基于Labview的水質(zhì)監(jiān)測虛擬儀器的開發(fā)與應(yīng)用
隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，對水質(zhì)監(jiān)測的要求也越來越高，水質(zhì)監(jiān)測儀器不僅要能單獨測量某個水質(zhì)參數(shù)，而且還希望能夠互相通信、實現(xiàn)信息共享，從而完成對被測水體系統(tǒng)的綜合分析及評價。利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的水質(zhì)監(jiān)測虛擬儀器系統(tǒng)就是為了實現(xiàn)上述目標(biāo)而進行的研究探索。
1 虛擬儀器及Labview
虛擬儀器的概念是美國NI公司(National Instrument)在20世紀(jì)80年代中期提出來的。所謂虛擬儀器就是以計算機作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺，充分利用計算機的運算、存儲、回放、調(diào)用、顯示及文件管理等智能化功能，同時把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計算機結(jié)合構(gòu)成一臺從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同，同時又充分享用了計算機智能資源的全新儀器系統(tǒng)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器有許多優(yōu)點：對測試量的處理和計算可更復(fù)雜且處理速度更快，測試結(jié)果的表達方式更加豐富多樣，可以方便地存儲和交換測試數(shù)據(jù)，價格低，技術(shù)更新快。它的最大特點就是把由儀器生產(chǎn)廠家定義儀器功能的方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩糇约憾x儀器功能，滿足多種多樣的應(yīng)用需求。由于虛擬儀器的測試功能、面板控件都實現(xiàn)了軟件化，任何使用者都可通過修改虛擬儀器的軟件來改變它的功能和規(guī)模，這充分體現(xiàn)了 軟件就是儀器的設(shè)計思想。
虛擬儀器的技術(shù)基礎(chǔ)是計算機技術(shù)，核心是計算機軟件技術(shù)。其中最有代表性的圖形化編程軟件是美國NI公司推出的Labview(laboratory virtual instrument engineering workbench即實驗室虛擬儀器工作平臺)。它是世界上第一個采用圖形化編程技術(shù)的面向儀器的32位編譯型程序開發(fā)系統(tǒng)，它的目標(biāo)就是簡化程序的開發(fā)工作，提高編程效率，讓科學(xué)家和工程技術(shù)人員充分利用計算機的資源和強大功能，快速簡捷地完成自己的工作任務(wù)，它被稱為科學(xué)家與工程師的語言。
Labview使用了所見即所得的可視化技術(shù)建立人機界面，提供了許多儀器面板中的控制對象，如表頭、旋鈕、開關(guān)及坐標(biāo)平面圖等。用戶可以通過使用編輯器將控制對象改變?yōu)檫m合自己工作領(lǐng)域的控制對象。Labview提供了多種強有力的工具箱和函數(shù)庫，并集成了很多儀器硬件庫。Labview支持多種操作系統(tǒng)平臺，在任何一個平臺上開發(fā)的Labview應(yīng)用程序可直接移植到其它平臺上。
2 實現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測的虛擬儀器系統(tǒng)的建立及應(yīng)用
2.1 虛擬儀器的軟件設(shè)計
軟件設(shè)計由兩部分組成：前面板和流程圖。在前面板，輸入用輸入控件(Control)來實現(xiàn)，程序運行的結(jié)果由輸出控件(Indicator)來完成。流程圖是完成程序功能的圖形化源代碼，通過它對信號數(shù)據(jù)的輸入和輸出進行指定，完成對信號采集及分析處理功能的控制。
采用Labview5.1開發(fā)的水質(zhì)化學(xué)離子檢測指標(biāo)測定虛擬儀器可以同時或分別對氟離子、氯離子、氰離子、溶解氧等濃度進行監(jiān)測。面板中間具有4個數(shù)值顯示窗口和4個圖形顯示窗口，分別顯示數(shù)據(jù)。為了準(zhǔn)確讀取數(shù)據(jù)，設(shè)計兩種讀取方式：用鼠標(biāo)讀。辉陲@示屏上放一個游標(biāo)，利用鍵盤控制。系統(tǒng)設(shè)置采樣點數(shù)，采樣頻率等。
通道選擇按鈕表示內(nèi)存通道，與讀數(shù)通道相對應(yīng)，每個通道都可以放一組由外設(shè)端口或從數(shù)據(jù)文 件中讀出的原始信號數(shù)據(jù)。
存儲數(shù)據(jù)命令按鈕與顯示屏相對應(yīng)，按下它就 表示要把顯示屏上的數(shù)據(jù)存儲起來。存儲方式有兩 種：存儲在文件里或通過打印機打印。存儲數(shù)據(jù)可以多種方式顯示：如柱型圖，三維立體圖，直方圖等。
通過數(shù)據(jù)分析庫(按鈕)能夠?qū)λ鶞y數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、回歸、分析(調(diào)用函數(shù)等)。使用幫助菜單(按鈕)熟悉和了解儀器的功能、操作等。按下退出按鈕后，將關(guān)閉虛擬儀器。
2.2 虛擬儀器的硬件結(jié)構(gòu)
虛擬儀器的硬件平臺主要包括用于數(shù)據(jù)采集、信號分析處理和信號輸出顯示等硬件。由于從傳感器直接得到的信號很微弱，因此選用了美國Burr Brown公司專門用于數(shù)據(jù)采集、具有高精度及強抗干擾能力的精密隔離儀表放大器作為信號處理單元的主放大器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用美國Iotech WaveBook/512 Data Acquisition System，其主要性能指標(biāo)為：采樣頻率，1 MHz;通道數(shù)，8；A/D精度，±0.025%；抗混濾波器；FIFO緩沖器，64 k。
2.3 應(yīng)用實例
自行研制開發(fā)的化學(xué)離子檢測指標(biāo)和水質(zhì)綜合檢測指標(biāo)測定的虛擬儀器的面板中間的數(shù)值顯示窗口和圖形顯示窗口可以同時對氟離子、氯離子、氰離子和溶解氧等濃度或COD和BOD進行監(jiān)測。
系統(tǒng)設(shè)置了采樣點數(shù)，采樣頻率等。通過通道選擇，可以以一個大的顯示窗口分別顯示氟離子、氯離子、氰離子、溶解氧、COD及BOD濃度等由外設(shè)端口或從數(shù)據(jù)文件中讀出的原始信號數(shù)據(jù)。
3 結(jié)語
虛擬儀器是電子技術(shù)和計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它是水質(zhì)監(jiān)測的高效率解決方案。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)必將會在水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。
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