【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 重點(diǎn)介紹 使 用 LabVIEW 開發(fā)環(huán)境 來(lái) 設(shè)計(jì)上位機(jī)的監(jiān)控界面，上位機(jī)通過(guò) USB轉(zhuǎn) RS232 串行口與 89E52 單片機(jī)通信， DS18B20 溫度傳感器讀取溫度數(shù)據(jù)，從而 實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。本文主要進(jìn)行以下幾方面的工作： (1)論述智能溫度測(cè)控系統(tǒng)的課題目的及意義，智能溫度測(cè)控系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況及本論文的主要內(nèi)容。 (2)詳細(xì)介紹了虛擬儀器技術(shù)的概念、特點(diǎn)和體系結(jié)構(gòu)，虛擬儀器開發(fā)軟件 LabVIEW及圖形化編程語(yǔ)言的特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀。 (3)溫度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及方案，對(duì)系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行選擇。 (4)介紹智能溫度測(cè)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(jì)。 (5)電烤箱溫度控制系統(tǒng)軟件整體設(shè)計(jì)方案，及上位機(jī)和下位機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程。 (6)對(duì)所做工作進(jìn)行了 總結(jié)，對(duì)未來(lái)的研究作了展望。 基于虛擬儀器 的溫度測(cè)量系統(tǒng) –4– 2 虛擬儀器概述 虛擬儀器的概念 隨著 科學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)儀器已不能滿足現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)的 需要 。虛擬儀器 (Virtual Instrumentation)由 美國(guó)國(guó)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(wú)法更改 的 模式，引發(fā) 了測(cè)控儀器的一場(chǎng)重大變革。 虛擬儀器是指具有虛擬儀器面板的個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器，即是在通用計(jì)算機(jī)上加上一組軟件或硬件，使得使用者在操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)，就像在操作一臺(tái)他自己設(shè)計(jì)的專用傳統(tǒng)電子儀器 ]1[ 。實(shí)際上就是把計(jì)算機(jī)技術(shù)與一起技術(shù)結(jié)合起來(lái)，將傳統(tǒng)儀器的三大功能，都放在計(jì)算機(jī)上完成。利用友好的計(jì)算機(jī)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(dá)輸出的檢測(cè)結(jié)果；利用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)多種信號(hào) 分析、處理 和 存儲(chǔ) ，完成多種測(cè)試功能；用計(jì)算機(jī)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(cè)量工作。虛擬儀器利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)和拓展了其本身的功能，并逐漸替代了傳統(tǒng)儀器對(duì)數(shù)據(jù)采集、分析等功能，達(dá)到了取代的目的。 虛擬儀器的主要特點(diǎn) 相比傳統(tǒng)儀器，虛擬儀 器有如下幾個(gè)主要特點(diǎn) (1)強(qiáng)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(hào)的輸入、輸出問題上，這對(duì)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(jì)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(guò)豐富的計(jì)算機(jī)圖形做到了人機(jī)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(jī)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(guò)編程添加所需功能，而不是購(gòu)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(jìn)行 構(gòu)建 遠(yuǎn)程測(cè)控 系統(tǒng) ， 實(shí)現(xiàn) 了測(cè)量、控制的網(wǎng)絡(luò) 化 。 (4)虛擬儀器對(duì)硬軟件的制定具有開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 并且 采用模塊化結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)具有了良好的擴(kuò)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(shí)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(jì)思想， 并運(yùn)用 了大量 函數(shù)庫(kù) 、類基于虛擬儀器 的溫度測(cè)量系統(tǒng) –5– 庫(kù) 和 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，使代碼具有 了 良好 的可 重復(fù)性。 系統(tǒng)組建用時(shí) 短，功能更易拓展，軟硬件的 開發(fā)、 生產(chǎn)和維護(hù)的費(fèi)用低。 虛擬儀器的體系結(jié)構(gòu) 通常測(cè)量?jī)x器都 具有的三大部分：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)測(cè)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(duì)于數(shù)據(jù)分析和結(jié)果輸出部分虛擬儀器是 通過(guò)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的虛擬 測(cè)量 測(cè)試儀器。 通常 虛擬儀器具有 的 三部分：計(jì)算機(jī)、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(jì)算機(jī)儀器構(gòu)成。 作為 虛擬儀器核心 的 計(jì)算機(jī) 要 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理 以及 結(jié)果的顯示，而硬件接口電路要對(duì)被測(cè)量信號(hào)進(jìn)行采集、放大以及模數(shù)轉(zhuǎn)換等工作， 對(duì)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(tái)是信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡 (DAQ)和 PC 機(jī)，采用 ISA 或 PCI 計(jì)算機(jī)本身的總線，將 DAQ 插入 PC 機(jī)的總線擴(kuò)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(tái)是GPIB 接口儀器、 GPIB 接口卡 和 PC 機(jī)， GPIB 的儀器操作界面 具有 獨(dú)立性， 可 脫離計(jì)算機(jī)使用，也可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn) GPIB 電纜連接 到 計(jì)算機(jī)實(shí)施程序控制。 (3)串行口儀器，它 的 儀器硬件平臺(tái) 是 Serial 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器 和 PC 機(jī)，符合 RS422或者 RS232 標(biāo)準(zhǔn)的 PLC 和單片機(jī)系統(tǒng)。 基于虛擬儀器 的溫度測(cè)量系統(tǒng) –6– (4)VXI 儀器，它 的 儀器硬件平臺(tái) 是 VXI(VME bus Extension for Instrumentation)標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊以 和 PC 機(jī) ，由主機(jī)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(shí) 要根據(jù)測(cè)試功能的要求。 (5)PXI 儀器，它 的 硬件平臺(tái)是 PXI(PCI Extension for Instrumentation)標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊 和 PC 機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)總線，它 的 儀器硬件平臺(tái)是 Field Bus 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器 和 PC 機(jī)。上述的幾種方案中， VXI、 PXI、 GPIB 方案適合大型 高精度測(cè)試系統(tǒng) 。 串行口方案 I、 PCIDAQ/PC適合大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)測(cè)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(guò)修改程序 來(lái) 實(shí)現(xiàn) 不同 功能的測(cè)量測(cè)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(qiáng)系統(tǒng)功能及 其 靈活性。計(jì)算機(jī)易與網(wǎng)絡(luò)、外設(shè) 和 其他應(yīng)用連接，對(duì)于系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)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(jì)算機(jī)上構(gòu) 建 新的儀器系統(tǒng)， 通過(guò) 軟件編程實(shí)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(gè)層次， 分別是 VISA 庫(kù)、儀器驅(qū)動(dòng)程序 以及 應(yīng)用程序。 (1)VISA(Virtual Instrumentation Software Architecture)庫(kù)， VISA 庫(kù) 的 實(shí)質(zhì)是標(biāo)準(zhǔn)的I/O 函數(shù)庫(kù) 以 及相關(guān)規(guī)范的總稱，存在于儀器 和 儀器驅(qū)動(dòng)程序之間， 并 為 它們 提供信息傳遞，是開放實(shí)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(dòng)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(duì)應(yīng)的硬件驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序 使 儀器 與 通信軟件集合，連接應(yīng)用程序 與 VISA 庫(kù)，每個(gè)儀器模塊都有其 對(duì)應(yīng)的儀器驅(qū)動(dòng)程序， 用戶可方便 的 調(diào)用儀器驅(qū)動(dòng)程序，而不必重新設(shè)計(jì)。 (3)應(yīng)用軟件，它建立在儀器驅(qū)動(dòng)程序之上，由用戶編寫，通過(guò)友好的測(cè)控操作界面和 豐富的數(shù)據(jù)分析與處理來(lái)完成測(cè)控任務(wù)。 LabVIEW 的概述 LabVIEW 是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境 (Laboratory virtual Instrument Engineering workbench)的簡(jiǎn)稱，是目前發(fā)展最快 、 應(yīng)用最廣、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境。得到 了學(xué)術(shù) 界和 工業(yè) 界的普遍認(rèn)可和好評(píng)。它把復(fù)雜的文本語(yǔ)言簡(jiǎn)化成用圖標(biāo) 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(lái) 的 編程方式，為用戶進(jìn)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(tái)軟件，能夠以其直觀簡(jiǎn)便基于虛擬儀器 的溫度測(cè)量系統(tǒng) –7– 的編程方式、眾多的源代碼級(jí)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、多種多樣的分析和表達(dá)功能支持，為用戶快捷地構(gòu)筑自己在實(shí)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(jì)算機(jī)語(yǔ)言，有一個(gè)重要的不同點(diǎn) :就是 其它計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用文本語(yǔ) 言 產(chǎn)生代碼，而 LabVIEW 采用 的 是圖形化編程語(yǔ)言 （ G 語(yǔ)言 ） ， 以 框圖的形式產(chǎn)生程序 ， 簡(jiǎn)單易學(xué) ，可在短時(shí)間內(nèi)掌握并 運(yùn) 用到實(shí)踐中。 從宏觀上講 LabVIEW 的運(yùn)行機(jī)制 以不 是傳統(tǒng) 上 的馮 178。 諾依曼 的 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)執(zhí)行方式。在 LabVIEW 中傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)被并行機(jī)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(jì)規(guī)定， 當(dāng) 函數(shù)的所有輸入有效時(shí)才能 夠 執(zhí)行 ；而 當(dāng)目標(biāo)輸出的功能完成時(shí)，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(dòng) 驅(qū)使 程序執(zhí)行，它 并 不受 到 計(jì)算機(jī) 、 操作系統(tǒng)等因素影響。 VI 是 LabVIEW 的核心。 VI 擁有 人機(jī)對(duì)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(dāng)把一個(gè) 顯示 或輸入控件放置到前面板上時(shí)，程序圖中 會(huì) 相應(yīng)地放置一個(gè)端口 (Terminals)。 用 LabVIEW 編程不受計(jì)算機(jī) 語(yǔ)法 限制 。首先， 在 功能菜單中選 取所需 功能節(jié)點(diǎn)，并至于 何時(shí)位置；然后 ， 在程序圖中的端口用線 (Wires)連接各功能節(jié)點(diǎn)，用來(lái)傳輸 各節(jié)點(diǎn) 質(zhì)檢數(shù)據(jù)。這些節(jié)點(diǎn)包括簡(jiǎn)單算術(shù)功能 、 高級(jí)數(shù)據(jù) 采集 和 分析以及存儲(chǔ)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(jì)編程 有著 簡(jiǎn)單、直觀、開發(fā)效率高 等 特點(diǎn)。 LabVIEW 的應(yīng)用現(xiàn)狀 LabVIEW 廣泛應(yīng)用于包括通信、航空 、 自動(dòng)化、半導(dǎo)體、過(guò)程控制、電路設(shè)計(jì)及生物醫(yī)學(xué) 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(shí)間。 LabVIEW 的應(yīng)用大致可分為以下幾個(gè)主要方面 ]3[ ： (1)應(yīng)用于生產(chǎn)檢測(cè) : LabVIEW 己經(jīng)成為用 于測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)工具。LabVIEW 結(jié)合 NITestStand 測(cè)試執(zhí)行環(huán)境和該領(lǐng)域中最大的儀器驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)，為整個(gè)系統(tǒng)建立穩(wěn)固完整的檢測(cè)管理平臺(tái)。 (2)應(yīng)用于研究與分析 :運(yùn)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(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析和處理、對(duì)于圖像處理、時(shí)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(guò)程控制和工廠自動(dòng)化 :可利用 LabVIEW 來(lái)建立過(guò)程控制和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用系統(tǒng)。在 LabVIEW 平臺(tái)下，可 以實(shí)現(xiàn)多通道的高速測(cè)量和控制。對(duì)于大型復(fù)雜的基于虛擬儀器 的溫度測(cè)量系統(tǒng) –8– 工業(yè)自動(dòng)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(jìn)行通信，以及提供基于 PC 機(jī)的控制。 (4)應(yīng)用于機(jī)器監(jiān)控 :對(duì)于要求有實(shí)時(shí)控制、視覺和圖像分析或運(yùn)動(dòng)控制的機(jī)器監(jiān)視和預(yù)先維護(hù)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(shí)時(shí) LabVIEW (LabVIEW RT)軟件，能夠快速、準(zhǔn)確的建立起功能強(qiáng)大的機(jī)器監(jiān)視和自動(dòng)控制應(yīng)用程序。 (5)應(yīng)用于測(cè)控系統(tǒng) :LabVIEW 有著強(qiáng)大的功能和廣闊的應(yīng)用前景，但就目前國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀來(lái)看，大多數(shù)的用戶還是把 LabVIEW 作為虛擬儀器，僅僅利用它來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、分析和顯示，忽略了 LabVIEW 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和控制功能，特別是基于 PC 機(jī)的實(shí)時(shí)控制，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少。 基于虛擬儀器 的溫度測(cè)量系統(tǒng) –9– 3 總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能 本論文針對(duì)傳統(tǒng) 測(cè)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(wú)法編輯、存儲(chǔ)，功能固定、系統(tǒng)封閉、可擴(kuò)展性差，技術(shù)更新 速度 慢，開發(fā) 、 維護(hù)費(fèi)用高 等 特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一個(gè)基于 LabVIEW 的溫度檢測(cè)系統(tǒng)。 該 溫度檢測(cè)系統(tǒng)主 要實(shí)現(xiàn)以下 幾個(gè) 功能： (1)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與 PC 機(jī)的串口通信，能及時(shí)將溫度數(shù)據(jù)傳給 PC 機(jī)，并在上位機(jī)界面行程曲線，直觀表現(xiàn)溫度變化。 (2)檢測(cè)參數(shù)顯示 ： 如測(cè)試時(shí)間、設(shè)定溫度等，當(dāng)溫度超出范圍進(jìn)行報(bào)警等。 (3)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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)