摘 要：虛擬儀器是測試技術和計算機技術相結合的產物，它基于圖形化編程開發(fā)語言，設計自己的儀器系統(tǒng)，滿足不同的應用要求。本文將虛擬儀器應用于測控領域，提出并建立了基于虛擬儀器的遠程數(shù)據(jù)測控系統(tǒng)方案。從應用角度，基于LabVIEW軟件和PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡，設計完成了實際應用系統(tǒng)，并通過Datasocket技術實現(xiàn)對電動機的遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。 關鍵詞：虛擬儀器; PCI-1711; 開關量; Datasocket; 電動機 1 前言 　　近年來，虛擬儀器在一些發(fā)達國家中的設計、生產、使用已經十分普及，以虛擬儀器技術為方向的現(xiàn)代化測控技術應用廣泛。虛擬儀器包括和超越了傳統(tǒng)儀器的一切功能，只要利用數(shù)據(jù)采集卡就可以在計算機上構造新的儀器系統(tǒng)，由虛擬儀器進行編程實現(xiàn)不同的功能。目前，我國的測控技術特別在硬件方面仍非常薄弱，將虛擬儀器技術推向網絡，發(fā)揮其軟件就是儀器的優(yōu)勢，有助于形成分布式的網絡測量體系，體現(xiàn)數(shù)據(jù)和儀器的共享，從而為實驗教學或企業(yè)遠程測控提供服務。本系統(tǒng)是基于虛擬儀器的遠程數(shù)據(jù)測控網絡系統(tǒng), 數(shù)據(jù)采集站在數(shù)據(jù)采集的同時, 通過網絡將數(shù)據(jù)實時傳遞到網絡服務器. LabVIEW 提供了DataSocket 這種網絡軟件技術和編程工具, 借助它可以在不同的應用程序和數(shù)據(jù)源之間共享數(shù)據(jù), 而且這些數(shù)據(jù)源可以分布在不同的計算機上. 利用DataSocket 軟件還可以對資源的訪問進行嚴格控制, 可以對用戶按照不同類別分組, 并分別賦予不同的讀、寫等權限, 使資源得到比較好的保護, 降低對資源訪問時產生沖突的概率, 便于實現(xiàn)網絡監(jiān)控。 2 基于虛擬儀器的遠程數(shù)據(jù)測控系統(tǒng)的設計 　　2.1 基于虛擬儀器的遠程數(shù)據(jù)測控系統(tǒng)方案 　　虛擬儀器最早是由美國國家儀器公司在20世紀80年代后期提出來的，在國際上早已進入實用階段。在我國雖剛起步,但發(fā)展迅速, 應用領域廣泛，已在電子測量、物理探傷、電子工程、振動分析、聲學分析、物礦勘探、故障分析及教學科研等方面的數(shù)據(jù)采集和分析中廣泛應用。與傳統(tǒng)儀器相比有成本低，功能全，效率高，分布式等特點。目前，虛擬儀器在發(fā)達國家已經十分普及，在美國，虛擬儀器已成為各大學理工科學生的一門必修課，在國內已有部分高校的實驗室引入虛擬儀器系統(tǒng)。隨著科學技術的迅猛發(fā)展，測試技術的應用領域將不斷拓寬。 　　本文主要是在虛擬儀器的基礎上，通過遠程控制現(xiàn)場設備使得云臺上、下、左、右旋轉以監(jiān)控遠方現(xiàn)場，現(xiàn)場的PC機接受網絡信號通過采集卡輸出經調理電路到達云臺。其基本的測控系統(tǒng)框架圖如圖1所示 ： [align=center] 圖 1 測控系統(tǒng)框架圖[/align] 　　運行于接收端計算機上的主監(jiān)控系統(tǒng)包含所有用來完成溫度和開關量等控制功能的模塊信號采集模塊, 能單獨控制現(xiàn)場監(jiān)控功能, 并能接受來自網絡的控制命令。Datesocket是NI公司提供的一種網絡傳輸技術，建立在TCP/IP協(xié)議基礎之上，通過網絡可以向多個遠端的客戶端同時傳輸現(xiàn)場測量的數(shù)據(jù)。現(xiàn)場的采集卡與接收端PC機連接，發(fā)送端PC機發(fā)出的信號通過Datesocket到達接收端，接收端PC機上的LabVIEW軟件觸發(fā)使得采集卡的四個指定數(shù)字輸出端口輸出開關量。從采集卡輸出的開關量信號可用繼電器來處理，加上驅動電路以實現(xiàn)云臺上電動機的啟動或停車。 　　2.2 硬件系統(tǒng)組成 　　系統(tǒng)硬件實現(xiàn)信號調理和輸入、輸出，由于NI公司的數(shù)據(jù)采集卡價格昂貴，因此采用了研華的PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡。PCI-1711提供16路數(shù)字輸入和16路數(shù)字輸出，使客戶可以最大靈活的根據(jù)自己的需要來應用。它還具有16路單端模擬量輸入，12位A/D轉換器，采樣速率可達100KHz，每個輸入通道的增益可編程，自動通道/增益掃描，卡上1K采樣FIFO緩沖器，2路12位模擬量輸出，可編程觸發(fā)器/定時器。研華還提供了32位 LabVIEW 驅動程序將PC數(shù)據(jù)采集板卡、與LabVIEW 軟件開發(fā)平臺結合了一起,這樣就省去了自己用CIN結點開發(fā)采集卡的驅動模塊。 　　為了節(jié)省成本，本系統(tǒng)還添加了一個簡單的視頻傳輸以實時傳輸遠方現(xiàn)場實驗操作的畫面。攝像頭下面添加云臺裝置，云臺是承載網絡攝像機進行水平和垂直兩個方向轉動的裝置。云臺內裝兩個電動機。這兩個電動機一個負責水平方向的轉動，另一個負責垂直方向的轉動，水平及垂直轉動的角度大小可通過限位開關進行調整。通過虛擬儀器內部軟件觸發(fā)產生開關量輸出通過采集卡的數(shù)字輸出通道觸動繼電器控制攝像頭按鈕的上、下、左、右旋轉，可以全方位的觀察遠程實驗畫面，以達到視頻的遠程監(jiān)控。 　　ADAM-3968是一款使用68芯SCSI電纜的工業(yè)接線端子板,它為PCI-1711與外界通訊提供方便，而且利于屏蔽現(xiàn)場的干擾。采用固態(tài)繼電器對電動機的開或關進行控制，通過開關的切換對電機的轉速的調整。繼電器是一種采用固體組件組裝而成的無觸點開關控制，其輸入端利用光電耦合器進行隔離，只要很小的電流就可控制其工作。由于輸出部分內部無可動部件，所以具有工作可靠、開關速度快、工作頻率高、壽命長、無電磁干擾等特點。 　　2.3 系統(tǒng)軟件設計 　　本遠程監(jiān)控系統(tǒng)由運行在控制現(xiàn)場的接收端計算機主監(jiān)控系統(tǒng)和運行在網絡上的某一發(fā)送端監(jiān)控系統(tǒng)組成。科研人員和工程技術人員即使不在控制現(xiàn)場,也可以通過網絡隨時了解現(xiàn)場的控制系統(tǒng)運行情況和系統(tǒng)參數(shù)的實時變化, 并可根據(jù)具體情況通過網絡在發(fā)送端計算機上對控制遠程現(xiàn)場接收端計算機控制系統(tǒng)發(fā)出命令, 根據(jù)遠程的攝像頭所拍攝的圖像及時調整現(xiàn)場控制系統(tǒng)運行狀況, 從而達到遠程控制的目的。這在計算控制的應用領域具有重要地位和現(xiàn)實意義。 　　發(fā)送端使用LabVIEW前面板開發(fā)人機界面，操作界面的四個按鈕控制分別輸出四路開關量。通過Datesocket技術發(fā)送四個開關量信號到遠程現(xiàn)場，前面板界面如圖2所示。 [align=center] 圖2 發(fā)送端前面板界面[/align] 　　按鈕動作方式設置采用松開前處于鎖定狀態(tài)，即用鼠標按住UP鈕，UP開關量信號就傳送到現(xiàn)場接收端，然后接受端PC機通過采集卡端口發(fā)出命令，云臺就一直往上轉，直到鼠標松開并且程序讀取這個值一次。界面中設有采集卡輸出端口，用虛擬儀器設計的界面簡潔且美觀。 　　接收端負責接受命令并執(zhí)行動作，其后面板的程序如圖3所示 [align=center] 圖3 接受端后面板程序圖[/align] 　　實際的數(shù)據(jù)處理中都是在后面板框圖程序中完成的。在這個框圖中采用了兩種結構：1：while循環(huán)結構：整個程序在循環(huán)體中反復執(zhí)行一段代碼，直到某個條件發(fā)生而終止。2：case選擇結構：包含有多個子框圖，每個子框圖的一段程序代碼對應一個case選項，程序運行的時候選擇其中的一段執(zhí)行。本例中通過遠程按鍵接收來的信號切換true/false狀態(tài)。 　　除了采集卡的LabVIEW驅動所帶的子模塊外，本程序還采用ActiveDAQ，它是研華提供32位Activex控制，能為大量的研華的數(shù)據(jù)采集卡和控制硬件控制模擬，數(shù)字，計數(shù)輸入輸出。研華的ActiveDAQ使得數(shù)據(jù)采集更加方便，高性能和靈活。 　　考慮到只是輸出開關量信號，采用了ActiveDAQ的DO模塊中的Write to Digital Line，數(shù)字線是數(shù)據(jù)采集卡單獨連接數(shù)字信號的物理端子，一個數(shù)字線的二進制是0或1。讀入數(shù)字線的狀態(tài)，對應的數(shù)字端口就有相應狀態(tài)。 3 數(shù)據(jù)的遠程傳輸與監(jiān)控技術 　　Datasocket是NI公司基于Microsoft的COM和Activex技術開發(fā)的、專門面向測試與網絡的、實時高速數(shù)據(jù)交換技術，用在自動化測控領域中應用之間或網絡中不同之間共享和發(fā)布動態(tài)數(shù)據(jù)。 　　Datasocket現(xiàn)場控制站接收遠端監(jiān)控站發(fā)送來的各種控制命令，執(zhí)行相應的操作，并將必要信息如各轉動軸運動狀態(tài)、現(xiàn)場報警信號等反饋到遠端，使操作者能在遠端監(jiān)控站上監(jiān)控現(xiàn)場工作。故障情況下（比如通訊突然中斷），所有控制任務也可由操作者在現(xiàn)場控制站上使用單機操作模式完成，即現(xiàn)場控制站脫離上位機而獨立地實現(xiàn)各項控制功能，此時所有操作步驟將由操作者在現(xiàn)場一體化控制站的鍵盤上輸入，這種應急措施的采用可在一定程度上提高系統(tǒng)可靠性，使得嚴格的工作進度得以保證。圖3中已經運用了Datesocket模塊。 4 結束語 　　該系統(tǒng)通過測試，能較好的實現(xiàn)遠程對現(xiàn)場云臺的控制，完全實現(xiàn)了設計遠程監(jiān)控所達到的要求。由于采用了在系統(tǒng)編程和虛擬儀器兩項技術, 使得該系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)處理能力, 通常根據(jù)被測對象的不同設計相應的前置電路或驅動電路，功能擴展靈活，如繼電器驅動、固態(tài)繼電器驅動電路等，就可以應用于現(xiàn)代工業(yè)的控制設備中。但是由于網絡的延時性，信號不能實時到達現(xiàn)場。 　　本文的創(chuàng)新點：采用虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集技術為科研人員節(jié)省大量的精力，靈活，隨心所欲設計自己所需的儀器。LabVIEW的datasocket技術為遠程測控提供了便利的實現(xiàn)方法，這樣科研人員可以不受時空的限制有效的控制遠程的現(xiàn)場。此外，LabVIEW的Web服務器可以在網絡上發(fā)布LabVIEW程序前面板的圖像或HTML文件，實現(xiàn)了網頁方面的快速瀏覽，安全、快捷地進行程序的遠程控制。 參考文獻： 　　[1]雷振山. 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