【正文】 器設(shè)備向虛擬儀器設(shè)備的轉(zhuǎn)變，為現(xiàn)代實驗帶來了更多實際的利益，同時也促進著實驗手段不斷更新。 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。通過與計算機網(wǎng)絡(luò)連接，還可實現(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)測系統(tǒng) 5 儀器的使用價值。 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、軟件開發(fā)與設(shè)計 2個方面考慮。由于 VXI 虛擬儀器的硬件平臺的基本組成是一些通用模塊和專用接口。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。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、嵌入式計算機控制方式的硬件方案 3 種。擴展器目前是備用件，為今后新型器件提供發(fā)展通道。 這種高速通信可以使測試系統(tǒng)吞吐量大大提高。消息基器件必須有 CPU（或 DSP）進行管理基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測系統(tǒng) 6 與控制。 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。 圖 基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測系統(tǒng) 7 圖 圖 基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測系統(tǒng) 8 圖 圖 LABVIEW啟動 安裝完畢后，重啟計算機，即可使用 labview 軟件完成設(shè)計， 執(zhí)行功能。 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 ，等等。 VI指虛擬儀器， 是 LabVIEW 的程序模塊。這就是圖形化源代碼，又稱 G 代碼。 用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。 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、學術(shù)界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數(shù)據(jù)采集 和儀器控制軟件。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有趣。它可以增強你構(gòu)建自己的科學和工程系統(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。它主要的方便就是，一個硬件的情況下，可以通過改變軟件，就可以實現(xiàn)不 同的儀器儀表的功能，非常方便，是相當于軟件即硬件！ 虛擬儀器 （ virtual instrument）是基于 計算機 的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機。虛擬儀器的研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計算機數(shù)據(jù)采集和 數(shù)字信號處理 。對虛擬儀器和 LabVIEW 長期、系統(tǒng) 、有效的研究開發(fā)使得該公司成為業(yè)界公認的權(quán)威。用它構(gòu)建的虛擬儀器或計算機測試系統(tǒng)性能不可能太高。 VXI 儀器價格昂貴，目前又推出了一種較為便宜的 PXI 標準儀器。至今，大多數(shù)主流的測試儀器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備都擁有專門的 LabVIEW 驅(qū)動程序，使用 LabVIEW 可以非常便捷的控制這些硬件設(shè)備。 ：控制與測試是兩個相關(guān)度非常高的領(lǐng)域，從測試領(lǐng)域起家的 LabVIEW自然而然地首先拓展至控制領(lǐng)域。 仿真： LabVIEW 包含了多種多樣的數(shù)學運算 函數(shù) ，特別適合進行模擬、 仿真 、原型設(shè)計等工作。對于沒有任何計算機知識的兒童而言，可以把 LabVIEW 理解成是一種特殊的 “ 積木 ” ：把不同的原件搭在一起，就可以實現(xiàn)自己所需的功能。 快速開發(fā)：根據(jù)筆者參與的一些項目統(tǒng)計，完成一個功能類似的大型應(yīng)用軟件，熟練的 LabVIEW 程序員所需的開發(fā)時間，大概只是熟練的 C程序員所需時間的1/5 左右。 LabVIEW 的代碼不需任何修改就可以運行在常見的臺式機操作系統(tǒng)上： Windows、 Mac OS 及 Linux。溫度為被測對象，在利用溫度傳感器 DS18B20測溫，再通 過數(shù)據(jù)采集卡 USB2020把溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)傳到計算機內(nèi)，再在計算機內(nèi)開發(fā)軟件，在利用開發(fā)軟件控制設(shè)備，從而控制溫度。 （二） 硬件電路基本功能描述 此硬件系統(tǒng)主要利用半導體來調(diào)節(jié)溫度大小，利用溫度傳感器來對溫度進 行數(shù)據(jù)采集 ，對溫度測量而言，溫度傳感器的選擇是整個系統(tǒng)第一步，也是直接影響系統(tǒng)穩(wěn)被測對象 傳感器 數(shù)據(jù)采集卡 計算機 開發(fā)軟件 空調(diào)設(shè)備 基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測系統(tǒng) 13 定性能的重要因素之一 。通用寄存器 基接口是 由寄存器簡單的讀寫來控制儀器硬件的操作。 （ 3） 定時采樣控制 由于不同的自動測試系統(tǒng)對采樣時間間隔的要求不同，以及同一系統(tǒng)在不同的試驗中需要的采樣時間間隔也不盡相同，故可以采用程控的方式將采樣時間間隔設(shè)置在2 μ s~13. 0 ms 之間任意選擇，可以增加或減少的最小單位是 2 μ s。在硬件觸發(fā)采樣中又 包括同步 調(diào) 整周期采樣和非同步 調(diào) 整周期采樣，這 2 種采樣又可以是定時進行的或等轉(zhuǎn)速差進行的。 數(shù)據(jù)傳感器主要是 使 數(shù)據(jù)傳入計算機。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。 (4)工作電源 : 3~5V (5)在使用中不需要任何外圍元件 (6)測量結(jié)果以 9~12 位數(shù)字量方式串行傳送 (7)不銹鋼保護管直徑 Φ6 (8)適用于 DN15~25, DN40~DN250 各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設(shè)備測溫 (9)標準安裝螺紋 M10X1, , G1/2” 任選 (10)PVC 電纜直接出線或德式球型接線盒出線 ,便于與其它電器設(shè)備連接。 (4)供熱 /制冷管道熱量計量，中央空調(diào)分戶熱能計量和工業(yè)領(lǐng)域測溫和控制 接線說明 ； 獨特的一線接口，只需要一條口線通信 。華氏相當于是 67 華氏度 到 257華氏度 。由于DS18B20 是一條口線通信，所以中央微處理器與 DS18B20 只有一個一條口線連接。它的用途很多，包括空調(diào)環(huán)境控制，感測建筑物內(nèi)溫設(shè)備或機器，并進行過程監(jiān)測和控制。 DS18B20 的電源也可以從外部 3V5 .5V 的電壓得到。 若指令成功地使 DS18B20 完成溫度測量，數(shù)據(jù)存儲在 DS18B20 的存儲器。如果 DS18B20 不使用報警檢查指令，這些寄存器可作為一般的用戶記憶用途。所有數(shù)據(jù)的讀，寫都是從最低位開始。 （ 2） DS18B20 中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以 12位轉(zhuǎn)化為例：用 16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以 ℃ /LSB 形式表達，其中 S為符號位。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器 1。圖 3 中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器 1的預置值 基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測系統(tǒng) 17 DS1820 使用中注意事項 ； DS1820 雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點，但在實際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題： （ 1） 較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行 補償，由于 DS1820 與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此 ，在對 DS1820 進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。 （ 3） 連接 DS1820 的總線電纜是有長度限制的。因此，在用 DS1820 進行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計時要充分考 慮總線分布電容和阻抗匹配問題。 DS18B20是美國 DALLAS半導體公司繼 DS1820之后最新推出的一種改進型智能溫度傳感器。 DS18B20 采用了 3 腳 PR— 35 封裝或 8 腳 SOIC 封裝，引腳排列如圖 。當在 10℃ — +85℃范圍內(nèi)，可確保測量誤差不超過 ℃，在 55— +125℃范圍內(nèi)，測量誤差也不超過 2℃。但此時芯片無法正常工作。出廠前產(chǎn)品序號存入其 ROM 中。 基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測系統(tǒng) 19 圖 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20 主要包括 7 部分 ； 寄生電源； 溫度傳感器； 64 位激光（ loser） ROM 與單線接口； 高速暫存器，即便筏式 RAM，用于存放中間數(shù)據(jù)； TH觸發(fā)寄存器和 TL 觸發(fā)寄存器，分別用來存儲用戶設(shè)定的溫度上下限值； 存儲和控制邏輯； 8位循環(huán)冗余校驗碼（ CRC）發(fā)生器。 數(shù)據(jù)采集卡，即實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集 (DAQ)功能的計算機擴展卡，可以通過 USB、 PXI、 PCI、PCI Express、火線 (1394)、 PCMCIA、 ISA、 Compact Flash、 48 23以太網(wǎng)、各種無線網(wǎng)絡(luò)等總線接入個人計算機。按照板卡處理信號的不同可以分為模擬量輸入板卡 (A/D 卡 )、模擬量輸出板卡 (D/A 卡 )、開關(guān)量輸入板卡、開關(guān)量輸出板卡、脈沖量 輸入板卡、多功能板卡等。 數(shù)據(jù)采集卡 USB2020 簡介 ； 品 牌： 阿爾泰 型 號： USB2020 產(chǎn)品介紹 模擬量輸入 單端 16 路 /差分 8 路 16 位 250K ；模擬量輸出 4 路 12 位 100K 上電位 自動清零；數(shù)字量 8 路 DI 8 路 DO；定時計數(shù)器 3路 基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測系統(tǒng) 24 (1)16 位 AD精度， 250KS/s 采樣頻率 (2)單端 16路 /差分 8路 模擬量輸入 詳細信息 模擬量輸入 單端 16 路 /差分 8 路 16 位 250K ；模擬量輸出 4 路 12 位 100K 上電自動清零；數(shù)字量 8路 DI 8 路 DO；定時計數(shù)器 3 路 (3)16 位 AD精度， 250KS/s 采樣頻率 (4)單端 16路 /差分 8路 模擬量輸入 (5)AD 量程：177。 5V、177。在微控制器和 USB 接口的選擇上有兩種方式：一種是采用普通單片機加上專用的 USB 通信芯片；另一種是采用具備 USB 通信功能的單片機。盡管系統(tǒng)已經(jīng)提供了很多標準接口函數(shù)，但編制驅(qū)動程序仍然是 USB 開發(fā)中最困難的一件事。以上兩個程序是開發(fā)者所關(guān)心的，而用戶卻不太關(guān)心。 USB 采集卡的軟件構(gòu)成 在 USB 的 Firmware 中，采取同步傳輸（ Isochronous Transactions）和塊傳輸（ Bulk Transactions）兩種傳輸方式。由于EZUSB 開發(fā)系統(tǒng)中已經(jīng)提供了底層驅(qū)動程序（ GPD）接口函數(shù)，用戶只需調(diào)用這些函數(shù)即可與 USB 設(shè)備連接。把編寫好的 DLLs 放在當前目錄或特定目錄下。填好選擇 OK 按鈕后， LabVIEW 將自動生成各參數(shù)的入口及出口狀態(tài)，這樣就實現(xiàn)了 LabVIEW 與 DLLs 的調(diào)用。當運行程序時 , 只有前面板出現(xiàn)在計算機的屏幕上 , 作為虛擬測量和用戶的接口。通過框圖程序編程對信號數(shù)據(jù)的輸入和輸出進行指定 , 以操縱和控制定義在前面板的輸 入和輸出功能 , 完成對信號采集及分析處理功能的控制。 軟件 溫度實時 模塊 在虛擬儀器中，波形顯示控件主要分成兩大類，一類為事后記錄圖，或事后記錄波形控件；另一類稱為實時趨勢圖，或?qū)崟r趨勢波形控件。即使是數(shù)組，實時趨勢圖的方式也是連續(xù)不斷地 一個數(shù)組接著一個數(shù)組顯示，而不是一次顯示完成。在實時趨勢圖控件內(nèi)，設(shè)置了一個顯示緩沖器 ，用來保存一部分歷史數(shù)據(jù)，并接收新數(shù)據(jù)。 在波形顯示控件中，可以對波形顯示進行屬性設(shè)置，如調(diào)整 X、 Y 軸的坐標，對波形進行清空等，另外，還可以對圖形的外觀、數(shù)據(jù)格式和精度、線型、刻度、光標進行設(shè)置。其前面板如圖 。 在字符串節(jié)點中，包含以下集中用法： 圖 時間顯示前面板 圖 時間顯示框圖程序 基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測系統(tǒng) 28 字符串合并； 字符串分離； 子字符串的提?。? 時間字符串的格式化； 字符串的大小寫 轉(zhuǎn)換； 數(shù)值與字符串的相互轉(zhuǎn)換； 字符串的比較； 字符串與 ASCII 碼值的轉(zhuǎn)換。 最基本的 While 循環(huán)由循環(huán)框架，重復端口，以及條件端口組成。 While 循環(huán)執(zhí)行的是包含在循環(huán)框架中的程序，但循環(huán)次數(shù)卻是不固定的，只有當滿足給定的條件時，才停止循環(huán)的執(zhí)行。這是由于溫室大棚面積過大，若用一個傳感器測溫度存在局限性，所以使用三個來系統(tǒng)的反應(yīng)溫度，實時溫度是三個傳感器測得的溫度平均值，這樣可以更全面的反應(yīng)測溫系統(tǒng)。兩個循環(huán)都不滿足時，溫度在上下限范圍內(nèi)，兩個指示燈都不亮。我們利用溫度過高和過低的報 警來作為控制溫度的條件，當溫度過高時我們利用空調(diào)制冷，當溫度低于高溫報警時我們停止空調(diào)運作，當溫度過低時我們利用空調(diào)制熱，當溫度高于低溫報警時我們停止空調(diào)運作。形成一套自動化循環(huán)系統(tǒng)。 在前面板上有傳感器所測溫度顯示。但是當一個傳感器損壞時，程序還 是可以運行的。讓我們不必擔心整個系統(tǒng)無法運行。而且發(fā)現(xiàn)了軟件的強大。在計算機上進行 labview 編程。也為我們的生活水平帶來一定的提高。更要不斷地去完善這些軟件的不足。 在論文設(shè) 計期間，由于對軟件的陌生，對系統(tǒng)設(shè)計思想的缺乏，我開始慢慢了解閱讀資料，基本理解 了 一些原理的運用，也對 LABVIEW 有 了初步的認識，加深了對虛擬技術(shù)的理解 。 完成論文使我對工程測控的流程和步驟有了一定的了解，同時也知道了傳感技術(shù)在工程控制中 優(yōu)越的作用，通過論文，使我有了一定的論文思考方法，能系統(tǒng)的歸納、總結(jié)、遞推結(jié)構(gòu)、有序的完成系統(tǒng)設(shè)計