基于虚拟仪器的测控技术
基于虚拟仪器技术的模块化测控实验系统
・
第 １ 期
实 验 科 学 与 技 术
・ｌ ｌ・ ８
仪器设备研制、改进、检修 ・
基 于 虚 拟 仪 器 技 术 的 模 块 化 测 控 实 验 系统
孟 凡喜 ，蒋 玉强 ，王 禹桥
（ 中国矿业大学机 电学院，江苏 徐州 ２１１） ２ １６
摘 要 ：介 绍 了一 种 新 型 测 控技 术 实验 系统 ，主要 由传 感 器模 块 、信 号调 理 模 块 、数 据 采 集 器 和 计 算 机 组 成 。 模 块 化 的 组 合
大纲 中 ，测控 技术 系 列 实 验 作 为持模 块 ，包 括传 感器
模块组 、信号 调理模 块组 、典 型执 行元件 和其 他 附
文 献 标 识 码 ：Ｂ
文 章 编 号 ：１７ ４ ５ （０ ０ ０ — １ １ ４ ６ ２— ５０ ２ １ ） １ ０ ８ —０
Ｍ ｏ ｕ ａ ｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ｔａ ｄ Ｃｏ ｔ ｏ ｐ ｒ ｍ ｅ ｔ Ｓ ｓｅ ｆ ｔ ｄ ｌ ｒ Ｍ ａ ｕ ｅ ｎ ｎ ｎ ｒ ｌＥｘ ｅ ｉ ｎ ｙ ｔ ｍ ｏ ｈｅ
投入 ，提 升人才 培养质 量 的 良好 效果 ，是对 现有 实 验教 学 的有 益补 充和延 伸 。 同时 它可用 于其 他机 电
类专业 课程 如 虚拟 仪 器 技术 、传 感 器 与 检 测 技术 、
计算 机控 制 技 术 、控 制 工 程 基 础 等 课 程 的实 验 学
习。
２ 方 案 设计
Ｖｉ ｔ ａ ｎ ｔ ｕ ｅ ｔＴｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｒ ｕ ｌＩ ｓ ｒ ｍ ｎ ｃ ｎ ｌ ｇ
ＭＥ ａ —ｉ ＪＡＮＧ Ｙｕ ｑａ ｇ， Ｗ ＡＮ Ｙ — ｉｏ ＮＧ Ｆ ｎ ｘ ， Ｉ －ｉｎ Ｇ ｕ ｑａ
基于虚拟仪器技术的网络化车辆测控系统研究
线技术和软件工程方法 ，代表了测量仪器与 自动测试系 统未来 的发展方向。近年来，以改善交通秩序 、缓解交
通拥挤和减少 由交通产生的环境污染为 目标 ，综合信息
构成虚拟仪器的硬件体系有两部分 ： １ 计算机 ：一般 为一台Ｐ ． Ｃ机或 者工作站 ， 它是 硬件平台的核心。 ２ Ｉ０ 口设备 ：主要完成被测输入信号的采集 、 ． ／接
一
，
灵活性差，使用复杂，更新和维护成本高，很不适
图 Ｉ 虚 拟仪 器的硬件 体 系
于车辆检测使用。针对这一状况 ，本平台的开发采用了
收稿 日期 ：２ — ８ ２ ０ ０ — ０８ ９
二 、虚拟仪 器 的软件体 系
虚拟仪器 的软件 体系由两大部分构成
作 者 简介 ：黄 瑞 ，工 学 学士 学位 ，工程 师 。
理想的抗混叠滤波器应 该能除去信号中任何 高于
ｆ／的频率成分，但实际的滤波器都有一个过渡带，必 ｓ２ 须在采样频率和滤波 器类型 的选择之 间进行适当的折 中。在很多应用 中，一阶或者二阶低通滤波器的效果就
自２ 世纪９ 年代 以来 ，在计算机 技术的推动下 ， ０ Ｏ 以虚拟仪器为标志的通用化、智能化和网络化测量仪器 及测试系统得到 了迅猛发展，使得测量仪器和数据采集 系统 的设计方法和实现技术产生了深刻 的变化。所谓虚 拟仪器技术，就是用户在通用计算机平台上，根据测试 任务的需要来定义和设计仪器的测试功能，其实质是充 分利用计算机来实现和扩展传统仪器功能。虚拟仪器技 术综合运用了计算机技术、数字信号处理技术、标准总
虚拟仪器技术 。虚拟仪器的出现可 以说是仪器发展的一 次飞跃 ，它是 电子仪器与计算机技术更深层次的结合 。 利用虚拟仪器技术 ，可以更好的发挥计算机强大的信息 处理功能和 图形界面功能，大大简化测试设备，方便观 察测试结果 ，并可对采 集到的信息进 行各种 分析 、处 理；借助网络技术进一步扩展和完善智能测控技术ｌ。 １ ］
采用虚拟仪器技术加快测控系统发展
采用虚拟仪器技术加快测控系统发展摘要为了提升仪器设计和利用的方便性、快速性，避免过去仪器专用的复杂电路设计，所以采取虚拟仪器技术。
这种技术还提升了仪器的灵活性，因为不管什么样的功能只要通过软件对程序进行修改就可以完成各大仪器的功能，同时还节省了对特定仪器购买的费用。
本篇文章就是根据虚拟仪器的构思来实现它在实际测控系统中的应用。
关键词虚拟仪器；数据采集；lab windows/cvi；继电器盒中图分类号tp392 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2013）88-0232-01所谓虚拟仪器就是伴着计算机技术、电子仪器、现代测量技术的发展而产生的一种新仪器，它基于计算机的基础加上专门的设计硬件与软件，不仅拥有和传统仪器的操作面板还具有传统仪器所不具备的特殊功能。
虚拟仪器是利用一种新型的观念设计和发展的仪器，它主要是依靠高性能的模块化硬件以及比较高效灵活的软件来完成自动测试、仪器设计、历程制约、自动化以及数据浅析的应用。
它依赖于计算机平台，根据用户的要求来自行设定功能，并且充分利用计算机上最新的技术完成和发展传统仪器的功能，它把仪器的硬件软件化，因此虚拟仪器标志着当前测试仪器的其中一个发展方向。
1虚拟仪器的组成和特征1）虚拟仪器的组成。
虚拟仪器的组成主要是对以硬件电路设计、软件设计两方面的进行考虑。
就目前我们所需要完成的测试设备而言，硬件电路的设计通常都是要选择各种现有的具有不同功能的板卡和信号调理板来建立。
只要将拥有一种或者多种功能的板卡与信号调理板结合在一起组件起来这就能组成不同的虚拟仪器；2）虚拟仪器的特征。
虚拟仪器的概念突破了传统仪器的概念，它是计算机和仪器仪表相互结合的产物。
和传统仪器相比较，虚拟仪器具有高效的灵活性，计算机用户可以根据自身的需求来改编软件达到重新定义功能的目的。
对于虚拟仪器而言，硬件和软件都具有模块化、开放化、可循环利用以及互换性等特征。
虚拟仪器的核心是软件，并且用户可以根据需要来定义仪器功能。
基于虚拟仪器的远程测控技术研究
三 至
Ｇ ｇｙＪ ｕ 。ｙｕｉ ｎｉ ｈ ｓ
基于虚拟 Leabharlann 器 的远程测控 技术研究 冯 国庆
（ 天津工业大 学机 械工程学院， 天津 ３ ０ ８ ） ０ ３ ７ 摘 要： 分析 了虚拟仪器技术系统 的构成， 并对虚拟仪器远程测控技术中的基 于 Ｄ ｔＳ ｃｅ 技术的远 程测控 和基于 Ｎｅ ａａ ｏｋ ｔ ｔ ＤＤＥ技术 的数据通信技
Ｍａａｅ 和 Ｄ ｔ ｏｋｔ ｅｖｒ ｎｇｒ ａ Ｓｃｅ Ｓｒｅ 函数 库 这 几个 工 具软 件 ， ａ 以及 通 用 资
基于虚拟仪器技术的电磁阀综合特性测控系统
ｔｃ ｎｑ ｅ ａｅｄ ｓｇ ｅ ． ｐ ｅ ｓ ｒ ｔｐ ｍｅ ｓ ｒｎ ｔ ｏ ｔ ａｇ ｒｎ ｅａ ｄｈ ｇ ｃ ｕ ａ ｙ ｉ ｇｖ ｎ Ａｔ ａ ｔ ｅ ｈ ｉｕ ｅ ｉｎ ｄ Ａ ｒ ｓｕ ｅｓｅ — ａ ｕ ｉｇ ｍｅｈ ｄ ｗｉ ｌｒ￣ ａ ｇ ｎ ｉｈ ａ ｃ ｒｃ ｓ ｉ ｅ ． ｓ， ｒ ｈ ｌ
第３卷 第２ ｌ 期 ２１ ０ ０年 ２月
仪
器
仪
表
学
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Ｃｈ ｎ ｓ ｏ ｒ ａ ｆ ｃｅ ｔ ｃ Ｉ ｓｒ ｍｅ ｔ ｉｅ ｅＪ ｕ ｎ ｌ ｉｎ ｉ ｎ ｔ ｏ Ｓ ｉ ｆ ｕ ｎ
Ｆｅ ２０１ ｂ． ０
基 于虚 拟 仪 器 技 术 的 电磁 阀 综 合 特 性 测 控 系统
术 的电磁 阀综合特性测控系统 。 该系统实现 了电磁 阀综合特性 的各项测试 和测试过程 中的 自动控制 ， 大大提高 了电磁 阀综合
特 性 测 试 的测 试 精 度 和 效 率 。简 要 说 明 了 电磁 阀 综 合 特 性 试 验 的 内容 ；介 绍 了流 体 试 验 台架 ；设 计 了采 用 虚 拟 仪 器 技 术 开 发 的测 试 系 统 软 件 和 硬 件 部 分 ； 出 了实 现 大 范 围且 高 精 度 压 力 测 量 的压 力 分 级 测 量 方 法 ； 后 提 出 了测 控 系 统 实 现 精 确 压 力 给 最 控 制 的 控 制 策 略 并 通 过 具 体 的 测 试 结 果 给 以验 证 。 关 键 词 ： 电磁 阀 ： 测 试 ； 控 制 ； 虚 拟 仪 器 技 术
ｃ ｄ ｒ ｕ ｏｍ ａｉ ａｌ Ｔｅ ｔｅ ｃｅ ｃ ｎ ｃ ｕ ａ ｙ ａ ｅ ｉ ｐ ｏ ｅ Ｉ ｈ ｓｐ ｐ ｒ ｔ ｅ ｃ ｔ ｎ ｓｏ ｙ ｔ ｅ ｉ ｅ ｆ ｒ — ｅ ｕ ｅａ ｔ ｔｃ ｌｙ． ｓ ｆ ｉｎ ｙ ａ ｄ ａ ｃ ｒ ｃ ｍ ｒ ｖ ｄ． ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ， ｈ ｏｎ ｅ ｔ ｆｓ ｎ ｈ ｔｃ ｐ ｒ ｏ ｉ ｒ ｍ
基于虚拟仪器的分布式温度测控系统设计
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｉ ｐ ｐ ｒ ｄ ｓ ｒｂ ｓ ａ ｄ ｓｒ ｕ ｅ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｃ ｎ ｒ ｌ ｙ ｔ ｍ ａ ｅ ｎ ｖｒｕ ｌ ｉ ｓｒ ｍｅ ｔ ｈ ｓ ｒ ｃ ： ｈ ｓ ａ ｅ ｅ ｃ ｉ ｅ ｉｔ ｂ ｔ ｄ ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ｏ ｔ ｓ ｓｅ ｂ ｓ ｄ ｏ ｉｔ ａ ｎ ｔ ｉ ｏ ｕ ｎ ．Ｔ ｅ ｏ ｅ ａｌａ ｃ ｉ ｃｕ ｅ ｏ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｃ ｎ ｒ ｌｓ ｓｅ ｉ ｒ ｓ ｎ ｅ ． ｄ ｔ ｈ ａ ｈ ｃ ｍｐ ｎ ｎ ｆｔ ｅ ｓ ｓｅ ｖ ｒ ｌ ｒ ｈ ｔ ｔ ｒ ｆｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ｏ ｔ ｙ ｔｍ ｓ ｐ ｅ ｅ ｔ ｄ Ａｎ ｏ ｔ ｅ ｅ ｃ ｏ ｏ ｅ ｔｏ ｈ ｙ ｔ ｍ，ｉ ｅ ｏ ｔ ｓ ｈ ｒ ｗ ｒ ｏ ｓ ｔ ｔ ｓ ａ ｄ ｓ ｆ ｒ ｅ ｌ ａｉ ｎ ａ ｅ ｅ ｐ ａｎ ｄ ｉ ｅａ ｌ Ａｆ ｒｔ ｅ ｃ ｍｍｉｓｏ ｉ ｇ ｔ ｅ ｓ ｓｅ ｒ ｎ ａ ｄ ａ ｅ ｃ ｎ ｔ ｕ ｅ ｎ ｏｔ ｅ ｒ ａｉ ｔ ｒ ｘ ｌ ｉ ｅ ｎ ｄ ｔ ｉ ｉ ｗａ ｚ ｏ ． ｔ ｈ ｏ ｅ ｓ ｉ ｎ ｎ ， ｈ ｙ ｔ ｍ ｓ ｕ ｓａ ｌ ，ｈ ｓ ｏ ｌｔ ｄ ｍｕ ｔ ｏｎ ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ｄ ｔ ｃ ｌ ｃ ｉｎ ｎ ｌｓｓ ｃ ｎ ｒ ｌ ｉｐ ａ ，ｓｏ ａ ｅ ｎ ｏｈ ｒ ｔ ｂ ｙ ａ ｃ ｍｐ ｅ ｅ ｌ ｐ ｉｔ ｅ ｅ ａｕ ｅ ａ ａ ｏ ｌ ｔ ，ａ ａ ｙ ｉ， ｏ ｔｏ ，ｄ ｓ ｌ ｙ ｔ ｒ ｇ ａ ｄ ｔ ｅ ｉ ｅ ｏ ｆ ａｕ ｅ ． ｈ ｎ ｉ ａｏ ｓ ｍｅ ｔｔ ｅ ｓ ｓｅ ｒ ｑ ｉ ｍｅ ｔ． ｅ ｔ ｒ ｓ Ｔ ｅ ｉ ｄ ｃ ｔ ｒ ｅ ｈ ｙ ｔ ｍ ｅ ｕ ｒ ｅ ｎｓ
基于虚拟仪器的阻抗自动测量系统的研究
基于虚拟仪器的阻抗自动测量系统的研究摘要随着计算机技术的发展，仪器仪表领域也开始发生巨大的变化，从传统仪器、智能仪器开始向虚拟仪器发展。
虚拟仪器以其强大的存储、数据显示和数据分析优势，逐渐受到重视。
虚拟仪器技术通过软件将计算机与仪器硬件相结合，很好地将计算机强大的数据处理能力和仪器硬件的现场测量、控制结合在一起。
不仅降低了仪器的生产成本，还提高了仪器的性能，从而得到广泛的应用。
另外，随着现代科学技术的进步，阻抗的测量逐渐成为各类电子产品的研究基础。
目前，阻抗测量技术已在生物医学、工业测控、电力控制等领域有广泛的应用。
为了满足高校实验室对电子元器件及其附属参数的测量需求，本文设计了一种基于虚拟仪器的阻抗测量系统。
本文通过将虚拟仪器技术与传统硬件相结合，设计实现了一种通过伏安法对阻抗参数进行测量的系统。
其主要工作原理为：将阻抗的测量转换为矢量电压的测量，再利用获得的矢量电压的实部和虚部的数字量与被测参数之间的关系，将其转换为待测量。
本系统主要由硬件和软件两部分构成，硬件部分主要包括通过FPGA设计实现的信号源模块、阻抗/矢量电压转换模块、相敏检波模块、A/D转换模块和通信模块。
其具体的实现主要为利用FPGA设计实现系统正弦激励信号与基准信号的产生；通过相敏检波将采集到的矢量电压信号进行实部和虚部分离；利用低通滤波器滤除干扰信号；再通过A/D转换芯片将采集到的模拟电压信号转换为数字信号；通过系统总线将数据传输到计算机，并对数据进行处理和显示。
软件部分是利用虚拟仪器软件LabVIEW设计实现仪器的数据处理、显示和控制界面，并通过动态链接库的调用来执行仪器操作。
关键字：虚拟仪器技术，阻抗测量，FPGA，LabVIEWResearch of Automatic Impedance Measuring System Based onthe Virtual InstrumentAbstractWith the development of the computer technology, the field of instrumentation begins to change dramatically from traditional instruments and intelligent instruments to virtual instruments. Due to its strong advantages on storage, data display and data analysis, the virtual instruments have gained more attention. Virtual-instrument technology combines the computer and the instrument hardware together using software. It combines the excellent data processing ability of computer with the measurement，and controlling ability of instruments hardware together in this technology. Consequently, not only the cost of the production is reduced, but the instrument performance is also improved. Therefore, the virtual instrument has been widely used.In addition, with the progress of modern science and technology, the measurement of impedance has gradually become the basis of all kinds of electronic products.At present, the impedance measurement technology has been widely used in biomedical science, industrial measurements, power control and other domains.In order to satisfy the measurement requirements of electronic components and their subsidiary parameters in the university laboratory, a kind of impedance measurement system based on virtual instrument is designed in this paper.Based on the combination of virtual instrument technology and traditional hardware, this paper designs and realizes a system to measure the impedance parameters using the volt-ampere method.Utilizing the relationships between the real and the imaginary parts of the voltage vector and the complex impedance, the measurement of the complex impedance can be converted to the measurement quality of the voltage vector. The process can effectively improve the precision of the system.The system consists of two parts: hardware and software. The hardware part is mainly composed of the signal source module designed by FPGA, the conversion module of impedance to voltage vector, themodule. The design and realization of sinusoidal excitation signal and the reference signal is utilized by FPGA. We separate the real and imaginary parts of the voltage vector by the phase sensitive detection, and filter out the interference by a low pass filter. Then the collected signal is converted to a digital signal by an A/D conversion chip. The data will be transmitted to the computer through a communication bus of the system, and then it will be processed and displayed.The software part realizes the data processing, display and control using the virtual instrument software LabVIEW.And the operation of the instrument is performed by calling dynamic link libraries.Keywords:Virtual instrument technology, Impedance measurement, FPGA, LabVIEW目 录第1章绪论 (1)1.1研究背景及意义 (1)1.2国内外研究现状 (2)1.3虚拟仪器技术简介 (4)1.3.1 虚拟仪器概念 (4)1.3.2 虚拟仪器的构成 (4)1.3.3 虚拟仪器的发展 (5)1.4虚拟电子测量系统 (5)1.4.1 虚拟电子测量系统介绍 (5)1.4.2 虚拟电子测量系统的构成 (6)1.5主要研究内容 (7)第2章阻抗测量理论及方法分析 (9)2.1阻抗自动测量系统主要性能和预期指标 (9)2.2阻抗简介 (9)2.2.1 阻抗的定义 (9)2.2.2 阻抗的表达方式 (10)2.2.3 被测件的等效电路 (11)2.3阻抗的测量方法 (12)2.3.1 谐振法 (12)2.3.3 伏安法 (14)2.3.4 网络分析仪法 (15)2.4阻抗测量方法的对比 (16)2.5本章小结 (17)第3章阻抗测量系统的原理及总体设计 (18)3.1阻抗测量系统的原理 (18)3.2系统的总体设计 (22)3.2.1 系统的硬件设计 (22)3.2.2 系统的软件设计 (23)3.3本章小结 (24)第4章系统硬件设计及实现 (25)4.1信号源模块 (25)4.1.1 信号源设计的方案与对比 (25)4.1.2 信号源的实现 (27)4.1.3 FPGA实现 (28)4.2阻抗/矢量电压转换模块 (30)4.2.1 阻抗/矢量电压转换原理 (30)4.2.2 连接电路设计 (31)4.2.3 电路实现 (32)4.3相敏检波模块 (32)4.3.1 相敏检波原理 (33)4.4A/D转换模块 (35)4.4.1 ADS1232芯片 (36)4.4.2 A/D转换电路的实现 (36)4.5通信模块 (36)4.5.1 通信模块工作原理 (36)4.5.2 通信模块的实现 (37)4.6电源转换模块 (38)4.7系统硬件实物图 (38)4.8本章小结 (39)第5章软件设计 (40)5.1系统设备驱动程序 (40)5.2应用程序的开发 (42)5.2.1 LabVIEW简介 (42)5.2.2 软件程序框图 (43)5.2.3 系统前面板设计 (46)5.3本章小结 (46)第6章系统性能测试及误差分析 (47)6.1系统工作流程介绍 (47)6.2数据测试及对比 (48)6.2.1 电阻的测量 (49)6.2.2 电容的测量 (50)6.2.4 附属参数测量 (52)6.3误差分析 (53)第7章总结 (55)7.1本文主要完成的工作 (55)7.2系统存在的不足及展望 (56)参考文献 (57)作者简介及科研成果 (61)致谢 (62)第1章绪论1.1 研究背景及意义测量是我们认识和改造自然界的一种重要手段，对任意一种研究对象，只要想对其进行定量评价，就需要通过测量来实现[1]。
基于虚拟仪器的网络化测控系统
现 了虚拟仪器 网络化 测控系统 的基本构 架． 用户可 以利用 Ｗ ｂ 览器 来访 问和使 用 网络化测 控 系统 的仪器 ｅ浏
设备 ， 完成 网络化 的测控 实验 ． 介绍 了电加热器 的远程 ＰＤ控制实例． Ｉ 关键词 ：虚 拟仪器 ； ａ Ｓｃ ｅ；Ｌ ｂ Ｉ Ｗ；网络化测控 系统 Ｄ ｔ ｏｋ ｔ ａＶ Ｅ ａ
ＤＩ ＮＧ ｎ，ＹＡＮＧ ｎｇ，ＺＨＡＮＧ ｎｇ Ｆａ ＢｉБайду номын сангаасＰｉ Ｌｉ — ｎｇ
（ ｃｏｌｆＥｅｔｃＰ ｗｒ ｎ ｕｏ ａｉ ｎ ｉ ｅｉ Ｓ ａｇ ａ ｎｖｒｔ Ｓｈｏ ｌ ｒ ｏ ｅ ｄＡ ｔｍ ｔ ｎＥ ｇｎ ｒ ｇ， ｈ ｎ ｈ ｉ ｉ ｓｙｏ ｏ ｃｉ ａ ｏ ｅ ｎ Ｕ ｅｉ ｆ
ｓ ｓｅ ｙ ｔ ｍ
ｖｒｕａ ｉ ｓｒ ｍｅ ｔ ｄ ｔｓ ｃ ｅ ； Ｌａ ＶＩ ｉｔ ｌ ｎ ｔｕ ｎ ； ａａ ｏ ｋ ｔ ｂ ＥＷ ； ｎ ｔ ｒ ｅ ｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ｎ ｃ ｎ ｒ ｌ ｅｗｏ ｋ ｄ ａ ｕ ｅ ｎｔ ａ ｄ ｏ ｔｏ
虚 拟 仪 器 （ ｉｕｌＩｓｕ ｅｔＶ ） 由 计 算 Ｖｒ ａ ｎｔ ｍ ｎ， Ｉ 是 ｔ ｒ 机、 模块 化 的功 能硬件 和用 于 数据 分 析 、 信 及 图 通 形 化用 户界 面 的应 用 软 件 有 机 结 合 构 成 的 ， 计 使 算 机成 为具 有各 种 测 量 功 能 的 数 字 化 测 控 平 台 ． 虚拟 仪器 技术 使 得 用 户 可 根 据 测 试 的 需要 ， 自己 设 计 所需 要 的仪 器 系统 ， 用 具 有 一 种 或 多 种 功 利 能 的通用 模块 的合 理组 合 ， 实现 不 同 的仪器 功 能． 随着 计算 机技 术 、 信 技 术 与 仪 器 技 术 的 深 入 发 通 展 和结合 ， 虚拟 仪器 得 到 了进一 步 发展 ． 网络化 测 量系 统 和远程 虚拟 实验 室是 测控 技 术领 域 的研 究 热 点 ’Ｊ ４．