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1、测控系统综合设计设计任务书(六)题目：基于虚拟仪器技术的光采集系统设计一、设计任务本课题所要求设计的基于虚拟仪器技术的光采集系统的工作原理为：利用NI ELVIS II的函数发生器（FGEN）功能，向光源LED提供频率可调、幅值可调的电压信号，光敏电阻的光电流随着光通量的不同而变化，光强越强，光电流越大利用压力应变片，将所受的压力转换成电信号。首先，应设计硬件电路对该信号进行初步的调理，然后由NI ELVIS II数据采集平台提供的模拟输入通道送至计算机中，利用虚拟仪器软件开发平台LabVIEW来开发系统软件，以实现对光信号的采集、分析、处理与报表生成等，并利用LabVIEW编写的软件系统对信
2、号进行处理。具体指标与要求如下：(一)硬件设计要求1、理解光敏电阻测量的电路原理及基本的信号处理的方法；了解光敏电阻的电阻变化与光强的关系。要求对光敏电阻进行选型，对光信号调理电路进行设计，说明其工作原理。2、理解NI ELVIS II数据采集平台的工作原理，通过NI ELVIS II数据采集平台对光信号及其调理电路出来的电压信号进行采集、分析与处理。(二)软件设计要求要求采用状态机的软件设计结构来设计光采集系统软件。系统软件具有“系统初始化”、“系统等待”、“数据采集”、“报表生成”“打开报表”、“退出”等功能。具体要求如下：1、系统初始化光采集系统软件运行后，首先进入系统初始化状态。系统初
3、始化状态主要可以对NI ELVIS II数据采集平台，所用的数据采集通道及软件界面上的所有控件进行初始化。系统初始化结束后，软件进行等待状态中，等待其他功能的选中与运行。2、系统等待在系统等待状态下，用户可选择其他功能并运行。要求系统等待状态采用事件驱动结构来实现。3、数据采集要求系统可以对光信号进行连续的实时采集、分析与显示。可对采样参数进行设置包括对所用NI ELVIS II数据采集平台物理通道、采样速率、每通道采样点数、电压最大值与最小值等参数的设置。可对光源信号参数进行设定包括对波形类型、直流偏压(V)、幅度(V)、频率(Hz)等参数的设置。将采集到的时域波形等参数进行实时显示，对信号
4、进行频谱分析并显示其频谱波形。4、报表生成报表生成功能可以实现对光信号连续采集与分析过程中的相关参数包括所用NI ELVIS II数据采集平台物理通道，电压最大值、最小值、采样速率、每通道采样点数、时域波形、频谱波形等参数或波形作为报表的内容进行保存。5、打开报表打开报表功能可以对保存的报表进行打开以便进行离线进行分析和处理。6、退出按下“退出”键，将退出系统软件。要求系统软件界面设计友好，方便操作。在系统软件界面即前面板上必须有状态显示栏，以显示软件当前运行的状态。二、设计目的通过本次设计使学生具备：(1) 初步了解测控系统的设计步骤，掌握系统设计方法，加深对专业理论知识的理解，能够综合运用
5、所学的传感器原理与检测技术、虚拟仪器技术、测控电路、测控系统原理与设计等专业知识设计测控系统各个单元，并组成系统。(2) 通过制定测控系统设计方案，合理选择传感器及其他元件，正确计算、选择各电路和元件参数，确定尺寸和选择材料，以及较全面地考虑制造工艺、使用和维护等要求，达到了解和掌握测控系统综合设计过程和方法的目的。(3) 进行设计基本技能的训练。如：计算、绘图、熟悉和运用设计资料（手册、图册、标准和规范等）以及使用经验数据、进行经验估算和数据处理及计算机应用的能力。 (4)了解现代仪器科学与技术的发展前沿，学习和掌握基于虚拟仪器技术的测控系统组成和工作原理；进一步掌握虚拟仪器LabVIEW图
6、形化软件设计方法与调试技巧。(5)培养学生查阅资料的能力和运用知识的能力；提高学生的论文撰写和表述能力；培养学生正确的设计思想、严谨的科学作风；培养学生的创新能力和运用知识的能力。三、设计要求1、了解和掌握整个以虚拟仪器技术平台构建的测控系统组成、工作原理、各单元功能和应用背景。2、根据设计任务进行文献资料的检索，根据测控系统的功能和工作原理，确定测控系统的功能，制定设计方案和设计虚拟仪器面板。3、合理选择传感器的种类与型号，设计信号调理电路；利用虚拟仪器技术软件开发平台LabVIEW来编写与调试系统软件。4、按学校课程设计的撰写规范撰写且提交一份完整的设计报告。四、设计内容1、基于虚拟仪器技
7、术的光采集系统硬件设计。2、基于虚拟仪器技术的光采集系统软件设计。具体设计内容详见前面的设计任务。五、设计报告要求报告中提供如下内容：1、 目录2、正文(1)设计任务书(只需要打印指导教师提供的设计任务书，不要对任务书的内容进行任何的修改)；(2)总体设计方案(包括对现代测控系统发展的概述，构建一个测控系统的总体结构图，对光敏电阻测量的电路原理及基本的信号处理的方法的发展与概述等、光敏电阻的电阻变化与光强的关系的概述等，光信号调理电路的设计，并根据任务书要求，选择合适的技术参数和技术方案，对多种设计方案进行分析比较，系统总体结构图概述等)；(3)系统硬件设计，包括传感器的选择(测量原理分析，传
8、感器的量程、测量精度与结构、型号的确定)、信号调理电路的选择、设计及计算(根据测量要求、传感器的类型及特点，选择或设计合适的信号调理电路，并绘制电气系统原理图。)；(4)系统软件设计，包括系统软件程序流程图、前面板与框图程序的设计及功能实现方法等；(5)系统总体调试、运行及其结果；要求有程序和运行结果等。3、收获、总结与体会4、参考文献(不低于20篇)六、设计进度安排本课程设计共需2周时间，其具体安排见下表:时 间上午下午第一周星期一设计动员、布置设计任务查找与消化相关资料星期二查找与消化相关资料总体方案设计星期三总体方案设计系统硬件设计星期四系统硬件设计系统硬件设计星期五系统硬件调试系统硬件
9、调试第二周星期一系统软件设计系统软件设计星期二系统软件设计系统软件设计星期三系统软件调试系统总体调试及性能分析与总结星期四撰写设计报告撰写设计报告星期五完成设计报告并上交答辩七、设计考核办法本设计满分为100分，从设计平时表现、设计报告及设计答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、40%、40%。基于虚拟仪器技术的光采集系统设计前言随着电子工业测量技术与电子测量仪器技术的高速发展，新的测试理论、测试方法、测试领域以及新的仪器结构不断出现，它们在许多方面己经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化，在这种背景下，虚拟仪器技术应运而生。虚拟仪器，是借助于计算机的软硬件平台
10、，建立起基于PC机的测试与控制系统。虚拟仪器是当前测控领域的技术热点，它代表了未来仪器技术的发展方向。它最大特点是“按需构造，随做随用”，用户可以随心所欲地根据自己的需求设计自己的仪器系统，仅仅通过修改软件就能改变仪器功能，以满足多种多样的应用需求。“软件就是仪器”反映了虚拟仪器技术的本质特征。美国国家仪器公司（简称NI）公司的软件产品LabVIEW，是虚拟仪器语言中最有代表性的，LabVIEW 是一个革命性的图形编程开发环境，它以G 语言为基础，用户进行数据采集、控制、数据分析和数据表示。基于LabVIEW 的数据采集系统是下一代自动测试系统的发展方向。本系统主要分为两部分，第一部为数据采集
11、硬件设计，第二部分为数据管理及分析。功能主要包括：数据采集等，软件采用了NI 公司的LabVIEW2010 开发。第一部分数据采集硬件的设计。第二部分数据管理与分析，用LabVIEW 编写了基于Windows XP的上位机应用程序以及上位机与采集卡之间的通信程序；利用LabSQL 工具包建立了ACCESS 数据库，实现对采集到的数据的存储，并可以查询历史数据。同时系统可以生成报表以及可以对所需要的数据进行打印，并可以对得到的数据进行一些必要的分析，如加窗函数，逐点分析。这在对一些重要数据的保存方面就显得相当地必要。1总体设计方案1.1 测控系统发展的概述现代测控技术是一门高新技术，以测控、测量
12、、电子等学科为基础，涉及计算机技术、信息处理技术、电子技术、自动控制技术、测试测量技术、仪器仪表技术及网络技术等领域。随着现代科学技术的飞速发展和不断融入，加快了现代测控技术的发展，使其正朝着智能化、集成化、微型化、虚拟化、网络化和远程化的方向大步迈进。作为一门实践性很强的技术，现代测控技术在工业、农业和国防等领域的应用广度和深度正不断的扩大，并将为改进技术水平和提高生产率做出巨大的贡献。1.1.1 现代测控技术的特点现代测控技术的特点可以概括为：智能化、数字化、网络化、分布式化。(1) 智能化 现代测控系统中应用的仪器仪表都是智能化的仪器，以微处理器为基础，具有方便使用、灵巧、多功能等特点。
13、随着微电子技术的发展和更多的人工智能的不断引入，智能化仪器的计算能力和计算方法将得到大大增强。(2)数字化 数字化在测控领域中的应用主要体现在：控制器到远程终端设备的数字化控制，传感器的数字化控制，通信、信号处理等过程的数字化控制等。(3) 网络化 传感器技术、测控技术、计算机技术与网络技术的结合，使分布式、网络化的测控系统的组建变得十分便捷。随着计算机网络技术的迅猛发展及其他相关技术的不断完善，使得计算机网络的规模更加庞大，其在航空航天、气象、通信和国防等领域的应用也更为广泛。(4) 分布式化 分布式测控技术是以网络技术和微型计算机术为基础，采用分布式的结构将系统内所使用设备连接起来，从而组
14、合成符合要求的分布式测控系统。在生产过程的控制中，分布式测控系统可以实现测量控制管理的全自动化，大大降低了测控成本，提高了测控效率。1.1.2 现代测控系统概述现代测控系统是一个综合系统，其目的是实现生产过程的自动化控制，它以计算机技术为核心，并集控制和测量为一体。(1)现代测控系统的组成现代测控系统的组成大致可以分为五个部分，即：控制器部分。是系统的控制中心和指挥中心，主要指计算机、小型机、单片机等。程控设备和仪器。包括：激励源、程控伺服系统、各种程控开关及仪器、执行元件、存储器件、显示器件等。测控应用软件。包括 I/O 接口软件、可执行应用程序和仪器驱动程序等。总线与接口部分。包括连接器、
15、电缆、插槽、机械接插件等。它是连接控制器与各种设备、程控仪器的通路，以完成数据、命令及消息的交换与传输。被测对象。主要是指生产线、系统、子系统、被测设备等，通过电缆、开关、接插件等于测控设备相连接。根据测控任务的不同，被测对象也是千差万别的。(2)现代测控系统的基本类型 按照结构不同，现代测控系统可以分为三类：基本型、闭环控制型和标准通用接口型。基本型测控系统主要由传感器、数据采集卡、信号调理和计算机组成。它能够完成对多点的实时、快速测量，并能进行信号和数据分析，消除干扰，最终做出判别。闭环控制型是指应用于闭环控制系统的测试系统，其过程的自动控制可归纳为实时数据采集、实时控制、实时判断决策三个阶段。标准通用接口型是由模块组合而成，并且所有模块的对外接口都是按照规定标准设计的。1.1.3 现代测控技术的应用(1)新型传感器技术 传感技术是当今世界发展最迅速的高新技术之一。为了适应现代科学技术的发展，新型传感器逐渐融入了诸如计算机技术、智能技术和网络技术等新技术，使其结构更加完善，功能更加强大。新型传感器技术的应用体现在：微型化气体传感器广泛应用于交通、医学、化工、机器人、国防、防伪等领域。数字化传感器在实际生产和生活中应用广泛，如：银行监控、测量
