【文章內(nèi)容簡介】 LABVIEW 的功能十分強大。像 C 和 C++等其它計算機高級語言一樣，LABVIEW 也是一種通用編程語言，具有各種各樣、功能強大的函數(shù)庫，包括數(shù)據(jù)采集、 GPIB、串行儀器控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲，甚至還有網(wǎng)絡(luò)功能。 LABVIEW 也有完善的仿真、調(diào)試工具，如設(shè)置斷點、單步執(zhí)行等。 LABVIEW的動態(tài)連續(xù)跟蹤方式，可以連續(xù)、動態(tài)地觀察程序中的數(shù)據(jù)流向及其變化情況，比其它語言的開 發(fā)環(huán)境更方便、更有效。 G 語言編寫的程序稱為虛擬儀器 VI(Virtual Instrument)，因為它的界面和功能與真實儀器十分相像，在 LABVIEW 環(huán)境下開發(fā)的應(yīng)用程序都以 VI 為后綴的，以表示虛擬儀器的含義。一個 VI 由交互式用戶接口、數(shù)據(jù)流框圖和圖標(biāo)連接端口組成。同時， G 語言很好地實現(xiàn)了模塊化編程思想。用戶可以將一個應(yīng)用分解為多個任務(wù)，再將任務(wù)細(xì)分，將一個復(fù)雜的應(yīng)用分解為多個簡單的子任務(wù)，為每個子任務(wù)建立一個 VI，然后把這些 VI 組合在一起成為最終的應(yīng)用程序。因為每個子 VI 可以單獨執(zhí)行，所以很容易調(diào)試。進(jìn) 一步而言，許多低級子 VI 可以完成一些常用功能，因此，用戶可以開發(fā)特定的子 VI 庫，以適用一般的應(yīng)用程序。 LABVIEW 的運行機制從宏觀上講已經(jīng)不再是傳統(tǒng)上的馮諾依曼計算機體系結(jié)構(gòu)的執(zhí)行方式。傳統(tǒng)的計算機語言中的順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)在 LABVIEW 中被并行機制所代替：從本質(zhì)上講，它是一種圖形控制流結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流模式。數(shù)據(jù)流程序設(shè)計規(guī)定，一個函數(shù)只有當(dāng)它的所有輸入有效時才能執(zhí)行；而目標(biāo)的輸出，只有當(dāng)它的功能完成時才是有效的。也就是說，在這種數(shù)據(jù)流程序的概念中，程序的執(zhí)行是數(shù)據(jù)驅(qū)動的，它不受操作系統(tǒng)、計算機等因素的影響。 這樣， LABVIEW中被連接的功能節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流就能控制程序的執(zhí)行次序，而不像文本程序受到行順序執(zhí)行的約束。從而，我們可以通過相互連接功能節(jié)點快速地開發(fā)應(yīng)用序，甚至還可以有多個數(shù)據(jù)通道同步運行。 LABVIEW 的核心是 VI。 VI 有一個人機對話的用戶界面，即前面板 (From Panel)和類似于源代碼功能的程序圖 (Diagram)。前面板接收來自程序圖的指令。在 VI 的前面板中，輸入控件 (Controls)模擬了儀器的輸入裝置并把數(shù)據(jù)提供給 VI的程序圖；而顯示控件 (Indicators)模擬了儀器的輸出裝置并 顯示由程序圖獲得或 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 5 頁 產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。當(dāng)把一個輸入控件或顯示放置到前面板上時， LABVIEW 在程序圖中相應(yīng)地放置了一個端 EI(Terminals)，這個從屬于輸入控件或顯示控件的端口不能隨意刪除，只有刪除它對應(yīng)的輸入控件或顯示控件時它才隨之一起被刪除。 用 LABVIEW 編制框圖程序時，不必受常規(guī)程序設(shè)計語法的限制。首先，從功能菜單中選擇需要的功能節(jié)點，將之置于面板上合適的位置；然后用線 (Wires)連接各功能節(jié)點在程序圖中的端口，用來在功能節(jié)點之間傳輸數(shù)據(jù)。這些節(jié)點包括了簡單的算術(shù)功能，高級數(shù)據(jù)采集和分析以及用來存 儲和檢索數(shù)據(jù)的文件輸入輸出功能和網(wǎng)絡(luò)功能。用 LABVIEW 編制出的圖形化 VI 是分層次和模塊化的。我們可以將之用于頂層程序，也可用作其它程序或子程序的子程序。顯然LABVIEW 依附并發(fā)展了模塊化程序設(shè)計的概念。圖形化程序設(shè)計編程簡單、直觀、開發(fā)效率高。 LABVIEW的應(yīng)用現(xiàn)狀 LABVIEW 廣泛應(yīng)用于包括自動化、通信、半導(dǎo)體、電路設(shè)計、航空和生產(chǎn)、過程控制及生物醫(yī)學(xué)在內(nèi)的各種工業(yè)領(lǐng)域中，用來提高應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)效率。這些應(yīng)用涵蓋了產(chǎn)品的研發(fā)、測試、生產(chǎn)到后期服務(wù)的各個環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)設(shè)計中協(xié)調(diào)使用 LABVIEW，共享軟件及信息資源，可以節(jié)約大量的時間和金錢。 LABVIEW的應(yīng)用大致可分為以下幾個主要方面： (1)應(yīng)用于生產(chǎn)檢測： LABVIEW 已經(jīng)成為用于測試測量領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)工具。 LABVIEW 結(jié)合 NI Test Stand 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(jìn)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， 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 6 頁 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(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、確定性控制的實時 LABVIEW(LABVIEW RT)軟件，能夠快速、準(zhǔn)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(jìn)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。 本章小結(jié) 本章主要介紹了虛擬儀器與 LABVIEW 的相關(guān)知識。本章分別闡述了它的概念、特點及應(yīng)用等內(nèi)容，并介紹了虛擬儀器軟件開發(fā)平 臺及 NI 公司的提供的圖形化編程語言 LABVIEW 的特點及應(yīng)用。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 7 頁 3 溫度控制總體設(shè)計 小型加熱器模型是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，環(huán)境溫度、加熱材料以及電網(wǎng)等都影響控制過程，基于精確數(shù)學(xué)模型的常規(guī)控制難以保證加熱要求。因此小型加熱器模型的溫度控制是一項關(guān)鍵性的技術(shù)，本章主要討論小型加熱器模型溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。首先介紹了測控系統(tǒng)的設(shè)計原則；然后具體介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，最后討論了系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺的選擇 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能 本論文針對傳統(tǒng)測控儀表功能由儀器廠商定義，與其它儀器設(shè)備的連接十 分有限，圖形界面小，人工讀取數(shù)據(jù)信息量小，數(shù)據(jù)無法編輯、存儲、打印，系統(tǒng)封閉、功能固定、可擴展性差，技術(shù)更新慢，開發(fā)和維護(hù)費用較高的特點，設(shè)計了一個基于 LABVIEW 的溫度測控系統(tǒng)。此小型加熱器模型溫度測控系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能： (1)實現(xiàn)下位機硬件與 PC 機的串口通信，能及時地將溫度數(shù)據(jù)傳給 PC 機，并將運算得到的控制量輸出。 (2)實現(xiàn)大林算法的 PID 控制器，能對小型加熱器模型的溫度進(jìn)行實時測控，能達(dá)到測控精度高，響應(yīng)速度快。 (3)測試和控制參數(shù)的顯示：如測試時間、設(shè)定溫度、當(dāng)前溫度等，當(dāng)溫度超出某個范圍 進(jìn)行報警等。 (4)加熱器溫度實時控制曲線，而且具有數(shù)字顯示和波形圖顯示。 (5)測試結(jié)果的數(shù)據(jù)處理與分析：可以進(jìn)行在線分析和離線分析。當(dāng)采集或讀入數(shù)據(jù)后，可選用不同的濾波器進(jìn)行數(shù)字濾波。 (6)測試結(jié)果的數(shù)據(jù)保存：將采集到的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，并在數(shù)據(jù)庫中加入數(shù)據(jù)創(chuàng)建的時問等信息，便于數(shù)據(jù)采集后的讀取與處理。 系統(tǒng)設(shè)計的原則 本論文研究開發(fā)的是基于 LABVIEW 的溫度測控系統(tǒng)，要開發(fā)出好的測控系 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 8 頁 統(tǒng)，首先要對整個系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計。在設(shè)計開發(fā)中主要考慮以下幾個原則： (1)從整體到部分的設(shè)計原則。首 先把一個復(fù)雜的系統(tǒng)分解成為若干相對獨立的、簡單的、容易實現(xiàn)的幾個部分，再把這些部分分解成為實現(xiàn)不同具體功能的模塊，采用模塊化的設(shè)計思想，分別設(shè)計各個模塊，完成后再進(jìn)行綜合而形成整個系統(tǒng)。本論文所開發(fā)的基于 LABVIEW 的溫度測控系統(tǒng)將系統(tǒng)分成多個模塊進(jìn)行設(shè)計，正是考慮了從整體到部分的設(shè)計原則。 (2)可擴展性原則。好的系統(tǒng)應(yīng)該具有較好的可擴展性，當(dāng)使用者需要增加系統(tǒng)的功能或者需要改善系統(tǒng)的功能時，系統(tǒng)的可擴展性顯得格外重要。如果只需對系統(tǒng)中軟件部分或硬件部分作一定的修改，系統(tǒng)的功能就會得到加強或者增加了一些 新功能，那么該系統(tǒng)就具有良好的可擴展性。本論文所開發(fā)的基于LABVIEW 的智能溫度測控系統(tǒng)具有良好的可擴展性。 (3)經(jīng)濟性原則。在設(shè)計一個系統(tǒng)時，較高的性價比，是系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)所不容忽視的。在滿足性能指標(biāo)的前提下，應(yīng)盡可能采用易實現(xiàn)、簡潔、實用的方案，因為方案簡潔意味著所用環(huán)節(jié)較少，可靠性較高，而且比較經(jīng)濟。另外，在考慮經(jīng)濟性時，除造價外還應(yīng)考慮使用期間的運轉(zhuǎn)費，維護(hù)費等，必須綜合考慮后才能評估出其真正的經(jīng)濟效果，從而選出最佳的方案。本論文所開發(fā)的基于LABVIEW 的智能溫度測控系統(tǒng)，采用 PC 機與自己搭建 的溫度測控儀表板構(gòu)成的虛擬儀器系統(tǒng)，正是由于此系統(tǒng)成本低。 (4)可靠性原則。所謂可靠性是指系統(tǒng)在特定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。對于本論文設(shè)計開發(fā)的基于 LABVIEW 的智能溫度測控系統(tǒng)，在軟硬件支持的條件下確保計算機與外圍硬件的通信暢通，不能在測試過程中出現(xiàn)通信的中斷，還需要軟件的容錯能力，因此本系統(tǒng)采用了多線程技術(shù)。 (5)易操作性原則。在智能溫度測控系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)時，應(yīng)該考慮系統(tǒng)的操作難易程度，盡量使系統(tǒng)的操作簡單，人機界面友好，以降低對操作人員的專業(yè)知識的要求， (6)可移植性原則。在 設(shè)計一個系統(tǒng)時，應(yīng)該考慮到可以將其它語言所設(shè)設(shè)計的程序能夠為此系統(tǒng)所用。本論文所設(shè)計的基于大林算法的 PID 控制器是用MATLAB 編程的，最后可以在 LABVIEW 設(shè)計的系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)用，正是考慮了可 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 9 頁 移植性原則。 系統(tǒng)設(shè)計的總體方案 本論文設(shè)計開發(fā)的基于 LABVIEW 的溫度測控系統(tǒng)，根據(jù)從總體到局部的設(shè)計原則，通過對系統(tǒng)功能的分析，將整個系統(tǒng)分解為實現(xiàn)不同功能的幾個部分，然后分別對每個部分設(shè)計。為了能夠?qū)崿F(xiàn)小型加熱器模型溫度測控系統(tǒng)所提出的各項具體功能，可以將整個系統(tǒng)分解為上位機和下位機兩個部分：上位機 為裝有LabVlEW 軟件的 PC 機，下位機為自己搭建的溫度測控儀表及溫度報警組成的硬件。兩個部分是通過 PC 機中的串口進(jìn)行通信的。其中下位機部分主要完成溫度信號的采集以及控制信號的輸出；上位機部分完成對硬件的驅(qū)動與控制，數(shù)據(jù)顯示、處理與存儲，超溫報警及人機交互操作界面的生成，其中控制器采用的是為本系統(tǒng)所開發(fā)的一種基于大林算法的 PID 控制器，運用 MATLAB 編程語言編寫相應(yīng)的程序，通過 LABVIEW 中的 MATLAB Script 節(jié)點建立與溫度信號采集系統(tǒng)的連接。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖 所示。 小型加熱器溫 度 采 集 電 路溫 度 控 制 電 路搭建的電路板單片機小系統(tǒng) 計算機L a b V I E W 8 . 6M A T L A B 7 . 6參 數(shù) 設(shè) 置串 聯(lián) 通 信數(shù) 據(jù) 分 析越 限 報 警數(shù) 據(jù) 存 儲P I D 控 制 器 圖 3. 1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖 下位機硬件的選擇 該系統(tǒng)將計算機和強大的圖形化編程軟件 LABVIEW 結(jié)合在一起，建立起具有靈活性的基于計算機的測量與控制應(yīng)用方案，最終構(gòu)建起滿足自己需要的系統(tǒng)。 在下位機的硬件選擇和設(shè)計利用單片機以及單片機周圍的硬件組成的最小系統(tǒng)，以下幾個部分組成：裝有 LABVIEW 軟件的計算機，由 AT89S52 單片機和最 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 10 頁 小系統(tǒng)組成的試驗箱，電平轉(zhuǎn)換電路 MAX232， 串口線，溫度測控實驗 板（對象、傳感器、變送器部分、信號分析電路、手動自動轉(zhuǎn)換部分、溫度控制部分）。 由計算機上位機給小型加熱器一個加熱電壓，加熱器加熱的信號由單片機組成的小系統(tǒng)進(jìn)行信號采集、調(diào)理和轉(zhuǎn)換，然后通過 PC 機的 串口將數(shù)據(jù)傳送給計算機，在計算機上運行的 LABVIEW 程序?qū)斎氲臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將結(jié)果由計算機顯示出來，同時計算機中 LABVIEW 利用 PID 控制算法，求出系統(tǒng)輸出信號的大小，并通過串口將輸出信號輸出給單片機，通過單片機控制固態(tài)繼電器的開關(guān)，以達(dá)到控制溫度的作用。其實驗硬件的組成框圖如圖 3 .2: 小型加熱器手 動 控 制P N 結(jié) 檢 測元 件固 態(tài) 繼 電 器信 號 調(diào) 理電 路報 警 電 路溫度測控板單片機小系統(tǒng)LabVIEW計算機 圖 3. 2 用實驗板組成的系統(tǒng)硬件組成框圖 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖如下： 圖 3. 3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)實物圖形如下： 加熱對象 RS.232串口線