基于labview的温度检测系统设计 毕业设计

基于labview的温度检测系统 毕业设计 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 摘要 摘 要 温度是表征物体冷热程度的物理量，它与人类生活和科学研究密切相关，在生产过程和科学研究中几乎没有不要求温度检测的。在工农业生产和日常生活中，对温度的测量及控制始终占据着重要地位。在现代化工业生产中，需要进行温度测量和监控的场合越来越多。据统计，温度测量占工业生产中各种检测总量的50,左右。测温的方法也多种多样。但是，常规测温法存在许多缺点，这促进了测温技术中新原理、新技术、新方法的发展。虚拟传感器、网络温度传感器、红外测温技术等代表了未来测温技术的发展方向。 本文提出的温度采集检测系统采用LabVIEW图形化编程语言，模块化方法设计开发，增强了软件的可靠性、稳定性。该测控系统通过对温度数据的采集与处理等功能子模块实现了温度的实时显示、分析等功能。波形实时显示模块相当于一个虚拟的数字示波器。该模块采用LabVIEW语言编写，设计出操作简单、可靠性高、可维护性好、具有交互式的图形界面的检测系统。该系统主要功能如下: (1)自动产生随机温度并采集，温度曲线显示; (2)显示温度，并能切换摄氏和华氏模式; (3)可设置温度报警上限，超出限度即LED报警，并记录报警次数; (4)进度指示; (5)能实现中途暂停采集; 关键词:虚拟仪器; LabVIEW; 温度测量; 数据采集 I 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) ABSTRACT ABSTRACT Temperature is a physical objects and degree of human life, and it is closely related with scientific research, production and scientific research of almost no temperature detection requirements. In industrial and agricultural production and daily life, for temperature measurement and control always occupy an important position. In the modern industrial production, the need for temperature measurement and monitoring the situation becomes more and more. According to statistics, temperature measurement of industrial production of all kinds of test about 50% of the total. Temperature measurement method varied also. However, conventional temperature measurement method, there are many shortcomings, which promote the temperature measurement technique, and new principle of new technology, new methods of development. Virtual network sensor, the temperature sensor, infrared temperature-measuring etc represents the future development direction of temperature measurement technology. This paper collected by temperature testing system LabVIEW graphical programming language, modular design method of software development, enhance the reliability and stability. This control system based on temperature data acquisition and processing function modules realize real-time display temperature, etc. Function. Waveform display module is equivalent to a virtual digital oscillograph. This module USES LabVIEW language, design a simple operation, high reliability, maintainability, and has good interactive graphic interface detection system. The main function are as follows: (1) automatically generate random temperature, temperature curve and acquisition, (2), and the temperature can switch Celsius degrees Fahrenheit and mode, (3) can be set temperature alarm limit beyond which LED police, and the limited number of records alarm, (4) schedule instructions (5) can achieve midway suspended collection. Key word: Hypothesized instrument; LabVIEW; Temperature survey; Data acquisition; II 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 目录 目 录 绪论................................................................ 1 1.1课题的来源及研究意义 ........................................ 1 1.2论文主要研究内容 ............................................ 1 2.虚拟仪器与LabVIEW介绍............................................ 3 2.1虚拟仪器发展史 .............................................. 3 2.2虚拟仪器技术应用研究内容和目的 .............................. 6 2.2.1基于虚拟仪器技术应用系统的设计 ........................ 6 2.2.2虚拟仪器开发平台的远程网络功能的扩展 .................. 6 2.3虚拟仪器技术概述 ............................................ 6 2.3.1虚拟仪器的概念 ........................................ 7 2.3.2虚拟仪器与传统仪器的比较 .............................. 7 2.3.3虚拟仪器测试系统的组成 ................................ 7 2.3.4虚拟仪器I,0接口设备 ................................. 9 2.3.5虚拟仪器的软件结构 ................................... 11 2.3.6虚拟仪器的开发软件 ................................... 12 2.3.7本课题所采用的图形化虚拟仪器开发平台—LabVIEW ........ 12 2.3.8基于LabVIEW平台的虚拟仪器程序设计结构和特点 ......... 13 2.4 虚拟仪器技术的近况和发展................................... 15 3.温度检测系统的建立............................................... 17 3.1硬件部分温度检测的设计思想 ............................. 17 3.2软件部分温度检测的设计思想 ............................. 18 3.3软件部分温度检测的设计方法: ........................... 18 3.3.1标度变换 ............................................. 18 3.3.2 数据采集子程序(SubVI)设计............................ 20 3.4小结 ................................................... 21 4.基于LabVIEW的温度数据处理....................................... 22 4.1温度数据的显示 ......................................... 22 4.2温度的图形显示程序框图 ................................. 25 4.3温度报警系统的建立 ..................................... 25 4.4整个温度测控系统的演示 ................................. 26 4.5小结 ................................................... 28 5.仿真结果分析..................................................... 29 5.1温度的实时显示 ......................................... 29 5.2小结 ................................................... 29 6.结论............................................................. 30 6.1需改进的地方 ........................................... 30 致 谢............................................................. 31 参考文献........................................................... 32 附录............................................................... 33 1 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 绪论 绪论 1.1课题的来源及研究意义 所谓温度，就是指物体的冷热程度。温度对人类生活、工农业生产有很大的影响。在生产与生活中，几乎所有的科学研究、工艺、生产过程都需要用到温度的检测与控制。物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关，大多数生产过程均是在一定温度范围内进行的。温度过高或过低都会对产品的质量和产量造成一定的影响，甚至还会使产品报废、设备损坏。在国防、军事、科学试验及工农业生产过程中，温度的测量具有十分重要的作用。 进入21世纪以来, 作为测试技术的一个分支, 虚拟仪器的开发和研制在国内得到了飞速的发展。虚拟仪器是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板, 以多种形式表达输出检测结果, 利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理, 并利用I/O 接口设备完成信号的采集、测量与调理, 从而完成各种测试功能的计算机仪器系统。 随着现代控制技术的发展, 在工业控制领域需要对现场数据进行实时采集, 例如在发电厂、钢铁厂、化工领域的生产中都需要对大量数据进行现场采集, 而温度采集又是其中极为重要的部分。目前, 温度测量主要采用玻璃液体温度计, 人工观测。这种测量方式, 一方面给偏远地区的观测人员带来诸多不便; 另一方面, 测量精度受人为因素影响, 测量误差大。因此, 有必要采用效率和自动化水平更高的新的测量手段。在农业方面, 温度的变化影响作物的发芽、幼苗的成长、作物的开花、果实的成熟, 等等。对于不同的作物, 其适宜的生长温度总是在一个范围。超过这个范围, 作物或许会成活, 但是其生长的规律将发生明显的变化, 这对于作物能够优质、高产的目标相距甚远, 因此, 实时获取作物生长的环境温度, 对超过作物生长适宜范围的温度能够报警非常重要。在此温度的测量具有十分重要的意义。 本系统使用LabVIEW图形化编程语言作为开发平台，在这个平台之上，根据需要自行定义了数据采集的功能，组建了温度检测系统并构造仪器面板。对采集的数据进行实时的分析处理、并生动直观地显示出数据、波形。 1.2论文主要研究内容 本论文主要是使用LabVIEW对温度进行分析。重点介绍了如何使用LabVIEW对温度的采集与分析。论文主要完成了以下几方面的工作: 1 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 绪论 (1)在LabVIEW中对采集到的温度数据进行分析与处理。 (2)实施对采集到的温度数据分析过程中的简单控制。 2 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 虚拟仪器与labVIEW介绍 [1] [3] [4] [5] [6]2.虚拟仪器与LabVIEW介绍 2.1虚拟仪器发展史 所谓虚拟仪器，实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量，控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。从发展史看，电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器，由于计算机性能以摩尔定律(每半年提高一倍)飞速发展，己把传统仪器远远抛到后面。虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势，但它并不否定传统仪器的作用它们相互交叉又相互补充，相得益彰。在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的，甚至不可思议的工作。 专家们指出，在这个计算机和网络时代，利用计算机和网络技术对传统的产业进行改造，已是大势所趋，而虚拟仪器系统正是计算机和网络技术与传统的仪器技术进行融合的产物，因此，在21世纪，虚拟仪器将大行其道，日渐受宠，将会引发传统的仪器产业一场新的革命。 LabVIEW是Laboratory Virtual Instrument Workbench(实验室虚拟仪器集成环境)简称，是由美国国家仪器公司(National Instruments，NI)创立的一个功能强大而又灵活的仪器和分析软件应用开发工具。Nl公司生产基于计算机技术的软硬件产品，其产品帮助工程师和科学家进行测量、过程控制及数据分析和存储。Nl公司于1970年由JamesTruchard、Jeffrey Kodosky、William Nowlin创建于德克萨斯州的Austin。当时3人正在位于Austin的德克萨斯大学应用研究实验室为美国海军进行声呐应用研究，寻找将测试设备连接到的DEC PDP—ll计算机的方法。James Truchard于是决定开发一种接口总线，并吸纳Jeff和Bill共同研究，终于成功地开发出LabVIEW并提出了“虚拟仪器”这一概念。在此过程中，他们创建了一家新公司—National Instruments。从事研究、开发、生产、测试工作的工程师和科学家以及在诸如汽车、半导体、电子、化学、电信、制药等行业工作的工程师和科学家已经使用并一直使用LabVIEW来完成他们的工作。LabVIEW在试验测量、工业自动化和数据分析领域起着重要作用。例如，在NASA(美国国家航空和宇宙航行局)的喷气推进实验室，科学家使用LabVIEW来分析和显示“火星探测旅行者号”自行装置的工程数据，包括自行装置的位置和温 3 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 虚拟仪器与labVIEW介绍 度、电池剩余电量，并总体监测旅行者号的全面可用状态。LabVIEW程序称为“虚拟仪器”或简称为VI。LabVIEW不同于基于文本的编程语言(如Fortran和c)，它是一种图形编程语言，其编程过程就是通过图形符号描述程序的行为。LabVIEW使用的是科学家和工程师们所熟悉的术语，还使用了易于识别的构造C语言的图形符号。即使具有很少编程经验的人也能学会使用LabVIEW，并能够发现和了解一些有用的基本原则。LabVIEW提供了大量的虚拟仪器和函数库来帮助编程。LabVIEW6(0中提出了一个新的重要功能，称为Express VI。由于VI配置可以通过对话框完成，因此Express VI允许用户位于Functions选项板，是以白色背景、蓝色边框的形式出现的。LabVIEW也包括了特殊的应用库，用于实现数据采集、文件输入,输出、GPIB和串行仪器控制以及数据分析。LabVIEW包括了常规的程序调试工具，用这些工具可以设置断点、单步执行程序及动画模拟执行，以便观察数据流。在不同类型的图表和图形上，LabVIEW提供一组有效的VI用于数据显示。 LabVIEW是Nl推出的虚拟仪器开发平台软件，它们能够以其直观简便的编程方式、众多的源码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户快捷地构筑自己在实际生产中所需要的仪器系统创造了基础条件。 LabVIEW采用图形化编程语言——C语言，产生的程序是框图的形式，易学易用，特别适合硬件工程师、实验室技术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用，可在很短的时间内掌握并应用到实践中去。特别是对于熟悉仪器结构和硬件电路的硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员来说，编程就像设计电路图一样;因此，硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员们学习LabVIEW驾轻就熟，在很短的时间内就能够学会并应用LabVIEW。也不必去记忆那眼花缭乱的文本式程序代码。 LabVIEW不仅容易学习和使用，而且它的功能十分强大。像C或C++等其它计算机高级语言一样，LabVIEW也是一种通用编程系统，具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、GPIB、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储，甚至还有目前十分热门的网络功能。LabVIEW也有完善的仿真、调试工具，如设置断点、单步等。LabVIEW的动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据及其变化情况，比其它语言的开发环境更方便、更有效。而且LabVIEW与其它计算机语言相比，有一个特别重要的不同点:其它计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码行，而LabVIEW采用图形化编程语言—C语言。 LabVIEW程序又称为虚拟仪器，它的表现形式和功能类似于实际的仪器;但LabVIEW程序很容易改变设置和功能。因此，LabVIEW特别适用于实验室、多品种小批量的生产线等需要经常改变仪器和设备的参数和功能的场合，及对信号进行分析研究、传输等场合。 4 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 虚拟仪器与labVIEW介绍 目前，自动化测试系统已经经历了四个发展阶段。本世纪40年代初期兴起的扫频测试技术，是电子测量技术自动化的开端。第一代测试系统大都是为了某种测试目的而专门设计制造的专用系统，功能单一，可移植性差。在60时年代后期，标准化接口系统的诞生和使用，出现了以积木概念为特点的第二代自动测试系统。但是，这两代自动测试系统，均使用传统测试设备，计算机只不过是用来控制各器件的动作，并做一些数据的整理和计算，整个测试过程几乎仅限于简单地模仿人工测试的步骤，而未能充分发挥作为中央控制器的计算机的作用。随着计算机技术的发展，70年代后期开始出现了一种突破传统概念的仪器仪表，其内部含有微处理器，可以进行信息采集、数据处理、自动显示记录等功能，有的甚至具有推断分析和决策功能，人们习惯把这种仪器称为智能仪器。这是测试技术发展的第三代。 由于微电子技术、计算机技术、网络技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、测试方法以及新的仪器结构不断出现，在许多方面己经超越了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用已经发生了质的变化。在这种背景下，美国国家仪器公司(National Instruments)在本世纪八十年代最早提出了虚拟仪器(Virtual Instrument)的概念。同时推出了用于虚拟仪器开发的工程软件包LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)。Nl公司提出了“The Software is theInstrument”，即软件就是 仪器的思想。虚拟仪器利用现有的计算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。在以虚拟仪器技术为代表的第四代自动测试系统中，计算机处于核心地位，仪器的结构概念和设计观念等都发生了突破性的飞跃，在虚拟仪器应用软件中集成了虚拟仪器技术的大部分功能，包括数据采集、控制、数据分析、输出显示和用户界面等，使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所替代。虚拟仪器的出现和兴起，改变了传统仪器的概念、模式和结构，同时也改变了人们的仪器观。仪器的设计由面向对象变成了面向用户，这就给用户提供了极大的便利。此外，随着网络技术的迅速发展和普及，在科学研究和工业生产领域中，对测试系统的自动化和网络化的要求越来越高。与传统的测控系统相比，基于虚拟仪器的测试系统在实现测控自动化和网络化方面有着更大的优势。 虚拟仪器技术从八十年代末开始，已经经历十几年的发展历程。我国虚拟仪器的研究起步较晚，但近几年来也取得了长足进步。目前虚拟仪器技术正处在一个高速发展的阶段，在其设计过程中所体现出的新颖、灵活的设计思想是对传统仪器设计思想的一次巨大冲击。它顺应了现代测试仪器微小化、智能化、集成化的要求，所以进行基于虚拟仪器技术的检测系统的开发与研究势在必行，同时也是尽快缩小我国与其它发达国家电测水平差距的一条可行之路。 5 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 虚拟仪器与labVIEW介绍 2.2虚拟仪器技术应用研究内容和目的 虚拟仪器技术应用研究的方向是多方面的，从本系统研究内容方面可分为: (1)基于虚拟仪器技术应用系统的设计; (2)虚拟仪器开发平台的远程网络功能的扩展; 2.2.1基于虚拟仪器技术应用系统的设计 基于虚拟仪器平台的应用系统的设计是本论文的重点，其主要内容是利用虚拟仪器技术，组建功能强大的检测系统。 虚拟仪器平台提供给仪器设计人员设计所需的丰富功能控件，针对实际的测试任务可在很短的时间内完成检测系统的设计。但如何充分而合理利用这些功能控件构建检测系统，是一个值得深入研究的问题，需要做大量的工作。首先要熟悉LabVIEW中的功能控件，多研习优秀的程序设计，通过大量的实践，才能很好的掌握和运用。虚拟温度检测系统设计是基于虚拟仪器平台的应用系统开发方面所做的研究，研究主要涉及如何利用虚拟仪器平台的功能控件构建一个集信号采集、分析和处理为一体的检测系统。 2.2.2虚拟仪器开发平台的远程网络功能的扩展 随着社会的发展，人们越来越需要网络化的测控系统。大型机械设备的多点远程监测、地区环境的多点监测、危重病人的远程多点监测与会诊，电能的自动实时抄表系统，以及远程网络教学实验的发展等，都需要测控系统的网络化。计算机网络技术的不断发展，拓展了虚拟仪器的应用范围。利用局域网或Internet即可实现远程测控的功能，构成远程虚拟仪器。有了远程虚拟仪器，不但昂贵的硬件资源可以共享，也使大量实际问题得到了解决。随着网络技术的深入，网络化成为了虚拟仪器技术中的一个最重要的发展方向，并且很多测试任务也需要测试系统的网络化，将数据通过网络发送到远程端。网络化的虚拟仪器目前是虚拟仪器技术的一个发展的趋势。 [3]2.3虚拟仪器技术概述 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。除继承传统仪器的已有功能外，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 6 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 虚拟仪器与labVIEW介绍 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。 2.3.1虚拟仪器的概念 虚拟仪器(Virtual Instrument)是指通过应用程序将计算机与功能化模块硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机，好像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测试对象的采集、分析、判断、显示、数据存储等功能。因为虚拟仪器是以计算机为核心、在Windows等操作系统平台上运行的，所以它具有一机多功能的特点，可以同时运行多个软件，当作多种仪器使用，具有多功能的仪器系统称之为虚拟仪器系统。 2.3.2虚拟仪器与传统仪器的比较 -l所示，虚拟仪器具有传统仪器无法比拟的强大优势，因而必将成为如表2 未来仪器发展的趋势。 表2-1虚拟仪器与传统仪器的比较 比较项目 虚拟仪器 传统仪器 开放性、灵活，可与计算机技术保 封闭性、仪器间相互配合较 灵活性 持同步发展 差 关键是软件，系统性能升级方便， 关键是硬件，升级成本较 升级的自由度 通过网络下载升级程序即可 高，且升级必须上门服务 价格低廉，仪器间资源可重复利 价格昂贵，仪器间一般无法 性能价格比 用，利用率高 相互利用 仪器功能 用户可定义仪器功能 只有厂家能定义仪器功能 功能单一，只能连接有限的 与外设互连 可以与网络及周边设备方便连接 独立设备 开发维护费用 开发与维护费用降至最低 开发与维护开销高 人机界面 人机界面友好 人机界面一般 技术更新周期 技术更新周期短(1-2年) 技术更新周期长(5-10年) 2.3.3虚拟仪器测试系统的组成 虚拟仪器(Virtual Instrument)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 7 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 虚拟仪器与labVIEW介绍 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 [4]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2-1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。 数据分析和处理 采集与控制 结果显示 插入式数据采集板 数字信号处理 网络通信 GPIB仪器 数字滤波 硬盘拷贝输出 VXI/PXI仪器 统计分析 文件I/O RS-232仪器 数值分析 图形用户接口 图2-1 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。图2-2给出了经典虚拟仪器测试系统的构成，通常虚拟仪器测试系统硬件组成部分是由传感器部件、信号调理及信号采集部件(如外置或内置数据采集卡、图形图像采集卡及摄像机及其用于辅助测量并能与计算机通讯的常规仪器等)、通用计算机、打印机等构成。系统软件部分通常用专用的虚拟仪器开发语言(如LabVIEW)编写而成，并可通过Internet实现网络扩展。 8 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 虚拟仪器与labVIEW介绍 图2-2 经典的虚拟仪器系统构成 2.3.4虚拟仪器I,0接口设备 I,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I,0接El硬件设备，如数据采集卡,板(DAQ)、GPIB总 [4]线仪器、VXl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2-3所示。 9 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 虚拟仪器与labVIEW介绍 PC-DAQ GPIB仪器 被测信号 计算机 串口仪器 VXI模块 PXI模块 图2-3 虚拟仪器构成方式 1(DAQ(Data Acquisition)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: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。 2(GPIB(General Purpose Interface 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IEEE 488(1和IEEE 488.2，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GPIB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 Instrumentation)是VME总线在仪器领域的扩展，1993年VXl总线1(4版本被批准为IEEE ll55标准，成为开放式工业标准。仪器专用总线在吸收IEEE488的成功经验基础上，增加了l0MHz时钟线， 10 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 虚拟仪器与labVIEW介绍 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(PXI (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Compact PCI结构和Microsoft Windows软件。PXl是在PCI内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。PXl增加了用于多板同步的触发总线和10MHz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。PXl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 [5]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I,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。 2.3.5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2-4所示。用户(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LabWindow,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。 用户界面 数据处理 硬件驱动程序 图2-4 虚拟仪器软件结构 11 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 虚拟仪器与labVIEW介绍 2.3.6虚拟仪器的开发软件 (1)虚拟仪器的开发语言 虚拟仪器系统的开发语言有:标准C，Visual C++，Visual Basic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:Nl公司的LabVIEW,LabWindows,CVI。LabVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。LabWindows,CVI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Tektronix公司的Ez(Test，Tek—TNS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。其中LabVIEW 图形化软件开发系统是用工程人员所熟悉的术语和图形化符号代替常规的文本语言编程, 界面友好, 操作简便, 可大大缩短系统开发周期, 深受专业人员的青睐。在此, 虚拟温度采集系统的设计平台采用NI公司的LabVIEW 8.6 进行。 2.3.7本课题所采用的图形化虚拟仪器开发平台—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、VXl、RS-232和RS-485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，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编程及使用过程都更加形象化。传统的文本式编程是一种顺序的设计思路，设计者必须写出执行的语句。而LabVIEW是基于数据流的工作方式，同时是基于图形化的编程，这使得设计者不必掌握大量的编 [3]程语言和程序设计技巧便可设计出虚拟仪器系统。 目前，在以PC机为基础的测试和工控软件中，LabVIEW的市场普及率仅次于C++,C语言。LabVIEW具有一系列无与伦比的优点:首先，LabVIEW作为图形化语言编程，采用流程图式的编程，运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常相似:同时，LabVIEW提供了丰富的VI库和仪器面板素材库，近600种设备的驱动程序(可扩充)如GPIB设备控制、VXl总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储:并且LabVIEW还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够设置断点，调试过 12 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 虚拟仪器与labVIEW介绍 程中可以使用数据探针和动态执行程序来观察数据的传输过程，更加便于程序的调试。因此，LabVIEW受到越来越多工程师、科学家的普遍青睐。 利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位编译器。像许多通用的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。 2.3.8基于LabVIEW平台的虚拟仪器程序设计结构和特点 所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器(VI)，它包括前面板(front panel)、流程图(block diagram)以及图标,连结器(icon,connector)三部分。 1(前面板:前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制(control)和显示对象(indicator)。如图2-5所示是一个随机信号发生和显示的前面板，上面有一个显示对象，以曲线的方式显示了所产生的一系列随机数。还有一个控制对象——开关，可以启动和停止工作。但并非画出两个控件后程序就可以运行，在前面板后还有一个与之对应的流程图如图2-6。 图2-5 随机信号发生器的前面板 13 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 虚拟仪器与labVIEW介绍 图2-6 随机信号发生器的流程图 2(流程图:流程图提供VI的图形化源程序。在流程图中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。图2-6是与图2-5对应的流程图。我们可以看到流程图中包括了前面板上的开关和随机数显示器所对应的连线端子，另外我们还建立了一个随机数发生函数和一个WhileLoop循环结构。随机数发生器通过连线将产生的随机信号送到显示控件，为了使它持续工作下去，设置了While Loop循环，由开关控制循环的结束。 如果将VI与传统仪器相比较，那么前面板上的控件对应的就是传统仪器上的按钮、显示屏等控件，而流程图上的连线端子相当于传统仪器箱内的硬件电路。在许多情况下，使用VI可以仿真传统仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与传统标准仪器相差无几。这种设计思想的优点体现在两方面: (1)类似流程图的设计思想，很容易被工程人员接受和掌握，特别是那些没有很多程序设计经验的工程人员。 (2)设计的思路和运行过程清晰而且直观。如通过使用数据探针、高亮执行调试等多种方法，程序以较慢的速度运行，使没有执行的代码显示灰色，执行后的代码会高亮显示，同时在线显示数据流线上的数据值，完全跟踪数据流的运行。这为程序的调试和参数的设定带来诸多的方便。 3(图标,连接设计:这部分的设计突出体现了虚拟仪器模块化程序设计的思想。在设计大型自动检测系统时，一步完成一个复杂系统的设计是相当有难度的。而在LabVIEW中提供的图标,连接工具，正是为实现模块化设计而准备的。 14 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 虚拟仪器与labVIEW介绍 设计者可把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个都可完成一定的功能。这样设计的优点体现在如下几方面: (1)把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，程序设计思路清晰，给设计者调试程序带来了诸多的方便。同时也对于将来系统的维护提供了便利。 (2)一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个子系统都是一个完整的 这样把测试功能细节化，便于实现软件复用，大大节省软件研发周期，功能模块， 提高系统设计的可靠性。 (3)便于实现“测试集成”和虚拟仪器库的思想。同时为实现虚拟仪器设计的灵活性提供了前提。 2.4 虚拟仪器技术的近况和发展 电子测量仪器发展至今，大体经历了四代发展历程。模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。 第一代:模拟仪器，这类仪器是以电磁感应基本定律为基础的模拟指针式仪表。如指针式万用表、晶体管电压表等。 第二代:数字式仪表，这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量。 第三代:智能仪器，这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数据处理能力，可取代部分脑力劳动，所以习惯上称为智能仪器。但是它的功能块全部都是以硬件(或固化的软件)形式存在的，无论是在开发还是应用中，都缺乏灵活性。 第四代:虚拟仪器，它是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物，它对传统仪器观念进行了一次巨大变革，是将来仪器产业发展的重要发展方向之一。从l987年以专用集成电路(ASIC)并以计算机技术为基础的总线仪器一虚拟仪器的雏形问世，到1993年虚拟仪器已发展到三百多家厂商，一千多种虚拟仪器产品，l995年厂商更达一千余家，产品达数千种。美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大的虚拟仪器制造国，生产虚拟仪器的主要厂家有Nl公司、HP公司等。可以说虚拟仪器正以传统仪器无法比拟的速度飞速发展。 虚拟仪器技术的优势在于用户自定义仪器功能、结构等，且构建容易、转换灵活，因此应用领域十分广阔。当前，国内外有许多部门和公司都在积极地开展这些方面的研究和应用工作。例如，美国的Geomatics公司和Godsmith公司等利用虚拟仪器开发工具，研制开发出了农业自动化灌溉系统和秧苗分析系统。比利时Intersofl电子工程公司利用虚拟仪器思想开发出了RASS—PDP和RAS S-S 15 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 虚拟仪器与labVIEW介绍 软件。美国斯坦福大学利用虚拟仪器技术构建了虚拟仪器教学、实验、仿真系统。挪威CARDIAC公司采用LabVIEW平台构建了测试北海油田石油、大气、水流的MPFM系统。在国内，清华大学应用虚拟仪器技术构建汽车发动机性能检测系统，用于汽车发动机出厂前的自动检测。石油科学研究院将虚拟仪器技术应用于小型石油精炼实验系统中。电子部三所应用虚拟仪器技术建立了仪器自动化计量控制系统。 我国的虚拟仪器研制是从1984年开始起步的，十几年来，在APPLE，IBM—PC及其兼容机上进行了研制和开发，主要工作有两个方面:一是通用仪器卡:二是专用测试仪。此外，许多大学都在尝试将虚拟仪器应用到实验教学和计算机辅助教学中。例如，西安交通大学电气学院在《现代测试技术与系统集成》课程教学中，以虚拟仪器系统为平台，开发虚拟仪器实验，通过仿真与实验，开拓了学生的思路，使学生较好地理解该课程的内容。虚拟仪器一机多用、硬件资源共享等特点大大节约了实验室建设的投资。 目前，虚拟仪器已在科研开发、测控、超大规模集成电路测试、模拟和数字电路测试、现代家用电器测试、电子元件、电力电子器件测试以及军事、航天、生物医学、电工技术领域等可移动式现场测试 基于虚拟仪器技术温度检测系统的开发与研究工作中得到应用，且应用领域还将不断拓宽。此外大学实验室既是进行科学研究的重要基地，又是培养学生的重要场所，因此，实验室建设是教学中的一项重要工作。传统的实验平台存在硬件成本高、构造复杂、功能单一等方面的问题。最近几年，虚拟仪器技术的迅速发展为实验室建设提供了一种新的思路。将虚拟仪器技术应用到教学实验中，建成所谓的虚拟仪器实验室成为目前实验室教学改革的热点之一。与原有的传统实验平台相比，虚拟实验室通过友好的人机界面使实验操作灵活、方便;通过运用计算机强大的计算与处理能力，大大地提高了数据分析和处理能力:通过设计、仿真与实测的结果对比使课本理论与实验操作密切结合;通过一机多用和硬件资源共享等，大大节约了实验室建设的资金。 总之，LabVIEW能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省时简便，深受用户青睐。与传统的编程语言比较，LabVIEW图形编程方式能够节省74,以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响，体现出了极高的效率。使用虚拟仪器产品，用户可以根据实际生产需要重新构筑新的仪器系统。 16 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 温度检测系统的设计 3.温度检测系统的建立 典型检测系统硬件构成框图见图3-1所示。其中信号调节的主要作用是使传感器输出信号与A,D转换器相适配。例如A,D转换的输入电平是0,5V，而传感器输出信号通常很小，这时必须采取放大以减小量化误差，放大器输出电平愈接近A,D输入的满标，相对误差也就愈小。如果传感器输出信号中或在传输过程中，混入了虚假成分，就需要进行滤波、压缩频带，用以降低采样率。另外，阻抗变换、屏蔽接地、调整与解调、信号线性化等等，皆属处理范畴。在信号调节的过程中，要将数字地与模拟地严格分开，同时在前置放大器的设计中要考虑阻抗匹配以或得最佳的信噪比输出。 为多种形式。本文重点考虑两种 考虑到虚拟仪器的特点，其硬件组成结构可 形式，即基于采集图3-1典型数据采集控制系统框图卡(DAQ)的硬件结构和基于串行设备管理形式的硬件结构。这两种结构个有其特点，后者适用于远程温度检测与控制及智能化的温度传感器，可视具体需要选择之。本章重点介绍温度检测系统的建立。图3-1为检测系统硬件构成框图。 传感器 信号调节 计算机 数据采集 图3-1 检测系统硬件构成框图 构建温度检测系统，主要包括以下要两方面。 1、系统的硬件设计及其技术 2、系统的软件设计及其调试 3.1硬件部分温度检测的设计思想 1、采用热电偶传感器。热电偶传感器具有价廉、精度高、构造简单、测量范围宽(通常从-50,+1600 ?)及反应快速的优点。热电偶传感器输出的电压信号较为微弱(只有几毫伏到几十毫伏)，因此在进行A,D转换之前必须进行信号调理，由高放大倍数的电路将它放大到A,D转换器，通常要求的伏特级电平。一般采用热电偶调理模板或调理模块来完成这项工作最为便捷。 2、采用NI公司生产的基于PCI总线的一种插卡式的数据采集卡PCI-1200数据采集卡，来完成信号A/D转换于计算机接口的作用。它支持单极性和双极性模拟信号输入，信号输入范围分别为-5V,+5V和0V,10V。提供16路单端/8路 17 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 温度检测系统的设计 差动模拟输入通道，2路独立的D/A输出通道它的采样速率可达到100KS/s。 3.2软件部分温度检测的设计思想 本系统利用热电偶来对温度进行数据采集，利用LabVIEW编程来实现数据采集板与PC机之间的串行通讯以及虚拟面板的设计，最后由PC机显示测量的温度。图3-2给出了数据采集系统结构框图，其中信号调节的主要作用是将传感器输出的信号与A,D转换器相匹配。A,D转换的输入电平一般为伏级，而传感器输出的信号通常很小，这时我们就必须采取放大措施来减小量化误差，相对误差也就减小了。如果传感器在输出信号和传输过程中混入虚假成分，就需要进行滤波。 传感器将被测信号转换为电信号 ? 数据采集卡采集模拟信号，转换为数字信号 ? 设备驱动程序将数字信号读入计算机 ? 在开发平台上设计信号测量流程和面板 图3-2 数据采集流程图 3.3软件部分温度检测的设计方法: 3.3.1标度变换 温度是一个普通而又十分重要的物理量，温度测试被广泛应用在工农业生产和科学研究当中。因此研究开发基于虚拟仪器技术的温度检测系统具有重要意义。 温度是国际单位制中七个基本物理量之一。人们的生产，生活和科研工作都和它密切相关。科学家对温度做了一个严格、科学的定义:温度是度量物体热平衡状态下冷热程度的物理量，它体现了物体内部微粒运动状态的特征。温度是强度量，代表着物质内在性质，这就增加了人们对温度的理解和准确测量的难度。早期人们以直感出发，凭感觉到的或接触到的冷热程度来区别温度的高低。用这种简单方法去认识温度，难以得出正确结论。随着热力学和统计物理学的兴起，人们对温度的理解由定性发展到定量，借助于测试手段和理论计算来揭示它的本质。 18 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 温度检测系统的设计 早在1750年，麦克斯韦(Maxwell)从理论上得出在平衡状态下物体的热力学温度和物体内部理想气体分子平均动能的关系: m T=v2 (3-3-1) 3k 其中T为热力学温度，m为气体分子质量，k为波尔兹曼常数，v为气体分子速率的平均值。 17世纪温度的使用单位比较混乱，曾出现用“摄氏度”，“华氏度”，“列氏度”等作为温度单位。为了统一温度量值，国际计量委员会为此召开多次大会，最终在1957年第十三届国际计量大会上规定:热力学温度(符号为T)是基本单位，其单位为开尔文(符号为K)，定义为水三相点单组分系(一种纯物质中有固相，液相和气相在平衡共存时的温度和压强称为三相点)热力学温度的l,263(15。由于历史原因，允许继续使用摄氏度作为温度单位，其符号仍为?。用这种方法表示的热力学温度称为摄氏温度(符号为t)，定义为: t=T-263.14K (3-3-2) 根据定义，温度差可以用开尔文表示，也可用摄氏度表示。虽然有了温度单位定义，但并没解决温度测量方法的问题。为了定量地描述温度，必须要有能衡量温度高低的方法。通常将能用来表示温度数值的方法称为温标?。 1737年开尔文以热力学第二定律为基础引出了与洲温物质无关的热力学温标。l943年第l0届国际计量大会决定采用水的三相点作为热力学温标的基本固定点，此温标的表达式为: Q1 T= 263.15K (3-3-3) Q2 其中Q1，Q2是与工作物质有关的两个热量。这种温标的最大特点是与选用的温度介质无关，克服了经验温标随测温介质而变的缺陷，故称它为科学的温标或绝对热力学温标。从此所有的温度测量都以热力学温标作为基础。 对于同一物理量，用不同的传感器测量得到的不同的电压信号，或者是对于不同的物理量，不同的传感器测量得到的相同的电压信号，为了显示正确的物理量，就需要进行标度转换。 因为被测对象的各种数据的量纲与A/D转换的输入值是不一样的。例如，温度的单位为?，压力单位为Pa，频率的单位为Hz，流 3m量的单位/h等等。这些参量并不等于原来带有量纲的参数值，必须把它转化成带有量纲的数值后才能计算。一般的线性系统的标度变换公式为: ,M,A,MMAMX0X0X0A=A+(A,A) (3-3-4)作变换得: = (3-3-5) X0n0 M,M A,A M,Mn0n0n0 19 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 温度检测系统的设计 AAn0其中: --测量仪表量程的上限 ;--测量仪表量程的下限; MMn0 --仪表上限所对应数字量;--仪表下限所对应的数字量; Mx --测量值所对应的数字量; 3.3.2 数据采集子程序(SubVI)设计 LabVIEW图形编程语言中的基本编程单元是VI，VI包括三个部分:前面板(FrontPanel)，框图程序(Blcok Diagram)以及图标(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(Indicators)。当把一个控件或指示器放到前面板上时，框图上相应地放置一个端子(Terminals)，这个端子不能随意被删除。用户可以使用多个图标，如旋钮，开关，按钮，图表，文本框，图形等等。其显示和控制以各种图标形式出现在前面板上。图3-3是一个虚拟温度测量仪前面板(Thermometer VI)。该面板通过对一个模拟温度计实时显示温度的大小，并接入一个布尔量开关(OFF,ON)可以对采集过程加以控制。旁边绿色的为一个预警信号，当温度超过某个预设的温度值时，该警示灯变亮。 图3-3 虚拟温度测量仪前面板 20 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 温度检测系统的设计 模-数转换线形放大 温度表 温度传感器 图3-4 虚拟温度的示意图 如图3-4所示是计算机虚拟温度的示意图，温度传感器的信号通过A,D转换输入计算机，计算机内进行给定的函数运算，输出形式可以由使用者选定，要么选定为温度计，要么选定为指针式仪表，指针的刻度可以任选。运行时，显示器上就会出现一个温度计，它就会随着传感器上检测到的温度而变化。这个温度计并不存在，用计算机模拟的这个温度计仅是虚拟仪器的一种。数据的采集离不开数据采集板。数据采集板的基本任务是对产生的物理信号进行提取和测量。但是要使计算机系统能够测量物理信号，必须要使用传感器把物理信号转换成电信号，本系统使用的是热电偶。由于由传感器输出的电信号通常很弱，并且可能包含大量的噪声信号，所以要有信号调节装置，将信号进行一定的处理。总之，温度数据的采集是借助软件来控制整个数据采集系统，包括采集原始数据，分析数据，给出结果等。 3.4小结 本章详细介绍了温度检测系统的构建，主要包括硬件与软件的设计思想与方法。在硬件部分介绍了热电偶传感器及数据采集卡PCI-1200数据采集卡，在软件部分则介绍了用LabVIEW来实现对温度数据的采集的方法。 21 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 基于LabVIEW的温度数据处理 4.基于LabVIEW的温度数据处理 在本论文中，我们对温度数据的处理主要包括以下几部分: (1)当前温度的数值显示 (2)温度的图形显示 (3)温度报警系统的建立 4.1温度数据的显示 在温度系统中，温度的实时显示是非常重要的。无论温度的值过高或者过低都会直接影响产品的数量与质量。而及时反应温度数据情况则可以把温度对产品数量与质量的不良影响降到最低。使用LabVIEW显示温度数据，主要是使用波形图表的方式。在LabVIEW中，波形图表是一种特殊的指示器，它位于控件选项板下的图形子选项板中，如图4-1所示。波形图表也可以在控件—经典—经典图形选项板中找到。 (a) 22 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 基于LabVIEW的温度数据处理 (b) 图4-1图表和图形位于控件选项板下的经典图形子选项板中 虽然只有一种类型的波形图表，但在交互式数据显示中却有三种更新模式—示波器图表、条形图表和扫描图表。在波形图表上弹出快捷菜单，用户就可以从高级—刷新模式菜单中选择所需的更新模式。而示波器图表、条形图表和扫描图表处理数据时略有不同。条形图表有一个滚动显示屏，当新的数据到达时，整个曲线会向左移动—最原始的数据点移出视野，而最新的数据将会添加到曲线的最右端。这一过程与实验中常见的纸带记录仪的运行方式非常相似。 示波器图表、扫描图表与示波器的工作方式十分相似。当数据点多到足以使曲线到达示波器图表绘图区域的右边界时，将擦除整个曲线，并从绘图区的左侧开始重新绘制。扫描图表与示波器图表非常相似，不同之处在于当曲线到达绘图区的右边界时，不是将旧曲线擦除，而是用一条移动的竖线标记新曲线的开始，并随着新数据的不断添加在绘图区中逐渐移动。示波器图表和扫描图表比条形图表运行得更快。 总的说来，用图形的形式显示测试数据与分析结果，可以看出被测试对象的 23 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 基于LabVIEW的温度数据处理 变化趋势，使虚拟仪器的前面板变得更加直观。用图形显示对于虚拟仪器面板设计是一个重要的内容，LabVIEW为此提供了两类图形显示控件，即波形Chart(波形图表)与波形Graph(波形图)。 一般来说波形Chart是将数据源(采集到的数据)在某一坐标系中实时、逐点(或一次多点)地显示，周期性的刷新显示区，并将数据存储在一块缓冲区内，这个缓冲区的大小默认值是1023个数据，这个值可以在Chart History Length 中进行修改。它可反映被测物理量的变化趋势。 而波形Graph则是对己采集数据进行事后处理的结果，它将传递给它的数据一次全部显示在曲线描绘区中，新的数据到达时将原来的数据全部刷新。它是事先将被采集数据存放在一个数组之中，然后根据需要组织成所需的图形显示出来。即先得到所有需要显示的数据存放在一个数组之中，然后根据需要组织成所需的图形显示出来。也就是先得到所有需要显示的数据，再根据实际要求将这些数据组织成所需的图形一次性显示出来，即一块、一块地描绘数据。 与波形Chart相比，波形Graph的缺点是没有实时显示，但是它的表现形式要丰富得多。波形Graph可以设置自动刻度和固定刻度，而Chart的横坐标初值与终值是随着数据的刷新不断变化的。 总的说来，波形Graph在接收到新数据时，先把已有数据曲线完全清除，然后根据新数据重新绘制整条曲线，表现形式较波形Chart丰富得多，但是它不如波形Chart的地方是不能够保存旧数据。但是波形Chart的表现形式则非常有限。二者各有利弊。 一般来说，对历史数据的处理采用波形Chart，而对实时数据则用波形Graph。 用波形图表表示的温度如图4-2所示(横轴为时间，纵轴为温度): 图4-2 波形图表表示 24 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 基于LabVIEW的温度数据处理 在运行过程中，我们可以看到，波形Chart，随着时间的变化，横坐标也在不断变化，并且在程序运行过程中，温度数据是随着时间的推移在实时变化的。 4.2温度的图形显示程序框图 使用温度的条形图表统计可以很清楚的知道温度数据的分布情况，以便更好的满足生产需求。温度的条形图表统计程序框图如图4-3其中用到了条件结构: 图4-3 温度的图形显示程序框图 4.3温度报警系统的建立 我们在文章的开头就已经提到，温度过高会直接造成产品的质量问题，因此把温度限定在一个合理的范围就显得非常的重要。如图4-4所示，温度报警程序的框图与前面板。当温度过高时指示灯会亮。 (a)温度报警程序的框图 25 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 基于LabVIEW的温度数据处理 (b)温度报警程序的前面板 图4-4 温度报警的程序框图和前面板 4.4整个温度测控系统的演示 整个温度测控系统的主界面只有一个屏，它充分利用了计算机在运算、显示、存储、回放、调用等方面的功能构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分结合PC机优点的全新仪器系统。其中仪器的按键功能和面板、控件都是由软件形成的，因此整个温度测控系统的监控界面就是一个典型的虚拟仪器。它可以实现对温度数据的实时采集与显示，温度报警系统的建立等许多功能。 如图4-5示，就是温度检测系统显示的界面及温度检测系统的程序框图，各个子模块分别实现了温度检测系统的各项功能。在程序运行过程中，我们可以看到温度的实时显示过程。还可以很直观的看到整个温度数据分布的情况。使用这一个界面就能很好的实现整个检测系统的功能。从这也可以看出LabVIEW强大的数据处理功能。 26 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 基于LabVIEW的温度数据处理 a) b) 图4-5 a)温度检测系统的显示界面 b)温度检测系统的程序框图 27 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 基于LabVIEW的温度数据处理 4.5小结 本章主要介绍了温度检测系统对数据采集实现的几个主要的功能:当前温度的实时显示、温度报警系统的建立等等，充分显示了LabVIEW强大的数据处理功能。整个系统界面直观，让人一目了然。 28 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 仿真结果分析 5.仿真结果分析 5.1温度的实时显示 如图5-1(a)所示为温度温度计显示,图5-1(b)所示为温度数据的波形显示: (b) (a) 图5-1(a)温度温度计显示 (b)温度数据的波形显示 在图5-1中，我们显示了温度数据的采样值。温度不同于电流、转速，它是一个变化较慢的量。本系统的温度数据为随机量。 5.2小结 本章主要介绍了温度检测统对数据采集的温度实现了实时显示的功能，直观的现实温度变化。完成论文要求。 29 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 结论 6.结论 本文设计了基于虚拟仪器的温度检测系统，它是由随机数值、温度采集模块、温度显示模块构成的一套简单的虚拟仪器测试系统。采用图形化的编程语言LabVIEW进行测试软件开发，设计出操作简单、可靠性高、可维护性好、且具有交互式图形界面的虚拟仪器测试系统。 本文在温度检测系统设计方面的主要研究成果是: 1、使用LabVIEW实现了温度数据的采集与处理。 2、实现了温度采集数据过程中的简单控制。 6.1需改进的地方 随着论文课题的深入开展，我深切感受到需要学习的知识还有许多。温度采集检测系统可以进行以下功能扩展，实现对温度的分析更精确。 1、在实际生产过程中，一般都需要多台计算机，可以考虑把温度检测系统的研究成果运用于网络的监测监控。 2、把LabVIEW 应用于温度测量和控制，加以对程序的编辑，可以实现对温度的采集精度更为精密。 3、在LabVIEW中运用PID算法，适当的选取PID参数，可以使温度检测系统更为稳定、快速、准确。 30 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 致谢 致 谢 本论文是在导师王晓荣的亲切关怀和悉心指导下完成的，导师渊博的学识、严谨的治学态度以及在新领域不断探索所的精神将使作者终生受益!在学习期间，作者不仅从王老师那里学到了专业知识技能和思考问题的方法，还学到了刻苦钻研的科研精神和积极进取的人生态度。她谦虚无私的高尚品质、朴实真诚的做人准则、还有一丝不苟的敬业精神都将使学生终生受益。在本课题的研究过程中，导师在学习和生活中给予了许多无私的帮助，付出了大 老师表示衷心的感谢，并致以崇高的敬意! 量的心血，在论文完成之际，特向王晓荣 衷心感谢东华理工长江学院的老师们，他们无私的奉献精神，优秀的人格魅力都将使我在知识上、生活上更上一层。 特别感谢我的父母、家人和朋友，是他们的鼓励、支持、教导和培养，使我完成了学业。 衷心感谢在百忙之中参与论文评阅、评议和参加答辩的各位专家、教授。 31 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 参考文献 参考文献 [1]雷勇(虚拟仪器设计与实现(北京:电子工业出版社2004(3 [2]戴鹏飞等测试工程与LabVIEW应用 北京:电子工业出版社2005(4 [3]雷振山(LabVIEW 7 Express实用技术[M](北京:中国铁道出版社(2004(254-265 [4]刘君华(基于LabvIEw的虚拟仪器设计[M](北京:电子工业出版社，2003(53-110 [5]曹玲芝主编(现代测试技术及虚拟仪器[M](北京:北京航空航天大学出版社，2004(18-20 [6]王江峰，张晓力(虚拟仪器的现状与发展[J].北京工商大学学报(自然科学版).2002，20(4):39-42 [7]张爱平(LabVIEW入门与虚拟仪器.电子工业出版社,2004. 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