【文章內(nèi)容簡介】 重點介紹 使 用 LabVIEW 開發(fā)環(huán)境 來 設(shè)計上位機的監(jiān)控界面，上位機通過 USB轉(zhuǎn) RS232 串行口與 89E52 單片機通信， DS18B20 溫度傳感器讀取溫度數(shù)據(jù)，從而 實現(xiàn)對溫度參數(shù)的實時檢測。本文主要進行以下幾方面的工作： (1)論述智能溫度測控系統(tǒng)的課題目的及意義，智能溫度測控系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展概況及本論文的主要內(nèi)容。 (2)詳細介紹了虛擬儀器技術(shù)的概念、特點和體系結(jié)構(gòu)，虛擬儀器開發(fā)軟件 LabVIEW及圖形化編程語言的特點及應(yīng)用現(xiàn)狀。 (3)溫度檢測系統(tǒng)的設(shè)計思路及方案，對系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺進行選擇。 (4)介紹智能溫度測控系統(tǒng)硬件組成，電烤箱的功率調(diào)節(jié)方式及各硬件電路的設(shè)計。 (5)電烤箱溫度控制系統(tǒng)軟件整體設(shè)計方案，及上位機和下位機的設(shè)計過程。 (6)對所做工作進行了 總結(jié)，對未來的研究作了展望。 基于虛擬儀器 的溫度測量系統(tǒng) –4– 2 虛擬儀器概述 虛擬儀器的概念 隨著 科學技術(shù)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)儀器已不能滿足現(xiàn)代測控系統(tǒng)的 需要 。虛擬儀器 (Virtual Instrumentation)由 美國國家儀器公司 率先提出 ，這打破了傳統(tǒng)儀器 固定以及用戶無法更改 的 模式，引發(fā) 了測控儀器的一場重大變革。 虛擬儀器是指具有虛擬儀器面板的個人計算機儀器，即是在通用計算機上加上一組軟件或硬件，使得使用者在操作這臺計算機時，就像在操作一臺他自己設(shè)計的專用傳統(tǒng)電子儀器 ]1[ 。實際上就是把計算機技術(shù)與一起技術(shù)結(jié)合起來，將傳統(tǒng)儀器的三大功能，都放在計算機上完成。利用友好的計算機界面可以容易的模擬出各種儀器的控制面板，并以各種形式表達輸出的檢測結(jié)果；利用計算機軟件實現(xiàn)多種信號 分析、處理 和 存儲 ，完成多種測試功能；用計算機外設(shè)替代傳統(tǒng)儀器的按鍵和旋鈕等，使人可以不碰儀器本身，又能完成測量工作。虛擬儀器利用計算機技術(shù)實現(xiàn)和拓展了其本身的功能，并逐漸替代了傳統(tǒng)儀器對數(shù)據(jù)采集、分析等功能，達到了取代的目的。 虛擬儀器的主要特點 相比傳統(tǒng)儀器，虛擬儀 器有如下幾個主要特點 (1)強調(diào)新概念 — “ 軟件就是儀器 ”，取代舊概念 — “ 硬件為主體 ”。虛擬儀器的核心是軟件，硬件的作用只在于信號的輸入、輸出問題上，這對于傳統(tǒng)儀器而言，虛擬儀器在概念上取得了重大突破。軟件決定了虛擬儀器的智能化程度和處理能力，使用者根據(jù)需要，可把新的算法、專家系統(tǒng)或者人工智能應(yīng)用在儀器的設(shè)計與集成上，從而提升了儀器的技術(shù)水平。另外，虛擬儀器通過豐富的計算機圖形做到了人機互交與界面友好。 (2)用戶可自行定義虛擬儀器的功能，并在用戶機上產(chǎn)生，這使儀器可不由硬件決定，打破了傳統(tǒng)儀器的弊端。如果需 要，用戶可以通過編程添加所需功能，而不是購買新的設(shè)備，從而使儀器的靈活性大大提高。 (3)虛擬儀器容易建立網(wǎng)絡(luò)化，與 網(wǎng)絡(luò) 及 電腦設(shè)備互聯(lián)， 具有 方便、靈活的互聯(lián)性。網(wǎng)絡(luò) 虛擬儀器 隨網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展 逐步形成 ， 這種新型 虛擬儀器基于 WEB 技術(shù) ，這 使虛擬儀器變成 了 Inter 網(wǎng) 的一部分，可以方便的進行 構(gòu)建 遠程測控 系統(tǒng) ， 實現(xiàn) 了測量、控制的網(wǎng)絡(luò) 化 。 (4)虛擬儀器對硬軟件的制定具有開放的工業(yè)標準， 并且 采用模塊化結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)具有了良好的擴展性和 開放性 。 被 高度集成的如數(shù)據(jù)采集 電路 等是系統(tǒng)必須的基本硬件，實現(xiàn)了硬件模塊的即插即用。 軟件 開發(fā)基于模塊化設(shè)計思想， 并運用 了大量 函數(shù)庫 、類基于虛擬儀器 的溫度測量系統(tǒng) –5– 庫 和 動態(tài)鏈接庫，使代碼具有 了 良好 的可 重復(fù)性。 系統(tǒng)組建用時 短，功能更易拓展，軟硬件的 開發(fā)、 生產(chǎn)和維護的費用低。 虛擬儀器的體系結(jié)構(gòu) 通常測量儀器都 具有的三大部分：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)測試和 分析以及結(jié)果的 輸出顯示。相同 的是虛擬儀器也具有 這 三大部分，不同的是對于數(shù)據(jù)分析和結(jié)果輸出部分虛擬儀器是 通過計算機軟件系統(tǒng)完成的。只要 具有一定 的 數(shù)據(jù) 采集硬件，就能構(gòu)成基于計算機的虛擬 測量 測試儀器。 通常 虛擬儀器具有 的 三部分：計算機、硬件接口電路以及 軟件 部分。 虛擬儀 器的硬件構(gòu)成 虛擬儀器 硬件由硬件接口 電路 和計算機儀器構(gòu)成。 作為 虛擬儀器核心 的 計算機 要 對數(shù)據(jù)進行分析處理 以及 結(jié)果的顯示，而硬件接口電路要對被測量信號進行采集、放大以及模數(shù)轉(zhuǎn)換等工作， 對于構(gòu)成 不同的虛擬儀器接口 總線 ， 可分為 下幾種方案 ， 如圖 所示。 圖 虛擬儀器的硬件構(gòu)成框圖 (1)數(shù)據(jù)采集卡，它 的 儀器硬件平臺是信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡 (DAQ)和 PC 機，采用 ISA 或 PCI 計算機本身的總線，將 DAQ 插入 PC 機的總線擴展插槽，因此又稱 為PCDAQ/PCI 插卡式虛擬儀器。 (2)通用接口總線 GPIB(General Purpose Interface Bus)接口，它 的 儀器硬件平臺是GPIB 接口儀器、 GPIB 接口卡 和 PC 機， GPIB 的儀器操作界面 具有 獨立性， 可 脫離計算機使用，也可通過標準 GPIB 電纜連接 到 計算機實施程序控制。 (3)串行口儀器，它 的 儀器硬件平臺 是 Serial 標準總線儀器 和 PC 機，符合 RS422或者 RS232 標準的 PLC 和單片機系統(tǒng)。 基于虛擬儀器 的溫度測量系統(tǒng) –6– (4)VXI 儀器，它 的 儀器硬件平臺 是 VXI(VME bus Extension for Instrumentation)標準總線儀器模塊以 和 PC 機 ，由主機箱、控制器和儀器模塊構(gòu)成。 它 包括嵌入式 PC 控制器 、外置工作站控制器和嵌入式工作站控制器，選用 時 要根據(jù)測試功能的要求。 (5)PXI 儀器，它 的 硬件平臺是 PXI(PCI Extension for Instrumentation)標準總線儀器模塊 和 PC 機，標準的 PXI 模塊化儀器系統(tǒng)可以 Compact PCI 交互操作， 也 可與 VXI或 GPIB 集成，組成 多用途 、 大規(guī)模 系統(tǒng)。 (6)現(xiàn)場總線，它 的 儀器硬件平臺是 Field Bus 標準總線儀器 和 PC 機。上述的幾種方案中， VXI、 PXI、 GPIB 方案適合大型 高精度測試系統(tǒng) 。 串行口方案 I、 PCIDAQ/PC適合大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng) 。 虛擬儀器的軟件構(gòu)成 軟件 是 虛擬儀器的核心技術(shù)，通過修改程序 來 實現(xiàn) 不同 功能的測量測試儀器， 去 滿足各種不同的需求。 “ 軟件即是儀器 ” 的 意義就是軟件可 被 定義為各種儀器。使硬件軟件化，降低系統(tǒng)成本，增強系統(tǒng)功能及 其 靈活性。計算機易與網(wǎng)絡(luò)、外設(shè) 和 其他應(yīng)用連接，對于系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集、遠程傳送都 很 方便。我們只要利用數(shù)據(jù)采集電路或數(shù)據(jù)采集卡，就可 以 在計算機上構(gòu) 建 新的儀器系統(tǒng)， 通過 軟件編程實現(xiàn)不同功能。從底層到頂層可分虛擬儀器系統(tǒng) 的軟件 可 分為三個層次， 分別是 VISA 庫、儀器驅(qū)動程序 以及 應(yīng)用程序。 (1)VISA(Virtual Instrumentation Software Architecture)庫， VISA 庫 的 實質(zhì)是標準的I/O 函數(shù)庫 以 及相關(guān)規(guī)范的總稱，存在于儀器 和 儀器驅(qū)動程序之間， 并 為 它們 提供信息傳遞，是開放實現(xiàn)的、統(tǒng)一的虛擬儀器系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心。 (2)儀器驅(qū)動程序，數(shù)據(jù)的采集與控制 要 涉及到硬件操作， 所以 需要對應(yīng)的硬件驅(qū)動程序。驅(qū)動程序 使 儀器 與 通信軟件集合，連接應(yīng)用程序 與 VISA 庫，每個儀器模塊都有其 對應(yīng)的儀器驅(qū)動程序， 用戶可方便 的 調(diào)用儀器驅(qū)動程序，而不必重新設(shè)計。 (3)應(yīng)用軟件，它建立在儀器驅(qū)動程序之上，由用戶編寫，通過友好的測控操作界面和 豐富的數(shù)據(jù)分析與處理來完成測控任務(wù)。 LabVIEW 的概述 LabVIEW 是實驗室虛擬儀器集成環(huán)境 (Laboratory virtual Instrument Engineering workbench)的簡稱，是目前發(fā)展最快 、 應(yīng)用最廣、功能最強的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境。得到 了學術(shù) 界和 工業(yè) 界的普遍認可和好評。它把復(fù)雜的文本語言簡化成用圖標 或 菜單提示的方法選擇功能， 利 用線條 把 各 種功能連接起來 的 編程方式，為用戶進行編程、調(diào)試提供了 方便的工具和 環(huán)境 。 LabVIEW 是一種虛擬儀器開發(fā)平臺軟件，能夠以其直觀簡便基于虛擬儀器 的溫度測量系統(tǒng) –7– 的編程方式、眾多的源代碼級的設(shè)備驅(qū)動程序、多種多樣的分析和表達功能支持，為用戶快捷地構(gòu)筑自己在實際工程中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件 ]2[ 。 而且 LabVIEW 相比 其它計算機語言，有一個重要的不同點 :就是 其它計算機語言都是采用文本語 言 產(chǎn)生代碼，而 LabVIEW 采用 的 是圖形化編程語言 （ G 語言 ） ， 以 框圖的形式產(chǎn)生程序 ， 簡單易學 ，可在短時間內(nèi)掌握并 運 用到實踐中。 從宏觀上講 LabVIEW 的運行機制 以不 是傳統(tǒng) 上 的馮 178。 諾依曼 的 計算機體系結(jié)構(gòu)執(zhí)行方式。在 LabVIEW 中傳統(tǒng)計算機語言順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)被并行機制代替 ： 從本質(zhì)上 看 ，它是圖形控制流結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流模式。 按照 數(shù)據(jù)流程序 的 設(shè)計規(guī)定， 當 函數(shù)的所有輸入有效時才能 夠 執(zhí)行 ；而 當目標輸出的功能完成時，它才是有效的。 所以 在這種數(shù)據(jù)流程序的概念中，數(shù)據(jù)驅(qū)動 驅(qū)使 程序執(zhí)行，它 并 不受 到 計算機 、 操作系統(tǒng)等因素影響。 VI 是 LabVIEW 的核心。 VI 擁有 人機對話用戶界面，前面板 (Front Panel)和程序圖(Diagram)。程序圖 發(fā) 指令前面板接收。在前面板中，輸入控件 (Controls)模擬儀器的輸入裝置并 將 數(shù)據(jù)提供給程序圖 ； 顯示控件 (Indicators)則模擬儀器的輸出裝置并顯示由程序圖獲得的數(shù)據(jù)。當把一個 顯示 或輸入控件放置到前面板上時，程序圖中 會 相應(yīng)地放置一個端口 (Terminals)。 用 LabVIEW 編程不受計算機 語法 限制 。首先， 在 功能菜單中選 取所需 功能節(jié)點，并至于 何時位置；然后 ， 在程序圖中的端口用線 (Wires)連接各功能節(jié)點，用來傳輸 各節(jié)點 質(zhì)檢數(shù)據(jù)。這些節(jié)點包括簡單算術(shù)功能 、 高級數(shù)據(jù) 采集 和 分析以及存儲和檢索數(shù)據(jù) 功能 的和網(wǎng)絡(luò)功能。 這樣 的圖形化程序設(shè)計編程 有著 簡單、直觀、開發(fā)效率高 等 特點。 LabVIEW 的應(yīng)用現(xiàn)狀 LabVIEW 廣泛應(yīng)用于包括通信、航空 、 自動化、半導(dǎo)體、過程控制、電路設(shè)計及生物醫(yī)學 等 各種工業(yè)領(lǐng)域中， 使 應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)效率 得到 提升。協(xié)調(diào)使用 LabVIEW，信息資源 及 共享軟件，可大量 節(jié)省金錢 和時間。 LabVIEW 的應(yīng)用大致可分為以下幾個主要方面 ]3[ ： (1)應(yīng)用于生產(chǎn)檢測 : LabVIEW 己經(jīng)成為用 于測試測量領(lǐng)域的工業(yè)標準化開發(fā)工具。LabVIEW 結(jié)合 NITestStand 測試執(zhí)行環(huán)境和該領(lǐng)域中最大的儀器驅(qū)動程序庫，為整個系統(tǒng)建立穩(wěn)固完整的檢測管理平臺。 (2)應(yīng)用于研究與分析 :運用 LabVIEW，可在汽車、能源研究和其它眾多工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用系統(tǒng)中進行實時數(shù)據(jù)的分析和處理、對于圖像處理、時頻分析、小波和數(shù)字濾波的應(yīng)用系統(tǒng)， LabVIEW 特別提供各種附加工具包以加速系統(tǒng)的開發(fā)。 (3)應(yīng)用于過程控制和工廠自動化 :可利用 LabVIEW 來建立過程控制和工業(yè)自動化應(yīng)用系統(tǒng)。在 LabVIEW 平臺下，可 以實現(xiàn)多通道的高速測量和控制。對于大型復(fù)雜的基于虛擬儀器 的溫度測量系統(tǒng) –8– 工業(yè)自動化和控制系統(tǒng)，有專門的 LabVIEW 數(shù)據(jù)記錄和監(jiān)控模塊，用于監(jiān)控多通道 I/O、與工業(yè)控制器和網(wǎng)絡(luò)進行通信，以及提供基于 PC 機的控制。 (4)應(yīng)用于機器監(jiān)控 :對于要求有實時控制、視覺和圖像分析或運動控制的機器監(jiān)視和預(yù)先維護的應(yīng)用系統(tǒng)， LabVIEW 是理想的選擇。 LabVIEW 系列產(chǎn)品，包括用于可靠、確定性控制的實時 LabVIEW (LabVIEW RT)軟件，能夠快速、準確的建立起功能強大的機器監(jiān)視和自動控制應(yīng)用程序。 (5)應(yīng)用于測控系統(tǒng) :LabVIEW 有著強大的功能和廣闊的應(yīng)用前景，但就目前國內(nèi)的現(xiàn)狀來看，大多數(shù)的用戶還是把 LabVIEW 作為虛擬儀器，僅僅利用它來進行數(shù)據(jù)的處理、分析和顯示，忽略了 LabVIEW 強大的數(shù)據(jù)采集和控制功能，特別是基于 PC 機的實時控制，在國內(nèi)應(yīng)用較少。 基于虛擬儀器 的溫度測量系統(tǒng) –9– 3 總體設(shè)計 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能 本論文針對傳統(tǒng) 測控儀器 功能由儀器廠商定義，圖形界面小，設(shè)備連接有限，讀取數(shù)據(jù)信息量小，無法編輯、存儲，功能固定、系統(tǒng)封閉、可擴展性差，技術(shù)更新 速度 慢，開發(fā) 、 維護費用高 等 特點，設(shè)計一個基于 LabVIEW 的溫度檢測系統(tǒng)。 該 溫度檢測系統(tǒng)主 要實現(xiàn)以下 幾個 功能： (1)實現(xiàn)單片機與 PC 機的串口通信，能及時將溫度數(shù)據(jù)傳給 PC 機，并在上位機界面行程曲線，直觀表現(xiàn)溫度變化。 (2)檢測參數(shù)顯示 ： 如測試時間、設(shè)定溫度等，當溫度超出范圍進行報警等。 (3)溫度實時監(jiān)測曲線顯示，具有數(shù)字顯示和波形圖顯示。 (4)保存結(jié)果數(shù)據(jù)：用戶可將采集到的數(shù)據(jù)保存在 Excel 表格中，方便 打印和 查詢。 總體設(shè)