【正文】 因此能產(chǎn)生超前的控制作用，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定 。 PCI6221 型數(shù)據(jù)采集卡支持單極性和雙極性兩種模擬信號(hào)的輸入，信號(hào)輸入范圍分別為 10V— +10V 和 0V— 20V。隨著α的增大， U0 逐漸降低。 如圖 中 Rt 即為鉑熱電阻 Pt100。 本系統(tǒng)采用鉑熱電阻 Pt100 做為溫度傳感器，它的測(cè)溫范圍為 200℃ ～ +850℃ 。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)合，多任務(wù)并行是經(jīng)常要解決的問題，然而基于 Windows 操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序并不能真正實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)并行處理，但是基于 Linux操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序卻更容 易滿足上述要求，這是因?yàn)椋?（ 1） Linux 是真正的多任務(wù)的操作系統(tǒng)，可以同時(shí)執(zhí)行幾個(gè)程序。 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器最大的不同之處就在于其具有開放性的構(gòu)成方式，即具有靈活性和功能的可重構(gòu)性。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來越快的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)的性能更加強(qiáng)大。 PXI 具有高度可擴(kuò)展性，可擴(kuò)展到 256 個(gè)擴(kuò)展槽。play”的能力，與并行總線相比，更適合于連接多外設(shè)的需要。信號(hào)通過高速數(shù)據(jù)采集卡采樣的數(shù)字信號(hào)，經(jīng) PCI 總線送入計(jì)算機(jī)內(nèi)，通過 LabVIEW 軟件模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、處理，從而實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的功能。 所有 VI 源程序的框圖都是由節(jié)點(diǎn) (Nodes)、端子、圖框和連線 (Wires)四種元素構(gòu)成。 LabVIEW 圖形編程語言中的基本編程單元是 VI(VinualInstrument，虛擬儀器 )， VI包括三個(gè)部分：前面板 (Frontpanel)、框圖程序 (BlockDiagram)和圖標(biāo) (Icon)連接器(Connector)。 上述的幾種方案中， GPIB， VXI， PXI 方案主要適合構(gòu)成大型高精度集成測(cè)試系統(tǒng)；PCI— DAQ/PCI、串行口方案主要適合構(gòu)成普及型的廉價(jià)測(cè)試系統(tǒng)；現(xiàn)場(chǎng)總線方案主要內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 適合構(gòu)成大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)，如測(cè)試任務(wù)需要，也可將上述 幾種 方案結(jié)合構(gòu)成混合測(cè)試系統(tǒng)。 虛擬儀器的硬件構(gòu)成框圖 如圖 所示。這是虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)之一 ， 它可以方便地使用戶根據(jù)自己的需要 ， 自己的風(fēng)格建立自己的測(cè)試儀器。 迄今 ， 虛擬儀器尚無公認(rèn)的定義 ， 所謂虛擬儀器 (Virtual Instrument)，實(shí)際上就是一種基于計(jì)算機(jī)的融功能強(qiáng)大的 應(yīng)用軟件、 高性能的模塊化硬件及驅(qū)動(dòng)軟件于一體的自動(dòng)化測(cè)試儀器系統(tǒng)。 目前市面上的電熱水器的 智能 溫度控制系統(tǒng)主要有兩種 ： 一種是基于單片機(jī) ， 還有一種是基于虛擬儀器 。 就中國的具體情況而言，由于太陽能熱水器的使用受天氣原因的限制，使用范圍狹窄；燃?xì)鉄崴饔捎谝允汀⑻烊粴鉃槿剂?，而燃料供?yīng)量又難以滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求，且不利于環(huán)境；而電熱水器卻 具有無污染 、 安全 、 保溫時(shí)間長 、 使用方便等優(yōu)點(diǎn) ，所以， 隨著人民生活水平的不斷提高和我國電 力工業(yè)的不斷發(fā)展 ， 電熱水器越來越受到消費(fèi)者的青睞， 它 的使用 得到不斷普及 。 根據(jù)中國商業(yè)聯(lián)合會(huì)前不久的統(tǒng)計(jì)，電熱水器的市場(chǎng)份額在銷售數(shù)量和銷售收入兩個(gè)方面都已經(jīng)超過了長期以來占有優(yōu)勢(shì)的燃?xì)鉄崴鳌? 基于單片機(jī)的電熱水器 溫度控制系統(tǒng) 目前最常用的基于單片機(jī)的電熱水器溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)電路是以 AT89C2051單片機(jī)為核心的，由多諧振蕩器、溫度設(shè)定電路、單片機(jī)、設(shè)定溫度顯示電路、 執(zhí)行機(jī)構(gòu)等幾部分組成。靈活高效的軟件能創(chuàng)建完全自定義的用戶界面 ， 模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成 ，標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺(tái)能滿足對(duì)同步和定時(shí)應(yīng)用的需求。 （ 2） 應(yīng)用 （ 程序 ） 開發(fā)層 由生產(chǎn)商提供的軟件開發(fā)工具 ， 如 NI(NATIONAL INSTRUMENTS)公司的 LabVIEW軟件， LabWindows/CVI 軟件。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 被測(cè)對(duì)象信 號(hào) 調(diào) 理 數(shù) 據(jù) 采 集 卡G P I B 接 口 儀 器 G P I B 接 口 卡串 行 口 儀 器 P L CV X I 儀 器P X I 儀 器現(xiàn) 場(chǎng) 總 線 設(shè) 備計(jì)算機(jī) 圖 虛擬儀器的硬件構(gòu)成框 圖 （ 1） 基于數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器，它是以信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡 (data acquisition， DAQ)及 PC 機(jī)為儀器硬件平臺(tái)，采用 PCI(peripheral ponent interconnect)或 ISA( industrial standard architecture)計(jì)算機(jī)本身的總線，將 DAQ 直接插入 PC 機(jī)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的總線擴(kuò)展插槽即可，因此 ， 這種虛擬儀器又叫 PCDAQ/PCI 插卡式虛擬儀器。 虛擬儀器的軟件組成 虛擬儀器系統(tǒng)的核心是軟件技術(shù)，軟件開發(fā)環(huán)境是其重要的組成部分 。 前面板既接受來自框圖程序的指令，又是用戶與程序代碼發(fā)生聯(lián)系的窗口。其中，端子被用來同程序前面板的控件和指示器傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)被用來實(shí)現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框被用來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令，而連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。 這種 儀器價(jià)格便宜，因個(gè)人計(jì)算機(jī)數(shù)量非常龐大，因此用途廣泛，特別適合于教學(xué)部門和各種實(shí)驗(yàn)室，目前仍有強(qiáng)大的生命力?；?USB 總線， NI 公司推出了 USB6008 和 USB6009 等幾款數(shù)據(jù)采集卡。把臺(tái)式 PC 的性能價(jià)格比和 PCI 總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，將形成未來主流的虛擬儀器平臺(tái)之一。 （ 2）擴(kuò)展性強(qiáng)，費(fèi)效比高。而傳統(tǒng)儀器的結(jié)構(gòu)和功能卻相對(duì)固定。多任務(wù)操作系統(tǒng)就是可以運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用程序 (或進(jìn)程 )的系統(tǒng)。 鉑熱電阻 Pt100 的輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后，通過數(shù)據(jù)采集卡 PCI6221 的模擬通道內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） AI0 輸入計(jì)算機(jī)，并由 LabVIEW 程序計(jì)算得到溫度測(cè)量值。 r1， r 2， r 3 即為引 線電阻，一般情況下，三根線的規(guī)格都是一樣的，故 r1= r 2= r 3， Pt100 檢測(cè)到的溫度信號(hào)經(jīng)過如圖 所示的三線制調(diào)理電路的調(diào)理變換成能被 PCI6221 板卡接收的 0— 10V 的電壓信號(hào) Uo(t)。直到α =π時(shí)， U0=0。它提供 16 路 16 位的模擬輸入通道，最大采樣速率為 250KS/s； 2 路 16 位的模擬輸出通道，最大輸出頻率為 833KS/s， 24 線的 TTL 型數(shù)字 I/O 及 32 位定時(shí)計(jì)數(shù)器等多種功能。而且當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例微分 （ PD） 控制器能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)， 改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”， 微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢(shì)，在偏差還沒有形成之前，已經(jīng)被微分調(diào)節(jié)作用消除。比例調(diào)節(jié)作用是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少偏差。 本系統(tǒng)在綜合考慮 A/D 和 D/A 通道數(shù)目、采樣速率、輸入精度、 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換速度、分辨率與精度等技術(shù)指標(biāo)的情況下，選用 NI 公司的 PCI6221 型數(shù)據(jù)采集卡作為系統(tǒng)硬件的核心部分。α =0 時(shí)，相當(dāng)于晶閘管一直接通，輸出電壓為最大值 U0=U1。 圖 即為溫度 信號(hào) 調(diào)理電路的電路圖 。 溫度 測(cè)量及 調(diào)理電路 溫度測(cè)量及調(diào)理電路 主要由溫度傳感器和信號(hào)調(diào)理兩部分組成，用于對(duì)電熱水器溫度的檢測(cè) 及信號(hào) 調(diào)理。該系統(tǒng)主要面向大眾用戶，盡管普及面較廣，但基于 Windows 操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序占用內(nèi)存大，系統(tǒng)穩(wěn)定性不理想，常出現(xiàn)“死機(jī)”現(xiàn)象。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， 尤其是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步 ， 在儀器的信號(hào)處理部分，用軟件代替硬件成為可能 ， 即：用算法代替電 子線路 ， 能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)儀器的信號(hào)處理功能， 即把傳統(tǒng)儀器的后兩部分 （ 信號(hào)處理、結(jié)果表達(dá)與儀器控制 ） 用計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)，而不再采用硬件 （ 電內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 子線路 ） 來實(shí)現(xiàn)。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。 PXI 總線方式的虛擬儀器 PXI 總線 是 1997 年由 NI 公司推出的一種新的開放性、模塊化的儀器總線規(guī)范，它是在 PCI 總線內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的。 USB 總線具有“即插即用 — plugamp。 其工作原理是：由主機(jī)啟動(dòng)程序，發(fā)出按時(shí) 間步進(jìn)的頻率控制字送入信號(hào)源電路，產(chǎn)生頻率隨時(shí)間在 1MHz～ 70MHz 范圍內(nèi)變化的恒幅正弦波模擬信號(hào)。也可以把它想象為傳統(tǒng)儀器機(jī)箱里用來實(shí)現(xiàn)儀器功能的零部件。所以，只要把程序流程框圖畫好了，程序也就差不多編好了。 （ 6） 基于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的虛擬儀 器，它是以 Fieldbus 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器及 PC 機(jī)為儀器硬件平臺(tái)的。根據(jù)構(gòu)成虛擬儀器的接口總線不同，主要可分為如下幾種構(gòu)成方案， 按照構(gòu)成虛擬儀器的接口總線不同，可分為 PCDAQ、 GPIB、 RS232/RS42 VXI、 PXI 等。 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)及組成 一套完整的虛擬儀器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般來說分為四層 ： （ 1） 測(cè)試管理層 用戶使用虛擬儀器生產(chǎn)廠商開發(fā)的應(yīng)用程序 ， 組成自己的一套測(cè)試儀器。 虛擬儀器的出現(xiàn) ，克服了以硬件為主 的傳統(tǒng)儀器的功能只能由廠家定義而用戶難以改變的缺陷 。 安全 、節(jié)能 、 多功能 、 智能化 、 數(shù)字化是其主要發(fā)展方向 。目前市場(chǎng)上熱水器主要品種有電熱水器、太陽能熱水器、燃?xì)鉄崴?。該中心預(yù)計(jì)，在城 市電網(wǎng)更大范圍改造和城市住房市場(chǎng)大 規(guī)模啟動(dòng)的帶動(dòng)下，今后幾年我國 電熱水器市場(chǎng)將呈現(xiàn)強(qiáng)勁增長的勢(shì)頭。 本系統(tǒng)的工作原理是： 如圖 所示， 接通電源后，多諧振蕩器產(chǎn)生電脈沖由 INTO輸入單片機(jī)，先使 TR0=1， INTO 變?yōu)楦唠娖胶?T0 開始計(jì)數(shù)， INTO 變?yōu)榈碗娖胶笸Ｖ褂?jì)數(shù)，把計(jì)數(shù)值 （ TH0、 TL0） 與預(yù)先放置在“溫度表”中 的 與一定的脈沖寬度對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值 （ TH0、 TL0 的值 ） 相比較就可轉(zhuǎn)化為溫度。 就功能而言 ， 虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器 ， 儀器工作時(shí)通過操縱位于計(jì)算機(jī)屏幕虛擬面板上的“按鈕”來完成檢測(cè)或者控制任務(wù) 。用戶可以用這類軟件進(jìn)行深層開發(fā) ，以 擴(kuò)展儀器原有的功能。 PCDAQ 為采集卡，由過去的 16 位標(biāo)準(zhǔn) ISA 總線發(fā)展到 32 位的 PCI 總線插卡，易于構(gòu)成 個(gè)人儀器系統(tǒng)，但需打開主機(jī)箱直接與 ISA、 PCI 總線連接，沒有定義儀器系統(tǒng)所需的總線 。 虛擬儀器 的軟件 從底層到頂層包括三部分： VISA 庫、儀器驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用軟件。這個(gè)窗口模擬真實(shí)儀表的前面板，用于設(shè)置輸入和觀察輸出，輸入量稱為控 件 (Controls)，輸出量稱為指示器 (Indicators)。編 制框圖程序時(shí)，從功能模板中選擇需要的節(jié)點(diǎn)圖標(biāo)或圖框，將之置于 窗口 面板上適當(dāng)?shù)奈恢?，然后用連線連接它們及框圖中的端子即可。 這種類型的虛擬儀器充分利用了計(jì)算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源及軟件的便利，但它也具有一定的缺點(diǎn)：由于基于 PCI 總線的虛擬儀器在插入時(shí)都需要打開機(jī)箱，操作不方便；并且測(cè) 試信號(hào)直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)，各種現(xiàn)場(chǎng)的被測(cè)信號(hào)對(duì)計(jì)算機(jī)安全造成很大的威脅；同時(shí)，計(jì)算機(jī)內(nèi)部的強(qiáng)電磁干擾對(duì)被測(cè)信號(hào)也會(huì)造成很大的影響。 GPIB 總線方式的虛擬儀器 GPIB 總線 (即 IEEE488 總線 )是一種并行外總線，是在 HP 公司 1965 年設(shè)計(jì)的 HPIB儀器接口總線的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，經(jīng)歷了 、 、目前市面上使用的是 GPIB。 LXI 總線方式的虛擬儀器 20xx 年 9 月 VXI 科技公司和安捷倫聯(lián)合推出一種新的基于工業(yè)以太網(wǎng)的總線規(guī)范—— LXI(LAN eXtensions for Instrumentation)。 虛擬儀器軟件平臺(tái)為所有的 I/O 設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助用戶輕松地將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，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，或只需更新計(jì)算機(jī)或測(cè)量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級(jí)即可改進(jìn)用戶的整個(gè)系統(tǒng)。虛擬儀器 可使用相同的硬件系統(tǒng)，通過不同的軟件就可以構(gòu)建功能完全不同的各種測(cè)量測(cè)試儀器，即軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心，軟件可以定義為各種儀器。 （ 2） Linux 操作系統(tǒng)是一個(gè)多用戶操作系統(tǒng)。 鉑熱電阻 Pt100 在溫度為 0℃時(shí)輸出的電阻值為 100 歐 ,溫度為 100℃是輸出的阻值為 歐。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t leN u m be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 16 A pr 2 00 8 S he e t o f F i l e : C : \ D o c um e nt s a n d S e tt i ng s \ da iz on ge \桌面 \戴宗娥