基于虚拟仪器的检定炉温度控制系统

基于虚拟仪器的检定炉温度控制系统内容摘要：

器的发展历史，大体经历了以下的发展历程： (1)第一代模拟仪器。 是以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器，如指针式万用表、指针式电压表、指针式电流表等。 这类指针式仪器借助指针来显示最终结果。 (2)第二代分立元件式仪器。 当 20世纪 50 年代出现了电子管，随后 60 年代出现了晶体管时，便产生了以电子管或晶体管电子电路为基础的第二代仪器。 (3)第三代数字化仪器。 20世纪 70年代，随着集成电路的出现，诞生了以集成电路芯片为基础的第三代仪器。 这类仪器目前相当普遍，如数字电压表、数字频率计等。 (4)第四代智能仪器。 随着微电子技术的发展和微处理仪表的普及，以微处理器为核心的第四代仪器迅速普及。 这类仪器内置微处理器，可以进行自动测试和数据处理功能，习惯上称其为智能仪器。 其缺点是它的功能块都以硬件 (或固化的软件 )的形式存在，无论是针对开发还是 针对应用，都缺乏灵活性。 (5)虚拟仪器。 由于电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器领域中的应用，电子测量仪器领域出现了一种全新的仪器 —— 虚拟仪器。 虚拟仪器与智能仪器有点类似，它是将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为基础，来实现各种仪器功能。 采用虚拟仪器技术构建的测试仪器，具有开发效率高、可维护性强、测试精度高、稳定性和可靠性好等优点，因此具有较高的性能价格比，便于节省投资、设备更新和功能转换与扩充。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 虚拟仪器的组成 虚拟仪器一般由通用计算机（ PC 机）、数据采集卡及软件 系统组成。 一个由通用仪器硬件平台和应用软件组成的复杂系统，虚拟仪器的结构如图 所示。 虚 拟 仪 器 应 用 程 序（ 软 面 板 、 各 种 功 能 模 块 ）虚 拟 仪 器 应 用 程 序（ L a b V I E W , L a b W i n d o w s / C V I , V B , V C ）V I S A 库 D A Q I / O 库操 作 系 统虚 拟 仪 器 驱 动 程 序计 算 机V X I D A Q其 他P X I仪 器 接 口 仪 器 接 口仪 器 接 口 仪 器 接 口仪 器 驱 动 接 口通 讯 接 口纯软件虚拟仪器虚拟软结虚拟硬结 图 虚拟仪器的结构 通用仪器硬件平台 虚拟仪器的硬件平台由通用计算机和 I/O 接口设备两部分组成。 I/O 接口设备主要完成信号的采集、放大、模 /数转换等。 根据 I/O 接口设备总线类型的不同，虚拟仪器可分为五类： PCI 总线虚拟仪器、 GPIB 总线虚拟仪器、 VXI 总线虚拟仪器、 PXI 总线虚拟仪器 、 串口总线虚拟仪器。 (1) PCI 总线虚拟仪器：这种方式是借助于插入计算机 接口扩展槽中的功能板卡与专用的软件相结合而实现的具有特定功能的测试仪器。 它充分利用了 PC 机总线、机箱和电源等硬件资源以及其丰富的软件资源。 PCI 总线具有即插即用功能，能够自动配置参数并支持 PCI总线扩展板，使用方便。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） (2) GPIB 总线虚拟仪器 ： GPIB 总线 (General Purpose Interface Bus)是 HP 公司在70年代推出的台式仪器接口总线。 它目前是仪器、仪表及测控系统与计算机互连的主流并行总线。 GPIB 测试系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算 机高速传输状况时应用 [9]。 (3)VXI 总线虚拟仪器 ： VXI(VME Bus Extensions for Instrumentation)总线支持即插即用，人机界面良好，资源利用率高，容易实现系统集成，大大地缩短了研制周期，且便于升级和扩展。 不足的是 VXI 系统的成本相对较高。 VXI 总线虚拟仪器因其集成化、标准化、快速的数据传输能力和良好的电磁兼容性而迅速发展， 将会成为未来计算机仪器发展的主流。 (4) PXI 总线虚拟仪器： PXI总线是 1997 年美国 NI公司发布的一种高性能低价位的开放性、模块化仪器总线。 PXI 系统易于集成与使用，从而降低用户的开发费用，所以在数据采集、工业自动化系统和图像处理等方面获得了广泛应用。 PXI 体系结构是以国内最普及的 PCI 总线为基础的体系结构，其总线吞吐率高、硬件的价格较低，因此，比VXI总线方式更容易在近期内抢占国内的虚拟仪器市场 [10]。 (5)串口总线虚拟仪器 :通用串行总线 (Universal Serial Bus， USB)具有传输速率高、支持异步和等时传输等特点。 它可以通过与计算机的通信来获得 USB设备的配置指令，从而灵活地改变自己的外部特性，实现了智能化的接口功能。 另外 它可以实现关键设备的资源共享，减少了成本。 无论上述哪种 VI系统，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相结合。 其中，PCI总线虚拟仪器是构成 VI的最基本的方式，也是最廉价的方式。 虚拟仪器的核心是软件，软件开发平台的水平在很大程度上代表了虚拟仪器的水平 [11]。 虚拟仪器软件由两大部分构成 :应用程序和 1/0 接口仪器驱动程序。 随着计算机技术和软件技术的飞速发展，各种专用仪器开发系统的功能也越来越强大和完善。 以美国 NI 公司的软件产品 LabVIEW内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 和 Lab Windows/CVI 为代表的虚拟仪器专用开发平台是当前流 行的集成开发工具。 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器与传统仪器相比，最直观的区别就是与用户进行交互的面板。 传统仪器面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件，容易导致许多识别与操作错误。 虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。 这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化与面板布置的简洁化，从而提高操作的准确性和便捷性。 同时，虚拟仪器面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受“标准件”和“加工工艺”的限制，他们是由编程来实现的，设计者可以根据用户的认知要求和操作要求，设 计仪器面板。 表 21虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器 传统仪器 开发和维护费用低 开发和维护开销大 技术更新周期短（ 1~2 年） 技术更新周期长（ 5~10） 软件是关机，系统性能升级方便，通过网络下载升级即可 硬件是关键，升级成本高 价格低廉，仪器资源可重复利用率高 价格一般较昂贵， 仪器资源可重复利用率低 可通过网络连接其他仪器，实现资源共享或协同工作 功能一般比较单一，只能连接有限的独立设备 开放性好，比较灵活， 可与计算机技术保持同步发展 开放性差，利用新技术为自己服务速率低 用户可自定义 功能，并且可以根据实际情况更改 只有厂商定义功能，并且一旦定义好了，就难以更改 从表 (21)可以看出与传统仪器相比，虚拟仪器具有绝对的优势。 决定虚拟仪器具有内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 传统仪器不可能具有的特点的根本原因在于“虚拟仪器的关键是软件”。 虚拟仪器在性价比、灵活性以及用户使用方便方面，具有传统仪器不可比拟的优势。 以一台高性能仪器为例，用户可以装配一台装有基于硬件和软件部分的个人计算机系统，为专门的应用软件设计虚拟仪器 [12]。 硬件部分可以是插入式主板、外围仪器，或者两者的结合。 在任何一种情况下，软件界面可按照用户的需求进行 设计，以使用户操作方便和快捷。 用户可以通过虚拟仪器来简化一台复杂的独立仪器的操作，虚拟仪器也可以只作为集中控制仪器的一个部分，只实现其中的一部分功能，其使用是相当灵活的。 如今，许多插卡式的数据采集主板同时还设置了技术先进的直接存储器存取、定时以及兼容于多种主板的触发功能，增强了主板之间的同步性和信号祸合性。 这些技术上的进步，再加上操作系统功能和计算机体系结构方面的发展，己经使得个人电脑具有并行处理的能力，从而可以成为更加先进的仪器和数据采集应用程序的平台。 然而，技术的进步是以复杂性的提高为代价的，比起使用具 有类似功能的一台独立仪器 [13]，用户必须具备更多有关硬件方面的知识。 虚拟仪器软件对于将这些技术尖端的硬件组成变成实际可用的仪器系统是必不可缺的。 其技术的优势在于可由用户自己定义仪器系统功能，且定义的功能也比较灵活，也很容易构建，所以应用面极为广泛。 尤其在科研、开发、测量、检测、计量、测控等领域更是不可多得的好工具。 虚拟仪器技术先进，十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。 它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号校正器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可以 检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据。 它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程。 它集成方便不但可以和高速数据采集设备构成自动测量系统，而且可以和控制设备构成自动控制系统 [14]。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 虚拟仪器的广泛应用 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。 从总体上而言，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，适应了现代测试技术的网络化、智能化发展趋势。 虚拟仪器技 术应用方式多种多样，下面主要针对虚拟仪器技术在工业自动化，仪器制造和实验室方面的应用前景和效益进行分析。 (1)工业自动化 我国工业基础比较落后，工业自动化程度远不能满足市场经济快速发展的要求。 制约工业自动化水平提高的一个关键因素就是企业缺乏开发自动化控制和管理软件的专业人才。 许多生产第一线的工程师熟悉设备与工艺流程，但是不具备程序员的专门编程能力，往往控制系统软件 是 交给研究人员或大学程序员编写的，软件设计与使用脱节。 传统的软件设计方法使得实际工程人员很难掌握和修改专业人员编写的软件，工作积极性和创造力受到 影响，许多项目实际效果并不理想。 虚拟仪器设计所采用的图形化编程语言，十分适合工程师应用，有利于提高企业自主开发和管理项目的能力，降低工业自动化技术改造的成本。 另一方面，采用虚拟仪器技术，根据实际工艺流程和控制要求，将分布在企业不同位置的各种测量仪表和控制装置连接成为一个网络系统，通过计算机实施集中控制和管理，可以改变采用传统单元仪表分散时工作成本高，维护困难，资源配置重复等缺点，提高工业自动化改造的经济效益，降低管理成本。 (2)仪器产业改造 仪器制造业是代表一个国家科技和工业发展水平的一个重要领域。 是否具 备各种先进和高性能仪器，对整个国家的科技开发能力，国防高科技技术水平和工业现代话水平都有直接或潜在的重要影响。 由于工业基础比较落后，我国的仪器制造，尤其是高性能科学仪器的制造还远远不能满足国防和经济建设发展的需要。 目前，像数字示波仪，频内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 谱分析仪和逻辑分析仪等中高档仪器还依赖于进口。 即使像数字万用表，发生器等基础测量仪器，国产的与进口的产品在功能上，易用性方面仍存在差距。 传统台式仪器制造水平不仅取决于设计，还依赖于工艺和加工水平，因此短期内提高是有一定困难的。 采用虚拟仪器技术，将过去的仪器中许多靠硬件来完成实 现的功能用软件来代替，利用商品化的数据采集和 PC技术，完全可以开发出各行各业急需的各种测量仪器，缩短我国与世界先进国家在仪器领域的差距。 这是采用高新技术改造传统产业的一个大有可为的领域 [15]。 (3)实验室应用 电子仪器与测试实验室是高等工科院校必备的教学实验条件。 为了提供一定的实验规模，保证每个学生得到实际动手能力的训练，传统的教学实验室一般需要购置大量的基础测量仪器，如示波器，万用表，信号源，投资大，技术更新快，维护困难。 利用虚拟仪器技术，我们可以设计出与实际仪器在原理、功能和操作等方面完全一样的全软 件虚拟仪器。 利用这些虚拟仪器，学生在计算机上就可以学习和掌握仪器原理，功能与操作，并通过仪器与仪器，仪器与电路的相互配合，完成实际测试过程，达到与用实际仪器教学相同的目的。 这种思想对从根本上改变传统实验教学方法，降低实验室建设与管理成本，实现远程实验教学具有重要的参考价值 [16]。 虚拟仪器的开发平台 —— LabVIEW LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一种图形化的编程语言，它是由美国 NI 公司 (NATIONAL INSTRUMENT Company)推出的虚拟仪器开发平台，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境 [17]。 它把复杂的语言编程简化成用图形编程的方式，为编程的调试提供了简单方便的环境，同时集成了大量的生成图形界面的模块，丰富的数值分析与处理功能。 LabVIEW 是一个带有扩内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 展功能库和子程序库的通用程序设计系统。 其开发环境下提供的应用程序有 180 多种，除了具备其它语言所提供的常规函数功能和上述的生成图形界面的大量模板外，内部还包括许多特殊的功能库函数和开发工具库以及多种以及设备驱动功能。 LabVIEW 作为一种强大的虚拟仪器开发平台，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。 它集成了GPIB, VXI, PXI, RS232 和 RS485 协议以及数。