摘 要：介紹了虛(xu)擬儀器的(de)概念及其軟件(jian)開(kai)發平(ping)臺Labview的(de)功能與特(te)點。運(yun)用Labview開(kai)發了用于多通道(dao)水質參數監測的(de)虛(xu)擬儀器，闡(chan)明了該虛(xu)擬儀器的(de)硬件(jian)、軟件(jian)設(she)計原理和應(ying)用實例(li)。

關鍵詞：Labview 水質監測(ce) 虛擬儀器

隨著(zhu)現(xian)(xian)(xian)代科技的迅(xun)猛(meng)發展，對(dui)水質(zhi)監(jian)測的要(yao)求也越來越高，水質(zhi)監(jian)測儀器不僅要(yao)能單獨測量某個(ge)水質(zhi)參數，而(er)且還希望能夠互相通信、實現(xian)(xian)(xian)信息共享(xiang)，從而(er)完成對(dui)被測水體系統的綜合(he)分析(xi)及評價。利用虛(xu)擬儀器技術構建的水質(zhi)監(jian)測虛(xu)擬儀器系統就(jiu)是(shi)為了實現(xian)(xian)(xian)上述(shu)目標而(er)進(jin)行(xing)的研究探索(suo)。

1　虛擬儀器及Labview［1，3］

虛擬(ni)儀(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)概念是美國NI公(gong)司(National Instrument)在20世紀(ji)80年代中期提出來的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。所謂虛擬(ni)儀(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)器(qi)(qi)(qi)就是以(yi)計(ji)算(suan)機(ji)作為(wei)儀(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)器(qi)(qi)(qi)統(tong)(tong)一的(de)(de)(de)(de)(de)(de)硬件(jian)平臺，充分利用(yong)計(ji)算(suan)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)運算(suan)、存(cun)儲、回放、調用(yong)、顯示及文件(jian)管理(li)等智能(neng)(neng)(neng)(neng)化(hua)(hua)功(gong)(gong)(gong)能(neng)(neng)(neng)(neng)，同(tong)時把傳統(tong)(tong)儀(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)專業(ye)化(hua)(hua)功(gong)(gong)(gong)能(neng)(neng)(neng)(neng)和(he)面板(ban)控件(jian)軟(ruan)(ruan)件(jian)化(hua)(hua)，使(shi)之與計(ji)算(suan)機(ji)結(jie)(jie)合構(gou)成一臺從外觀(guan)到(dao)功(gong)(gong)(gong)能(neng)(neng)(neng)(neng)都完(wan)全(quan)與傳統(tong)(tong)硬件(jian)儀(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)器(qi)(qi)(qi)相(xiang)同(tong)，同(tong)時又(you)充分享用(yong)了計(ji)算(suan)機(ji)智能(neng)(neng)(neng)(neng)資(zi)源的(de)(de)(de)(de)(de)(de)全(quan)新儀(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)器(qi)(qi)(qi)系統(tong)(tong)。與傳統(tong)(tong)儀(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)器(qi)(qi)(qi)相(xiang)比，虛擬(ni)儀(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)器(qi)(qi)(qi)有許多(duo)優點(dian)：對測試(shi)量的(de)(de)(de)(de)(de)(de)處(chu)(chu)理(li)和(he)計(ji)算(suan)可(ke)更復雜且處(chu)(chu)理(li)速(su)度更快(kuai)(kuai)，測試(shi)結(jie)(jie)果的(de)(de)(de)(de)(de)(de)表達方式更加豐富多(duo)樣(yang)，可(ke)以(yi)方便(bian)地存(cun)儲和(he)交換測試(shi)數據，價格(ge)低，技術更新快(kuai)(kuai)。它的(de)(de)(de)(de)(de)(de)最(zui)大(da)特點(dian)就是把由儀(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)器(qi)(qi)(qi)生產廠(chang)家(jia)定義儀(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)器(qi)(qi)(qi)功(gong)(gong)(gong)能(neng)(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方式轉(zhuan)變(bian)(bian)為(wei)由用(yong)戶(hu)自己定義儀(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)器(qi)(qi)(qi)功(gong)(gong)(gong)能(neng)(neng)(neng)(neng)，滿足多(duo)種多(duo)樣(yang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)應用(yong)需(xu)求。由于(yu)虛擬(ni)儀(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)測試(shi)功(gong)(gong)(gong)能(neng)(neng)(neng)(neng)、面板(ban)控件(jian)都實現(xian)了軟(ruan)(ruan)件(jian)化(hua)(hua)，任何使(shi)用(yong)者都可(ke)通過修改(gai)虛擬(ni)儀(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)軟(ruan)(ruan)件(jian)來改(gai)變(bian)(bian)它的(de)(de)(de)(de)(de)(de)功(gong)(gong)(gong)能(neng)(neng)(neng)(neng)和(he)規模，這充分體現(xian)了 軟(ruan)(ruan)件(jian)就是儀(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)設計(ji)思(si)想(xiang)。

虛(xu)(xu)擬(ni)儀器的(de)技(ji)(ji)術(shu)基礎是(shi)(shi)計算(suan)機技(ji)(ji)術(shu)，核(he)心是(shi)(shi)計算(suan)機軟件(jian)技(ji)(ji)術(shu)。其(qi)中最有(you)代表性(xing)的(de)圖(tu)形(xing)(xing)化(hua)編程(cheng)軟件(jian)是(shi)(shi)美國NI公司推出(chu)的(de)Labview(laboratory virtual instrument engineering workbench即實驗(yan)室虛(xu)(xu)擬(ni)儀器工(gong)(gong)作(zuo)平臺)。它(ta)是(shi)(shi)世(shi)界(jie)上第一個采用圖(tu)形(xing)(xing)化(hua)編程(cheng)技(ji)(ji)術(shu)的(de)面(mian)向儀器的(de)32位編譯型程(cheng)序(xu)開發系統，它(ta)的(de)目標就是(shi)(shi)簡(jian)化(hua)程(cheng)序(xu)的(de)開發工(gong)(gong)作(zuo)，提高編程(cheng)效率，讓科學(xue)家(jia)和工(gong)(gong)程(cheng)技(ji)(ji)術(shu)人員充(chong)分(fen)利用計算(suan)機的(de)資源和強大(da)功能，快速簡(jian)捷地完成自己的(de)工(gong)(gong)作(zuo)任務(wu)，它(ta)被稱為科學(xue)家(jia)與工(gong)(gong)程(cheng)師的(de)語(yu)言(yan)。

Labview使用(yong)了(le)(le)所(suo)見(jian)即所(suo)得的(de)可視化(hua)技術建立人機界面，提供了(le)(le)許多儀器面板(ban)中的(de)控制(zhi)對象(xiang)，如(ru)表(biao)頭、旋鈕(niu)、開關及坐(zuo)標平面圖等。用(yong)戶可以通過使用(yong)編輯器將(jiang)控制(zhi)對象(xiang)改變(bian)為(wei)適合自己工作(zuo)領域的(de)控制(zhi)對象(xiang)。Labview提供了(le)(le)多種強(qiang)有力的(de)工具箱和函數(shu)庫，并集成了(le)(le)很多儀器硬件(jian)庫。Labview支持(chi)多種操作(zuo)系統(tong)平臺，在任何一(yi)個平臺上開發的(de)Labview應用(yong)程序可直接移植(zhi)到其它(ta)平臺上。

2　實現水質監測的(de)虛擬(ni)儀(yi)器(qi)系統(tong)的(de)建立及應用

2.1　虛擬儀器(qi)的(de)軟件設計

軟件(jian)設計由(you)兩部(bu)分組成：前面(mian)板(ban)和流程(cheng)圖。在(zai)前面(mian)板(ban)，輸(shu)(shu)(shu)入用(yong)輸(shu)(shu)(shu)入控件(jian)(Control)來(lai)(lai)實現，程(cheng)序運行的結果由(you)輸(shu)(shu)(shu)出控件(jian)(Indicator)來(lai)(lai)完成。流程(cheng)圖是完成程(cheng)序功(gong)能(neng)的圖形化源(yuan)代碼，通過它對(dui)信號數(shu)據的輸(shu)(shu)(shu)入和輸(shu)(shu)(shu)出進行指定，完成對(dui)信號采集(ji)及(ji)分析(xi)處理功(gong)能(neng)的控制。

采用(yong)Labview5.1開發的水(shui)質(zhi)化學離(li)子(zi)檢測(ce)指(zhi)標測(ce)定虛擬儀器(qi)可(ke)以同時或分別對氟離(li)子(zi)、氯離(li)子(zi)、氰離(li)子(zi)、溶解氧等(deng)濃度進行監測(ce)。面板中間具(ju)有4個(ge)數(shu)值顯(xian)示(shi)(shi)窗(chuang)口和4個(ge)圖形顯(xian)示(shi)(shi)窗(chuang)口，分別顯(xian)示(shi)(shi)數(shu)據(ju)。為了準確(que)讀取數(shu)據(ju)，設計兩種讀取方式(shi)：用(yong)鼠標讀取；在顯(xian)示(shi)(shi)屏(ping)上放一個(ge)游標，利用(yong)鍵盤控制。系統(tong)設置采樣(yang)點數(shu)，采樣(yang)頻(pin)率等(deng)。

通道選(xuan)擇按鈕表示內存通道，與讀數通道相對應，每個(ge)通道都可以放一組由外設端口或(huo)從數據(ju)文 件中讀出的原始信號數據(ju)。

存(cun)儲數據(ju)命令(ling)按鈕與(yu)顯示屏相對應，按下它就 表示要把顯示屏上的數據(ju)存(cun)儲起來(lai)。存(cun)儲方式有兩 種：存(cun)儲在文件里或通(tong)過(guo)打印(yin)機打印(yin)。存(cun)儲數據(ju)可以多(duo)種方式顯示：如柱型圖，三(san)維立體圖，直方圖等。

通過(guo)數(shu)據分析庫(按鈕)能(neng)夠對(dui)所測(ce)數(shu)據進行(xing)統(tong)計、回歸、分析(調用(yong)函(han)數(shu)等)。使用(yong)幫助菜單(按鈕)熟悉和了解儀器(qi)的功能(neng)、操作等。按下退(tui)出按鈕后，將關閉虛擬儀器(qi)。

2.2　虛擬儀器(qi)的硬件結(jie)構

虛擬(ni)儀器(qi)的硬件(jian)平臺主(zhu)要包括用(yong)于數據(ju)采集(ji)、信(xin)號分析處理和信(xin)號輸出顯示等硬件(jian)。由(you)于從(cong)傳感器(qi)直接得到的信(xin)號很微弱(ruo)，因(yin)此選用(yong)了美(mei)國Burr Brown公司專(zhuan)門用(yong)于數據(ju)采集(ji)、具有高(gao)精度及強(qiang)抗(kang)干擾(rao)能力的精密隔離儀表(biao)放大器(qi)作為信(xin)號處理單元的主(zhu)放大器(qi)。數據(ju)采集(ji)系統采用(yong)美(mei)國Iotech WaveBook/512 Data Acquisition System，其主(zhu)要性能指(zhi)標為：采樣(yang)頻率，1 MHz;通道數，8；A/D精度，±0.025%；抗(kang)混濾波器(qi)；FIFO緩沖器(qi)，64 k。

2.3　應用實例

自(zi)行研制開(kai)發(fa)的(de)化學離子(zi)檢測(ce)(ce)(ce)指(zhi)標和水質綜合(he)檢測(ce)(ce)(ce)指(zhi)標測(ce)(ce)(ce)定(ding)的(de)虛擬儀(yi)器的(de)面板(ban)中間(jian)的(de)數值顯(xian)示窗口(kou)和圖形顯(xian)示窗口(kou)可以(yi)同時對氟(fu)離子(zi)、氯(lv)離子(zi)、氰離子(zi)和溶解氧(yang)等濃(nong)度(du)或COD和BOD進行監測(ce)(ce)(ce)。

系統(tong)設(she)置了采樣(yang)點數，采樣(yang)頻率等。通過(guo)通道選擇，可以(yi)以(yi)一(yi)個大的(de)顯示窗口(kou)(kou)分別顯示氟離(li)(li)(li)子(zi)、氯離(li)(li)(li)子(zi)、氰離(li)(li)(li)子(zi)、溶解氧、COD及BOD濃(nong)度等由外設(she)端口(kou)(kou)或從數據文件(jian)中讀出的(de)原始信(xin)號數據。

3　結語

虛(xu)擬儀器是電子技術和(he)計算(suan)機(ji)技術相結合的(de)產(chan)物(wu)，它是水質監測(ce)(ce)的(de)高(gao)效(xiao)率解決方案(an)。隨著計算(suan)機(ji)技術的(de)不斷(duan)發(fa)展，虛(xu)擬儀器技術必將(jiang)會在水質監測(ce)(ce)領域發(fa)揮越(yue)來越(yue)重要的(de)作用。

參考文獻

1　 李楊，鄭瑩娜，朱(zhu)錚濤.圖形化編程(cheng)語言Labview環境(jing)及其(qi)開放性 .計(ji)算機工(gong)程(cheng)，1999，25(4)：63～65

2　路林(lin)吉，饒家明.虛(xu)擬儀器.電(dian)子技術，2000，(1)：44～47

3　秦(qin)樹人.虛擬儀(yi)器(qi)--測試(shi)(shi)儀(yi)器(qi)從硬件到軟件.振動、測試(shi)(shi)與診斷，2000，20(1)：1～6 

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