【正文】 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 51 頁 共 50頁引言 隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)代測量技術(shù)的迅速發(fā)展，一種新型的先進(jìn)儀器——虛擬儀器成為當(dāng)前系統(tǒng)研究的熱點。虛擬儀器的出現(xiàn)開辟了儀器技術(shù)的新紀(jì)元，它是多門技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，其基本思想逐步代替儀器完成某些功能，如數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示和存儲等，最終達(dá)到取代傳統(tǒng)電子儀器的目的。虛擬儀器通過軟件開發(fā)平臺將計算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)地融為一體，把計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲及分析處理,并通過交互式圖形界面實現(xiàn)系統(tǒng)控制和顯示測量數(shù)據(jù)，并使用框圖模塊指定各種功能。采用集成電路溫度傳感器和虛擬儀器方便地構(gòu)建一個測溫系統(tǒng)，且外圍電路簡單，易于實現(xiàn)，便于系統(tǒng)硬件維護(hù)、功能擴(kuò)展和軟件升級。 本設(shè)計利用LabVIEW作為語言開發(fā)平臺，設(shè)計了一個溫度控制系統(tǒng)，并利用計算機(jī)串口與下位機(jī)串行通訊，能實現(xiàn)溫度的實時測量與控制。1 緒論現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，沖擊著國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，也引起了測量儀器和測試技術(shù)的巨大變革。人們曾為測量儀器從模擬化、數(shù)字化到智能化的進(jìn)步而欣喜，也為自動測試技術(shù)的日新月異的發(fā)展所鼓舞，當(dāng)今虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)又使得測量儀器進(jìn)步入了高科技的殿堂。 與傳統(tǒng)的儀器不同，虛擬儀器（virtual instrument）是基于計算機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)的模塊化系統(tǒng)，通常它是由控制模塊、儀器模塊和軟件組成，在虛擬儀器中軟件是至關(guān)重要的，儀器的功能都要通過它來實現(xiàn)，因此軟件是虛擬儀器的核心，“軟件就是儀器”，從本質(zhì)上反映了虛擬儀器的特征。 從構(gòu)成方式上講，虛擬儀器可分為四大類：GPIB體系結(jié)構(gòu)、PCDAQ體系結(jié)構(gòu)、VXI體系結(jié)構(gòu)和PXI體系結(jié)構(gòu)。 GPIB體系結(jié)構(gòu)是通過GPIB總線將具有GPIB接口的計算機(jī)和儀器集成的測試系統(tǒng)。其優(yōu)點是用戶可以充分利用自己的計算機(jī)和儀器資源，且組建方便靈活、操作簡單，曾是國際流行的自動測試系統(tǒng)。當(dāng)今，在VXI為主的體系結(jié)構(gòu)中，有時也采用GPIB作為輔助，這樣可以充分利用本單位儀器資源，或稱補(bǔ)VXI儀器模塊的不足。 VXI體系結(jié)構(gòu)綜合了。pib和vem總線的優(yōu)點，它集成的系統(tǒng)硬件集成度高、數(shù)據(jù)傳輸率快、便攜性好，是當(dāng)今倍受業(yè)界關(guān)注的體系結(jié)構(gòu)。 PXI體系結(jié)構(gòu)是以PCI總線為基礎(chǔ)的體系結(jié)構(gòu)，由于其總線吞吐率高、硬件的價格較低被業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為是符合國情的一種體系結(jié)構(gòu)。 虛擬儀器應(yīng)用程序的開發(fā)環(huán)境主要有兩種=一種是基于傳統(tǒng)的文本語言的軟件開發(fā)環(huán)境，常用的有l(wèi)ab windows/cvi、.visual basidc=vc++等：一種是基于圖形化語言的軟件開發(fā)環(huán)境，常用的有LabVIEW和hp vee。其中圖形化軟件開發(fā)系統(tǒng)是用工程人員所熟悉的術(shù)語和圖形化符號代替常規(guī)的文本語言編程，界面友好，操作簡便，可大大縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，深受專業(yè)人員的青睞。 課題背景 隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)的迅速擴(kuò)張，政府和企業(yè)家們花在設(shè)備上的投入越來越多，這筆巨大的開銷，極大地限制了企業(yè)的資金，從而制約著企業(yè)的發(fā)展。而虛擬儀器技術(shù)憑借著其開發(fā)容易、開發(fā)成本低、開發(fā)周期短等明顯的優(yōu)點，漸漸地在工業(yè)測控領(lǐng)域嶄露頭角。它的出現(xiàn)使企業(yè)家們看到了降低成本的希望。本設(shè)計將就虛擬儀器怎樣用在工業(yè)測控中進(jìn)行一番簡單的探討。 虛擬儀器簡介 隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)代測量技術(shù)的迅速發(fā)展，一種新型的先進(jìn)儀器——虛擬儀器成為當(dāng)前系統(tǒng)研究的熱點。虛擬儀器通過軟件開發(fā)平臺將計算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)地融為一體，把計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲及分析處理。在對大規(guī)模、集成化、智能化及數(shù)字電子儀器需求愈加迫切的形勢下，計算機(jī)技術(shù)、儀器技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了具有里程碑意義的新一代儀器——虛擬儀器。虛擬儀器的出現(xiàn)開辟了儀器技術(shù)的新紀(jì)元，它是多門技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，其基本思想逐步代替儀器完成某些功能，如數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示和存儲等，最終達(dá)到取代傳統(tǒng)電子儀器的目的。虛擬儀器是計算機(jī)硬件資源、儀器硬件、數(shù)據(jù)分析處理、軟件、通信軟件極圖形用戶界面的又效結(jié)合，具有傳統(tǒng)儀器所具備的信號采集、信號處理分析、信號輸出等功能。其基本構(gòu)成包括計算機(jī)、虛擬儀器軟件、硬件接口和測試儀器等。虛擬儀器有以下優(yōu)點：(1)利用了計算機(jī)豐富的軟件資源。實現(xiàn)了部分儀器硬件的軟件化，節(jié)省了物質(zhì)資源，增加了系統(tǒng)的靈活性。通過軟件技術(shù)和相應(yīng)數(shù)值算法，實時直接地對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析與處理。圖形用戶界面（GUI）技術(shù)的應(yīng)用，真正的做到界面友好、人機(jī)交互。(2)基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和接口技術(shù)。虛擬儀器具有方便、靈活的互聯(lián)能力（Connectivity）,廣泛支持諸如CAN、Field Bus、PROFIBUS等各種工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)。因此，利用虛擬儀器技術(shù)可方便地構(gòu)建自動測試系統(tǒng)，實現(xiàn)測量、控制過程的網(wǎng)絡(luò)化。(3)基于計算機(jī)的開放式標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。虛擬儀器的硬、軟件具有開放性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點，用戶可根據(jù)自己上的需要，選用不同廠家的標(biāo)準(zhǔn)接口產(chǎn)品，使儀器的開發(fā)更為高效，縮短儀器組建、開發(fā)時間。(4)具有很強(qiáng)的靈活性。虛擬儀器的功能由用戶自己定義，這意味著可自由的組合計算機(jī)平臺、硬件、軟件以及各種實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)所需要的附件。這種靈活性在由供應(yīng)商定義、功能固定、獨立的傳統(tǒng)儀器是達(dá)不到的。從傳統(tǒng)儀器的轉(zhuǎn)變，為用戶帶來了更多的實際利益。上述虛擬儀器的特點不僅推進(jìn)了儀器為基礎(chǔ)的界面系統(tǒng)改造，同時也影響了以虛擬儀器為主的圖形構(gòu)造方法的進(jìn)化。過去獨立分散、互不相干的許多領(lǐng)域，虛擬儀器通過軟件開發(fā)平臺將計算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)地融為一體，把計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲及分析處理。虛擬儀器的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一場革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向和潮流，是信息技術(shù)的一個重要領(lǐng)域，必將對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生不可估量的影響。、發(fā)展傳統(tǒng)儀器一般是一臺獨立的裝置，從外觀上看，它是一般由操作面板、信號輸入端口、檢測結(jié)果輸出這幾個部分組成。操作面板上一般有一些開關(guān)、按鈕、旋鈕等。檢測結(jié)果的輸出方式有數(shù)字顯示、指針式表頭顯示、圖形顯示及打印輸出等。從功能方面分析，傳統(tǒng)儀器可分為信號的采集與控制、信號的分析與處理、結(jié)果的表達(dá)與輸出這幾個部分。傳統(tǒng)儀器的功能都是通過硬件電路或固化軟件實現(xiàn)的，而且由儀器生產(chǎn)廠家給定，其功能和規(guī)模一般都是固定的，用戶無法隨意改變其結(jié)構(gòu)和功能。傳統(tǒng)儀器大都是一個封閉的系統(tǒng)，與其它設(shè)備的連接受到限制。另外，傳統(tǒng)儀器價格昂貴，技術(shù)更新慢，開發(fā)費用高。隨著計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)字化儀器和智能儀器。盡管如此，傳統(tǒng)儀器還是沒有擺脫獨立使用和受同操作的模式，在較為復(fù)雜的應(yīng)用場合或測試參加較多的情況下，使用起來就不太方便。這三方面的原因，使傳統(tǒng)儀器很難事業(yè)信息時代對儀器的需求。那么如何解決這個問題呢？可以設(shè)想，在必要的數(shù)據(jù)采集硬件和通用計算機(jī)支持下，通過軟件來實現(xiàn)儀器的部分或全部功能，這就是設(shè)計虛擬儀器的核心思想。所謂虛擬儀器，就是在通用的計算機(jī)平臺上定義和設(shè)計儀器的功能，用戶操作計算機(jī)的同時就是在使用一臺專門的電子儀器。虛擬儀器以計算機(jī)為核心，充分利用計算機(jī)強(qiáng)大的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力，提供對測量數(shù)據(jù)的分析和顯示功能。虛擬儀器技術(shù)給用戶一個充分發(fā)揮自己的才能、想象力的空間。用戶可以隨心所欲地根據(jù)自己的需求，設(shè)計自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的用戶需求。表 為傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的比較一覽表。虛擬儀器作為一種新型的儀器種類，具有以下特點：(1)強(qiáng)調(diào)“軟件即儀器”的概念，軟件充當(dāng)了儀器中相當(dāng)重要的且以往由硬件充當(dāng)?shù)慕巧?2)打破了傳統(tǒng)儀器小而全的現(xiàn)狀，可以將信號的分析、顯示、存儲、打印和其它管理利用計算機(jī)來完成。(3)便于工作和管理，虛擬儀器技術(shù)是儀器的設(shè)計和管理統(tǒng)一到虛擬儀器的標(biāo)準(zhǔn)，使得儀器管理規(guī)范，使用簡便，維護(hù)費用低。(4)儀器自定義，科研和工程人員自己設(shè)計自己的儀器。由于虛擬儀器的開放性，用戶可以方便地修改測試方案，構(gòu)成各種專用儀器。儀器的開發(fā)周期短，升級容易，節(jié)省了硬件開發(fā)和生產(chǎn)的費用。(5)便于組成自動測試系統(tǒng)。虛擬儀器充分利用計算機(jī)技術(shù)，可以對測試方案進(jìn)行編程；而且數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸、數(shù)據(jù)在軟件之間的交換等，都使系統(tǒng)組建變得靈活；計算機(jī)的存儲、打印和網(wǎng)絡(luò)化等功能也進(jìn)一步增進(jìn)了虛擬儀器的功能。電子儀器發(fā)展至今，大體可分為四代：模擬儀器、數(shù)字儀器、智能儀器和虛擬儀器。第一代模擬儀器第一代模擬儀器如指針式萬用表、晶體管電壓表等，它們的基本結(jié)構(gòu)是電磁機(jī)械式的，借助指針來顯示最終結(jié)果。第二代數(shù)字化儀器數(shù)字化儀器目前相當(dāng)普及，如數(shù)字電壓表等。這類儀器將模擬信號的測量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的測量，并以數(shù)字方式輸出最終結(jié)果，實用于快速響應(yīng)和較高準(zhǔn)確度的測量。第三代智能要求智能儀器內(nèi)置微處理器，既能進(jìn)行自動測試，又具有一定的數(shù)據(jù)處理，可取代部分腦力勞動，習(xí)慣上稱為智能儀器。它的功能塊全部都是以硬件的形式存在，無論是開發(fā)還是應(yīng)用，都缺乏靈活性。第四代虛擬儀器虛擬儀器是現(xiàn)代計算機(jī)教技術(shù)和測量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是傳統(tǒng)儀器觀念的一次巨大變革，是將來虛擬產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要方向。從1988年開始，陸續(xù)有虛擬儀器產(chǎn)品面市。此后，虛擬儀器產(chǎn)品的陸續(xù)飛速增加。虛擬儀器以透明的方式把計算與傳統(tǒng)儀器一樣。虛擬儀器同樣劃分為數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果表達(dá)三大功機(jī)資源和儀器硬件的測試能力結(jié)合起來，實現(xiàn)了儀器功能的運作。虛擬儀器的功能模塊如圖所示。虛擬儀器用各種圖標(biāo)或控件來虛擬傳統(tǒng)儀器面板上的各種器件。由各種開關(guān)圖標(biāo)實現(xiàn)儀器電源的通斷；由各種按鈕圖標(biāo)來設(shè)置被測信號的“放大倍數(shù)”、“通道”等參數(shù)；由各種顯示控件以數(shù)值或波形的方式顯示測量或分析結(jié)果；由計算機(jī)的鼠標(biāo)和鍵盤操作來模擬傳統(tǒng)儀器面板上的實際操作；以對圖形化軟件流程圖的編程來實現(xiàn)各種信號測量和數(shù)據(jù)分析功能。PC—DAQ采集器網(wǎng)絡(luò)傳輸信號處理串口儀器磁盤復(fù)制數(shù)字濾波GPIB儀器文件I/O統(tǒng)計VXI儀器圖形用戶接口分析PXI儀器 虛擬儀器的功能模塊傳統(tǒng)儀器和虛擬儀器的比較傳統(tǒng)儀器虛擬儀器儀器廠商定義用戶自己定義硬件是關(guān)鍵軟件是關(guān)鍵儀器的功能、規(guī)模均已固定系統(tǒng)功能和規(guī)?？赏ㄟ^軟件修改和增減封閉的系統(tǒng)，與其它設(shè)備連接受限制基于計算機(jī)的開放系統(tǒng)，可方便地同外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)及其它相應(yīng)設(shè)備連接價格昂貴價格低，可重復(fù)利用技術(shù)更新慢技術(shù)更新快開發(fā)和維護(hù)費用高軟件結(jié)構(gòu)可大大節(jié)省開發(fā)和維護(hù)費用多為實驗室擁有個人可擁有一個實驗室 圖形化編程語言LabVIEW的簡介LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench)是一種圖形化的編程語言和開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接收，被公認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW不僅提供了與遵從GPIB，VXI，RS232和RS485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通信的全部功能，還布置了支持TCP/IP，ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)，而且圖形化的編程界面使編程過程變得生動有趣。LabVIEW是一個功能強(qiáng)大且靈活的軟件，利用他可以方便的建立自己的虛擬儀器。以LabVIEW為代表的圖形化編程語言，又稱為“G”語言。使用這種語編程時，基本上不需要編寫程序代碼，而是“繪制”程序流程圖。LabVIEW盡可能利用工程技術(shù)人員所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念，因而它是一種面向最終用戶的開發(fā)工具，可以增強(qiáng)工程人員構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現(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、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。利用LabVIEW，可產(chǎn)生獨立運行的可執(zhí)行文件。LabVIEW是真正的32位編譯器。像其他軟件一樣，LabVIEW提供了Windows，UNIX，Linux和Macintosh等多種版本。 論文各章節(jié)的安排 在本論文中，作者將先在第二章中介紹一下本設(shè)計中所使用的一些基本原理和器件的一些知識，然后提出自己的軟硬件設(shè)計方案的思路。然后在第三章介紹LabVIEW的一些編程的基本知識。在第四章中，將討論LabVIEW的儀器控制和驅(qū)動。在第五章和第六章中，將分別就自己的硬軟件設(shè)計方案提出論述。最后將談一下自己的系統(tǒng)制作和調(diào)試過程中的一些問題和解決方法。 本論文任務(wù)（1）設(shè)計一個由微控制器控制的溫度采集裝置，使其能夠準(zhǔn)確地采集環(huán)境溫度。（2）通過某種通信協(xié)議，將采集到的溫度送往上位機(jī)進(jìn)行顯示和處理。（3）用LabVIEW編寫上位機(jī)的程序，使其能夠接受下位機(jī)發(fā)送來的溫度信息數(shù)據(jù)，并作出處理想，同時顯示在PC屏幕上。（4）使用LabVIEW編寫PID控制程序，能實現(xiàn)對溫度的比較準(zhǔn)確的控制。（5）使用LabVIEW編寫模糊控制程序，能實現(xiàn)對溫度的控制。 上位機(jī)界面 硬件實物圖2 溫度控制設(shè)計方案 本設(shè)計采用LabVIEW和AVR單片機(jī)組成系統(tǒng)的主要模塊。由下位機(jī)把單線式溫度傳感器DS18B20測量到的溫度，通過串口發(fā)送到的由LabVIEW構(gòu)建的上位機(jī)去。然后在上位機(jī)中進(jìn)行處理和顯示，通過PID或者模糊算法，計算出要輸出的控制量，再由串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到下位機(jī)，交由下位機(jī)處理。下位機(jī)根據(jù)一定的關(guān)系，輸出一定的