【正文】 ................................................................21 溫度采集模塊程序 ...........................................................................21 上位機(jī)程序設(shè)計(jì) ......................................................................................22 前面板主頁界面 ...............................................................................22 IV 前面板實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)控 .......................................................................23 前面板歷史記錄 ...............................................................................23 用戶登錄界面程序框圖 ...................................................................23 串口通訊程序框圖 ...........................................................................24 溫度顯示和波形顯示模塊 ...............................................................24 本章小結(jié) ..................................................................................................25 第 5 章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)試 ...............................................................................26 系統(tǒng)調(diào)試 ..................................................................................................26 系統(tǒng)評(píng)估升級(jí) ..........................................................................................28 本章小結(jié) ..................................................................................................28 結(jié)論 .....................................................................................................................29 致謝 .....................................................................................................................30 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................31 附錄 .....................................................................................................................32 1 第 1章 緒論 課題研究背景 電壓、電流作為控制系統(tǒng)中基本物理量，是數(shù)字控制系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)的前提。溫度數(shù)據(jù)無處不在存在于周圍環(huán)境，溫度實(shí)時(shí)變化對(duì)我們生活、生產(chǎn)產(chǎn)生重要影響。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度波動(dòng)影響產(chǎn)品品質(zhì)，甚至?xí)?dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，在能源和生物領(lǐng)域，溫度不穩(wěn)定會(huì)造成能源供應(yīng)系統(tǒng)受阻，生物產(chǎn)品不達(dá)標(biāo)等。 在生活中，溫度的顯著變化超出人的適應(yīng)范圍導(dǎo)致身體不適，容易引發(fā)感冒、中暑等癥狀。因此，溫度數(shù)據(jù)采集作為系統(tǒng)采集參數(shù)具有現(xiàn)實(shí)意義。 在社會(huì)生產(chǎn)環(huán)境中，生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部與外界的熱傳遞總會(huì)以各種方式進(jìn)行熱量交換，系統(tǒng)內(nèi)部熱源的干擾也是變化莫測(cè)。為了促使生產(chǎn)系統(tǒng)與外界的熱能量交換盡可能的符合生產(chǎn)工藝要求，就需要采取控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部溫度處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定理想值。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，兩個(gè)溫度相同的系統(tǒng)之間可以通過一定控制技術(shù)達(dá)到熱平衡的，利用與目標(biāo)系統(tǒng)溫度同步的隔離層，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)與外界進(jìn)行熱隔離 [1]。另外，在大 部分溫度控制系統(tǒng)環(huán)境中，增溫要比降溫實(shí)現(xiàn)方法簡單。因此，對(duì)溫度的控制精度要求比較高的情況下，禁止出現(xiàn)溫度過沖現(xiàn)象，即不應(yīng)許實(shí)際溫度超過控制的目標(biāo)溫度，特別是隔熱效果較好的系統(tǒng)環(huán)境，溫度一旦出現(xiàn)過沖，將難以迅速實(shí)現(xiàn)溫度下降。因此，溫度參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)具有實(shí)用價(jià)值，便于溫度超出正常范圍內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的溫度補(bǔ)償。 從第一臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)至今應(yīng)有 60 年歷史，計(jì)算機(jī)應(yīng)用由最初的國防事業(yè)蔓延至各行各業(yè)，加上電子技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，為現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)發(fā)展提供了技術(shù)保障。在上世紀(jì) 90 年代，由美國 NI 公司提出了新概 念 —虛擬儀器，標(biāo)志著測(cè)量技術(shù)向一個(gè)新的方向轉(zhuǎn)變。虛擬儀器提出的主要思想是利用模塊化硬件設(shè)計(jì)，結(jié)合軟件完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用。具體到測(cè)量技術(shù)上是指在通用的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)，用戶操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)就可以對(duì)被測(cè)環(huán)境完成測(cè)試任務(wù)。 傳統(tǒng)儀器由儀器設(shè)備生產(chǎn)廠商根據(jù)市場(chǎng)需求開發(fā)出滿足用戶需求的專用儀器，具有輸入輸出接口和儀器控制面板，該儀器呈現(xiàn)給用戶的表現(xiàn)為功能單一，測(cè)試環(huán)境封閉。傳統(tǒng)意義上的儀器一般都由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)交互和顯示等幾個(gè)基本部分組成，如果測(cè)試環(huán)境、測(cè)試物理量等發(fā)生變更則需要 進(jìn)行儀器整體變更設(shè)計(jì)，增加了產(chǎn)品成本。然而，虛擬儀器只需在必要的數(shù)據(jù)采集硬件和通用計(jì)算機(jī)支持下，通過軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)儀器的全部功能變更。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器除了在性能、易用性、用戶可定制性等方面具有更多優(yōu)點(diǎn)外，在工程應(yīng)用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效 2 益方面也獨(dú)樹一幟。例如一些技術(shù)水平不高，經(jīng)濟(jì)實(shí)力弱的公司在進(jìn)行產(chǎn)品分析時(shí)，對(duì)于購置高檔臺(tái)式儀器如數(shù)字示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀等儀器表現(xiàn)出一定壓力。而采用虛擬儀器技術(shù)僅需采購必要的通用數(shù)據(jù)采集硬件來完成自己的儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)。用戶可以植入系統(tǒng)算法應(yīng)用于虛擬儀器，提供傳統(tǒng)臺(tái)式儀器不 具備的功能，而且完全可以通過軟件配置實(shí)現(xiàn)多功能集成于一體的儀器系統(tǒng)。 虛擬儀器介紹 虛擬儀器的概念由美國儀器公司提出，在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上通過增加相關(guān)硬件和軟件構(gòu)成，具有可視化界面的儀器，利用高性能的模塊化硬件設(shè)計(jì)，結(jié)合功能高效的軟件來完成數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)處理與分析、數(shù)據(jù)顯示等物理功能。虛擬儀器脫胎于數(shù)字存儲(chǔ)示波器，于 1986 年正式推出編程環(huán)境 LabVIEW，標(biāo)志虛擬儀器基本成型 [2]。微機(jī)及數(shù)字信號(hào)處理器運(yùn)算速度提升實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制要求，利用通用計(jì)算機(jī)來管理儀器、組建儀器系統(tǒng)，進(jìn)而完成傳統(tǒng)儀器需要實(shí)現(xiàn)的功能。 在機(jī)構(gòu)和功能上，虛擬儀器利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，配置現(xiàn)代裁剪硬件和專用軟件，不僅具備普通儀器的基本功能，而且擁有一些普通儀器不具有的功能；在使用方面，虛擬儀器利用可視化的圖形開發(fā)環(huán)境，建立直觀、靈活、高效的虛擬儀器面板，可以有效地提高儀器使用效率 [3]。 虛擬儀器是一種功能意義上的儀器，并不強(qiáng)調(diào)物理上的實(shí)現(xiàn)形式，在與傳統(tǒng)儀器同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)方面，概括起來如下：一、豐富和增加了傳統(tǒng)儀器的功能，用戶可以根據(jù)運(yùn)用環(huán)境需要靈活的定義儀器，組合不同硬件資源構(gòu)建多用途儀器；二、突出了軟件地位，虛擬儀器與硬件交互限制較小，與其他設(shè)備 通訊連接方便，在模擬分析時(shí)虛擬儀器漂移現(xiàn)象可控，無需定期校準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)化的總線通訊提高了測(cè)量精度、準(zhǔn)確度；三、開放的平臺(tái)，虛擬儀器用戶組建系統(tǒng)代碼，可以自由方便儀器功能、面板的修改，為用戶提供了寬范圍的使用空間；四、開放的工業(yè)對(duì)接標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)者利用虛擬儀器開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、使用和管理的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，生產(chǎn)維護(hù)和開發(fā)費(fèi)用低，提高儀器市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和使用效率；五、構(gòu)建系統(tǒng)便捷，虛擬儀器既可以作為測(cè)試系統(tǒng)獨(dú)立使用，也可以通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組成分布式測(cè)試系統(tǒng)、遠(yuǎn)程測(cè)試、監(jiān)控與故障診斷等，與軟件結(jié)合使用降低了開發(fā)成本；六、虛擬儀器 可編程性，虛擬具有強(qiáng)大的圖形用戶界面（ GUI），計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)、直接進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯，通過分析軟件進(jìn)行軟件編程的修改、編輯，也可以利用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)功能記錄數(shù)據(jù)、分享數(shù)據(jù)等 [4]。 1983 年， Apple 公司推出了世界上第一款圖形界面的微型計(jì)算機(jī)Macintosh,標(biāo)志著在計(jì)算機(jī)屏幕上模擬儀器成為可能 [5]。為了進(jìn)一步提高測(cè)試系統(tǒng)，以杰夫 ?科多斯基為首的工程師們于 1986 年通過 NI 公司推出了基于蘋果機(jī)環(huán)境下著名的圖形化編程工具 LabVIEW[6]。 LabVIEW 軟件采 3 用圖形化語言代替代碼編程，將傳統(tǒng)意義上的硬件設(shè)計(jì) 和代碼語法轉(zhuǎn)化為軟件流程和整體功能布局，大大簡化了編程流程，提高了編程效能，以其獨(dú)特生命力贏得工程技術(shù)人員支持。隨后，美國 NI 公司提出 “軟件就是儀器 ”，開辟了虛擬儀器新方向。隨著微軟基于圖形界面 Windows 的出現(xiàn)，LabVIEW 開始向 Windows 平臺(tái)移植，隨著虛擬儀器技術(shù)越來越廣的被開發(fā)運(yùn)用，眾多儀器廠商可以專注虛擬儀器研發(fā)，大大推廣普及了虛擬儀器的發(fā)展 [7]。 根據(jù)虛擬儀器發(fā)展過程，虛擬儀器發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段 [8]： 第一階段 :傳統(tǒng)意義上的利用計(jì)算機(jī)增強(qiáng)虛擬儀器功能。 GPIB 總線標(biāo)準(zhǔn)確立后只需 將傳統(tǒng)儀器通過 GPIB 和 RS232 連接至計(jì)算機(jī)端口，用戶就可以從測(cè)量儀器獲取數(shù)據(jù)，借助計(jì)算機(jī)平臺(tái)和虛擬儀器軟件工具來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理與顯示。 第二階段：開放式儀器發(fā)展階段。隨著插入式計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理卡（ DAQ）出現(xiàn)和 VXI 儀器總線標(biāo)準(zhǔn)確立，虛擬儀器功能更加豐富，不僅可以可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理和顯示，還可以實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的分享，一定意義上促進(jìn)了技術(shù)開發(fā)和合作。 第三階段：虛擬儀器框架最終確定與成熟。隨著總線標(biāo)準(zhǔn)的確立和模塊化儀器架構(gòu)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了模塊化儀器構(gòu)架通過總線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)互聯(lián)成為系統(tǒng)，相對(duì)獨(dú)立儀器來說減 少了系統(tǒng)集成時(shí)間，提高了響應(yīng)性和簡便性，此外虛擬儀器平臺(tái)不斷完善贏得行業(yè)認(rèn)可，從而也為儀器工具標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展起到推動(dòng)作用。 虛擬儀器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 國外發(fā)展情況 虛擬儀器概念起源于上世紀(jì) 80 年代，由美國 NI 公司提出，一直成為發(fā)達(dá)國家自動(dòng)測(cè)控領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和應(yīng)用前沿。隨著虛擬儀器的先進(jìn)性、優(yōu)越性和廣闊的發(fā)展前景受到眾多商家的青睞，不少生產(chǎn)儀器廠商開始投入到虛擬儀器開發(fā)陣營中來，如美國 HP 公司、 Tektronix 公司等，使得虛擬儀器發(fā)展迎來了自己的春天。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止到 1994 年虛擬儀器生產(chǎn)合作廠商達(dá)到 90 余家， 生產(chǎn) 1000 多種各式產(chǎn)品。在硬件結(jié)構(gòu)上包羅了各種總線結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制模塊，軟件上表現(xiàn)為 NI 公司推出的 LabVIEW 和 LabWindows/CVI 和 HP 公司打造的 VEEE，他們?cè)诟髯缘念I(lǐng)域服務(wù)并贏得了行業(yè)認(rèn)可 [9]。 1997 年， NI 公司首次推出基于計(jì)算機(jī)的開發(fā)式的模塊化測(cè)試系統(tǒng) PXI，與 HP 公司主導(dǎo) VXI 模塊化測(cè)試系統(tǒng)形成強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)， 2020 年， NI 公司推出 Compact RIO 以及嵌入式可編程采集控制器模塊 ,以高可靠性、高實(shí)時(shí)性、低功耗等優(yōu)點(diǎn)獲得業(yè)內(nèi)好評(píng)。在與傳統(tǒng)儀器廠商競(jìng)爭(zhēng)中， NI 公司作為一家年輕企 業(yè)借助虛擬儀器平臺(tái)不斷發(fā)展，走 4 在了測(cè)試儀器發(fā)展前沿 [10]。 在國外高校和研究所，虛擬儀器運(yùn)用也極其廣泛，在麻省理工、加州大學(xué)伯克利分校、伊利諾伊大學(xué)、弗吉尼亞理工、德州大學(xué)奧斯汀分校、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)等美國高等工程院校均將虛擬儀器技術(shù)的教學(xué)列入正常的教學(xué)計(jì)劃當(dāng)中，相應(yīng)學(xué)科有電氣、自動(dòng)化、通信、醫(yī)學(xué)、機(jī)械、土木等，教學(xué)和研究成果頗豐。 國內(nèi)發(fā)展情況 傳統(tǒng)的儀器測(cè)控系統(tǒng)采用獨(dú)立式儀器儀表集中對(duì)被測(cè)環(huán)境、設(shè)備進(jìn)行參數(shù)監(jiān)控，用戶通過控制界面進(jìn)行集中操作。以計(jì)算機(jī)為主體，配置檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與被控對(duì)象 (生產(chǎn)過程 )共 同構(gòu)成計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的檢測(cè)、監(jiān)督和控制功能，然而該系統(tǒng)通信協(xié)議不開放，檢控功能單一，因此這種測(cè)控系統(tǒng)是一個(gè)自封閉系統(tǒng) [11]。 隨著中國社會(huì)的發(fā)展，涉足領(lǐng)域開始蔓延縱深方向，國防、通信、航天、航空、氣象、環(huán)境監(jiān)測(cè)、制造等領(lǐng)域?qū)τ跍y(cè)控和處理的信息量需求越來越大、速度越來越快，被測(cè)對(duì)象的空間位置日益分散，測(cè)控任務(wù)也由原來的單一性向現(xiàn)代的多元化轉(zhuǎn)變，測(cè)控系統(tǒng)更加復(fù)雜龐大，面對(duì)現(xiàn)實(shí)發(fā)展需求，要求檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)化、遠(yuǎn)程化、網(wǎng)絡(luò)化等。從服務(wù)對(duì)象而言，傳統(tǒng)獨(dú)立儀器己遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能勝任大