1 引言

虛擬儀器（Virtual Instrument）的概念是由美國國家儀器公司（National Instruments）最先提出的[1]，其核心技術思想就是“軟件即是儀器”。它改變了傳統(tǒng)儀器的測量模式,使測量系統(tǒng)由松散結合的、常常不兼容的獨立儀器發(fā)展成緊密結合的虛擬測量系統(tǒng)。當用戶的測試要求變化時可以方便地由用戶自己來增減硬、軟件模塊，或重新配置現有系統(tǒng)以滿足新的測試要求。這樣，當用戶從一個項目轉向另一個項目時，就能簡單地構造出新的 VI 系統(tǒng)而不丟失己有的硬件和軟件資源。

目前城市中汽車保有量的大幅度增加，給人們的日常生活帶來了極大的便利，同時也帶來了嚴峻的環(huán)境問題，其產生的尾氣已經構成公害，因此對于機動車尾氣的監(jiān)測已經成為治理環(huán)境污染的一個重要指標。本文設計一套基于虛擬儀器的氣體濃度檢測的系統(tǒng)，采用NI公司的PCI-6221數據采集卡實現氣體檢測數據的采集，并借助于NI公司的LabVIEW軟件實現數據的處理。

2 虛擬儀器概述

虛擬儀器是基于計算機的功能化硬件模塊和計算機軟件構成的電子測試儀器，而軟件是虛擬儀器的核心（如圖1所示），其中軟件的基礎部分是設備驅動軟件，而這些標準的儀器驅動軟件使得系統(tǒng)的開發(fā)與儀器的硬件變化無關。這是虛擬儀器最大的優(yōu)點之一，有了這一點，儀器的開發(fā)和換代時間將大大縮短。

圖1虛擬儀器開發(fā)框圖

與傳統(tǒng)儀器不同，虛擬儀器有其自身的優(yōu)點：

它可以通過在幾個分面板上的操作來實現比較復雜的功能。這樣，在每個分面板上就可以實現功能操作的單純化和面板布置的簡潔化，從而提高操作的正確性和便捷性。設計者可以根據用戶的要求和操作需要來設計儀器面板。設計者可以根據用戶的要求和操作需要來設計儀器面板；儀器的功能是由用戶根據需要用軟件來定義，不是事先由廠家定義的；虛擬儀器開放、靈活，與計算機同步發(fā)展，與網絡及其他周邊設備互聯(lián)；由于其以 PC 為核心，在軟件的支持下，利用 PC 機 CPU 的強大的數據處理功能來完成；可方便地存貯和交換測試數據，測試結果的表達方式更加豐富多樣。

3 系統(tǒng)組成

檢測系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2 測量系統(tǒng)結構圖

光源發(fā)出的紅外光經過前光學系統(tǒng)匯聚變成平行光束，然后平行光經過通有待測氣體的氣體池，被測氣體將吸收特定波長的紅外光，紅外輻射的光能量（光強）發(fā)生變化（光強減?。?。經過氣體的吸收后再通過后光學系統(tǒng)的匯聚，將光匯聚到多探頭的紅外探測器上[2]。當多種混合氣體之間沒有作用，且吸收光譜沒有重疊或影響較小時，可在傳感器前安置適合分析氣體吸收波長的窄帶濾光片，經過濾光片后，紅外探測器把被測組分吸收后的剩余光能轉換為電信號，經過信號調理電路的濾波放大后通過采集卡送到計算機進行數據分析。入射光強和出射光強的差值是與氣體的濃度有關系的，據此可以檢測出氣體的濃度。

現代自動檢測和自動控制都離不開傳感器，它是測試與控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，它能把被測物理量直接轉換為與之有確定對應關系的并容易檢測的電信號輸出，以滿足信息的分析、處理等要求。本系統(tǒng)選擇了Heimann的TPS4339熱電堆探測器。主要是用來檢測待測氣體所處于吸收波長的光能量的變化。

數據采集是采用NI公司推出的PCI-6221數據采集卡，是基于計算機PCI總線技術，屬于M系列卡，只支持DAQmx的數據采集方法。PCI-6221提供16路帶37針D-Sub的模擬輸入，16位的A/D 轉換器，采樣率可達到250 kS/s [3]。圖3所示是PCI-6221數據采集系統(tǒng)的結構框圖。

紅外傳感器的信號是通過CB-68LP接線端子和SHC68-68-EP電纜送入數據采集卡。采集卡對采集到的信號進行A/D裝換，然后通過NI DAQmx驅動與操作系統(tǒng)聯(lián)系，將采集到的數據用于系統(tǒng)分析處理。

圖3 PCI-6221數據采集系統(tǒng)框圖

4 軟件設計

檢測系統(tǒng)啟動之后首先初始化各個模塊，包括采集卡的配置以及各個采集通道的配置；然后判斷是否需要標定，如果需要標定將彈出一個標定窗口程序進行標定；如果不需要標定則直接進入數據采集；一次數據采集完后進入數據處理模塊；處理完后將結果顯示出來，這樣就完成了一次的數據采集和處理。本系統(tǒng)是連續(xù)的采集，所以判斷是否要結束采集，否的話繼續(xù)新一輪的數據采集和處理；采集結束的話程序停止。每次采集處理的數據都會存在數據庫里，可以方便的進行以往數據的查詢。如圖4所示是系統(tǒng)的操作界面。

圖4 系統(tǒng)操作界面

4.1 標定模塊

該系統(tǒng)標定是否準確關系到整個系統(tǒng)最后得到的結果的準確性。

如圖5所示標定程序啟動之后首先要選擇標定氣體以及標定點數進行參數設置。由朗伯-比爾定律可知，氣體的吸收率和氣體濃度呈線性關系，通過往氣體池內通入標準的不同濃度的待測氣體，對紅外光的吸收不同，紅外傳感器的信號也就不同。利用配比不同濃度的標準樣氣來對吸收曲線進行定標，通過增加標定的點數來提高吸收曲線的精度。開始標定，首先輸入所用標氣的標準濃度值，然后通過采集卡采集電壓數據，數據穩(wěn)定后將這兩組數據輸入保存起來，再進行下一個標定點，直到輸入完所有標定點的數據。這時形成的都是一組一組的數據對，然后擬合出氣體的線性吸收曲線。在實際的檢測中將利用擬合出的吸收曲線對數據進行處理。

圖5 標定模塊前面板圖

4.2 數據采集處理模塊

本文利用采集卡采集的是模擬輸入信號，NI公司的數據采集卡對于模擬信號的輸入可以分為三種連接形式：差分（Differential），參考地單端（Reference Single-ended RSE），無參考地單端（Non-Reference Single-ended NRSE）[3]。一般數據采集首先要根據實際信號和采集設備對采集卡進行配置，然后才能利用LabVIEW的VI模塊進行采集程序的設計。

本文中傳感器的信號是不與任何地（如大地或建筑物的地）連接的信號，即浮地信號。而且傳感器的信號經過調理放大大于1V，所有的信號可以共享一個公共參考點，所以本系統(tǒng)采用參考地單端連接方式，將信號參考點與儀器的模擬輸入地連接起來[4]。本系統(tǒng)要采集CO和CO2，以及參考光的信號，所以要用三個通道分別連續(xù)的采集數據。將通道配置程序圖做成子VI，便于其他程序的調用。

通過PCI-6221采集卡直接采集到的是三個通道的數據，為了分別對三個通道的數據進行處理，就需要將三個通道的數據分離開，并分別進行保存。每完成一次完整的采集就將數據保存到數據庫，便于歷史數據的復查。

由于數據分析導致的延遲將會增大數據采集的周期，因此采用了隊列的方式，即數據采集循環(huán)不間斷的采集數據，并將采集到的數據放在隊列中，數據分析循環(huán)不間斷的處理數據。如果分析數據的周期大于采集周期，那么數據將會緩存在隊列中，隊列只要沒有滿就不會丟失數據；如果分析數據的周期小于采集周期，那么在隊列為空時，數據分析處于等待狀態(tài)，也不會導致數據的重復分析；當數據采集循環(huán)停止時，若隊列中還有數據，則數據分析循環(huán)也會將剩余的數據全部分析，這樣也不會丟失前面采集的數據[5]。

4.3 數據庫模塊

由于LabVIEW本身并不具備數據庫訪問功能，可以利用LabVIEW用戶開發(fā)的免費LabVIEW數據庫訪問工具包LabSQL。LabSQL利用Microsoft ADO以及SQL語言來完成數據庫的訪問。

首先需要在Access中建立一個數據庫，然后創(chuàng)建系統(tǒng)數據源名（Systems Data Source Name），在“Windows控制面板-管理工具-數據源（ODBC）”下的數據源管理器可以完成創(chuàng)建，并為數據源選擇Microsoft Access Drive(*.mdb)驅動。在彈出的ODBC Microsoft Access Setup對話框中選擇已經創(chuàng)建好的Access數據庫即可，這樣就完成了數據源的建立。在LabVIEW中通過ADO與創(chuàng)建的DSN建立連接來實現對Access數據庫的訪問了[6]。

本系統(tǒng)的數據庫訪問主要是實現對以往數據的查詢，據此來為大氣環(huán)境污染治理提供參考數據。如圖6所示，數據庫中是以日期為表記錄當天的數據，表中的每條記錄記錄的是當下檢測的時間以及檢測得到的CO和CO2氣體濃度值。查詢的時候先選擇數據庫，然后選擇要查詢的日期即表名。查詢的時候既可以選擇單項查詢也可以選擇組合查詢。例如可以選擇查詢2008年10月2日16點到16點30分檢測到的機動車尾氣中CO和CO2的濃度值，操作字段和操作條件設置以后選擇組合查詢，就可以得到符合條件的數據。

圖6 數據庫模塊的前面板圖

圖7 數據庫模塊的后面板程序圖

5 結論

本文以LabVIEW軟件為平臺所開發(fā)的機動車尾氣濃度檢測系統(tǒng),可以方便的對CO和CO2氣體濃度采集與檢測,分析得出污染氣體的濃度值。操作界面友好，直觀明了，非常容易實現操作。LabVIEW本身編程效率高，可以方便快捷的實現軟件系統(tǒng)的升級。本系統(tǒng)的檢測結果既可以對機動車的性能進行監(jiān)測評價，也可以為治理大氣環(huán)境污染提供參考數據，非常適應現代化檢測的要求。

參考文獻

[1] 楊樂平，李海濤等. LabVIEW 程序設計與應用. 電子工業(yè)出版社，2001，7：1～4

[2] 俞益超,趙建華,趙中偉. 新型非色散紅外三組分氣體分析儀的研究.自動化儀表[J],2006,6:70-73.

[3] DAQ M Series User Manual.http://www.ni.com

[4] 蔡春麗.虛擬儀器技術及其軟件開發(fā)平臺.LabVIEW.重慶職業(yè)技術學院學報[J],2004,1（34）: 102-103.

[5] 杜玉玲.基于 LabVIEW和 PCI-7422的數據采集系統(tǒng)設計.淮海工學院學報（自然科學版）[J]，2004,1（31）:15-17.

[6] 陳錫輝.LabVIEW8.20程序設計從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2007.