基于虚拟仪器平台的检测系统开发及信号处理方法的应用研究
|
摘要
采用虚拟仪器技术，计算机技术与仪器技术相结合的产物，代表了仪器的最新发展方向，它把传统仪器中的某些硬件乃至整个仪器都用计算机软件替代，这样不仅可以节省硬件开支，而且缩短了研发时间，减小了设计难度。在众多的开发平台中，我们选择NI公司开发的图形化开发平台LabVIEW，这种平台的采用，使得设计者很容易构建复杂虚拟仪器测控系统。
论文探讨了虚拟仪器应用研究的新方向，即虚拟仪器开发平台的功能扩展和基于虚拟仪器技术的应用程序开发。
通用数据采集卡驱动程序开发就是针对虚拟仪器开发平台的功能扩展方面的研究。NI公司的数据采集卡系列相对比较昂贵，很多用户希望采用低价位同型的通用数据采集卡，但LabVIEW对于非NI公司产品是不支持的，所以与开发LabVIEW兼容的通用数据采集卡驱动程序是非常有必要的。在设计中我们充分利用LabVIEW平台的开发性，通过CIN调用代码接口节点、CLFN调用库函数节点及直接利用LabVIEW中In Port，Out Port控件三种方案，通过编制相应软件很好地解决通用数据采集卡驱动程序开发问题。
本论文还介绍了利用虚拟仪器技术开发的两个应用实例，油品含水量智能检测系统设计是基于虚拟仪器平台的应用系统开发方面所做的研究，研究主要涉及如何充分而合理利用虚拟仪器平台的功能控件构建一个集信号采集、存储、分析和处理为一体的测试系统，油品含水量智能检测系统设计，为在这方面的研究提供了一个很好的研究对象。我们采用射频电容法测量油品中的含水量。由于电容传感器存在交叉灵敏度问题，为了解决交叉灵敏度对测量产生的影响，我们引入了多传感器信息融合技术。油品含水量智能检测系统具有测量精度高，操作简便，抗干扰能力强等众多优点。把虚拟仪器技术和信息融合技术这两项新技术有机地结合，应用于油品含水量检测，在国内尚无先例，处于领先水平。
轧机振动在线监测系统设计是针对信号、数据处理方面开展的研究。在轧机振动监测系统设计中，使用了多种信号、数据处理方法，使基于虚拟仪器技术的检测系统具有强大信号、数据分析处理能力这一优势得以充分的体现。
Traditional measurement and automation systems consist of expensive, closed instruments designed for specific tasks. In these traditional systems, the hardware defines the system. Taking advantage of Virtual Instrument Technique, substitute software for the part or the whole of hardware in traditional instruments, saving your both valuable development time and resources. There have many programming languages for developing Virtual Instrument, from which we select graphical programming language LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) which provides an easy means for non-programmers to quickly design and implement complex test and measurement and automation applications.
Data acquisition boards are the most important component in the hardware design of measurement and automation systems. In order to cut down the expense of the whole system, many instrument users prefer to select general data acquisition boards which have the same functions in the measurement process. Therefore, It is necessary to develop the drivers for the general data acquisition boards. The LabVIEW Call Library Function Node (CLFN) and the Code Interface Node (CIN) are block diagram objects that link source code written in a conventional programming language (for example Visual C++) to LabVIEW. Using the two Nodes, we can develop the drivers for general boards. Use the icons of In port and out port to is an another way to solve this problem.
Based on Virtual Instrument Technique, we designed water content in oil detector. The dielectric constant of water is much greater than that of oil, so they show different properties in the respect of radio-frequency impedance. On the other hand, the system has certain cross sensitivity about the environment which also affects measurement precision. In use of the theory of radio-frequency impedance and concerning the effect of temperature, a method of curved surface fitting is introduced. Compared with results without information-fusion processing, both the temperature stability and the measuring precision compared with results before information-fusion processing were greatly improved.
Monitoring system for the vibration is focused on the research work of signal analysis. The vibration in rolling mills is a ubiquitous problem, which directly influences the quality of armor plate. Also, it is a typical parameter which can be used to analyze the state of rolling mills. Based on the theories of monitoring and diagnosing mechanical systems and combined with the new modern measurement developing workbench (LabVIEW), we designed the online monitoring system for the vibration in rolling mills and solved many problems which can not be solved or are very difficult to deal with them by using traditional ways.
论文探讨了虚拟仪器应用研究的新方向，即虚拟仪器开发平台的功能扩展和基于虚拟仪器技术的应用程序开发。
通用数据采集卡驱动程序开发就是针对虚拟仪器开发平台的功能扩展方面的研究。NI公司的数据采集卡系列相对比较昂贵，很多用户希望采用低价位同型的通用数据采集卡，但LabVIEW对于非NI公司产品是不支持的，所以与开发LabVIEW兼容的通用数据采集卡驱动程序是非常有必要的。在设计中我们充分利用LabVIEW平台的开发性，通过CIN调用代码接口节点、CLFN调用库函数节点及直接利用LabVIEW中In Port，Out Port控件三种方案，通过编制相应软件很好地解决通用数据采集卡驱动程序开发问题。
本论文还介绍了利用虚拟仪器技术开发的两个应用实例，油品含水量智能检测系统设计是基于虚拟仪器平台的应用系统开发方面所做的研究，研究主要涉及如何充分而合理利用虚拟仪器平台的功能控件构建一个集信号采集、存储、分析和处理为一体的测试系统，油品含水量智能检测系统设计，为在这方面的研究提供了一个很好的研究对象。我们采用射频电容法测量油品中的含水量。由于电容传感器存在交叉灵敏度问题，为了解决交叉灵敏度对测量产生的影响，我们引入了多传感器信息融合技术。油品含水量智能检测系统具有测量精度高，操作简便，抗干扰能力强等众多优点。把虚拟仪器技术和信息融合技术这两项新技术有机地结合，应用于油品含水量检测，在国内尚无先例，处于领先水平。
轧机振动在线监测系统设计是针对信号、数据处理方面开展的研究。在轧机振动监测系统设计中，使用了多种信号、数据处理方法，使基于虚拟仪器技术的检测系统具有强大信号、数据分析处理能力这一优势得以充分的体现。
Traditional measurement and automation systems consist of expensive, closed instruments designed for specific tasks. In these traditional systems, the hardware defines the system. Taking advantage of Virtual Instrument Technique, substitute software for the part or the whole of hardware in traditional instruments, saving your both valuable development time and resources. There have many programming languages for developing Virtual Instrument, from which we select graphical programming language LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) which provides an easy means for non-programmers to quickly design and implement complex test and measurement and automation applications.
Data acquisition boards are the most important component in the hardware design of measurement and automation systems. In order to cut down the expense of the whole system, many instrument users prefer to select general data acquisition boards which have the same functions in the measurement process. Therefore, It is necessary to develop the drivers for the general data acquisition boards. The LabVIEW Call Library Function Node (CLFN) and the Code Interface Node (CIN) are block diagram objects that link source code written in a conventional programming language (for example Visual C++) to LabVIEW. Using the two Nodes, we can develop the drivers for general boards. Use the icons of In port and out port to is an another way to solve this problem.
Based on Virtual Instrument Technique, we designed water content in oil detector. The dielectric constant of water is much greater than that of oil, so they show different properties in the respect of radio-frequency impedance. On the other hand, the system has certain cross sensitivity about the environment which also affects measurement precision. In use of the theory of radio-frequency impedance and concerning the effect of temperature, a method of curved surface fitting is introduced. Compared with results without information-fusion processing, both the temperature stability and the measuring precision compared with results before information-fusion processing were greatly improved.
Monitoring system for the vibration is focused on the research work of signal analysis. The vibration in rolling mills is a ubiquitous problem, which directly influences the quality of armor plate. Also, it is a typical parameter which can be used to analyze the state of rolling mills. Based on the theories of monitoring and diagnosing mechanical systems and combined with the new modern measurement developing workbench (LabVIEW), we designed the online monitoring system for the vibration in rolling mills and solved many problems which can not be solved or are very difficult to deal with them by using traditional ways.
引文
[1] 程虎·虚拟仪器的现状和发展趋势·现代科学仪器·1999，4：6～7
[2] 路林古，饶家明·面向仪器与测控过程的图形化开发平台——LabVIEW·电子技术·2000，3：46～49
[3] 刘征·一种新的编程工具——LabVlEW·电子·仪器仪表用户·1996，5：4～6
[4] 应怀樵 虚拟仪器与计算机采集测试分析仪器的发展和展望 测控技术 2000，19(8)：4～6
[5] 张小牛，侯国屏，赵伟·虚拟仪器技术回顾与展望·测控技术·2000，19：22～24
[6] 周箭·虚拟仪器及其技术研究·浙江大学学报·2000，11：686～688
[7] 陈隆道，周箭·虚拟仪器——测试技术的新领域·科技通报·1999，1：24～26
[8] 蔡梅琳，伍钦，杜建中·虚拟仪器技术·电子技术应用·2000，11：8～9
[9] 龙志强，赵海龙·虚拟仪器测试技术研究·仪表技术·2000，3：17～19
[10] 牛仁朝，赵乃煌·虚拟仪器技术的研究及应用·电子仪器仪表用户·1998，4：11～12
[11] 胡生清，幸国全·未来的仪器仪表——虚拟仪器·自动化与仪表·1996，6：5～7
[12] 秦树人·虚拟仪器——测试仪器从硬件到软件·振动、测试与诊断·2000，3：1～3
[13] 王红茹·虚拟仪器——仪器发展的新时代·中国仪器仪表·1997，5：43～45
[14] 周群，雷勇，刘连宇·虚拟仪器设计思想及应用·四川联合大学学报(工程科学版)1998，3：73～77
[15] 董宝文，雷勇，刘奇，涂国强·基于虚拟仪器技术的智能仪器的开发与应用·实用测试技术·2000．5：29～30
[16] 任强，刘桥·虚拟仪器·机械与电子·2000，4：63～64
[17] LabVIEW Measurements Manual · National Instruments Co. of U.S.A · 2000
[18] LabVIEW User Manual · National Instruments Co.of U.S.A · 2000
[19] The Measurement and Automation · National Instruments Co. of U.S.A · 2001
[20] 熊焕庭·LabVIEW中数据采集卡的三种驱动方法·电测与仪表·2001，8：35～37
[21] 汤晓安·一种对虚拟仪器软件LabVIEW进行功能扩展的方法·计算机自动测量与控制·2000，8(6)：63～64
[22] 刘航，徐杜·在LabVIEW中调用C语言的方法及其应用·工业控制计算机·2001，13：30～32
[23] 郭凯，徐诚，吴祥海·国产数据采集卡与LabVIEW5.O的联结方法·南京理工大学学报·2000，6：265～267
[24] 洪添胜，李永刚，罗锡文·LabVIEW中数据采集动态链接库的设计及应用·计算机
自动测量与控制·2000，8(4)：20～22
[25] 陶以政，潘振显·怎样在LabVIEW中调用Win32动态连接库(DLLS)·计算机应用·2000，6：71～73
[26] 李扬，郑莹娜，王思华·国产A／D卡动态链接库设计及其与虚拟仪器平台LabVIEW的适配方法·电测与仪表·1998，10：33～34
[27] 刘刚，范大鹏等·Win95环境下测控软件中端口读写的快速实现·测控技术·2000，19(3)：36～37
[28] Code Interface Reference Manual · National Instruments corporation · 2000
[29] PC-LabCard User's Manual · ADVANTECH Corporation · 1998
[30] 凌玉华，杨欣朵等·射频法重油含水量快速检测系统·湘潭矿业学院学报·1998，13(2)：32～36
[31] 凌玉华，杨欣荣等·重油介质极化机理及含水量检测·中南工业大学学报·1998，29(4)：388～390
[32] 胡春海·基于双比较器的原油含水率测量仪的研究·仪表与装置·2000，1：12～14
[33] 刘连浩，杨欣荣，凌玉华等·重油含水率的测量方法·中南工业大学学报·1998，29(1)：88～90
[34] 孙克辉，杨欣荣，凌玉华等·含水重油电介质的极化机理研究·中国有色金属学报·1997，7(3)：90～92
[35] 刘迎春编著·传感器原理没计与应用·国防科技大学出版社·1995
[36] 刘君华·智能传感器系统·西安电子科技大学出版社·1999，3：264～278
[37] 黄胜华，凌林本，周百令等·多维惯性敏感器信息融合方法·工业仪表与自动化装置·2000(1)：3～4，42
[38] 王祁，聂伟，张兆礼·数据融合与智能传感系统·传感器技术·1998，17(6)：51～53
[39] 何友等编著·多传感器信息融合及其应用·电子工业出版社，2000
[40] 涂国平·多传感器数据融合的稳健处理方法·数据采集与信号处理·1998，13(1)：85～87
[41] 黄瑛等·多传感器数据融合系统的软件实现·传感器技术，1998，17(6)：9～11 1999，21(1)：23～25
[42] 罗桂娥，杨欣荣等·重油含水率测量系统中的信息融合方法·中南工业大学学报·2001，32(3)：322～324
[43] 杨欣荣，罗桂娥等·信息融合技术在油品含水量检测中的应用·基础自动化．2001，
8: 76～79
[44] YANG Xinrong, LUO Gui'e, GUO Yi, LING Yuhua · Multi-sensor poly information fusion technology and its application·SPIE-The International Society for Optical Engineering · 2001,4414:449～454
[45] 涂小强·信息融合的原理与方法概述·电讯技术·1998(3)1～6
[46] 杨欣荣，凌玉华，廉迎战编著·现代测控技术与智能仪器·湖南科学技术出版社·1996，7：136～164
[47] 刘君华编著·现代检测技术与测试系统设计·西安交通大学出版社·285～330
[48] 刘连浩·智能化重油含水率测量系统的研究·中南工业大学硕士学位论文·1998
[49] 孙克辉·重油含水率测量系统的研究·中南工业大学硕士学位论文·1998
[50] 罗杜娥·油品含水量智能检测仪的开发与信息融合技术的研究·中南工业大学硕士学位论文·2001
[51] 陈润泰编著·检测技术与智能仪表·中南工业大学出版社·1995
[52] 虚拟仪器产品资料·北京中科泛华测控技术有限公司，2001
[53] LabVIEW教程·北京中科泛华测控技术有限公司·2001
[54] LabVIEW用户指南·清华大学电机系虚拟仪器实验室·2000
[55] 杨乐平，李海涛，肖相生等·LabVIEW程序设计与应用·电子工业出版社·2002
[56] 虞和济等·轧钢机状态监测与故障诊断·冶金工业出版社·1993
[57] 胡广书·数字信号处理·清华大学出版社·1999
[58] 赵淑清，郑薇·随机信号分析·哈尔滨工业大学出版社·1998
[59] 奥本海姆(Oppenheim，A．V．)(美)，谢弗(Schafer，R．W．)(美)，董士嘉，杨耀增泽·数字信号处理·科学出版社·1980
[60] 全子一·数字信号处理·人民邮电出版社·1988
[61] 王里生，罗永光·信号与系统分析·国防科技大学出版社·1993
[62] Advantech Co. Ltd. PC-LabCard User's Manul·1994
[2] 路林古，饶家明·面向仪器与测控过程的图形化开发平台——LabVIEW·电子技术·2000，3：46～49
[3] 刘征·一种新的编程工具——LabVlEW·电子·仪器仪表用户·1996，5：4～6
[4] 应怀樵 虚拟仪器与计算机采集测试分析仪器的发展和展望 测控技术 2000，19(8)：4～6
[5] 张小牛，侯国屏，赵伟·虚拟仪器技术回顾与展望·测控技术·2000，19：22～24
[6] 周箭·虚拟仪器及其技术研究·浙江大学学报·2000，11：686～688
[7] 陈隆道，周箭·虚拟仪器——测试技术的新领域·科技通报·1999，1：24～26
[8] 蔡梅琳，伍钦，杜建中·虚拟仪器技术·电子技术应用·2000，11：8～9
[9] 龙志强，赵海龙·虚拟仪器测试技术研究·仪表技术·2000，3：17～19
[10] 牛仁朝，赵乃煌·虚拟仪器技术的研究及应用·电子仪器仪表用户·1998，4：11～12
[11] 胡生清，幸国全·未来的仪器仪表——虚拟仪器·自动化与仪表·1996，6：5～7
[12] 秦树人·虚拟仪器——测试仪器从硬件到软件·振动、测试与诊断·2000，3：1～3
[13] 王红茹·虚拟仪器——仪器发展的新时代·中国仪器仪表·1997，5：43～45
[14] 周群，雷勇，刘连宇·虚拟仪器设计思想及应用·四川联合大学学报(工程科学版)1998，3：73～77
[15] 董宝文，雷勇，刘奇，涂国强·基于虚拟仪器技术的智能仪器的开发与应用·实用测试技术·2000．5：29～30
[16] 任强，刘桥·虚拟仪器·机械与电子·2000，4：63～64
[17] LabVIEW Measurements Manual · National Instruments Co. of U.S.A · 2000
[18] LabVIEW User Manual · National Instruments Co.of U.S.A · 2000
[19] The Measurement and Automation · National Instruments Co. of U.S.A · 2001
[20] 熊焕庭·LabVIEW中数据采集卡的三种驱动方法·电测与仪表·2001，8：35～37
[21] 汤晓安·一种对虚拟仪器软件LabVIEW进行功能扩展的方法·计算机自动测量与控制·2000，8(6)：63～64
[22] 刘航，徐杜·在LabVIEW中调用C语言的方法及其应用·工业控制计算机·2001，13：30～32
[23] 郭凯，徐诚，吴祥海·国产数据采集卡与LabVIEW5.O的联结方法·南京理工大学学报·2000，6：265～267
[24] 洪添胜，李永刚，罗锡文·LabVIEW中数据采集动态链接库的设计及应用·计算机
自动测量与控制·2000，8(4)：20～22
[25] 陶以政，潘振显·怎样在LabVIEW中调用Win32动态连接库(DLLS)·计算机应用·2000，6：71～73
[26] 李扬，郑莹娜，王思华·国产A／D卡动态链接库设计及其与虚拟仪器平台LabVIEW的适配方法·电测与仪表·1998，10：33～34
[27] 刘刚，范大鹏等·Win95环境下测控软件中端口读写的快速实现·测控技术·2000，19(3)：36～37
[28] Code Interface Reference Manual · National Instruments corporation · 2000
[29] PC-LabCard User's Manual · ADVANTECH Corporation · 1998
[30] 凌玉华，杨欣朵等·射频法重油含水量快速检测系统·湘潭矿业学院学报·1998，13(2)：32～36
[31] 凌玉华，杨欣荣等·重油介质极化机理及含水量检测·中南工业大学学报·1998，29(4)：388～390
[32] 胡春海·基于双比较器的原油含水率测量仪的研究·仪表与装置·2000，1：12～14
[33] 刘连浩，杨欣荣，凌玉华等·重油含水率的测量方法·中南工业大学学报·1998，29(1)：88～90
[34] 孙克辉，杨欣荣，凌玉华等·含水重油电介质的极化机理研究·中国有色金属学报·1997，7(3)：90～92
[35] 刘迎春编著·传感器原理没计与应用·国防科技大学出版社·1995
[36] 刘君华·智能传感器系统·西安电子科技大学出版社·1999，3：264～278
[37] 黄胜华，凌林本，周百令等·多维惯性敏感器信息融合方法·工业仪表与自动化装置·2000(1)：3～4，42
[38] 王祁，聂伟，张兆礼·数据融合与智能传感系统·传感器技术·1998，17(6)：51～53
[39] 何友等编著·多传感器信息融合及其应用·电子工业出版社，2000
[40] 涂国平·多传感器数据融合的稳健处理方法·数据采集与信号处理·1998，13(1)：85～87
[41] 黄瑛等·多传感器数据融合系统的软件实现·传感器技术，1998，17(6)：9～11 1999，21(1)：23～25
[42] 罗桂娥，杨欣荣等·重油含水率测量系统中的信息融合方法·中南工业大学学报·2001，32(3)：322～324
[43] 杨欣荣，罗桂娥等·信息融合技术在油品含水量检测中的应用·基础自动化．2001，
8: 76～79
[44] YANG Xinrong, LUO Gui'e, GUO Yi, LING Yuhua · Multi-sensor poly information fusion technology and its application·SPIE-The International Society for Optical Engineering · 2001,4414:449～454
[45] 涂小强·信息融合的原理与方法概述·电讯技术·1998(3)1～6
[46] 杨欣荣，凌玉华，廉迎战编著·现代测控技术与智能仪器·湖南科学技术出版社·1996，7：136～164
[47] 刘君华编著·现代检测技术与测试系统设计·西安交通大学出版社·285～330
[48] 刘连浩·智能化重油含水率测量系统的研究·中南工业大学硕士学位论文·1998
[49] 孙克辉·重油含水率测量系统的研究·中南工业大学硕士学位论文·1998
[50] 罗杜娥·油品含水量智能检测仪的开发与信息融合技术的研究·中南工业大学硕士学位论文·2001
[51] 陈润泰编著·检测技术与智能仪表·中南工业大学出版社·1995
[52] 虚拟仪器产品资料·北京中科泛华测控技术有限公司，2001
[53] LabVIEW教程·北京中科泛华测控技术有限公司·2001
[54] LabVIEW用户指南·清华大学电机系虚拟仪器实验室·2000
[55] 杨乐平，李海涛，肖相生等·LabVIEW程序设计与应用·电子工业出版社·2002
[56] 虞和济等·轧钢机状态监测与故障诊断·冶金工业出版社·1993
[57] 胡广书·数字信号处理·清华大学出版社·1999
[58] 赵淑清，郑薇·随机信号分析·哈尔滨工业大学出版社·1998
[59] 奥本海姆(Oppenheim，A．V．)(美)，谢弗(Schafer，R．W．)(美)，董士嘉，杨耀增泽·数字信号处理·科学出版社·1980
[60] 全子一·数字信号处理·人民邮电出版社·1988
[61] 王里生，罗永光·信号与系统分析·国防科技大学出版社·1993
[62] Advantech Co. Ltd. PC-LabCard User's Manul·1994