【正文】 卡 三個(gè)數(shù)據(jù)采集卡將溫度傳感器輸送的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào) 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)?shù)字信號(hào)讀入計(jì)算機(jī) 在開發(fā)平臺(tái)上設(shè)計(jì)信號(hào)測(cè) 量流程和面板 控制空調(diào)設(shè)備進(jìn)行反饋控制溫度 基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 4 第 2 章 LABVIEW 虛擬儀器簡(jiǎn)介 虛擬儀器 概念 LabVIEW 是一個(gè)基于圖形化編程語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。本文重點(diǎn)介紹了虛擬儀器的界面， LabVIEW 應(yīng)用，并設(shè)計(jì)了一個(gè)基于虛擬儀器的溫度 監(jiān)測(cè) 和控制系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)開發(fā)過程中數(shù)據(jù)的采集 和軟硬件的設(shè)計(jì)，虛擬儀器設(shè)備可以由使用者自己定義，這意味著可以自由地組合計(jì)算機(jī)平臺(tái)，硬件 、 軟件 、 以及各種實(shí)現(xiàn)應(yīng)用所需要的附件。這種靈活性在由供應(yīng)商定義，功能固定 、 獨(dú)立的傳統(tǒng)儀器上是很難達(dá)到的。常用的數(shù)字萬用表，示波器，信號(hào)發(fā)生器，數(shù)據(jù)記錄儀，以及溫度和壓力監(jiān)控儀器就是這種傳統(tǒng)儀器的代表。從傳統(tǒng)儀器設(shè)備向虛擬儀器設(shè)備的轉(zhuǎn)變，為現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)帶來了更多實(shí)際的利益，同時(shí)也促進(jìn)著實(shí)驗(yàn)手段不斷更新。 虛擬儀器技術(shù)，就是用戶在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，根據(jù)測(cè)試任務(wù)的需要來定義和設(shè)計(jì)的測(cè)試功能，其實(shí)質(zhì)是充分利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò) 展傳統(tǒng)儀器的功能，軟件就是儀器反映了虛擬儀器技術(shù)的本質(zhì)特征，美國(guó)國(guó)家儀器公司生產(chǎn)的 NILABVIEW 是目前最為成功，應(yīng)用最為廣泛的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)，它是一種基于 G 語言的 32 位編譯型圖形化編程語言，其圖形化界面可以方便的進(jìn)行虛擬儀器的開發(fā)，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，需要對(duì)溫度測(cè)量和控制的場(chǎng)合越來越多，測(cè)量溫度方法也是多種多樣的 。 LabVIEW 是圖形化開發(fā)環(huán)境 ,它具有功能強(qiáng)大、編程效率高、界面友好、參數(shù)修改方便等優(yōu)點(diǎn) ,同時(shí)它在功能完整性和應(yīng)用靈活性上也不遜于任何高級(jí)語言 VI 技術(shù)也表明目前測(cè)試儀器領(lǐng)域的發(fā)展方向， LabVIEW 是一種功能強(qiáng)大的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)。 虛擬儀器特點(diǎn) 與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有高效、開放、易用靈活、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、可操作性好等明顯優(yōu)點(diǎn)，具體表現(xiàn)為： 智能化程度高，處理能力強(qiáng) 。 虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件水平。用戶完全可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，將先進(jìn)的信號(hào)處理算法、人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)應(yīng)用于儀器設(shè)計(jì)與集成，從而將智能儀器水平提高到一個(gè)新的層次。 復(fù)用性強(qiáng)，系統(tǒng)費(fèi)用低應(yīng)用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構(gòu)造多種不同功能的測(cè)試分析儀器，如同一個(gè)高速數(shù)字采樣器 ，可設(shè)計(jì)出數(shù)字示波器、邏輯分析儀、計(jì)數(shù)器等多種儀器。這樣形成的測(cè)試儀器系統(tǒng)功能更靈活、更高效、更開放、系統(tǒng)費(fèi)用更低。通過與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接，還可實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享，更好地發(fā)揮基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 5 儀器的使用價(jià)值。 可操作性強(qiáng)，易用靈活 虛擬儀器面板可由用戶定義，針對(duì)不同應(yīng)用可以設(shè)計(jì)不同的操作顯示界面。使用計(jì)算機(jī)的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡(jiǎn)便、易于理解，測(cè)量結(jié)果可以直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。測(cè)量完后還可打印、顯示所 需的報(bào)表或曲線，這些都使得儀器的可操作性大大提高而且易用、靈活。 虛擬儀器構(gòu) 成 虛擬儀器的構(gòu)建主要從硬件電路的設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)與設(shè)計(jì) 2個(gè)方面考慮。 硬件電路的設(shè)計(jì)主要根據(jù)用戶所面對(duì)的任務(wù)決定，其中接口設(shè)計(jì)可選用的接口總線標(biāo)準(zhǔn)包括GPIB 總線、 VXI 總線等。推薦選用 VXI 總線。因?yàn)樗哂型ㄓ眯詮?qiáng)、可擴(kuò)充性好、傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)以及良好的開放性能等優(yōu)點(diǎn)，因此自 1987 被首次推出后迅速得到各大儀器生產(chǎn)廠家的認(rèn)可，目前 VXI 模塊化儀器被認(rèn)為是虛擬儀器的最理想平臺(tái)，是儀器硬件的發(fā)展方向。由于 VXI 虛擬儀器的硬件平臺(tái)的基本組成是一些通用模塊和專用接口。因此硬件電路的設(shè)計(jì)一般可以選擇用現(xiàn)有的 各種不同的功能模塊來搭建。通用模塊包括：信號(hào)調(diào)理和高速數(shù)據(jù)采集；信號(hào)輸出與控制；數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理。這3部分概括了數(shù)字化儀器的基本組成。將具有一種或多種功能的通用模塊組建起來，就能構(gòu)成任何一種虛擬儀器。例如使用高速數(shù)據(jù)采集模塊和高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊就能構(gòu)成 1 臺(tái)示波器、 1 臺(tái)數(shù)字化儀或 1臺(tái)頻譜分析儀；使用信號(hào)輸出與控制模塊和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊就能構(gòu)成 1 臺(tái)函數(shù)發(fā)生器、 1臺(tái)信號(hào)源或 1臺(tái)控制器。專用接口是針對(duì)特定用途儀器需要的設(shè)計(jì)，也包括一些現(xiàn)場(chǎng)總線接口和各類傳感器接口。系統(tǒng)的主要硬件包括控制器、主機(jī)箱和儀器模塊。常用的控制 方案有 GPIB 總線控制方式的硬件方案、 MXI 總線控制方式的硬件方案、嵌入式計(jì)算機(jī)控制方式的硬件方案 3 種。 VXI儀器模塊又稱為器件。 VXI 有 4種器件：寄存器基器件、消息基器件、存儲(chǔ)器器件和擴(kuò)展器件。存儲(chǔ)器器件不過是專用寄存器基器件，用來保存和傳輸大量數(shù)據(jù)。擴(kuò)展器目前是備用件，為今后新型器件提供發(fā)展通道。將 VXI 儀器制作成寄存器基器件還是消息基器件是首先要做出的決策。寄存器基器件的通信情況極像 VME 總線器件 ， 是在低層用二進(jìn)制信息編制程序。他的明顯優(yōu)點(diǎn)在于速度寄存器基器件完全是在直接硬件控制這一層次上進(jìn)行通信的。 這種高速通信可以使測(cè)試系統(tǒng)吞吐量大大提高。因此，寄存器基器件適用于虛擬儀器中信號(hào) /輸出部分的模塊（如開關(guān)、多路復(fù)用器、數(shù) /模轉(zhuǎn)換輸出卡、模 /數(shù)轉(zhuǎn)換輸入卡、信號(hào)調(diào)理等）。消息基器件與寄存器基器件不同，他在高層次上用 ASCII 字符進(jìn)行通信，與這種器件十分相似是獨(dú)立 HPIB 儀器。消息基器件用一組意義 明 確的 “ 字串行協(xié)議 ” 相互進(jìn)行通信，這種異步協(xié)議定義了在器件之間傳送命令和數(shù)據(jù)所需的掛鉤要求。消息基器件必須有 CPU（或 DSP）進(jìn)行管理基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 6 與控制。因此，消息基器件適用于虛擬儀器中數(shù)字信號(hào)處理部分的模塊。 軟件的開發(fā)與設(shè) 計(jì)包括 3部分： VXI 總線接口軟件、儀器驅(qū)動(dòng)軟件和應(yīng)用軟件 （軟面板）。 “ 軟面板 ” 設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)具有可變性、多層性、自助性、人性化的面板，這個(gè)面板應(yīng)不僅同傳統(tǒng)儀器面板一樣具有顯示器、 LED、指針式表頭、旋鈕、滑動(dòng)條、開關(guān)按鈕、報(bào)警裝置等功能部件，而且應(yīng)還具有多個(gè)連貫操作面板、在線幫助功能等 。 VXI 總線接口軟件由零槽控制器提供，包括資源管理器、資源編輯程序、交互式控制程序和編程函數(shù)庫等。該軟件在編程語言和 VXI 總線之間建立連接，提供對(duì) VXI背板總線的控制和支持，是實(shí)現(xiàn) VXI 系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)。 儀器驅(qū)動(dòng)程序是完成對(duì) 某一特定儀器的控制與通信的軟件程序，也即模塊的驅(qū)動(dòng)軟件，他的設(shè)計(jì)必須符合 VPP 的 2 個(gè)規(guī)范，即 《儀器驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)和模型》和 《儀器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)規(guī)范》。 的安裝 Labview 如何安裝是我們先要解決的問題，下面是我安裝的截圖，這樣可以系統(tǒng)的反應(yīng)出我們的安裝過程。 圖 基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 7 圖 圖 基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 8 圖 圖 LABVIEW啟動(dòng) 安裝完畢后，重啟計(jì)算機(jī)，即可使用 labview 軟件完成設(shè)計(jì)， 執(zhí)行功能。 然后再?gòu)男聠?dòng)，進(jìn)行新建。 基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 9 LABVIEW 簡(jiǎn)介 LabVIEW 是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器（ NI）公司研制開發(fā)的，類似于C和 BASIC 開發(fā)環(huán)境，但是 LabVIEW 與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而 LabVIEW 使用的是圖形化編輯語言 G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。 與 C 和 BASIC 一樣， LabVIEW 也 是通用的編程系統(tǒng)，有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫。 LabVIEW 的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、 GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) ，等等。 LabVIEW 也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置 斷點(diǎn) 、以動(dòng)畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子 VI）的結(jié)果、單 步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。 LabVIEW（ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標(biāo)代替文本 創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而 LabVIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了 VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。 VI指虛擬儀器， 是 LabVIEW 的程序模塊。 LabVIEW 提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建 用戶界面 。用戶界面在 LabVIEW 中被稱為前面板。使用圖標(biāo)和連線，可以通過編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行控制。這就是圖形化源代碼，又稱 G 代碼。 LabVIEW 的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。 并且LABVIEW 具有如下特點(diǎn)； 盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是 軟件 。 可充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的儀器。 用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。 虛擬儀器研究的另一個(gè)問題是各種標(biāo)準(zhǔn)儀器的互連及與計(jì)算機(jī)的連接。目前使用較多的是 IEEE488 或 GPIB 協(xié)議。未來的儀器也應(yīng)當(dāng)是網(wǎng)絡(luò)化的。 LabVIEW（ Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集 和儀器控制軟件。 LabVIEW 集成了與滿足 GPIB、 VXI、 RS232 和 RS485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用 TCP/IP、 ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的 函數(shù)。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活 的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動(dòng)有趣。圖形化的程序語言，又稱為 “G” 語言。使用這種語言編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，取而代之的是 流程圖 或 框圖 。它盡可能利用了技術(shù)人員、 科學(xué)家 、 工程師 所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念，因此，基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 10 LabVIEW 是一個(gè)面向最終用戶的工具。它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。 利用 LabVIEW，可產(chǎn)生獨(dú) 立運(yùn)行的 可執(zhí)行文件 ，它是一個(gè)真正的 32 位 /64 位 編譯器 。像許多重要的軟件一樣， LabVIEW 提供了 Windows、 UNIX、 Linux、 Macintosh的多種版本。它主要的方便就是，一個(gè)硬件的情況下，可以通過改變軟件，就可以實(shí)現(xiàn)不 同的儀器儀表的功能，非常方便，是相當(dāng)于軟件即硬件！ 虛擬儀器 （ virtual instrument）是基于 計(jì)算機(jī) 的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化 的儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含 嵌入式 系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及 操作系統(tǒng) 為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。 虛擬儀器 實(shí)際上是一個(gè)按照儀器需求組織的 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 。虛擬儀器的研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和 數(shù)字信號(hào)處理 。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使 用較為廣泛的計(jì)算機(jī)語言是 美國(guó) NI 公司的 LabVIEW。 虛擬儀器的起源可以追溯到 20世紀(jì) 70 年代，那時(shí)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)在國(guó)防、航天等領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。 PC 機(jī)出現(xiàn)以后，儀器級(jí)的計(jì)算機(jī)化成為可能，甚至在 Microsof t 公司的 Windows 誕生之前， NI 公司已經(jīng)在 Macintosh 計(jì)算機(jī)上推出了 以前的版本。對(duì)虛擬儀器和 LabVIEW 長(zhǎng)期、系統(tǒng) 、有效的研究開發(fā)使得該公司成為業(yè)界公認(rèn)的權(quán)威。目前 LabVIEW 的最新版本為 LabVIEW2020， LabVIEW 2020 為多線程功能添加了更多特性，這種特性在 1998 年的版本中被初次引入。使用 LabVIEW 軟件，用戶可以借助于它提供的 軟件環(huán)境 ，該環(huán)境由于其數(shù)據(jù)流編程特性、 LabVIEW RealTime 工具對(duì) 嵌入式 平臺(tái)開發(fā)的多核支持，以及自上而下的為多核而設(shè)計(jì)的軟件層次，是進(jìn)行并行編程的首選。 普通的 PC 有一些不可避免的弱點(diǎn)。用它構(gòu)建的虛擬儀器或計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)性能不可能太高。目前作為計(jì)算機(jī)化儀器的一個(gè)重要發(fā)展方向是制定了 VXI 標(biāo)準(zhǔn)，這是一種插卡式的儀器。每一種儀器是一個(gè)插卡，為了保證儀器的性能，又采用了較多的硬件，但這些卡式儀器本身都沒有面板，其面板仍然用虛擬的方式在計(jì)算機(jī)屏幕上出現(xiàn)。這些卡插入標(biāo)準(zhǔn)的 VXI 機(jī)箱，再與 計(jì)算機(jī)相連，就組成了一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。 VXI 儀器價(jià)格昂貴，目前又推出了一種較為便宜的 PXI 標(biāo)準(zhǔn)儀器。 LABVIEW 有很多優(yōu)點(diǎn)，尤其是在某些特殊領(lǐng)域其特點(diǎn)尤其突出。 其領(lǐng)域如下； 測(cè)試測(cè)量： LABVIEW 最初就是為測(cè)試測(cè)量而設(shè)計(jì)的，因而測(cè)試測(cè)量也就是現(xiàn)在 LABVIEW 最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)過多年的發(fā)展， LABVIEW 在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域獲得了廣基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 11 泛的承認(rèn)。至今，大多數(shù)主流的測(cè)試儀器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備