设计方法与调试技巧。(5)培养学生查阅资料的能力和运用知识的能力；提高学生的论文撰写和表述能力；培养学生正确的设计思想、严谨的科学作风；培养学生的创新能力和运用知识的能力。三、设计要求1、了解和掌握整个以虚拟仪器技术平台构建的测控系统组成、工作原理、各单元功能和应用背景。2、根据设计任务进行文献资料的检索，根据测控系统的功能和工作原理
8、，确定测控系统的功能，制定设计方案和设计虚拟仪器面板。3、合理选择传感器的种类与型号，设计信号调理电路；利用虚拟仪器技术软件开发平台LabVIEW来编写与调试系统软件。4、按学校课程设计的撰写规范撰写且提交一份完整的设计报告。四、设计内容1、基于虚拟仪器技术的光采集系统硬件设计。2、基于虚拟仪器技术的光采集系统软件设计。具体设计内容详见前面的设计任务。五、设计报告要求报告中提供如下内容：1、目录2、正文(1)设计任务书(只需要打印指导教师提供的设计任务书，不要对任务书的内容进行任何的修改)；常熟理工学院课程设计报告4(2)总体设计方案(包括对现代测控系统发展的概述，构建一个测控系统的总体结构图
9、，对光敏电阻测量的电路原理及基本的信号处理的方法的发展与概述等、光敏电阻的电阻变化与光强的关系的概述等，光信号调理电路的设计，并根据任务书要求，选择合适的技术参数和技术方案，对多种设计方案进行分析比较，系统总体结构图概述等)；(3)系统硬件设计，包括传感器的选择(测量原理分析，传感器的量程、测量精度与结构、型号的确定)、信号调理电路的选择、设计及计算(根据测量要求、传感器的类型及特点，选择或设计合适的信号调理电路，并绘制电气系统原理图。)；(4)系统软件设计，包括系统软件程序流程图、前面板与框图程序的设计及功能实现方法等；(5)系统总体调试、运行及其结果；要求有程序和运行结果等。3、收获、总结
10、与体会4、参考文献(不低于 20 篇)六、设计进度安排本课程设计共需 3 周（按 15 天来计算）时间，其具体要求与安排见下表:序号 内容 时间安排1 设计动员、布置设计任务 第 1 天上午2 查找与消化相关资料 第 1 天下午，第 2 天3 总体方案设计 第 3 天4 系统硬件设计 第 4-5 天5 系统硬件调试 第 6 天6 系统软件设计 第 7-10 天7 系统软件调试 第 11-12 天8 系统总体调试及性能分析与总结 第 13 天9 撰写设计报告 第 14 天10 完成设计报告并上交 第 15 天上午11 答辩 第 15 天下午常熟理工学院课程设计报告5七、设计考核办法本设计满分为
11、100 分，从设计平时表现、设计报告及设计答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为 20%、40%、40%。常熟理工学院课程设计报告6基于虚拟仪器技术的光采集系统设计前 言随着电子工业测量技术与电子测量仪器技术的高速发展，新的测试理论、测试方法、测试领域以及新的仪器结构不断出现，它们在许多方面己经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化，在这种背景下，虚拟仪器技术应运而生。虚拟仪器，是借助于计算机的软硬件平台，建立起基于PC机的测试与控制系统。虚拟仪器是当前测控领域的技术热点，它代表了未来仪器技术的发展方向。它最大特点是“按需构造，随做随用”，用户可以随心所欲地根据自己的需求
12、设计自己的仪器系统，仅仅通过修改软件就能改变仪器功能，以满足多种多样的应用需求。“软件就是仪器”反映了虚拟仪器技术的本质特征。美国国家仪器公司（简称NI）公司的软件产品LabVIEW，是虚拟仪器语言中最有代表性的，LabVIEW 是一个革命性的图形编程开发环境，它以G 语言为基础，用户进行数据采集、控制、数据分析和数据表示。基于LabVIEW 的数据采集系统是下一代自动测试系统的发展方向。本系统主要分为两部分，第一部为数据采集硬件设计，第二部分为数据管理及分析。功能主要包括：数据采集等，软件采用了NI 公司的LabVIEW2010 开发。第一部分数据采集硬件的设计。第二部分数据管理与分析，用L
13、abVIEW 编写了基于Windows XP的上位机应用程序以及上位机与采集卡之间的通信程序；利用LabSQL 工具包建立了ACCESS 数据库，实现对采集到的数据的存储，并可以查询历史数据。同时系统可以生成报表以及可以对所需要的数据进行打印，并可以对得到的数据进行一些必要的分析，如加窗函数，逐点分析。这在对一些重要数据的保存方面就显得相当地必要。1 测控系统的发展1.1 测控系统发展的概述现代测控技术是一门高新技术，以测控、测量、电子等学科为基础，涉及计算机技术、信息处理技术、电子技术、自动控制技术、测试测量技术、仪器常熟理工学院课程设计报告7仪表技术及网络技术等领域。随着现代科学技术的飞速
14、发展和不断融入，加快了现代测控技术的发展，使其正朝着智能化、集成化、微型化、虚拟化、网络化和远程化的方向大步迈进。作为一门实践性很强的技术，现代测控技术在工业、农业和国防等领域的应用广度和深度正不断的扩大，并将为改进技术水平和提高生产率做出巨大的贡献。1.2 现代测控技术的特点现代测控技术的特点可以概括为：智能化、数字化、网络化、分布式化。(1) 智能化 现代测控系统中应用的仪器仪表都是智能化的仪器，以微处理器为基础，具有方便使用、灵巧、多功能等特点。随着微电子技术的发展和更多的人工智能的不断引入，智能化仪器的计算能力和计算方法将得到大大增强。(2)数字化 数字化在测控领域中的应用主要体现在：
15、控制器到远程终端设备的数字化控制，传感器的数字化控制，通信、信号处理等过程的数字化控制等。(3) 网络化 传感器技术、测控技术、计算机技术与网络技术的结合，使分布式、网络化的测控系统的组建变得十分便捷。随着计算机网络技术的迅猛发展及其他相关技术的不断完善，使得计算机网络的规模更加庞大，其在航空航天、气象、通信和国防等领域的应用也更为广泛。(4) 分布式化 分布式测控技术是以网络技术和微型计算机术为基础，采用分布式的结构将系统内所使用设备连接起来，从而组合成符合要求的分布式测控系统。在生产过程的控制中，分布式测控系统可以实现测量控制管理的全自动化，大大降低了测控成本，提高了测控效率。1.3 现代
16、测控系统概述现代测控系统是一个综合系统，其目的是实现生产过程的自动化控制，它以计算机技术为核心，并集控制和测量为一体。(1)现代测控系统的组成现代测控系统的组成大致可以分为五个部分，即：控制器部分。是系统的控制中心和指挥中心，主要指计算机、小型机、单片机等。程控设备和仪器。包括：激励源、程控伺服系统、各种程控开关及仪器、执行元件、存储器件、显示器件等。测控应用软件。包括 I/O 接口软件、可执行应用程序和仪常熟理工学院课程设计报告8器驱动程序等。总线与接口部分。包括连接器、电缆、插槽、机械接插件等。它是连接控制器与各种设备、程控仪器的通路，以完成数据、命令及消息的交换与传输。被测对象。主要是指
17、生产线、系统、子系统、被测设备等，通过电缆、开关、接插件等于测控设备相连接。根据测控任务的不同，被测对象也是千差万别的。(2)现代测控系统的基本类型 按照结构不同，现代测控系统可以分为三类：基本型、闭环控制型和标准通用接口型。基本型测控系统主要由传感器、数据采集卡、信号调理和计算机组成。它能够完成对多点的实时、快速测量，并能进行信号和数据分析，消除干扰，最终做出判别。闭环控制型是指应用于闭环控制系统的测试系统，其过程的自动控制可归纳为实时数据采集、实时控制、实时判断决策三个阶段。标准通用接口型是由模块组合而成，并且所有模块的对外接口都是按照规定标准设计的。1.4 现代测控技术的应用(1)新型传
18、感器技术 传感技术是当今世界发展最迅速的高新技术之一。为了适应现代科学技术的发展，新型传感器逐渐融入了诸如计算机技术、智能技术和网络技术等新技术，使其结构更加完善，功能更加强大。新型传感器技术的应用体现在：微型化气体传感器广泛应用于交通、医学、化工、机器人、国防、防伪等领域。数字化传感器在实际生产和生活中应用广泛，如：银行监控、测量环境温度、图像传感器等。集成化传感器主要用于温度测量、压力测量和视觉测量。智能化传感器的典型应用，如：火车机车的状态监测、心内压监控系统等。网络化传感器在工业、农业、军事国防、医疗、抢险救灾、环境监测、城市管理、反恐等许多领域具有潜在的实用价值和重要的科研价值。(2
19、)现代测控总线技术 在现代测控系统中，利用总线技术可以在很大程度上简化测控系统结构，增加系统的可靠性、开放性、兼容性及可维护性，从而降低系统成本。现代测控总线技术的应用有：GPIB 总线技术利用计算机实现了对仪器的操作和控制，促使测控技术向大规模测控系统的方向迅速发展。USB 总线具有低成本、速常熟理工学院课程设计报告9度快、使用灵活、即插即用、易于扩展等优点，在低速设备上应用广泛。IEEE 总线具有支持多种总线速率、支持等时和异步两种传输方式、分层的硬件和软件、支持点对点传输、可扩展总线、错误检测和处理等优点，成为外部硬盘、视频设备、高度数字音频和其他高速外设的首选接口。自动化系统与设备正朝
20、着现场总线体系结构的方向前进，将极大的促进企业网络和自动化相关行业的发展。LXI总线有着巨大的竞争潜力和广阔的发展空间，尤其适合于多个单位合作研究开发生产的项目和分布在不同地区的研发机构。(3)虚拟仪器技术 虚拟仪器技术是计算机辅助测试领域的一项重要技术，是现代仪器技术和现代计算机技术深层次结合的产物，具有功能强大、交互性、灵活性、系列化和模块化、网络化等优点。虚拟仪器技术的应用也较广泛，如：利用虚拟仪器技术测量不同进口压力和转速下的液力变矩器的性能参数。虚拟仪器技术用于蚕茧无损质量检测。利用虚拟仪器计算机视觉软件和开发工具，开发出计算机自动化秧苗分析系统，可用于预测在最后发芽期限发芽良好的秧
21、苗数量及监视秧苗质量。虚拟仪器技术用于农机监控、检测上及农机现代化管理与教育。(4)远程测控技术常见的远程测控技术有：专线远程测控技术、电话网远程测控技术、以太网远程测控技术和无线通信远程测控技术。远程测控技术的应用主要有：基于 Internet 的远程测控技术，在核电站检测、电网运行监控、石油输送管道的远程监控、机器人的远程监控等领域应用广泛。基于现场总线的远程测控技术，主要应用于现场总线仪表、现场总线网络、现场总线远程测控系统等的监测。基于无线通信的远程测控技术特别适用于用户密度不高、距离较远、不易布线和地理环境复杂的地区和情况。最好随着计算机技术的发展，各领域逐渐开始采用以信息的获取与应
22、用为中心的方式，以实现工业生产、仪器仪表的自动化控制。同时，数据处理技术、信号传感技术、计算机控制技术等先进技术也在飞速发展，促使现代测控技术发生深刻的变化。现代测控技术的未来发展将朝着智能化、系统化、标准化及系统功能的综合性等趋向，并更加的开放化、标准化，为促进技术水平的提高常熟理工学院课程设计报告10做出巨大的贡献。2 虚拟仪器21 虚拟仪器的概念虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司（National Instruments）最先提出的。所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统之中；可自由
23、构建成专有仪器系统。虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器。虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器” 。该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分。虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器（包括 GPIB、RS-232 等传统仪器以及新型的 VXI 模块化仪器）为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件（处理器、存储器、显示器）和测量仪器（频率计、示波器、信号源）等硬件资源与计算机软件资源（包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及图形用户界面）有机的结合起来。虚拟仪器技术的核心是软件，其软件基本结构如图 2.4 所示。用户可以采
24、用各种编程软件来开发自己所需要的应用软件。硬件驱动程序数据处理用户界面图 2.1 虚拟仪器软件结构20 年来，无论是初学乍用的新手还是经验丰富的程序开发人员，虚拟仪器（Virtual Instrument）在各种不同的工程应用和行业的测量及控制的用户中广受欢迎，这都归功于其直观化的图形编程语言。虚拟仪器的图形化数据流语言和程序框图能自然地显示您的数据流，同时地图化的用户界面直观地显示数常熟理工学院课程设计报告11据，使我们能够轻松地查看、修改数据或控制输入。美国国家仪器公司 NI（National Instruments）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
25、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。“软件即是仪器”这是 NI 公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和 I/O 部件来构建虚拟仪器。I/O 部件可以是独立仪器、模块化仪器、数据采集板（DAQ）或传感器。NI 所拥有的虚拟仪器产品包括软件产品（如 LabVIEW）、GPIB 产品、数据采集产品、信号处理产品、图像采集产品等。22 虚拟仪器和传统仪器的比较虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势（如表 1.1 所示）。在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一
26、部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的，甚至不可思议的工作。表 2.1 虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器 传统仪器开发维护费用低 开发维护费用高技术更新周期短（0.51 年）技术更新周期短（510 年）软件是关键 硬件是关键价格低 价格昂贵开放、灵活与计算机同步，可重复用和重配置固定可用网络联络周边各仪器 只可连有限的设备自动化、智能化、多功能、远距离传输功能单一，操作不便常熟理工学院课程设计报告12虚拟仪器技术的四大优势：（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
27、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
28、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。常熟理工学院课程设计报告13虚拟仪器开发者虚拟仪器软件面板虚拟仪器软件开发平台底层驱动程序硬件模块虚拟仪器开发者操作系统图 2.2 虚拟
29、仪器开发框图23 虚拟仪器测试系统的组成虚拟仪器是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。这种结合基本有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能，虚拟仪器主要是指这种方式 9。虚拟仪器的组成与传统仪器一样，主要由数据采集与控制、数据分析和处理、结果显示三部分组成。如图1.3 所示。采集与控制插入式数据采集板G P I B 仪器V X I / P X I
30、仪器R S - 2 3 2 仪器数据分析和处理数字信号处理数字滤波统计分析数值分析结果显示网络通信硬盘拷贝输出文件 I / O图形用户接口图 2.3 虚拟仪器的内部功能的划分对于传统仪器，这三个部分几乎均由硬件完成；对于虚拟仪器，前一部分由硬件构成，后两部分主要由软件实现。与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化，设计工作量大大减小。常熟理工学院课程设计报告14通常虚拟仪器测试系统硬件组成部分是由传感器部件、信号调理及信号采集部件（如外置或内置数据采集卡、图形图像采集卡及摄像机及其用于辅助测量并能与计算机通讯的常规仪器等） 、通用计算机、打印机等构成。系统软件部分通常用专用的虚拟仪器开发
31、语言（如 LabVIEW）编写而成，并可通过Internet 实现网络扩展。I/O 接口设备主要用来完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。可根据实际情况采用不同的 I/O 接口硬件设备，如数据采集卡/ 板(DAQ) 、GPIB 总线仪器、VXI 总线仪器、串口仪器、USB 等。虚拟仪器的构成主要有五种类型 9，如图 1.4 所示。被测信号P C - D A QG P I B 仪器串口仪器V X I 模块P X I 模块计算机图 2.4 虚拟仪器构成方式1）DAQ(Data Acquisition)数据采集卡是指基于计算机标准总线 (如ISA、PCI、USB 等)的内置功能插卡。其中 USB
32、是最新技术的数据采集卡，具有精度高，可携性好等优点，它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性；利用 DAQ 卡可方便快速地构建虚拟仪器系统。在性能上，随着 A/D 转换技术，滤波技术和信号调理技术的发展，DAQ 卡的采样速率已达 1GB/s，精度高达 24 位，通道数高达 64 个，并具有数字 I/O，模拟 I/O 和计数器/定时器等通道。各仪器厂家生产了大量的 DAQ 卡功能模块供用户选择，如示波器、串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等。在计算机上挂接多个 DAQ 功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有多功能的测试仪器。这种基于计算机的仪器，既具有高
33、档仪器的测量品质，又能满足测量需求的多样性。对我国大多数用户来说，它具有很高的性能价格比，是一种特别适合我国国情的虚拟仪器方案。常熟理工学院课程设计报告152）GPIB(General Purpose Interface Bus)通用接口总线，是计算机和仪器的标准通信协议。GPIB 的硬件规格和软件协议以纳入国际工业标准 IEEE-488.1和 IEEE-488.2，它是最早的仪器总线，目前多数仪器都配备了遵循 IEEE-488的 GPIB 接口。典型的 GPIB 测试系统包括一台计算机，一块基于 GPIB 总线的接口卡和多台 GPBI 仪器软件及相应的传感模块硬件。每台 GPIB 仪器有单独
34、的地址，由计算机控制操作。系统中的仪器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制软件作相应的改动。基于 GPIB 总线结构的接口卡数据传输速率一般低于500kb/s，不适合与对系统速度要求较高的应用。3）VXI(VME bus eXtension for Instrumentation )是 VME 总线在仪器领域的扩展，上个世纪 1993 年 VXI 总线 1.4 版本被批准为 IEEE-1155 标准，成为开放式工业标准。仪器专用总线在吸收 IEEE-488 的成功经验基础上，增加了10MHz 时钟线，模拟和数字混合总线，星形总线等高速总线，定时关系严格，兼有计算机总线和仪器总线的优点。4）
35、PXI(PCI eXtension For Instrumentation)是 Compact PCI 总线在仪器领域的扩展，是 NI 公司于 1997 年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。其核心是 Compact PCI 结构和 Microsoft Windows 软件。PXI 是在 PCI 内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。PXI 增加了用于多个板卡同步的触发总线和 10MHz 参考时钟、用于精确定时的星形触发总线，以及用于相邻模块间高速通信的局部总线等，来满足实验和测量用户的要求。PXI 兼容Compact PCI 机械规范，并增加了空气冷却装置、环境测试（温度、湿度、
36、振动和冲击实验）等要求。这样可保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性。5）串口系统是以 Serial 标准总线仪器与计算机为仪器精简平台组成的虚拟测试系统10。RS-232 总线是早期采用的通用串行总线，将带有 RS-232 标准总线接口的仪器作为 I/O 接口设备，通过 RS-232 串口总线与计算机组成虚拟仪器系统目前仍然是虚拟仪器构成方式之一，主要适用于速度较低的测试系统。3 数据采集系统常熟理工学院课程设计报告163.1 数据采集简介数据采集通常有两种解释：一种是从数据源收集、识别和选取数据的过程。另一种是数字化、电子扫描系统的记录过程以及内容和属性的编码过程。数据采集系统包括了：可
37、视化的报表定义、审核关系的定义、报表的审批和发布、数据填报、数据预处理、数据评审、综合查询统计等功能模块。通过信息采集网络化和数字化，扩大数据采集的覆盖范围，提高审核工作的全面性、及时性和准确性；最终实现相关业务工作管理现代化、程序规范化、决策科学化，服务网络化。在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。各种类型信号采集的难易程度差别很大。实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。在通用微机系统里，含有一块非常重要的采集卡DAQ 数据采集卡,它是完成采集系统的不可或缺的部分。3.2 数据采集
38、卡的产生及构成为了满足 IBM-PC 机及其兼容机用于数据采集与控制的需要，国内外许多厂商生产了各种各样的数据采集板卡（或 I/O 板卡） 。这类板卡均参照 IBM-PC机的总线技术标准设计和生产，用户只要把这类板卡插入 IBM-PC 机主板上相应的 I/O 扩展槽中，就可以迅速方便地构成一个数据采集与处理系统，从而大大节省了硬件的研制时间和投资，又可以充分利用 IBM-PC 机的软硬件资源，还可以使用户集中精力对数据采集与处理中的理论和方法进行研究、进行系统设计以及程序的编制等。常熟理工学院课程设计报告17图 3.1 数据采集系统结构图 3.1 表示了数据采集的结构。在数据采集之前，程序将对
39、采集板卡初始化，板卡上和内存中的 Buffer 是数据采集存储的中间环节。需要注意的两个问题是：是否使用 Buffer？是否使用外触发启动、停止或同步一个操作。1 缓冲（Buffers）这里的缓冲指的是 PC 内存的一个区域（不是数据采集卡上的 FIFO 缓冲） ，它用来临时存放数据。例如，你需要采集每秒采集几千个数据，在一秒内显示或图形化所有数据是困难的。但是将采集卡的数据先送到 Buffer，你就可以先将它们快速存储起来，稍后再重新找回它们显示或分析。需要注意的是 Buffer与采集操作的速度及容量有关。如果你的卡有 DMA 性能，模拟输入操作就有一个通向计算机内存的高速硬件通道，这就意味
40、着所采集的数据可以直接送到计算机的内存。不使用 Buffer 意味着对所采集的每一个数据你都必须及时处理（图形化、分析等） ，因为这里没有一个场合可以保持你着手处理的数据之前的若干数据点。下列情况需要使用 Buffer I/O：（1）需要采集或产生许多样本，其速率超过了实际显示、存储到硬件，实时分析的速度。（2）需要连续采集或产生 AC 数据（10 样本秒） ，并且要同时分析或显示某些数据。（3）采样周期必须准确、均匀地通过数据样本。下列情况可以不使用 Buffer I/O：（1）数据组短小，例如每秒只从两个通道之一采集一个数据点。（2）需要缩减存储器的开支。常熟理工学院课程设计报告182 触
41、发（Triggering）触发涉及初始化、终止或同步采集事件的任何方法。触发器通常是一个数字或模拟信号，其状态可确定动作的发生。软件触发最容易，你可以直接用软件，例如使用布尔面板控制去启动/停止数据采集。硬件触发让板卡上的电路管理触发器，控制了采集事件的时间分配，有很高的精确度。硬件触发可进一步分为外部触发和内部触发。当某一模入通道发生一个指定的电压电平时，让卡输出一个数字脉冲，这是内部触发。采集卡等待一个外部仪器发出的数字脉冲到来后初始化采集卡，这是外部触发。许多仪器提供数字输出（常称为“trigger out”）用于触发特定的装置或仪器，在这里，就是数据采集卡。下列情况使用软件触发：用户需
42、要对所有采集操作有明确的控制，并且事件定时不需要非常准确。下列情况使用硬件触发：（1）采集事件定时需要非常准确。（2）用户需要削减软件开支。（3）采集事件需要与外部装置同步。3.3 数据采集(DAQ)卡1数据采集 DAQ 简介数据采集(DAQ)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析，处理。 数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。LabVIEW 的数据采集（Data Acquisition）程序库包括了许多 NI 公司数据采集（DAQ）卡的驱动控制程序。通常，一块卡可以完成多种
43、功能 - 模/数转换，数/模转换，数字量输入/输出，以及计数器/定时器操作等。用户在使用之前必须 DAQ 卡的硬件进行配置。这些控制程序用到了许多低层的 DAQ 驱动程序。本课程需要一块安装好的 DAQ 卡以及 LabVIEW 开发系统。数据采集系统的实物组成如图3.2所示： 常熟理工学院课程设计报告19图 3.2 数据采集系统的组成图 DAQ系统的基本任务是物理信号的产生或测量。但是要使计算机系统能够测量物理信号，必须要使用传感器把物理信号转换成电信号（电压或者电流信号）。有时不能把被测信号直接连接到DAQ卡，而必须使用信号调理辅助电路，先将信号进行一定的处理。总之，数据采集是借助软件来控制
44、整个DAQ系统包括采集原始数据、分析数据、给出结果等。 图1.7中描述了插入式DAQ卡。另一种方式是外接式DAQ系统。这样，就不需要在计算机内部插槽中插入板卡，这时，计算机与DAQ系统之间的通讯可以采用各种不同的总线，如并行口或者PCMCIA等完成。这种结构适用于远程数据采集和控制系统。 当采用DAQ卡测量模拟信号时，必须考虑下列因素：输入模式（单端输入或者差分输入）、分辨率、输入范围、采样速率，精度和噪声等。 单端输入以一个共同接地点为参考点。这种方式适用于输入信号为高电平（大于一伏），信号源与采集端之间的距离较短（小于 15 英尺），并且所有输入信号有一个公共接地端。如果不能满足上述条件，
45、则需要使用差分输入。差分输入方式下，每个输入可以有不同的接地参考点。并且，由于消除了共模噪声的误差，所以差分输入的精度较高。2 数据采集卡的功能一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字 I/O、计数器/计时器等，这些功能分别由相应的电路来实现。我们使用的是NI公司生产的PCI6221型号的数据采集卡，它具有如下功能特点：（1）分辨率：16-Bit, 采样率：250 kS/s, 16 路模拟输入。（2）两路 16-位模拟输出 （833 kS/s）。 （3）24 路数字 I/O; 32-位计数器; 数字触发。（4）相关的 DIO （8 时钟, 1 MHz。） （5）NI-MCal 校准
46、支持。常熟理工学院课程设计报告20（6）NI-DAQmx 测试软件和硬件配置程序支持。（7）NIST- 校准证书和多余70种的信号调理模块选择。 NI PXI-6221 （16-通道, 24 路数字 I/O, 2 路模拟输出）：模拟输入是采集最基本的功能。它一般由多路开关（MUX） 、放大器、采样保持电路以及 A/D 来实现，通过这些部分，一个模拟信号就可以转化为数字信号。A/D 的性能和参数直接影响着模拟输入的质量，要根据实际需要的精度来选择合适的 A/D。模拟输出通常是为采集系统提供激励。输出信号受数模转换器（D/A）的建立时间、转换率、分辨率等因素影响。建立时间和转换率决定了输出信号幅值
47、改变的快慢。建立时间短、转换率高的 D/A 可以提供一个较高频率的信号。如果用 D/A 的输出信号去驱动一个加热器，就不需要使用速度很快的 D/A，因为加热器本身就不能很快地跟踪电压变化。应该根据实际需要选择 D/A 的参数指标。数字 I/O 通常用来控制过程、产生测试信号、与外设通信等。它的重要参数包括：数字口路数（line） 、接收 (发送 )率、驱动能力等。如果输出去驱动电机、灯、开关型加热器等用电器，就不必用较高的数据转换率。路数要能同控制对象配合，而且需要的电流要小于采集卡所能提供的驱动电流。但加上合适的数字信号调理设备，仍可以用采集卡输出的低电流的 TTL 电平信号去监控高电压、大
48、电流的工业设备。数字 I/O 常见的应用是在计算机和外设如打印机、数据记录仪等之间传送数据。另外一些数字口为了同步通信的需要还有“握手”线。路数、数据转换速率、 “握手”能力都是应理解的重要参数，应依据具体的应用场合而选择有合适参数的数字 I/O。许多场合都要用到计数器，如定时、产生方波等。计数器包括三个重要信号：门限信号、计数信号、输出。门限信号实际上是触发信号使计数器工作或不工作；计数信号也即信号源，它提供了计数器操作的时间基准；输出是在输出线上产生脉冲或方波。计数器最重要的参数是分辨率和时钟频率，高分辨率意味着计数器可以计更多的数，时钟频率决定了计数的快慢，频率越高，计数速度就越快。4
49、光敏电阻常熟理工学院课程设计报告214.1 光敏电阻概念及组成光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，又称为光电导探测器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。4.2 光敏电阻的作用光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化） 。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达 110M 欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.40.76）m 的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。4.3 主要参数与特性根据光敏电阻的光谱特性，可分为
