毕业论文：基于labview的智能温度压力控制系统

毕业论文：基于labview的智能温度压力控制系统内容摘要：

虚拟仪器的概念 [7]，是美国国家仪器公司 （ National Instruments Corp 以下简 NI公司 ） 于 1986 年提出的。 NI 公司同时也提出了“软件即仪器”的概念，打破了传统仪器只能由厂家定义，用户无法改变的局面。 随着现代软件和硬件技术的飞速发展，仪器的智能化和虚拟化已经成为研究的方向。 虚拟仪器，它既具有传统仪器的功能，又有别于 其他传统仪器，它能够充分利用和发挥现有计算机的先进技术，使仪器的测试和测量及自动化工业系统的测试和监控变得异常方便和快捷。 虚拟仪器的概念 虚拟仪器是指通过应用程序将计算机、软件的功能模块和仪器硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面 （ 通常叫做虚拟前面板，简称前面板 ） 来操作这台计算机就像在操作自己定义、自己设计的一台个人仪器一样，从而完成对被测信号的采集、分析、判断、显示、数据存储等。 虚拟仪器通过软件对数据的分析处理、表 达以及图形化用户接口，把计算机资源 （ 如微处理器、显示器等 ） 和仪器硬件 （ 如A/D、 D/A、 数字 I/O、定时器、信号调理等 ） 的测量能力、控制能力结合在一起。 虚拟仪器突破了传统仪器以硬件为主体的模式，而使用者是在操作具有测试软件的电子计算机进行测量。 虚拟仪器技术的实质 [8]是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。 软件是虚拟仪器的关键，当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。 用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求。 利用计算机丰富的软、硬件资源，可以大大突破传统仪器在数据的分析、处理、表达、传递、储存等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。 虚拟仪器的构成 虚拟仪器从构成 [8]要素上讲，由计算机、应用软件和仪器硬件等构成；从构成方式上讲，则由以 DAQ 板 卡 和信号调理为仪器硬件而组成的 PCDAQ 测试系统，或以 GPIB， VXI， Serial 和 Field bus 等标准总线仪器为硬件组成的 GPIB 系统、 VXI系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。 虚拟仪器的构成如图 所示。 显 示 器信 号 分 析 及 处 理数 据 发生 器A / D 转换 器D / A 转换 器信 号 调理 器信 号 调理 器信 号 调理 器各 类 接 口人 机 接 口信 号 输 入 信 号 输 出 图 虚拟仪器的构成 目前，虚拟仪器的构成方式有以下几种： （ 1） PCDAQ 插卡式的 VI 这种方式用数据采集卡 配以计算机平台和虚拟仪器软件，便可构成各种数据采集和虚拟仪器系统。 它充分利用了计算机的总线、机箱、电源以及软件的便利，其关键在于 A/D 转换技术。 这种方式受 PC 机机箱、总线限制，存在电源功率不足，机箱内噪声电平较高、无屏蔽，插槽数目不多、尺寸较小等缺点。 但因插卡式仪器价格便宜，因此其用途广泛，特别适合于工业测控现场、各种实验室和教学部门使用。 （ 2）并行口式的 VI 最新发展的可连接到计算机并行口的测试装置，其硬件集成在一个采集盒里或探头上，软件装在计算机上，可以完成各种 VI 功能。 它的最大好处是可以与笔记本计算 机相连，方便野外作业，又可与台式 PC 相连，实现台式和便携式两用，非常方便。 （ 3） GPIB 总线方式的 VI GPIB(General Purpose Interface Bus)技术是 IEEE488标准的 VI早期的发展阶段。 它的出现使电子测量由独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展。 典型的GPIB 系统由一台 PC 机，一块 GPIB 接口卡和若干台 GP1B 仪器通过 GPIB 电缆连接而成。 在标准情况下，一块 GPIB 接口卡可带多达 14 台的仪器，电缆长度可达20m。 GPIB 测试系统的结构和命令简单，造价较低，主要市场在台 式仪器市场。 适用于精确度要求高，但对计算机速率要求和总线控制实时性要求不高的场合应用。 （ 4） VXI 总线方式的 VI VXI 总线是 VMEbus eXtension for Instrumentation 的缩写，是高速计算机总线VME 在 VI 领域的扩展，有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的 RFI/EMI 屏蔽。 由于它的标准开放，且具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用众多仪器厂家支持的优点，得到了广泛的应用。 经过多年的发展， VXI 系统的组建和使用越来越方便，有其他仪器无法比拟的优势，适用于组 建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合，但 VXI 总线要求有专用机箱、零槽管理器及嵌入式控制器造价比较高。 （ 5） PXI 总线方式的 VI PXI 总线是 PCI eXtension for Instrumentation 的缩写，是 PCI 在 VI 领域的扩展。 这种新型模块化仪器系统是在 PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，具有多板同步触发、精确定时的星形触发、相邻模块间高速通讯的局部总线以及高度的可扩展性等优点，适用于大型高精度集成系统。 （ 6）网络接口方式的 VI 尽管 Inter 技术最 初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起，不过 NI 等公司己经开发了通过 Web 浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品，使人们可以通过 Inter 操作仪器设备。 根据虚拟仪器的特性，能够方便的将虚拟仪器组成计算机网络，利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能的设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。 现在，有关MCN(Measurement and Control Networks)方面的标准正在积极进行，并取得了一定进展。 由此可见，网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。 （ 7） USB 接口方式的 VI Universal Serial Bus(USB)因为其在 PC 机上的广泛使用、即插即用的易用性和 高达 480Mbits/s 的传输速率，逐渐的成为仪器控制的主流总线技术。 USB接口被广泛应用，也使得工程师可以很方便的将基于 USB 的测量仪器连接到整个系统中。 但是 USB 在仪器控制方面亦有一些缺点，比如 USB 的传输线没有工业标准 的规格，在恶劣的环境下，可能造成数据的丢失；此外， USB 对传输线的距离也有一定的限制。 无论哪种 VI 系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式微机或工作站 等各种计算机平台加上应用软件而构成的。 由于 USB 的接口方式比较简单，通用性强，具有热插拔、即插即用、传输速度快等特点，因而采用 接口。 虚拟仪器的特点 与传统仪器相比，虚拟仪器的特点在于： （ 1） 打破了传统仪器的“万能”功能概念，将信号的分析、显示、存储、打印和其它管理集中交由计算机来处理，充分利用计算机技术，完善了数据的传输、交换等性能，使得组建系统变得更加灵活、简单。 （ 2） 强调“软件就是仪器”的新概念，软件在仪器中充当了以往由硬件甚至整机实现的角色，减少了许多随时间可能漂移、需要定 期校准的分立式模拟硬件，加上标准化总线的使用，使系统的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高。 （ 3）仪器由用户自己定义，系统的功能、规模等均可通过软件修改、增减，可方便地同外设、网络及其它应用设备连接。 虚拟仪器的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式。 （ 4）鉴于虚拟仪器的开放性和功能软件的模块化，用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准，使资源的可重复利用率提高，系统组建时间缩短，功能易于扩展，管理规范，维护和开发的费用降低。 虚拟仪器的开发厂家，为扩大虚拟仪器的功能，在测量结果 的数据处理、表达模式及其变换方面发布了各种软件，建立了数据处理的高级分析库和开发工具库 （ 例如测量结果的谱分析、快速傅立叶 变换、各种数字滤波器、卷积处理和相关函数处理、微积分、峰值和波形发生、噪声发生、回归分析、数值运算、时域和频域分析等 ） ，使虚拟仪器发展成为可以组建极为复杂自动测试系统的仪器系统。 下表是虚拟仪器与传统仪器的比较。 表 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器 传统仪器 软件使得开发与维护费用低 开发与维护费用高 关键是软件 关键是硬件 价格低，可重复用，可重配置性强 价格昂贵 用户定义仪器功能 厂商定义仪器功能 技术更新周期短（ 1~2 年） 技术更新周期长（ 5~10 年） 开放，灵活， 与计算机同步发展 封闭，固定 与网络及外设互联方便 功能固定，互联有限 虚拟仪器软件开发平台 LabVIEW 虚拟仪器开发软件的比较选择 在给定计算机必要的仪器硬件之后，构成和使用虚拟仪器的关键在于软件。 软件为用户提供了集成开发环境、高水平的仪器硬件接口和用户接口。 正确选择软件对程序开发和设计起着非常重要的作用。 对于虚拟仪器应用软件的编写，大致可分为两种方式。 （ 1） 通用编 程软件进行编写。 主要有 Microsoft公司的 Visual Basic与 VisualC++，Borland 公司的 Delphi， Sybase 公司的 PowerBuilder。 （ 2） 用专业图形化编程软件进行开发。 如 HP 公司的 HPVEE Nl 公司的 LabVIEW 和 LabWindows/CVI 等。 在虚拟仪器系统的设计中必须考虑以下因素：开发成本低、执行效率佳、程序弹性大、易于扩展。 LabVIEW 是一个功能比较完整的软件开发环境，但它是为代替常规的 BASIC和 C 语言而设计的，它具有图形化编程语言 （ 简称 G 语言 Graph Language） 的特点，即用方框图代替了传统的程序代码。 G 语言是一种适合应用于任何编程任务，具有扩展函数库的通用编程环境。 和 BASIC 及 C 语言一样， G 语言也定义了数据类型、结构类型和模块调用语法规则等编程语言的基本要素，同时 G 语言丰富的扩展函数库还为用户编程提供极大的方便。 G 语言与传统高级编程语言最大的差别在于编程方式一般高级语言采用文本编程，而 G 语言采用图形化编程语言。 G 语言是LabV1EW 的核心，熟练掌握 G 语言的编程要素和语法规则，是开发 LabVIEW 应用程序的最重要的基础。 LabVIEW 是 带有可以产生最佳编码的编译器的图形化开发环境 ， 运行速度等同于编好的 C 或 C++程序。 LabVIEW 具有模块化特性，有利于程序的可重用性。 LabVIEW 将软件的界面设计与功能设计独立开来，修改人机界面无需对整个程序进行调整， LabVIEW 是利用数据流框图接收指令，使程序简单明了 ， 充分发挥了 G语言的优点，这就大大简短了虚拟仪器的开发周期、消除了虚拟仪器编程的复杂过程。 而通用的编程软件需利用组件技术实现软面板的设计，这使程序设计变得非常麻烦。 因此相比之下，本论文选择使用 G 语言的图形化编程软件 LabVIEW。 LabVIEW 简介 LabVIEW 是实验室虚拟仪器工程平台 (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的简称，是美国 NI 公司的创新软件产品，也是目前应用最广泛、发展最快、功能最强的图形化软件开发环境。 LabVIEW 的特点在于：它使用图形化编程语 言在流程图中创建源程序，运行方便，编程简单易懂。 LabVIEW 作为开发环境所具有的优点总结如下所述 [8]： （ 1）图形化编程，降低了对使用者编程经验的要求； （ 2）采用面向对象的方法和概念，有利于软件的开发和 再利用； （ 3）对象、框图及其构成的虚拟仪器在 Windows， Windows XP， UNIX 等多平台之间和各种 PC 机及工作站间兼容，便于软件移植； （ 4）支持 550 多种标准总线设备及数据采集卡，如串行接口 、 GPIB、 VXI 等； （ 5）具有丰富的库函数和例子，对于大多数应用程序，用户可以从例子中取得程序框架，便于提高开发速度； （ 6）具有比较完备的代码接口，可调用 Windows 中的动态链接库 (DLL)中的函数以及 C 语言程序，以弥补自身的某些不足； （ 7）直接支持动态数据交换 (DDE)、对象联接与嵌入 (OLE)、结构化查询语言(SQL)，便于与其它 Windows 应用程序和数据库应用程序接口； （ 8）支持 TCP、 UDP 等网络协议，网络功能强大，可遥控分布在其他微机上的虚拟仪器设备； （ 9）为加强 LabVIEW 的功能，适应各种工业应用的需要， NI 公司又开发了一系列与 LabVIEW 配合使用的软件包，如自动测试工具、可连结 25 种数据库的 SQL工具、 SPC 分析函数工具、信号处理套件、 PID 控制工具、图形控制工具等。 LabVIEW 程序组成 LabVIEW 的核心是 VI。 该环境包含包括三个部分：程序前面板 (Front Panel)、类似于源代。