测控自动化

自动化是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作或控制的过程，其目标是“稳，准，快”。自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。因此，自动化是工业、农业、国防和科学技术现代化的重要条件和显著标志。 现代生产和科学技术的发展，对自动化技术提出越来越高的要求，同时也为自动化技术的革新提供了必要条件。70年代以后，自动化开始向复杂的系统控制和高级的智能控制发展，并广泛地应用到国防、科学研究和经济等各个领域，实现更大规模的自动化，例如大型企业的综合自动化系统、全国铁路自动调度系统、国家电力网自动调度系统、空中交通管制系统、城市交通控制系统、自动化指挥系统、国民经济管理系统等。自动化的应用正从工程领域向非工程领域扩展，如医疗自动化、人口控制、经济管理自动化等。 而在未来几年，中国经济将面临转型，经济转型与节能降耗是分不开的。能源利用效率的提高，要通过自动化来实现。另外在高端装备制造方面，主要以提升自动化水平为主，才能达到节能减排的目的。所以未来自动化市场将出现爆炸式增长。广大仪器仪表供应商肯定也会进行这方面的改良。根据最近由IHSInc.(NYSE:IHS)发布的IMS研究部的相关报告，预测2012年中国和美国市场的相对强势能推动全球工业自动化市场增长9.5%，至1598亿美元。预测全球工业自动化市场到2015年超2000亿美元，自动化市场发展带动了仪器仪表行业发展。 自动化技术的发展趋势是系统化、柔性化、集成化和智能化，根据这一轨迹，自动化仪表将呈现下列发展趋势：①、控制目标由实现过程工艺参数的稳定运行发展为以最优质量为指标的最优控制。②、控制方法由模拟的反馈控制发展为数字式的开环预测控制;由传统的手动定值调节器、PID调节器以及各种顺序控制装置，发展为以微型机构成的数字调节器和自适应调节器。 《仪器仪表行业“十二五”发展规划》指出，到2015年，行业总产值达到或接近万亿元，年平均增长率为15%左右;出口超过300亿美元，将主要围绕国家重大工程、战略性新兴产业和民生领域的需求，加快发展先进自动控制系统、大型精密测试设备、新型仪器仪表及传感器三大重点。同时，基本完成石化、火电、核电、风电、轨道交通等领域典型装备控制系统的自主化，并基本满足以环境保护、食品药品安全、紧急事件公共安全处理为代表的重点领域的需要。

仪器仪表是多种科学技术的综合产物，品种繁多，使用广泛，而且不断更新，有多种分类方法。按使用目的和用途来分，主要有量具量仪、汽车仪表、拖拉机仪表、船用仪表、航空仪表、导航仪器、驾驶仪器、无线电测试仪器、载波微波测试仪器、地质勘探测试仪器、建材测试仪器、地震测试仪器、大地测绘仪器、水文仪器、计时仪器、农业测试仪器、商业测试仪器、教学仪器、医疗仪器、环保仪器等。属于机械工业产品的仪器仪表有工业自动化仪表、电工仪器仪表、光学仪器，分析仪器、实验室仪器与装置、材料试验机、气象晦洋仪器、电影机械、照相机械、复印缩微机械、仪器仪表元器件、电子磅遥控器、仪器仪表材料、仪器仪表工艺装备等十三类。它们通用性较强，批量较大，或为仪器仪表工业所必需的基础。各类仪器仪表按不同特征，例如功能、检测控制对象、结构、原理等还可再分为若干的小类或子类。如工业自动化仪表按功能可分为检测仪表、回路显示仪表、调节仪表和执行器等;其中检测仪表按被测物理量又分为温度测量仪表、压力测量仪表、流量测量仪表、物位测量仪表和机械量测量仪表等;温度测量仪表按测量方式又分为接触式测温仪表和非接触式测温仪表;接触式测温仪表又可分为热电式、膨胀式、电阻式等。其他各类仪器仪表的分类法大体类似，数字地磅遥控器主要与发展过程、使用习惯和有关产品的分类有关。仪器仪表在分类方面尚无统一的标准，仪器仪表的命名也存在类似情况。在现实实际工作中，我们经常将仪器仪表分为两个大类：自动化仪表和便携式仪器仪表，自动化仪表指需要固定安装在现场的仪表，也称现场安装仪器仪表或者表盘安装仪器仪表，这类仪表需要和其他设备配套使用，以完成某一项或几项功能;便携式仪器仪表是指单独使用，有时也叫检测仪器仪表，一般分台式和手持两种。仪器仪表还有一种分类，叫一次仪表和二次仪表，一次仪表指传感器这类直接感触被测信号的部分，二次仪表指放大、显示、传递信号部分。学技术的进步不断对仪器仪表提出更高更新的要求。仪器仪表的发展趋势是不断利用新的工作原理和采用新材料及新的元器件，例如利用超声波、微波、射线、红外线、核磁共振、超导、激光等原理和采用各种新型半导体敏感元件、集成电路、集成光路、光导纤维等元器件。其目的是实现电子称遥控器仪器仪表的小型化，减轻重量、降低生产成本和更便于使用与维修等。另一重要的趋势是通过微型计算机的使用来提高仪器仪表的性能，担高仪器仪表本身自动化、智能化程度和数据处理能力。仪器仪表不仅供单项使用，而且可能过标准接口和数据通道与电子计算机结合起来，组成各种测试控制管理综合系统，满足更高的要求。

摘要:本文描述了基于虚拟仪器思想在实际测控系统中的应用。通过选用多功能数据采集卡和信号调理电路组成自动测试系统,软件开发以专业测控工具LabWindows/CVI为平台,实现了数据采集、分析和处理。使整个测控系统既经济又便于操作,同时易于改进和功能扩展。同时,与基于传统的开发平台的测控系统进行了比较。 　　关键词:虚拟仪器;Labwindows/CVI;数据采集 　　 　　1、引言 　　 　　虚拟仪器是以一种全新的理念来设计和发展的仪器,它是20世纪90年代发展起来的一项新技术。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自动测试、过程控制、仪器设计、数据分析和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面,其基本思想是在仪器设计或测试系统中尽可能用软件代替硬件,即“软件就是仪器”,它是在通用计算机平台上,根据用户需求来定义和设计仪器的测试功能,其实质是充分利用计算机的最新技术来实现和扩展传统仪器的功能,这种测试仪器的硬件功能软件化,给测试仪器带来了深刻的变化,因此虚拟仪器代表了当前测试仪器发展的方向之一。 　　 　　2、虚拟仪器的特点和构成 　　 　　2.1虚拟仪器的特点 　　与传统仪器相比,虚拟仪器具有高效、开放、易用灵活、功能强大、性价比高、可操作性好等明显优点。 　　 　　2.2虚拟仪器的构成 　　虚拟仪器的构建主要从硬件电路的设计、软件开发与设计两个方面考虑。 　　根据目前我们所完成的测试设备,硬件电路的设计一般是选择现有的各种不同功能的板卡以及信号调理板来搭建。所选用板卡的功能包括:高速数据采集和信号转换;信号输出与控制;数据的A/D转换。将具有一种或多种功能的板卡结合信号调理板组建起来,就能构成任何一种虚拟仪器。例如使用高速数据采集板卡和高速实时数据处理就能构成1台示波器、1台数字化仪或 1台频谱分析仪;使用数字量信号输入/输出板卡和实时数据处理就能构成1台函数发生器、1台信号源或1台控制器。 　　 　　3、虚拟仪器在实际测控系统中的应用 　　 　　3.1虚拟仪器在航空机载电子测控系统中的应用 　　测控系统在航空机载成件中起着举足轻重的作用,提高和完善测控系统的精度和测试能力对于整个飞机性能分析具有重要的意义。我们主要完成了基于虚拟仪器的各型继电器盒、各型开关盒测控系统的测试。使用数字采集板及工控机并在LabWindows/CVI开发平台中实现了对整个测试的电压采集、对各型继电器盒的逻辑状态及延时时间进行输出存储和分析。　　3.1.1 测试系统组成 　　整个测控系统由美国NI公司的LabWindows/CVI8.0,研华的1块PCI_1751 48路数字量输入/输出板,2块PCI_1754 64路数字量输入板、2块PCLD_785B 24通道继电器输出板、6块PCLD_782 24通道光电隔离数字量输入板,1块PCL_818L 16通道A/D转换板、若干信号调理板及工控机组成。 　　测控系统的数据采集和处理采用虚拟仪器测量平台。测控部分主要作用是参与被测产品的控制、测试数据处理和量化,驱动测试数据显示;工控机通过数字量输出板,经继电器输出板变换为被测产品的模拟控制信号;从被测产品采集来的电气逻辑信号经光电隔离数字量输入板转换为数字量信号,通过数字量输入板输至工控机;另外,利用A/D转换板来显示电压;利用系统时钟来完成被测产品的时间继电器延时时间的测试。 　　3.1.2 基于虚拟仪器的航空机载电子系统测控平台 　　该平台整体系统采用美国国家仪器公司的虚拟仪器专用开发平台LabWindows/CVI系统。由于CVI在标准C语言(Ansi C)的基础上增加了仪器控制和工具函数库的虚拟仪器开发软件,它的集成化开发平台、交互式编程方法、丰富的面板功能和库函数使其自身功能更加强大,应用更加方便,界面完全能够虚拟真实实物进行设计,使得人机对话界面直观、友好。 　　由于测试的产品种类多,归属性强,因此系统测控平台的用户界面采用下拉菜单式,所需测试的产品一目了然,选用方便。 　　 　　3.2基于虚拟仪器的测控平台在测控系统中的应用所使用的几个关键技术 　　3.2.1 通过采用系统时钟的方法提高软件测时时间 　　在测试过程中要获得延时继电器的时间,一种方法是采用定时器/计数器板专门进行计数,另一种方法是采用系统时钟进行计数。由于所需测试的时间为秒级,要求误差为20%,采用后一种方法完全能达到,一是可以节约成本,二是选购的计算机可不必多配置一个插槽,节省了空间。在程序中使用了以下函数来获取高精度时间,它的精度可以达到毫秒级。 　　3.2.2 在测控系统中运用了数据库管理技术 　　由于Lab Windows/CVI开发平台能够方便使用NI公司开发的SQL工具包,使得大量的测试数据能够以数据库的形式存储、查询。 　　在测控系统中,可以通过所设置的产品名称、件号、时间、测试结果、温湿度、试验者、质控者等字段来进行保存,完成了一套产品的履历记录,通过查询产品的件号、时间等就可以调出每个产品的测试记录,这样就解脱了人工管理的诸多不便,提高了工作效率。 　　3.2.3 调用ActiveX自动化编程技术并打印生成了Excel表格 　　ActiveX自动化是一种能将单个应用程序和其他应用程序结合在一起的方法。通过Lab Windows/CVI提供的ActiveX控件可以直接调用Excel程序,并使用这些控件提供的函数对从Excel表格进行操作,从数据库中读取测试数据,转换并填入单元格,最后自动生成产品正式履历表并进行打印。 　　 　　3.3 基于虚拟仪器的测控平台与一般测控平台比较 　　采用LabWindows/CVI开发工具使得不同的信号可以统一在同一个程序里面实现方便的采集与保存。继电器盒测试系统以前有一个运用Visual C++开发的测试平台,和基于虚拟仪器的测控平台相比,它们在本系统中功能的实现和维护都存在很大的差距。 　　首先运用Visual C++开发的测试平台不如使用LabWindows/CVI开发的基于虚拟仪器的测控平台简单方便[url=http://www.dttjf.c