毕业论文：基于虚拟仪器的热电偶温度巡检仪的设计与实现

毕业论文：基于虚拟仪器的热电偶温度巡检仪的设计与实现内容摘要：

国家电测水平差距的一条可行之路。 论文的设计任务 虚拟温度巡检仪系统是基于虚拟仪器平台 所开发的 应用系统， 论文的设计任务主要是 利用 虚拟仪器平台 的功能构建一个集温度信号的采集、存储、分析、处理和显示为一体的温度检测系统，对工艺流程中各点的温度达到实时、可靠检测的目的。 本系统采用虚拟仪器开发平台 — LabVIEW 软件，采用模块化思想，通过 NI 公司的数据采集卡 PCI— 6221 采集经 热电偶 温度传感器、信号调理电路输出的电压信号，并将 此温度电压信号转换计算机能够识别的数字信号。 本系统采用热电偶作为温度检测元件 ， 必然存在线性化问题，线性化 采用 软件处理 ， 调用公式节点编写程序进行线性化。 由于采集来的是电压信号 ， 而 要显 示温度值， 所以 就必须进行标度转换。 在数显示模块：采用波形 显示 ， 数值显示 ， 使 温度 数值 更加直观的显示给用户，同时可以显示实时温度值 与 实时 温度 曲线 ，可以 使 用户 对检测点的温度情况有更深入的了解。 此外该系统还具有温度数据的保存、历史温度 查询 回放等功能模块。 论文 研究 的重点和难点 温度巡检仪故名思 意 就是对多路温度进行巡回检测，所以怎样实现多通道数据采集和数据显示 是论文的重点。 多通道采样方式的设置同时也是论文中的难点，多数通用采集卡都有多个模入通道，但是并非每个通道配置一个 A/D，而是大家共用一套 A/D,在 A/D之前的 有一个多路开关（ MUX），以及放大器（ AMP）、采样保持器（ S/H）等。 通过这个开关的扫描切换，实现多通道的采样。 多通道的采样方式有三种：循环采样、同步采样和间隔采样。 怎样将采到的多路数据 进行数据处理与显示也是论文难点，首先对采来数据进行拆分分别处理，再进行信号合并便可 同时在 一波形图上显示。 第二章 虚拟仪器 简介 虚拟仪器概述 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。 除继承传统仪器的己有功能外，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。 虚拟仪器概念 所谓虚拟仪器 (Virtual Instrumention，简称 VI )， 在通 用计算机平台上，根据需求定义和设计仪器的测试功能，使得使用者在操作计算机时，就像是在操作他自己设计的测试仪器一样 ， 从而完成对被测试对象的采集、分析、判断、显示、数据存 取 等功能。 虚拟仪器概念的出现，打破了传统仪器由厂家定义功能的工作模式，使得用户可以根据自己的要求，设计自己的仪器系统。 在测试系统和仪器设计中尽量用软件代替硬件，充分利用计算机技术来实现和扩展传统测试系统与仪器的功能。 “软件就是仪器”是虚拟仪器概念最简单，也是最本质的表述。 虚拟仪器是现代计算机软件技术、通信技术和测量技术相结合的产物，它使得人类的测试技术进入了一个新的发展纪元。 随着计算机技术特别是计算机的快速发展， CPU处理能力的增强，总线吞吐能力的提高以 及显示器技术的进步，人们逐渐意识到，可以把仪器的信号分析和处理、结果的表达与输出功能转移给计算机来完成。 这样，可以利用计算机的高速计算能力和宽大的显示屏更好地来完成原来的功能。 虚拟仪器的特点及应用 (1) 虚拟仪器特点 虚拟仪器是计算机技术介入仪器领域所形成的一种新型的、富有生命力的器种类。 在虚拟仪器中计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧 地结合 形成了一个有机整体，使得仪器的结构概念和设计观点等都发生了突性的变化。 虚拟仪器特点可以归结为以下五个方面 : ① 丰富和增强了传统仪器的功能 ； ② 突出“ 软件就是仪器”的新概念 ； ③ 仪器由用户自己定义 ； ④ 开放的工业标准 ； ⑤ 便于构成复杂的测试系统，经济性好。 (2) 虚拟仪器技术的应用 虚拟仪器技术作为计算机技术与仪器技术相结合的创新技术，应用前景十分广泛。 从总体而言，虚拟仪器是测量 /测试领域的一个创新概念，改变了人们对仪器的传统观念，适应了现代测试系统网络化、智能化发展趋势。 虚拟仪器技术应用方式各种各样，尤其在工业自动化、仪器制造及实验室方面的应用前景良好，并取得可观的效益。 虚拟仪器与传统仪器的比较 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。 如表 所示 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 VI 传统仪器 开放、灵活，可与计算机技术 保持同步发展 封闭、固定 用户定义仪器功能 厂商定义仪器功能 关键是软件 关键是硬件 价格低、可复用与可重配置性强 价格昂贵 技术更新周期短 (1～ 2 年 ) 技术更新周期长 (5～ 10 年 ) 软件使得开发与维护费用降至最低 开发与维护开销高 与网络及其它周边设备方便互联的面向应用的仪器系统 功能单一、 只可连 有限的设备 友好的图形 界面，计算机读数 分 析处理 图形界面小，人工读数，信息量小数 面向应用的系统结构，可方便地与外设连接与其他仪器设备的连接十分有限 与其他仪器设备的连接十分有限 虚拟仪器的组成 虚拟仪器 (ViurtalInsrtum)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。 虚拟仪器的组成与传统仪器一样，如图 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。 采 集 与 控 制插 入 式 数 采 集 板G P I B 仪 器V X I / P X I 仪 器R S 2 3 2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 口 图 虚拟仪器的内部功能划分 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。 虚拟仪器 I/O 接口设备 1/0 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 1/0 接口硬件设备，如数据采集卡版 (DAQ)、 GPIB 总线仪器、 VXI 总线仪器、串口仪器、 USB 等。 虚拟仪器的构成主要有五种类型，如图 所示。 P C D A QG P I B 仪 器串 口 仪 器V X I 模 块P X I 模 块计 算 机被 测 信 号 图 虚拟仪器构成方式 (1) DAQ 归（ Data Aequisition)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，更为详细的内容将在后面章节加以介绍 ； 利用 DAQ 卡可方便快速地构建虚拟仪器系统。 在性能上，随着 A/D 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 1GB/s，精度高达 24 位，通道数高达 64 个，并具有数字 I/O，模拟 I/O 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。 (2) GPIB(Generae Purpose Irafce 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 和 ，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 GPBI 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 500kb/s，不适合与对系统速度要求较高的应用。 (3) VXI(VMEbus eXtension for Insturmenattion)是 VME 总线在仪器领域的扩展， 1993年 VXI 总线 版本被批准为 EIEE1155 标准，成为开放式工业标准。 仪器专用总线在吸收 EIEE488 的成功经验基础上，增加了 10MHz 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。 (4) Pxl(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 Compaet PCI结构和 Mierosotf Windows 软件。 PXI 是在 PCI 内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。 PXI 增加了用于多板同步的触发总线和旧 MHz 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。 PXI 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。 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 1/0 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。 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 所示。 用户可以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LabWindows/CVI 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。 硬 件 驱 动 程 序数 据 处 理用 户 界 面 图 虚拟仪器软件结构 虚拟仪器的开发软件 虚拟仪器的开发语言 虚拟仪器系统的开发语言有 ： 标准 C， VisualC++， VisualBasci 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 :NI 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 ANSIC 开发环境。 除此以外还有 HP 公司的 HP— VEE， HP— TIG 开发平台，美国 Tektrornix 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。 虚拟仪器开发平台 —— LabVIEW LabVIEW（ Laboratory Virtual instrument Engineering）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、 VXI、 RS232 和 RS485 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 TCP/IP、 ActiveX 等软件标准的库函数。 这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。