【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 .................................................................................................................................. 53 附錄 .......................................................................................................................................... 55 致謝 .......................................................................................................................................... 56 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 第一章 緒論 課題 研究背景 、目的及意義 課題 研究背景 溫度檢測(cè)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研等工作中占有重要地位，溫度檢測(cè)儀器的功能和質(zhì)量對(duì)于溫度測(cè)試的結(jié)果有著很大影響，因此 開(kāi)發(fā)高性能的溫度測(cè)試儀是十分必要的。 隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)控制領(lǐng)域需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、控制，例如在發(fā)電廠、鋼鐵廠、化工領(lǐng)域的生產(chǎn)中都需要對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采集，而溫度采集又是其中極為重要的部分。在極端惡劣工作環(huán)境下，溫度的測(cè)量常伴有巨大的撞擊力或高溫氣體的高速流動(dòng)，其共同特點(diǎn)是溫度高且是瞬態(tài)變化的，響應(yīng)時(shí)間可達(dá) ms 甚至us級(jí)，測(cè)量技術(shù)難度大 。 常用的溫度采集系統(tǒng)絕大部分是由 集成的溫度傳感器 和單片機(jī)構(gòu)成的， 該技術(shù)應(yīng)用十分廣泛， 但其編程復(fù)雜， 控制不穩(wěn)定，系統(tǒng)的精度不高 ， 這種方案人機(jī)界面不友好 、調(diào)試期長(zhǎng)、修改不方便，因此采用效率和自動(dòng)化水平更高的新的測(cè)量手段，是溫度測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。 目前，國(guó)際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式，從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展，小型、低功耗、高可靠性、低成本的溫度傳感器已經(jīng)越來(lái)越受到關(guān)注 ，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)中。虛擬儀器技術(shù)充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算處理功能，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳輸、存儲(chǔ)等方面的限制，它通過(guò)交互式圖形界面進(jìn)行系統(tǒng)控制和測(cè)量數(shù)據(jù)顯示 ,并使用框圖模塊來(lái)指定各種功能。采用集成電路溫度傳感器和虛擬儀器可以方便地構(gòu)建一 個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng)，且外圍電路簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，系統(tǒng)硬件維護(hù)、功能擴(kuò)展和軟件升級(jí)非常方便 。 目的及意義 隨著現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的不斷發(fā)展，以 LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） Engineering Workbench)為軟件平臺(tái) 的 虛擬儀器測(cè)量技術(shù)正在現(xiàn)代測(cè)控領(lǐng)域占據(jù)越來(lái)越重要的位置。因此如何能將熱電偶溫度測(cè)量及技術(shù)有效的與 LabVIEW 虛擬儀器相結(jié)合就 成 了 溫 度 測(cè) 試 領(lǐng) 域 的 一 個(gè) 新 課 題 。 本 課 題 就 將 在 美 國(guó) 國(guó) 家 儀 器 公 司(NationalInstruments)的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái) LabVIEW 上進(jìn)行，虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算處理功能，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳輸、存儲(chǔ)等方面的限制。目前，基于 PC的 A/D 及 D/A 轉(zhuǎn)換，開(kāi)關(guān)量輸入 /輸出，定時(shí)計(jì)數(shù)的硬件模塊，在技術(shù)指標(biāo)及可靠性等方面已相當(dāng)成熟，而且價(jià)格低廉。常用傳感器及相應(yīng)的調(diào)理模塊也趨向模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，因而減少了硬件的重復(fù)開(kāi)發(fā)，這使得我們可以方便地對(duì)其進(jìn)行硬件維護(hù)、功能擴(kuò)展和軟件升級(jí)。 虛擬儀器技術(shù)從八十年代末開(kāi)始，已經(jīng)經(jīng)歷十幾年的發(fā)展歷程。我國(guó)虛擬儀器的研究起步較晚，但近幾年來(lái)也取得 了長(zhǎng)足進(jìn)步。目前虛擬儀器技術(shù)正處在一個(gè)高速發(fā)展的階段，在其設(shè)計(jì)過(guò)程中所體現(xiàn)出的新穎、靈活的設(shè)計(jì)思想是對(duì)傳統(tǒng)儀器設(shè)計(jì)思想的一次巨大沖擊。它順應(yīng)了現(xiàn)代測(cè)試儀器微小化、智能化、集成化的要求，所以進(jìn)行基于虛擬儀器技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研究勢(shì)在必行，同時(shí)也是盡快縮小我國(guó)與其它發(fā)達(dá)國(guó)家電測(cè)水平差距的一條可行之路。 論文的設(shè)計(jì)任務(wù) 虛擬溫度巡檢儀系統(tǒng)是基于虛擬儀器平臺(tái) 所開(kāi)發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)， 論文的設(shè)計(jì)任務(wù)主要是 利用 虛擬儀器平臺(tái) 的功能構(gòu)建一個(gè)集溫度信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、分析、處理和顯示為一體的溫度檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)工藝流程中各點(diǎn)的溫度達(dá)到 實(shí)時(shí)、可靠檢測(cè)的目的。 本系統(tǒng)采用虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái) — LabVIEW 軟件，采用模塊化思想，通過(guò) NI公司的數(shù)據(jù)采集卡 PCI— 6221 采集經(jīng) 熱電偶 溫度傳感器、信號(hào)調(diào)理電路輸出的電壓信號(hào)，并將 此溫度電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。 本系統(tǒng)采用熱電偶作為溫度檢測(cè)元件 ，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 必然存在線性化問(wèn)題，線性化 采用 軟件處理 ， 調(diào)用公式節(jié)點(diǎn)編寫(xiě)程序進(jìn)行線性化。 由于采集來(lái)的是電壓信號(hào) ， 而 要顯示溫度值， 所以 就必須進(jìn)行標(biāo)度轉(zhuǎn)換。 在數(shù)顯示模塊：采用波形 顯示 ， 數(shù)值顯示 ， 使 溫度 數(shù)值 更加直觀的顯示給用戶，同時(shí)可以顯示實(shí)時(shí)溫度值 與 實(shí)時(shí) 溫度 曲線 ，可以 使 用戶 對(duì)檢測(cè)點(diǎn)的溫度情況有更深入的了解。此外該系統(tǒng)還具有溫度數(shù)據(jù)的保存、歷史溫度 查詢 回放等功能模塊。 論文 研究 的重點(diǎn)和難點(diǎn) 溫度巡檢儀故名思 意 就是對(duì)多路溫度進(jìn)行巡回檢測(cè)，所以怎樣實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)顯示 是論文的重點(diǎn) 。 多通道采樣方式的設(shè)置同時(shí)也是論文中的難點(diǎn)，多數(shù)通用采集卡都有多個(gè)模入通道，但是并非每個(gè)通道配置一個(gè) A/D，而是大家共用一套 A/D,在 A/D之前的有一個(gè)多路開(kāi)關(guān)（ MUX），以及放大器（ AMP）、采樣保持器（ S/H）等。通過(guò)這個(gè)開(kāi)關(guān)的掃描切換，實(shí)現(xiàn)多通道的采樣。多通道的采樣方式有三種：循環(huán)采樣、 同步采樣和間隔采樣。 怎樣將采到的多路數(shù)據(jù) 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與顯示也是論文難點(diǎn)，首先對(duì)采來(lái)數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分分別處理，再進(jìn)行信號(hào)合并便可 同時(shí)在 一波形圖上顯示。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 第二章 虛擬儀器 簡(jiǎn)介 虛擬儀器概述 虛擬儀器的起源可以追溯到 20 世紀(jì) 70 年代，當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)在國(guó)防、航天等領(lǐng)域已經(jīng)具有了很快的發(fā)展速度， PC 機(jī)的出現(xiàn)使儀器的計(jì)算機(jī)化成為可能。 虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器儀表技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。它把計(jì)算機(jī)、儀器硬件、固件與計(jì)算機(jī)軟件結(jié)合起來(lái)。除繼承傳統(tǒng)儀器的己有功能外，還增加了許多傳統(tǒng)儀器所不能及的先進(jìn)功能。虛擬儀器的最大特點(diǎn)是其靈活性 。用戶在使用過(guò)程中可以根據(jù)需要添加或刪除儀器功能，以滿足各種需求，并且能充分利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、表達(dá)、傳送、存儲(chǔ)方面的限制。 虛擬儀器概念 所謂虛擬儀器 (Virtual Instrumention，簡(jiǎn)稱 VI )， 在通 用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，根據(jù)需求定義和設(shè)計(jì)儀器的測(cè)試功能，使得使用者在操作計(jì)算機(jī)時(shí)，就像是在操作他自己設(shè)計(jì)的測(cè)試儀器一樣 ， 從而完成對(duì)被測(cè)試對(duì)象的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存 取 等功能。虛擬儀器概念的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義功能的工作模式，使得用戶可以根據(jù)自己的要求 ，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)。在測(cè)試系統(tǒng)和儀器設(shè)計(jì)中盡量用軟件代替硬件，充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)與儀器的功能?！败浖褪莾x器”是虛擬儀器概念最簡(jiǎn)單，也是最本質(zhì)的表述。 虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、通信技術(shù)和測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它使得人類的測(cè)試技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展紀(jì)元。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展， CPU處理能力的增強(qiáng)，總線吞吐能力的提高以及顯示器技術(shù)的進(jìn)步，人們逐漸意識(shí)到，可以把儀器的信號(hào)分析和處理、結(jié)果的表達(dá)與輸出功能轉(zhuǎn)移給計(jì)算機(jī)來(lái)完成。這樣，可以利用計(jì)算機(jī)的高速計(jì)算能力和寬大的顯 示屏更好地來(lái)完成原來(lái)的功能 。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 虛擬儀器的特點(diǎn)及應(yīng)用 (1) 虛擬儀器特點(diǎn) 虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)介入儀器領(lǐng)域所形成的一種新型的、富有生命力的器種類。在虛擬儀器中計(jì)算機(jī)處于核心地位，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和測(cè)試系統(tǒng)更緊 地結(jié)合 形成了一個(gè)有機(jī)整體，使得儀器的結(jié)構(gòu)概念和設(shè)計(jì)觀點(diǎn)等都發(fā)生了突性的變化。虛擬儀器特點(diǎn)可以歸結(jié)為以下五個(gè)方面 : ① 豐富和增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能 ； ② 突出“軟件就是儀器”的新概念 ； ③ 儀器由用戶自己定義 ； ④ 開(kāi)放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ； ⑤ 便于構(gòu)成復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)性好。 (2) 虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用 虛擬儀 器技術(shù)作為計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)相結(jié)合的創(chuàng)新技術(shù)，應(yīng)用前景十分廣泛。從總體而言，虛擬儀器是測(cè)量 /測(cè)試領(lǐng)域的一個(gè)創(chuàng)新概念，改變了人們對(duì)儀器的傳統(tǒng)觀念，適應(yīng)了現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展趨勢(shì)。虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用方式各種各樣，尤其在工業(yè)自動(dòng)化、儀器制造及實(shí)驗(yàn)室方面的應(yīng)用前景良好，并取得可觀的效益。 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器無(wú)法比擬的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，因而必將成為未來(lái)儀器發(fā)展的趨勢(shì) 。如表 所示 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 表 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 VI 傳統(tǒng)儀器 開(kāi)放、靈活，可與計(jì) 算機(jī)技術(shù) 保持同步發(fā)展 封閉、固定 用戶定義儀器功能 廠商定義儀器功能 關(guān)鍵是軟件 關(guān)鍵是硬件 價(jià)格低、可復(fù)用與可重配置性強(qiáng) 價(jià)格昂貴 技術(shù)更新周期短 (1～ 2 年 ) 技術(shù)更新周期長(zhǎng) (5～ 10 年 ) 軟件使得開(kāi)發(fā)與維護(hù)費(fèi)用降至最低 開(kāi)發(fā)與維護(hù)開(kāi)銷高 與網(wǎng)絡(luò)及其它周邊設(shè)備方便互聯(lián)的面向應(yīng)用的儀器系統(tǒng) 功能單一、 只可連 有限的設(shè)備 友好的圖形 界面，計(jì)算機(jī)讀數(shù) 分析處理 圖形界面小，人工讀數(shù)，信息量小數(shù) 面向應(yīng)用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可方便地與外設(shè)連接與其他儀器設(shè)備的連接十分有限 與其他儀器設(shè)備的連接十分有限 虛擬 儀器的組成 虛擬儀器 (ViurtalInsrtum)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(gè)重要方向。這種結(jié)合基本有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來(lái)越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能，虛擬儀器主要是指這種方式。 虛擬儀器的組成與傳統(tǒng)儀器一樣，如圖 、數(shù)據(jù)分析和處理、結(jié)果顯 示三部分組成。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 采 集 與 控 制插 入 式 數(shù) 采 集 板G P I B 儀 器V X I / P X I 儀 器R S 2 3 2數(shù) 據(jù) 分 析 和 處 理數(shù) 字 信 號(hào) 處 理數(shù) 字 濾 波統(tǒng) 計(jì) 分 析數(shù) 值 分 析結(jié) 果 顯 示網(wǎng) 絡(luò) 通 信硬 盤(pán) 拷 貝 輸 出文 件 I / O圖 形 用 戶 口 圖 虛擬儀器的內(nèi)部功能劃分 對(duì)于傳統(tǒng)儀器，這三個(gè)部分幾乎均由硬件完成 ； 對(duì)于虛擬儀器，前一部分由硬件構(gòu)成。后兩部分主要由軟件實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器設(shè)計(jì)日趨模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)工作量大大減小。 虛擬儀器 I/O 接口設(shè)備 1/0 接口設(shè)備主要用來(lái)完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換?？筛鶕?jù)實(shí)際情況采用不同的 1/0 接口硬件設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集卡版 (DAQ)、 GPIB 總線儀器、 VXI 總線儀器、串口儀器、 USB 等。虛擬儀器的構(gòu)成主要有 五種類型，如圖 所示。 P C D A QG P I B 儀 器串 口 儀 器V X I 模 塊P X I 模 塊計(jì) 算 機(jī)被 測(cè) 信 號(hào) 圖 虛擬儀器構(gòu)成方式 (1) DAQ 歸（ Data Aequisition)數(shù)據(jù)采集卡指的是基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線 (如 ISA、 PCI、USB 等 )的內(nèi)置 功 能插卡。其中 USB 是最新技術(shù)的數(shù)據(jù)采集卡，具有精度高，可攜性好等優(yōu)點(diǎn)，它更加充分地利用計(jì)算機(jī)的資源，大大增加了測(cè)試系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性，更為詳細(xì)的內(nèi)容將在后面章節(jié)加以介紹 ； 利用 DAQ 卡可方便快速地構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng)。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 在性能上，隨著 A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)，濾波技術(shù)和信號(hào)調(diào)理技術(shù)的發(fā)展 ， DAQ 卡的采樣速率已達(dá) 1GB/s，精度高達(dá) 24 位，通道數(shù)高達(dá) 64 個(gè)，并具有數(shù)字 I/O，模擬 I/O 和計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器等通道。各儀器廠家生產(chǎn)了大量的 DAQ 卡功能模塊供用戶選擇，如示波器、串行數(shù)據(jù)分析儀 。 動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀、任意波形發(fā)生器等。在計(jì)算機(jī)上掛接多個(gè) DAQ 功能模塊，配合相應(yīng)的軟件，就可以構(gòu)成一臺(tái)具有多功能的測(cè)試儀器。這種基于計(jì)算機(jī)的儀器，既具有高檔儀器的測(cè)量品質(zhì)，又能滿足測(cè)量需求的多樣性。對(duì)我國(guó)大多數(shù)用戶來(lái)說(shuō)，它具有很高的性能價(jià)格比，是一種特別適合我國(guó)國(guó)情的虛擬儀器方案。 (2) GPIB(Generae Purpose Irafce Bus)通用接口總線，是計(jì)算機(jī)和儀器 間 的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。 GPIB 的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議以納入國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 和 ，它是最早的儀器總線，目前多數(shù)儀器都配備了遵循 IEEE488 的 GPIB 接口。典型的 GPIB測(cè)試系統(tǒng)包括一臺(tái)計(jì)算機(jī)，一