基于虚拟仪器的温湿度监控系统.doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）基于虚拟仪器的温湿度监控系统摘 要温湿度监控就是对周围环境的温湿度进行检测，进而调节影响温湿度的因素，使之向人们所希望的方向变化。实现温湿度监控有很多种方法：基于单片机的温湿度监控系统；基于虚拟仪器的温湿度监控系统；基于MatLab（即矩阵实验室Matrix Laboratory）的温湿度监控系统；基于GSM（即Global System for Mobile Communications的缩写，中文为全球移动通讯系统）远程分布式温湿度监控系统。本文提出了一种基于虚拟仪器的、针对农业温室温湿度的温湿度监控系统，即利用LabVIEW实现对农业温室的温湿度监控，该系统可以实现对传感器采集的数据进行简单处理，存储和显示，以及越限报警等功能。具体的，当采集到的温湿度，高于或者低于设置的（适合农作物生长的）温湿度时，系统报警，操作人员可以通过通风、灌溉等相应的措施调节，达到保持最适农作物生长温湿度的目的。与其它两种方法比较，基于虚拟仪器的温湿度监控系统更具优势，由于有NI公司生产的配套产品DAQ数据采集卡（本次设计采用的采集卡是PCI-6221）的配合使用，使整个系统结构更简单，功能更强大。关键词：虚拟仪器；温湿度传感器；数据采集；虚拟控制系统；数据采集卡 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）Virtual instrument based on temperature and humidity controlAbstractTemperature and humidity monitoring is on the surrounding environment to detect the temperature and humidity, which affect the temperature and humidity adjustment factors, so that people want to change direction. Monitor temperature and humidity to achieve there are many ways: single-chip based on the temperature and humidity control system; virtual instrument based on the temperature and humidity control system; based on MatLab (Matrix Laboratory that Matrix Laboratory) of the temperature and humidity control system; based on the GSM (or Global System acronym for Mobile Communications, Chinese for the Global System for Mobile Communications) long-range distributed temperature and humidity monitoring system. This paper presents a virtual instrument based on, for agricultural greenhouse temperature and humidity of the temperature and humidity control system, namely the use of LabVIEW to achieve greenhouse agriculture monitoring the temperature and humidity, the system can be achieved on the sensor data collected by simple handling, storage and display, as well as more features such as alarm threshold. Specific, when the collection of temperature and humidity, above or below the set (suitable for crop growth) temperature and humidity, the system alarm, the operator can ventilation, irrigation and other appropriate measures to adjust to maintain optimum crop growth temperature The purpose of humidity. And the other two methods, based on virtual instrument temperature and humidity monitoring system is superior, because of the supporting NI products company - DAQ data acquisition card (in this design is the acquisition card PCI-6221) with the use, the structure of the whole system simpler and more powerful.Keywords: Virtual instrument; temperature and humidity sensors; data acquisition; virtual control system; data acquisition card内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1 研究背景11.1.1 温湿度监控系统的意义11.1.2 虚拟仪器的概况21.1.3 虚拟仪器的发展前景41.2 LabVIEW简介51.2.1 LabVIEW的功能与特点51.2.2 LabVIEW程序构成与模块简介6第二章 硬件介绍92.1 数据采集卡介绍92.2 传感器简介11第三章基于虚拟仪器的数据采集与控制143.1基于LabVIEW的数据采集143.1.1数据采集的基础143.1.2基于LabVIEW的数据采集及存储183.2 基于虚拟仪器的控制系统203.2.1虚拟仪器与LabVIEW在控制中的应用203.2.2基于虚拟仪器的控制系统的结构22第四章基于虚拟仪器温湿度监控系统的方案设计244.1 基于虚拟仪器温湿度监控系统244.1.1系统前面板254.1.2程序子模块264.2系统程序总图30第五章程序运行和调试325.1 程序的运行325.2程序调试技术325.3系统的运行33总结35参考文献36附录A系统前面板37附录B程序总图38致谢39 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 引 言1.1 研究背景传统的温湿度检测往往使用普通的仪表，温度计就是最常见的测温工具，通过人工读数、记录、整理数据，绘制曲线和编写实验报告，为了使结果准确，需要选取较多测试点，造成人员工作量大，数据记录时间长，数据处理和分析复杂。利用较先进的技术实现温湿度监控系统的方法也有很多种，如：基于单片机的温湿度监控系统；基于GSM的温湿度监控系统；基于虚拟仪器的温湿度监控系统等。利用单片机实现温湿度的监控，需要较高的编程水平及严谨的逻辑思维，使用汇编语言或C语言进行程序的编辑。基于GSM的温湿度的监控系统，是利用DSM短信业务，将待发消息加上地址发送到短信中心，再由短信中心转发到最终目的地。本设计是以DAQ采集卡为硬件平台，以LabVIEW为软件平台，实现对环境温湿度的检测。基于虚拟仪器的温湿度监控系统结构、原理较简单，但功能较强，可以对周围环境的温湿度进行采集、存储、前面板的显示、上下限的报警以及报警历史的清除等。1.1.1 温湿度监控系统的意义日常生活中的很多方面都与温湿度有关，例如：农业上，农作物生长需要合适的温湿度；图书馆贵重书籍的存放，跟温湿度密切相关；军事上，弹药库中的弹药既不能受潮，也不能太干燥，受潮后影响弹药质量，太干燥，则可能引发爆炸，造成严重的后果。随着生活质量的提高，人们越来越追求健康舒适的生活，而实现这些目标跟周围环境的温湿度有很大的关系。因此，对温湿度的监测是十分必要的。传统的人工温湿度采集方法已经不能满足人们的要求。计算机温湿度自动采集不但能够增加数据的可信度和准确度，而且实时性明显得到提高，同时还减轻了劳动强度，提高了效率，排除了由技术水平，劳动态度等人为因素对采集带来的影响。如果用人工采集，可能需要多个工人在闷热，潮湿，高噪声等不同恶劣的环境中工作，而计算机采集完全可以避免这些问题，而且可以同时实现存储、显示、制表、绘制曲线、报警等多种功能。1.1.2 虚拟仪器的概况随着科学技术的发展，人们在监控与监测生产过程、居住环境、生活质量等过程中，制造了各种各样科学仪器。这些仪器种类繁多、功能千差万别，而其发展历程大致可以分为四个阶段。第一阶段的仪器是模拟式仪器仪表。它的主要结构是基于电磁机械式机构，其测量结果是依靠指针显示，也称为模拟指针仪表。第二阶段是数字化仪表。它们将模拟信号转换为数字信号，以数字形式输出并显示出结果。第三阶段是智能仪器。这种仪器内部有微处理器，可以进行自动检测，具有一定的数据处理能力，但是由于功能模块是硬件预固化的软件，对开发和应用仍不灵活。以上三代仪器，对于用户来说是一个封闭的系统，仪器的面板、旋钮、开关和显示方式，内部电路及仪器所能提供的功能都是固定的，与其他设备的连接也受限制。开发这类仪器需要专门的技术和高成本的元部件，这造成了这类仪器更新周期长（约56年），价格高的特点。人们一般把这类仪器称为传统仪器。随着计算机硬件技术、软件技术的不断发展与成熟，全新概念的第四代仪器虚拟仪器出现了。1986年美国国家仪器公司（NI）首先提出了虚拟仪器的概念，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。目前LabVIEW的最新版本为LabVIEW8.6，LabVIEW 8.6为多线程功能添加了更多特性，这种特性在1998年的版本5中被初次引入。虚拟仪器作为一种基于计算机的自动化检测仪器系统，是现代计算机技术和仪器技术完美结合的产物，也是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。它利用加在计算机上的一组软件与仪器模块相连接，以计算机为核心、充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力提供对测量数据的分析和显示。虚拟仪器的构成，如图1.1所示：图1.1 虚拟仪器的构成NI提出的“软件即仪器”的口号，彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的模式，利用虚拟仪器，用户可以很方便地组建自己的自动检测系统。显然，与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下特点：1.融合了计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。2. 利用计算机丰富的软件资源，实现了部分硬件的软件化，增加了系统的灵活性。通过软件技术和相应数值算法，可以实时、有效地对测试数据进行各种分析与处理。同时，利用图形用户界面技术使得人机交互方便。3.基于计算机总线和模块化仪器总线，硬件实现了模块化、系列化，提高了系统的可靠性，改变了系统的易维护性。4.基于计算机网络技术和接口技术，具有方便、灵活的互联能力，广泛支持各种工业总线的标准。因此，利用VI技术可方便地构建自动测试系统，实现测量、控制过程的智能化、网络化。5.基于计算机开放式标准体系结构。虚拟仪器的硬件、软件都具有开放性、互换性及可重复使用等特点。用户可根据自己的需要，选择不同厂家的产品，使仪器系统的开发更为灵活，效率更高，系统组建的时间更短。1.1.3 虚拟仪器的发展前景 自从虚拟仪器的概念提出后，虚拟仪器技术迅速得到了发展，在科研、开发、测量、计量、测控等领域得到了广泛的应用。它的发展大致可分为四个阶段。第一阶段称为初级虚拟仪器。初级虚拟仪器是利用计算机来增强传统仪器的功能。随着GPIB总线标准的确立，人们把传统仪器通过GPIB和RS-232C同计算机连接，从而可以用计算机来控制仪器。第二阶段称为开放式虚拟仪器。插入式数据处理卡的出现，如基于台式计算机PCI总线的数据采集卡（DAQ），基于笔记本计算机PCMCIA总线的数据采集卡，使得虚拟仪器进入了开放式时代。第三阶段称为虚拟仪器框架。由我国自主提出的“框架协议”开发系统，利用面向对象技术封装出虚拟仪器的功能库、控件库、开发系统、帮助模块等，用户利用这一系统几乎可以“零编程”地开发出虚拟仪器。第四阶段称为网络化虚拟仪器。随着远程、复杂、大范围的测控任务的需求越来越大，网络化虚拟仪器就应运而生了，这就是所谓的“仪器流技术”。以PC机和工作站为基础，通过Internet网进行远程控制，不仅可以充分利用仪器资源、降低检测成本，也可以提高测控系统的功能，拓展其应用范围。目前，虚拟仪器已经形成了一个很庞大的产业市场，国外生产虚拟仪器的厂家有NI公司、HP公司、Tektronix公司等。我国目前有许多科研机构和高校均在进行虚拟仪器技术研究，虽然我国在虚拟仪器领域起步较晚，但与发达国家差距并不太大。我们应该抓住机会，通过学习先进国家的技术，努力提高我国虚拟仪器的技术水平。 1.2 LabVIEW简介当前，在使用比较广泛的虚拟仪器软件开发平台中，NI公司的LabVIEW是最具代表性的图形化虚拟仪器开发平台。1.2.1 LabVIEW的功能与特点LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序（VI），产生的程序是框图的形式。 与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个可以完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等。LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。由于虚拟仪器的延伸和发展，使得LabVIEW 的应用变得越来越广泛；反过来，也是因为LabVIEW的成功，才使得虚拟仪器在学术界和工程界被广泛接受。作为一种软件工具语言，具有以下这些特点：1.图形化编程环境。LabVIEW采用专为工程师和科学家而设计的直观的图形化编程语言。它尽可能利用了技术人员所熟悉的术语、图标和概念。在测试系统的开发过程中设计人员基本上不写程序代码，取而代之的是图形化符号。因此，可以方便迅速的建立自己的虚拟仪器系统。2.功能强大的函数库。LabVIEW提供了用于输入/输出、控制、分析和数据显示的数百个内置函数。这些函数可以直接调用，从而可以大大提高工作效率。3.灵活的程序调试手段。可通过设置断点、单步运行、高亮执行及设置探针等程序调试手段来检查程序设计中的错误。4.开放式的开发平台。用户在使用LabVIEW的时候，可以调用其他软件开发编译模块。5.支持多种操作系统。LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh等多种版本，并且在不同平台上开发应用程序时，可直接进行移植。6.强大的Internet功能。支持常用网络协议，易于构建基于计算机网络的测试系统。1.2.2 LabVIEW程序构成与模块简介LabVIEW的核心是VI（G语言编写的程序）。该环节包含三个部分：程序前面板(Front Panel)、程序框图(Block Diagram)和图标/连接端口（Icon/Connector）。程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。在程序前面板上，输入量被称为控件(Controls)，模拟了仪器的输入装置，并把数据提供给VI的方框图；输出量被称为指示器(Indicators)，模拟了仪器的输出装置，并显示由方框图获得或产生的数据。控件和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，这使得前面板直观易懂。LabVIEW中有两种类型的数据端口，其中一类是控制端口和指示端口；另一类是节点端口。控制端口和指示端口用于前面板对象，当VI程序运行时，控制输入的数据通过控制端传递到框图程序，供其中的程序使用，产生的输出数据再通过指示端口传输到前面板对应的指示中显示。每个节点端口都有一个或数个数据端口用于输入或输出。用LabVIEW编制出的图形化VI是分层次和模块化的，可以将它用于顶层(Top level)程序，也可用作其它程序或子程序的子程序。一个虚拟仪器的图标被放置在另一个虚拟仪器的流程图中时，它成了个子仪器(SubVI)。SubVI在调用它的程序中同样是以一个图标的形式出现的。LabVIEW依附并发展了模块化程序设计的概念，用户可以把一个应用题目分解为一系列的子任务，每个子任务还可以进一步分解成许多更低一级的子任务，直到把一个复杂的题目分解为许多子任务的组合，首先设计SubVI完成每个子任务，然后将之逐步组合成能够解决最终问题的VI。1.前面板 （Front Panel）前面板是程序与用户交流的窗口，用于设置各种输入控制参数和观察输出量。前面板的作用相当于传统仪器的面板，在它上面有用户输入和显示输出两类对象。具体表现为开关、旋钮、拨盘等用户输入的控制对象和图形、图表等显示对象。如图1.2所示的是一个正弦函数产生和显示VI的前面板，上面有一个显示对象，图形显示控件，以曲线的方式显示了一个正弦波。有两个控件对象，即旋钮和停止键，旋钮用于调节产生的正弦波的幅值，停止/启动按钮用于启动和停止程序的运行。图1.2正弦波产生和现实2.程序框图（Block Diagram）每个前面板都有相应的程序框图与之对应。程序框图是VI的图像化源代码，是实现程序的核心，可以把它想象为传统仪器机箱中用来实现功能的零部件，它可以控制和操纵定义在前面板的输入和输出功能。程序框图由节点、端口和连线等要素组成。图1.3所示的是一个正弦函数产生和显示VI的程序图（与图1.2相对应）。图1.3正弦波产生和显示的程序框图第二章 硬件介绍硬件是任何一个系统不可缺少的部分。本次设计中涉及到的主要硬件有：PC机、传感器、DAQ数据采集卡及其I/O端口。2.1 数据采集卡介绍一个典型的数据采集卡的功能应有模拟输入、模拟输出、数字输入/输出端口、计数器/计时器等，而这些功能分别由相应的电路来实现。模拟输入是采集最基本的功能。它一般由放大器、采样保持电路以及A/D来实现，通过这些部分，一个模拟信号就可以转化为数字信号。A/D的性能和参数直接影响着模拟输入的质量，要根据实际需要的精度来选择合适的A/D。模拟输出通常是为采集系统提供激励。输出信号受数模转换器（D/A）的建立时间、转换率、分辨率等因素影响。建立时间和转换率决定了输出信号幅值改变的快慢。建立时间短、转换率高的D/A可以提供一个较高频率的信号。如果用D/A的输出信号去驱动一个加热器，就不需要使用速度很快的D/A，因为加热器本身就不能很快地跟踪电压变化。应该根据实际需要选择D/A的参数指标。数字输入/输出通常用来控制过程、产生测试信号、与外设通信等。它的重要参数包括：数字口路数（line）、接收 (发送 )率、驱动能力等。如果输出去驱动电机、灯、开关型加热器等用电器，就不必用较高的数据转换率。路数要能同控制对象配合，而且需要的电流要小于采集卡所能提供的驱动电流，但如果加上合适的数字信号调理设备，仍可以用采集卡输出的低电流的TTL电平信号去监控高电压、大电流的工业设备。数字I/O常见的应用是在计算机和外设如打印机、数据记录仪等之间传送数据。计数器包括三个重要信号：门限信号、计数信号、输出。门限信号实际上是触发信号使计数器工作或不工作；计数信号即信号源，它提供了计数器操作的时间基准；输出是在输出线上产生脉冲或方波。计数器最重要的参数是分辨率和时钟频率，高分辨率意味着计数器可以记载更多的数，时钟频率决定了计数的快慢，频率越高，计数速度就越快。采集卡在数据的采集与处理中应满足下面的条件:1.采样精度高，数据准确。2.采样范围宽，能实现不同频率下的采样。3.自动处理分析数据，得出分析结果。4.操作简单方便，易于控制。本次设计采用的是M系列PCI-6221型数据采集卡，这是一个基于PCI的同步数据采集卡，它可以充分利用计算机的资源增加测试系统的灵活性和扩展性，且用户可以通过LabVIEW应用程序给驱动发送诸如采集、显示和分析等指令，为用户节省了编写底层函数的时间和麻烦。它有16路模拟量输入通道，24个数字输入/输出端口，2个16位模拟输出通道，两个32位计数器，6个DMA通道，且每个功能都有独立的DMA控制器。而且，M系列的新技术能提供更高的性能和更多的端口，具有更高的价值。NI-STC2是专门为M系列DAQ设备设计的特定用途集成电路(ASIC )，提高了设备的输入/输出端口通道数，数据吞吐率增强了12倍。NI-MCaI技术提供线性化和校准引擎，很大程度地提高了整个输入范围内精度。DAQmx是NI公司开发的测量服务软件，我们可以把测量服务软件看作是输入/输出驱动软件层，然而它不仅仅是一个驱动，这个软件连通了虚拟仪器软件和硬件，用以产生信号帮助测试程序的正确性。此外，DAQmx支持NI公司的高性能新硬件产品，包括M系列插入式DAQ设备，一些最新的USBDAQ设备，以及数以百计的传统NI-DAQ所支持的DAQ设备。以DAQmx为兼容对象的产品将是采集硬件发展的方向，NI公司M系列的产品以及以后开发的数据采集产品都将以支持DAQmx为主，对于传统数据采集VI将逐渐被淘汰。基于DAQ的数据采集系统不但实用，而且具有很高的性价比，且PCI总线传输速率高，数据吞吐量大。加上LabVIEW程序开发的方便快捷、友好的图形化用户界面，使得用它来开发DAQ卡数据采集的应用，较其它开发环境的开发有着不可比拟的优越性。2.2 传感器简介检测技术是人们认识和改造世界的一种必不可少的重要技术手段，而传感器是科学实验和工业生产等活动中对信息资源的开发获取、传输与处理的一种重要设备。传感器是只能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。因此，传感器又被称为敏感元件、检测器件、转化器件等。如在电子技术中的热敏元件、磁敏元件、光敏元件；在机械测量中的转矩、转速测量装置；在超声波技术中的压电式换能器等都可以统称为传感器。传感器的基本功能是检测信号和进行信号转换。传感器总是处于测试系统的最前端，用来获取检测信息，其性能的好坏直接影响整个测试系统，对测量精度起着决定性作用。通常，其输出量都是电信号，方便传输、转换、处理、显示等。传感器的组成按其定义一般分为敏感元件、转换元件、信号调理转换电路三部分，有时还需要外加辅助电源提供能量转换。其组成如图2.1所示：图2.1传感器的组成传感器一般采用两种方法分类：一种是按照被测量参数分类，如对温度、湿度、压力、位移等的测量，相应的有温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器等；另一种是按传感器的工作原理分类，如按应变原理工作式、按电容原理工作式、按压点原理工作式等，相应的有应变式传感器、电容式传感器、压电式传感器等。传感器选用是设计中要考虑的几个重要问题之一，具体的可以从下面几个方面考虑：1.根据对测量对象与测量环境确定传感器类型要进行一次具体测量工作，首先要考虑采用何种原理传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。根据被测量的特点和传感器的使用条件需要考虑下面的问题：量程的大小；被测量位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号引出方法，是有线或是非接触测量。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，再考虑传感器具体性能指标。2.灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但需要注意的是，传感器灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被系统放大，影响测量精度，因此要求传感器本身应具有较高的信噪比。尽量减少外界引入干扰信号。3.线性范围传感器线性范围是指传感器输出与输入成直线关系的范围，从理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，其量程越大，并且能保证一定的测量精度。选传感器的种类以后首先看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。所以在要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将误差较小的传感器近似看作是线性的。4.稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身的结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器有良好的稳定性，传感器必须具有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用的环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减少环境影响。5.精度精度是传感器的一个重要性能指标，它是关系到整个测量系统精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵。因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。可以再满足同意测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。总之，选择传感器应从其基本原理出发，注意被测对象可能产生的负载效应。所选择的传感器，应既能适应被测物理量，又能满足量程、测量结果的精度要求，同时还有具有可靠性高、适用性强，性价比高的特点。本次设计主要是针对监测农业温室的温湿度（农业上良种培育需要的条件是：温度1540，湿度：4075RH%），在考虑了上述的因素之后，本设计理论上应该选择温湿度传感器HMP231，但由于条件的限制，最终使用模拟信号进行了实验。 第三章 基于虚拟仪器的数据采集与控制3.1基于LabVIEW的数据采集数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。数据采集技术广泛引用在各个领域。比如摄像头、麦克风等，都是常见的数据采集工具。 被采集数据是已被转换为电信号的各种物理量，如温度、水位、风速、压力等，可以是模拟量，也可以是数字量。采集的一般方式是隔一定时间（称采样周期）对同一点数据重复采集。采集的数据大多是瞬时值，也可是某段时间内的一个特征值。数据采集含义很广，包括对面状连续物理量的采集。在计算机辅助制图、测图、设计中，对图形或图像数字化过程也可称为数据采集，此时被采集的是几何量（或包括物理量，如灰度）数据。在互联网行业快速发展的今天，数据采集已经被广泛应用于互联网及分布式领域，数据采集领域已经发生了重要的变化。首先，分布式控制应用场合中的智能数据采集系统在国内外已经取得了长足的发展。其次，总线兼容型数据采集插件的数量不断增大,与个人计算机兼容的数据采集系统的数量也在增加。国内外各种数据采集机先后问世，将数据采集带入了一个全新的时代。3.1.1数据采集的基础虚拟仪器系统的典型硬件结构是：传感器、信号调理器、数据采集设备和计算机。虚拟仪器系统硬件结构，如图3.1所示：图3.1虚拟仪器典型硬件结构本次设计中的数据采集部分需要实现的功能有：温湿度采集、双通道波形显示、采集数据存储，并在程序前面板显示采集到的数据。数据采集前，必须对所采集的信号的特性有所了解，因为不同信号的测量方式和对采集系统的要求是不同的，只有了解被测信号，才能选择合适的测量方式和配置采集系统。1.信号调理从传感器出来的信号可能会很微弱，一般都含有大量噪声，或者是非线性的，这种信号在进入采集卡之前必须经过信号调理。信号调理的方法主要包括隔离、放大、多路复用、滤波和数字信号调理等。（1）隔离隔离的信号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术，无需物理连接即可将信号从它的源端传输至测量设备。除了切断接地回路之外，隔离也阻隔了高电压浪涌（当某些大容量的电气设备接通或断开时间，由于电网中存在电感，将在电网产生“浪涌电压”，从而引发浪涌电流）以及较高的共模电压，既保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。（2）放大放大器提高输入信号电平以更好地匹配ADC的输入范围，从而提高测量精度和灵敏度。此外，使用放置在更接近信号源或转换器的外部信号调理装置，可以通过在信号被环境噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号噪声比。（4）多路复用通过多路复用技术，一个测量系统可以不间断地将多路信号传输至一个单一的数字化仪器，从而提供了一种节省成本的方式来扩大系统通道数量。多路复用对于任何高通道数的应用都是十分必要的。（5）滤波非电量经传感器转换成的电信号或其他被测电信号，一般都混杂有不同频率成分的干扰。严重情况下，这种干扰信号会淹没待提取的有用信号，因此需要一种电路能选出有用的频率信号，抑制频率与不同信号的干扰。滤波电路（滤波器）是一种选频装置，可以在一定的频率范围内去除不希望存在的噪声。几乎所有的数据采集应用都会在一定程度上受到50Hz或60Hz的噪声（来源于电线或机械设备）的影响。大部分信号调理装置都包括了为最大程度上抑制50Hz或60Hz的噪声而专门设计的低通滤波器。（6）线性化许多传感器感应的电信号和物理量之间并不是呈线性关系，因而需要对输出信号进行线性化，以补偿传感器带来的误差。（8）数字信号调理数字信号在某种情况下也要进行调理才能进入DAQ卡。譬如，不能将工业环境中的数字信号直接接入DAQ卡，接入之前必须经过隔离来防止可能的高压放电或者经过削减来调整电平以适应DAQ卡的输入要求。NI也提供了丰富的信号调理设备，譬如，SCXI、SCC、SC系列，即插即用传感器(TEDS)测量设备。2.信号类型在采集前对信号的类型有所了解是十分必要的，因为不同信号的测量方式和对采集系统的要求是不同的，只有了解被测信号，才能选择合适的测量方式和采集系统配置。任意一个信号都是随时间而改变的物理量。一般情况下，信号所包含的信息很广泛。比如：状态（state）、速率(rate)、电平(level)、形状(shape)、频率成分(frequency content)。根据信号包含信息的不同，可以将信号分为模拟或数字信号。数字(二进制)信号分为开关信号和脉冲信号。模拟信号可分为直流、时域和频域信号。（1）数字信号第一类数字信号是开/关信号。一个开/关信号运载的信息与信号的瞬间状态有关。TTL信号就是一个开/关信号，一个TTL信号如果在2.0到5.0V之间，就定义它为逻辑高电平，如果在0到0.8V之间，就定义为逻辑低电平。第二类数字信号是脉冲信号。这种信号包括一系列的状态转换，信息就包含在状态转化发生的数目、转换速率、一个转换间隔或多个转换间隔的时间里。（2）模拟信号第一类是模拟直流信号。也就是静止的或变化非常缓慢的模拟信号。直流信号最重要的信息是它在给定区间内运载的信息的幅度。常见的直流信号有温度、流速、压力、应变等。采集系统在采集模拟直流信号时，需要有足够的精度以正确测量信号电平，由于直流信号变化缓慢，用软件计时就够了，不需要使用硬件计时。第二类是模拟时域信号。与其他信号不同的是，模拟时域信号在运载信息时不仅有信号的电平，还有电平随时间的变化。在测量一个时域信号时，也可以说是一个波形，需要关注一些有关波形形状的特性，比如斜度、峰值等。为了测量一个时域信号，必须有一个精确的时间序列，序列的时间间隔也应该合适，以保证信号的有用部分被采集到。要以一定的速率进行测量，这个测量速率要能跟上波形的变化。用于测量时域信号的采集系统包括一个A/D、一个采样时钟和一个触发器。A/D的分辨率要足够高，保证采集数据的精度；带宽要足够高，用于高速率采样；精确的采样时钟，用于以精确的时间间隔采样；触发器使测量在恰当的时间开始。 第三类是模拟频域信号。与时域信号类似，但不同的是从频域信号中提取的信息是基于信号的频域内容，而不是波形的形状，也不是随时间变化的特性。用于测量一个频域信号的系统必须有一个A/D、一个简单时钟和一个用于精确捕捉波形的触发器。系统必须有必要的分析功能，用于从信号中提取频域信息。为了实现这样的数字信号处理，可以使用应用软件或特殊的DSP硬件来迅速而有效地分析信号。模拟频域信号也很多，比如声音信号、地球物理信号、传输信号等。上述信号分类不是互相排斥的。一个特定的信号往往运载着不只一种信息，可以用几种方式来定义信号并测量它，用不同类型的系统来测量同一个信号，从信号中取出需要的各种信息。3.1.2基于LabVIEW的数据采集及存储LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering）是一种开放型的通用程序开发系统，具有强大的数据采集、数据处理、数据分析和仪器控制功能。而数据采集的硬件部分的核心是 ( Data Acquisition-DAQ)卡，它和LabVIEW有很好的接口程序，用LabVIEW实现数据采集，就是在LabVIEW中控制各种DAQ卡(或设备)完成特定的功能，这都离不开DAQ驱动程序的支持。LabVIEW开发环境安装时，会自动安装NI-DAQ软件，包括两个驱动程序DataAcquisition和DAQmx-DataAcquisition，其中前者是传统的数据采集VI，后者是数据采集DAQmx类型的数据采集VI，它们位于NI Measurements子模板，各有独特的应用程序编程接口API，方便用不同的硬件和软件设置方法，形成两套独立的数据采集系统。由于传统DAQ 和DAQmx 二者之间是互不兼容的，所以计算机中同时安装DAQmx 和传统DAQ时，一定要注意它们只能单独使用。另外，在一台计算机中使用了一种技术，如果再使用另外的一种驱动函数时，一定要先在MAX 中进行软件复位，因为它默认正使用前一种的数据采集驱动函数。在了解了LabVIEW的这些功能后，可以确定初步的设计思路：传感器把被测量的物理量转换为电量；信号调理电路对传感器转换的电信号进行放大、滤波、隔离等预处理；数据采集卡采集信号调理电路的电压信号，转换成计算机能处理的数字信号；通过数据采集卡驱动程序，将数字信号读入计算机，计算机对信号进行处理，以达