【文章內(nèi)容簡介】 。 34 致 謝 35 參 考 文 獻(xiàn) 36 附錄 37 基于 LabVIEW 的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測與控 制系統(tǒng)研究 I 基于 LabVIEW 的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng) 研究 摘要： 虛擬儀器是將儀器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、總線技術(shù)和軟件技術(shù)緊密融合在一起的高新技術(shù)產(chǎn)物，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)字處理能力實(shí) 現(xiàn)儀器的大部分功能，打破了傳統(tǒng)儀器的框架，形成的一種新的、進(jìn)步的儀器模式。 本設(shè)計(jì)采用 NI PCI6221 數(shù)據(jù)采集卡，運(yùn)用傳感器、虛擬儀器及其相關(guān)技術(shù)于基于LabVIEW 的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有溫度數(shù)據(jù)采集、采集數(shù)據(jù)實(shí)時顯示、存儲與處理、歷史數(shù)據(jù)顯示、波形存儲、報(bào)警及調(diào)整改變溫度等功能，最后使用Web 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。 本文首先概述了測控技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展及以后的發(fā)展趨勢，探討了虛擬儀器的總線及其標(biāo)準(zhǔn)、框架結(jié)構(gòu)、 LabVIEW 開發(fā)平臺，然后介紹了數(shù)據(jù)采集的相關(guān) 理論，給出了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。在分析本系統(tǒng)功能需求的基礎(chǔ)上，介紹了傳感器、程序模塊化設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理、 Web 等設(shè)計(jì)中用到的技術(shù)，最后是本課題設(shè)計(jì)的核心部分即是 LabVIEW 軟件開發(fā)平臺，其作為人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)在整個系統(tǒng)中占有舉足輕重的份量。 本設(shè)計(jì)是虛擬儀器在測控領(lǐng)域的一次成功嘗試。實(shí)踐證明虛擬儀器是一種優(yōu)秀的解決方案，能夠高效的實(shí)現(xiàn)各種測控任務(wù)。 關(guān)鍵字： 虛擬儀器；數(shù)據(jù)采集；溫度；傳感器； LabVIEW。 基于 LabVIEW 的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測與控 制系統(tǒng)研究 II The Research of Remote Temperature Monitoring and Control System Based on LabVIEW Abstract： Virtual instrument is the instrument technology, puter technology, bus technology and software technology closer together hightech product of the number of puter processing power to achieve a strong instrument for most of the features, breaking the traditional instruments of the framework, the formation of a new and progressive instrument model. This design uses a NI PCI6221 data acquisition card, the use of sensors, virtual instrument based on LabVIEW and related technologies in the remote temperature monitoring and control system. The system has the same temperature data acquisition, real time data collection, storage and processing, historical data, waveform storage, alarm and adjust the temperature changes and other functions, the last use of Web technology to collect data on remote monitoring. This paper outlines the monitoring and control technologies and virtual instrument technology development at home and abroad and the future development trend of the virtual instrument bus and its standard, frame structure, LabVIEW development platform, and then introduces the theory of data acquisition is given data acquisition system hardware structure. In the analysis of functional requirements of the system based on the introduction of sensors, modular program design, data processing, Web and other technologies used in the design, final design is the core issue that is LabVIEW software development platform, as the manmachine interface design in the whole system play a critical role. This design is a virtual instrument in the field of measurement and control a successful attempt. Practice shows that the virtual instrument is an excellent solution to efficient implementation of various monitoring tasks. Key words: Virtual instrument, Data acquisition, Temperature , Sensors, LabVIEW. 基于 LabVIEW 的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)研究 1 第 1 章 緒 論 研究課題的意義 引言 測控技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)和國防科技等諸多領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛，它的現(xiàn)代化已被認(rèn)為是科學(xué)技術(shù)、國防現(xiàn)代化的重要條件和明顯標(biāo)志。 20 世紀(jì) 70 年代以來，計(jì)算機(jī)、微電子等技術(shù)迅猛發(fā)展，在其推動下，測控儀器與技術(shù)不斷進(jìn)步，相繼誕生了智能儀器、 PC 儀器、 VXI 儀器、虛擬 儀器及互換性虛擬儀器等微機(jī)化儀器及其自動測控系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化儀器設(shè)備間的界限日漸模糊，測控領(lǐng)域和范圍不斷拓寬。 近年來，以計(jì)算機(jī)為中心、以網(wǎng)絡(luò)為核心的網(wǎng)絡(luò)化測控技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)得到越來越多的應(yīng)用，尤其是在航空航天等國防科技領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)化的測控系統(tǒng)大體上由兩部分組成：測控終端與傳輸介質(zhì)，隨著個人計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，測控終端的位置越來越多的被個人計(jì)算機(jī)所占據(jù)，其中，軟件系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心，甚至是整個測控系統(tǒng)的靈魂，應(yīng)用于測控領(lǐng)域的軟件系統(tǒng)稱為監(jiān)控軟件。傳輸介質(zhì)組成的通信網(wǎng)絡(luò)主要完成數(shù)據(jù)的通信與采集，這種 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整個測控系統(tǒng)的主體，是完成測控任務(wù)的主力。因此，這種 “監(jiān)控軟件－數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ”構(gòu)架的測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，并形成了一套完整的理論 [1]。 課題概述及研究內(nèi)容 虛擬儀器（ virtual instrumention）是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。 使用虛擬儀器用戶可以通過操作顯示屏上的 “ 虛擬 ” 按鈕或面板，完成對被測量的采集、分析、判斷、調(diào)節(jié)和存儲等功能。本文設(shè)計(jì)就是建立在 VI 基礎(chǔ)上，在此平臺上完成對溫度的實(shí)時測量。 傳統(tǒng)靠人工 控制的溫度、濕度、液位等信號的測壓﹑力控系統(tǒng)，外圍電路比較復(fù)雜，測量精度較低，分辨力不高，需進(jìn)行溫度校準(zhǔn) (非線性校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償、傳感器標(biāo)定等 )；且它們的體積較大、使用不夠方便，更重要的是參數(shù)的設(shè)定需要有其它儀表的參與，外界設(shè)備多，成本高，因而越來越適應(yīng)不了社會的要求。在對多類型、多通道信號同時進(jìn)行檢測和控制中，傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)能力有限。如何將計(jì)算機(jī)與各種設(shè)施、設(shè)備結(jié)合，簡化人工操作并實(shí)現(xiàn)自動控制，滿足社會的需求，成為一個很迫切的問題。溫度檢測是現(xiàn)代檢測技術(shù)的重要組成部分，在保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源和安全生產(chǎn)等基于 LabVIEW 的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)研究 2 方 面起著關(guān)鍵的作用。由單片集成電路構(gòu)成的溫度傳感器的種類越來越多，測量的精度越來越高，響應(yīng)時間越來越短，因其使用方便、無需變換電路等特點(diǎn)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。 隨著社會的發(fā)展、科技的進(jìn)步以及人們生活水平的逐步提高，各種方便于生產(chǎn)的自動控制系統(tǒng)開始進(jìn)入了人們的生活，以單片機(jī)為核心的溫度采集系統(tǒng)就是其中之一。同時也標(biāo)志了自動控制領(lǐng)域成為了數(shù)字化時代的一員。它實(shí)用性強(qiáng)，功能齊全，技術(shù)先進(jìn)，使人們相信這是科技進(jìn)步的成果。溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機(jī)械、石油等工業(yè)中，具有舉足重 輕的作用。隨著電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，微機(jī)測量和控制技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)具有處理能強(qiáng)、運(yùn)行速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在溫度測量與控制方面，控制簡單方便，測量范圍廣，精度較高。 課題的發(fā)展概況簡述 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們在監(jiān)控與監(jiān)測生產(chǎn)過程、居住環(huán)境、生活質(zhì)量等過程中，制造了各種各樣科學(xué)儀器。而傳統(tǒng)儀器如模擬式儀器儀表、數(shù)字化儀表、內(nèi)部有微處理器的智能儀器等，其對于用戶來說是一個封閉的系統(tǒng)，儀器的面板、旋鈕、開關(guān)和顯示方式，內(nèi)部電路及儀器所能提供的功能都是固定的，與其 他設(shè)備的連接也受限制。隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)、軟件技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，全新概念的第四代儀器 ——虛擬儀器出現(xiàn)了。 上世紀(jì) 80 年代早期，計(jì)算機(jī)接口變得越來越精細(xì)，軟件設(shè)計(jì)的虛擬器界面也越來越友好，蘋果公司的 Macintosh 開發(fā)了 G 語言，這些為功能強(qiáng)大的專業(yè)虛擬儀器軟件的出現(xiàn)提供了必要基礎(chǔ)。不久， NI 為基于計(jì)算機(jī)的測量和自動化開發(fā)出了 LabVIEW 軟件包。 目前 LabVIEW 的最新版本為 ， LabVIEW 為多線程功能添加了更多特性。 LabVIEW 的功能不斷豐富和強(qiáng)大。 LabVIEW 用來進(jìn)來數(shù)據(jù)采集和控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)，使工程師和科學(xué)家能充分利用 PC 的功能，快速簡便地完成自己的工作。經(jīng)過多年的不斷充實(shí)， LabVIEW 成為豐富、強(qiáng)大的實(shí)用工具軟件包，內(nèi)部配有GPIB、 VXI、串口和插入式 DAQ 板的庫函數(shù)以及全球幾百家廠商的儀器驅(qū)動程序。圍繞這些核心軟件還陸續(xù)開發(fā)出多種附件。 工業(yè)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將虛擬儀器技術(shù)廣泛應(yīng)用于航天、通訊、生物醫(yī)學(xué)、地球物理、電子、機(jī)械等各個領(lǐng)域，進(jìn)行工程技術(shù)和科學(xué)研究，國內(nèi)對于虛擬儀器的研究與工程也取得了很多成就，在產(chǎn)品性能測試、設(shè)備故障診斷、生產(chǎn)過程 控制中得到普遍應(yīng)用。 虛擬儀器技術(shù)在我國的研究剛起步，還有許多問題需要去探索，如智能化軟件開發(fā)平臺的研究，采用人工智能技術(shù)降低 VI 的設(shè)計(jì)難度，使用戶簡潔地構(gòu)成 VI 系統(tǒng)，基于 LabVIEW 的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)研究 3 幫助用戶對測試結(jié)果進(jìn)行分析和判斷，完成復(fù)雜的測試任務(wù)等。國內(nèi)虛擬儀器行業(yè)至今還沒有形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的虛擬儀器核心開發(fā)技術(shù)，也沒有相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。虛擬儀器產(chǎn)業(yè)無論在規(guī)模還是在質(zhì)量上都難以與國外同行匹敵，國外虛擬儀器產(chǎn)品幾乎壟斷了國內(nèi)的市場?？傊S著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信、微電子等相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展， VI 技術(shù)也會不斷向前發(fā)展，微型化、智能化和網(wǎng) 絡(luò)化將成為今后 VI 研究開發(fā)的主導(dǎo)方向。伴隨網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、虛擬儀器為核心的 “虛擬實(shí)驗(yàn)室 ”的概念。目前，虛擬實(shí)驗(yàn)室已成功地應(yīng)用于許多大型實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)研究和高等學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在人工智能研究的影響下，人們開始關(guān)注如何提高虛擬儀器的智能化水平。 虛擬儀器的發(fā)展主要取決于三個重要因素。計(jì)算機(jī)是動力，軟件是主宰，高質(zhì)量的 A/D 采集卡及調(diào)理放大器與傳感器是關(guān)鍵。無 論 哪種 VI 系統(tǒng)，都是將硬件儀器 (傳感器、調(diào)理放大器、 A/D)搭載到各種計(jì)算機(jī)平臺上，加上應(yīng)用軟件面板構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)使用計(jì)算機(jī)的全數(shù)字采集測 試分析。 VI 的發(fā)展完全跟計(jì)算機(jī)的發(fā)展同步，所以顯示出VI 的靈活性和強(qiáng)大的生命力。虛擬儀器的興起是測試儀器技術(shù)的一次 “革命 ”，是儀器領(lǐng)域的一個新的里程碑，未來的 VI 完全可以覆蓋計(jì)算機(jī)輔助測試的全部領(lǐng)域。標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列比、模塊化以及開放式的體系結(jié)構(gòu)等， VXI 系統(tǒng)的觀念將成為電子測量儀器儀表變革的重要方向。數(shù)據(jù)采集、測試、過程控制、信息傳輸與通信等現(xiàn)代信息技術(shù)匯聚在一起，將最終導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化卡式儀器和軟件化儀器的更廣泛流行。虛擬儀器的發(fā)展將本著跟隨通用計(jì)算機(jī)走、跟著通用軟件走、跟著網(wǎng)絡(luò)走的指導(dǎo)思想。繼 “軟件就是儀器 ”的概念之后，很可能出現(xiàn) “網(wǎng)絡(luò)就是儀器 ”的新觀念。 設(shè)計(jì)方案的總體思路 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)主要由溫度采集模塊（溫度傳感器）、 NIM 系列高速采集卡 6221的開發(fā)應(yīng)用、 LabVIEW 編程實(shí)現(xiàn)三大模塊組成。 其中當(dāng)溫度采集部分應(yīng)用溫度傳感器來完成對所需數(shù)據(jù)的初步采集后，再利用適當(dāng)輔助步驟與 NIM 系列數(shù)據(jù)采集卡 6221 相連接，然后運(yùn)用 LabVIEWDAQ 進(jìn)行編程對所接收到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，當(dāng)溫度不在預(yù)設(shè)范圍時，也可通過 LabVIEW 編程發(fā)布相關(guān)改變指令通過 6221 傳輸?shù)綄?yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)溫度 的改變。至于對溫度的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制也是通過虛擬儀器（ LabVIEW）的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。 總體方案如圖 ： 基于 LabVIEW 的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)研究 4 圖 總體方案圖 被測對象 溫度傳感器 信號調(diào)理模塊 數(shù)據(jù)采集卡 NI6221 計(jì)算機(jī) 基于 LabVIEW 的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)研究 5 第 2 章 虛擬儀器與傳感器 虛擬儀器簡介 虛擬儀器的概念 虛擬儀器的概念是由美國國家儀器公司（ National Instruments）最先提出的 [1]。所謂虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的軟硬件測試平臺，它可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、頻譜分析儀等；可集成于自動控制、工業(yè)控制系 統(tǒng)之中；可自由構(gòu)建成專有儀器系統(tǒng)。虛擬儀器是智能儀器之后的新一代測量儀器。 虛擬儀器的核心技術(shù)思想就是 “軟件即是儀器 ” 。該技術(shù)把儀器分為計(jì)算機(jī)、儀器硬件和應(yīng)用軟件三部分。虛擬儀器以通用計(jì)算機(jī)和配備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口的測量儀器（包括 GPIB、 RS232 等傳統(tǒng)儀器以及新型的 VXI 模塊化儀器）為基礎(chǔ)，將儀器硬件連接到各種計(jì)算機(jī)平臺上，直接利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，將計(jì)算機(jī)硬件（處理器、存儲器、顯示器）和測量儀器（頻率計(jì)、示波器、信號源）等硬件資源與計(jì)算機(jī)軟件資源（包括數(shù)據(jù)的處理、控制、分析和表達(dá)、過程通訊以及圖形 用戶界面）有機(jī)的結(jié)合起來。 虛擬儀器技術(shù)是隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、現(xiàn)代測量技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的新技術(shù)。虛擬儀器是通過應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)資源（微處理器、存儲器、顯示器）和儀器硬件（ A/D、 D/A、數(shù)字 I/O、定時器、信號調(diào)理器）的測量功能結(jié)合起來，形成的測量裝置或測試系統(tǒng)。用戶通過友好的圖形界面（