【文章內容簡介】 發(fā)展概況及本論文的主要內容。 詳細介紹了虛擬儀器技術的概念、特點和體系結構，虛擬儀器開發(fā)軟件 LabVIEW及圖形化編程語言的特點及應用現(xiàn)狀。 溫度檢測系統(tǒng)的設計思路及方案，對系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺進行選擇。 介紹智能溫度測控系統(tǒng)硬件組成，電烤箱的功率調節(jié)方式及各硬件電路的設計。 電烤箱溫度控制系統(tǒng)軟件整體設計方案，及上位機和下位機的設計過程。 對所做工 作進行了總結，對未來的研究作了展望。 沈陽理工大學應用技術學院學士學位論文 4 2 虛擬儀器 概述 虛擬儀器的概念 隨著計算機技術、微電子技術和網(wǎng)絡技術的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)儀器己經不能適應現(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儀器，即是在通用計算機上加上一組軟件或硬件，使得使用者在操作這臺 計算機時，就像在操作一臺他自己設計的專用傳統(tǒng)電子儀器 ]1[ 。 其實質是將計算機技術和儀器技術相結合，把傳統(tǒng)儀器的三大功能，全部放在計算機上來完成。利用計算機屏幕形象、方便地模擬各種儀器控制面板，以各種形式表達輸出檢測結果 。用計算機軟件實現(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)硬件軟件化的結果。虛擬儀器充分利用最新的計算機技術來實現(xiàn)和擴展儀器的功能，進而逐步代 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 虛擬儀器是計算機技術介入儀器領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： 強調 “ 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。軟件在儀器中充當了以往由硬件甚至整機來實現(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，將先進的處理算法、人工智能或者專家系統(tǒng)應用于儀器的設計與集成，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上產生，從而使得儀器不再完全由硬件決定，徹底打破了傳統(tǒng)儀器一經設計、制造完成后，其功能不可改變的單一性、封閉性。當需要時，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應用技術學院學士學位論文 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。 易于構建網(wǎng)絡化的測量儀器，虛擬儀器基于計算機網(wǎng)絡技術和接口技術，具有靈活、方便的互聯(lián)性，能與網(wǎng)絡及其他周邊設備互聯(lián)。隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，已經形成網(wǎng)絡虛擬儀器，它是一種基于 Web技術的新型虛擬儀器，使得虛擬儀器成為 Inter的一部分，可方便地構建遠程自動測控系統(tǒng)，實現(xiàn)測量、控制過程的網(wǎng)絡化。 虛擬儀器硬件和軟件都制定了開放的工業(yè)標準，而且采用了模塊化結構，系統(tǒng)具有良好的開放性和擴展性。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)是基于模塊化的設計思想，并大量運用函數(shù)庫、動態(tài)鏈接庫和類庫，代碼具有良好的可重復性。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，通過調用不同的軟件來擴展或組成各種功能的儀器或系統(tǒng)，由于虛擬儀器具有標準性、開放性和模塊化結構，用戶可以將儀器的設計、使用和管理統(tǒng)一到虛擬儀器標準，提高可重復利用率。系統(tǒng)組建時間縮短，功能易于擴展，軟硬件生產、維護和開發(fā)的費用降低。 虛擬儀器的體系結構 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)分析和結果輸出完全山計算機的軟件系統(tǒng)來完成。只要提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件，就構成了基于計算機組成的虛擬測量測試儀器。虛擬儀器通常是有計算機、硬件接口電路和軟件這三部分構成。 虛擬儀器的硬件構成 硬件接口電路與計算機儀器構成了虛擬儀器的硬件。計算機是虛擬儀器的核心，主要完成數(shù)據(jù)的分析處理和結果的顯示，硬件接口電路主要完成被測信號的采集、放大、模 /數(shù)轉換，根據(jù)構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。 沈陽理工大學應用技術學院學士學位論文 6 圖 虛擬儀器的硬件構成框圖 基于數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器，它是以信號調理電路、數(shù)據(jù)采集卡 (Data Acquisition，簡稱 DAQ)及 PC機為儀器硬件平臺，采用 PCI或 ISA計算機本身的總線，將 DAQ直接插入PC機的相應標準的總線擴展插槽即可，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機為儀器硬件平 臺， GPIB儀器具有獨立的儀器操作界面，能夠脫離計算機使用，也可以通過標準 GPIB電纜連接計算機實施程序控制。 基于串行口儀器的虛擬儀器，它是由 Serial標準總線儀器及 PC機為儀器硬件平臺，符合 RS232或者 RS422標準的 PLC和單片機系統(tǒng)。 基于 VXI儀器的虛擬儀器，它是以 VXI(VME bus Extension for Instrumentation)標準總線儀器模塊以及 PC機為儀器硬件平臺，由主機箱、控制器和儀器模塊構成。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)標準總線儀器模塊及 PC機為硬件平臺， PXI總線方式是在 PCI總線內核技術上增加同步觸發(fā)總線，參考時鐘規(guī)范和要求形成。標準的 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標準總線儀器及 PC機為儀器硬件平臺。上述的幾種方案中， GPIB、 VXI、 PXI方案主要適合構成大型高精度測試系統(tǒng) 。PCIDAQ/PCI、串行口方案主要適合構成大規(guī)模的網(wǎng)絡測試系統(tǒng)，如測試任務需要，也可將上述集中方案結合構成混合測試系統(tǒng)。 沈陽理工大學應用技術學院學士學位論文 7 虛擬儀器的軟件構成 虛擬儀器的核心技術是軟件，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，增強系統(tǒng)功能及靈活性。由于計算機很容易與網(wǎng)絡、 外圍設備，以及其他應用連接，對于數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)控制、遠程傳送都非常方便。我們只要利用數(shù)據(jù)采集卡或數(shù)據(jù)采集電路，就可在計算機上構造新的儀器系統(tǒng)，由軟件進行編程實現(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、儀器驅動程序、應用程序。 VISA(Virtual Instrumentation Software Architecture)庫， VISA庫實質是標準的 I/O函數(shù)庫及相關規(guī)范的總稱，它存在于儀器 (即 I/O接口設備 )與儀器驅動程序之間，是一個為儀器與儀器驅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)的基礎與核心。 儀器驅動程序，對于數(shù)據(jù)的采集與控制，由于涉及到硬件操作，需要對應的硬件驅動程序。驅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，是連接應用程序和 VISA庫的橋梁，每一個儀器模塊都有對應的儀器驅動程序，儀器廠家以源碼的形式提供給用戶，用戶在應用程序中可方便地調用其儀器驅動程序，而不必自己重新設計。 應用軟件，它是建立在儀器驅動程序之上，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。目前，虛擬儀器的應用軟件開發(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，是目前應用最廣、功能最強、發(fā)展最快的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境。得到工業(yè)界和學術界的普遍認 可和好評。它可以把復雜、繁瑣、費時的文本語言編程簡化成用菜單或圖標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，為沒有編程經驗的用戶進行編程、調試提供了簡單方便、完整的環(huán)境和工具，尤其適合于從事科研、開發(fā)的科學家和工程技術人員使用。 LabVIEW是一種沈陽理工大學應用技術學院學士學位論文 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備驅動程序、多種多樣的分析和表達功能支持，為用戶快捷地構筑自己在實際工程中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了基礎條件 ]2[ 。 而且 LabVIEW與其它計算機語言相比，有一個特別重要的不同點 :其它計算機語言都是采用文本語一言產生代碼行，而 LabVIEW采用圖形化編程語言 ——G語言，產生的程序是框圖的形式，易學易用，特別適合硬件工程師、工程技術人員、生產線工藝技術人員的學習和使用，可以在很短的時間內掌握并應用到實踐中去。特別是對于熟悉儀器結構和硬件電路的硬件工程師、工程技術人員和測試技術人員來說，編程就像設計電路圖一樣；因此，硬件工程師、工程技術人員和測試技術人員們學習 LabVIEW駕輕就熟，在較短的時間內就能 夠學會并應用 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，所以很容易調試。進一步而一言，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，以適用一般的應用程序。 LabVIEW的運行機制從宏觀上講己經不再是傳統(tǒng)上的馮 諾依曼計算機體系結構的執(zhí)行方式。傳統(tǒng)的計算機語言中的順序執(zhí)行結構在 LabVIEW中被并行機制所代替 ： 從本質上講，它是一種圖形控制流結構的數(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沈陽理工大學應用技術學院學士學位論文 9 能節(jié)點快速地開發(fā)應用程序，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 (Front Panel)和類似于源代碼功能的程