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虚拟仪器技术在水质监测领域重要性

专题报道中国仪表网2008年08月26日 08:52人气:394

虚拟仪器的概念及其软件开发平台Labview的功能与特点。虚拟仪器是电子技术和计算机技术相结合的产物,它是水质监测的高效率解决方案。随着计算机技术的不断发展,虚拟仪器技术必将会在水质监测领域发挥越来越重要的作用。 
    随着现代科技的迅猛发展,对水质监测的要求也越来越高,水质监测仪器不仅要能单独测量某个水质参数,而且还希望能够互相通信、实现信息共享,从而完成对被测水体系统的综合分析及评价。利用虚拟仪器技术构建的水质监测虚拟仪器系统就是为了实现上述目标而进行的研究探索。 
    1虚拟仪器及Labview[1,3] 
    虚拟仪器的概念是美国NI公司(NationalInstrument)在20世纪80年代中期提出来的。所谓虚拟仪器就是以计算机作为仪器统一的硬件平台,充分利用计算机的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能,同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化,使之与计算机结合构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同,同时又充分享用了计算机智能资源的全新仪器系统。与传统仪器相比,虚拟仪器有许多优点:对测试量的处理和计算可更复杂且处理速度更快,测试结果的表达方式更加丰富多样,可以方便地存储和交换测试数据,价格低,技术更新快。它的最大特点就是把由仪器生产厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能,满足多种多样的应用需求。由于虚拟仪器的测试功能、面板控件都实现了软件化,任何使用者都可通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能和规模,这充分体现了软件就是仪器的设计思想。 
    虚拟仪器的技术基础是计算机技术,核心是计算机软件技术。其中最有代表性的图形化编程软件是美国NI公司推出的Labview(laboratoryvirtualinstrumentengineeringworkbench即实验室虚拟仪器工作平台)。它是世界上第一个采用图形化编程技术的面向仪器的32位编译型程序开发系统,它的目标就是简化程序的开发工作,提高编程效率,让科学家和工程技术人员充分利用计算机的资源和强大功能,快速简捷地完成自己的工作任务,它被称为科学家与工程师的语言。 
    Labview使用了所见即所得的可视化技术建立人机界面,提供了许多仪器面板中的控制对象,如表头、旋钮、开关及坐标平面图等。用户可以通过使用编辑器将控制对象改变为适合自己工作领域的控制对象。Labview提供了多种强有力的工具箱和函数库,并集成了很多仪器硬件库。Labview支持多种操作系统平台,在任何一个平台上开发的Labview应用程序可直接移植到其它平台上。 
    2实现水质监测的虚拟仪器系统的建立及应用 
    2.1虚拟仪器的软件设计 
    软件设计由两部分组成:前面板和流程图。在前面板,输入用输入控件(Control)来实现,程序运行的结果由输出控件(Indicator)来完成。流程图是完成程序功能的图形化源代码,通过它对信号数据的输入和输出进行指定,完成对信号采集及分析处理功能的控制。 
    采用Labview5.1开发的水质化学离子检测指标测定虚拟仪器可以同时或分别对氟离子、氯离子、氰离子、溶解氧等浓度进行监测。
面板中间具有4个数值显示窗口和4个图形显示窗口,分别显示数据。为了准确读取数据,设计两种读取方式:用鼠标读取;在显示屏上放一个游标,利用键盘控制。系统设置采样点数,采样频率等。 
    通道选择按钮表示内存通道,与读数通道相对应,每个通道都可以放一组由外设端口或从数据文件中读出的原始信号数据。 
    存储数据命令按钮与显示屏相对应,按下它就表示要把显示屏上的数据存储起来。存储方式有两种:存储在文件里或通过打印机打印。存储数据可以多种方式显示:如柱型图,三维立体图,直方图等。 
    通过数据分析库(按钮)能够对所测数据进行统计、回归、分析(调用函数等)。使用帮助菜单(按钮)熟悉和了解仪器的功能、操作等。按下退出按钮后,将关闭虚拟仪器。 
    2.2虚拟仪器的硬件结构 
    虚拟仪器的硬件平台主要包括用于数据采集、信号分析处理和信号输出显示等硬件。由于从传感器直接得到的信号很微弱,因此选用了美国BurrBrown公司专门用于数据采集、具有高精度及强抗干扰能力的精密隔离仪表放大器作为信号处理单元的主放大器。数据采集系统采用美国IotechWaveBook/512DataAcquisitionSystem,其主要性能指标为:采样频率,1MHz;通道数,8;A/D精度,±0.025%;抗混滤波器;FIFO缓冲器,64k。 
    2.3应用实例 
    自行研制开发的化学离子检测指标和水质综合检测指标测定的虚拟仪器的面板中间的数值显示窗口和图形显示窗口可以同时对氟离子、氯离子、氰离子和溶解氧等浓度或COD和BOD进行监测。 
    系统设置了采样点数,采样频率等。通过通道选择,可以以一个大的显示窗口分别显示氟离子、氯离子、氰离子、溶解氧、COD及BOD浓度等由外设端口或从数据文件中读出的原始信号数据。 
    3结语 
    虚拟仪器是电子技术和计算机技术相结合的产物,它是水质监测的高效率解决方案。随着计算机技术的不断发展,虚拟仪器技术必将会在水质监测领域发挥越来越重要的作用。
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