1 虛擬儀器技術(shù)的概念及其應(yīng)用前景
　　自1986年美國國家儀器公司(NI)提出虛擬儀器(Virtual Instrument)的概念以來，這種集計算機技術(shù)、通訊技術(shù)和測量技術(shù)于一體的模塊化儀器便在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的認同與應(yīng)用，逐步體現(xiàn)了儀器儀表技術(shù)發(fā)展的一種趨勢,。由于微電子技術(shù)、計算機技術(shù),、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和軟件技術(shù)的高度發(fā)展,，以及它們與各種測量技術(shù)在儀器儀表上的應(yīng)用，使新的測試理論,、測試方法,、測試領(lǐng)域以及儀器結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)并發(fā)展成熟，在許多方面已經(jīng)沖破了傳統(tǒng)儀器的概念,，儀器測量的功能和作用也發(fā)生了質(zhì)的變化,。虛擬儀器概念的產(chǎn)生正是基于這樣一種技術(shù)背景。
　　儀器儀表技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下兩條發(fā)展主線：從測量的技術(shù)和方法上劃分，經(jīng)歷了從機械儀表,、模擬電子儀表,、數(shù)字化電子儀表到智能儀表的發(fā)展過程；從儀表結(jié)構(gòu)上劃分,，經(jīng)歷了單機儀表,、疊架式儀器系統(tǒng)到虛擬儀器系統(tǒng)的發(fā)展過程。傳統(tǒng)儀器一般均為一個獨立的裝置,，有機箱,、操作面板、信號I/O端子,、信號處理機構(gòu)或電路等,，檢測結(jié)果輸出方式有數(shù)字、指針或圖形窗口等,，有的還有打印輸出口,。傳統(tǒng)儀表的功能可概括描述為：信號采集與控制、信號分析與處理,、結(jié)果的表達與輸出,，這些功能均以硬件或固化軟件的形式存在,。這種架構(gòu)形式?jīng)Q定了傳統(tǒng)儀器只能由儀器的生產(chǎn)廠來定義制造,，而用戶無法改變。傳統(tǒng)儀器基本上未能擺脫獨立使用,、手動操作,、功能相對固定、使用具有局限性的模式,。計算機技術(shù)的發(fā)展,，給傳統(tǒng)儀表技術(shù)注入了強大的活力，在微電子技術(shù)和LSIC技術(shù)推動下,，有力地促進了數(shù)字化儀器,、智能儀器的快速發(fā)展。
　　在虛擬儀器系統(tǒng)中,，用計算機靈活強大的軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些部件,，用人的智力資源代替許多物質(zhì)資源，通過一組軟件和硬件,，形成了既有普通儀器的基本功能,、又有一般儀器所不具備的特殊功能的新型儀器。虛擬儀器本質(zhì)上是利用PC機強大的運算能力,、圖形環(huán)境和在線幫助功能,，建立具有良好人機交互性能的虛擬儀器面板，完成對儀器的控制,、數(shù)據(jù)分析與顯示,，并通過一組軟件和硬件,，實現(xiàn)完全由用戶自己定義、適合不同應(yīng)用環(huán)境和對象的各種功能,。在虛擬儀器系統(tǒng)中,，硬件僅僅是解決信號的輸入/輸出問題的方法和軟件賴以生存、運行的物理環(huán)境,，軟件才是整個儀器的核心構(gòu)件,，正如NI公司提出的口號“軟件就是儀器”，任何使用者只要通過調(diào)整或修改儀器的軟件,，便可方便地改變和增減儀器的功能和規(guī)模,，甚至儀器的性質(zhì)。
　　虛擬儀器的構(gòu)成：如果按照構(gòu)成儀器的三大功能部件來分,，所有控制系統(tǒng),、工業(yè)計測系統(tǒng)均可歸納至虛擬儀器的框架中來。目前較為常見的虛擬儀器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA),，見圖1,。可編程儀器的信號處理,、定時控制,、集成總線、高速緩存,、DMA等技術(shù)的應(yīng)用,，使這樣的SCADA系統(tǒng)能達到儀器級的性能、精度與可靠性,。

　　虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺：虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺目前主要有兩類：第一類是基于傳統(tǒng)語言的Turbo C,、VB、VC++等,，這類語言具有適應(yīng)面廣,、開發(fā)靈活的特點，但開發(fā)人員需有較多的編程經(jīng)驗和較強的調(diào)試能力,；第二類是基于圖形組態(tài)和編程的圖形組態(tài)軟件,，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。這類組態(tài)軟件都通過建立和連接圖標來構(gòu)成虛擬儀器工作程序并定義其功能,，而不是用傳統(tǒng)的文本編輯形式,。它們具有編程效率高、通用性強、交叉平臺互換性好的特點,，適用于大批量多品種儀器的生產(chǎn),。該類軟件缺點是缺少程序流程控制，大都解釋執(zhí)行,。
　　當(dāng)今的儀器儀表開發(fā)技術(shù)正與計算機技術(shù)日益緊密地結(jié)合在一起,，利用虛擬儀表技術(shù)開發(fā)基于PC機的多功能無紙記錄儀，可使其硬件結(jié)構(gòu)簡單,、可靠性高,、兼容性好、功能大大增強,、使用更為靈活,，并且可通過更新軟件實現(xiàn)不同的記錄要求，真正達到一機多用的目的,。
2 多功能無紙記錄儀的技術(shù)要求和系統(tǒng)功能
　　記錄儀是工業(yè)生產(chǎn)自動化系統(tǒng)中十分常見的二次儀表,。傳統(tǒng)型模擬記錄儀結(jié)構(gòu)簡單、功能單一,，存在著卡紙,、卡筆、斷線等易發(fā)故障和換筆,、換紙,、添墨等大量日常維護工作。此類記錄儀由于其結(jié)構(gòu)與功能的局限性,，無法滿足綜合生產(chǎn)管理,、生產(chǎn)過程智能化,、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)化和在線數(shù)據(jù)分析處理的需要,。90年代以來，隨著虛擬儀器技術(shù)的日益發(fā)展,，采用低成本自動化技術(shù),，研制與開發(fā)各類多功能智能型記錄儀表呈迅猛發(fā)展之勢，并逐漸批量進入工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域,。特別是在石化,、冶金等行業(yè)的基礎(chǔ)自動化與過程自動化系統(tǒng)中，已大量融入各種類型的虛擬嵌入式儀表,，其卓越的性能,、良好的數(shù)據(jù)在線處理能力和實時數(shù)據(jù)通訊能力以及友好的人機交互平臺，得到人們?nèi)找嬷匾暋?BR>　　基于虛擬儀器的多功能無紙記錄儀在技術(shù)上不僅要具備傳統(tǒng)式儀表所應(yīng)具有的電氣性能和環(huán)境適應(yīng)能力,，而且還應(yīng)具備如下的通用技術(shù)指標和系統(tǒng)功能：
　　(1)信號采樣：設(shè)置模擬輸入通道1～16路,，采樣周期可選0.25秒/0.5秒/1秒。記錄間隔可通過設(shè)置畫面設(shè)定為1秒/2秒/4秒/8秒/20秒/40秒/120秒等。開關(guān)量輸入24點,，接收被測對象的狀態(tài)信號,。模擬量輸入通道可允許0～10V、1～5V,、4～20mA的標準信號和S,、B、R,、K,、N、T,、E,、J熱電偶以及Pt100、Cu50熱電阻等多種信號輸入,，且可提供隔離輸入,。
　　(2)設(shè)置功能：系統(tǒng)應(yīng)具有強大的設(shè)置功能，可對儀表的通道名稱,、量程,、報警上下限、信號類型,、單位,、記錄周期、流量累計,、流量溫度壓力補償參數(shù)等進行設(shè)置,。允許保存100組用戶自定義設(shè)置。
　　(3)存儲功能：配置硬盤,，使存儲歷史數(shù)據(jù)量達GB級,。根據(jù)采樣時間不同，16個通道數(shù)據(jù)可存儲三年以上,，形成數(shù)據(jù)文件并能調(diào)出任意歷史時刻曲線,、數(shù)據(jù)、報警,、流量累計值,；可通過軟盤轉(zhuǎn)存任意時間段的歷史數(shù)據(jù)或通過RS－232接口傳送給其他PC機，在其上進行回放和分析打印,。
　　(4)顯示功能：全中文人機界面,，顯示信息豐富直觀，操作簡單,。主要顯示畫面應(yīng)有：①單通道趨勢,、棒圖,、瞬時數(shù)字顯示(選顯/循顯)畫面；②單通道歷史趨勢追憶,；③多通道棒圖,、數(shù)字顯示畫面；④多通道歷史趨勢追憶,；⑤多通道流量累計畫面,；⑥參數(shù)設(shè)置畫面；⑦報警顯示畫面,；⑧軟盤轉(zhuǎn)存畫面,；⑨RS－232通訊畫面。
　　(5)連鎖與報警功能：配置24點開關(guān)量輸出通道,，根據(jù)采樣信號,，提供簡單的連鎖和狀態(tài)控制信號；并可任意設(shè)置各通道上限,、上上限,、下限、下下限報警,，在各顯示畫面上實時顯示報警值,，同時實現(xiàn)報警輸出。
　　(6)數(shù)據(jù)管理功能：①顯示各通道記錄信號平均值,、瞬時峰值,、谷值等；②顯示流量累積的班平均值,、日平均值,、月平均值；③顯示流量累積的班累積值,、日累積值,、月累積值、年累積值,；④提供常用數(shù)理統(tǒng)計工具,，方便調(diào)用分析。
　　(7)打印功能：可連接通用打印機,，隨時打印任意時刻歷史數(shù)據(jù)，打印單通道和多通道趨勢曲線,、報警信息,、流量累積值等。
　　(8)流量溫壓補償功能：包括對蒸汽,、天然氣,、液體等各類流體的溫壓補償,。根據(jù)每種流體不同的測試方法，通過參數(shù)設(shè)置畫面,，以實現(xiàn)合適的測量與補償功能,。
　　(9)通訊功能：可選擇使用RS－232C、RS－485通道接口與計算機聯(lián)網(wǎng),，進行遠距離通訊,，可多臺儀表組網(wǎng)實現(xiàn)集中管理。
　　(10)主要技術(shù)參數(shù)：
　　·顯示精度：工程量實時顯示精度為±0.3%FS(滿量程),，曲線棒狀圖顯示及追憶精度為±0.5%FS,；
　　·存儲時間：僅受硬盤容量限制，一般16路模擬信號值可保存三年以上,；
　　·通訊接口：提供RS－232C/RS－485兩個串行通訊接口,。
　以上技術(shù)指標和系統(tǒng)功能定義是多功能無紙記錄儀軟、硬件配置與設(shè)計的基本依據(jù),。
3 多功能無紙記錄儀的硬件平臺與軟件開發(fā)
3.1硬件方案
　　目前無紙記錄儀的硬件平臺的架構(gòu)大致分為兩類：第一類采用通用型單片機(MCS51系列,、MCS96系列、MCS196系列等)或?qū)Ｓ醚谀る娐?，并輔以外圍I/O通道,、存儲電路等，具有成本低廉的特點,，但開發(fā)周期長,、存儲容量小、軟件通用性差,；第二類是采用ALL－IN－ONE結(jié)構(gòu)模板,，構(gòu)成嵌入式PC機系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊,、功能強大,、可靠性高、兼容性好,、應(yīng)用靈活方便,、支持自開發(fā)、開發(fā)周期短等特點,?？紤]到多功能無紙記錄儀不同于其他專用檢測儀，它必須具有良好的數(shù)據(jù)分析處理能力,、較大的存儲空間和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸能力,，因此選用ALL－IN－ONE型PC/104嵌入式模板構(gòu)成記錄儀的硬件平臺是合適的。
　　PC/104總線的嵌入式工控模板是針對工業(yè)應(yīng)用環(huán)境的惡劣條件而設(shè)計的,，與PC機完全兼容,，硬件接口均符合PC機標準,可直接駁接硬盤,、軟驅(qū)、顯示器,、鍵盤,、鼠標等外部設(shè)備，共享PC機的設(shè)備驅(qū)動程序和其它基于PC的成熟軟件,。
　　本機采用了PC/104家族中的PCM－3335模板,，其配置為386SX－40CPU、板載4MRAM,、一個ATA硬盤接口,、一個1.44MB軟驅(qū)接口、一個VGA接口,、一個平板顯示器接口,、一個打印機并口和RS－232串口。
　　除PCM－3335模板外,，構(gòu)成硬件平臺的其它部件有：
　　·一個1GB硬盤驅(qū)動器和1.44MB軟盤驅(qū)動器,，用于記錄數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù),、組態(tài)文件的存儲和轉(zhuǎn)儲,。
　　·一個分辨率為320×RGB×240的6″彩色液晶顯示器，自帶控制器和顯示緩沖區(qū)VRAM,，用于圖形,、圖表、數(shù)據(jù)的顯示,，允許數(shù)據(jù)并行傳輸,。
　　·2×3薄膜數(shù)字鍵盤，主要用于人工設(shè)定或功能切換等操作,。
　　·16路12位A/D轉(zhuǎn)換模板,，可編程信號增益為1～16，A/D轉(zhuǎn)換速率達30kHz,，用于對模擬信號的采樣和轉(zhuǎn)換,。
　　·熱電偶轉(zhuǎn)換卡可編程增益為0.5～500，板上自帶冷端補償電路,；熱電阻轉(zhuǎn)換卡可接鉑,、銅電阻，測量范圍為－200℃～+500℃,；熱電偶,、熱電阻轉(zhuǎn)換卡與A/D轉(zhuǎn)換模板配合可直接接收熱電偶或熱電阻的溫度信號。
　　·48路開關(guān)量輸入/輸出模板,，24×2通道TTLDIO為8255方式0,，可通過軟件設(shè)置來決定某一路的輸入或輸出狀態(tài)。
　　·RS－485轉(zhuǎn)換器,，將PCM－3335上的RS－232C端口轉(zhuǎn)換為RS－485端口,，可實現(xiàn)單主站、多從站類型的分布式系統(tǒng),，其節(jié)點既可以是多臺多功能無紙記錄儀,，也可以是其它控制設(shè)備如PC機、PLC或智能儀表等,。
　　·開關(guān)電源,，提供+5V/7A、－5V/1A,、+12V/3A,、－12V/1A四組電源供各模板使用，PC/104模板大多只需+5V單一電源,，且具有先進的電源管理功能,、功耗低，從而降低了系統(tǒng)對電源的要求,。
　　上述部件通過標準插件聯(lián)接,，實現(xiàn)了模塊化儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)需要可更換部分模件,，配以相應(yīng)的軟件,，即可方便地組成適用各種應(yīng)用場合的記錄型智能儀表。
　　多功能無紙記錄儀硬件配置示意圖見圖2,。本記錄儀開發(fā)無需專用開發(fā)環(huán)境,，只需在本配置上外接VGA顯示器和一個標準鍵盤，即可實現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā),。