基于labview的远程温度监测与控制系统研究

基于labview的远程温度监测与控制系统研究内容摘要：

34 致 谢 35 参 考 文 献 36 附录 37 基于 LabVIEW 的远程温度监测与控 制系统研究 I 基于 LabVIEW 的远程温度监测与控制系统 研究 摘要： 虚拟仪器是将仪器技术、计算机技术、总线技术和软件技术紧密融合在一起的高新技术产物，利用计算机强大的数字处理能力实 现仪器的大部分功能，打破了传统仪器的框架，形成的一种新的、进步的仪器模式。 本设计采用 NI PCI6221 数据采集卡，运用传感器、虚拟仪器及其相关技术于基于LabVIEW 的远程温度监测与控制系统的设计。 该系统具有温度数据采集、采集数据实时显示、存储与处理、历史数据显示、波形存储、报警及调整改变温度等功能，最后使用Web 技术实现了对采集数据的远程监控。 本文首先概述了测控技术和虚拟仪器技术在国内外的发展及以后的发展趋势，探讨了虚拟仪器的总线及其标准、框架结构、 LabVIEW 开发平台，然后介绍了数据采集的相关 理论，给出了数据采集系统的硬件结构图。 在分析本系统功能需求的基础上，介绍了传感器、程序模块化设计、数据处理、 Web 等设计中用到的技术，最后是本课题设计的核心部分即是 LabVIEW 软件开发平台，其作为人机交互界面设计在整个系统中占有举足轻重的份量。 本设计是虚拟仪器在测控领域的一次成功尝试。 实践证明虚拟仪器是一种优秀的解决方案，能够高效的实现各种测控任务。 关键字： 虚拟仪器；数据采集；温度；传感器； LabVIEW。 基于 LabVIEW 的远程温度监测与控 制系统研究 II The Research of Remote Temperature Monitoring and Control System Based on LabVIEW Abstract： Virtual instrument is the instrument technology, puter technology, bus technology and software technology closer together hightech product of the number of puter processing power to achieve a strong instrument for most of the features, breaking the traditional instruments of the framework, the formation of a new and progressive instrument model. This design uses a NI PCI6221 data acquisition card, the use of sensors, virtual instrument based on LabVIEW and related technologies in the remote temperature monitoring and control system. The system has the same temperature data acquisition, real time data collection, storage and processing, historical data, waveform storage, alarm and adjust the temperature changes and other functions, the last use of Web technology to collect data on remote monitoring. This paper outlines the monitoring and control technologies and virtual instrument technology development at home and abroad and the future development trend of the virtual instrument bus and its standard, frame structure, LabVIEW development platform, and then introduces the theory of data acquisition is given data acquisition system hardware structure. In the analysis of functional requirements of the system based on the introduction of sensors, modular program design, data processing, Web and other technologies used in the design, final design is the core issue that is LabVIEW software development platform, as the manmachine interface design in the whole system play a critical role. This design is a virtual instrument in the field of measurement and control a successful attempt. Practice shows that the virtual instrument is an excellent solution to efficient implementation of various monitoring tasks. Key words: Virtual instrument, Data acquisition, Temperature , Sensors, LabVIEW. 基于 LabVIEW 的远程温度监测与控制系统研究 1 第 1 章 绪 论 研究课题的意义 引言 测控技术在现代科学技术、工业生产和国防科技等诸多领域中应用十分广泛，它的现代化已被认为是科学技术、国防现代化的重要条件和明显标志。 20 世纪 70 年代以来，计算机、微电子等技术迅猛发展，在其推动下，测控仪器与技术不断进步，相继诞生了智能仪器、 PC 仪器、 VXI 仪器、虚拟 仪器及互换性虚拟仪器等微机化仪器及其自动测控系统，计算机与现代化仪器设备间的界限日渐模糊，测控领域和范围不断拓宽。 近年来，以计算机为中心、以网络为核心的网络化测控技术与网络化测控系统得到越来越多的应用，尤其是在航空航天等国防科技领域。 网络化的测控系统大体上由两部分组成：测控终端与传输介质，随着个人计算机的高速发展，测控终端的位置越来越多的被个人计算机所占据，其中，软件系统是计算机系统的核心，甚至是整个测控系统的灵魂，应用于测控领域的软件系统称为监控软件。 传输介质组成的通信网络主要完成数据的通信与采集，这种 数据采集系统是整个测控系统的主体，是完成测控任务的主力。 因此，这种 “监控软件－数据采集系统 ”构架的测控系统结构在很多领域都得到了广泛的应用，并形成了一套完整的理论 [1]。 课题概述及研究内容 虚拟仪器（ virtual instrumention）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。 使用虚拟仪器用户可以通过操作显示屏上的 “ 虚拟 ” 按钮或面板，完成对被测量的采集、分析、判断、调节和存储等功能。 本文设计就是建立在 VI 基础上，在此平台上完成对温度的实时测量。 传统靠人工 控制的温度、湿度、液位等信号的测压﹑力控系统，外围电路比较复杂，测量精度较低，分辨力不高，需进行温度校准 (非线性校准、温度补偿、传感器标定等 )；且它们的体积较大、使用不够方便，更重要的是参数的设定需要有其它仪表的参与，外界设备多，成本高，因而越来越适应不了社会的要求。 在对多类型、多通道信号同时进行检测和控制中，传统的测控系统能力有限。 如何将计算机与各种设施、设备结合，简化人工操作并实现自动控制，满足社会的需求，成为一个很迫切的问题。 温度检测是现代检测技术的重要组成部分，在保证产品质量、节约能源和安全生产等基于 LabVIEW 的远程温度监测与控制系统研究 2 方 面起着关键的作用。 由单片集成电路构成的温度传感器的种类越来越多，测量的精度越来越高，响应时间越来越短，因其使用方便、无需变换电路等特点已经得到了广泛的应用。 随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于生产的自动控制系统开始进入了人们的生活，以单片机为核心的温度采集系统就是其中之一。 同时也标志了自动控制领域成为了数字化时代的一员。 它实用性强，功能齐全，技术先进，使人们相信这是科技进步的成果。 温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重 轻的作用。 随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。 单片机具有处理能强、运行速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高。 课题的发展概况简述 随着科学技术的发展，人们在监控与监测生产过程、居住环境、生活质量等过程中，制造了各种各样科学仪器。 而传统仪器如模拟式仪器仪表、数字化仪表、内部有微处理器的智能仪器等，其对于用户来说是一个封闭的系统，仪器的面板、旋钮、开关和显示方式，内部电路及仪器所能提供的功能都是固定的，与其 他设备的连接也受限制。 随着计算机硬件技术、软件技术的不断发展与成熟，全新概念的第四代仪器 ——虚拟仪器出现了。 上世纪 80 年代早期，计算机接口变得越来越精细，软件设计的虚拟器界面也越来越友好，苹果公司的 Macintosh 开发了 G 语言，这些为功能强大的专业虚拟仪器软件的出现提供了必要基础。 不久， NI 为基于计算机的测量和自动化开发出了 LabVIEW 软件包。 目前 LabVIEW 的最新版本为 ， LabVIEW 为多线程功能添加了更多特性。 LabVIEW 的功能不断丰富和强大。 LabVIEW 用来进来数据采集和控制、数据分析和数据表达，使工程师和科学家能充分利用 PC 的功能，快速简便地完成自己的工作。 经过多年的不断充实， LabVIEW 成为丰富、强大的实用工具软件包，内部配有GPIB、 VXI、串口和插入式 DAQ 板的库函数以及全球几百家厂商的仪器驱动程序。 围绕这些核心软件还陆续开发出多种附件。 工业发达国家已经将虚拟仪器技术广泛应用于航天、通讯、生物医学、地球物理、电子、机械等各个领域，进行工程技术和科学研究，国内对于虚拟仪器的研究与工程也取得了很多成就，在产品性能测试、设备故障诊断、生产过程 控制中得到普遍应用。 虚拟仪器技术在我国的研究刚起步，还有许多问题需要去探索，如智能化软件开发平台的研究，采用人工智能技术降低 VI 的设计难度，使用户简洁地构成 VI 系统，基于 LabVIEW 的远程温度监测与控制系统研究 3 帮助用户对测试结果进行分析和判断，完成复杂的测试任务等。 国内虚拟仪器行业至今还没有形成具有自主知识产权的虚拟仪器核心开发技术，也没有相关的行业标准。 虚拟仪器产业无论在规模还是在质量上都难以与国外同行匹敌，国外虚拟仪器产品几乎垄断了国内的市场。 总之，随着计算机、网络、通信、微电子等相关技术的不断发展， VI 技术也会不断向前发展，微型化、智能化和网 络化将成为今后 VI 研究开发的主导方向。 伴随网络技术的高速发展，出现了以网络为基础、虚拟仪器为核心的 “虚拟实验室 ”的概念。 目前，虚拟实验室已成功地应用于许多大型实验室的实验研究和高等学校的实验教学。 在人工智能研究的影响下，人们开始关注如何提高虚拟仪器的智能化水平。 虚拟仪器的发展主要取决于三个重要因素。 计算机是动力，软件是主宰，高质量的 A/D 采集卡及调理放大器与传感器是关键。 无 论 哪种 VI 系统，都是将硬件仪器 (传感器、调理放大器、 A/D)搭载到各种计算机平台上，加上应用软件面板构成，实现使用计算机的全数字采集测 试分析。 VI 的发展完全跟计算机的发展同步，所以显示出VI 的灵活性和强大的生命力。 虚拟仪器的兴起是测试仪器技术的一次 “革命 ”，是仪器领域的一个新的里程碑，未来的 VI 完全可以覆盖计算机辅助测试的全部领域。 标准化、通用化、系列比、模块化以及开放式的体系结构等， VXI 系统的观念将成为电子测量仪器仪表变革的重要方向。 数据采集、测试、过程控制、信息传输与通信等现代信息技术汇聚在一起，将最终导致标准化、规范化卡式仪器和软件化仪器的更广泛流行。 虚拟仪器的发展将本着跟随通用计算机走、跟着通用软件走、跟着网络走的指导思想。 继 “软件就是仪器 ”的概念之后，很可能出现 “网络就是仪器 ”的新观念。 设计方案的总体思路 本系统的设计实现主要由温度采集模块（温度传感器）、 NIM 系列高速采集卡 6221的开发应用、 LabVIEW 编程实现三大模块组成。 其中当温度采集部分应用温度传感器来完成对所需数据的初步采集后，再利用适当辅助步骤与 NIM 系列数据采集卡 6221 相连接，然后运用 LabVIEWDAQ 进行编程对所接收到的相关数据进行相应的处理，当温度不在预设范围时，也可通过 LabVIEW 编程发布相关改变指令通过 6221 传输到对应执行机构，实现温度 的改变。 至于对温度的远程监测与控制也是通过虚拟仪器（ LabVIEW）的网络通信技术来实现的。 总体方案如图 ： 基于 LabVIEW 的远程温度监测与控制系统研究 4 图 总体方案图 被测对象 温度传感器 信号调理模块 数据采集卡 NI6221 计算机 基于 LabVIEW 的远程温度监测与控制系统研究 5 第 2 章 虚拟仪器与传感器 虚拟仪器简介 虚拟仪器的概念 虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司（ National Instruments）最先提出的 [1]。 所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系 统之中；可自由构建成专有仪器系统。 虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器。 虚拟仪器的核心技术思想就是 “软件即是仪器 ”。 该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分。 虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器（包括 GPIB、 RS232 等传统仪器以及新型的 VXI 模块化仪器）为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件（处理器、存储器、显示器）和测量仪器（频率计、示波器、信号源）等硬件资源与计算机软件资源（包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及图形 用户界面）有机的结合起来。 虚拟仪器技术是随着现代计算机技术、信息技术、现代测量技术的发展而出现的新技术。 虚拟仪器是通过应用程序将计算机资源（微处理器、存储器、显示器）和仪器硬件（ A/D、 D/A、数字 I/O、定时器、信号调理器）的测量功能结合起来，形成的测量装置或测试系统。 用户通过友好的图形界面（。