基于虚拟仪器的温度测量系统毕业论文(编辑修改稿)

基于虚拟仪器的温度测量系统毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

重点介绍 使 用 LabVIEW 开发环境 来 设计上位机的监控界面，上位机通过 USB转 RS232 串行口与 89E52 单片机通信， DS18B20 温度传感器读取温度数据，从而 实现对温度参数的实时检测。 本文主要进行以下几方面的工作： (1)论述智能温度测控系统的课题目的及意义，智能温度测控系统的国内外发展概况及本论文的主要内容。 (2)详细介绍了虚拟仪器技术的概念、特点和体系结构，虚拟仪器开发软件 LabVIEW及图形化编程语言的特点及应用现状。 (3)温度检测系统的设计思路及方案，对系统软件开发平台进行选择。 (4)介绍智能温度测控系统硬件组成，电烤箱的功率调节方式及各硬件电路的设计。 (5)电烤箱温度控制系统软件整体设计方案，及上位机和下位机的设计过程。 (6)对所做工作进行了 总结，对未来的研究作了展望。 基于虚拟仪器 的温度测量系统 –4– 2 虚拟仪器概述 虚拟仪器的概念 随着 科学技术和计算机技术的快速发展，传统仪器已不能满足现代测控系统的 需要。 虚拟仪器 (Virtual Instrumentation)由 美国国家仪器公司 率先提出 ，这打破了传统仪器 固定以及用户无法更改 的 模式，引发 了测控仪器的一场重大变革。 虚拟仪器是指具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器，即是在通用计算机上加上一组软件或硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就像在操作一台他自己设计的专用传统电子仪器 ]1[。 实际上就是把计算机技术与一起技术结合起来，将传统仪器的三大功能，都放在计算机上完成。 利用友好的计算机界面可以容易的模拟出各种仪器的控制面板，并以各种形式表达输出的检测结果；利用计算机软件实现多种信号 分析、处理 和 存储 ，完成多种测试功能；用计算机外设替代传统仪器的按键和旋钮等，使人可以不碰仪器本身，又能完成测量工作。 虚拟仪器利用计算机技术实现和拓展了其本身的功能，并逐渐替代了传统仪器对数据采集、分析等功能，达到了取代的目的。 虚拟仪器的主要特点 相比传统仪器，虚拟仪 器有如下几个主要特点 (1)强调新概念 — “ 软件就是仪器 ”，取代旧概念 — “ 硬件为主体 ”。 虚拟仪器的核心是软件，硬件的作用只在于信号的输入、输出问题上，这对于传统仪器而言，虚拟仪器在概念上取得了重大突破。 软件决定了虚拟仪器的智能化程度和处理能力，使用者根据需要，可把新的算法、专家系统或者人工智能应用在仪器的设计与集成上，从而提升了仪器的技术水平。 另外，虚拟仪器通过丰富的计算机图形做到了人机互交与界面友好。 (2)用户可自行定义虚拟仪器的功能，并在用户机上产生，这使仪器可不由硬件决定，打破了传统仪器的弊端。 如果需 要，用户可以通过编程添加所需功能，而不是购买新的设备，从而使仪器的灵活性大大提高。 (3)虚拟仪器容易建立网络化，与 网络 及 电脑设备互联， 具有 方便、灵活的互联性。 网络 虚拟仪器 随网络技术的发展 逐步形成 ， 这种新型 虚拟仪器基于 WEB 技术 ，这 使虚拟仪器变成 了 Inter 网 的一部分，可以方便的进行 构建 远程测控 系统 ， 实现 了测量、控制的网络 化。 (4)虚拟仪器对硬软件的制定具有开放的工业标准， 并且 采用模块化结构，使系统具有了良好的扩展性和 开放性。 被 高度集成的如数据采集 电路 等是系统必须的基本硬件，实现了硬件模块的即插即用。 软件 开发基于模块化设计思想， 并运用 了大量 函数库 、类基于虚拟仪器 的温度测量系统 –5– 库 和 动态链接库，使代码具有 了 良好 的可 重复性。 系统组建用时 短，功能更易拓展，软硬件的 开发、 生产和维护的费用低。 虚拟仪器的体系结构 通常测量仪器都 具有的三大部分：数据采集、数据测试和 分析以及结果的 输出显示。 相同 的是虚拟仪器也具有 这 三大部分，不同的是对于数据分析和结果输出部分虚拟仪器是 通过计算机软件系统完成的。 只要 具有一定 的 数据 采集硬件，就能构成基于计算机的虚拟 测量 测试仪器。 通常 虚拟仪器具有 的 三部分：计算机、硬件接口电路以及 软件 部分。 虚拟仪 器的硬件构成 虚拟仪器 硬件由硬件接口 电路 和计算机仪器构成。 作为 虚拟仪器核心 的 计算机 要 对数据进行分析处理 以及 结果的显示，而硬件接口电路要对被测量信号进行采集、放大以及模数转换等工作， 对于构成 不同的虚拟仪器接口 总线 ， 可分为 下几种方案 ， 如图 所示。 图 虚拟仪器的硬件构成框图 (1)数据采集卡，它 的 仪器硬件平台是信号调理电路、数据采集卡 (DAQ)和 PC 机，采用 ISA 或 PCI 计算机本身的总线，将 DAQ 插入 PC 机的总线扩展插槽，因此又称 为PCDAQ/PCI 插卡式虚拟仪器。 (2)通用接口总线 GPIB(General Purpose Interface Bus)接口，它 的 仪器硬件平台是GPIB 接口仪器、 GPIB 接口卡 和 PC 机， GPIB 的仪器操作界面 具有 独立性， 可 脱离计算机使用，也可通过标准 GPIB 电缆连接 到 计算机实施程序控制。 (3)串行口仪器，它 的 仪器硬件平台 是 Serial 标准总线仪器 和 PC 机，符合 RS422或者 RS232 标准的 PLC 和单片机系统。 基于虚拟仪器 的温度测量系统 –6– (4)VXI 仪器，它 的 仪器硬件平台 是 VXI(VME bus Extension for Instrumentation)标准总线仪器模块以 和 PC 机 ，由主机箱、控制器和仪器模块构成。 它 包括嵌入式 PC 控制器 、外置工作站控制器和嵌入式工作站控制器，选用 时 要根据测试功能的要求。 (5)PXI 仪器，它 的 硬件平台是 PXI(PCI Extension for Instrumentation)标准总线仪器模块 和 PC 机，标准的 PXI 模块化仪器系统可以 Compact PCI 交互操作， 也 可与 VXI或 GPIB 集成，组成 多用途 、 大规模 系统。 (6)现场总线，它 的 仪器硬件平台是 Field Bus 标准总线仪器 和 PC 机。 上述的几种方案中， VXI、 PXI、 GPIB 方案适合大型 高精度测试系统。 串行口方案 I、 PCIDAQ/PC适合大规模的网络测试系统。 虚拟仪器的软件构成 软件 是 虚拟仪器的核心技术，通过修改程序 来 实现 不同 功能的测量测试仪器， 去 满足各种不同的需求。 “ 软件即是仪器 ” 的 意义就是软件可 被 定义为各种仪器。 使硬件软件化，降低系统成本，增强系统功能及 其 灵活性。 计算机易与网络、外设 和 其他应用连接，对于系统控制、数据采集、远程传送都 很 方便。 我们只要利用数据采集电路或数据采集卡，就可 以 在计算机上构 建 新的仪器系统， 通过 软件编程实现不同功能。 从底层到顶层可分虚拟仪器系统 的软件 可 分为三个层次， 分别是 VISA 库、仪器驱动程序 以及 应用程序。 (1)VISA(Virtual Instrumentation Software Architecture)库， VISA 库 的 实质是标准的I/O 函数库 以 及相关规范的总称，存在于仪器 和 仪器驱动程序之间， 并 为 它们 提供信息传递，是开放实现的、统一的虚拟仪器系统的基础与核心。 (2)仪器驱动程序，数据的采集与控制 要 涉及到硬件操作， 所以 需要对应的硬件驱动程序。 驱动程序 使 仪器 与 通信软件集合，连接应用程序 与 VISA 库，每个仪器模块都有其 对应的仪器驱动程序， 用户可方便 的 调用仪器驱动程序，而不必重新设计。 (3)应用软件，它建立在仪器驱动程序之上，由用户编写，通过友好的测控操作界面和 丰富的数据分析与处理来完成测控任务。 LabVIEW 的概述 LabVIEW 是实验室虚拟仪器集成环境 (Laboratory virtual Instrument Engineering workbench)的简称，是目前发展最快 、 应用最广、功能最强的图形化软件开发环境。 得到 了学术 界和 工业 界的普遍认可和好评。 它把复杂的文本语言简化成用图标 或 菜单提示的方法选择功能， 利 用线条 把 各 种功能连接起来 的 编程方式，为用户进行编程、调试提供了 方便的工具和 环境。 LabVIEW 是一种虚拟仪器开发平台软件，能够以其直观简便基于虚拟仪器 的温度测量系统 –7– 的编程方式、众多的源代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工程中所需要的仪器系统创造了基础条件 ]2[。 而且 LabVIEW 相比 其它计算机语言，有一个重要的不同点 :就是 其它计算机语言都是采用文本语 言 产生代码，而 LabVIEW 采用 的 是图形化编程语言 （ G 语言 ） ， 以 框图的形式产生程序 ， 简单易学 ，可在短时间内掌握并 运 用到实践中。 从宏观上讲 LabVIEW 的运行机制 以不 是传统 上 的冯 178。 诺依曼 的 计算机体系结构执行方式。 在 LabVIEW 中传统计算机语言顺序执行结构被并行机制代替 ： 从本质上 看 ，它是图形控制流结构的数据流模式。 按照 数据流程序 的 设计规定， 当 函数的所有输入有效时才能 够 执行 ；而 当目标输出的功能完成时，它才是有效的。 所以 在这种数据流程序的概念中，数据驱动 驱使 程序执行，它 并 不受 到 计算机 、 操作系统等因素影响。 VI 是 LabVIEW 的核心。 VI 拥有 人机对话用户界面，前面板 (Front Panel)和程序图(Diagram)。 程序图 发 指令前面板接收。 在前面板中，输入控件 (Controls)模拟仪器的输入装置并 将 数据提供给程序图 ； 显示控件 (Indicators)则模拟仪器的输出装置并显示由程序图获得的数据。 当把一个 显示 或输入控件放置到前面板上时，程序图中 会 相应地放置一个端口 (Terminals)。 用 LabVIEW 编程不受计算机 语法 限制。 首先， 在 功能菜单中选 取所需 功能节点，并至于 何时位置；然后 ， 在程序图中的端口用线 (Wires)连接各功能节点，用来传输 各节点 质检数据。 这些节点包括简单算术功能 、 高级数据 采集 和 分析以及存储和检索数据 功能 的和网络功能。 这样 的图形化程序设计编程 有着 简单、直观、开发效率高 等 特点。 LabVIEW 的应用现状 LabVIEW 广泛应用于包括通信、航空 、 自动化、半导体、过程控制、电路设计及生物医学 等 各种工业领域中， 使 应用系统的开发效率 得到 提升。 协调使用 LabVIEW，信息资源 及 共享软件，可大量 节省金钱 和时间。 LabVIEW 的应用大致可分为以下几个主要方面 ]3[ ： (1)应用于生产检测 : LabVIEW 己经成为用 于测试测量领域的工业标准化开发工具。 LabVIEW 结合 NITestStand 测试执行环境和该领域中最大的仪器驱动程序库，为整个系统建立稳固完整的检测管理平台。 (2)应用于研究与分析 :运用 LabVIEW，可在汽车、能源研究和其它众多工业领域的应用系统中进行实时数据的分析和处理、对于图像处理、时频分析、小波和数字滤波的应用系统， LabVIEW 特别提供各种附加工具包以加速系统的开发。 (3)应用于过程控制和工厂自动化 :可利用 LabVIEW 来建立过程控制和工业自动化应用系统。 在 LabVIEW 平台下，可 以实现多通道的高速测量和控制。 对于大型复杂的基于虚拟仪器 的温度测量系统 –8– 工业自动化和控制系统，有专门的 LabVIEW 数据记录和监控模块，用于监控多通道 I/O、与工业控制器和网络进行通信，以及提供基于 PC 机的控制。 (4)应用于机器监控 :对于要求有实时控制、视觉和图像分析或运动控制的机器监视和预先维护的应用系统， LabVIEW 是理想的选择。 LabVIEW 系列产品，包括用于可靠、确定性控制的实时 LabVIEW (LabVIEW RT)软件，能够快速、准确的建立起功能强大的机器监视和自动控制应用程序。 (5)应用于测控系统 :LabVIEW 有着强大的功能和广阔的应用前景，但就目前国内的现状来看，大多数的用户还是把 LabVIEW 作为虚拟仪器，仅仅利用它来进行数据的处理、分析和显示，忽略了 LabVIEW 强大的数据采集和控制功能，特别是基于 PC 机的实时控制，在国内应用较少。 基于虚拟仪器 的温度测量系统 –9– 3 总体设计 系统实现的功能 本论文针对传统 测控仪器 功能由仪器厂商定义，图形界面小，设备连接有限，读取数据信息量小，无法编辑、存储，功能固定、系统封闭、可扩展性差，技术更新 速度 慢，开发 、 维护费用高 等 特点，设计一个基于 LabVIEW 的温度检测系统。 该 温度检测系统主 要实现以下 几个 功能： (1)实现单片机与 PC 机的串口通信，能及时将温度数据传给 PC 机，并在上位机界面行程曲线，直观表现温度变化。 (2)检测参数显示 ： 如测试时间、设定温度等，当温度超出范围进行报警等。 (3)温度实时监测曲线显示，具有数字显示和波形图显示。 (4)保存结果数据：用户可将采集到的数据保存在 Excel 表格中，方便 打印和 查询。 总体设。