基于數(shù)據(jù)采集卡的監(jiān)控系統(tǒng)設計論文

1、XXXXXXX畢業(yè)設計題 目 xxx姓 名 xxx學 號 xxx專業(yè)班級 xxx分 院 xxx指導教師 xxxxxxx年xxx月xxx日摘   要船舶機艙監(jiān)控系統(tǒng)是船舶自動化系統(tǒng)的重要組成部分。船舶機艙的自動化程度在某種程度上就代表了整個船舶自動化系統(tǒng)的先進程度。船舶機艙監(jiān)控系統(tǒng)主要用于輔佐操作人員監(jiān)控各項機組運行參數(shù)的變化情況，一旦發(fā)生異常，立即向操作人員發(fā)出警報，以便操作人員在第一時間檢查警報信號發(fā)生處，并迅速做出處理，以減少非正常情況對船舶動力乃至整個船舶自動化系統(tǒng)造成的損害，從而大大降低船舶的損耗。一直以來，船舶成本低、高效益、無事故是機艙監(jiān)控的目的。因此，研究船舶

2、機艙監(jiān)控系統(tǒng)有很大的必要性和實用性。LabVIEW作為編程語言，編程靈活高效且面對對象，其強大的圖形編輯能力與可視化編程環(huán)境更是快捷簡便；數(shù)據(jù)采集卡作為普遍使用的一種實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的計算機擴展卡，可以通過以太網(wǎng)、USB、火線（1394）等多種型號的總線接入計算機，使用方便。本文主要介紹了基于LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡的船舶機艙監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括了用戶登錄、模擬量采集和開關量采集三部分，其中模擬量部分采集了溫度、壓力、電壓等信號。系統(tǒng)監(jiān)控了船舶運行時主柴油機、輔柴油機、電站、主鍋爐和輔鍋爐的多個相關量。關鍵詞：LabVIEW；監(jiān)控系統(tǒng)；船舶；機艙監(jiān)控；數(shù)據(jù)采集。AbstractShip

3、engine room monitoring system is an important part of automation system. Ship Engine Room Automation To some extent on the degree of automation systems on behalf of the entire ship's advanced level. Main Engine Room Monitoring System For the adjuvant to the unit operator to control the operating

4、 parameters change, if an exception occurs, immediately to the operating For the alarm to the operator at the first warning signal inspection office, and quickly make a deal To reduce the power of non-normal conditions on the ship and even the entire ship automation system damage, thus greatly reduc

5、ing Low ship loss. Has been shipping low cost, high efficiency, no accident was the purpose of monitoring the cabin. Therefore To study the engine room monitoring system have great necessity and practicality. LabVIEW as a programming language, programming, efficient and flexible to face the object,

6、its powerful graphical editor to Force and visual programming environment is quick and easy; data acquisition card as a kind commonly used for data acquisition Function of the computer expansion card, you can via Ethernet, USB, Firewire (1394) and many other types of bus access Into the computer, ea

7、sy to use. In this paper, based on LabVIEW and Data Acquisition ship engine room monitoring system, which Includes a user login, temperature, pressure display, voltage display, digital display and frequency display Parts, the main run-time monitoring of ship diesel engines, auxiliary diesel engines,

8、 power plants, the main boiler and auxiliary boiler of a number of Related content.Keywords:LabVIEW；監(jiān)控系統(tǒng)；船舶；機艙監(jiān)控；數(shù)據(jù)采集目 錄第一章緒論11.1.課題研究目的與意義11.2.機艙監(jiān)控系統(tǒng)國外研究現(xiàn)狀11.3.論文的主要容2第二章 LabVIEW軟件介紹32.1LabVIEW簡介32.1.1LabVIEW概述32.1.2LabVIEW的優(yōu)勢32.2LabVIEW編程環(huán)境42.2.1啟動界面42.2.2控件選板52.2.3函數(shù)選板62.2.4工具欄82.2.5工具選板92.3LabVI

9、EW和數(shù)據(jù)采集11第三章機艙監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計143.1系統(tǒng)組成143.2設計步驟153.2.1用戶登錄153.2.2模擬量采集183.2.3開關量采集23第四章程序仿真264.1用戶登錄仿真264.2模擬量采集部分仿真264.3開關量采集部分仿真27結論28致29參考文獻3029 / 33第一章 緒論1.1. 課題研究目的與意義船舶機艙監(jiān)控系統(tǒng)是船舶自動化系統(tǒng)的重要組成部分，船舶機艙監(jiān)控系統(tǒng)主要用于輔佐操作人員監(jiān)控各項機組運行參數(shù)的變化情況，一旦發(fā)生異常，立即向操作人員發(fā)出警報，以便操作人員在第一時間檢查警報信號發(fā)生處，并迅速做出處理，以減少非正常情況對船舶動力乃至整個船舶自動化系統(tǒng)造成的損害

10、，從而大大降低船舶的損耗1。該系統(tǒng)工作的可靠性直接影響到船舶的安全航行。因此，船舶機艙的自動化程度在某種程度上就代表了整個船舶自動化系統(tǒng)的先進程度。最初的機艙自動化報警系統(tǒng)主要由繼電器和報道提邏輯電路組成，現(xiàn)在已經(jīng)不適合機艙自動化的發(fā)展要求了2。一直以來，船舶成本低、高效益、無事故是機艙監(jiān)控的目的，因此，研究更先進船舶機艙監(jiān)控系統(tǒng)有很大的必要性和實用性。LabVIEW是一個工業(yè)標準的圖形化開發(fā)環(huán)境，它結合了圖形化編程方式的高性能與靈活性，以與專為測試測量與自動化控制應用設計的高端性能與配置功能，能為數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測量分析與數(shù)據(jù)顯示等各種應用提供必要地開發(fā)工具3。數(shù)據(jù)采集卡作為普遍使用的一

11、種實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的計算機擴展卡，可以通過以太網(wǎng)、USB、火線（1394）等多種型號的總線接入計算機，使用方便。因此把LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡相結合應用到船舶機艙監(jiān)測系統(tǒng)具有很好的應用價值。1.2. 機艙監(jiān)控系統(tǒng)國外研究現(xiàn)狀機艙監(jiān)控系統(tǒng)是隨著控制理論和電子技術的發(fā)展而發(fā)展起來的,到目前為止其發(fā)展歷程大致經(jīng)歷了以下四個階段:常規(guī)儀表監(jiān)測階段；電、氣動與中小規(guī)模集成電子模塊組合邏輯監(jiān)控階段；以微機為基礎的集散型監(jiān)控階段；基于現(xiàn)場總線技術的機艙監(jiān)控系統(tǒng)與全船自動化系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控階段。雖然現(xiàn)在船舶機艙監(jiān)控系統(tǒng)已發(fā)展到了即現(xiàn)場總線式全分布式系統(tǒng)(簡稱FCS)，其中有較強實力和影響的有：Foudation

12、Fieldbus ( FF ) 、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dup line等,它們具有各自的特色,并在不同應用領域形成了自己的優(yōu)勢，但至今尚未形成完整統(tǒng)一的國際標準。所以就目前來說集散型監(jiān)控技術已發(fā)展得相當成熟,值得為當前絕大多數(shù)船舶監(jiān)控系統(tǒng)所采用4。目前，先進船舶上的機艙自動監(jiān)控系統(tǒng)大多采用的是多微機分層監(jiān)控系統(tǒng)，這種監(jiān)控系統(tǒng)的結構屬于典型的集散式監(jiān)控系統(tǒng)(DCS) ，一般采用三層結構:下層有若干個分站構成，中間層作為數(shù)據(jù)通信站和顯示報警處理單元，上層由信息管理單元和數(shù)據(jù)分析單元等組成。這種網(wǎng)絡化監(jiān)控系統(tǒng)功能齊全，能實現(xiàn)監(jiān)控、顯示、報警、歷史數(shù)據(jù)存儲等日常全部操

13、作的要求，其分散控制，集中監(jiān)視、操作和管理的系統(tǒng)結構，使監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和安全性得到了提高，代表著船舶自動監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。國外主機監(jiān)測報警正向更高層次的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、信息化、智能化方向發(fā)展。形成以智能化為核心，具有狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、趨勢預報等功能的統(tǒng)一管理、集中監(jiān)測、智能決策和分散控制的新一代綜合主機監(jiān)控管理系統(tǒng)。相關產(chǎn)品如挪威Kongsberg公司的主機遙控系統(tǒng)提供整套的控制系統(tǒng)和解決方案，能夠滿足無人機艙的監(jiān)控要求。該系統(tǒng)基于標準化的硬件和軟件，為客戶提供標準化的接口和直觀的用戶界面；德國Siemens公司的SIMOS IMAC55是一個全開放的模塊化分布式網(wǎng)絡型監(jiān)視、控制和報警系

14、統(tǒng)，其系統(tǒng)的構建均采用了工業(yè)際準組件，各個功能模塊通過網(wǎng)線與設在不同位置的操作站一起形成一個船舶計算機網(wǎng)絡；挪威ABB公司的艦船Integrate Automation System采用了三層網(wǎng)絡結構，其信息層采用以太網(wǎng)，控制層和設備層則采用開放式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)；加拿大CAE公司的工PMS采用了兩層網(wǎng)絡的結構，分別是控制設備與操作設備之間的管理網(wǎng)以與現(xiàn)場設備與控制設備之間的控制網(wǎng)。管理網(wǎng)一般采用TCP/IP協(xié)議和以太網(wǎng);控制網(wǎng)則是各種現(xiàn)場總線網(wǎng)絡?？刂茖用娴母鞣N控制器通過現(xiàn)場總線接口與現(xiàn)場總線的智能設備相連，通過以太網(wǎng)接口與信息層進行數(shù)據(jù)交互。這些產(chǎn)品的智能化、標準化程度高，水平先進5。1.3.

15、 論文的主要容本文主要研究基于LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡的船舶機艙監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括了用戶登錄、開關量采集和模擬量采集三部分，其中模擬量采集部分有包括了溫度采集、壓力采集、電壓采集等幾部分。系統(tǒng)監(jiān)控了船舶運行時主柴油機、輔柴油機、電站、主鍋爐和輔鍋爐的數(shù)個相關量。第二章 LabVIEW軟件介紹2.1 LabVIEW簡介2.1.1 LabVIEW概述LabVIEW是（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖表代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)的文本編程語言（如visual basic、visual C+、D

16、elphi等）根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序的執(zhí)行順序，而LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了程序的執(zhí)行順序。它用圖標表示函數(shù)，用連線表示數(shù)據(jù)流向。LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波表、萬用表）類似的控件可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在LabVIEW中被稱為前面板。使用圖標和連線，可以通過編程對前面板上的對象進行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G（Graphics)代碼。LabVIEW的圖形化源代碼在某種程度上類似于數(shù)據(jù)流流程圖，因此又被稱為程序框圖代碼。前面板上的每一個控件對應于程序框圖中的一個對象，當數(shù)據(jù)“流向”該控件時，控件就會根據(jù)自己的特

17、性以一定的方式顯示數(shù)據(jù)，例如開關、數(shù)字或圖形。LabVIEW程序被稱為VI（Virtual Instrument），即虛擬儀器，這是因為它的很多界面控件與操作都模擬了顯示世界中的儀器，例如示波器與萬用表等。LabVIEW的核心概念是“軟件即是儀器”，即虛擬儀器上網(wǎng)概念。LabVIEW中包含了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示與存儲等。這些工具都是向導式的工具，用戶只需要一步步按照提示就可以實現(xiàn)儀器的連接和參數(shù)的設置6。2.1.2 LabVIEW的優(yōu)勢作為基于圖形化編程語言的開發(fā)環(huán)境，LabVIEW自然、直觀、簡潔的程序開發(fā)方式大大降低了學習難度。開發(fā)者可以通過各種交互式控件、對話框、菜單

18、與函數(shù)模塊進行編程。所需做的只是將這些VI模塊拖拉到程序框圖中，并定義它在應用程序中的功能。最后將這些控件或VI模塊連接起來即可完成儀器設計。選擇LabVIEW開發(fā)測試和測量應用程序的一大決定性因素是其開發(fā)速度。通常，使用LabVIEW開發(fā)應用系統(tǒng)的速度和比使用其他編程語言快4-10倍。LabVIEW的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在如下幾個方面：（1） 提供了豐富的圖形控件，并采用圖形化的編程方法，徹底把開發(fā)人員從復雜苦澀的文本編輯中解放出來。（2） 建的編輯器在用戶編寫程序的同時就在后臺自動完成了編譯。因此用戶在編寫程序的過程中如果有語法錯誤，它會被立即顯示出來。（3） 由于采用數(shù)據(jù)流模型，它實現(xiàn)了自動的多

19、線程，從而能充分利用處理器尤其是多處理器的處理能力。（4） 通過DLL、CIN節(jié)點、ActiveX、.NET或MATLAB腳本節(jié)點等技術，可以輕松實現(xiàn)LabVIEW與其他編程語言混合編程。（5） 通過應用程序生成器可以輕松地發(fā)布EXE、動態(tài)庫或安裝包。（6） LabVIEW提供了大量的驅動與專用工具，幾乎能與任何接口的硬件輕松連接。（7） LabVIEW建了600多個分析函數(shù)，用于數(shù)據(jù)分析和信號處理。（8） NI同時提供了豐富的附加模塊，用于擴展LabVIEW在不同領域中的應用，例如實時模塊、PDA模塊、FPGA模塊、數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控（DSC）模塊、機器視覺模塊與觸摸屏模塊等6。2.2 LabV

20、IEW編程環(huán)境2.2.1 啟動界面 成功安裝LabVIEW8.5之后，雙擊桌面圖標或單擊開始菜單的對應項，即可啟動LabVIEW8.5，其啟動界面如圖2-1所示。圖2-1 LabVIEW8.5中文版啟動界面啟動界面左側的“文件”向導框列出了最常用的命令，如新建VI、新建項目、新建基于模板的VI等以與最近打開過的項目和VI程序，以便用戶使用。右側的資源向導框列出了常用資源（如系統(tǒng)幫助、例、網(wǎng)絡資源）以與對LabVIEW新特性的介紹，這些都是學習和使用LabVIEW的絕佳幫手，特別是其中的“查找例.”項，提供了豐富的編程實例，幾乎所有的常用功能都可以從中找到例子。單擊啟動界面上的“新建”下的“VI

21、”項或單擊快捷鍵Ctrl+N，創(chuàng)建一個新VI，會彈出如圖2-2所示的前面板和框圖編輯窗口。圖2-2 前面板和框圖編輯窗口2.2.2 控件選板 在前面板進行編程的時候，用鼠標右鍵單擊前面板的空白區(qū)域，所彈出的控件選板如圖2-3所示，本系統(tǒng)所用的各個子選板與其用途如下。圖2-3 控件選板（1）整體布局v 新式：提供新式風格的各種控件v 系統(tǒng)：提供與所在操作系統(tǒng)風格統(tǒng)一的各種控件v 經(jīng)典：提供經(jīng)典風格的各種控件v Express（特快通道）：包含了最常用的幾類控件v .NET與ActiveX：提供.NET和ActiveX支持的相關控件 選擇“選擇控件.”項可以讀取事先定制好的控件文件，用于添加用戶自

22、定義的控件。（2）控件介紹 新式、系統(tǒng)、經(jīng)典分別為不同風格的控件子選板，其包含的控件功能是一樣的，以新式子選板為例，其下一級子選板與用途有：v 數(shù)值：數(shù)值型控件，如編輯框、滑動條、進度條、表盤等v 布爾：布爾型控件，如按鈕、開關、LED等v 字符串與路徑：字符串和路徑控件v 數(shù)組、矩陣與簇：復合型控件，如數(shù)組、矩陣和簇v 修飾：各種修飾控件，如線條、箭頭、形狀、標簽等，這類控件的特點只是作為前面板裝飾用，無對應的框圖子程序2.2.3 函數(shù)選板 鼠標右鍵單擊框圖的空白區(qū)域，彈出的函數(shù)選板如圖2-4所示，本系統(tǒng)所用的各個子選板與其用途如下：圖2-4 函數(shù)選板（1）整體布局v 測量I/O：提供與測量

23、I/O相關的各種函數(shù)v 儀器I/O：提供與儀器I/O相關的各種函數(shù)v 數(shù)學：提供大量常用數(shù)學函數(shù)v 信號處理：信號處理相關函數(shù)v 數(shù)據(jù)通信：各種網(wǎng)絡通信相關函數(shù)和進程同步函數(shù)v 互聯(lián)接口：各種與外部代碼調(diào)用、.NET支持、ActiveX支持、注冊表讀寫、版本控制、端口讀寫、輸入設備控制等相關的接口函數(shù)v Express（特快通道）：包含了一些最常用的函數(shù)和程序框架選擇“選擇VI.”項可以從磁盤上讀取一個子VI并添加到當前框圖中。（2）控件介紹 子選板中最為常用的是編程子選板，其下一級子選板與其用途如下：v 結構：各種結構，用于程序流程控制，如循環(huán)結構、選擇結構、順序結構、事件結構、公式節(jié)點、M

24、athScript節(jié)點、局部變量和全局變量等v 數(shù)組：與數(shù)組操作相關的各種函數(shù)，如初始化、增刪元素、查找、排序、分割、逆轉、二維數(shù)組轉置，以與數(shù)組與簇、數(shù)組與矩陣之間類型轉換v 簇、類與變體：與簇、類和變體相關的各種函數(shù)，如簇的捆綁、解除捆綁，以與簇與變體和其他數(shù)據(jù)類型之間的類型轉換v 數(shù)值：常用的數(shù)字計算、各種數(shù)值型數(shù)據(jù)間的相互轉換、復數(shù)計算和常用數(shù)字常量等v 布爾：與、或、非、異或等各種邏輯運算和類型轉換函數(shù)v 字符串：與字符串操作、類型轉換和XML相關的函數(shù)v 比較：各種數(shù)據(jù)比較函數(shù)v 定時：各種定時、等待、時間類型轉換函數(shù)2.2.4 工具欄（1）前面板工具欄 在編輯前面板的時候，界面上

25、方的工具欄可以提供一些便捷功能，尤為實用，如圖2-5所示。圖2-5 前面板工具欄 其中各個按鈕的主要用途如下：v 運行：單擊可運行當前VI，運行中該按鈕變?yōu)?，如果該按鈕變?yōu)椋硎井斍癡I中存在錯誤，無法運行，單擊該按鈕即可彈出對話框顯示錯誤原因。 v 連續(xù)運行：單擊可重復連續(xù)運行當前VIv 中止執(zhí)行：當VI運行時變亮為，可單擊終止當前VI運行v 暫停：單擊可暫停當前VI運行，再次單擊繼續(xù)運行v 文本設置：對選中文本的字體、大小、顏色、風格、對齊方式等進行設置v 對齊對象：使用不同方式對選中的若干對象進行對齊v 分布對象：使用不同方式對選中的若干對象間隔進行調(diào)整v 調(diào)整對象大?。菏褂貌煌绞綄x

26、中的若干前面板的大小進行調(diào)整，也可精確指定某控件的尺寸v 重新排序：調(diào)整選中對象的上下疊放次序v 顯示/隱藏即時幫助窗口：單擊后可顯示/隱藏一個小懸浮窗口，其中是關于鼠標所指定對象的幫助容（2） 框圖工具欄 框圖界面上方的工具欄與前面板工具欄類似，如圖2-6所示。圖2-6 框圖工具欄框圖工具欄中與前面板工具欄不同部分的按鈕用途如下：v 高亮顯示執(zhí)行過程：單擊該按鈕，變?yōu)楹?，VI運行時變慢，并可觀察到數(shù)據(jù)流在框圖中的流動過程，對初學者理解數(shù)據(jù)流運行方式尤為有用v 保存連線值：單擊后變?yōu)?，可使VI運行后為各條連線上的數(shù)據(jù)保留值，可用探針直接觀察數(shù)據(jù)值v 單步進入：調(diào)試時使程序單步進入循環(huán)或子VIv

27、 單步通過：調(diào)試時程序單步執(zhí)行完整個循環(huán)或子VIv 單步退出：單步進入某循環(huán)或者自VI后，單擊此按鈕可使程序執(zhí)行完該循環(huán)或者子VI剩下的部分并跳出72.2.5 工具選板 在前面板和程序框圖中都可以看到工具選板。工具選板上的每一個工具都對應于鼠標的一個操作模式。光標對應于選板上所選擇的工具圖標?？蛇x擇合適的工具對前面板和程序框圖上的對象進行操作和修改。 如果自動工具選擇已打開，當光標移動到前面板或程序框圖的對象上時，LabVIEW將自動從工具選板上選擇相應的工具。請打開工具選板，選擇查看工具選板。LabVIEW將記住工具選板的位置和大小，因此當LabVIEW重啟時選板的位置和大小保持不變。 La

28、bVIEW8.5簡體中文版的工具選板如圖2-7所示。利用工具選板可以創(chuàng)建、修改LabVIEW中的對象，并對程序進行調(diào)試。工具選板是LabVIEW中對對象進行編輯的工具。圖2-7 工具選板 工具選板中各種不同工具的圖標與其相應的功能如下：v 自動/手動選擇切換，當按下自動選擇按鈕，鼠標經(jīng)過前、后面板上的對象時，系統(tǒng)會自動選擇工具選板中相應的工具，方便用戶操作。當用戶選擇手動時，需要手動選擇工具選板中的相應工具v 操作工具，用來操縱前面板中的控制量和指示器。當用它指向數(shù)值或者字符量時，它會自動變成標簽工具v 位置、尺寸、選擇工具，用來選取對象，改變對象的位置和大小v 標簽工具，用于輸入標簽文本或者

29、創(chuàng)建標簽v 連線工具，用于在后面板中連接兩個對象的數(shù)據(jù)端口，當用連線工具接近對象時，會顯示出其數(shù)據(jù)端口以供連線之用。如果打開了幫助窗口時，那么當用連線工具至于某連線上時，會在幫助窗口顯示其數(shù)據(jù)類型v 對象彈出菜單工具，當用該工具單擊某對象時，會彈出該對象的快捷菜單v 滾動窗口工具，使用該工具，無須滾動條就可以自由滾動整個圖形v 顏色設置工具，用來設置窗口對象的前景色和背景色82.3 LabVIEW和數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集是指從系統(tǒng)外部采集數(shù)據(jù)并進行轉換后傳輸?shù)较到y(tǒng)部的過程，能夠提供這一功能的完整系統(tǒng)被稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Data Acquisition System）。一個通用DAQ測量系統(tǒng)其主要的測

30、量任務實質(zhì)上是由安裝在計算機上的軟件完成的，而DAQ硬件知識將輸入信號轉換成計算機所能操作的數(shù)字信號。這意味著一個DAQ設備能執(zhí)行多種測量任務，不同的測量任務僅僅是軟件的不同。9對于基于計算機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，所采集的數(shù)據(jù)信號一般為電信號（如電壓、電流等），所能處理的信號一般為數(shù)字信號，所以需要將外部的模擬物理量轉換為以電信號表示的數(shù)字量后交分析程序處理，這一轉換過程稱為模擬輸入；而有時系統(tǒng)需要向外部提供激勵，所以有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也提供模擬輸出功能，將部的數(shù)字激勵信號轉換為模擬輸出信號。典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖2-8所示。7傳感器和變換器數(shù)據(jù)采集設備信號調(diào)理PC機軟件圖2-8 典型的基于PC的D

31、AQ系統(tǒng)（1）傳感器和變換器 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的中的傳感器和變換器的主要功能是將系統(tǒng)外部的各種類型的物理量轉換為電信號，供數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行采集和處理。常見的信號類型有5類，其中模擬信號包括直流（DC）信號、時域信號和頻域信號；數(shù)字信號包括通斷和脈沖序列兩種類型。對同一個信號可以采用多種測量角度。（2）信號調(diào)理從傳感器得到的信號可能會很微弱，或者包含大量噪聲，或者是非線性等，這種信號在進入采集卡之前必須經(jīng)過信號調(diào)理。信號調(diào)理的方法主要包括放大、衰弱、隔離、多路復用、濾波、激勵和數(shù)字信號調(diào)理等。（3）數(shù)據(jù)采集設備數(shù)據(jù)采集設備的功能是將數(shù)據(jù)轉換為計算機課處理的數(shù)字信號，并傳遞到計算機中去。通常情況下數(shù)據(jù)

32、采集設備是一個數(shù)據(jù)采集卡，與計算機的連接可以采用多種方式。NI的數(shù)據(jù)采集設備支持的總線類型包括PCI、PCI Express、PXI、PCMCIA、USB、CompactFlash、Ethernet以與火線等各種總線。數(shù)據(jù)采集卡的功能包括模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、觸發(fā)采集和定時I/O。1 模擬輸入 模擬輸入主要考慮的基本參數(shù)包括通道數(shù)、采樣速率、分辨率和輸入圍等。通道數(shù)對于采用單端和差分兩種輸入方式的設備，模擬輸入通道數(shù)可以分為單端輸入通道數(shù)和差分輸入通道數(shù)。在單端輸入中，輸入信號均以共同的地線為基準。對于差分輸入，每一個輸入信號都有自有的基準地線；由于共模噪聲可以被導線所消除，從而減小

33、了噪聲誤差。采樣速率這一參數(shù)決定了每秒鐘進行模數(shù)轉換的次數(shù)。一個高采樣速率可以在給定時間下采集更多數(shù)據(jù)，因此能更好地反映原始信號。分辨率模數(shù)轉換器用來表示模擬信號的位數(shù)即是分辨率。分辨率越高，信號圍被分割成的區(qū)間數(shù)目越多，因此，能探測到的電壓變量就越小。在恰當?shù)卦O計模擬輸入電路其他部分的情況下，可以對模擬信號進行非常準確的數(shù)字化。輸入圍輸入圍是ADC可以量化的最小和最大電壓。NI公司的多功能數(shù)據(jù)采集設備對量程圍進行選擇，可以在不同輸入電壓下進行配置。2 模擬輸出模擬輸出用來為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供激勵源。數(shù)模轉換器（DAC）的一些技術指標決定了所產(chǎn)生輸出信號的質(zhì)量：穩(wěn)定時間、轉換速率和輸出分辨率。穩(wěn)

34、定時間穩(wěn)定時間是指輸出達到規(guī)定精度時所需要的時間。穩(wěn)定時間通常由電壓上的滿量程變化來規(guī)定。轉換速率轉換速率是指數(shù)模轉換器所產(chǎn)生的輸出信號的最大變化速率。穩(wěn)定時間和轉換速率一起決定模數(shù)轉換器改變輸出信號值的最大變化速率。輸出分辨率輸出分辨率與輸入分辨率相似，它是產(chǎn)生模擬輸出的數(shù)字碼的位數(shù)。較大的位數(shù)可以縮小輸出電壓增量的量值，因此可以產(chǎn)生更平滑的變化信號。對于要求動態(tài)圍寬、增量小的模擬輸出應用，需要有高分辨率的電壓輸出。3 觸發(fā)采集許多數(shù)據(jù)采集的應用過程需要基于一個外部事件啟動或停止一個數(shù)據(jù)采集的工作。數(shù)字觸發(fā)使用外部數(shù)字脈沖來同步采集與電壓生成。模擬觸發(fā)主要用于模擬輸入操作，當用一個輸入信號達

35、到一個指定模擬電壓值時，根據(jù)相應的變化方向來啟動或停止數(shù)據(jù)采集的操作。NI公司為數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品開發(fā)了RTSI總線。該總線使用一種定制的門陣列和一條帶形電纜，能在一塊數(shù)據(jù)采集卡上的多個功能之間或者兩塊甚至多塊數(shù)據(jù)采集卡之間發(fā)送定時和觸發(fā)信號。通過該總線，可以同步模數(shù)轉換、數(shù)模轉換、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出和計數(shù)器/計時器的操作。4 數(shù)字I/O（DIO）DIO接口經(jīng)常被用來控制過程、產(chǎn)生測試波形、與外圍設備進行通信。在每一種情況下，最重要的參數(shù)有可應用的數(shù)字線的數(shù)目、在這些通路上能接收和提供數(shù)字數(shù)據(jù)的速率、通路的驅動能力。一個常見的DIO應用時傳送計算機和設備之間的數(shù)據(jù)，這些設備包括數(shù)據(jù)記錄器、數(shù)據(jù)處理器

36、與打印機。5 定時I/O 計數(shù)器/定時器在許多應用中具有很重要的作用，包括對數(shù)字時間產(chǎn)生次數(shù)的技術、數(shù)字脈沖計時以與產(chǎn)生方波和脈沖。應用一個計數(shù)器/計時器最重要的指標是分辨率和時鐘頻率。分辨率是計數(shù)器所應用的位數(shù)。越高的分辨率以為著計數(shù)器可以計數(shù)的位數(shù)越高。始時鐘頻率越高，計數(shù)器遞增得也越快，因此對于輸入可探測的信號頻率越高，對于輸出則可以產(chǎn)生更高頻率的脈沖和方波形。（4）PC與軟件 軟件使PC機和數(shù)據(jù)采集硬件形成一個完整的數(shù)據(jù)采集、分析和顯示系統(tǒng)。軟件層中的驅動軟件可以直接對數(shù)據(jù)采集硬件的寄存器編程，管理數(shù)據(jù)采集硬件的操作并把它和處理器中斷，DMA和存這樣的計算機資源合在一起。驅動軟件隱藏了

37、復雜的硬件底層編程細節(jié)，為用戶提供容易理解的接口6。第三章 機艙監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計3.1 系統(tǒng)組成本機艙監(jiān)控系統(tǒng)基于LabVIEW8.5設計，系統(tǒng)對船舶主柴油機、輔柴油機、電站、主鍋爐、輔鍋爐、齒輪箱等部分進行監(jiān)控，系統(tǒng)具體監(jiān)控量如表3-1所示10。表3-1 系統(tǒng)被監(jiān)測量監(jiān)測設備被監(jiān)測項目顯示性質(zhì)主柴油機燃油進機壓力壓力420mA 重燃油油溫溫度PT-100 高壓燃油管的泄漏開關量日用燃油柜油位開關量滑油進機壓力壓力420mA滑油濾器的前后壓差開關量滑油進機溫度溫度PT-100 海水冷卻水壓力壓力420mA氣缸冷卻水進機壓力壓力420mA氣缸冷卻水出口溫度(總管)溫度 PT-100 冷卻水膨脹箱

38、水位開關量主關閉閥前的起動空氣壓力壓力 420mA 控制空氣壓力壓力420mA掃氣接收器溫度溫度 PT-100 氣缸(14) 后的排氣溫度溫度PT-100 輔柴油機滑油進機壓力壓力420mA滑油進機溫度開關量冷卻水出口溫度溫度熱電偶冷卻水壓力開關量高壓燃油管開關量日用燃油柜油位開關量冷卻水膨脹水箱水位開關量電站匯流排電壓電壓010V匯流排頻率頻率010V自動卸載開關量自動合閘開關量主開關自動脫扣開關量主鍋爐過熱器蒸汽出口壓力壓力420mA蒸汽出過熱器溫度溫度熱電偶減熱器蒸汽出口溫度溫度熱電偶鍋爐水位水位010V至燃燒器的燃油溫度溫度熱電偶至燃燒器的燃油壓力壓力420mA進入爐膛空氣壓力壓力42

39、0mA給水泵出水壓力壓力420mA給水艙水位 開關量鍋爐供水管開關量排煙溫度開關量輔鍋爐過熱器蒸汽出口壓力壓力420mA 鍋爐水位水位420mA至燃燒器的燃油溫度溫度熱電偶至燃燒器的燃油壓力壓力420mA進入爐膛空氣壓力開關量齒輪箱滑油進齒輪箱壓力壓力420mA滑油進齒輪箱溫度溫度熱電偶主機備車開關量輔機備車開關量220V主配電開關量220V輔配電開關量 系統(tǒng)主要由用戶登錄、數(shù)據(jù)采集兩大部分組成，其中數(shù)據(jù)采集部分分為開關量和模擬量采集兩部分。模擬量采集部分采集了壓力、溫度、電壓等信號。3.2 設計步驟3.2.1 用戶登錄用戶登錄界面用于系統(tǒng)管理員和操作員等的登錄，登錄成功才可以進入系統(tǒng)進行一系

40、列相關的數(shù)據(jù)采集操作。用戶登錄界面前面板和框圖如下圖3-3至3-6所示6。圖3-4 用戶登錄框圖登錄成功圖3-5 用戶登錄框圖登錄失敗圖3-6 用戶登錄框圖退出用戶登錄界面結構介紹：1 While循環(huán) 重復執(zhí)行部的子程序框圖，直到條件接線端（輸入端）接收到特定的布爾值。將布爾值連接至While循環(huán)的條件接線端。右鍵單擊條件接線端，從快捷菜單中選擇真(T)時停止或真(T)時繼續(xù)。While循環(huán)永遠至少執(zhí)行一次。2 事件結構 事件結構包括一個或多個子程序框圖，或事件分支，當結構執(zhí)行時，僅有一個子程序框圖或分支在執(zhí)行。事件結構將等待直至某一事件發(fā)生，并執(zhí)行相應條件分支從而處理該事件。右鍵單擊結構邊框

41、，可添加新的分支并配置需處理哪些事件。為事件結構邊框左上角的“超時”接線端連接一個值，以指定事件結構等待某個事件發(fā)生的時間（以毫秒為單位）。默認為1，即永不超時。事件數(shù)據(jù)節(jié)點位于每個事件分支結構的左邊框側。該節(jié)點用于識別事件發(fā)生時LabVIEW返回的數(shù)據(jù)。根據(jù)事先為各事件分支所配置的事件，該節(jié)點顯示了事件結構每個分支中不同的數(shù)據(jù)。如果配置單個分支來處理多個事件，那么只有被所有事件類型所支持的數(shù)據(jù)才可用。在程序框圖上放置一個事件結構時，超時事件分支為默認分支。3 條件結構 條件包括一個或多個子程序框圖或分支，當結構執(zhí)行時，僅有一個子程序框圖或分支在執(zhí)行。連接至選擇器接線端的值可以是布爾、字符串、

42、整數(shù)，或枚舉類型，它決定了執(zhí)行哪個分支。右鍵單擊結構邊框，可添加或刪除分支。Us可使用標簽工具來輸入條件選擇器標簽的值，并配置每個分支處理的值。4 等于？ 如果x等于y，則返回TRUE。否則，函數(shù)返回FALSE。該函數(shù)可改變比較模式。如比較兩個矩陣，默認的比較模式為比較集合，該函數(shù)將返回一個標量?？杀容^數(shù)組或一樣數(shù)據(jù)類型元素組成的簇，產(chǎn)生一個布爾值數(shù)組或簇。連線板顯示了該多態(tài)函數(shù)的默認數(shù)據(jù)類型。5 與 計算輸入的邏輯與。兩個輸入必須為布爾或數(shù)值。如果兩個輸入都為TRUE，函數(shù)返回TRUE。否則，返回FALSE。3.2.2 模擬量采集由表3-1可知，模擬量采集部分主要采集溫度、壓力、電壓、頻率等

43、模擬信號。該部分程序圖如下所示：（1）模擬量采集部分結構與控件介紹1 DeviceOpen 打開已安裝的設備并為后續(xù)操作指定設備號。設備號由研華設備管理器（DevMgr.exe）分配。操作之前必須打開設備。DeviceOpen的error out端必須與DeviceClose的error in端相連。如果成功打設備，它必須關閉的。DevNum是在系統(tǒng)中已安裝的硬件的設備號。DriverHandle是處理由DevNum即研華設備管理器分配指定的設備。error out是錯誤信息。如果error in顯示一個錯誤，error out包含一樣的錯誤信息。error out 簇包含的信息如下：stat

44、us 為TRUE則代表出現(xiàn)了錯誤；code 是錯誤代碼；source在大多數(shù)情況下是產(chǎn)生錯誤的VI或函數(shù)的名稱。2 AIConfig通過配置由DriverHandle指定的設備得相應的增益來設定模擬輸入通道的輸入電壓圍。DriverHandle是處理打開的設備。Chan&Gain是一個包含指定設備的通道參數(shù)和增益代碼的簇。 該簇包含兩個子信息：channel指定模擬輸入通道號； Gaincode指定增益代碼。error in描述VI運行之前的錯誤出現(xiàn)情況。此簇的默認輸入是沒有錯誤。如果錯誤已經(jīng)發(fā)生，則在error out端輸出error in的值。只有在沒有錯誤的情況下該VI

45、 才能正常運行。否則，該VI將錯誤信息從error in傳遞到error out。該簇包含以下參數(shù)：status 為TRUE則代表出現(xiàn)了錯誤，系統(tǒng)默認值是FLASE；code 是錯誤代碼，系統(tǒng)默認值是0；source在大多數(shù)情況下是產(chǎn)生錯誤的VI或函數(shù)的名稱，默認值是空字符串。error out包含錯誤信息。如果error in顯示一個錯誤，error out包含一樣的錯誤信息。該簇包含的參數(shù)同error in。3 AIVoltageIn從模擬輸入通道讀取當前值并從DriverHandle指定的設備返回相應的電壓值。  DriverHandle是處理打開的設備。Chan&Ga

46、in 一個包含指定設備的通道參數(shù)和增益代碼的簇。其中：Channel 的圍是從0到N - 1（N是等于可用的模擬通道數(shù)）。例如，一個16通道的模擬輸入設備的設備號圍為015。Gain增益代碼。該設備可能有不同的增益級別，每個級別都有相應的代碼。 TrigMode觸發(fā)模式，0-正常（軟件），1-外部。error in描述VI運行之前的錯誤出現(xiàn)情況。此簇的默認輸入是沒有錯誤。如果錯誤已經(jīng)發(fā)生，則在error out端輸出error in的值。只有在沒有錯誤的情況下該VI 才能正常運行。否則，該VI將錯誤信息從error in傳遞到error out。該簇包含以下參數(shù)：status 為TRUE則代表

47、出現(xiàn)了錯誤，系統(tǒng)默認值是FLASE；code 是錯誤代碼，系統(tǒng)默認值是0；source在大多數(shù)情況下是產(chǎn)生錯誤的VI或函數(shù)的名稱，默認值是空字符串。Voltage是測量結果（單位為伏特）。error out包含錯誤的信息。如果error in顯示一個錯誤，error out包含一樣的錯誤信息。該簇包含的參數(shù)同error in。4 初始化數(shù)組創(chuàng)建一個n維數(shù)組，其中的每個元素都被初始化為元素的值?？墒褂枚ㄎ还ぞ哒{(diào)整函數(shù)的大小，增加輸出數(shù)組的維數(shù)。連線板顯示了該多態(tài)函數(shù)的默認數(shù)據(jù)類型。元素是用于初始化初始化的數(shù)組中所有元素的值。元素可以是任意類型的標量數(shù)據(jù)。初始化的數(shù)組的數(shù)據(jù)類型與元素一致。維數(shù)大小

48、0n-1必須為數(shù)值。如維數(shù)大小為0，函數(shù)將創(chuàng)建空數(shù)組。n維數(shù)組的維數(shù)大小接線端必須為n。5 捆綁捆綁用于將獨立元素組合為簇。也可使用該函數(shù)改變現(xiàn)有簇中獨立元素的值，而無需為所有元素指定新值。要實現(xiàn)上述操作，將簇連接到該函數(shù)中間的簇接線端。連接簇到該函數(shù)時，函數(shù)將自動調(diào)整大小以顯示簇中的各個元素輸入。連線板顯示了該多態(tài)函數(shù)的默認數(shù)據(jù)類型。創(chuàng)建新簇時，必須連接所有的輸入。輸出簇中的元素順序必須與輸入元素一致。將一個現(xiàn)有簇連接到函數(shù)中間的接線端時，輸入為可選。LabVIEW僅替換連接的簇元素。簇是要改變值的簇。如該輸入端沒有連線，函數(shù)將返回簇。連線簇接線端時，“捆綁”函數(shù)將用元素0.n-1替換簇。輸

49、入接線端的數(shù)量必須匹配輸入簇中元素的數(shù)量。元素0n-1可接收任意類型的數(shù)據(jù)。輸出簇是作為結果的簇。6 平鋪式順序結構該結構包括一個或多個順序執(zhí)行的子程序框圖或幀。平鋪式順序結構可確保子程序框圖按一定順序執(zhí)行。平鋪式順序結構的數(shù)據(jù)流不同于其它結構的數(shù)據(jù)流。平鋪式順序結構的幀當所有連接至幀的數(shù)據(jù)都可用時，按照從左至右的順序執(zhí)行。每幀執(zhí)行完畢后會將數(shù)據(jù)至傳遞至下一幀。這意味著某個幀的輸入可能取決于另一個幀的輸出。平鋪式順序結構中無需使用順序局部變量來傳遞幀與幀之間的數(shù)據(jù)。平鋪式順序結構在程序框圖上顯示每個幀，故無需使用順序局部變量即可完成幀與幀之間的連線，同時也不會把代碼隱藏起來。在平鋪式順序結構中

50、添加或刪除幀時，結構會自動調(diào)整尺寸大小。右鍵單擊平鋪式順序結構，在快捷菜單中選擇替換為層疊式順序，可將平鋪式順序結構轉換為層疊式順序結構。不可在平鋪式順序結構的各個幀之間拖曳隧道。7 數(shù)組插入 在n維數(shù)組中索引指定的位置插入元素或子數(shù)組。將一個數(shù)組連接到該函數(shù)時，函數(shù)將自動調(diào)整大小以顯示數(shù)組各個維度的索引。如未連接任何索引輸入，該函數(shù)將把新的元素或字數(shù)組添加到n維數(shù)組之后。新元素或數(shù)組的基本數(shù)據(jù)類型必須和輸入數(shù)組的類型一致。n維數(shù)組是要插入元素、行、列的數(shù)組。輸入可以是任意類型的n維數(shù)組。索引0n-1指定數(shù)組中要插入元素、行、列或頁的點。該函數(shù)只在一個維度上調(diào)整數(shù)組的大小。只能連接一個索引輸入

51、端。連接的索引決定了數(shù)組中可以插入元素的維度。例如，要插入行，連接行索引；要插入列，則連接列索引。連接至n或n-1維數(shù)組的數(shù)組的維數(shù)必須等于或小于連接至n維數(shù)組的數(shù)組維數(shù)。n或n-1維數(shù)組是要插入n維數(shù)組的元素、行、列或頁。輸出數(shù)組函數(shù)返回的數(shù)組中已經(jīng)對元素、行、列或頁進行了替換。8 局部變量 局部變量可從一個VI的不同位置訪問前面板對象，并將無法用連線連接的數(shù)據(jù)在程序框圖上的節(jié)點之間傳遞。局部變量可對前面板上的輸入控件或顯示件進行數(shù)據(jù)讀寫。寫入一個局部變量相當于將數(shù)據(jù)傳遞給其它接線端。但是，局部變量還可向輸入控件寫入數(shù)據(jù)和從顯示控件讀取數(shù)據(jù)。事實上，通過局部變量，前面板對象既可作為輸入訪問也

52、可作為輸出訪問。9 For循環(huán)將連接到總數(shù)(N)接線端的值n作為執(zhí)行次數(shù)的子程序框圖。計數(shù)接線端(i)提供了當前的循環(huán)總數(shù)，其取值在0到n-1的圍。創(chuàng)建For循環(huán)后，可使用移位寄存器將值從上一個循環(huán)傳遞到下一個循環(huán)。如果將一個數(shù)組連接到For循環(huán)，則啟用自動索引可讀取和處理數(shù)組中的各個元素。也可配置For循環(huán)使其返回一個由循環(huán)生成的值所組成的數(shù)組，從而啟用啟用自動索引?？蔀镕or循環(huán)添加一個條件接線端，從而在出現(xiàn)布爾條件或發(fā)生錯誤時循環(huán)停止。帶有條件接線端的For循環(huán)在條件發(fā)生時或所有循環(huán)完成時才停止執(zhí)行。右鍵單擊For循環(huán)邊框并從快捷菜單中選擇條件接線端，從而為For循環(huán)添加一個條件接線端。

53、運行VI前，必須為For循環(huán)的條件接線端連線，同時需連接其計數(shù)接線端或啟用輸入數(shù)組的自動索引。循環(huán)計數(shù)為零時，F(xiàn)or循環(huán)生成默認數(shù)據(jù)。10 DeviceClose通過指定從DeviceOpen獲取的DriverHandle來關閉該設備。設備操作后需要關閉，以釋放資源，并準備下一次DeviceOpen操作。DriverHandle是處理打開的設備。error in描述VI運行之前的錯誤出現(xiàn)情況。此簇的默認輸入是沒有錯誤。如果錯誤已經(jīng)發(fā)生，則在error out端輸出error in的值。只有在沒有錯誤的情況下該VI 才能正常運行。否則，該VI將錯誤信息從error in傳遞到error out。

54、該簇包含以下參數(shù)：status 為TRUE則代表出現(xiàn)了錯誤，系統(tǒng)默認值是FLASE；code 是錯誤代碼，系統(tǒng)默認值是0；source在大多數(shù)情況下是產(chǎn)生錯誤的VI或函數(shù)的名稱，默認值是空字符串。error out包含錯誤的信息。如果error in顯示一個錯誤，error out包含一樣的錯誤信息。該簇包含的參數(shù)同error in。11 或計算輸入的邏輯或。兩個輸入必須為布爾或數(shù)值。如果兩個輸入都為FALSE，則函數(shù)返回FALSE。否則，返回TRUE。（2） 模擬量采集部分設計介紹研華數(shù)據(jù)采集卡對應的模擬量采集的軟件控件為AIConfig和AIVoltageIn。在AIConfig中配置采集

55、通道的增益和通道號等信息，用AIVoltageI采集信息。本部分最層為for循環(huán)，將循環(huán)次數(shù)設置為64，即循環(huán)以供執(zhí)行64次。將當前循環(huán)總數(shù)設置為通道號和數(shù)組插入的索引號，增益人為設置。數(shù)組插入的輸出數(shù)組為模擬量采集的顯示數(shù)組，其原數(shù)組為模擬量采集顯示數(shù)組的局部變量。模擬量采集數(shù)組的初始值為0。系統(tǒng)總體采用while循環(huán)結構，具體的執(zhí)行步驟是先在研華設備管理器中選擇并打開設備，若此時出現(xiàn)錯誤，則status值為TURE，程序執(zhí)行條件結構中的真分支；若此時沒有錯誤，則status值為FALSE，程序后續(xù)執(zhí)行條件結構中的假分支，即執(zhí)行for循環(huán)。如第一次執(zhí)行時，i值為0，則在模擬量采集數(shù)組的第零列插入此次執(zhí)行循環(huán)所采集的值；第二次采集時，i值為1，則在上次生成的模擬量采集量數(shù)組的第一列插入此次執(zhí)行所采集的數(shù)值；依此類推直至循環(huán)結束。若在循環(huán)執(zhí)行過程中產(chǎn)生錯誤則停止執(zhí)行程序。3.2.3 開關量采集該部分采集程序圖如下所示:（1）開關量采集部分結構控件介紹1 DIOReadPortDWord從DriverHandle指定的設備的數(shù)字輸入端口讀取雙字（四個字節(jié)，由四個連續(xù)端口讀入）。DriverHandle是處理打開的設備。P