【文章內(nèi)容簡介】 發(fā)展概況及本論文的主要內(nèi)容。 詳細(xì)介紹了虛擬儀器技術(shù)的概念、特點和體系結(jié)構(gòu)，虛擬儀器開發(fā)軟件 LabVIEW及圖形化編程語言的特點及應(yīng)用現(xiàn)狀。 溫度檢測系統(tǒng)的設(shè)計思路及方案，對系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺進(jìn)行選擇。 介紹智能溫度測控系統(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。 電烤箱溫度控制系統(tǒng)軟件整體設(shè)計方案，及上位機(jī)和下位機(jī)的設(shè)計過程。 對所做工 作進(jìn)行了總結(jié)，對未來的研究作了展望。 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 2 虛擬儀器 概述 虛擬儀器的概念 隨著計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)儀器己經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代測控系統(tǒng)的要求，美國國家儀器公司率先提出虛擬儀器的概念，它徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式，使得用戶可以自己定義儀器，靈活地設(shè)計儀器系統(tǒng)，以滿足多樣化的需求。從而使電子測量儀器和自動控制領(lǐng)域發(fā)生了一場巨大的變革。 虛擬儀器是指具有虛擬儀器面板的個人計算機(jī)儀器，即是在通用計算機(jī)上加上一組軟件或硬件，使得使用者在操作這臺 計算機(jī)時，就像在操作一臺他自己設(shè)計的專用傳統(tǒng)電子儀器 ]1[ 。 其實質(zhì)是將計算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)相結(jié)合，把傳統(tǒng)儀器的三大功能，全部放在計算機(jī)上來完成。利用計算機(jī)屏幕形象、方便地模擬各種儀器控制面板，以各種形式表達(dá)輸出檢測結(jié)果 。用計算機(jī)軟件實現(xiàn)各種各樣的信號分析、處理及存儲，完成多種多樣的測試功能 。用鍵盤或鼠標(biāo)代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的面板按鍵與旋鈕，人手不再觸及儀器本身，實現(xiàn)硬件軟件化的結(jié)果。虛擬儀器充分利用最新的計算機(jī)技術(shù)來實現(xiàn)和擴(kuò)展儀器的功能，進(jìn)而逐步代 替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器完成某些功能，如數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示和存儲等，最終達(dá)到取代傳統(tǒng)電子儀器的目的。 虛擬儀器的主要特點 虛擬儀器是計算機(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儀器種類。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器的主要特點可以概括為以下幾個方： 強(qiáng)調(diào) “ 軟件就是儀器 ” 的新概念，取代傳統(tǒng)儀器 “ 硬件為主體 ” 的概念。軟件在儀器中充當(dāng)了以往由硬件甚至整機(jī)來實現(xiàn)的角色，軟件是虛擬儀器的核心，而虛擬儀器中的硬件僅僅是為了解決信號的輸入、輸出，這是虛擬儀器相對于傳統(tǒng)儀器，在概念上的重大突破。虛擬儀器的處理能力和智 能化程度主要取決于軟件，用戶可根據(jù)需要，將先進(jìn)的處理算法、人工智能或者專家系統(tǒng)應(yīng)用于儀器的設(shè)計與集成，從而將儀器的水平提高到一個新的層次。而且，虛擬儀器充分利用了計算機(jī)豐富的圖形用戶界面資源，建立圖形化軟面板來代替常規(guī)的儀器控制面板，真正做到界面友好、人機(jī)交互。 虛擬儀器的功能可由用戶定義，虛擬儀器的功能可在用戶機(jī)上產(chǎn)生，從而使得儀器不再完全由硬件決定，徹底打破了傳統(tǒng)儀器一經(jīng)設(shè)計、制造完成后，其功能不可改變的單一性、封閉性。當(dāng)需要時，用戶可通過軟件編程添加新的功能，而不必購買新的沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 5 儀器，使得一臺虛擬儀器可 以實現(xiàn)各種儀器的不同功能，大大提高了儀器功能的靈活性。 易于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化的測量儀器，虛擬儀器基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和接口技術(shù)，具有靈活、方便的互聯(lián)性，能與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)形成網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器，它是一種基于 Web技術(shù)的新型虛擬儀器，使得虛擬儀器成為 Inter的一部分，可方便地構(gòu)建遠(yuǎn)程自動測控系統(tǒng)，實現(xiàn)測量、控制過程的網(wǎng)絡(luò)化。 虛擬儀器硬件和軟件都制定了開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而且采用了模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)具有良好的開放性和擴(kuò)展性。系統(tǒng)必需的基本硬件，如數(shù)據(jù)采集電路等被高度集成，制成數(shù)據(jù) 采集卡，實現(xiàn)硬件模塊的即插即用。系統(tǒng)軟件的開發(fā)是基于模塊化的設(shè)計思想，并大量運(yùn)用函數(shù)庫、動態(tài)鏈接庫和類庫，代碼具有良好的可重復(fù)性。虛擬儀器利用軟件，選配一個或幾個帶有共性的基本儀器硬件來組成一個通用硬件平臺，通過調(diào)用不同的軟件來擴(kuò)展或組成各種功能的儀器或系統(tǒng)，由于虛擬儀器具有標(biāo)準(zhǔn)性、開放性和模塊化結(jié)構(gòu)，用戶可以將儀器的設(shè)計、使用和管理統(tǒng)一到虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)，提高可重復(fù)利用率。系統(tǒng)組建時間縮短，功能易于擴(kuò)展，軟硬件生產(chǎn)、維護(hù)和開發(fā)的費(fèi)用降低。 虛擬儀器的體系結(jié)構(gòu) 任何測量測試儀器的主要功能都是由三大部分 組成 ： 數(shù)據(jù)采集 ； 數(shù)據(jù)測試和分析 ； 結(jié)果輸出顯示。而虛擬儀器也是由這三大部分組成，不同的是虛擬儀器的數(shù)據(jù)分析和結(jié)果輸出完全山計算機(jī)的軟件系統(tǒng)來完成。只要提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件，就構(gòu)成了基于計算機(jī)組成的虛擬測量測試儀器。虛擬儀器通常是有計算機(jī)、硬件接口電路和軟件這三部分構(gòu)成。 虛擬儀器的硬件構(gòu)成 硬件接口電路與計算機(jī)儀器構(gòu)成了虛擬儀器的硬件。計算機(jī)是虛擬儀器的核心，主要完成數(shù)據(jù)的分析處理和結(jié)果的顯示，硬件接口電路主要完成被測信號的采集、放大、模 /數(shù)轉(zhuǎn)換，根據(jù)構(gòu)成虛擬儀器的接口總線不同，主要可分為以下 幾種方案，如圖 示。 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 圖 虛擬儀器的硬件構(gòu)成框圖 基于數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器，它是以信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡 (Data Acquisition，簡稱 DAQ)及 PC機(jī)為儀器硬件平臺，采用 PCI或 ISA計算機(jī)本身的總線，將 DAQ直接插入PC機(jī)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的總線擴(kuò)展插槽即可，因此這種虛擬儀器又稱 PCDAQ/PCI插卡式虛擬儀器。 基于通用接口總線 GPIB(General Purpose Interface Bus)接口的虛擬儀器，它是以GPIB接口儀器、 GPIB接口卡以及 PC機(jī)為儀器硬件平 臺， GPIB儀器具有獨(dú)立的儀器操作界面，能夠脫離計算機(jī)使用，也可以通過標(biāo)準(zhǔn) GPIB電纜連接計算機(jī)實施程序控制。 基于串行口儀器的虛擬儀器，它是由 Serial標(biāo)準(zhǔn)總線儀器及 PC機(jī)為儀器硬件平臺，符合 RS232或者 RS422標(biāo)準(zhǔn)的 PLC和單片機(jī)系統(tǒng)。 基于 VXI儀器的虛擬儀器，它是以 VXI(VME bus Extension for Instrumentation)標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊以及 PC機(jī)為儀器硬件平臺，由主機(jī)箱、控制器和儀器模塊構(gòu)成。其中，控制其安裝在零號槽中，稱為零槽控制器。 VXI控制器包括嵌 入式工作站控制器、外置工作站控制器和嵌入式 PC控制，可根據(jù)測試功能的要求來選用。 基于 PXI儀器的虛擬儀器，它是以 PXI(PCI Extension for Instrumentation)標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊及 PC機(jī)為硬件平臺， PXI總線方式是在 PCI總線內(nèi)核技術(shù)上增加同步觸發(fā)總線，參考時鐘規(guī)范和要求形成。標(biāo)準(zhǔn)的 PXI模塊化儀器系統(tǒng)有 s個插槽，還可以 Compact PCI交互操作，可與 GPIB或 VXI集成，組成大規(guī)模、多用途系統(tǒng)。 基于現(xiàn)場總線的虛擬儀器，它是以 Field Bus標(biāo)準(zhǔn)總線儀器及 PC機(jī)為儀器硬件平臺。上述的幾種方案中， GPIB、 VXI、 PXI方案主要適合構(gòu)成大型高精度測試系統(tǒng) 。PCIDAQ/PCI、串行口方案主要適合構(gòu)成大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)，如測試任務(wù)需要，也可將上述集中方案結(jié)合構(gòu)成混合測試系統(tǒng)。 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 7 虛擬儀器的軟件構(gòu)成 虛擬儀器的核心技術(shù)是軟件，通過修改程序可實現(xiàn)功能完全不同的各種測量測試儀器，以滿足各種不同的需求。軟件可以定義為各種儀器，可以說 “軟件即是儀器 ”。使原來需要硬件實現(xiàn)的功能軟件化，以便最大限度的降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)功能及靈活性。由于計算機(jī)很容易與網(wǎng)絡(luò)、 外圍設(shè)備，以及其他應(yīng)用連接，對于數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)控制、遠(yuǎn)程傳送都非常方便。我們只要利用數(shù)據(jù)采集卡或數(shù)據(jù)采集電路，就可在計算機(jī)上構(gòu)造新的儀器系統(tǒng)，由軟件進(jìn)行編程實現(xiàn)不同的功能。虛擬儀器系統(tǒng)的軟件從底層到頂層可分為三個層次，即 VISA庫、儀器驅(qū)動程序、應(yīng)用程序。 VISA(Virtual Instrumentation Software Architecture)庫， VISA庫實質(zhì)是標(biāo)準(zhǔn)的 I/O函數(shù)庫及相關(guān)規(guī)范的總稱，它存在于儀器 (即 I/O接口設(shè)備 )與儀器驅(qū)動程序之間，是一個為儀器與儀器驅(qū)動提供信息傳遞的底層 軟件，是實現(xiàn)統(tǒng)一的、開放的虛擬儀器系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心。 儀器驅(qū)動程序，對于數(shù)據(jù)的采集與控制，由于涉及到硬件操作，需要對應(yīng)的硬件驅(qū)動程序。驅(qū)動程序是完成對某一特定儀器的控制與通信的軟件程序集合，是連接應(yīng)用程序和 VISA庫的橋梁，每一個儀器模塊都有對應(yīng)的儀器驅(qū)動程序，儀器廠家以源碼的形式提供給用戶，用戶在應(yīng)用程序中可方便地調(diào)用其儀器驅(qū)動程序，而不必自己重新設(shè)計。 應(yīng)用軟件，它是建立在儀器驅(qū)動程序之上，需由用戶自己編寫，通過提供直接友好的測控操作界面，豐富的數(shù)據(jù)分析與處理功能來完成自動測控任務(wù)。目前，虛擬儀器的應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境主要有兩種 :一種是基于文本語言式的軟件開發(fā)環(huán)境，主要有Labwindows/CVI、 Visual C++、 Visual、 Basic、 Delphi等 。另一種是基于圖形化語言的軟件開發(fā)環(huán)境，主要有 LabVIEW、 HPVEE等。 LabVIEW 的概述 LabVIEW是實驗室虛擬儀器集成環(huán)境 (Laboratory virtual Instrument Engineering workbench)的簡稱，是目前應(yīng)用最廣、功能最強(qiáng)、發(fā)展最快的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境。得到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的普遍認(rèn) 可和好評。它可以把復(fù)雜、繁瑣、費(fèi)時的文本語言編程簡化成用菜單或圖標(biāo)提示的方法選擇功能 （ 圖形 ） ，用線條將各種功能 （ 圖形 ） 連接起來的簡單圖形編程方式，為沒有編程經(jīng)驗的用戶進(jìn)行編程、調(diào)試提供了簡單方便、完整的環(huán)境和工具，尤其適合于從事科研、開發(fā)的科學(xué)家和工程技術(shù)人員使用。 LabVIEW是一種沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 虛擬儀器開發(fā)平臺軟件，能夠以其直觀簡便的編程方式、眾多的源代碼級的設(shè)備驅(qū)動程序、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與其它計算機(jī)語言相比，有一個特別重要的不同點 :其它計算機(jī)語言都是采用文本語一言產(chǎn)生代碼行，而 LabVIEW采用圖形化編程語言 ——G語言，產(chǎn)生的程序是框圖的形式，易學(xué)易用，特別適合硬件工程師、工程技術(shù)人員、生產(chǎn)線工藝技術(shù)人員的學(xué)習(xí)和使用，可以在很短的時間內(nèi)掌握并應(yīng)用到實踐中去。特別是對于熟悉儀器結(jié)構(gòu)和硬件電路的硬件工程師、工程技術(shù)人員和測試技術(shù)人員來說，編程就像設(shè)計電路圖一樣；因此，硬件工程師、工程技術(shù)人員和測試技術(shù)人員們學(xué)習(xí) LabVIEW駕輕就熟，在較短的時間內(nèi)就能 夠?qū)W會并應(yīng)用 LabVIEW，也不必去記憶那眼花繚亂的文本式程序代碼。 LabVIEW的功能十分強(qiáng)大。像 C和 C++等其它計算機(jī)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(qiáng)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(dú)執(zhí)行，所以很容易調(diào)試。進(jìn)一步而一言，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(yùn)行機(jī)制從宏觀上講己經(jīng)不再是傳統(tǒng)上的馮 諾依曼計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的執(zhí)行方式。傳統(tǒng)的計算機(jī)語言中的順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)在 LabVIEW中被并行機(jī)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(jī)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沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 9 能節(jié)點快速地開發(fā)應(yīng)用程序，甚至還可以有多個數(shù)據(jù)通道同步運(yùn)行。 LabVIEW的核心是 VI。 VI有一個人機(jī)對話的用戶界面，即前面板 (Front Panel)和類似于源代碼功能的程