基于虚拟仪器的轮胎硫化温度、压力控制系统设计——数据库部分软件设计

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1、内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）基于虚拟仪器的轮胎硫化温度、压力控制系统设计 数据库部分软件设计摘要硫化是制造轮胎的最后工序，硫化质量的好坏，直接关系轮胎产品的质量和成品合格率。轮胎硫化的三要素为时间、温度和压力。因此，在实际生产过程中需要实时的对温度和压力的数据进行采集、观察、存储、历史数据查询及远程访问操作，便于更好的控制轮胎硫化过程。虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器” 。其优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。它功能强大，操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程。基于虚拟仪器

2、的轮胎硫化温度、压力控制系统设计数据库部分软件设计是以虚拟仪器为基础，数据库为中心，数据采集和管理重点。由LABVIEW软件编程结合数据采集硬件来实现的。实现轮胎硫化过程中对温度、压力的实时数据进行管理和操作及远程访问操作。关键词：轮胎硫化；虚拟仪器；数据库；LABVIEWAbstractVulcanization is the final process of manufacturing tires,and the quality of vulcanization has a direct influence on the quality of tires and percent of pa

3、ss of finished products.Three elements forTire vulcanization are time,temperature and pressure. Therefore,during the production process we need prompt collection,observation and storage of data about temperature and pressure,historical data inquiries and remote access operations,to facilitate better

4、 control of tire vulcanization.Technologically the core idea of Virtual Instrument is software is equipment.Advantage lies in that its exclusive equipment systems can be designed by users themselves. Also,it is flexible in function and easy to build,so it is widely used.Its power is great;operation

5、flexible; interface fully graphical;style simple,and in line with the customary use of traditional equipment.Yet the user can not quickly grasp the rules without training.On account of the tire vulcanization temperature and pressure control system design of Virtual instrument-database software desig

6、n is based on virtual instrument,with database as its centre,and data acquisition and management its focus.And its completed by LABVIEW software programming when combined with data acquisition hardware,and meanwhile in Tire vulcanization the realization of data management and operation of the temper

7、ature and pressure of real-time and operation of remote access are achieved.Key words:tire curing;virtual instrument;database;LABVIEW55目 录摘要IAbstractII目 录III第一章 绪论11.1 引言11.2 课题背景11.2.1 轮胎硫化技术的发展11.2.2 虚拟仪器技术发展趋势21.3 本章小结41.3.1 本设计所做的工作41.3.2 本设计优点4第二章 轮胎硫化技术52.1 轮胎硫化的目的及意义52.2 轮胎硫化的方式及步骤52.2.1 硫化的方

8、式52.2.2 硫化的步骤62.3 轮胎硫化的工艺要求72.4 硫化过程的主要问题8第三章 虚拟仪器103.1 虚拟仪器技术概述103.1.1 虚拟仪器的概念103.1.2 虚拟仪器的特点及优势103.1.3 虚拟仪器和传统仪器的比较113.1.4 虚拟仪器测试系统的组成123.1.5 虚拟仪器I/O接口设备133.1.6 虚拟仪器的软件结构153.1.7 虚拟仪器的开发语言153.1.8 图形化虚拟仪器开发平台LabVIEW163.1.9 基于LabVIEW平台的虚拟仪器程序设计163.2 数据库技术173.2.1 数据库技术173.2.2 数据库技术概述183.2.3 ADO与数据库的交互

9、技术203.2.4 ACCESS数据库介绍20第四章 数据采集技术、信号测量及调理224.1 数据采集技术概论224.1.1 采集系统的一般组成及各部分功能描述234.2 信号调理254.2.1 信号处理254.2.2 输入信号的连接方式264.3 测量系统264.3.1 测量系统分类264.3.2 选择合适的测量系统284.4 数据采集卡的选择304.4.1 数据采集卡的主要性能指标304.4.2 数据采集卡(DAQ卡)的组成314.4.3 NI PCI-6221数据采集卡314.5 传感器和变送器选择324.5.1 测温原理324.5.2 扩散硅式差压变送器344.6 系统的软件总体框图和

10、硬件执行结构图354.6.1 系统总体框图354.6.2 系统的硬件结构图35第五章 LABVIEW设计前面板实现的功能及布局375.1 前面板实现功能375.2 前面板分布及布局设计375.2.1 登陆系统375.2.2 采集通道配置375.2.3 实时数据显示385.2.4 历史数据查询385.2.5 预设参数设置385.3 LABVIEW的WEB远程控制405.3.1 WEB服务技术405.3.2 通过网页连接远程VI面板40第六章 系统具体应用程序的实现426.1 总体规划426.2 各部分程序分块设计426.2.1 登陆系统模块426.2.2 数据采集模块设计436.2.3 信号处理

11、模块设计456.2.4 实时数据显示模块设计456.2.5 预设参数模块设计466.2.6 数据存贮模块设计466.2.7 历史数据查询48第七章 系统调试49第八章 总结50参 考 文 献51致 谢53第一章 绪论1.1 引言基于虚拟仪器的轮胎硫化温度、压力控制系统设计数据库部分软件设计的主要功能为能够对轮胎硫化温度、压力控制原始数据进行采集、保存、分析、远程访问等。因此，在轮胎硫化过程中本课题必须实现通过虚拟仪器板卡实现对轮胎硫化过程中的温度、压力数据进行采集，实时观测，数据存储，远程访问。从而达到对轮胎硫化过程的监测和控制。1.2 课题背景1.2.1 轮胎硫化技术的发展轮胎硫化是轮胎加工

12、生产过程中很重要的一部分，橡胶在未硫化之前，分子之间没有产生交联，因此缺乏良好的物理机械性能，实用价值不大。当橡胶进行硫化以后，经热处理或其他方式能使橡胶分子之间产生交联，形成三维网状结构，从而使其性能大大改善，尤其是橡胶的定伸应力、弹性、硬度、拉伸强度等一系列物理机械性能都会大大提高。传统控制硫化过程的方法是定时控制，这种方法是假定橡胶硫化的过程中模柜内温度和压力保持恒定，但是由于锅炉蒸汽压力波动以及蒸汽在管道中传输温度递减等因素的影响，硫化温度很不稳定。这样生产出的轮胎，经常出现过硫化和欠硫化现象，另外工人的劳动强度大，资源浪费严重。 现代控制硫化过程的方法是根据蒸汽管道内的温度实时调整硫

13、化时间的等效硫化控制。大部分现有系统对轮胎硫化过程中采集的温度、压力数据和分析结果采用打印方式直接输出后归档保存，再采用手工方式管理。其余的将数据和结果存入文件系统，采用文件方式进行管理。这两种数据管理方式都存在一定的缺陷和局限。手工方式无法处理大量数据且速度慢，易出错，效率极低。文件系统管理虽然比手工管理有了很大改进，但是存在安全性差、数据冗余度大和不能对数据实现集中管理等问题。基于虚拟仪器的轮胎硫化温度、压力控制系统设计数据库部分软件设计是以数据管理为重点，由数据采集、数据存储、数据查看、数据维护和远程查看等几个部分组成。它是由计算机软件结合数据采集硬件来实现的，用户可以根据自己的需要任意

14、选择配件和定义仪器的功能，因此它可以进行轮胎硫化过程中温度、压力的实时数据采集、数据存储、及远程访问，具有极大的灵活性和通用性。1.2.2 虚拟仪器技术发展趋势虚拟仪器是微电子、通信、计算机等现代科学技术高速发展的产物。自从1785年库仑发明静电扭秤，1834年哈里斯提出静电电表结构以来，电测仪表和电子仪器随相关技术的进步、仪器仪表元器件质量的提高和测量理论方法的改进得到飞速发展。有一种较普遍地说法将测量仪器的发展分为五个阶段，如图1.1所示。图1.1测量技术的发展从十九世纪初到二十世纪末，测量仪器经历了模拟仪器、电子仪器、数字仪器、智能仪器等阶段，发展到现在的虚拟仪器。模拟仪器主要有模拟式电

15、压表、电流表等，这些仪表解决了当时对某些量的测量的需求。从二十世纪初到五十年代左右，测量仪器的材料性能得到改善出现了电子管，同时测量理论和方法与电子技术、控制技术相结合，出现了以记录仪和示波器为代表的电子仪表五十年代以后随着晶体管和集成电路的出现以及应用电子技术的发展将数字技术成功地应用到测量仪器。这时电子控制集成电路和计算机技术开始融为一体成为测量仪器的主要特征。七十年代初第一片微处理器问世，微型计算机技术从此发展迅猛，在其影响下测量仪器呈现出新的活力并取得了长足进步。伴随微电子技术、计算机技术、网络技术的迅速发展及在电工电子测量技术领域的应用，测量仪器也不断进步和发展，出现了智能仪器。智能

16、仪器是将微机置于仪器内部，使仪器具有控制、存储、运算、逻辑判断及自动操作等智能特点，并在测量准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用能力及解决测量技术问题的深度和广度等方面都有明显的进步。这种内置微处理器的仪器，既能进行自动测试又能完成数据处理，可取代部分的脑力劳动。随着电子技术、微计算机技术的发展，智能仪器的智能水平不断提高。但是在数字化仪器、智能仪器阶段基本上没有摆脱传统仪器那种独立使用、手动操作的模式，难以胜任更复杂、多任务的测量需求。为解决这样的问题，总线式仪器与系统应运而生。人们发明制造出CAMAC、RS-232和GPIB等多种仪器通讯接口总线，用于将多台智能仪器连在一起，以构成更复

17、杂的测试系统。1982年美国西北仪器公司总裁德伯克提出了微机化仪器的概念，也就是人们现在常提到的卡式仪器。卡式仪器是虚拟仪器的雏形，是将传统独立式仪器的测量电路部分与接口部分集合在一起制成仪器功能卡，将其插入微机的内部插槽或外部插件箱中形成的仪器。PC总线仪器系统是卡式仪器的一种，它是利用PC机内部的总线，把若干块仪器卡插在PC机内部或外部扩展机箱内而组成的。插卡总线机箱与PC机间的通信，可利用RS-232、GPIB接口总线或以太网电缆等进行。虽然许多厂家通过定义新的仪器总线，不断对卡式仪器进行改进，但其大多是在微机内总线的插槽上进行开发，没有统一标准，且各厂家生产的插卡尺寸大小不一，设备兼容

18、性较差。在这种情况下，用户自然会提出标准化的要求。1987年，美国的惠普和泰克等5家公司在VME总线的基础上，联合提出了一种新型总线系统-VXI(VME eXtension For Instrumentation)总线，即由微机总线VME扩展而成的微机化仪器专用总线。1997年美国NI公司推出了一种新的仪器总线标准PXI总线标准。制定PXI规范的目的是为了将PC的性能价格比优势和PCI总线面向仪器领域的必要扩展结合起来，以期形成一种主流的虚拟仪器测试平台。相对VXI仪器，按PXI总线标准制成的PXI仪器具有成本低、便于组成便携式测试系统等优点。这些以PC为核心、由测量功能软件支持，具有虚拟控制

19、面板、必要仪器硬件和通信能力的PC仪器或VXI仪器就是虚拟仪器。虚拟仪器技术的出现，使得用户可以自己定义仪器，灵活地设计仪器系统，满足多种多样的实际需求。随着虚拟仪器软件开发平台及硬件的发展，基于虚拟仪器的仪器系统的开发周期更短，费用更低，测量速度、准确度及可复用性提高，且更便于相应仪器系统的维护和扩展。当今社会正处于一个正在高速发展的状态中，要在有限的时空内实现大量的信息交换，随之而来的是信息密度急剧增大，因而在研究和生产过程中要求数据采集系统对信息的处理速度越来越高，功能越来越强。先进的数据采集系统，不仅希望设备能够单独进行数据采集，还希望他们之间能够互相通信，构成数据采集系统，甚至是测试

20、网络系统，实现信息共享，以便对众多的被测信号进行对比、综合和自动分析、从而得出准确的判断。然而传统的数据采集仪器在此方面受到很大的限制。基于虚拟仪器技术的数据采集系统的提出在一定程度上解决了传统数据采集所面临的问题，虚拟仪器数据采集系统成为当今数据采集系统发展的重要方向。本文正是在虚拟仪器技术的基础上对多通道数据采集系统进行了设计，实现多路信号的采集，并对实验数据进行实时显示、记录、分析处理。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新趋势和新方向，并且是信息技术的重要领域扩充，对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响。1.3 本章小结1.3.1 本设计所做的工作本设计以

21、两个采集通道进行设计，从传感器来的模拟输入信号，经过信号调理后，输入到NI PCI-6221数据采集卡，然后经过PCI总线送入PC机，由软件进行数据处理和采样波形的实时显示，并以一定的时间间隔插入数据库进行历史数据保存，边采集边保存，然后通过虚拟仪器的实现了历史数据的检索和WEB远程控制查询。1.3.2 本设计优点把数据库技术同虚拟仪器结合起来，既利用了虚拟仪器测量和数据分析能力强的特点，又能使其数据管理能力弱的缺点得以克服。数据库技术应用于虚拟仪器是一个很好的选择，但目前的应用还远未发挥其最大功能。尽管现在的虚拟仪器数据库系统都具有一定的数据分析能力，且在数据量小数据间关系不太复杂时是有效的

22、，但随着测试系统越来越大型化、复杂化和综合化，传统的数据分析方法越来越显得力不从心，因而数据挖掘在虚拟仪器数据库系统中的应用是虚拟仪器数据管理的一个发展方向。第二章 轮胎硫化技术2.1 轮胎硫化的目的及意义轮胎硫化是轮胎加工生产过程中很重要的一个环节。橡胶在未硫化之前，分子之间没有产生交联，因此缺乏良好的物理机械性能，实用价值不大。当橡胶加入硫化剂以后，经热处理或其他方式能使橡胶分子之间产生交联，形成三维网状结构，从而使其性能大大改善，尤其是橡胶的定伸应力、弹性、硬度、拉伸强度等一系列物理机械性能都会大大提高。 硫化是制造轮胎的最后工序，硫化质量的好坏，直接关系轮胎产品的质量和成品合格率。自1

23、839年美国人Goodyear发现橡胶硫化至今，人们对硫化所用材料和工艺以及硫化机理的研究从未间断过。硫化是一个微观的分子反应过程，由于混炼胶中原材料较多，性能各不相同，反应非常复杂，因此对硫化的研究一般都是采用对硫化后的胶料进行各种分析（如游离硫含量、溶胀、撕裂强度、永久变形及生热等），根据产品对各项性能（如耐磨、耐刺、耐热及耐油等）的要求不同，对配方、结构和硫化工艺进行适当的调整，从而达到设计要求。2.2 轮胎硫化的方式及步骤2.2.1 硫化的方式硫化工艺过程根据硫化介质的不同而有明显的区别，硫化介质主要给硫化过程提供温度和压力，硫化中，内温和外温通常不为同一热源，外温介质一般为蒸汽，内温

24、介质一般分为“过热水”、“高温蒸汽”、“蒸汽/氮气”和“热氮”四种。国内轮胎厂家一般采用“过热水”和“蒸汽”作为内温介质。下面简要介绍四种内温硫化方式的基本步骤及优缺点。（1）过热水硫化。首先采用低压蒸气使轮胎定型，然后利用高压过热水进行硫化，硫化中温度一般为170180度，内压一般在2.22.6兆帕。它的优点是，硫化效果比较均匀，外观合格率较高，过热水性质稳定，不存在温度衰减等问题；缺点是，硫化温度低，时间长，效率低，设备不易于安装和维护。（2）高温蒸汽硫化。该方式直接将高压饱和蒸汽通入胶囊中，内压一般为1.61.9兆帕，内温一般为190210度。优点是，时间短，硫化效率高，饱和蒸汽使硫化中

25、能耗降低，削减了设备投资；缺点是，对轮胎生产中其它工序的设备和装置有严格的要求，硫化中，内压偏低，容易造成局部压力不足。（3）蒸汽/氮气硫化。首先向胶囊中通入低压氮气或蒸汽进行定型，然后在通入190210度高压饱和蒸汽之后，再向胶囊中通入2.02.6兆帕高纯氮气进行增压硫化。优点是，与全蒸汽硫化方式相比，减少了蒸汽耗费，降低了能源消耗，增加了胶囊寿命，提高了合格率。（4）热氮硫化。将经过提纯和干燥后的氮气电加热至180度左右之后，再用压缩机将其加压至3.0兆帕，通过专用循环装置使其在胶囊内循环。目前，后两种硫化方式较前两种有明显的优势和更广阔市场前景。但在实际应用中，它们都有一些共同的问题需要

26、考虑，如气体泄露、温差、温度下降等，其硫化工艺也尚存在一些不完善的地方，有待进一步从理论和实际两个方面着手改进。硫化工艺过程取决硫化介质，而硫化介质的选取必须综合考虑两个方面的因素，一是对轮胎各项物理机械性能的保证，如抓着力、耐久性能和外观质量等；二是要求能在生产过程中降低成本，提高生产效率，减少能耗和环境污染。2.2.2 硫化的步骤 各轮胎公司采用的硫化步骤不尽相同，但主要由以下步骤组成： （1）通高温饱和蒸汽 （2）充填水（视情况而定） （3）通过热水 （4）热水回收 （5）通冷却水（视情况而定） （6）主排 （7）抽真空 （8）开模 第3步可采用3种方式：循环、半循环或不循环，需根据实际

27、情况进行选取。 第4步可采用两种方式：用高压蒸汽把胶囊中的过热水赶回除氧器或设置一热水回收罐。 第6和7步可采用单路或双路。 第8步的开模压力一般设置为0.03MPa。全蒸汽硫化一般有两种方式：高温蒸汽进加热排或高温蒸汽进，然后主排，再抽真空；高温蒸汽进加热排，然后低压蒸汽进，再主排、抽真空。其中热排是为了把胶囊中的冷凝水排出。充氮气硫化还需要增加两个步骤，即放气（排出胶囊下部的低温氮气）和查漏（关闭所有阀门，看内压有无下降，以观察有无阀门泄漏）。由于主排时间的长短直接影响到硫化效率，因此主排管径的设定和走向以及辅助措施（如安装排空管）对主排的效果至关重要。抽真空可采用蒸汽或动力水，只需将胶囊

28、从胎里脱出并适当收缩，以便轮胎能轻松取出即可。若抽真空过度，胶囊会紧贴中心机构，上环下降时容易夹破胶囊（B型硫化机）。2.3 轮胎硫化的工艺要求1）本控制系统可设定的硫化曲线，随时可供观察轮胎硫化工程中实际温度、压力变化和设定的曲线进行比较。图2.1分别为温度压力设定曲线。 图2.1 温度控制曲线 图2.2 压力控制曲线2）当温度达不到要求时，根据公式自动计算等效硫化时间，自动进行等效硫化。等效硫化公式（其中硫化温度系数可调）如下：1/2=K (t2-t1)/101温度为t1的硫化时间2温度为t2的硫化时间K硫化温度系数（该系数根据产品不同为可变值）（3）温度控制精度为1（0160）4）蒸汽压

29、力控制精度0.02Mpa5）测温输入点为9点，即罐体上，中，下各3点。每一测温与同层的实际误差保证在1以内。6）罐体上、下的温度差超过输入的设定温度时，自动排放罐底冷凝水，保证硫化罐体内温度的平稳性、均一性，在排放冷凝水后一分钟内允许有2的误差。2.4 硫化过程的主要问题目前，轮胎生产的硫化过程面临着两个主要问题。1）如何提高轮胎内部各点硫化程度的均匀性。由于橡胶是热的不良导体，硫化中，靠近热源的轮胎表面温度变化较快，而内部温度变化较慢，造成了轮胎内外硫化程度的不均匀。同时，轮胎内部各部分的组成材料是不同的，图2.3为轮胎的截面图。其中，胎冠是整个轮胎温度最高、厚度较大的部位，主要包括气密层、

30、胎体和钢丝带束层等几个部分，各部分材料的物性差别很大；胎肩是轮胎中厚度最大的部位，其组成材料种类较多，传热过程很复杂，最容易“欠硫”；胎侧是轮胎中最薄弱的部位，它最易“过硫”。轮胎内部组成材料的不均匀必然导致其内部温度上升速度的不均匀，最终使得其内部各区域硫化程度的不均匀。 图2.3 轮胎截面图2）如何准确确定轮胎的硫化时间。硫化中，外界条件一般存在一定的波动，它对轮胎的硫化效应影响很大。常规硫化时间采用固定周期法，不考虑硫化过程边界条件的波动情况，每个轮胎的硫化周期都是同一设定值，硫化时间整定按系统参数变化最坏的情况进行，采取“宁过勿欠”的方针，这必然导致多数情况下轮胎过硫，从而影响产品质量

31、和硫化效率。对于问题（1），通过国内外学者的大量研究，一般从两方面来解决，一方面通过制定新的材料配方，使硫化过程中轮胎内部各区域的温度上升速度基本一致；另一方面，通过在硫化前对轮胎进行预热，使硫化开始时，轮胎内部保持较高的温度，从而加快轮胎内部各点的硫化速度，以达到硫化程度的内外均。对于问题（2），需将固定周期修改为可变周期，每个轮胎的硫化时间需根据外界条件的波动而动态确定。第三章 虚拟仪器3.1 虚拟仪器技术概述3.1.1 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，

32、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

33、的结合起来。3.1.2 虚拟仪器的特点及优势虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心，如图3.1所示，其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。虚拟仪器中应用程序将可选硬件（如GPIB，VXI，RS-232，DAQ板）和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。源代码库函数为用户构造自己的虚拟仪器（VI）系统提供了基本的软件模块。由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试

34、要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的VI系统而不丢失己有的硬件和软件资源。图3.1虚拟仪器开发框图虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。虚拟仪器技术十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器” 。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；它操作灵活，完

35、全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程。3.1.3 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3-1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。1）传统仪器的面板只有一个，上面布置了种类繁多的显示和操作元件。由此导致许多识读和操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化和面

36、板布置的简洁化，从而提高操作的正确性和便捷性。同时，虚拟仪器的面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受标准元件和加工工艺的限制，由编程来实现，设计者可以根据用户的要求和操作需要来设计仪器面板。2）在通用硬件平台确定后，软件取代传统仪器中由硬件完成的仪器功能。3）仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义，不是事先由厂家定义的。4）仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，不需购买新仪器。5）虚拟仪器开放、灵活，与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。6）由于其以PC为核心，使得许多数据处理的过程不必像过去那样由测试仪器本身来完成，而是在软件的支持下，利用PC机CPU的强大的数据处理功能来

37、完成，使得基于虚拟仪器的测试系统的测试精度、速度大为提高，实现自动化、智能化、多任务测量。7）可方便地存贮和交换测试数据，测试结果的表达方式更加丰富多样。8）虚拟仪器在高性价比的条件下，降低系统开发和维护费用，缩短技术更新周期。表3-1 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，操作不便近年来，随着网络技术的发展，己经形成了网络虚拟仪器。这是一种新型的基于W

38、eb技术的虚拟仪器，使得虚拟仪器测试系统成为Internet/Intranet的一部分，实现现场监控和管理。在当前流行的C/S/D网络模式下，利用嵌入式技术（包括数据库嵌入和网络模块的嵌入）可以充分利用有效资源，提高测试效率。3.1.4 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

39、仪器功能，虚拟仪器主要是指这种方式。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3.2所示。图3.2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。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语言（如LabVIEW）编写而成

40、，并可通过Internet实现网络扩展。3.1.5 虚拟仪器I/O接口设备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，如图3.3所示。图3.3 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

41、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。2）GPIB(General Purp

42、ose 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

43、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）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 Windo

44、ws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、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。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

45、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。3.1.6 虚拟仪器的软件结构虚拟仪器技术的核心是软件，其软件基本结构如图3.4所示。用户可以采用各种编程软件来开发自己所需要的应用软件。以美国NI公司的软件产品LabVIEW和LabWindows/CVI为代表的虚拟仪器专用开发平台是当前流行的集成化开发工具。这些软件开发平台提供了强大的仪器软面板设计工具和各种数据处理工具，再加上虚拟仪器硬件厂商提供的各种硬件的驱动程序模块，简化了虚拟仪器的设计工作。随着软件技术的迅速发展，软件开发的模块化、复用化，和各种硬件仪器驱动软件的模块化、标准化，虚拟仪器软件开发将变得更加快速

46、、方便。图3.4虚拟仪器软件结构3.1.7 虚拟仪器的开发语言虚拟仪器系统的开发语言有：标准C，Visual C+ ，Visual Basic等通用程序开发语言。但直接由这些语言开发虚拟仪器系统，是有相当难度的。除了要花大量时间进行测试系统面板设计外，还要编制大量的设备驱动程序和底层控制程序。这些工作对于那些不熟悉这方面知识的工程设计人员来说，要花费大量时间和精力，这样直接影响了系统开发的周期和性能。除了通用程序开发语言以外，还有一些专用的虚拟仪器开发语言和软件，其中有影响的开发软件有：NI公司的LabVIEW，LabWindows/CVI。LabVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软

47、件。LabWindows/CVI是为熟悉C语言的开发人员准备的，是在Windows环境下的标准ANSIC开发环境。除此以外还有HP公司的HP-VEE ，HP-TIG开发平台，美国Tektronix公司的Ez-Test ，Tek-TNS平台软件，这些都是国际上公认的优秀的虚拟仪器开发软件平台。3.1.8 图形化虚拟仪器开发平台LabVIEWLabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-23

48、2和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/PI、ActiveX等软件标准的库函数，是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都更加形象化。传统的文本式编程是一种顺序的设计思路，设计者必须写出执行的语句。而LabVIEW是基于数据流的工作方式，同时是基于图形化的编程，这使得设计者不必掌握大量的编程语言和程序设计技巧便可设计出虚拟仪器系统。目前，在以PC机为基础的测试和工控软件中，LabVIEW的市场普及率仅次于C+/C语言。LabVIEW具有一系列无与伦比的优点：首先，LabVIEW作为图形化语言编程，采

49、用流程图式的编程，运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常相似；同时，LabVIEW提供了丰富的VI库和仪器面板素材库，近600种设备的驱动程序(可扩充)如GPIB设备控制、VXI总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储；并且LabVIEW还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够设置断点，调试过程中可以使用数据探针和动态执行程序来观察数据的传输过程，更加便于程序的调试。因此，LabVIEW受到越来越多工程师、科学家的普遍青睐。利用LabVIEW ，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32编译器。像许多通用的软件一样，LabVI

50、EW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh OS等多种版本。3.1.9 基于LabVIEW平台的虚拟仪器程序设计所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器(VI)，它包括前面板(Front Panel)、流程图(Block Diagram)以及图标/连结器(Icon/Connector)三部分。1）前面板：前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制和显示对象。但并非画出两个控件后程序就可以运行，在前面板后还有一个与之对应的流程图。2）流程图：流程图提供VI的图形化源程序。在流程图中对VI编

51、程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。如果将VI与传统仪器相比较，那么前面板上的控件对应的就是传统仪器上的按钮、显示屏等控件，而流程图上的连线端子相当于传统仪器箱内的硬件电路。在许多情况下，使用VI可以仿真传统仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与传统标准仪器相差无几。这种设计思想的优点体现在两方面： 类似流程图的设计思想，很容易被工程人员接受和掌握，特别是那些没有很多程序设计经验的工程人员。 设计的思路和运行过程清晰而且直观。如通过使用数据探针、高亮执行调

52、试等多种方法，程序以较慢的速度运行，使没有执行的代码显示灰色，执行后的代码会高亮显示，同时在线显示数据流线上的数据值，完全跟踪数据流的运行。这为程序的调试和参数的设定带来诸多的方便。3）图标/连接设计：这部分的设计突出体现了虚拟仪器模块化程序设计的思想。在设计大型自动检测系统时一步完成一个复杂系统的设计是相当有难度的。而在LabVIEW中提供的图标/连接工具正是为实现模块化设计而准备的。设计者可把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个都可完成一定的功能。这样设计的优点体现在如下几方面： 把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，程序设计思路清晰，给设计者调试程序带来了诸多的方便。同时也对于将来

53、系统的维护提供了便利。 一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个子系统都是一个完整的功能模块，这样把测试功能细节化，便于实现软件复用，大大节省软件研发周期，提高系统设计的可靠性。 便于实现“测试集成”和虚拟仪器库的思想。同时为实现虚拟仪器设计的灵活性提供了前提。3.2 数据库技术3.2.1 数据库技术数据库技术主要研究如何存储、使用和管理数据，是计算机数据管理技术发展的新阶段，也是计算机技术中发展最快、应用最广的技术之一。当前，数据库技术已成为现代计算机信息系统和应用系统开发的核心技术，数据库已成为计算机信息系统和应用系统的组成核心，从某种意义来讲，数据库的建设规模、数据库信息量的大小和使用

54、频度已成为衡量一个国家信息化程度的重要标志。3.2.2 数据库技术概述数据库技术涉及到以下几个最重要的概念：1）数据库(DataBase)是长期储存于计算机内、有组织的、可共享的数据集合。数据库中的数据按一定的数据模型组织、描述和储存，具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展性，并可为一定范围内的各种用户共享。数据库不仅要反映数据本身的内容，而且要反映数据之间的联系。在数据库中用数据模型（DataModel）这个工具来抽象、表示和处理现实世界中的数据和信息。2）数据模型是数据特征的抽象，描述的是数据的共性。数据模型应满足三个方面的要求：一是能比较真实地模拟现实世界；二是容易为人们所理解；三是

55、便于在计算机上实现。一种数据模型要很好地满足这三个方面的要求在目前尚很困难，在数据库系统中针对不同的使用对象和应用目的，采用逐步抽象的方法，在不同层次采用不同的数据模型，一般分为三层，即物理层、逻辑层和概念层。物理层是数据抽象的最低层，用来描述数据物理存储结构和存储方法。逻辑层是数据抽象的中间层，描述数据库数据整体的逻辑结构。概念层是抽象级别的最高层，其目的是按用户的观点来对世界建模。例如实体联系模型（Entity-Relational Model，简称ER模型）。3）数据库管理系统（DBMS，DataBase Management System）是操纵和管理数据库的软件系统，它由一组计算机程

56、序构成，管理并控制数据资源的使用。如图3.5。它是数据库系统的核心，主要是实现对共享数据有效的组织、管理和存取，它的基本功能包括以下几个方面：图3.5数据管理 数据定义功能：对数据库的结构进行描述，包括外模式、模式、内模式的定义；数据库完整性的定义；安全保密定义（如用户口令、级别、存取权限）；存取路径（如索引）的定义等。 数据操纵功能：DBMS还提供数据操纵语言，用户可以使用DML操纵数据，实现对数据库的基本操作，如检索、插入、删除和修改等。DML有两类：一类是宿主型语言，一类是自立型语言。 数据库的运行管理：数据库在建立、运用和维护时由数据库管理系统统一管理、统一控制，以保证数据的安全性、完

57、整性、多用户对数据的并发使用及发生故障后的系统恢复，从而保证数据库系统的正常运行。 数据组织、存储和管理功能：DBMS要分类组织、存储和管理各种数据，包括数据字典、用户数据、存取路径等。 数据库的建立和维护功能：它包括数据库初始数据的输入、转换功能，数据库的转储、恢复功能，数据库的重组织功能和性能监视、分析功能等。 其他功能：DBMS与网络中其他软件系统的通信功能、DBMS之间或文件系统的数据转换功能；异构数据库之间的互访和互操作功能等。通过虚拟仪器进行数据库操作的优点是：1、安全性得到保证。2、具有通用性，可以针对不同的虚拟仪器建立不同的数据库。3、数据管理工作更加高效、便捷，减少了数据冗余

58、，数据实现了结构化，数据具有独立性，有统一的数据控制功能。4、提高系统的开发效率。在数据库数据模型及各部分功能模块方案确定以后，各部分功能模块只针对数据库，因此其开发调试工作可以独立开展，互不影响，明显提高了程序的开发效率。3.2.3 ADO与数据库的交互技术ADO是独立于开发工具和开发语言的数据访问接口，它提供了程序开发人员、应用程序实时存取各类数据库的能力，可以轻松地完成对各类数据库的查询，存取等操作。ADO又被称为通用数据访问(UDA)，其数据源包括数据库，电子邮件，文件，文本，图形等。使用ADO不仅可以读取Access和SQL Server数据库，也可以读取其他与ODBC兼容的数据库。

59、ADO对数据库的操作步骤一般分为如下几步： 创建数据源名(DSN)； 创建数据库连接(Connection)； 创建数据库对象； 操作数据库； 关闭数据库对象和连接。3.2.4 ACCESS数据库介绍Microsoft Access是一种关系式数据库，关系式数据库由一系列表组成，表又由一系列行和列组成，每一行是一个记录，每一列是一个字段，每个字段有一个字段名，字段名在一个表中不能重复。表与表之间可以建立关系（或称关联，连接），以便查询相关联的信息。Access数据库以文件形式保存，文件的扩展名是MDB。 Access 数据库由七种对象组成，它们是表、查询、窗体、报表、宏、页和模块。1）表(Ta

60、ble) 表是数据库的基本对象，是创建其他5种对象的基础。表由记录组成，记录由字段组成，表用来存贮数据库的数据，故又称数据表。2）查询(Query)查询可以按索引快速查找到需要的记录，按要求筛选记录并能连接若干个表的字段组成新表。 3）窗体(Form)窗体提供了一种方便的浏览、输入及更改数据的窗口。还可以创建子窗体显示相关联的表的内容。窗体也称表单。 4）报表(Report)报表的功能是将数据库中的数据分类汇总，然后打印出来，以便分析。 5）宏(Macro)宏相当于DOS中的批处理，用来自动执行一系列操作。Access列出了一些常用的操作供用户选择，使用起来十分方便。6）模块(Module)模

61、块的功能与宏类似，但它定义的操作比宏更精细和复杂，用户可以根据自己的需要编写程序。模块使用Visual Basic编程。7）页是一种特殊的直接连接到数据库中数据的一种WEB页。通过数据访问页将数据发布到Internet 或Intranet上，并可以适用浏览器进行数据的维护和操作。Access是一种关系型数据库管理系统，其主要特点如下：1）存储方式单一Access管理的对象有表、查询、窗体、报表、页、宏和模块，以上对象都存放在后缀为（.mdb）的数据库文件种，便于用户的操作和管理。2）面向对象Access是一个面向对象的开发工具，利用面向对象的方式将数据库系统中的各种功能对象化，将数据库管理的各

62、种功能封装在各类对象中。它将一个应用系统当作是由一系列对象组成的，对每个对象它都定义一组方法和属性，以定义该对象的行为和外国，用户还可以按需要给对象扩展方法和属性。通过对象的方法、属性完成数据库的操作和管理，极大地简化了用户的开发工作。同时，这种基于面向对象的开发方式，使得开发应用程序更为简便。3）界面友好、易操作Access是一个可视化工具，是风格与Windows完全一样，用户想要生成对象并应用，只要使用鼠标进行拖放即可，非常直观方便。系统还提供了表生成器、查询生成器、报表设计器以及数据库向导、表向导、查询向导、窗体向导、报表向导等工具，使得操作简便，容易使用和掌握。4）集成环境、处理多种数

63、据信息Access基于Windows操作系统下的集成开发环境，该环境集成了各种向导和生成器工具，极大地提高了开发人员的工作效率，使得建立数据库、创建表、设计用户界面、设计数据查询、报表打印等可以方便有序地进行。5）Access支持ODBC（开发数据库互连，Open Data Base Connectivity），利用Access强大的DDE（动态数据交换）和OLE（对象的联接和嵌入）特性，可以在一个数据表中嵌入位图、声音、Excel表格、Word文档，还可以建立动态的数据库报表和窗体等。Access还可以将程序应用于网络，并与网络上的动态数据相联接。利用数据库访问页对象生成HTML文件，轻松构建Internet/Intranet的应用。 第四章 数据采集技术、信号测量及调理4.1 数据采集技术概论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。假设现在对一个模拟信号x(t)每隔t时间采样一次。时间间隔t被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数l/t被称为采样频率，单位是采样数/每秒。t0，t，2t，3t等等，x(t)