【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)絡功能。 LABVIEW 也有完善的仿真、調(diào)試工具，如設置斷點、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。用戶可以將一個應用分解為多個任務，再將任務細分，將一個復雜的應用分解為多個簡單的子任務，為每個子任務建立一個 VI，然后把這些 VI 組合在一起成為最終的應用程序。因為每個子 VI 可以單獨執(zhí)行，所以很容易調(diào)試。進 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)流程序設計規(guī)定，一個函數(shù)只有當它的所有輸入有效時才能執(zhí)行；而目標的輸出，只有當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 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 5 頁 產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。當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)展了模塊化程序設計的概念。圖形化程序設計編程簡單、直觀、開發(fā)效率高。 LABVIEW的應用現(xiàn)狀 LABVIEW 廣泛應用于包括自動化、通信、半導體、電路設計、航空和生產(chǎn)、過程控制及生物醫(yī)學在內(nèi)的各種工業(yè)領域中，用來提高應用系統(tǒng)的開發(fā)效率。這些應用涵蓋了產(chǎn)品的研發(fā)、測試、生產(chǎn)到后期服務的各個環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)設計中協(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的應用大致可分為以下幾個主要方面： (1)應用于生產(chǎn)檢測： LABVIEW 已經(jīng)成為用于測試測量領域的工業(yè)標準化開發(fā)工具。 LABVIEW 結(jié)合 NI Test Stand 測試執(zhí)行環(huán)境和該領域中最大的儀器驅(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)領域的應用系統(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， 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（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)絡進行通信，以及提供基于 PC 機的控制。 (4)應用于機器監(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)視和預先維護的應用系統(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)視和自動控制應用程序。 (5)應用于測控系統(tǒng) ： LABVIEW 有著強大的功能和廣闊的應用前景，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 的特點及應用。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 7 頁 3 溫度控制總體設計 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)的設計方案。首先介紹了測控系統(tǒng)的設計原則；然后具體介紹了系統(tǒng)的總體設計方案，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)和維護費用較高的特點，設計了一個基于 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行實時測控，能達到測控精度高，響應速度快。 (3)測試和控制參數(shù)的顯示：如測試時間、設定溫度、當前溫度等，當溫度超出某個范圍 進行報警等。 (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：可以進行在線分析和離線分析。當采集或讀入數(shù)據(jù)后，可選用不同的濾波器進行數(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 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 8 頁 統(tǒng)，首先要對整個系統(tǒng)進行總體設計。在設計開發(fā)中主要考慮以下幾個原則： (1)從整體到部分的設計原則。首 先把一個復雜的系統(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，采用模塊化的設計思想，分別設計各個模塊，完成后再進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)分成多個模塊進行設計，正是考慮了從整體到部分的設計原則。 (2)可擴展性原則。好的系統(tǒng)應該具有較好的可擴展性，當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。在設計一個系統(tǒng)時，較高的性價比，是系統(tǒng)設計和開發(fā)所不容忽視的。在滿足性能指標的前提下，應盡可能采用易實現(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，除造價外還應考慮使用期間的運轉(zhuǎn)費，維護費等，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)的設計開發(fā)時，應該考慮系統(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 設計一個系統(tǒng)時，應該考慮到可以將其它語言所設設計的程序能夠為此系統(tǒng)所用。本論文所設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 設計的系統(tǒng)中進行調(diào)用，正是考慮了可 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 9 頁 移植性原則。 系統(tǒng)設計的總體方案 本論文設計開發(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 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 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（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)絡結(jié)構(gòu)框圖如下： 圖 3. 3 系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)實物圖形如下： 加熱對象 RS.232串口線