基于虛擬儀器的電阻爐溫度控制系統設計畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 為現代測試系統發展的主流。虛擬儀器沒有常規儀器的控制面板，而是利用計算機強大的圖形環境，在計算機屏幕上建立圖形化的虛擬面板來代替常規的儀器控制面板。軟面板上具有與實際儀器相似的旋鈕、開關、指示燈及其它控制部件。用戶通過鼠標或鍵盤操作虛擬面板，檢驗儀器的通信和操作。在系統集成后，對被測對象進行數據采集、分析、存儲、顯示，組建自己所需要的儀器。用戶不必要編寫測試文本程序，即可進行測試、測量，實 現了測試和自動化、智能化，體現了“軟件就是儀器”。如今，隨著電測技術以及網絡技術的發展，儀器技術必將沿著虛擬儀器方向發展。 內蒙古科技大學畢業設計說明 書（畢業論文） 5 虛擬儀器的特點 虛擬儀器是計算機技術介入儀器領域所形成的一種新型的、富有生命力的儀器種類。在虛擬儀器中計算機處于核心地位，計算機軟件技術和測試系統更緊密的結合，形成了一個有機整體，使得儀器的結構概念和設計觀點等都發生了突破性的變化。從構成和功能上來說，虛擬儀器就是利用現有的計算機，配上相應的硬件和專業軟件，形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒有的特殊功能的高檔低價的新型的 儀器 ； 從形式上來說，虛擬儀器面板 (即軟面板 )，可以有效地提高儀器的使用效率。虛擬儀器特點可以歸結為以下四個方面 ： (l)豐富和增強了傳統儀器的功能。虛擬儀器將信號分析，顯示，存儲，打印和其他管理集中交由計算機來處理，充分利用了計算機的強大的數據處理，傳輸和發布能力，使得組建系統變得更加靈活、簡單。 (2)突出“軟件就是儀器’的概念。傳統儀器的某些硬件在虛擬儀器中被軟件代替，由于減 少了許多隨時間可能漂移、需要定期校準的分立式模擬硬件，加上標準 總線的使用，使儀器的測量精度、測量速度和可重復性都大大提高。 (3)儀器由 用戶自己定義。虛擬儀器通過提供給用戶組建自己儀器的可重用源代碼庫，可以很方便地修改儀器功能和面板，設計儀器的通信、定時和觸發功能，實現與外設，網絡及其他應用的連接，給用戶一個充分發揮自己能力和想象力的空間。 (4)開放的工業標準。虛擬儀器硬件和軟件都制定了開放的工業標準，因此用戶可以將儀器的設計、使用和管理統一到虛擬儀器標準，使資源的可重復利用率提高，功能易于擴展，管理規范，生產，維護和開發費用降低。 (5)便于構成復雜的測試系統，經濟性好。虛擬儀器既可以作為測試儀器獨立使用，又可以通過告訴計算機網絡構成復雜的 分布式測試系統，進行遠程測試、監控與故障診斷。此外，用基于軟件體系結構的虛擬儀器代替基于硬件體系結構的傳統儀器，還 可以大大節約儀器的購買和維護費用。 虛擬儀器的組成 虛擬儀器 (VI)一般由通用計算機 (PC 機 )、數據采集卡及軟件系統組成。它充分利用PC 機豐富的軟硬件資源快速建立數據采集應用系統，通過數據采集卡從外界采集各種信號，對信號進行實時存儲、實時顯示及離線分析。這是一個由通用儀器硬件平臺 (由計算機和數據采集卡組成，簡稱硬件平臺 )和應用軟件組成的復雜系統。 (l)通用儀器硬件平臺 。 虛擬儀器的硬件平臺 由 一臺通用計算機和 I/O 接口設備構成。其中， I/O 接口設內蒙古科技大學畢業設計說明 書（畢業論文） 6 備完成被測信號的采集、放大、模 /數轉換等。可以根據實際的情況采用不同的 I/O 接口硬件設備，如數據采集卡 (DAQ)、 GPIB 總線儀器、 VXI 總線儀器、 PXI 總線儀器、串口儀器等。虛擬儀器的構成方式主要有五類。① PC 一 DAQ 系統 ： 是以數據采集板、信號調理電路和計算機為儀器硬件平臺組成的插卡式虛擬儀器系統。采用 PCI 計算機本身的總線，故將數采卡 (DAQ)插入計算機的空槽中即可。② GPIB 系統 了： 以 GPIB 標準總線儀器與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統 。③ VXI 系統 :以 VXI 標準總線儀器模塊與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統。④ PXI 系統 :以 PXI 標準總線儀器模塊與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統。⑤串口系統 :以 Serial標準總線儀器與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統。無論上述那種 Vl 系統，都是通過應用軟件將儀器硬件與通用計算機相結合。其中， PCDAQ 系統是構成Vl 的最基本的方式，也是最廉價的方式。 (2)虛擬儀器的軟件開發平臺 。 虛擬儀器的核心是軟件，軟件開發平臺的水平在很大程度上代表了虛擬儀器的水平。虛擬儀器軟件由兩大部 分構成 ： 應用程序和 1/0 接口儀器驅動程序。隨著計算機技術和軟件技術的飛速發展，各種專用儀器開發系統的功能也越來越強大和完善。以美國 Nl 公司的軟件產品LabVIEW 和 LabWindows/CVI 為代表的虛擬儀器專用開發平臺是當前流行的集成開發工具。這些軟件開發平臺提供了強大的儀器軟面板設計工具和各種數據處理工具，再加上虛擬儀器硬件廠商提供的各種硬件驅動程序模塊，大大地簡化了虛擬儀器設計工作。隨著軟件技術的迅速發展，軟件開發的模塊化、復用化，對各種硬件儀器的驅動軟件模塊化、標準化，將使 虛擬儀器軟件開發變得更加方 便。 虛擬儀器的開發平臺 — LabVIEW LabVIEW 是一種圖形化的編程語言，它是由美國 NI 公司推出的虛擬儀器開發平臺，也是目前應用最廣、發展最快、功能最強的圖形化軟件集成開發環境。它把復雜的語言編程簡化成用圖形編程的方式，為編程的調試提供了簡單方便的環境，同時集成了大量的生成圖形界面的模塊，豐富的數值分析與處理功能。 LabVIEW 是一個帶有擴展功能庫和子程序庫的通用程序設計系統。其開發環境下提供的應用程序有 180 多種，除了具備其它語言所提供的常規函數功能和上述的生成圖形界面的大 量模板外，內部還包 括許多特殊的功能庫函數和開發工具庫以及多種 設備驅動功能。 LabVIEW 作為一種強大的虛擬儀器開發平臺，被視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件。它集成了 GPIB， VXI，內蒙古科技大學畢業設計說明 書（畢業論文） 7 PXI， RS232和 RS485協議以及數據采集卡通訊的全部功能，還內置了便于應用 TCP/IP，ActiveX 等軟件標準的庫函數。 LabVIEW 的程序包括前面板 (FrontPanel)、流程圖(BlockDiagram)以及圖標 /連接器三部分。 LabVIEW 簡化了虛擬儀器系統的開發過程，縮短了系統的開發和調試周期，它讓用戶從煩瑣的計算機代碼 編寫中解放出來，把大部分精力投入系統設計和分析當中，而不再拘泥于程序細節。 LabVIEW 是一個面向最終用戶的工具，它可以增強用戶構建自己的科學和工程系統的能力，提供了實現儀器編程和數據采集系統的便捷途徑，使用它進行原理研究、設計、測試并實現儀器系統時，可以大大提高工作效率，其主要特點可歸納為如下幾點 ： (l)簡單的方案 。 即使沒有多少編程經驗，仍可以方便的使用 LabVIEW，因為它使用“所見即所得”的可視化技術建立人機界面，提供大量的儀器面板中的控制對象。此外， LabVIEW 按其易用的方式將復雜的任務包裝起來， 從而 使 復雜任務得到簡化。先進的 ActiveX 技術融合了簡單的拖動編程方法，儀器控制和數據采集在開發向導的引導下變得十分簡單，使用戶十分容易地開發自己的儀器，并將其立即投入使用。 (2)靈活的儀器將 LabVIEW 與一般的數據采集及儀器加以組合，可以設計出靈活的虛擬儀器，并可以隨時將儀器系統移植到最適用的平臺上使用。 (3)方便的程序調試具有一些專用程序開發箱，可以在源代碼中設置斷點，單步執行源代碼，高亮顯示，連線上設置探針，動態執行程序，觀察程序運行過程中數據流的變化。 (4)完整的開發環境 LabVIEW 軟件包中包 含了功能強大的數據采集、分析和表達的能力，使用戶可以在該平臺上實現一個完整的解決方案。另外，它還有一個多線程和用于最大限度提高系統性能的優化圖形編輯器。這樣，不僅簡化了開發過程，而且可生成按編譯速度執行的可復用代碼。此外， LabVIEW 還可以生成在沒有 LabviEw 編程環境的目標機器上運行可執行的代碼。 (5)快速開發的 LabVIEW 為用戶提供了實現儀器編程和數據采集系統的便捷途徑。通過儀器驅動程序可以與大多數儀器進行通訊。用戶不必學習各種儀器的低級編程協議，從而簡化了儀器的控制，縮短了開發時間，提高了生產效 率。 (6)開放的平臺提供的 DLL 接口和 CIN 接口節點，使用戶能在它的平臺上使用其它應用軟件編譯的模塊，能調用 C 語言程序、 Matlab 程序及已存在的 DLL 庫函數，是一個開放的平臺。 LabVIEW 的程序構成 LabVIEW 的程序由前面板 (frontpanel)和流程圖 (bloekdiagram)兩部分組成，整個程序內蒙古科技大學畢業設計說明 書（畢業論文） 8 是基于多線程的設計，前面板和流程圖各占用一個線程。前面板是 LabVIEW 程序的圖形用戶接口，此接口集成了用戶輸入，并顯示程序的輸出，相當于傳統儀器的面板。前面板包括旋鈕、按鈕、圖形和其它的控 制 (controls)與顯示對象 (indieators)。流程圖包括虛擬儀器程序的圖形化源代碼。在流程圖中對 VI 進行編程，以控制和操作定義在前面板上的輸入和輸出功能。流程圖包括內置于 LabVIEW VI 庫中的函數 (functions)和結構(stoctures)，還包括與前面板上的控制對象、顯示對象對應的連線端子 (terminals)。 虛擬儀器與傳統儀器的比較 虛擬儀器與傳統儀器相比，最直觀的區別就是與用戶進行交互的面板。傳統儀器的面板只有一個，其上布置著種類繁多的顯示與操作元件，容易導致許多識別與 操作錯誤。虛擬儀器與之不同，它可以通過在幾個分面板上的操作來實現比較復雜的功能。這樣，在每個分面板上就可以實現功能操作的單純化與面板布置的簡潔化，從而提高操作的準確性和便捷性。同時，虛擬儀器面板上的顯示元件和操作元件的種類與形式不受“標準件”和“加工工藝”的限制，他們是由編程來實現的，設計者可以根據用戶的認知要求和操作要求，設計儀器面板。 表 虛擬儀器與傳統儀器比較 虛擬儀器 傳統儀器 開發和維護費用低 開發和維護開銷大 技術更新時間短（ 12 年） 技術更新周期長（ 510 年） 軟件是關鍵，系 統性能升級方便，通過網絡下載升級程序即可 硬件是關鍵，升級成本高 價格低廉，儀器資源可重復利用率高 價格 較昂貴，儀器資源重復利用率低 用戶可自定義儀器功能，并且可以根據實際情況更改 只有廠商能定義儀器功能，一旦定義好以后就難以更改 可通過網絡連接其他儀器，實現資源共享或協同工作 功能一般比較單一，只能連接有限的獨立設備 開放性好、比較靈活，可與計算機技術保持步發展 開放性差，利用新技術為自己服務的速率低 內蒙古科技大學畢業設計說明 書（畢業論文） 9 從表可以看出與傳統儀器相比，虛擬儀器具有絕對的優勢。決定虛擬儀器具有傳統儀器不可能具有的特點的 根本原因在于“虛擬儀器的關鍵是軟件”。虛擬儀器在性價比、靈活性以及用戶使用方便方面，具有傳統儀器不可比擬的優勢。以一臺高性能儀器為例，用戶可以裝配一臺裝有基于硬件和軟件部分的個人計算機系統，為專門的應用軟件設計虛擬儀器。硬件部分可以是插入式主板、外圍儀器，或者兩者的結合。在任何一種情況下，軟件界面可按照用戶的需求進行設計，以使用戶操作方便和快捷。用戶可以通過虛擬儀器來簡化一臺復雜的獨立儀器的操作，虛擬儀器也可以只作為集中控制儀器的一個部分，只實現其中的一部分功能，其使用是相當靈活的。如今， 許多插卡式的數據采 集主板同時還設置了技術先進的直接存儲器存取 時以及兼容于多種主板的觸發功能，增強了主板之間的同步性和信號結 合性。這些技術上的進步，再加上操作系統功能和計算機體系結構方面的發展，己經使得個人電腦具有并行處理的能力，從而可以成為更加先進的儀器和數據采集應用程序的平臺。然而，技術的進步是以復雜性的提高為代價的，比起使用具有類似功能的一臺獨立儀器，用戶必須具備更多有關硬件方面的知識。虛擬儀器軟件對于將這些技術尖端的硬件組成變成實際可用的儀器系統是必不可缺的。 虛擬儀器的應用 虛擬儀器技術的優勢在于可由用戶自己定 義儀器系統功能，且定義的功能也比較靈活，也很容易構建，所以應用面極為廣泛。尤其在科研、開發、測量、檢測、計量、測控等領域更是不可多得的好工具。虛擬儀器技術先進，十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發展趨勢，因而常被稱作“軟件儀器”。它功能強大，可實現示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號校正器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭和軟件還可以檢測特定系統的參數，如汽車發動機參數、汽油標號、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數等多種數據 ； 它操作靈活，完全圖形化界面，風格簡約，符合傳統設備的使用習慣，用戶不經培訓即可迅速掌握 操作規程 ； 它集成方便不但可以和高速數據采集設備構成自動測量系統，而且可以和控制設備構成自動控制系統。虛擬儀器技術作為計算機技術與儀器技術相結合的創新技術，應用前景十分廣泛。從總體上而言，虛擬儀器是測量測試領域的一個創新概念，改變了人們對儀器的傳統觀念，適應了現代測試技術的網絡化、智能化發展趨勢。虛擬儀器技術應用方式多種多樣，下面主要針對虛擬儀器技術在工業自動化，儀器制造和實驗室方面的應用前景和效益進行分析。 內蒙古科技大學畢業設計說明 書（畢業論文） 10 工業自動化 。 我國工業基礎比較落后，工業自動化程度遠不能滿足市場經濟快速發展的要求。制約工業