多功能无纸记录仪的设计开发

　　1 虚拟仪器技术的概念及其应用前景

　　自1986年美国国家仪器公司（NI）提出虚拟仪器（Virtual Instrument）的概念以来，这种集计算机技术、通讯技术和测量技术于一体的模块化仪器便在世界范围内得到了广泛的认同与应用，逐步体现了仪器仪表技术发展的一种趋势。由于微电子技术、计算机技术、网络通讯技术和软件技术的高度发展，以及它们与各种测量技术在仪器仪表上的应用，使新的测试理论、测试方法、测试领域以及仪器结构不断涌现并发展成熟，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，仪器测量的功能和作用也发生了质的变化。虚拟仪器概念的产生正是基于这样一种技术背景。

　　仪器仪表技术的发展大致经历了以下两条发展主线：从测量的技术和方法上划分，经历了从机械仪表、模拟电子仪表、数字化电子仪表到智能仪表的发展过程；从仪表结构上划分，经历了单机仪表、叠架式仪器系统到虚拟仪器系统的发展过程。传统仪器一般均为一个独立的装置，有机箱、操作面板、信号I/O端子、信号处理机构或电路等，检测结果输出方式有数字、指针或图形窗口等，有的还有打印输出口。传统仪表的功能可概括描述为：信号采集与控制、信号分析与处理、结果的表达与输出，这些功能均以硬件或固化软件的形式存在。这种架构形式决定了传统仪器只能由仪器的生产厂来定义制造，而用户无法改变。传统仪器基本上未能摆脱独立使用、手动操作、功能相对固定、使用具有局限性的模式。计算机技术的发展，给传统仪表技术注入了强大的活力，在微电子技术和LSIC技术推动下，有力地促进了数字化仪器、智能仪器的快速发展。

　　虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。这也正是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。

　　虚拟仪器的构成：如果按照构成仪器的三大功能部件来分，所有控制系统、工业计测系统均可归纳至虚拟仪器的框架中来。目前较为常见的虚拟仪器是数据采集系统（SCADA），见图１。可编程仪器的信号处理、定时控制、集成总线、高速缓存、DMA等技术的应用，使这样的SCADA系统能达到仪器级的性能、精度与可靠性。

　　虚拟仪器的软件开发平台：虚拟仪器的软件开发平台目前主要有两类：第一类是基于传统语言的Turbo C、VB、VC++等，这类语言具有适应面广、开发灵活的特点，但开发人员需有较多的编程经验和较强的调试能力；第二类是基于图形组态和编程的图形组态软件，如HP公司的VEE、IOtech公司的Dasylab、NI公司的LabVIEW、Capital Equipment公司的Testpoint 2.0和HEM公司的Snap-Master等。这类组态软件都通过建立和连接图标来构成虚拟仪器工作程序并定义其功能，而不是用传统的文本编辑形式。它们具有编程效率高、通用性强、交叉平台互换性好的特点，适用于大批量多品种仪器的生产。该类软件缺点是缺少程序流程控制，大都解释执行。

　　虚拟仪器技术的三大组成部分：

　　（1）高效的软件

　　软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。使用正确的软件工具 虚拟仪器技术

　　并通过设计或调用特定的程序模块，工程师和科学家们可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。提供的行业标准图形化编程软件——LabVIEW，不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接，更能提供强大的后续数据处理能力，设置数据处理、转换、存储的方式，并将结果显示给用户。此外，还提供了更多交互式的测量工具和更高层的系统管理软件工具，例如连接设计与测试的交互式软件SignalExpress、用于传统C语言的LabWindows/CVI、针对微软Visual Studio的Measurement Studio等等，均可满足客户对高性能应用的需求。 　　有了功能强大的软件，您就可以在仪器中创建智能性和决策功能，从而发挥虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势。

　　（2）模块化的I/O硬件

　　面对如今日益复杂的测试测量应用，已经提供了全方位的软硬件的解决方案。无论您是使用PCI， PXI， PCMCIA， USB或者是1394总线，都能提供相应的模块化的硬件产品，产品种类从数据采集、信号条理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制、分布式I/O到CAN接口等工业通讯，应有尽有。高性能的硬件产品结合灵活的开发软件，可以为负责测试和设计工作的工程师们创建完全自定义的测量系统，满足各种独特的应用要求。

　　（3）用于集成的软硬件平台

　　专为测试任务设计的PXI硬件平台，已经成为当今测试、测量和自动化应用的标准平台，它的开放式构架、灵活性和PC技术的成本优势为测量和自动化行业带来了一场翻天覆地的改革。 　　PXI作为一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，内建有高端的定时和触发总线，再配以各类模块化的I/O硬件和相应的测试测量开发软件 ，您就可以建立完全自定义的测试测量解决方案。无论是面对简单的数据采集应用，还是高端的混合信号同步采集，借助PXI高性能的硬件平台，您都能应付自如。这就是虚拟仪器技术带给您的无可比拟的优势。

　　3 多功能无纸记录仪的技术要求和系统功能

　　记录仪是工业生产自动化系统中十分常见的二次仪表。传统型模拟记录仪结构简单、功能单一，存在着卡纸、卡笔、断线等易发故障和换笔、换纸、添墨等大量日常维护工作。此类记录仪由于其结构与功能的局限性，无法满足综合生产管理、生产过程智能化、数据传输网络化和在线数据分析处理的需要。90年代以来，随着虚拟仪器技术的日益发展，采用低成本自动化技术，研制与开发各类多功能智能型记录仪表呈迅猛发展之势，并逐渐批量进入工业应用领域。特别是在石化、冶金等行业的基础自动化与过程自动化系统中，已大量融入各种类型的虚拟嵌入式仪表，其卓越的性能、良好的数据在线处理能力和实时数据通讯能力以及友好的人机交互平台，得到人们日益重视。

　　基于虚拟仪器的多功能无纸记录仪在技术上不仅要具备传统式仪表所应具有的电气性能和环境适应能力，而且还应具备如下的通用技术指标和系统功能：

　　（1）信号采样：设置模拟输入通道１～16路，采样周期可选0.25秒／0.5秒／1秒。记录间隔可通过设置画面设定为1秒／2秒／4秒／8秒／20秒／40秒／120秒等。开关量输入24点，接收被测对象的状态信号。模拟量输入通道可允许０～10V、１～5V、４～20mA的标准信号和S、B、R、K、N、T、E、J热电偶以及PT100、Cu50热电阻等多种信号输入，且可提供隔离输入。

　　（2）设置功能：系统应具有强大的设置功能，可对仪表的通道名称、量程、报警上下限、信号类型、单位、记录周期、流量累计、流量温度压力补偿参数等进行设置。允许保存100组用户自定义设置。

　　（3）存储功能：配置硬盘，使存储历史数据量达GB级。根据采样时间不同，16个通道数据可存储三年以上，形成数据文件并能调出任意历史时刻曲线、数据、报警、流量累计值；可通过软盘转存任意时间段的历史数据或通过RS-232接口传送给其他PC机，在其上进行回放和分析打印。

　　（4）显示功能：全中文人机界面，显示信息丰富直观，操作简单。主要显示画面应有：①单通道趋势、棒图、瞬时数字显示（选显／循显）画面；②单通道历史趋势追忆；③多通道棒图、数字显示画面；④多通道历史趋势追忆；⑤多通道流量累计画面；⑥参数设置画面；⑦报警显示画面；⑧软盘转存画面；⑨RS-232通讯画面。

　　（5）连锁与报警功能：配置24点开关量输出通道，根据采样信号，提供简单的连锁和状态控制信号；并可任意设置各通道上限、上上限、下限、下下限报警，在各显示画面上实时显示报警值，同时实现报警输出。

　　（6）数据管理功能：①显示各通道记录信号平均值、瞬时峰值、谷值等；②显示流量累积的班平均值、日平均值、月平均值；③显示流量累积的班累积值、日累积值、月累积值、年累积值；④提供常用数理统计工具，方便调用分析。

　　（7）打印功能：可连接通用打印机，随时打印任意时刻历史数据，打印单通道和多通道趋势曲线、报警信息、流量累积值等。

　　（8）流量温压补偿功能：包括对蒸汽、天然气、液体等各类流体的温压补偿。根据每种流体不同的测试方法，通过参数设置画面，以实现合适的测量与补偿功能。

　　（9）通讯功能：可选择使用RS-232C、RS-485通道接口与计算机联网，进行远距离通讯，可多台仪表组网实现集中管理。

　　（10）主要技术参数：

　　·显示精度：工程量实时显示精度为±0.3%FS（满量程），曲线棒状图显示及追忆精度为±0.5%FS；

　　·存储时间：仅受硬盘容量限制，一般16路模拟信号值可保存三年以上；

　　·通讯接口：提供RS-232C/RS-485两个串行通讯接口。

　　以上技术指标和系统功能定义是多功能无纸记录仪软、硬件配置与设计的基本依据。

　　1 虚拟仪器技术的概念及其应用前景

　　自1986年美国国家仪器公司（NI）提出虚拟仪器（Virtual Instrument）的概念以来，这种集计算机技术、通讯技术和测量技术于一体的模块化仪器便在世界范围内得到了广泛的认同与应用，逐步体现了仪器仪表技术发展的一种趋势。由于微电子技术、计算机技术、网络通讯技术和软件技术的高度发展，以及它们与各种测量技术在仪器仪表上的应用，使新的测试理论、测试方法、测试领域以及仪器结构不断涌现并发展成熟，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，仪器测量的功能和作用也发生了质的变化。虚拟仪器概念的产生正是基于这样一种技术背景。

　　仪器仪表技术的发展大致经历了以下两条发展主线：从测量的技术和方法上划分，经历了从机械仪表、模拟电子仪表、数字化电子仪表到智能仪表的发展过程；从仪表结构上划分，经历了单机仪表、叠架式仪器系统到虚拟仪器系统的发展过程。传统仪器一般均为一个独立的装置，有机箱、操作面板、信号I/O端子、信号处理机构或电路等，检测结果输出方式有数字、指针或图形窗口等，有的还有打印输出口。传统仪表的功能可概括描述为：信号采集与控制、信号分析与处理、结果的表达与输出，这些功能均以硬件或固化软件的形式存在。这种架构形式决定了传统仪器只能由仪器的生产厂来定义制造，而用户无法改变。传统仪器基本上未能摆脱独立使用、手动操作、功能相对固定、使用具有局限性的模式。计算机技术的发展，给传统仪表技术注入了强大的活力，在微电子技术和LSIC技术推动下，有力地促进了数字化仪器、智能仪器的快速发展。

　　虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。这也正是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。

　　虚拟仪器的构成：如果按照构成仪器的三大功能部件来分，所有控制系统、工业计测系统均可归纳至虚拟仪器的框架中来。目前较为常见的虚拟仪器是数据采集系统（SCADA），见图１。可编程仪器的信号处理、定时控制、集成总线、高速缓存、DMA等技术的应用，使这样的SCADA系统能达到仪器级的性能、精度与可靠性。

　　虚拟仪器的软件开发平台：虚拟仪器的软件开发平台目前主要有两类：第一类是基于传统语言的Turbo C、VB、VC++等，这类语言具有适应面广、开发灵活的特点，但开发人员需有较多的编程经验和较强的调试能力；第二类是基于图形组态和编程的图形组态软件，如HP公司的VEE、IOtech公司的Dasylab、NI公司的LabVIEW、Capital Equipment公司的Testpoint 2.0和HEM公司的Snap-Master等。这类组态软件都通过建立和连接图标来构成虚拟仪器工作程序并定义其功能，而不是用传统的文本编辑形式。它们具有编程效率高、通用性强、交叉平台互换性好的特点，适用于大批量多品种仪器的生产。该类软件缺点是缺少程序流程控制，大都解释执行。

　　虚拟仪器技术的三大组成部分：

　　（1）高效的软件

　　软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。使用正确的软件工具 虚拟仪器技术

　　并通过设计或调用特定的程序模块，工程师和科学家们可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。提供的行业标准图形化编程软件——LabVIEW，不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接，更能提供强大的后续数据处理能力，设置数据处理、转换、存储的方式，并将结果显示给用户。此外，还提供了更多交互式的测量工具和更高层的系统管理软件工具，例如连接设计与测试的交互式软件SignalExpress、用于传统C语言的LabWindows/CVI、针对微软Visual Studio的Measurement Studio等等，均可满足客户对高性能应用的需求。 　　有了功能强大的软件，您就可以在仪器中创建智能性和决策功能，从而发挥虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势。

　　（2）模块化的I/O硬件

　　面对如今日益复杂的测试测量应用，已经提供了全方位的软硬件的解决方案。无论您是使用PCI， PXI， PCMCIA， USB或者是1394总线，都能提供相应的模块化的硬件产品，产品种类从数据采集、信号条理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制、分布式I/O到CAN接口等工业通讯，应有尽有。高性能的硬件产品结合灵活的开发软件，可以为负责测试和设计工作的工程师们创建完全自定义的测量系统，满足各种独特的应用要求。

　　（3）用于集成的软硬件平台

　　专为测试任务设计的PXI硬件平台，已经成为当今测试、测量和自动化应用的标准平台，它的开放式构架、灵活性和PC技术的成本优势为测量和自动化行业带来了一场翻天覆地的改革。 　　PXI作为一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，内建有高端的定时和触发总线，再配以各类模块化的I/O硬件和相应的测试测量开发软件 ，您就可以建立完全自定义的测试测量解决方案。无论是面对简单的数据采集应用，还是高端的混合信号同步采集，借助PXI高性能的硬件平台，您都能应付自如。这就是虚拟仪器技术带给您的无可比拟的优势。

　　3 多功能无纸记录仪的技术要求和系统功能

　　记录仪是工业生产自动化系统中十分常见的二次仪表。传统型模拟记录仪结构简单、功能单一，存在着卡纸、卡笔、断线等易发故障和换笔、换纸、添墨等大量日常维护工作。此类记录仪由于其结构与功能的局限性，无法满足综合生产管理、生产过程智能化、数据传输网络化和在线数据分析处理的需要。90年代以来，随着虚拟仪器技术的日益发展，采用低成本自动化技术，研制与开发各类多功能智能型记录仪表呈迅猛发展之势，并逐渐批量进入工业应用领域。特别是在石化、冶金等行业的基础自动化与过程自动化系统中，已大量融入各种类型的虚拟嵌入式仪表，其卓越的性能、良好的数据在线处理能力和实时数据通讯能力以及友好的人机交互平台，得到人们日益重视。

　　基于虚拟仪器的多功能无纸记录仪在技术上不仅要具备传统式仪表所应具有的电气性能和环境适应能力，而且还应具备如下的通用技术指标和系统功能：

　　（1）信号采样：设置模拟输入通道１～16路，采样周期可选0.25秒／0.5秒／1秒。记录间隔可通过设置画面设定为1秒／2秒／4秒／8秒／20秒／40秒／120秒等。开关量输入24点，接收被测对象的状态信号。模拟量输入通道可允许０～10V、１～5V、４～20mA的标准信号和S、B、R、K、N、T、E、J热电偶以及PT100、Cu50热电阻等多种信号输入，且可提供隔离输入。

　　（2）设置功能：系统应具有强大的设置功能，可对仪表的通道名称、量程、报警上下限、信号类型、单位、记录周期、流量累计、流量温度压力补偿参数等进行设置。允许保存100组用户自定义设置。

　　（3）存储功能：配置硬盘，使存储历史数据量达GB级。根据采样时间不同，16个通道数据可存储三年以上，形成数据文件并能调出任意历史时刻曲线、数据、报警、流量累计值；可通过软盘转存任意时间段的历史数据或通过RS-232接口传送给其他PC机，在其上进行回放和分析打印。

　　（4）显示功能：全中文人机界面，显示信息丰富直观，操作简单。主要显示画面应有：①单通道趋势、棒图、瞬时数字显示（选显／循显）画面；②单通道历史趋势追忆；③多通道棒图、数字显示画面；④多通道历史趋势追忆；⑤多通道流量累计画面；⑥参数设置画面；⑦报警显示画面；⑧软盘转存画面；⑨RS-232通讯画面。

　　（5）连锁与报警功能：配置24点开关量输出通道，根据采样信号，提供简单的连锁和状态控制信号；并可任意设置各通道上限、上上限、下限、下下限报警，在各显示画面上实时显示报警值，同时实现报警输出。

　　（6）数据管理功能：①显示各通道记录信号平均值、瞬时峰值、谷值等；②显示流量累积的班平均值、日平均值、月平均值；③显示流量累积的班累积值、日累积值、月累积值、年累积值；④提供常用数理统计工具，方便调用分析。

　　（7）打印功能：可连接通用打印机，随时打印任意时刻历史数据，打印单通道和多通道趋势曲线、报警信息、流量累积值等。

　　（8）流量温压补偿功能：包括对蒸汽、天然气、液体等各类流体的温压补偿。根据每种流体不同的测试方法，通过参数设置画面，以实现合适的测量与补偿功能。

　　（9）通讯功能：可选择使用RS-232C、RS-485通道接口与计算机联网，进行远距离通讯，可多台仪表组网实现集中管理。

　　（10）主要技术参数：

　　·显示精度：工程量实时显示精度为±0.3%FS（满量程），曲线棒状图显示及追忆精度为±0.5%FS；

　　·存储时间：仅受硬盘容量限制，一般16路模拟信号值可保存三年以上；

　　·通讯接口：提供RS-232C/RS-485两个串行通讯接口。

　　以上技术指标和系统功能定义是多功能无纸记录仪软、硬件配置与设计的基本依据。

　　3 多功能无纸记录仪的硬件平台与软件开发

　　3.1硬件方案

　　目前无纸记录仪的硬件平台的架构大致分为两类：第一类采用通用型单片机（MCS51系列、MCS96系列、MCS196系列等）或专用掩膜电路，并辅以外围I/O通道、存储电路等，具有成本低廉的特点，但开发周期长、存储容量小、软件通用性差；第二类是采用ALL-IN-ONE结构模板，构成嵌入式PC机系统，具有结构紧凑、功能强大、可靠性高、兼容性好、应用灵活方便、支持自开发、开发周期短等特点。

　　PC/104总线的嵌入式工控模板是针对工业应用环境的恶劣条件而设计的，与PC机完全兼容，硬件接口均符合PC机标准?可直接驳接硬盘、软驱、显示器、键盘、鼠标等外部设备，共享PC机的设备驱动程序和其它基于PC的成熟软件。

　　本机采用了PC/104家族中的PCM-3335模板，其配置为386SX-40CPU、板载4MRAM、一个ATA硬盘接口、一个1.44MB软驱接口、一个VGA接口、一个平板显示器接口、一个打印机并口和RS-232串口。

　　除PCM-3335模板外，构成硬件平台的其它部件有：

　　·一个1GB硬盘驱动器和1.44MB软盘驱动器，用于记录数据、历史数据、组态文件的存储和转储。

　　·一个分辨率为320×RGB×240的6″彩色液晶显示器，自带控制器和显示缓冲区VRAM，用于图形、图表、数据的显示，允许数据并行传输。

　　·２×３薄膜数字键盘，主要用于人工设定或功能切换等操作。

　　·16路12位A/D转换模板，可编程信号增益为１～16，A/D转换速率达30kHz，用于对模拟信号的采样和转换。

　　·热电偶转换卡可编程增益为0.5～500，板上自带冷端补偿电路；热电阻转换卡可接铂、铜电阻，测量范围为-200℃～+500℃；热电偶、热电阻转换卡与A/D转换模板配合可直接接收热电偶或热电阻的温度信号。

　　·48路开关量输入／输出模板，24×２通道TTLDIC为8255方式0，可通过软件设置来决定某一路的输入或输出状态。

　　·开关电源，提供+5V／7A、-5V／1A、+12V／3A、-12V/1A四组电源供各模板使用，PC/104模板大多只需+5V单一电源，且具有先进的电源管理功能、功耗低，从而降低了系统对电源的要求。

　　上述部件通过标准插件联接，实现了模块化仪表结构设计，根据需要可更换部分模件，配以相应的软件，即可方便地组成适用各种应用场合的记录型智能仪表。

　　多功能无纸记录仪硬件配置示意图见图２。本记录仪开发无需专用开发环境，只需在本配置上外接VGA显示器和一个标准键盘，即可实现系统开发。

　　3.2 软件设计与功能实现

　　由于PC/104模板与PC机系统完全兼容，为软件开发带来了极大的方便，无需编写专门的硬件驱动程序。

　　本机软件采用通用编程语言TURBOC2.0编制，运行在DOS6.22操作系统平台上，主要由采样中断服务程序、键盘扫描中断服务程序和主控程序组成。

　　采样中断服务程序主要是对各路模拟输入信号进行定时采集、数值滤波、工程量变换、信号补偿、报警判断、流量累计、数据存储等，中断周期为100～1000ms可调。

　　主控程序包括对各部分程序的初始化、设置参数的读入、实时数据的动态刷新、画面切换、实时趋势显示、历史趋势显示、流量累计显示、报警显示及输出、数据的软盘转存、RS232或RS485通讯及数据、趋势、报警信息的打印等子程序模块。

　　系统开机后首先进行系统参数初始化和模拟量板、开关量板、RS232口等硬件的初始化，然后开辟内存数据区，设置实时中断，进入画面显示状态。系统共设置九类画面，根据按键判断调用不同的画面功能子程序，以实现趋势、棒图、实时数据、历史趋势、数据转存、RS232通讯、报警、打印等画面的切换功能。