基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统—调压方案(编辑修改稿)

基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统—调压方案(编辑修改稿)内容摘要：

总线扩展插槽即可，因此 ， 这种虚拟仪器又叫 PCDAQ/PCI 插卡式虚拟仪器。 PCDAQ 为采集卡，由过去的 16 位标准 ISA 总线发展到 32 位的 PCI 总线插卡，易于构成 个人仪器系统，但需打开主机箱直接与 ISA、 PCI 总线连接，没有定义仪器系统所需的总线。 （ 2） 基于通用接口总线 GPIB(general purpose interfacebus)接口的虚拟仪器，它是以GPIB 接口仪器、 GPIB 接口卡及 PC 机为仪器硬件平台， GPIB 为通用接口总线的简称，是一种并行方式的外总线，它实质上是通过计算机对传统仪器的功能扩展和延伸，目前，许多市售的台式仪器大多装有 GPIB 接口。 GPIB 仪器具有独立的仪器操作界面，可以脱离计算机使用，也可以通过标准 GPIB 电缆连接计算机实施程序控制。 （ 3） 基于串行口仪器的虚拟仪器，它是由 Serial标准总线仪器及 PC 机为仪器硬件内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 平台的，它包括符合 RS232/ RS422 标准的 PLC(program logic controller)和单片机系统。 （ 4） 基于 VXI 仪器的虚拟仪器，它是以 VXI(VMEbusextension for instrumentation)标准总线仪器模块及 PC 机为仪器硬件平台的，由主机箱、控制器和仪器模块构成。 其中 ， 控制器安装在零号槽中，称为零槽控制器。 VXI 控制器包括嵌入式 PC 控制、嵌入式工作站控制器和外置工作站控制器 ， 可根据测试功能的不同要求来选用。 VXI 是工业标准总线 VME 的扩展，是一种完全开放的、模块化仪器总线标准的虚拟仪器开发平台，其可靠性、人机交互性能、测试速度优越，但价格较为昂贵。 （ 5） 基于 PXI 仪器的虚拟仪器，它是以 PXI(PCI extension for instrumentation)标准总线仪器模块及 PC 机为仪器硬件平台， PXI 总线方式是在 PCI 总线内核技术上增加 了参考时钟技术规范和要求形成 的。 标准的 PXI 模块化仪器系统有 8 个插槽，还可与 CompactPCI 交互操作，可与 GPIB或 VXI 集成，组 成大规模、多用途系统。 PXI 是 PCI 总线在仪器领域的扩展，以 PCI 总线为基础，利用了丰富的 PCI 模板 资源和 PC 软件工具及开发环境，数据传输率可达 132MB/s，应用软件开发与 VXI 一样。 PXI 实现了 VISA 虚拟仪器软件体系，不仅能够控制 PXI 模块，也能控制 VXI、 GPIB 及串行接口器件，还可以通过采用标准的 PCIPCI 桥接器提高扩展槽数量，有利于系统集成。 它的最大优势在于价格低廉，并且 PXI 与主流 PC 技术完全兼容，在许多测试领域，由 PC 组建的系统与 PXI 系统可以相互替代。 （ 6） 基于现场总线设备的虚拟仪 器，它是以 Fieldbus 标准总线仪器及 PC 机为仪器硬件平台的。 上述的几种方案中， GPIB， VXI， PXI 方案主要适合构成大型高精度集成测试系统；PCI— DAQ/PCI、串行口方案主要适合构成普及型的廉价测试系统；现场总线方案主要内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 适合构成大规模的网络测试系统，如测试任务需要，也可将上述 几种 方案结合构成混合测试系统。 虚拟仪器的软件组成 虚拟仪器系统的核心是软件技术，软件开发环境是其重要的组成部分。 虚拟仪器 的软件 从底层到顶层包括三部分： VISA 库、仪器驱动程序、应用软件。 （ 1） VISA（ Virtual Instrumentation Software Architecture）库。 VISA 库实质就是标准的 I/O 函数库及其相关规范的总称，它驻留在计算机系统中，执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，用来实现对仪器的控制。 （ 2）仪器驱动程序。 仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序集合，是应用程序实现仪器控制的桥梁。 每个仪器都有自己的仪器驱动程序，由仪器厂商提供。 （ 3）应用软件。 应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观、友好的操作界面 、丰富的数据分析和处理功能，来完成自动测试任务。 虚拟仪器 必须具有强大的人机交互界面设计能力，易于实现各种复杂的仪器面板，还必须具有数据可视化分析能力，能提供丰富的仪器和总线接口的硬件驱动程序 使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块 ， 工程师们可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。 目前 ， 虚拟仪器的软件开发平台主要有 Visual C++， Visual Basic， 以及 HP 公司的VEE 和 NI 公司的 LabVIEW、 Lab Windows/CVI 等。 美国 NI 公司是虚拟仪器技术的领导者 ， LabVIEW 就是其推出的一种基于图形的开发、调试和运行程序的集成化环境，是目前国际上唯一的 基于数据流的 编译型图形化编程语言， 是一种优秀 的虚拟仪器软件开发平台。 它不仅能轻松方便地完成与各种软硬件内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 的连接 ， 更能提供强大的后续数据处理能力 ， 设置数据处理、转换、存储的方式 ， 并将结果显示给用户。 LabVIEW 中编写的源程序，很接近程序流程图。 所以，只要把程序流程框图画好了，程序也就差不多编好了。 LabVIEW 图形编程语言中的基本编程单元是 VI(VinualInstrument，虚拟仪器 )， VI包括三个部分：前面板 (Frontpanel)、框图程序 (BlockDiagram)和图标 (Icon)连接器(Connector)。 前面板既接受来自框图程序的指令，又是用户与程序代码发生联系的窗口。 这个窗口模拟真实仪表的前面板，用于设置输入和观察输出，输入量称为控 件 (Controls)，输出量称为指示器 (Indicators)。 当把一个控件或指示器放到前面板上时，框图中相应地放置一个端子 (Terminals)，这个端子不能随意被删除，只有删除它对应的控件或指示器时它才随之一起被删除。 用户可以使用多种图标，如旋钮、开关、按钮、图表、文本框 、图形等，使前面板易看易懂。 我们可以把它想象为传统仪器的面板，面板上自然会有表头，按纽 ，拨盘等各种元件。 前面板的设计准则是： （ 1） 按照 VPP 规范设计前 面板，使 前 面板具有标准化、开放性、可移植性。 （ 2） 根据测试要求确定仪器功能。 根据测试任务确定仪器前 面板具体测试、测量功能，开关、控制等设置要求。 （ 3） 用面向对象的设计方法设计前面板。 按照面向对象的设计思想，一个虚拟仪器集成系统由多个虚拟仪器组成，每个虚拟仪器均由前面板控制。 前面板由大量的虚拟控件组成。 用户可以根据测试需要，通过界面方便的设置信号源的各项 参数，选择不同的测试频段及频率步进，并将结果数据以图表的形式显示。 每一个 VI 程序的前面板都对应着一段框图程序。 框图程序用 LabVIEW 图形编程语内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 言编写，可以把它理解成传统程序的 源代码。 也可以把它想象为传统仪器机箱里用来实现仪器功能的零部件。 所有 VI 源程序的框图都是由节点 (Nodes)、端子、图框和连线 (Wires)四种元素构成。 其中，端子被用来同程序前面板的控件和指示器传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向。 编 制框图程序时，从功能模板中选择需要的节点图标或图框，将之置于 窗口 面板上适当的位置，然后用连线连接它们及框图中的端子即可。 在彩色监视器上，每种数据类型以不同的颜色和线形强调显示。 虚拟仪器总线技术 目前 VI 使用的总线技术主要有以下几种。 DAQ 总线方式的虚拟仪器 DAQ 指的是基于计算机标准总线（如 ISA、 PCI 等）的内置功能插卡，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。 利用 DAQ 可以方便快捷地组建虚拟仪器，实现 “一机多型”和“一机多用”。 在性能上，随着 A/D 转换技 术、仪器放大技术、抗混叠滤波技术与信号调理技术的发展， DAQ 的采样速率已达 1Gb/s，精度高达 24 位，通道数高达 64 个，并能任意结合数字 I/O、模拟 I/O、计数器 /定时器等通道。 DAQ 虚拟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。 对大多数用户来说，这种方案不但实用，而且具有很高的性能价格比，是一种特别适合于我国国情的虚拟仪器方案。 下面以基于 PCI 总线和 USB 总线的多功能虚拟仪器的实现为例，介绍 DAQ 型虚拟仪器的结构。 （ 1） 基于 PCI 总线的多功能虚拟仪器 PCI 总线是一种独立于 CPU 的 32 位或 64 位局部总线，时钟频率为 33MHz，数据内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 传输率高达 132 MB/s~264MB/s， PCI 总线技术用无限读写突发方式，可在一瞬间发送大量数据。 PCI 总线上的外围设备可以和 CPU 并行工作，因此 PCI 总线得到了广泛的应用。 这种方式借助于插入 PC 机和工控机内的高速数据采集卡与专用的软件相结合，将它们安装在一台运行的 PC 机上，可构成一个功能强大的数字虚拟仪器，完成测试任务。 另外，通过改变应用程序，即界面程序设计可实现不同功能的虚拟仪器，如虚拟数字示波器，虚拟频谱分析仪等。 其工作原理是：由主机启动程序，发出按时 间步进的频率控制字送入信号源电路，产生频率随时间在 1MHz～ 70MHz 范围内变化的恒幅正弦波模拟信号。 信号通过高速数据采集卡采样的数字信号，经 PCI 总线送入计算机内，通过 LabVIEW 软件模块对信号进行分析、处理，从而实现虚拟仪器的功能。 这种 仪器价格便宜，因个人计算机数量非常庞大，因此用途广泛，特别适合于教学部门和各种实验室，目前仍有强大的生命力。 这种类型的虚拟仪器充分利用了计算机的总线、机箱、电源及软件的便利，但它也具有一定的缺点：由于基于 PCI 总线的虚拟仪器在插入时都需要打开机箱，操作不方便；并且测 试信号直接进入计算机，各种现场的被测信号对计算机安全造成很大的威胁；同时，计算机内部的强电磁干扰对被测信号也会造成很大的影响。 （ 2） 基于 USB 总线的嵌入式虚拟仪器的设计 嵌入式虚拟仪器从功能模块上分为：信号调理和模数转换电路、嵌入式控制模块、存储系统、液晶显示模块、 USB 总线接口逻辑等部分。 USB 通用串行总线是被 PC 机广泛采用的总线，它已被集成到计算机主板上。 USB 总线能连接 127 个装置，需要一对信号线及电源线。 USB 标准的数据传输率能达到 480Mbps。 该总线具有轻巧简便、价格便宜、连接方便快捷的 特点，现在已被广泛用于宽带数字摄像机、扫描仪、打印机及存储设备。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 基于 USB 总线的嵌入式虚拟仪器具有使用方便、数据传输速度快、连接灵活的特点。 可以采用星型的拓扑结构构建分布式测试系统。 该类系统主要由 PC 机、 USB 集线器和 嵌入式虚拟仪器组成。 系统的体系结构设计按照智能模块的设计思路进行，智能模块的作用是完成特定应用的测试功能。 利用 USB 总线的优势可以实现测试方案的灵活配置 和测试功能的自由扩展，即当需要添加新测试功能时，只需开发支持 USB 接口的相应测试功能的嵌入式虚拟仪器模块即可。 USB 技术和虚拟仪器技术 结合在一起是计算机仪表领域研究的热点，基于 USB 总线接口设计的嵌入式虚拟仪器具有良好的系统扩展性。 嵌入式虚拟仪器可以独立完成特 定的信号处理和分析，又可以通过 USB 总线系统组合在一起，构建大型的测试系统，完成复杂的测试功能。 USB 总线具有“即插即用 — plugamp。 play”的能力，与并行总线相比，更适合于连接多外设的需要。 基于 USB 总线， NI 公司推出了 USB6008 和 USB6009 等几款数据采集卡。 GPIB 总线方式的虚拟仪器 GPIB 总线 (即 IEEE488 总线 )是一种并行外总线，是在 HP 公司 1965 年设计的 HPIB仪器接口总线的基础上发展而来的，经历了 、 、目前市面上使用的是 GPIB。 该标准的成功之处在于，它使测试系统的互连和通讯标准化。 GPIB（ General Purpose Interface Bus）是计算机和仪器之间的标准通信协议， GPIB的硬件规格和软件协议已经纳入国际工业标准 IEEE 和 IEEE 中。 GPIB 是最 早的仪器总线。 典 型的 GPIB 测试系统包括一台计算机、一块 GPIB 接口控制器卡和若干台 GPIB 仪器。 每台 GPIB 仪器有单独的地址，由计算机控制操作。 通过改动计算机的控制软件可以增加、减少或更换系统中的仪器。 在价格上， GPIB 仪器覆盖了从比较便宜的到异常昂贵的仪器，但由于 GPIB 的数据传输率一般低于 500kB/s，不适合对于系内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 统速度要求较高的应用，现在已经逐步退出了市场。 VXI 总线方式的虚拟仪器 1987 年公布的 VXI 总线是一种高速计算机总线 VME。