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52万吨年甲醇制丙烯分离工艺的模拟与优化.pdf 90页
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《现代科学仪器》2004年第六期
描述：荟萃全球信息、评介世界仪器、发挥导向作用，为振兴中国的仪器事业服务。
综述与评论
几种在线分析仪表的特点及其在我国石化
工业中的应用
(中国石油化工股份有限公司沧州分公司 沧州 061000)
摘 要　在现今的石化企业中，在生产优化控制，提高产品合格率，降低劳动成本，提高经济效益等方面，在线分析仪表发挥了越来越重要的作用。本文详细介绍了在线近红外分析仪、在线色谱、在线核磁共振的特点以及它们在我国石化工业中的应用。
关键词 在线分析仪； 在线近红外分析仪；在线色谱；在线核磁共振； 石化工业
中图分类号 O657
Characteristics of Several On-line Analyzers and their Application in Chinese
Petrochemical Industry
Qi Hongxiang
(Cangzhou Petrochemical company, Cangzhou 061000,China)
Abstract Today, on-line analyzers play a more and more important role in optimizing production control , stabilizingproduct quality , reducing labor cost and increasing economic benefit in petrochemical industry. Characteristics of severalon-line analyzers and their application in Chinese petrochemical industry are described in detail in this paper.
key words On- on-line NIR; on-line GC; on-line NMR; petrochemical industry1 引言
2 在线近红外分析仪
随着中国加入 WTO，国内各石化企业面临着国际
在线近红外光谱分析技术是目前发展最快和最具有大型石油公司日益激烈的竞争压力，与此同时，近年
前景的过程分析技术之一。近红外光谱分析技术是近来原油价格上涨，石化企业为了降低成本，许多企业
年来迅猛发展起来的一门高新分析技术。它集光谱测采用了先进控制系统（A P C ）。企业应用先进控制系
量技术、计算机技术、化学计量学技术与基础测量技统的目标就是为了有效地监测和控制生产过程, 使生产
术于一体。近红外光谱分析技术通过已知样品的光谱过程处于最佳状态, 节省原材料, 降低能耗和其它消耗,
与组成或性质进行关联，用多元校正方法建立校正模提高产品收率、产品质量和设备的使用寿命, 安全、
型，然后根据模型和未知样品的光谱预测未知样品的稳定生产。过程分析技术对于炼油和化工工艺生产控制
组成或性质。与传统分析技术相比，近红外光谱分析与优化具有重要作用，在过程分析中不可避免的会使用
技术能在几分钟内，仅通过对被测样品完成一次近红大量在线分析仪表。在现今的石化企业生产过程中，
外光谱的采集测量，就可以同时完成其多项小性能指在线分析仪表越来越显示出其在优化生产操作、稳定产
标的测定（可多达十余项指标）。光谱测量时不需要品质量、降低劳动强度、提高经济效益和推进技术进
对分析样品进行前处理，分析过程中不消耗其它材料步等方面的重要作用，而且它的应用已成为现代化石化
或破坏样品，分析重现性好、成本低。现代近红外企业的标志。顾名思义，在线分析仪表是用来在线检
分析技术的应用能够提高化验室工作效率，节省费用测工业生产过程中的原料、中间产品、产品以及相关
和人力。在线近红外光谱分析技术的应用不仅仅是直辅助原料、副产品等物料性能指标的分析仪器。我们
接节省了大量分析费用，而且，由于分析速度快，及就其中几种，介绍它们的特点以及在我国石化工业中的
时给产品质检反馈分析数据，可避免或降低产品质量应用。
不合格情况发生，由此获得大的经济效益。若用于装收稿日期：
3作者简介：齐洪祥（1 9 6 2 - ）男，中国石油化工股份有限公司沧州分公司经理。现代科学仪器 2004 6置操作及时提供分析数据，可真正实现质量卡边操
公司塑料厂[6]在LLDPE (线性低密度聚乙烯) 装置中，作，产生巨大的经济效益。
用在线色谱仪分析循环气中各种组分( H 2、C 2H 4、N 2、
C4H8 或己烯等) 的含量。独山子石油化工总厂乙烯厂
兰州石油化工总厂[1]选用了美国的近红外分析仪
[7 8] 用在线色谱仪在线监测裂解装置丙烯精馏塔的MAPDModel 310, 用于在线分析四组分、两种成品油的辛
指标，降低了装置能耗。上海石油化工股份公司炼化烷值。根据成品分析指标的要求, 优化 DCS 软件组
部化工一厂[9]用日本 Y o k o g a w a 的 GC1000 在线色谱态, 建立调合模型, 实现马达法研究法的瞬间监控。
仪，运用程序升温及恒温加热技术，配以带蒸发器的实践证明使用在线近红外分析仪后取消空白分析, 不
液体取样阀，以及全过程的数据管理系统，较好地解仅节约了空白分析的费用, 而且提高了工作效率。在
决了高 宽沸点样品中特殊组分的分析。巴陵石化[10]将线近红外分析仪的投用, 不但显示瞬时值, 而且可以
在线色谱用于甲基叔丁基醚生产的过程分析，对实现控制质量过剩或汽油辛烷值低于指标而造成的二次
烯醇比的最佳配比发挥了重要的作用。齐鲁石化公司调合不足, 提高了一次合格率, 从而降低调合成本, 减
[11]将日本Yokogawa的GC-8在线色谱仪用于分析MTBE少高辛烷值汽油组分用量。总之, 在线近红外分析仪
装置上两个流路的样品，取得了满意的效果。广州石投用, 每年增加经济效益达数百万元。我国石油化工
油化工总厂乙烯厂[12],用在线色谱对裂解装置中高压、科学研究院[2]将自行研制的 NIR-6000 防爆式在线近
低压脱丙烷塔顶中工艺气进行在线分析，主要分析红外油品质量分析仪，在催化重整中型评价装置和
C 2、丙烷、丙烯、丙炔、丙二烯和 C 4。在用萃取法炼厂联合重整装置上进行了应用。在兰州炼厂联合
提浓丁烯原料生产甲乙酮的工艺中黑龙江石油化工总厂重整装置上，在线近红外分析仪用来监测稳定塔塔
[13]利用德国西门子的PGC302在线色谱仪对丁烯原料中底出口生成油的研究法辛烷值，其测定结果以 4 ～
的微量萃取剂进行定量分析检测，准确度、精密度均20mA 的方式送往联合装置的优化操作控制室。在线
较好，在生产中起到显著作用。测量结果与标准方法测量结果之间的平均偏差为0.35 个辛烷值单位，重复性为0.2 个辛烷值单位。在
4 在线核磁共振线测量结果通过 DCS 系统实时输送到生产装置的控制系统，对生产优化具有指导作用。根据炼厂的财
核磁共振(NMR) 技术已成功运用于医学领域，核务统计表明，该技术的应用已经为炼厂带来 196 万
磁共振已形成一门完整的新兴科学。20 世纪 70 年元 / 年的直接经济效益。
代以后，随着计算机技术的飞速发展，核磁共振在
线分析系统也变得更完善，已成为当前最先进和最3 在线色谱
有前途的过程分析技术之一。它与先进控制技术结
合，可明显地提高工业生产的经济效益。核磁共振
在线色谱以其测量范围宽、分析准确等特点成
在线分析系统作为炼油和石化装置在线分析的一项为日常生产必不可少的重要分析工具，近年来在我
新兴技术，以Invensys 公司的核磁共振在线分析系国石油化工行业得到迅速普及。化验室离线色谱需
统为例，和传统分析技术相比，具有明显的优点；1 ）人工取样，分析成分较多，分析时间较长；而在线
测量速度快，用户可以根据实际情况自己定义扫描色谱仅对影响生产的关键成分进行分析，大量运用
周期，最快为每 1 m i n 进行一次样品扫描。扫描得色谱柱的前吹、反吹、中心切除等柱切技术, 以切除
到的 F I D 信号经过信号预处理后，通过已建模型可不需分析的成分，因此缩短了分析周期，同时采用
以及时得到所需测量参数；2 ）可同时实现多通道测了自动取样及样品预处理技术，从而保证了分析的
量，核磁共振在线分析系统目前最多可以同时实现自动化与连续性。在生产中起到了优化操作、控制
对 5 个不同的样品物流进行在线测量，不同通道的产品质量指标、安全监测等重要作用。
转换通过程序实现自动切换，用户可以根据需要，
自己定义切换时间间隔；3 ）可实现多性质测量，核
齐鲁烯烃厂[ 3 ] 使用美国燃烧工程公司生产的
磁共振在线分析系统通过扫描介质中氢原子的核磁002A 型在线色谱仪分 LLDPE 装置反应工段反应器
共振信号，得到样品的全息频谱图，然后通过已建进料中 H2、N 2、C 2H 4、C2H6、C 4H 8、C 6H 12、C O 等组分
模型的识谱、解谱分析得到用户所需要的最终性质的含量，分析值稳定可靠、重复性为± 1 %。独山子
信息，具体测量参数的内容可通过建立相应的标准石油化工总厂乙烯厂[4] 在聚合级乙烯生产工艺中的
模型来预测；4 ）样品前处理简单，核磁共振在线分乙炔加氢过程中，用ABB-3100 在线色谱仪检测乙炔
析系统基于可靠的电磁技术，而不是敏感的光学技含量，在乙烯装置[5]中，用 AT1-4003 在线色谱对脱甲烷塔顶甲烷中的乙烯进行实时在线分析。齐鲁石化
Modern Scientific Instruments 2004 64术，因此测量样品的黏稠度，纯度，颜色以及是否
果将与 DCS 集成。在第一 阶段的工作范围内，核含水都不会影响测量精度。样品只需进行简单的过
磁共振 2 的分析数据将取代气相色谱( GC) 用于裂滤和保温处理就可以直接进行测量，另外由于是非
解炉裂解深度的控制。核磁共振 1 的分析数据为操介入测量，测量后的样品可以返回工艺管线，既不
作员在 DCS 上提供即时的进料变化信息，指导裂解会浪费，也不会对环境有任何影响；5 ）系统几乎不
炉的操作。在该公司乙烯装置裂解炉系统应用需维护，核磁共振在线分析系统不受环境温度的影
Invensys 公司最新开发的在线核磁共振分析仪能够响，无任何移动部件，硬件设计可靠合理，同时配
快速、准确地分析裂解原料及裂解气的组成，使先有功能完善的软件系统，整个系统的故障率极低，
进控制和过程优化控制得以成功应用, 并发挥出最大能长期稳定可靠运行，系统几乎不需维护；6 ）模型
效益。具有很好的稳健性，由于核磁共振频谱图和测量参数之间是线性关系，因此所建的线性测量模型具有
5 结束语很好的精度和稳健性。同时相应的建模所需样品数量大大少于其它测量方法的要求，如近红外测量技
在线分析得到的测量数据能够及时指导工艺操术；7 ）可应用范围宽，核磁共振在线分析系统的核
作 , 实 现 了 质 量“ 卡 边 ”控制, 增 加 产 品 收 率 ，保证产磁共振的测量原理从根本上避免了其它分析方法的
品质量，提高生产管理水平。在线近红外分析仪、在局限，如只能用于汽油。它不仅可用于汽油、柴油
线色谱和在线核磁共振分析系统的应用为石化工业等在线分析，也可对装置催化常减压等装置的进料
带来了巨大的经济效益, 受到越来越多石化企业的青以及原油调合等进行很好地在线分析。
睐。尤其是近几年来, 它们与提高生产水平和经济效
益以及提高竞争力有着直接的联系，因此可以预
中国石油天然气总公司独山子石化分公司炼油
见，在不久的将来，会有越来越多的在线仪表应用厂[14]在2002 年5 月将我国第一套由Invensys 公司生
到石化工业中。产的核磁共振在线分析系统用于该公司炼油厂 8 0 0kt/ a 的二催化装置的进料和产品质量的在线分析，
参考文献可对装置的原料、产品等多种物流的多个参数进行分析。经过一年多的调试运行取得了满意的结果。
[1] 董镇,梁宝成,夏荣等.化工自动化及仪表, ): 44～46化验室分析与核磁共振在线分析数据对比来看，馏
[2] 褚小立,袁洪福,陆婉珍.现代科学仪器,～21分油的芳烃含量、烷烃含量、密度、残碳、汽油的
[3] 张玉贞.化工自动化及仪表, ):55～5810 % 馏分点、干点、烯烃含量等指标相互间吻合的
[4] 涂丽蓉.化工自动化及仪表, ): 64～66很好，汽油的辛烷值( R O N ) 仅有个别数据不准，柴
[5] 龙德清,杨旭辉,彭守泉.化工自动化及仪表, ): 61～62油的干点、闪点各有两点数据超标，仍须调整，馏
[6] 隋信幸.齐鲁石油化工,):295～296分油的 500℃馏出量虽然超标, 但相对误差很小。大
[7] 崔福军,杨旭辉,彭守泉.化工自动化及仪表,):64～66大提高了装置的平稳操作运行时间，并为先进控制
[8] 刘吉法,杨旭辉,彭守泉.石油化工自动化,～71和优化系统 OPT 提供及时可靠的信息，改善先进控
[9] 江明强,潘人龙.低温与特气,制和优化系统的性能，提高经济效益。中国石油天
[10] 张庆超.自动化仪表,):27～28然气总公司抚顺石化分公司乙烯化工有限公司[15]将
[11] 徐惠宁,沈玉龙,黄忠胜.化工自动化及仪表,):65～67采用Invensys 提供的一套集成的核磁共振应用系统
[12] 蔡华,刘漓江,严健等.色谱,):131～134方案， 整个方案包括二套核磁共振 系统，一套(核磁
[13] 赵英军,杜德生,温播等.黑龙江大学自然科学学报,):99～102共振1)用于裂解炉进料分析；另一套(核磁共振2) 用
[14] 罗真,胡恒星.化工自动化及仪表, 2004 , 31 (4) :46～48 　于 几 个 裂 解 炉 裂 解 气 的 分 析( 几 个 物 流 切 换) 。每 个 物
[15] 刘图强,任泓.石油化工自动化, 2004 , 5：85～86流的测试时间和切换时间不超过 5 min。所有分析结现代科学仪器 2004 6
5氨基酸分析与仪器性能评论
常碧影 1　杨文军 2
（1 中国农业科学院分析测试中心 北京 100091）
（2 农业部饲料工业中心 北京 100094）
E-mai l:chbiyin g@
摘 要 回顾了传统氨基酸分析仪器与前处理技术的发展，回顾了柱前衍生高效液相色谱测定氨基酸的技术的发展，说明了目前各种技术和仪器的应用现状以及国内外发布的有关食品、饲料等蛋白水解氨基酸和生理体液氨基酸分析方法标准。最后，根据市场需求，着重比较了当前市场上正在竞争的专用氨基酸分析仪的主要性能参数，提出了考察仪器性能时应注意的一些问题。
关键词 氨基酸分析；蛋白水解氨基酸；生理体液氨基酸；柱前衍生；氨基酸分析仪
中图分类号 O657.72
Analysis of Amino Acid and Performance of Instruments
Chang Biying1 , Yang Wenjun2
(1 Analytical and Testing Center of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100091, China )
(2 Department of Animal Science and Technology, China Agricultural University, Beijing 100094 ,China)
Abstract The developments of the classical amino acid analyzer, the techniques of sample pretreatment and theprecolunm derivatization were all reviewed. Current applications of different techniques and instruments for amino acidanalysis and the situation establishing standard methods for food, feed and physiological fluid were described. Finally the mainperformance parameters of competitive instruments which based on the ion exchange principle in the market were listed andsome issues to which should pay attention when evaluating the instruments were discussed.
Key words Aprotein hyphysiologicprecamino acid analyzer
当今氨基酸分析不仅成为蛋白质化学和与之密切相
1 传统专用氨基酸分析技术的研究进展关的生命科学如现代分子生物学、基因组和生物制药学研究的重要手段，成为农业、食品、资源开发、
自 1958 年 Stein 和 Moore 研制了首台以离子交考古、地质推断、宇宙探秘等领域研究的重要手段，
换色谱和茚三酮柱后衍生为基础的氨基酸自动分析仪以而且越来越深入人们的生产与生活，成为疾病诊断、
来，在上个世纪 60 70 年代，氨基酸分析仪经历了日营养评价、产品开发、质量控制等的重要手段。至
新月异的飞速发展, 这期间不仅实现了双柱向单柱的过上个世纪 90 年代，我国已有专用氨基酸分析仪400 多
渡，而且使仪器的灵敏度从μ mol 提高到 pmol 级,分台，随着旧仪器的更新和新需求的增加，近年氨基酸
析速度从24h 提高 1h 0.5h, 并实现了参数控制、数分析设备的购置又呈上升趋势，仅去年一年就购置了
据采集、积分处理和报告打印的全部自动化[1]，几乎专用氨基酸分析仪 60 多台，这固然与我国的经济、贸
每年都有新仪器或新型号问世。然而，到了 7 0 年代易和各种研发工作的空前发展分不开，也是与氨基酸
中叶，人们开始发现，分析速度的不断加快，已经分析技术的成熟及国内外有关氨基酸分析标准方法的出
开始显现对分析的准确度、精密度的不利影响，而磺台分不开的。为使大家对氨基酸分析技术发展有一较
酸型离子交换树脂和茚三酮柱后衍生的基本构架也制约全面的了解，本文将对近年氨基酸分析技术和仪器的
了灵敏度的进一步提高，仪器发展速度开始放缓，8 0研究进展做一回顾，着重分析比较当前不同分析技术
年代后，仪器改型大多只是对软件程序或某些部件和和市场现有仪器的特点，并说明选择、考核仪器性能
材料的改动了。的基本方法及注意事项。
70 年代后期人们还发现，尽管仪器已十分先进，
但不同实验室对同一样品的测定数据却往往不同。于收稿日期：作者简介：常碧影, 中国农业科学院分析测试中心兼国家饲料质量监督检验测试中心研究员，博士生导师。6 Modern Scientific Instruments 2004 6是人们进行了大量的有关氨基酸分析的实验室间联
泛应用的只有几种[21 23]。这些方法从 80 年代末已陆续 合实验研究，至 90 年代初，仅蛋白质水解液分析的
被一些 HPLC 仪器公司接受并实现了仪器与方法的商 就有19 次,生理体液分析1 次[2],发现测定误差的主要
品一体化，如 Pekin Elmer推出的 PITC法，Waters推 来源在于样品的前处理，并展开了对于前处理技术
出的 PITC 和 AQC 法, Agilent 和 Gilson 推出的 OPA/ 参数的详尽的研究, 其中以丹麦的Beach Anderson,
F M O C 等。这些方法和仪器不仅被许多研究生产领域 Rudemo 和 Mason 对蛋白质水解条件, 如水解剂、酸
应用[24 26], 而且有的还被 AOAC 标准法采用[27]。 样比、水解方式、酸解时间、水解液的浓缩去酸方 法、含硫氨基酸的氧化条件及其对其它氨基酸的影
虽然柱前衍生法有许多优点，但多数衍生反应 响等的研究最具代表性,也最为系统,他们前后发表了
却还有这样那样的缺点，如柱寿命较短，同时易受 11 篇论文[3 13]。1 9 8 9 年 FAO/WHO 植物蛋白评价专家
盐类、缓冲剂、洗涤剂和金属离子的干扰，对于基 联席会得出结论：植物和食品蛋白氨基酸分析必须
质复杂的样品，测定的准确度、精密度仍不如柱后 用三种方法 - 常规酸解法测定除色氨酸、胱氨酸和蛋
衍生法好[28]。因此人们在与 Q C / Q A（质量控制 / 质 氨酸以外的 16 种氨基酸，氧化酸水解法测定胱氨酸、
量保证）有关的氨基酸分析仍坚持用柱后衍生法， 蛋氨酸和除了色氨酸、酪氨酸以外的其它氨基酸，
这也正是 A O A C 、欧盟和我国将有关食品、饲料氨 碱水解法测定色氨酸[14]。随着人们关于蛋白质样品
基酸测定标准定为氨基酸测定仪基于的离子交换 - 的水解方法与条件达成共识, 实验室间联合试验研究
柱后衍生法的原因。但在蛋白质样品较为纯净而用 的结果也日趋理想，1990 年荷兰公布了他们有 12 个
量受限的实验室，如蛋白质基础研究和以蛋白为基 实验室参加的连续 4 年的饲料氨基酸的分析结果, 氨
础的生物制药开发研究方面柱前衍生法却能得到很 基酸的平均回收率达 98%, 实验室内和室间相对标准
好地应用。A B R F （生物分子资源设备协会）自 1 9 8 8 偏差分别达到 3 % 和 7 % ，而且荷兰实验室和国际分
年起，几乎每年都在西欧、北美进行一次数十个实 析组的相对偏差仅为 1.9% 。说明制定氨基酸测定方
验室参加的实验室联合试验研究，这些研究表明， 法标准的时机业已成熟[15] 。1 9 9 4 年 A O A C 正式公布
在蛋白质和肽氨基酸定量、组成和残基计算等研究 了饲料中氨基酸测定的方法[16]，1 9 9 8 年欧盟公布了
中，柱前衍生法可得到与经典柱后衍生法同样准确 他们的饲料氨基酸分析标准[17]。我国是氨基酸测定
的结果，目前这方面应用的柱前衍生的参试实验室 标准化开展较早的国家,早在1987 年就发布了谷物籽
已超过了经典法[29]。 粒的氨基酸测定标准，至今发布的关于饲料、食品、 油料及其制品的国家标准已有八项[18]。2 0 0 2 年 5 月
3 当前的氨基酸分析与仪器 欧洲遗传代谢病研究网络发布了第一个有关血浆和 尿中氨基酸分析的标准操作程序[19]。
经过 4 0 多年的发展，氨基酸分析技术和仪器均
已达到了比较成熟的阶段，特别是蛋白水解氨基酸 2 柱前衍生反相液相色谱法
测定随着国内外有关标准的出台更是基本定型了。
当然，一些细节的变化如蛋白气相水解方式的出现、
上个世纪 7 0 年代中末期，即传统专用氨基酸仪
提高水解速度的努力（如使用微波水解可使水解时 发展近于停滞之时，柱前衍生反相高效液相色谱法
间降至& 10min, 提高水解温度至135℃和165℃可使（R P - H P L C 测定氨基酸）研究却开始蓬勃发展起来。
水解时间分别降至 4 h 和 1 h ），以及针对特殊样品与 随着 H P L C 技术与仪器的普及, 人们发现柱前衍生不
要求，在水解剂中添加苯酚、二甲亚砜或采取其它 仅能解决氨基酸的检测问题，也解决了它们在反相
措施改进某些氨基酸回收率等的研究仍在进行[30]。 色谱柱上的保留问题, 这些方法比柱后衍生的方法更 灵敏，分析速度更快，仪器投资少又能实现一机多
目前我国市场上销售的柱前衍生 R P - H P L C 仪器 能，有的还能分析对映异构体[20], 因此从一出现便倍
使用的衍生剂主要集中在 P I T C 、A Q C 和 O P A / F M O C 受青睐和关注。从 70 年代末至今,人们研发的衍生剂
上，其优缺点早有评述, 而仪器本身很难比较, 故在 不下 1 0 多种，如二硝基氟苯（F D N B ）、邻苯二甲醛
此不加赘述。本文只对不同的专用氨基酸分析仪做（O P A ）、9 - 芴基甲氧羰酰氯（F M O C）、异硫氰酸酯
一比较。当前市场上销售的氨基酸分析仪虽然都以（PITC）、丹磺酰氯（Dansyl-Cl）、二甲氨基偶氮苯磺
离子交换色谱为基础，但 Dionex 公司推出了并非常 酰氯（DABS）、6- 氨基喹啉基 -N- 羟基琥珀酰亚胺氨
规的磺酸型阳离子交换树脂, 而是阴离子交换树脂， 基甲酸酯（A Q C ）等，然而经受了实践考验而被广
而且不再做柱后衍生也不用比色测定, 而是直接用积
分脉冲安培检测，使测定灵敏度提高了近 5 0 倍。
AminoSys、Sykam和Amersham Pharmacia Biotech公现代科学仪器 2004 6
7司则实现了仪器小型化，AminoSys 的 A200 型仪器不
和陶瓷泵头，并开发了自动装柱和反应螺管自动冲再使用通行的柠檬酸钠缓冲体系，而用乙酸盐缓冲
洗程序,Hitachi是Beckman公司 几年前停产体系，实现了蛋白水解液和生理体液的同柱分析，
后产品占中国市场份额最大的公司，30 多年的生产、缓冲液流速也降至0.2ml/min。Sykam公司的S 433H一
销售、服务积累了丰富的经验，而近几年 Amersham改通用的用 3 4 个缓冲液进行的阶梯式梯度淋洗方
P a r m a c i a 、AminoSys 、Dionex 和Sykam 等公司产品进式，采用 2 个缓冲液连续渐变式梯度淋洗方式。
入中国市场，也给我国用户提供了更多的选择余地。Amersham Pharmacia Biotech公司首次使用PEEK柱材
表 1 列出了这些仪器的主要技术参数。
表1 现有不同厂家氨基酸分析仪技术参数比较仪器型号
Hitachi 8800
Biochrom 20 (plus)、30
AAA-Direct生产国别与厂家 日本,日立(Hitachi)公司 德国,AminoSys 公司 德国 S y k a m 公司
英国 Amersham
Dionex公司
Biotech公司分析时间( 蛋
30min(不包
＜ 40min白水解液)
括再生平衡时间)仪器灵敏度
3pmol(S/N=2,Asp)
1 2pmol对峰分离度
＞88％Thr-Ser
＞ 100%Thr-Ser ＞92%(30min)Thr-Ser ＞92% Thr-Ser
＞92%Ala- Thr
Cys-Ala Ile-Leu
＞ 93%Gly-Ala
Cys-Ala Ile-Leu柱内径×柱长
4.6 × 60mm
4.6 × 100mm
4.6 × 150mm(PEEk)
4.6 × 200mm(PEEK) 2 × 250mm树脂粒度
8.5 μ m泵
双柱塞泵, 不锈钢
微型双柱塞泵， 双柱塞泵，P T F E 、 双柱塞泵, 陶瓷内 双柱塞泵, P E E K 泵
内衬,耐压 19Mpa,
钛合金内衬, 耐 P E E K 内衬，耐压衬,
头,耐压 19Mpa, 流速
流速0.05 0.99ml/
压 40Mpa, 流速
耐压 40Mpa,流速
流速130 ml / h
0.05 5.00ml/min
min 0.001 9.99ml/min 0.01 2.00mL/min缓冲液流速
0.45ml/min
0.42ml/min
0.25ml/min保留时间重现性
RSD ＜ 0.3%(Arg)
RSD ＜ 0.1%
RSD ＜ 0.5%
RSD ＜0.5%(Gly,Arg)*
RSD ＜ 0.4%
RSD＜0.5%(Ala)*
(21amino acids)*
(0.1nmol STD)峰面积( 响
RSD＜1.0%(Gly,His)*
RSD ＜ 0.8%(21AA)* RSD ＜ 1.0%*
RSD＜1.5%(Gly, Arg)* RSD ＜ 0.7 4.3%应) 重现性
(0.1pmol)售后服务
保修 1 年, 北京、
保修 2 年, 青岛 保修 1 年拟在北
保修 1 年, 北京、
保修 1 年, 北京、
上海、香港等地
京等地建立技术
上海、香港、云
上海、香港等地
有技术支持和维修
支持与维修点
南等有维修点
有技术支持和维修
* 一般指对氨基酸混合标准液5 7 次重复分析的结果，进样量为3 5nmol。
必须指出, 实际应用中需对表中数据做具体分
考察仪器性能价格比时，不仅要注重上述数字析，例如，灵敏度一栏中，不同仪器的灵敏度相差好多倍，但多数公司并未标明信噪比( S / N ) ，不同信
的比较，更要注重仪器具体的使用情况，比如从仪噪比得出灵敏度会有很大差异。而且并不总是灵敏度越高越好，因为一般说来灵敏度越高, 受干扰也越
器在国内乃至国外的销售普及程度，推测其性能在大。使用者应根据自己的具体情况选择，做饲料或食品分析的实验室样品量充足、背景复杂，选择
不同领域中被认可的程度，走访用户了解仪器的可10 15pmol 的仪器就足够了。相反, 对于基因重组和新药开发实验室, 样品量有限, 干扰少, 灵敏度就得
操作性、耐用性和适用性，核实仪器的特点与欠缺，选择较高或最高的。又如分析速度，一般人都想用分析时间短的，但如前所述，快速分析往往会影响
系统是否耐高盐，是否经常出些小毛病，特别是使分离度，继而影响定量的准确度和精密度，况且氨基酸分析的慢过程主要在前处理，仪器分析时间相
用国产试剂后仪器性能的变化 - 空白样品分析中噪差10 20min并不显得有多重要。再如, 仪器的精密度是非常重要的指标, 从表面看，Dionex公司的信号响
音与基线漂移、分离度、峰保留时间和峰面积稳定应变异较大, 但必须看到它给出的是0.1pmol 进样量下的结果, Richard曾指出, 进样量不同对RSD值影响
性变化以及一些部件的易损程度等。还应了解它是很大, 当进样量由10nmol变为1nmol和0.3pmol时，其RSD 值会由 0.7% 分别变为 1.5% 和 3.5%[31]。
否能满足你的特殊需求，譬如有些饲料分析，需要8
分析牛磺酸，有些饲料氧化水解还会产生鸟氨酸和
羟基赖氨酸，分析时必须与其它氨基酸有很好的分
离，特别是后两者，在有的仪器上会与赖氨酸或组
氨酸同时流出，影响赖氨酸和组氨酸测定的准确度
和精密度。又如你需要通过氨基酸分析做疾病诊断，
根据欧盟标准需用正亮氨酸作内标，就要求仪器能
将其与亮氨酸有很好的分离。对于这些特殊要求在
有些仪器上能通过调节缓冲液和淋洗梯度实现，有
些则不能。
Modern Scientific Instruments 2004 6总之，经过 2 0 ～3 0 年的研究发展和市场的激烈
394~398竞争，现有仪器基本性能越来越相近，一般均能达
[16] AOAC, Official Method 994.12&&Amino Acids in Feeds- Performic Acid到常规分析要求，关键是一些看似细节的技术能否胜人一筹，还有仪器的售后服务，包括技术支持和维修
Oxidation with Acid Hydrolysis- Sodium Metadisulfite Method and Hy-能力与及时程度等。这些不仅能满足特殊需求和给使
drobromic Acid Method&&in Official Methods of Analysis of AOAC用者带来方便、效率，而且是仪器公司经济、技术等
International, 17th Ed.综合实力的最终表现。
[17] Commission Directive 98/64/EC&&Community Methods of Analysis for
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9科学仪器研制与开发
Lonworks 技术在气体监测中的应用
王 建 尹明德 方德广
（南京航空航天大学机电学院 南京 210016）
E-ma il:conan wj@21cn .com
摘 要 Lonworks是目前应用最广泛的现场总线技术之一，它采用的LonTalk协议被封装在Neuron神经元芯片中得以实现。本文阐述了以神经元芯片为核心构成气体监测智能节点的结构和工作原理，给出了详细的硬件线路设计、软件设计方案。对气体浓度的温湿度补偿采用模糊修正因子法，进一步的提高了采集数据的精度和可靠性。在实际监测系统应用中体现了良好的性能。
关键词 Lonworks 总线；神经元芯片；智能节点；气体监测；温度湿度补偿；模糊因子修正
中图分类号 TP393
Application of Monitoring Gas Based on Lonworks Technology
Wang Jian, Yin Mingde, Fang Deguang
(College of Mechanical & Electrical Engineering , Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,
Nanjing 210016, China)
Abstract Lonworks is one of the most popular fieldbus technology and its protocol (LonTalk) is encapsulated in Neuronchip. Functional principle and structure of an intelligent node are illustrated in this paper. This node is used for monitoring gasand Neuron is its kernel. A detailed scheme includes software design and electronic circuit design is presented. Fuzzy reasoningmethod is applied to Temperature/Humidity Compensation for measuring the gaseous density,so that the accuracy andreliability are promote significantly. The node embodies a very satisfactory performance inpractical monitoring system.
Key words Ltemperature/hfuzzyfactor rectification1引言
78Kb/s 时直接通信距离为2700m。[3]
目前，Lonworks 技术与产品已被广泛应用在楼宇
Lonworks(局部操作网络)是目前应用广泛的现场总线技术之一。它是由美国 Echelon 公司推出并与摩
自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运托罗拉、东芝公司共同倡导，于 1990 年正式公布而形
输、工业过程控制、智能传感器等行业。成的。Lonworks 现场总线具有以下主要技术特点：[1][2]
化工、冶金、采矿等很多领域生产过程中会产生
1）Lonworks技术网络通信协议LonTalk符合国际
有毒气体（如 C O 和 H 2S 等），会给人身安全和正常生标准化组织(ISO) 定义的开放系统互联(OSI)模型，提供
产带来极大威胁。目前较为先进的方法是采用现场总了 O S I 参考模型所定义的全部七层服务。
线控制系统，逐步取代过去较多的气体检测仪显示及
工作人员现场抄表方式，来实现现场显示、越限报警、
2） LonWorks 网络拓扑可以选择多种形式的网络
远程通信及实时监控等功能。采用现场总线的气体监拓扑结构。可在多种通信介质下通信, 包括双绞线、电
测系统的研制是很具创新性的一个研究领域。本文所力线、光纤等, 并且多种介质可以在同一网络中混合
述即是设计一种基于 Lonworks 的气体参数监测节点使用。在一个 LonWorks 现场总线系统中每个域下设
设计与应用。备数可为 32385 多个。并开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。
2 整体方案设计
3）LonWorks 技术改善了的CSMA (载波侦听多路
智能节点的基本组成如图 1 所示。访问) 通信协议, 使网络在负载很重时, 仍保持较高性能。LonWorks 技术的通信速率可达1. 25Mb/s, 光纤介质最长通信距离为 3 5 0 0 m 。双绞线介质在通信速率为收稿日期：作者简介：王建（1 9 8 0 - ）, 男, 江苏省南京市人, 南京航空航天大学, 硕士研究生, 主要从事机电控制、现场总线控制方面的研究。10 Modern Scientific Instruments 2004 6图1 气体检测智能节点结构
T M P N 3 1 5 0 B 1 A F ，主要用于提供对节点的控制、实施
与Lonworks 网络的通信、支持对现场信息的输入/ 输
该智能节点主要由气敏传感器、温度传感器、湿
出等应用服务。Neuron 芯片有 34 个预编程的操作模式度传感器、调理电路、A/D 转换、一个双绞线收发器、
（即 I/O 对象）支持电平、脉冲、频率等各种信号，可片外存储器、Neuron 芯片及其辅助电路组成。
以实现有效的测量和控制。[4]
调理电路与 A / D 转换器，将气敏传感器采集的气
2） 片外存储器：由于Neuron3150 内部只有2K 的体浓度信号模拟信号转换为数字信号送入 N e u r o n 芯
RAM 和512Bytes 的EEPROM，因此采用64K的 AT29C512片进行各种处理（温湿度补偿、零点漂移补偿等）。处
外部 FlashROM 来对其进行扩展。理后的结果气体各个参数通过收发器发送串行数字信
3.3 输出及辅助模块号到现场总线。同时将处理后的浓度值送往现场液晶显示单元，当数值符合报警条件时，报警器立即发出
1） 通信模块：采用 Echelon 公司提供的FFT-10A报警信号。
自由拓扑双绞线收发器。该收发器支持自由拓扑星
型，总线型和环型结构。速率为 78Kbps，最坏情况自3 节点硬件设计
由拓扑结构传输距离 500m，双终端总线结构 2700m。3.1 传感器输入模块
2）现场显示单元：采用 5 片 7 段 LED 数码管进行
1） 气敏传感器：选用日本根本化学株式会社的
现场显示，由 MC14489 数码管驱动芯片驱动。CLOCK、
DIN、/ENABLE 分别与Neuron3150 的IO_8、IO_9、IO_1NT-H2S 型电化学式气体传感器。该传感器机械性能稳
引脚相连。定，输出线性度高，灵敏度高（9 0 % 程度上应答时间在 2 0 秒内），且对 H 2S 具有突出的选择性。
3) 报警控制模块：在IO_4与地之间连接关闭蜂鸣
器按钮，软件中定义报警状态变量（初值为 0 ）和报
2） 湿度传感器：采用Honeywell公司的HIH-3610
警允许变量（初值为 1 ），当蜂鸣器报警时（状态变量相对湿度传感器。它是热固聚酯电容式具有信号处理
被置 1 ）如按下关闭蜂鸣器按钮则关闭蜂鸣器（状态功能的传感器，高精度（2 % ）、反应快速（1 5 秒内），
与允许变量均置 0 ）。线性放大输出、工厂标定，独特的多层结构能非常好地抵抗环境的侵蚀，诸如湿气、尘埃、脏物、油及一
4）辅助电路：包括提供 Neuron 芯片工作时钟的些化学品。
晶振电路、用于 Neuron 芯片上电及手动复位的复位电
路和指示节点状态的 Service 按钮和指示灯。
3） 温度传感器：采用 Maxim DS18B20U 芯片。该芯片为 One-Wire 数字温度传感器，可直接将温度信号
4 节点软件设计转换成 12 位数字信号，接至 Neuron 芯片的 IO_3（定义为Touch I/O对象）。
4.1 功能概述
依据石化企业生产现场工况要求，该智能节点需
4） 调理及转换模块:气敏传感器和湿度传感器输出的微弱电压信号分别经过放大电路(主要由 M A X 4 9 4
实现以下功能：运算放大器组成) 处理后送入 M A X 1 8 6 A / D 转换器的
1) 对温度、湿度、气体浓度等参数进行快速精确CH0、CH1 通道，转换后的数字信号送入 Neuron 3150芯片。MAX186 的 /CS，SCLK、DIN、DOUT 分别与Neuron
采集，实现软件补偿并发送至 Lonworks 网络；3150 的 IO-0、IO-8、IO_9、IO_10 引脚相连。
2) 实现修正后的气体浓度值的现场显示；3.2 处理控制模块
3) 气体浓度若越限则立即蜂鸣报警。
1 ) 神经元芯片: 采用 T O S H I B A 生产的
4.2 软件系统概述
Lonworks 网络应用程序用派生自 ANSI C 语言的现代科学仪器 2004 6
Neuron C 语言编写。Neuron C 使用以事件为基础编程
模型；提供 37 个额外数据类型，34 个 I/O 对象，2 个
定时器对象以标准化装置控制器；同时可用于显式
（物理、逻辑、目的地名称寻址）和隐式（网络变量）
报文格式的集成报文传送机制；由于网络本身是时间
驱动的，一个装置不必等待轮询即可报导状况。
本智能节点的软件主要有以下组成部分：主程
序、A / D 转换子程序、数据处理子程序（包括工程量
转换、温湿度补偿、零点漂移补偿等程序）、现场显示
11报警及网络收发子程序。
湿度补偿。[7][8][9]补偿算法原理如图 3 所示：4.3 主程序设计
节点主程序流程如图 2 所示：
图3 模糊修正因子补偿原理图
图 3 中气体传感器输出的浓度数据，经数学运算
（如零点补偿、插值、非线性拟合、模糊推理或神经网
络等方法）得到气体浓度的粗略信息 D ，其对应气敏
传感器在标定条件下的输出。湿度传感器的输出数据
首先经过厂家提供的修正公式进行温度修正：
RH=(SensorRH)/(1.16T)
（式中 T 为摄氏度）,修正结果湿度 H' 和温度输出 T
经模糊推理得到修正系数 。 反映了实际工作条件对
气敏传感器输出的影响程度（
,表示无影响）。浓
度粗略信息D与修正因子 经乘积运算得到气体的修
正浓度 D'：
图2 节点主程序流程
4.4.2 模糊推理系统
主程序执行流程如下[5][6]：
首先定义各 I / O 对象和软件计时器并设置软件计
将温度 T、湿度 H' 和修正因子 各划分为 5 个语时器初始值（A / D 转换、数据处理等子程序的执行周期），利用各计时器控制启动顺序，N e u r o n 芯片从
言变量：很高(VH)、较高(H)、适中 (M)、较小(L)和很M A X 1 8 6 接受温度及湿度数字信号，对其进行工程量转换，再启动 D S 1 8 B 2 0 U 开始工作，并保存所测得的
小(VL),各参数的隶属函数及系统模糊规则分别如图 4环境温度；将经过预处理（零点补偿、插值计算等）后的浓度数据进行温湿度补偿，网络变量保存修正过
和表 1 所示。的气体浓度值并送往总线；同时将浓度值与设定报警值比较，若介于报警下限与上限间则启动报警计时
图4 各参数隶属函数器，若浓度值在此范围超过设定时间，则节点发出报警信号；若浓度超出报警上限则立即报警。按下“关
表1 模糊推理规则蜂鸣”键 , 即可消除报警信号。待按下“复位”键系统复位后可再次检测报警。
H，4 . 4 温湿度补偿子程序设计
VH4.4.1 温湿度补偿原理
由于气敏传感器的输出特性会受到环境温度和湿
L度的影响，所以在对气体浓度采集有较高精度要求的
VL场合，需采用温湿度补偿，常用硬件补偿电路或软件
VL补偿算法来实现。
本节点为了避免电路的复杂性、提高工作可靠性
L并提高输出精度，采用模糊修正因子算法进行软件温12
5 测试与总结
在利用 NodeBuilder 开发工具进行实验室硬软件
联调后[10][11]，在现场安装并依据如下配置进行测试：
Modern Scientific Instruments 2004 6主计时器和报警计时器分别设定为 3 秒和 3 分钟。
该节点功能完善，工作可靠性高，在 Lonworks 网 报警低限 12ppm（可在 1ppm 至 25ppm 任意设），高限
络中出色的完成了现场气体浓度采集、远程传输以及 30ppm（可在 25ppm 至 45ppm 任意设定）。
越限报警的功能，极具应用前景。
采集 H2S 浓度为 15 × 10-6～90 × 10-6 （浓度间隔
参考文献 为5 ×10-6）、环境温度为 15～30℃(间隔为3℃)、环境 湿度为 40%～60%RH(湿度间隔为 5%RH)时各传感器的
[1] 阳宪惠.现场总线技术及其应用.北京：清华大学出版社，1999 输出, 共获得了 480 个样本。其中环境标准条件设为
[2] 英向华，朱丽春，朱文白.基于Lonworks总线的监控系统设计及应用. 21℃、50 %RH。图 5 所示为温度 24℃、湿度 54%RH 时 系统测量数据( 包含实测数据与修正后数据) 与实际数
微处理机，
33 据, 其它条件下系统的测试效果基本相同。
[3] Lonworks技术介绍（原理和实践概述 第2版）. California: Echelon
图5 现场测试结果
Corporation, 1995
所得数据经计算得到修正后浓度的最大测量误差
[4] TMPN3150B1AF Neuron Chip . California: TOSHIBA American Elec- 小于 2.3%，（国家标准要求&10%），最大响应时间为34s（国家标准要求& 6 0 s ）。
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[11] Neuron C Reference Guide . California: Echelon Corporation, 1995基于 DASYLAB 的起重机制动器试验台
虚拟测试系统的建立
王紫超 徐长生
430063）（武汉理工大学物流工程学院 武汉
E-m ail:wzichao @tom. com
摘 要 测试技术逐渐应用于工程检测领域。本文结合起重机制动器试验台实际测量需要, 用Dasylab软件自编了一套虚拟测试系统，并研究了用该软件建立虚拟测试系统的一般方法。
关键词 制动器；试验台; D A S Y L A B ；虚拟测试
中图分类号 TP31； TH7
The Establishment of Virtual Test System of
Test Bed of Crane Brake with Dasylab
Wang Zichao, Xu Changsheng
(Technology Logistics Engineering College ,Wuhan University, Wuhan 430063 ,China)
Abstract The virtual test technique is gradually applied to the engineering examination realm.The text constitutes aset of virtual test system for crane brake with software Dasylab and at one time studys the general method of establishingone virtual test system with the software.
Key words B DASYLAB; virtual test收稿日期：
13作者简介：王紫超( 1 9 8 0 - ) , 男, 武汉理工大学硕士研究生。现代科学仪器 2004 61 引言
同时采集，适时曲线显示可达 250kHz。它还采用了 DDE
（动态数据交换）、O L E （对象连接与嵌入）、O D B C （开
由于微电子、计算机与网络、软件等技术的发展及其在电子测量仪器上的应用，新的测试理论、测试方
放数据库连接）等技术。对于分布式数据采集系统，法、测试领域和新的仪器结构不断出现,在许多方面已突
D A S Y L A B N E T 技术能在现有网络上使用 T C P / I P 协议破了仪器的概念。电子测量仪器的功能和作用发生了质的
实现速率高达 100000 采样点 / 秒的远端通信和控制。变化。在此背景下产生了虚拟仪器。虚拟仪器作为新兴的仪器仪表，正以不可逆转的力量推动着测控技术的革
3 制动器试验台命。由于它基于计算机技术,所以具有强大的功能和高度的灵活性。用户可用它来组建适合自己的专门测量系统，
3 . 1 制动器试验台原理在一定的硬件支持下,对对象信号进行采样，在实时或离
起重机中各工作机构都装有盘式或块式制动器，线条件下，经软件处理得到测量结果,且可以根据需要修改、扩展、升级、或自行配置应用软件来重新定义它的
起安全作用。而起重机的载荷由静载荷和动载荷组功能,因而再也不必将自己封闭在功能固定、缺乏灵活性
成，其中动载荷包括惯性载荷和振动载荷[2] 。制动器而且价格昂贵的传统仪器中,这将在测试领域开拓出新的局
试验台中惯性模拟部分(见图2)就是模拟动载荷中的惯面。
性载荷与工作载荷。
本文将虚拟仪器技术引入到起重机制动器试验台
图2 制动器试验台机械部分结构简图检测中，建立一种在线的试验台,构成自动采集与测试分析的试验系统。该试验系统利用虚拟测试软件
制动器试验台试验对象是模拟直径为DASYlab 建立友好的虚拟仪器面板，可完成对数据采集、分析处理及状态监控、动态曲线显示等，大大突
φ400mm~ 1250mm、制动转矩为500N.m~20000N.m的电力破了传统仪器仪表在数据传送、处理、显示和存储功
液压盘式制动器和直径在 φ 400mm~800mm、制动转矩能等方面的限制。
在 400N.m~100 00N.m的电力液压块式制动器。对于每一2 DASYLAB 软件
种被测制动器根据其制动力矩，优化组合惯性模拟部
分中的惯性盘，使其制动时在一定时间内产生的转矩
DASYLAB（Data Acquisition Labor- aory）是一套
与制动器标定制动转矩相当。Windows 环境下的集高速数据采集、分析和过程控制
3.2 试验内容于一体的功能强大的组态化软件包。该软件采用图形化编程环境，通过连接自带功能模块来完成数据采
1）电机输出轴的转矩和转速 M1，n；集、显示、存储、分析、控制等各种功能。测量系统
2）电机起动和制动的时间 t1，t2；由传感器、A/D 转换器、DASYlab 软件和计算机组成。
3 ）制动器制动过程中的制动转矩 M 2；传感器输出的模拟信号送到控制盒，再经过 A / D 转
4）制动轮表面的温度变化 T ；换器将模拟信号转换成数字信号，用 D A S Y l a b 测量
3.3 测试方法软件进行处理。后者通过选择和连接功能模块组成
1）转矩的测量：转矩转速传感器采集到的模拟信所需的虚拟仪器，从而建立虚拟测量系统[1]。图 1 所
号输入到虚拟测试系统 0 通道。示为求最大幅值处频率的程序流程图。
2）转速的测量：采用角编码器（电动机自带），模
拟信号进入虚拟测试系统 1 通道。
图1 求最大幅值处的频率程序流程
3）温度的测量：经温度传感器采集到的模拟信号
输入到虚拟测试系统 2 通道。
比起其它利用汇编语言或高级语言(如 VB，VC++，
上述各通道采集到信号后，各信号由已经编好的Delphi，C++，Builder 等）来编写源代码实现分析控制
程序流程进行处理, 用户也可根据需要随时变换程序。系统的软件，DASYLAB 测量软件编程更方便、效率更高。DASYLAB 支持 250 多种数据采集板 / 卡、512 通道
4 数据采集与分析系统建模14
制动器试验台虚拟测试系统中共有 3 个虚拟通道
(图 3)，每一个通道对应一种虚拟测试系统。各种被测
信号经传感器转换成电信号，将连续的电信号经 A / D
Modern Scientific Instruments 2004 6转换成数字信号，以送到后续各程序模块中进行处
模块联合作用,完成对各虚拟测试通道的清零工作。如理。其中 0 通道是对试验台主轴所受转矩进行虚拟测
Switch 模块未发出清零指令时,在Latch模块输出通道试分析;1通道是对试验台主轴转速进行虚拟测试分析;
中存储的始终是 0 信号，而当 Switch 模块发出清零指2 通道是对制动轮表面的温度进行虚拟测试分析。三
令时，Latch 模块输出通道立即保存此时 Latch 模块输个通道中的信号传输与处理互相独立，互不干扰。
入通道 1 的数据。并且此时Formula 模块被定义为Input
(0)-Input(1)即可完成清零工作。
各虚拟通道中，Swit ch 模块、Latch 模块和Formula
Scaling 模块是用来标定的，可用虚拟仪器自带的
返还Dasylab界面进行编辑。第三Layout与第二Layout标准仪进行精确标定。
功能一样, 只是各通道信号没经过滤波。
Filter模块用来对各通道进行高频滤波，滤掉干扰的高频成分。滤波频率可在测量时适当调整，并可比较滤波前后各通道时域信号的差别。
M a x 模块用来适时求出各信号中的最大值，并通过虚拟仪表显示出来。该虚拟测试系统共有三个 Lay-out（三个不同的界面），各Layout 由Black Box模块中的虚拟模块控制（Black Box 中的程序流程如图4）。各
图4 Black Box中的程序
图5 虚拟测试系统的人机交流主界面层是对传统仪器面板进行的仿真,界面非常友好。最大
5 结束语优点就是能够在不进行任何操作的情况下看到所有被测信号。第一层即是虚拟测试系统模型界面。图 5 是
起重机制动器试验台是武汉理工大学学科建设的第二 Layout,是该虚拟测试系统的人机交流主界面。该
一个项目，在该试验台的数据采集与处理系统方面，层中可显示各通道的时域信号和最大值，并有 Start/
本文进行了虚拟测试系统的研究。与传统测试系统相Stop开关,Switch清零按钮,能随时通过Worksheet按钮
比，该虚拟试验系统建立了友好人机交流界面，可完
成对数据采集、分析处理、状态监控及动态曲线显示现代科学仪器 2004 6
等，大大突破了传统仪器仪表在数据采集、分析处理、
状态监控及动态曲线显示和存储功能等方面的限制。
[1] 高哓康.应用计算机测量软件实现计量测试,上海计量测试,
[2] 彭英.起重机制动器试验台的建设与应用，建设机械技术与管理，
[3] http://www.dasylab.net
15基于 P X I 的虚拟仪器测试技术
沈 辉 关振宏
610031）（西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所
E-mai l: sh 020 7@16 3.c om
摘 要 本文介绍了新一代仪器总线PXI总线仪器的性能和应用领域，讨论了虚拟仪器的基本概念和基于PXI总线的虚拟仪器的系统结构及软硬件基础。
关键词 虚拟仪器；PXI 总线；软件开发平台；测试
中图分类号 TP391.9
Virtual Instrument in Testing Technique Based on PXI
Shen Hui, Guan Zhenhong
(Inst.of Maglev Tranis and Maglev Tech,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)
Abstract This paper introduces the performance and applying fields of a new type of bus-PXIbus instruments, anddiscusses the concept of virtual instruments and the system structure and the foundation of software and hardware.
Key words Virtual IPXIdevelopitest1 引言
范，从而形成了新的虚拟仪器体系结构（Virtual In-
strument Software Architecture 简称 VISA）。利
由于电子技术、计算机技术的高速发展及其在电子
用 PXI 模块化仪器，您可以充分享受开放式工业标准化测量技术与仪器领域中的应用，新的测试理论、测试方
PC 技术所带来的低成本、简便易用性、灵活性及高性法、测试领域以及测试仪器结构的不断出现，测量仪器的
能等优点。制定PXI 规范的目的是为了将台式PC的性能功能和作用也发生了质的变化。计算机处于核心地位，将
价格比优势与PCI总线面向仪器领域的必要扩展完美地结软件技术与测试硬件系统更紧密地结合，仪器的结构、概
合起来，形成一种主流的虚拟仪器测试平台，使其能够念和设计观点等都发生了突破性的变化。于是便出现了全
满足不同行业需要的高性能、高可靠、高可用和经济型新概念的仪器 - 虚拟仪器[ 1 ] 。虚拟仪器（V i r t u a l
的工业计算机技术。Instrument 简称 VI）是 20 世纪末期由美国国家仪器公司（National Instrument 简称 NI）首先提出的
PXI 这种新型模块化仪器系统是在 P X I 总线内核新概念，是现代计算机技术、仪器技术及其它新技术完
技术上增加了成熟的技术规范和要求而形成的。它通美结合的产物。同时与虚拟仪器的结合也成为测试仪器
过增加用于多板同步的触发总线和参考时钟，用于进发展的主流，自动测试技术在越来越多的领域得以广泛
行精确定时的星形触发总线以及相邻模块间高速通信的应用。自动测试技术把虚拟仪器技术、数据库管理技
的局部总线来满足测试的要求；PXI 规范在 C o m p a c t术和现代高性能的仪器功能整合在一起，解决了生产过
PCI 机械规范中增加了环境测试和主动冷却要求,以保程中一系列急需解决的问题。
证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性；将
Microsoft WindowsNT和Microsoft Windows95定义为其2 PXI总线
标准软件框架，并要求所有的仪器模块都必须带有按
VISA 规范编写的 Win32 设备驱动程序，使 PXI 成为一
PXI（PCI extension for Instrumenta-
种系统级规范。PXI 具有高度可扩展性，具有 8 个扩展tion-PCI面向仪器的扩展）是一个新的专门为数据采集
槽，而台式 PCI 只有 3 4 个扩展槽。PXI 系统可以连接与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，它能够提供
到任何一种PC机上且可以扩展各种I/O模块(见图1)[2]。高性能的测量，而价格并不十分昂贵。P X I 将CompactPCI 规范定义的 PCI 总线技术发展成适合于试
时至今日，P X I 已经成为当今测试、测量和自动验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规
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。而从产品发展趋势和用户接受程度来看，收稿日期：作者简介：沈辉（1 9 8 0 －），男，江苏省丹阳市人，硕士生，主要从事计算机测试与控制技术方向的研究。16 Modern Scientific Instruments 2004 6软件和仪器硬件等。计算机是虚拟仪器的标准控制平
台；计算机软件是虚拟仪器的关键部分；接口模块是
虚拟仪器的硬件基础，仅仅是为了解决信号的输入输
出。构建的虚拟仪器测试系统如图 2 所示。
图1 PXI 系统与各种I/O模块在同一个时间跨度内，它已经远远超越了当年 VXI 的发展。P X I 是一个开放的标准平台，其突出优势就是共有 80 余家厂商参与 PXI 系统联盟，提供超过 1000 种之多的产品，共同支持和推动这一标准向前发展。3 虚拟仪器技术
测试仪器从模块化到数字化，从单台仪器到总线
图2 虚拟仪器系统结构图插卡式仪器的发展历程中，经历了三个发展过程：分立仪器时期、局部总线时期和总线时期。传统的测试
4 . 1 虚拟仪器的硬件部分系统已经很难满足现代测试的发展也极易造成浪费[3]。
1) 虚拟仪器最常用的构成形式是数据采集卡。其
虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术深层次结
功能是将现场的数据采集到计算机，或将计算机数据合的产物，是当今计算机辅助测试( C A T ) 领域的一项
输出给数控对象，用数据采集卡配以信号调理、计算重要技术。虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪
机平台和虚拟仪器软件构成各种测量和控制仪器。器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操纵的模块化
2) GPIB(General Purpose Interface Bus)将作为桥梁把仪器系统。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决
若干台各种 G P I B 可编程仪器与计算机紧密地联系起信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键，任
来。何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，所以有“软件就
3) 通用串行总线中采用的有RS-232总线和RS-485是仪器”之说[1] 。
总线，现在随着工业测控业的发展，许多测量仪器都
带有 R S - 2 3 2 总线接口，主要用于速度较低的测试系
虚拟仪器最核心的思想就是利用计算机的软件和硬
统。当今，PC 机已更多地采用了 USB 总线和 IEEE1394件资源，使本来需要硬件或电路实现的技术软件化和虚
总线。拟化，最大限度地降低系统成本，增强系统的功能和灵活性，同时也具有传统仪器的各种性能。虚拟仪器以通
4) PXI 总线仪器和 VXI 总线仪器都是 21 世纪仪器用计算机和配备标准数字接口的测量仪器为基础，直接
总线系统和自动测试系统的优秀平台。基于 P X I 总线利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件( 处理器、
的虚拟仪器测试系统由于电磁兼容性能及冷却性能的存储器和显示器)、测量仪器(A/D、D/A、数字 I/O、定时
改善和模块式结构，可用在一般要求的自动测试系统I/O)等资源与软件资源有机地结合起来[4]。与传统仪器相
场合和系统总价格有所限制的自动测试系统。基于比, 虚拟仪器具有多功能化、通用化、一体化、智能化、
VXI 虚拟仪器测试系统具有良好的性能，可用于自动高效、实时等优点。
措施系统特别是高速大数据量自动测试系统，宽频带
自动测试系统和军用自动化测量。
虚拟仪器技术的出现，彻底打破了传统仪器由厂
4 . 2 虚拟仪器的软件部分家定义，用户无法改变的模式，虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己的才能、想象力的空间。用户可以
构造一个虚拟仪器测试系统，基本硬件确定以后随心所欲地根据自己的需求，设计自己的仪器系统，
就可以通过不同的软件实现不同的功能。软件是虚拟满足多种多样的应用需求。
仪器系统的关键，当今流行的虚拟仪器软件开发环境
是图形软件开发环境，其代表有 NI 公司的 LabView、4 基于 PXI的虚拟仪器的软硬件基础
LabWindows/CVI 和 HP 的 VEE。
虚拟仪器测试系统基本结构包括计算机、计算机
软件在虚拟仪器系统中发挥了重要的作用。虚拟
仪器软件框架（见图 3 ），通常用来描述仪器专用软件现代科学仪器 2004 6
与计算机通用软件之间的有机集成，用以把创建虚拟
仪器所需的所有软件工具完整有序地统一起来，从底
17层到顶层有：总线接口输入 / 输出软件、仪器驱动程序
L a b V I E W 是一个完全开放式的虚拟仪器开发系以及应用开发环境。
统应用软件，利用它组建仪器测试系统和数据采集系
统可以大大简化程序的设计。LabVIEW与Visual C++、
仪器面板控制软件
Visual Basic、LabWindows/CVI等编程语言不同，它是
数据分析处理软件
使用图形化程序设计语言，用框图代替了传统的程序
代码。LabVIEW 包含有专门用于设计数据采集程序和
仪器驱动程序
仪器控制程序的函数库和开发工具库。LabVIEW 的程
输入输出接口软件
序 设 计 实 质 上 就 是 设 计 一 个 个 的“ 虚 拟 仪 器 ”， 即
“VIs”。 LabVIEW 是带有可扩展函数库和子程序库的
图3 虚拟仪器软件框架
通用程序设计系统并提供了用于 GPIB 设备控制、VXI
总线控制、PXI 总线控制、串行口设备控制、以及数
底层的总线接口软件用来实现计算机与工业标准
据分析、显示和存储的应用程序模块。用 LabVIEW 编总线的软件连接。
制出的图形化 VI 是分层次和模块化的。 图形化的程序
设计编程简单、直观、开发效率高。随着虚拟仪器技
仪器驱动程序包括针对每一专用硬件仪器的大量
术的不断发展，图形化的编程语言必将成为测试和控接口软件，将包括 A S C I I 命令在内的仪器的所有通信
制领域内最有前途的发展方向。细节包装起来，供开发者直接调用，同时完成仪器驱动程序与计算机中其它软件部件的直接接口集成，从
5 结束语而把虚拟仪器所需的仪器硬件与计算机软件有机的结合在一起[5]。
经过多年的发展推广，虚拟仪器技术以其充分
发挥了计算机的作用并通过 PXI 技术方便地与计算机
应用软件是用户根据需要采用各种软件自己编制
通信相结合组建复杂的测试系统等特点已被广大用户的程序，应用程序基本可按图 4 所示的流程图编写[3]。
充分认识和接受。现在已经被广泛的应用于测量、监采用哪一种编程软件的主要出发点是尽可能地提高效
控、检测、教育、电信等领域，而且正逐步朝标准化、率。目前，虚拟仪器系统的应用软件开发环境主要有
模块化、软件化、网络化的开放式体系结构发展。虚两种：一种是传统的文本语言式的平台，如
拟仪器测试技术必将成为现代仪器测试系统发展的主LabWindows/CVI，VC++，Delphi，VB；一种是基于图形
流。化工程环境的平台，如 LabVIEW ，HP 的 VEE 。下面对LabVIEW 作简单介绍。
[1] 刘君华. 基于LabVIEW的虚拟仪器设计.北京：电子工业出版社.2003
[2] NI公司Mike Trimborn. PXI技术把自动测试设备PC化. 电子产品
世界，2003（24）：55 56
[3] 张洪生，胡光荣. 基于VXI总线的虚拟仪器.中国仪器仪表，200（0 2）:
[4] 陈泽宇. 虚拟仪器在自动测试系统设计中的实际应用.计算机应用，
1996（11）
[5] 刘道玉. 基于PC的虚拟仪器技术.仪器仪表与分析监测.2004（1）:
图4 虚拟仪器应用程序流程图
Modern Scientific Instruments 2004 618基于 ActiveX 组件技术的医学虚拟仪器软面板设计
易攀科 蒋式勤
（同济大学电子与信息工程学院 上海 200092）
摘 要 在 ActiveX 及其组件技术 COM(Component Object Model) 的基础上探讨了设计具有可移植性、可重用性、可修改的个性化医学虚拟仪器面板的方法，并给出了利用 VB 控件数组制作 ActiveX 控件，开发基于 LabVIEW 平台的波形选择控件的实例。
关键词 ActiveX；组件；COM；虚拟仪器；LabVIEW
中图分类号 TP311
Design of ActiveX Component-based Virtual Instrument Software Panel
Yi Panke, Jiang Shiqin
(Department of Information & Control Engineering, Tongji University,Shanghai 200092,China)
Abstract On the basis of the technology of activeX and COM(Component Object Model), the paper discusses the methodof designing the individualized medically virtual instrument software panel which is portable , reusable , and can be revised??andgives the example of instrument front panel we have developed on LabVIEW by using the self - defined activeX control on VB.
Key words ActiveX; COM; LabVIEW1 引言
2 ActiveX与COM组件技术
把计算机技术与仪器技术完美地结合起来的虚拟仪
基于面向对象技术的组件软件已成为软件技术发器技术,为现代仪器技术掀开了崭新的一页。它是计算
展的趋势。组件技术是集成软件部件组成应用系统的机资源、模块化功能硬件与应用软件的有机结合。它利
技术。组件对象技术将彻底改变目前软件生产开发的用软件在屏幕上生成各种仪器面板，完成对数据的处
模式，组件专业化生产厂家将大量出现，就象硬件的理、表达、传送、存储、显示等功能，从而替代传
专业板卡生产厂家一样，用户将大量购买软件组件(当统的人工操作方式，实现对仪器的操作和控制，排除人
然亦可自己开发) 来构建自己的应用系统。这种方法为因素造成的测试测量误差。
不仅节省时间、资金，还可提高工作效率。从而组件
技术的可重用、能交互操作、可加工改造、易于使用
虚拟仪器技术在医学领域的研究与应用已成为当
和具有灵活性等特点使其在医学虚拟仪器面板中的应今热点，它充分利用PC 机资源(特别是软件资源) 的灵
用成为可能。活性，使医学仪器的设计变得简单化、模块化、易维护、重复利用性好，且增强了医学仪器的功能。如用
组件对象模型COM (Component Object Model) 规户界面显示、 数据分析、存储管理等。
定了在单个应用程序中应用程序之间对象的作用方
式。每个组件对象都要遵从这种模型来实现和使用支
在医学虚拟仪器的开发与设计中，面板是其中的
持对象间相互作用的接口。ActiveX 是对 Win32API 和主要部分，它具有与传统仪器相似的面板图案，为用
COM 的扩充和增强。它是一种体系结构，允许使用不户提供美观、方便、快捷的高级交互界面。但是，由
同编程语言开发的软件组件在网络环境中相互操作。于各种类型实物面板组件的形状、颜色和功能不尽相
因此可以将一个用 Visual Basic 编写的 ActiveX 控件插同，很难将一种组件同时作为不同的医学虚拟仪器面
入到一个用 LabVIEW 开发的医学虚拟仪器面板的程序板组件。因此, 有必要设计具有可移植性、可重用性、
中，从而使仪器面板更加美观并缩短开发周期。可修改的个性化虚拟仪器面板控件。而基于组件的软
ActiveX 控件是 ActiveX 组件中的一个子集，它重复使件开发技术正具有上述优势，它使软件的研制可以用
用和自包含的本质来自于微软更早的面向对象应用程现成的预制的软件来组装。收稿日期：基金资助：上海市科技发展基金资助项目（0 3 Z R 1 4 0 9 2 ）。作者简介：易攀科, 男, 2 3 岁, 同济大学控制理论与控制工程专业在读硕士研究生。研究领域为计算机控制与过程控制，现主要从事心磁虚拟仪器的研究。现代科学仪器 2004 6
19序研究,即对象链接与嵌入(OLE)标准。使用ActiveX控
向对象的程序设计语言，一般都具有丰富的控件资源件的方法和使用原来的 OLE 控件一样，保留了人们熟
和良好的开发性能，象VB,DELPHI,VC 等文本语言都适悉的属性、方法和事件，通过修改控件的属性(程序设
合开发虚拟仪器系统，可设计出自己喜欢的界面。但计时或运行时) ，调用控件的方法，在控件的事件中
在支持特殊硬件方面功能有限，必须开发底层软件，加入程序代码，就可以方便地组建应用程序。把组件
且仪器的图形资源也不够丰富。我们选用的 NI 公司的技术应用于需要可重用性和可移植性好的医学虚拟仪
L ab VI EW ，具有丰富的硬件接口功能和数据处理分析器面板设计中必然有助于高效地开发更经济、更完善
能力，是一种非常优秀的图形化编程语言（G 语言）。的医学仪器。
ActiveX 控件可以自己开发，目前的开发工具有 Visual
Basic6. 0，Visual C ++ ，Delphi 等。其中 VB 具有强大3 心磁虚拟仪器软面板设计
的图形界面功能、可视化编程及方便的代码维护等特
点，用其创建控件最为简单，并且开发者并不需要了3.1 心磁信号分析仪
解 COM 原理。因为 VB提供了一个层，用于处理Acti veX
心磁信号分析仪利用超导技术测量心脏的磁场，
控件和 COM 之间的通信，降低了开发 ActiveX 控件的
复杂性。因此，我们利用了 VB 开发 ActiveX 控件来设并通过对检测数据的分析和计算，给出人体心动周期
计基于 LabVIEW 平台的心磁信号分析仪软面板。中与心电活动相关的心脏磁场分布图和电流密度图等，辅助医生诊断心脏有无病变以及病变的位置和程
4 波形选择控件实例度。该仪器由数据采集、数据分析、数据显示等几部分组成，系统总体框架如图 1 所示。
4.1 面板的总体设计
1) 主要功能：用户非常便捷的在虚拟仪器面板上
查看自己所需图形。3.2 仪器软面板中 ActiveX 控件的应用
2 ) 设计思想：任意单击一按钮，显示相应图形。
设计心磁信号分析仪软面板的核心是心磁数据采
我们利用VB的radio 按钮控件数组开发ActiveX控集控件, 心磁波形选择、浏览控件, 心磁数据处理控件
件来实现；图形显示用LabVIEW 本身提供的Waveform的研制。基于上述软件组件、ActiveX 控件的概念，如
Graph 来完成。果将心磁信号分析仪各种实现不同功能的模块创建成
4.2 建立 ActiveX 控件Acti veX 控件，那么构造虚拟仪器的工作便是通过一种“粘合剂”将各种 Acti veX 控件按照测试要求“粘
与其它的软件开发一样，在进行 ActiveX 控件的合”在一起。当要求改变时，只需添加某些控件并加
开发时, 也要遵循开发规范，进行周密的总体设计。以重组，即可方便地组装到应用程序中，快速创建仪器软面板。从而充分体现了虚拟仪器不同于传统仪器
1) 主要功能：鼠标单击时返回控件相应属性值便的一些优点：用户自己定义、可重复利用、大大节省
于 LabVIEW 读取。开发和维护费用。
2) 主要属性：被单击按钮在控件数组中的索引值
对于软面板的设计可以选用 Windows 下流行的面
(Index)。20
3) 主要事件：本控件有一个 Click 事件，当鼠标
单击该控件时产生。
具体开发步骤如下：
（1）创建开发控件的项目：启动 VB，在 File 菜单
中单击 New P ro j ect,打开 New P ro ject 对话框, 双击
ActiveX Control 图标,进入 ActiveX控件的开发环境；
（2 ）绘制控件的界面：通过工具框在控件开发界
面上增添相应按钮；
（3）为控件增加接口：ActiveX 控件的接口包括属
性、事件和方法。建立这些接口的最佳方法是利用 VB
提供的向导工具 ActiveX Control Interface Wizard,它可
以帮助用户增加标准或自定义接口并为这些接口创建
基础代码, 从而节省了大量的开发时间。向导快速便
捷，可根据所需属性和事件进行选择映射；
Modern Scientific Instruments 2004 6（4） 设置其它信息：
ActiveX 控件。 软面板如图 2 所示。然后编写简短程序
①为控件创建属性页:用 ActiveX Control Interface
( 如图 3 ) 即可实现相应功能：根据所需查看心磁图
(MCG)的相应位置点来点击图 2 选择框中的相应 radioWizard 创建的属性会自动加入到 Properties 窗口，但也
按钮，图 3 程序即从磁盘读取对应文件的数据，显示可将它们连接到一个属性页上，可从 Pr o j e c t 菜单中选
在图 2Waveform Graph 中。(图 2 显示的是 6*6 阵列中第择 Add Prope rt y Pag e，把属性按类型分别放在不同的
15 点MCG图)属性页中，或者利用 VBProperty Page Wizard 生成属性页；
②建立控件说明：在 Project Properties 对话框的 General
5 结束语选项卡 ProjectDescription 框中输入控件的说明，则该说明将代表控件出现在 Com ponen ts 对话框中；
利用 ActiveX 技术设计心磁信号分析仪面板的波
形选择控件，是医学虚拟仪器软面板设计的一种新思
（5）创建 OCX 文件：开发控件的目的是为了使用
路。由于 ActiveX 控件的可移植性和可重用性，该方该控件，为此可将开发项目编译成一个 OCX 文件。单
法将为虚拟仪器设计的高效性、形象性提供条件。我击 File 菜单的 Save Project 保存所有的项目文件，再单
们相信，随着 Acti veX 技术不断成熟，它在医学虚拟击File 菜单中的Make choose.ocx 命令；
仪器方面的应用将会越来越广泛。
（6）注册 ActiveX 控件：将所生成的 OCX 文件拷贝到C:\WINNT\System32下，然后运行命令REGSVR32C:\WINNT\System32\ choose.ocx即可。4.3 软面板功能实现
进入LabVIEW 主面板，调用本身提供的WaveformGraph，增添 ActiveX Container，然后添加 choose
[1] Ning Jim Q. A Component-based Software Development Model. Annual
International , Computer Software & Applications IEEE Conference, 1996,
[2] John Pasquarette. Building Virtual Instruments with OLE Controls. Evalu-
ation Engineering , 1996,2
[3] [美]Eric Tall,Mark Ginsburg著.章巍等译.ActiveX开发人员指南.
北京：机械工业出版社.1997
[4] 王清贤,王红霞. Visual Basic ActiveX编程实例详解.北京：人民邮
电出版社.2000现代科学仪器 2004 6
21U 盘思想与 WMI 技术在指纹采集仪中的应用与实现
田亚素 唐 虹
（西北工业大学机电学院 西安 710072）
E-m ail:ti mescu p@163. com
摘 要 针对目前较为流行的指纹采集和识别课题，提出了一种占用更少内存资源的解决方案。且将WMI技术应用到USB 设备驱动程序中，使之具有了更好的功能和直观性。
关键词 OV7620; CPLD; USB; WMI
中图分类号 TP6/8
The Application of U Disk Thought and WMI Technology to
Collection Apparatus of Fingerprint
Tian Yasu, Tang Hong
(College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072,China)
Abstract This text gathers and discerns fingerprint, a comparatively popular subject at present. Has put forward akind of solution of taking up less memory resources. Also applies WMI technology to USB equipment driver, and im-proves its function and ocular.
Key words OV7620; CPLD; USB; WMI1 引言
2 系统的功能、组成及工作原理
在大多数采用实时传输的指纹识别 / 采集系统中，
2.1 U 盘思想在系统功能中的实现 内存中的某块存储区一直被不停上传的数据占用，系
Microsoft Windows中提供对Mass Storage(海量存 统也不得不忙于大量数据的接收。况且，在这类系统 中，对数据的好坏及其是否重复大都不进行判断。这
储) 协议的支持, 因此 U S B 移动设备只需要遵循 M a s s 样一来，无谓的冗余数据传输将加剧系统资源的竞
Storage 协议来组织数据和处理命令,即可实现与PC 机 争。鉴于这种情况，本文提出了一种基于 U 盘思想的
交换数据。协议所包括的规范之一即:仅仅使用Bulk 端 指纹数据传输方式。
点传送数据/ 命令/ 状态。USB 海量存储设备（USB Mass
Storage Class）只需要支持一个接口，即数据（Data）
随着US（B Universal Serial Bus，通用串行总线）技
接口，选择缺省配置时此接口即被激活。数据接口允 术的不断成熟, 其设备驱动程序的开发也正趋于普遍。
许与设备之间进行数据传输，它提供三个端点：B u l k 但是, 在大多数驱动程序中, 开发者只是完成了诸如初
Input 端点、Bulk Output 端点和中断端点。 始化、PnP（即插即用）、电源管理等功能。而对于 WMI（Windows Management Instrumentation,Windows管理仪
在基于 U 盘思想的数据传输中，PC 机只是在需要 器）技术的应用却很少涉及。其实,在进行设备驱动程
数据的时候才发送读取信号。在不读取数据的空闲 序开发的过程中，开发者可以将设备驱动程序设计的
期，这块存储区仍然可以重新分配，所以占用更少的 能报告它们的性能和可靠性统计信息。例如,让网络驱
内存资源。另外,考虑到 USB2.0 设备无法被 PC 机 100 动程序跟踪接收到的已经被损坏的信息包的数量。应
％识别，本设计采用了 USB1.1 协议。由于该指纹采集 当在开始不稳定运行的设备彻底失败之前标识它们。
仪的采集速度为 27MWord/s，而在 USB1.1 协议中一般 选择参与 W M I 方案的驱动程序能够以一种标准化的
支持两种传输速度，即低速1.5Mbit/s和全速12Mbit/s， 方法收集应用程序要获得的性能和可靠性数据。这种
所以此次设计采用非实时传输，附加外部 R A M 。 功能还提供了一种标准化的方法，客户能够用它在设备
2.2 系统组成及工作原理 配置中设置驱动程序状态。驱动程序能够导出客户应用 程序(几乎)可以直接激活的专用方法。
该系统主要由指纹采集电路、C P L D (复杂可编程
逻辑器件) 、外部 R A M ，U S B 接口芯片等组成。在该
系统中, 通过光学镜头把像成在位于焦平面处的 C M O S收稿日期：
Modern Scientific Instruments 2004 6作者简介：田亚素( 1 9 7 9 －) , 女, 河北任丘人, 主要从事嵌入式单片机系统的研究与开发。22图像传感器的像面上。C M O S 图像传感器对其进行空
口芯片的 8 位数据信号。另外，还为 EPM7064 定义了闲采用,并通过其内部 10 位 2 通道的 A/D 转换器数字化
8 位的 I/O 口，作为 EPM7064 和 IS61C1024 之间的数据以后，直接输出分辨率为 512 × 480 的 8 位灰度数字图
传输接口。本次设计中，采用 A L T E R A 公司的像数据。该数据被输出到 C P L D 中，并保存到外部
MAXPLUS Ⅱ作为 CPLD 的开发工具。EPM7064 除作为RAM，等待 U S B 接口芯片读取数据的通知。一旦 CPLD
外部 R A M 的控制器外，它所完成的时序控制功能也收到读取信号，便从 R A M 中将数据取出发给 U S B 接
是该系统正常工作的关键。口芯片。数据在该芯片当中由固件程序根据图像增强和细节匹配算法被鉴定，若不符合要求则丢弃，符合
其具体仿真结果如图 2 所示（简洁清晰起见，论则通过 U S B 线送给 P C 机。
文中的附图只模拟 2 位数据输入和 5 位地址输出）。
硬件原理框图如图 1 所示。
图1 硬件总体结构框图
图 2 CPLD仿真结果3 系统主要功能模块的实现
3.3 USB 接口芯片的选择
目前，市场上供应的 U S B 接口芯片主要有两种：3.1 指纹采集电路
该部分电路采用 O V 7 6 2 0 C M O S 图像传感器。
带有 U S B 接口的单片机和纯粹的 U S B 接口芯片。带
U S B 接口的单片机又可以分成两类：一类是从底层设OV7620 是高分辨