毕业设计（论文）-基于labview的温度检测系统设计.doc

扬州大学本科生毕业设计（论文） 本科生毕业设计 毕业设计题目：基于 labview 的温度检测系统设计 学 生 姓 名： 专 业： 电气工程及其自动化 所 在 学 院：水利与能源与动力工程学院 班 级： 电气 1401 指 导 教 师： 完 成 日 期：2016 年 5 月 20 日 扬州大学本科生毕业设计（论文） i 摘要 温度是表征物体冷热程度的物理量，它与人类生活和科学研究密切相关，在生产 过程和科学研究中几乎没有不要求温度检测的。在工农业生产和日常生活中，对温度 的测量及控制始终占据着重要地位。在现代化工业生产中，需要进行温度测量和监控 的场合越来越多。据统计，温度测量占工业生产中各种检测总量的 50左右。测温的 方法也多种多样。但是，常规测温法存在许多缺点，这促进了测温技术中新原理、新 技术、新方法的发展。虚拟传感器、网络温度传感器、红外测温技术等代表了未来测 温技术的发展方向。 本文提出的温度采集检测系统采用 labview 图形化编程语言，模块化方法设计开 发，增强了软件的可靠性、稳定性。该测控系统通过对温度数据的采集与处理等功能 子模块实现了温度的实时显示、分析等功能。波形实时显示模块相当于一个虚拟的数 字示波器。该模块采用 labview 语言编写，设计出操作简单、可靠性高、可维护性好、 具有交互式的图形界面的检测系统。 关键词：虚拟仪器； labview； 温度测量； 数据采集 扬州大学本科生毕业设计（论文） ii abstractabstract temperature is a physical objects and degree of human life, and it is closely related with scientific research, production and scientific research of almost no temperature detection requirements. in industrial and agricultural production and daily life, for temperature measurement and control always occupy an important position. in the modern industrial production, the need for temperature measurement and monitoring the situation becomes more and more. according to statistics, temperature measurement of industrial production of all kinds of test about 50% of the total. temperature measurement method varied also. however, conventional temperature measurement method, there are many shortcomings, which promote the temperature measurement technique, and new principle of new technology, new methods of development. virtual network sensor, the temperature sensor, infrared temperature-measuring etc represents the future development direction of temperature measurement technology. this paper collected by temperature testing system labview graphical programming language, modular design method of software development, enhance the reliability and stability. this control system based on temperature data acquisition and processing function modules realize real- time display temperature, etc. function. waveform display module is equivalent to a virtual digital oscillograph. this module uses labview language, design a simple operation, high reliability, maintainability, and has good interactive graphic interface detection system. keykey wordword: hypothesized instrument; labview; temperature survey; data acquisition; 扬州大学本科生毕业设计（论文） iii 目录 1.绪 论 1 1.1 课题的来源及研究意义 .1 1.2 论文主要研究内容 .1 2.虚拟仪器与 labview 介绍 2 2.1 虚拟仪器发展史 .2 2.2 虚拟仪器技术应用研究内容和目的 .4 2.2.1 基于虚拟仪器技术应用系统的设计4 2.2.2 虚拟仪器开发平台的远程网络功能的扩展5 2.3 虚拟仪器技术概述 .5 2.3.1 虚拟仪器的概念5 2.3.2 虚拟仪器与传统仪器的比较6 2.3.3 虚拟仪器测试系统的组成6 2.3.4 虚拟仪器 i0 接口设备.7 2.3.5 虚拟仪器的软件结构9 2.3.6 虚拟仪器的开发软件9 2.3.7 本课题所采用的图形化虚拟仪器开发平台labview10 2.3.8 基于 labview 平台的虚拟仪器程序设计结构和特点.10 2.4 虚拟仪器技术的近况和发展12 3.温度检测系统的设计 .15 3.1 硬件部分温度检测的设计 15 3.2 软件部分温度检测的设计 16 3.3 软件部分温度检测的设计方法： 16 3.3.1 标度变换.16 3.3.2 数据采集子程序(subvi)设计 .16 3.4 小结 18 4.基于 labview 的温度数据处理 .19 4.1 温度数据的显示 19 4.2 温度的图形显示程序框图 21 4.3 温度报警系统的建立 21 4.4 整个温度测控系统的演示 22 4.5 小结 24 5.仿真结果分析 .25 5.1 温度的实时显示 25 5.2 小结 26 6.结论 .27 需改进的地方27 致 谢 .28 参考文献 .29 扬州大学本科生毕业设计（论文） 1 1.绪绪 论论 1.11.1 课题的来源及研究意义课题的来源及研究意义 所谓温度，就是指物体的冷热程度。温度对人类生活、工农业生产有很大的影响。 在我们的生产与生活中，很多的科学研究、工艺流程、生产过程都需要用到温度的检 测与控制。很多物体的物理现象和化学性质都与温度有关，大多数生产过程均是在一 定温度范围内进行的。温度的过高或者过低都会对产品的质量和产量造成一定的影响， 甚至还会使产品报废、设备损坏。温度的检测在国防、军事、科学试验及工农业生产 过程中具有十分重要的作用。 进入 21 世纪以来, 作为测试技术的一个分支, 虚拟仪器的开发和研制在国内得到 了飞速的发展。虚拟仪器是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板, 以多种形式表达输出检测结果, 利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分 析、处理, 并利用 i/o 接口设备完成信号的采集、测量与调理, 从而完成各种测试功 能的计算机仪器系统。 随着现代控制技术的发展, 在工业控制领域需要对现场数据进行实时采集, 例如 在发电厂、钢铁厂、化工领域的生产中都需要对大量数据进行现场采集, 而温度采集 又是其中极为重要的部分。目前, 温度测量主要采用玻璃液体温度计, 人工观测。这 种测量方式, 一方面给偏远地区的观测人员带来诸多不便; 另一方面, 测量精度受人 为因素影响, 测量误差大。因此, 有必要采用效率和自动化水平更高的新的测量手段。 在农业方面, 温度的变化影响作物的发芽、幼苗的成长、作物的开花、果实的成熟, 等等。对于不同的作物, 其适宜的生长温度总是在一个范围。在此温度的测量具有十 分重要的意义。 本系统使用 labview 图形化编程语言作为开发平台，在这个平台之上，根据需要 自行定义了数据采集的功能，组建了温度检测系统并构造仪器面板。对采集的数据进 行实时的分析处理、并生动直观地显示出数据、波形。 1.21.2 论文主要研究内容论文主要研究内容 本论文主要是使用 labview 对温度进行分析。重点介绍了如何使用 labview 对温 度的采集与分析。论文主要完成了以下几方面的工作： (1)在 labview 中对采集到的温度数据进行分析与处理。 (2)实施对采集到的温度数据分析过程中的简单控制。 扬州大学本科生毕业设计（论文） 2 2.2.虚拟仪器与虚拟仪器与 labviewlabview 介绍介绍 2.12.1 虚拟仪器发展史虚拟仪器发展史 所谓虚拟仪器，实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器通 过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处 理能力和仪器硬件的测量，控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积， 并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。从发展史看，电子测量仪器经历 了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器，由于计算机性能以摩尔定律(每半年提高一倍) 飞速发展，己把传统仪器远远抛到后面。虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势， 但它并不否定传统仪器的作用它们相互交叉又相互补充，相得益彰。在高速度、高带 宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域，虚拟仪器可 取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏， 是传统的独立仪器难以胜任的，甚至不可思议的工作。 labview 是 laboratory virtual instrument workbench 简称，是由美国国家仪 器公司创立的一个功能强大而又灵活的仪器和分析软件应用开发工具。nl 公司生产基 于计算机技术的软硬件产品，其产品帮助工程师和科学家进行测量、过程控制及数据 分析和存储。从事研究、开发、生产、测试工作的工程师和科学家以及在诸如汽车、 半导体、电子、化学、电信、制药等行业工作的工程师和科学家已经使用并一直使用 labview 来完成他们的工作。labview 在试验测量、工业自动化和数据分析领域起着重 要作用。例如，在 nasa(美国国家航空和宇宙航行局)的喷气推进实验室，科学家使用 labview 来分析和显示“火星探测旅行者号”自行装置的工程数据，包括自行装置的位 置和温度、电池剩余电量，并总体监测旅行者号的全面可用状态。labview 程序称为 “虚拟仪器”或简称为 vi。labview 不同于基于文本的编程语言，它是一种图形编程 语言，其编程过程就是通过图形符号描述程序的行为。labview 使用的是科学家和工程 师们所熟悉的术语，还使用了易于识别的构造 c 语言的图形符号。即使具有很少编程 经验的人也能学会使用 labview，并能够发现和了解一些有用的基本原则。labview 提 供了大量的虚拟仪器和函数库来帮助编程。labview60 中提出了一个新的重要功能， 称为 express vi。由于 vi 配置可以通过对话框完成，因此 express vi 允许用户位于 functions 选项板，是以白色背景、蓝色边框的形式出现的。labview 也包括了特殊的 应用库，用于实现数据采集、文件输入输出、gpib 和串行仪器控制以及数据分析。 labview 包括了常规的程序调试工具，用这些工具可以设置断点、单步执行程序及动画 扬州大学本科生毕业设计（论文） 3 模拟执行，以便观察数据流。在不同类型的图表和图形上，labview 提供一组有效的 vi 用于数据显示。 labview 是 nl 推出的虚拟仪器开发平台软件，它们能够以其直观简便的编程方式、 众多的源码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户快捷地构筑 自己在实际生产中所需要的仪器系统创造了基础条件。 labview 采用图形化编程语言c 语言，产生的程序是框图的形式，易学易用， 特别适合硬件工程师、实验室技术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用，可在很 短的时间内掌握并应用到实践中去。特别是对于熟悉仪器结构和硬件电路的硬件工程 师、现场工程技术人员及测试技术人员来说，编程就像设计电路图一样；因此，硬件 工程师、现场工程技术人员及测试技术人员们学习 labview 驾轻就熟，在很短的时间 内就能够学会并应用 labview。也不必去记忆那眼花缭乱的文本式程序代码。 labview 不仅容易学习和使用，而且它的功能十分强大。像 c 或 c+等其它计算机 高级语言一样，labview 也是一种通用编程系统，具有各种各样、功能强大的函数库， 包括数据采集、gpib、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储，甚至还有目 前十分热门的网络功能。labview 也有完善的仿真、调试工具，如设置断点、单步等。 labview 的动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据及其变化情况，比 其它语言的开发环境更方便、更有效。而且 labview 与其它计算机语言相比，有一个 特别重要的不同点：其它计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码行，而 labview 采用图形化编程语言c 语言。 labview 程序又称为虚拟仪器，它的表现形式和功能类似于实际的仪器；但 labview 程序很容易改变设置和功能。因此，labview 特别适用于实验室、多品种小批 量的生产线等需要经常改变仪器和设备的参数和功能的场合，及对信号进行分析研究、 传输等场合。 目前，自动化测试系统已经经历了四个发展阶段。本世纪 40 年代初期兴起的扫频 测试技术，是电子测量技术自动化的开端。第一代测试系统大都是为了某种测试目的 而专门设计制造的专用系统，功能单一，可移植性差。在 60 时年代后期，标准化接口 系统的诞生和使用，出现了以积木概念为特点的第二代自动测试系统。但是，这两代 自动测试系统，均使用传统测试设备，计算机只不过是用来控制各器件的动作，并做 一些数据的整理和计算，整个测试过程几乎仅限于简单地模仿人工测试的步骤，而未 能充分发挥作为中央控制器的计算机的作用。随着计算机技术的发展，70 年代后期开 扬州大学本科生毕业设计（论文） 4 始出现了一种突破传统概念的仪器仪表，其内部含有微处理器，可以进行信息采集、 数据处理、自动显示记录等功能，有的甚至具有推断分析和决策功能，人们习惯把这 种仪器称为智能仪器。这是测试技术发展的第三代。 由于微电子技术、计算机技术、网络技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器 上的应用，新的测试理论、测试方法以及新的仪器结构不断出现，在许多方面己经超 越了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用已经发生了质的变化。在这种背景 下，美国国家仪器公司在本世纪八十年代最早提出了虚拟仪器的概念。同时推出了用 于虚拟仪器开发的工程软件包 labview。nl 公司提出了“the software is theinstrument”，即软件就是仪器的思想。虚拟仪器利用现有的计算机，加上特殊设 计的仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特 殊功能的高档低价的新型仪器。在以虚拟仪器技术为代表的第四代自动测试系统中， 计算机处于核心地位，仪器的结构概念和设计观念等都发生了突破性的飞跃，在虚拟 仪器应用软件中集成了虚拟仪器技术的大部分功能，包括数据采集、控制、数据分析、 输出显示和用户界面等，使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所替代。 虚拟仪器的出现和兴起，改变了传统仪器的概念、模式和结构，同时也改变了人们的 仪器观。仪器的设计由面向对象变成了面向用户，这就给用户提供了极大的便利。此 外，随着网络技术的迅速发展和普及，在科学研究和工业生产领域中，对测试系统的 自动化和网络化的要求越来越高。与传统的测控系统相比，基于虚拟仪器的测试系统 在实现测控自动化和网络化方面有着更大的优势。 虚拟仪器技术从八十年代末开始，已经经历十几年的发展历程。我国虚拟仪器的 研究起步较晚，但近几年来也取得了长足进步。目前虚拟仪器技术正处在一个高速发 展的阶段，在其设计过程中所体现出的新颖、灵活的设计思想是对传统仪器设计思想 的一次巨大冲击。它顺应了现代测试仪器微小化、智能化、集成化的要求，所以进行 基于虚拟仪器技术的检测系统的开发与研究势在必行，同时也是尽快缩小我国与其它 发达国家电测水平差距的一条可行之路。 2.22.2 虚拟仪器技术应用研究内容和目的虚拟仪器技术应用研究内容和目的 虚拟仪器技术应用研究的方向是多方面的，从本系统研究内容方面可分为：(1)基 于虚拟仪器技术应用系统的设计； (2)虚拟仪器开发平台的远程网络功能的扩展； 扬州大学本科生毕业设计（论文） 5 2.2.12.2.1 基于虚拟仪器技术应用系统的设计基于虚拟仪器技术应用系统的设计 基于虚拟仪器平台的应用系统的设计是本论文的重点，其主要内容是利用虚拟仪 器技术，组建功能强大的检测系统。 虚拟仪器平台提供给仪器设计人员设计所需的 丰富功能控件，针对实际的测试任务可在很短的时间内完成检测系统的设计。但如何 充分而合理利用这些功能控件构建检测系统，是一个值得深入研究的问题，需要做大 量的工作。首先要熟悉 labview 中的功能控件，多研习优秀的程序设计，通过大量的 实践，才能很好的掌握和运用。虚拟温度检测系统设计是基于虚拟仪器平台的应用系 统开发方面所做的研究，研究主要涉及如何利用虚拟仪器平台的功能控件构建一个集 信号采集、分析和处理为一体的检测系统。 2.2.22.2.2 虚拟仪器开发平台的远程网络功能的扩展虚拟仪器开发平台的远程网络功能的扩展 随着社会的发展，人们越来越需要网络化的测控系统。大型机械设备的多点远程 监测、地区环境的多点监测、危重病人的远程多点监测与会诊，电能的自动实时抄表 系统，以及远程网络教学实验的发展等，都需要测控系统的网络化。计算机网络技术 的不断发展，拓展了虚拟仪器的应用范围。利用局域网或 internet 即可实现远程测控 的功能，构成远程虚拟仪器。有了远程虚拟仪器，不但昂贵的硬件资源可以共享，也 使大量实际问题得到了解决。随着网络技术的深入，网络化成为了虚拟仪器技术中的 一个最重要的发展方向，并且很多测试任务也需要测试系统的网络化，将数据通过网 络发送到远程端。网络化的虚拟仪器目前是虚拟仪器技术的一个发展的趋势。 2.32.3 虚拟仪器技术概述虚拟仪器技术概述 虚拟仪器的起源可以追溯到 20 世纪 70 年代，当时的计算机测控技术在国防、航 天等领域已经具有了很快的发展速度，pc 机的出现使仪器的计算机化成为可能。虚拟 仪器是计算机技术和仪器仪表技术结合的产物。它把计算机、仪器硬件、固件与计算 机软件结合起来。除继承传统仪器的已有功能外，还增加了许多传统仪器所不能及的 先进功能。虚拟仪器的最大特点是其灵活性。用户在使用过程中可以根据需要添加或 删除仪器功能，以满足各种需求，并且能充分利用计算机丰富的软硬件资源，突破了 传统仪器在数据处理、表达、传送、存储方面的限制。 2.3.12.3.1 虚拟仪器的概念虚拟仪器的概念 虚拟仪器(virtual instrument)是指通过应用程序将计算机与功能化模块硬件结 合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机，好像在操作自己定义、自 己设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测试对象的采集、分析、判断、显示、数 据存储等功能。因为虚拟仪器是以计算机为核心、在 windows 等操作系统平台上运行 扬州大学本科生毕业设计（论文） 6 的，所以它具有一机多功能的特点，可以同时运行多个软件，当作多种仪器使用，具 有多功能的仪器系统称之为虚拟仪器系统。 2.3.22.3.2 虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器与传统仪器的比较 如表 2-l 所示，虚拟仪器具有传统仪器无法比拟的强大优势，因而必将成为未来 仪器发展的趋势。 表 2-1 虚拟仪器与传统仪器的比较 比较项目 虚拟仪器 传统仪器 灵活性 开放性、灵活，可与计算机技术保 持同步发展 封闭性、仪器间相互配合较 差 升级的自由度 关键是软件，系统性能升级方便， 通过网络下载升级程序即可 关键是硬件，升级成本较 高，且升级必须上门服务 性能价格比 价格低廉，仪器间资源可重复利 用，利用率高 价格昂贵，仪器间一般无法 相互利用 仪器功能用户可定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能 与外设互连可以与网络及周边设备方便连接 功能单一，只能连接有限的 独立设备 开发维护费用开发与维护费用降至最低开发与维护开销高 人机界面人机界面友好人机界面一般 技术更新周期技术更新周期短(1-2年)技术更新周期长(5-10年) 2.3.32.3.3 虚拟仪器测试系统的组成虚拟仪器测试系统的组成 虚拟仪器(virtual instrument)是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合 是目前仪器发展的一个重要方向。这种结合基本有两种方式，一种是将计算机装入仪 器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的 日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种 方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功 能，虚拟仪器主要是指这种方式4。 虚拟仪器的组成与传统仪器一样，如图 2-1 所示 的数据采集与控制、数据分析和处理、结果显示三部分组成。 扬州大学本科生毕业设计（论文） 7 采集与控制 插入式数据采集板 gpib 仪器 vxi/pxi 仪器 rs-232 仪器 数据分析和处理 数字信号处理 数字滤波 统计分析 数值分析 结果显示 网络通信 硬盘拷贝输出 文件 i/o 图形用户接口 对于传统仪器，这三个部分几乎均由硬件完成；对于虚拟仪器，前一部分由硬件 构成。后两部分主要由软件实现。与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准 化，设计工作量大大减小。图 2-2 给出了经典虚拟仪器测试系统的构成，通常虚拟仪 器测试系统硬件组成部分是由传感器部件、信号调理及信号采集部件(如外置或内置数 据采集卡、图形图像采集卡及摄像机及其用于辅助测量并能与计算机通讯的常规仪器 等)、通用计算机、打印机等构成。系统软件部分通常用专用的虚拟仪器开发语言(如 labview)编写而成，并可通过 internet 实现网络扩展。 2.3.42.3.4 虚拟仪器虚拟仪器 i i0 0 接口设备接口设备 i0 接口设备主要用来完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。可根据实际 情况采用不同的 i0 接 el 硬件设备，如数据采集卡板(daq)、gpib 总线仪器、vxl 总线仪器、串口仪器、usb 等。虚拟仪器的构成主要有五种类型4，如图 2-3 所示。 计算机 pc-daq gpib 仪器 串口仪器 vxi 模块 pxi 模块 被测信号 图 2-3 虚拟仪器构成方式 图 2-1 虚拟仪器的内部功能划分 扬州大学本科生毕业设计（论文） 8 1daq(data acquisition)数据采集卡指的是基于计算机标准总线(如 isa、pci、usb 等)的内置功能插卡。其中 usb 是最新技术的数据采集卡，具有精度高， 可携性好等优点，它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和 扩展性：利用 daq 卡可方便快速地构建虚拟仪器系统。在性能上，随着 ad 转换技术， 滤波技术和信号调理技术的发展，daq 卡的采样速率已达 1gbs，精度高达 24 位，通 道数高达 64 个，并具有数字 io，模拟 io 和计数器定时器等通道。各仪器厂家 生产了大量的 daq 卡功能模块供用户选择，如示波器、串行数据分析仪、动态信号分 析仪、任意波形发生器等。在计算机上挂接多个 daq 功能模块，配合相应的软件，就 可以构成一台具有多功能的测试仪器。这种基于计算机的仪器，既具有高档仪器的测 量品质，又能满足测量需求的多样性。对我国大多数用户来说，它具有很高的性能价 格比，是一种特别适合我国国情的虚拟仪器方案。 2gpib(general purpose interface bus)通用接口总线，是计算机和仪器间的 标准通信协议。gpib 的硬件规格和软件协议以纳入国际工业标准 ieee 4881 和 ieee 488.2，它是最早的仪器总线，目前多数仪器都配备了遵循 ieee488 的 gpib 接口。典 型的 gpib 测试系统包括一台计算机，一块基于 gpib 总线的接口卡和多台 gpib 仪器软 件及相应的传感模块硬件。每台 gpib 仪器有单独的地址，由计算机控制操作。系统中 的仪器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制软件作相应的改动。基于 gpib 总 线结构的接口卡数据传输速率一般低于 500kbs，不适合与对系统速度要求较高的应 用。 3vxi (vmebus extension for instrumentation)是 vme 总线在仪器领域的扩展， 1993 年 vxl 总线 14 版本被批准为 ieee ll55 标准，成为开放式工业标准。仪器专用 总线在吸收 ieee488 的成功经验基础上，增加了 l0mhz 时钟线，模拟和数字混合总线， 星形总线等高速总线，定时关系严格，兼有计算机总线和仪器总线的优点。 4pxi (pci extension for instrumentation)是 compact pci 总线在仪器领域 的扩展，是 nl 公司于 1997 年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。其核心 是 compact pci 结构和 microsoft windows 软件。pxl 是在 pci 内核技术上增加了成熟 的技术规范和要求形成的。pxl 增加了用于多板同步的触发总线和 10mhz 参考时钟、用 于精确定时的星形触发总线，以及用于相邻模块间高速通信的局部总线等，来满足实 验和测量用户的要求。pxl 兼容 compact pci 机械规范，并增加了空气冷却装置、环境 测试(温度、湿度、振动和冲击实验)等要求。这样可保证多厂商产品的互操作性和系 扬州大学本科生毕业设计（论文） 9 统的易集成性。 5串口系统：串口系统是以 serial 标准总线仪器与计算机为仪器精简平台组成 的虚拟测试系统5。rs-232 总线是早期采用的通用串行总线，将带有 rs-232 总线接口 的仪器作为 i0 接口设备，通过 rs-232 串口总线与计算机组成虚拟仪器系统目前仍 然是虚拟仪器构成方式之一，主要适用于速度较低的测试系统。 2.3.52.3.5 虚拟仪器的软件结构虚拟仪器的软件结构 虚拟仪器技术的核心是软件，其软件基本结构如图 2-4 所示。用户采用各种编 程软件来开发自己所需要的应用软件。以美国 nl 公司的软件产品 labview 和 labwindowcvi 为代表的虚拟仪器专用开发平台是当前流行的集成化开发工具。这些 软件开发平台提供了强大的仪器软面板设计工具和各种数据处理工具，再加上虚拟仪 器硬件厂商提供的各种硬件的驱动程序模块，大大简化了虚拟仪器的设计工作。随着 软件技术的迅速发展，软件开发的模块化、复用化，和各种硬件仪器驱动软件的模块 化、标准化，虚拟仪器软件开发将变得更加快速、方便。 用户界面 数据处理 硬件驱动程序 2.3.62.3.6 虚拟仪器的开发软件虚拟仪器的开发软件 （1）虚拟仪器的开发语言 虚拟仪器系统的开发语言有：标准 c，visual c+，visual basic 等通用程序开 发语言。但直接由这些语言开发虚拟仪器系统，是有相当难度的。除了要花大量时间 进行测试系统面板设计外，还要编制大量的设备驱动程序和底层控制程序这些工作 对于那些不熟悉这方面知识的工程设计人员来说，要花费大量时间和精力，这样直接 影响了系统开发的周期和性能。除了通用程序开发语言以外，还有一些专用的虚拟仪 器开发语言和软件，其中有影响的开发软件有：nl 公司的 labview,labwindowscvi。labview 采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。 labwindowscvi 是为熟悉 c 语言的开发人员准备的，是在 windows 环境下的标准 图 2-4 虚拟仪器软件结构 扬州大学本科生毕业设计（论文） 10 ansic 开发环境。除此以外还有 hp 公司的 hpvee，hptig 开发平台，美国 tektronix 公司的 eztest，tektns 平台软件，这些都是国际上公认的优秀的虚拟 仪器开发软件平台。其中 labview 图形化软件开发系统是用工程人员所熟悉的术语和 图形化符号代替常规的文本语言编程, 界面友好, 操作简便, 可大大缩短系统开发周 期, 深受专业人员的青睐。在此, 虚拟温度采集系统的设计平台采用 ni 公司的 labview 8.6 进行。 2.3.72.3.7 本课题所采用的图形化虚拟仪器开发平台本课题所采用的图形化虚拟仪器开发平台labviewlabview labview 是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接 受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。labview 集成了与满足 gpib、vxl、rs-232 和 rs-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了 便于应用 tcpip、activex 等软件标准的库函数，是一个功能强大且灵活的软件。利 用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都更加形 象化。传统的文本式编程是一种顺序的设计思路，设计者必须写出执行的语句。而 labview 是基于数据流的工作方式，同时是基于图形化的编程，这使得设计者不必掌握 大量的编程语言和程序设计技巧便可设计出虚拟仪器系统3。 目前，在以 pc 机为基础的测试和工控软件中，labview 的市场普及率仅次于 c+c 语言。labview 具有一系列无与伦比的优点：首先，labview 作为图形化语言编 程，采用流程图式的编程，运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基 本一致，这使得编程过程和思维过程非常相似：同时，labview 提供了丰富的 vi 库和 仪器面板素材库，近 600 种设备的驱动程序(可扩充)如 gpib 设备控制、vxl 总线控制、 串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储：并且 labview 还提供了专门用于程序 开发的工具箱，使得用户能够设置断点，调试过程中可以使用数据探针和动态执行程 序来观察数据的传输过程，更加便于程序的调试。因此，labview 受到越来越多工程师、 科学家的普遍青睐。 利用 labview，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的 32 位编译器。像 许多通用的软件一样，labview 提供了 windows、unix、linux、macintosh 的多种版本。 2.3.82.3.8 基于基于 labviewlabview 平台的虚拟仪器程序设计结构和特点平台的虚拟仪器程序设计结构和特点 所有的 labview 应用程序，即虚拟仪器(vi)，它包括前面板(front panel)、流程 图(block diagram)以及图标连结器(iconconnector)三部分。 1前面板：前面板是图形用户界面，也就是 vi 的虚拟仪器面板，这一界面上有 扬州大学本科生毕业设计（论文） 11 用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制(control) 和显示对象(indicator)。如图 2-5 所示是一个随机信号发生和显示的前面板，上面有 一个显示对象，以曲线的方式显示了所产生的一系列随机数。还有一个控制对象 开关，可以启动和停止工作。但并非画出两个控件后程序就可以运行，在前面板后还 有一个与之对应的流程图如图 2-6。 图 2-5 随机信号发生器的前面板 扬州大学本科生毕业设计（论文） 12 图 2-6 随机信号发生器的流程图 2流程图：流程图提供 vi 的图形化源程序。在流程图中对 vi 编程，以控制和操 纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件连线端子，还有 一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。图 2-6 是与图 2-5 对应的流程图。我们可以看到流程图中包括了前面板上的开关和随机数显示器所对 应的连线端子，另外我们还建立了一个随机数发生函数和一个 whileloop 循环结构。 随机数发生器通过连线将产生的随机信号送到显示控件，为了使它持续工作下去，设 置了 while loop 循环，由开关控制循环的结束。 如果将 vi 与传统仪器相比较，那么 前面板上的控件对应的就是传统仪器上的按钮、显示屏等控件，而流程图上的连线端 子相当于传统仪器箱内的硬件电路。在许多情况下，使用 vi 可以仿真传统仪器，不仅 在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与传统标准仪器相差无几。 这种设计思想的优点体现在两方面： (1)类似流程图的设计思想，很容易被工程人员接受和掌握，特别是那些没有很多 程序设计经验的工程人员。 (2)设计的思路和运行过程清晰而且直观。如通过使用数据探针、高亮执行调试等 多种方法，程序以较慢的速度运行，使没有执行的代码显示灰色，执行后的代码会高 亮显示，同时在线显示数据流线上的数据值，完全跟踪数据流的运行。这为程序的调 试和参数的设定带来诸多的方便。 3图标连接设计：这部分的设计突出体现了虚拟仪器模块化程序设计的思想。 在设计大型自动检测系统时，一步完成一个复杂系统的设计是相当有难度的。而在 labview 中提供的图标连接工具，正是为实现模块化设计而准备的。设计者可把一个 复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个都可完成一定的功能。这样设计的优点体 现在如下几方面： (1)把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，程序设计思路清晰，给设计者调试 程序带来了诸多的方便。同时也对于将来系统的维护提供了便利。 (2)一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个子系统都是一个完整的功能模 块，这样把测试功能细节化，便于实现软件复用，大大节省软件研发周期，提高系统 设计的可靠性。 (3)便于实现“测试集成”和虚拟仪器库的思想。同时为实现虚拟仪器设计的灵活 性提供了前提。 扬州大学本科生毕业设计（论文） 13 2.42.4 虚拟仪器技术的近况和发展虚拟仪器技术的近况和发展 电子测量仪器发展至今，大体经历了四代发展历程。模拟仪器、数字化仪器、智 能仪器和虚拟仪器。 第一代：模拟仪器，这类仪器是以电磁感应基本定律为基础的模拟指针式仪表。 如指针式万用表、晶体管电压表等。 第二代：数字式仪表，这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。 这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果，适用 于快速响应和较高准确度的测量。 第三代：智能仪器，这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数 据处理能力，可取代部分脑力劳动，所以习惯上称为智能仪器。但是它的功能块全部 都是以硬件(或固化的软件)形式存在的，无论是在开发还是应用中，都缺乏灵活性。 第四代：虚拟仪器，它是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物， 它对传统仪器观念进行了一次巨大变革，是将来仪器产业发展的重要发展方向之一。 从 l987 年以专用集成电路(asic)并以计算机技术为基础的总线仪器一虚拟仪器的雏形 问世，到 1993 年虚拟仪器已发展到三百多家厂商，一千多种虚拟仪器产品，l995 年厂 商更达一千余家，产品达数千种。美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大的虚拟仪 器制造国，生产虚拟仪器的主要厂家有 nl 公司、hp 公司等。可以说虚拟仪器正以传统 仪器无法比拟的速度飞速发展。 虚拟仪器技术的优势在于用户自定义仪器功能、结构等，且构建容易、转换灵活， 因此应用领域十分广阔。当前，国内外有许多部门和公司都在积极地开展这些方面的 研究和应用工作。例如，美国的 geomatics 公司和 godsmith 公司等利用虚拟仪器开发 工具，研制开发出了农业自动化灌溉系统和秧苗分析系统。比利时 intersofl 电子工 程公司利用虚拟仪器思想开发出了 rasspdp 和 ras s-s 软件。美国斯坦福大学利用 虚拟仪器技术构建了虚拟仪器教学、实验、仿真系统。挪威 cardiac 公司采用 labview 平台构建了测试北海油田石油、大气、水流的 mpfm 系统。在国内，清华大学应用虚拟 仪器技术构建汽车发动机性能检测系统，用于汽车发动机出厂前的自动检测。石油科 学研究院将虚拟仪器技术应用于小型石油精炼实验系统中。电子部三所应用虚拟仪器 技术建立了仪器自动化计量控制系统。 我国的虚拟仪器研制是从 1984 年开始起步的，十几年来，在 apple，ibmpc 及 其兼容机上进行了研制和开发，主要工作有两个方面：一是通用仪器卡：二是专用测 扬州大学本科生毕业设计（论文） 14 试仪。此外，许多大学都在尝试将虚拟仪器应用到实验教学和计算机辅助教学中。例 如，西安交通大学电气学院在现代测试技术与系统集成课程教学中，以虚拟仪器 系统为平台，开发虚拟仪器实验，通过仿真与实验，开拓了学生的思路，使学生较好 地理解该课程的内容。虚拟仪器一机多用、硬件资源共享等特点大大节约了实验室建 设的投资。 目前，虚拟仪器已在科研开发、测控、超大规模集成电路测试、模拟和数字电路 测试、现代家用电器测试、电子元件、电力电子器件测试以及军事、航天、生物医学、 电工技术领域等可移动式现场测试 基于虚拟仪器技术温度检测系统的开发与研究工作中得到应用，且应用领域还将 不断拓宽。此外大学实验室既是进行科学研究的重要基地，又是培养学生的重要场所， 因此，实验室建设是教学中的一项重要工作。传统的实验平台存在硬件成本高、构造 复杂、功能单一等方面的问题。最近几年，虚拟仪器技术的迅速发展为实验室建设提 供了一种新的思路。将虚拟仪器技术应用到教学实验中，建成所谓的虚拟仪器实验室 成为目前实验室教学改革的热点之一。与原有的传统实验平台相比，虚拟实验室通过 友好的人机界面使实验操作灵活、方便；通过运用计算机强大的计算与处理能力，大 大地提高了数据分析和处理能力：通过设计、仿真与实测的结果对比使课本理论与实 验操作密切结合；通过一机多用和硬件资源共享等，大大节约了实验室建设的资金。 总之，labview 能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，能够将繁琐复 杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来， 十分省时简便，深受用户青睐。与传统的编程语言比较，labview 图形编程方式能够节 省 74以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响，体现出了极高的效率。使 用虚拟仪器产品，用户可以根据实际生产需要重新构筑新的仪器系统。 扬州大学本科生毕业设计（论文） 15 3.3.温度检测系统的温度检测系统的设计设计 典型检测系统硬件构成框图见图 3-1 所示。其中信号调节的主要作用是使传感器 输出信号与 ad 转换器相适配。例如 ad 转换的输入电平是 05v，而传感器输出信 号通常很小，这时必须采取放大措施以减小量化误差，放大器输出电平愈接近 ad 输 入的满标，相对误差也就愈小。如果传感器输出信号中或在传输过程中，混入了虚假 成分，就需要进行滤波、压缩频带，用以降低采样率。另外，阻抗变换、屏蔽接地、 调整与解调、信号线性化等等，皆属处理范畴。在信号调节的过程中，要将数字地与 模拟地严格分开，同时在前置放大器的设计中要考虑阻抗匹配以或得最佳的信噪比输 出。 考虑到虚拟仪器的特点，其硬件组成结构可为多种形式。本文重点考虑两种形式， 即基于采集图 3-1 典型数据采集控制系统框图卡(daq)的硬件结构和基于串行设备管理 形式的硬件结构。这两种结构个有其特点，后者适用于远程温度检测与控制及智能化 的温度传感器，可视具体需要选择之。本章重点介绍温度检测系统的建立。图 3-1 为 检测系统硬件构成框图。 传感器信号调节数据采集计算机 图 3-1 检测系统硬件构成框图 构建温度检测系统，主要包括以下要两方面。 1、系统的硬件设计及其技术 2、系统的软件设计及其调试 3.13.1 硬件部分温度检测的设计硬件部分温度检测的设计 1、采用热电偶传感器。热电偶传感器具有价廉、精度高、构造简单、测量范围宽 (通常从-50+1600 )及反应快速的优点。热电偶传感器输出的电压信号较为微弱 (只有几毫伏到几十毫伏)，因此在进行 ad 转换之前必须进行信号调理，由高放大倍 数的电路将它放大到 ad 转换器，通常要求的伏特级电平。一般采用热电偶调理模板 或调理模块来完成这项工作最为便捷。 2、采用 ni 公司生产的基于 pci 总线的一种插卡式的数据采集卡 pci-1200 数据采 集卡，来完成信号 a/d 转换于计算机接口的作用。它支持单极性和双极性模拟信号输 入，信号输入范围分别为-5v+5v 和 0v10v。提供 16 路单端/8 路差动模拟输入通道， 扬州大学本科生毕业设计（论文） 16 2 路独立的 d/a 输出通道它的采样速率可达到 100ks/s。 3.23.2 软件部分温度检测的设计软件部分温度检测的设计 本系统利用热电偶来对温度进行数据采集，利用 labview 编程来实现数据采集板 与 pc 机之间的串行通讯以及虚拟面板的设计，最后由 pc 机显示测量的温度。图 3-2 给出了数据采集系统结构框图，其中信号调节的主要作用是将传感器输出的信号与 ad 转换器相匹配。ad 转换的输入电平一般为伏级，而传感器输出的信号通常很小， 这时我们就必须采取放大措施来减小量化误差，相对误差也就减小了。如果传感器在 输出信号和传输过程中混入虚假成分，就需要进行滤波。 传感器将被测信号转换为电信号 数据采集卡采集模拟信号，转换为数字信 号 设备驱动程序将数字信号读入计算机 在开发平台上设计信号测量流程和面板 图 3-2 数据采集流程图 3.33.3 软件部分温度检测的设计方法：