【正文】 試工程師們熟悉的術(shù)語和圖標(biāo)，如各種按鈕、開關(guān)、波形圖等，接口非常直觀形象。用該軟件開發(fā)的社區(qū)抄表系統(tǒng)打破了傳統(tǒng) 抄表的模式，是虛擬儀器運(yùn)用越來越廣泛的典型例證，該系統(tǒng)能夠可靠地實(shí)現(xiàn)對電表的自動(dòng)抄錄和管理，滿足了操作人員以及社區(qū)用戶的需求。論文一共分為五章： 第一章：在分析國內(nèi)外抄表技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r和 LabVIEW 的發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，利用劇增的網(wǎng)絡(luò)資源，提出了基于圖形化編程語言 LabVIEW 的社區(qū)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，并對文章結(jié)構(gòu)和研究內(nèi)容做了介紹。 第三章：設(shè)計(jì) LabVIEW 的處理模塊，包括 LabVIEW 主界面和日用電信息、月用電信息這三個(gè)部分。在這基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用界面的設(shè)計(jì)，包括抄表、報(bào)警、查詢等功能。 第四章：串口通信的設(shè)計(jì)，即用戶端的數(shù)據(jù)傳輸，通過標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出應(yīng)用程序編程接口 VISA 完成對本地?cái)?shù)據(jù)的采集。 5 第 2 章 虛擬儀器技術(shù) 虛擬儀器概述 虛擬儀器（ Virtual Instruments）的起源可以追溯到 20 世紀(jì) 70 年代， PC 機(jī)出現(xiàn)以后，儀器的計(jì)算機(jī)化成為可能，于是誕生基于計(jì)算機(jī)的儀器，即虛擬儀器。 虛擬儀器的概念 所謂虛擬儀器，就是在通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺上，由用戶設(shè)計(jì)定義、 具有虛擬面板、測試功能由測試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的“虛擬”二字主要包含以下兩個(gè)方面的含義 ]4[ ：第一，虛擬儀器的面板是虛擬的。設(shè)計(jì)虛擬儀器前面板，就是在前面板設(shè)計(jì)窗口中擺放所需的圖標(biāo)，然后對圖標(biāo)的屬性進(jìn)行設(shè)置。以 PC 計(jì)算機(jī)為核心組成的硬件平臺支持下，通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)儀器的功能的。 虛擬儀器的優(yōu)勢 虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的功能化硬件模塊和計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)成的電子測試儀器，而軟件是虛擬儀器的核心，如圖 21 所示，其中軟件的基礎(chǔ)部分是設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件，而這些標(biāo)準(zhǔn)的儀器驅(qū)動(dòng)軟件使得系統(tǒng)的開發(fā)與儀器的硬件變化無關(guān)。虛擬儀器中應(yīng)用程序?qū)⒖蛇x硬件（如 GPIB， VXI， RS232， DAQ 板）和可重復(fù)用庫函數(shù)等軟件結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了儀器模塊間的通信、定時(shí)與觸發(fā)。由于 VI 的模塊化、開放性和靈活性，以及軟件是關(guān)鍵的特點(diǎn)，當(dāng)用戶的測試要求變化時(shí)可以方便地由用戶自己來增減硬、軟件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足新的測試要求。 6 圖 21 虛擬儀 器開發(fā)框圖 虛擬儀器具有傳統(tǒng)獨(dú)立儀器無法比擬的優(yōu)勢 ]5[ （如表 21 所示）。在中低檔測試領(lǐng)域，虛擬儀器可取代一部分獨(dú)立儀器的工作，但完成復(fù)雜環(huán)境下的自動(dòng)化測試是虛擬儀器的拿手好戲，是傳統(tǒng)的獨(dú)立儀器難以勝任的，甚至不可思議的工作。在國際上，虛擬儀器早已步入實(shí)用階段，我國虛擬儀器應(yīng)用則剛剛起步，但是發(fā)展十分迅速 。 表 21 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器比較 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 開發(fā)維護(hù)費(fèi)用低 技術(shù)更新周期短（ 0． 5～ 1 年） 軟件是關(guān)鍵 價(jià)格低 開放、靈活與計(jì)算機(jī)同步，可重復(fù)用和重配置 可用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)周邊各儀器 自動(dòng)化、智能化、多功能、遠(yuǎn)距離傳輸 開發(fā)維護(hù)費(fèi)用高 技術(shù)更新周期短（ 5～ 10 年） 硬件是關(guān)鍵 價(jià)格昂貴 固定 只可連有限的設(shè)備 功能單一，操作不便 近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，己經(jīng)形成了網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器。在當(dāng)前流行的 C/S/D 網(wǎng)絡(luò)模式下，利用嵌入式技術(shù)（包括數(shù)據(jù)庫嵌入和網(wǎng)絡(luò)模塊的嵌入）可以充分利用有效資源，提高測試效率。用戶可以采用各種編程軟件來開發(fā)自己所需要的應(yīng)用軟件。這些軟件開發(fā)平臺提供了強(qiáng)大的儀器軟面板設(shè) 計(jì)工具和各種數(shù)據(jù)處理工具，再加上虛擬儀器硬件廠商提供的各種硬件的驅(qū)動(dòng)程序模塊，簡化了虛擬儀器的設(shè)計(jì)工作。 圖 22 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu) 虛擬儀器的發(fā)展趨勢 虛擬儀器是微電子、通信、計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物。有一種較普遍地說法將測量儀器的發(fā)展分為五個(gè)階段，從十九世紀(jì)初到二十世紀(jì)末，測量儀器經(jīng)歷了模擬儀器、電子儀器、數(shù)字儀器、智能儀器等階段，發(fā)展到現(xiàn)在的虛擬儀器。 圖 23 測量技術(shù)的發(fā)展 硬件驅(qū)動(dòng)程序 數(shù)據(jù)處理 用戶界面 模擬儀器 電子儀器 數(shù)字儀器 智能儀器 虛擬儀器 19 世紀(jì) 五十年代 20 世紀(jì) 七十年代 九十年代 8 開發(fā)工具 LabVIEW 軟件 LabVIEW 是一種圖形化的編程語言，使用這種語言編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或流程圖。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率 ]7[ 。 前面板：前面板是圖形用戶界面，也就是 VI 的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對象，具體表現(xiàn)有 開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對象。 流程圖：流程圖提供 VI 的圖形化源程序。流程圖中包括前面板上的控件連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。 圖標(biāo) /連接設(shè)計(jì)：這部分的設(shè)計(jì)突出體現(xiàn)了虛擬儀器模塊化 程序設(shè)計(jì)的思想。而在 LabVIEW 中提供的圖標(biāo) /連接工具正是為實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)而準(zhǔn)備的。 LabVIEW 的操作模板 在 LabVIEW 的用戶界面上，應(yīng)特別注意它提供的操作模板，包括工具 (Tools)模板、控制 (eontrols)模板和函數(shù) (FuionS)模板。 1 工具 模板 如圖 24 所示，該模板包含各種用于創(chuàng)建、修改 LabVIEW 中的對象，并可對 Vl 程序進(jìn)行調(diào)試。 2 控制模板 該模板用來給前面板設(shè)置所需的控制量 (ControlS)和顯示量 (IndicatorS)，主要用來創(chuàng)建前面板中的對象，構(gòu)建程序的界面。如圖 24 所示： 9 3 函數(shù)模板 函數(shù)模板是創(chuàng)建流程圖程序的工具，包含了編寫程 序的過程中會用到的函數(shù)和 vi程序，主要用于構(gòu)建后面板的對象。如圖 25 所示： 圖 24 控制模板 圖 25 功能模板 LabVIEW 調(diào)試與運(yùn)行 調(diào)試在一個(gè)工程中十分重要，在 LabVIEW 中調(diào)試是十分方便的。 1 找出語法錯(cuò)誤 2 執(zhí)行程序高亮 3 斷點(diǎn)與單步執(zhí)行 4 數(shù)據(jù)探針 本章小結(jié) 本章介紹了虛擬儀器技術(shù)，并對工具軟件 LabVIEW 的操作、調(diào)試與運(yùn)行進(jìn)行了簡潔的說明，為系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。 10 第 3 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)由啟動(dòng)程序以及主程序（包括首頁、主界面、日用電信息、月用電信息 4 個(gè)頁面）組成。下面分別介紹各個(gè)部分。如同 LabVIW、 Word 和 Photoshop 等應(yīng)用程序的啟動(dòng)接面。 圖 31 啟動(dòng)界面程序框圖 圖 32 啟動(dòng)界面前面板 11 登錄系統(tǒng) 本程序設(shè)計(jì)了用戶登錄系統(tǒng)。圖 33 為登錄系統(tǒng)的程序流圖： 圖 33 登陸系統(tǒng)流程圖 Y N Y 結(jié)束 仿真信號模式 開始 輸入用戶名和密碼 實(shí)際抄表模式 超過三次 N 判斷是否正確 進(jìn)行模式選擇 12 流程圖是 VI 的圖形化源程序。登陸系統(tǒng)的程序框圖如圖 34 所示： 圖 34 登錄系統(tǒng)程序框圖 圖 35 為登錄頁面即首頁： 圖 35 首頁用戶登錄界面 13 若用戶名密碼錯(cuò)誤，系統(tǒng)彈出錯(cuò)誤提示框，錯(cuò)誤三次之后則執(zhí)行 LabVIEW 退出函數(shù)。如圖 3圖 37 所示： 圖 36 密碼錯(cuò)誤對話框 圖 37 登陸成功對話框 若選擇仿真信號模式，則原程序開始運(yùn)行，若選擇實(shí)際抄表模式，則彈出子程序前面版，如圖 38 所示： 圖 38 實(shí)際抄表模式首頁 14 主界面 在用戶端，由于平時(shí)不會總?cè)タ措姳頂?shù)據(jù)，所以主界面設(shè)計(jì)原則是：功能健全，盡量小巧簡約，具體要顯示的內(nèi)容和功能可以放到子選項(xiàng)卡。圖 39 為主界面流程圖： 圖 39 主界面流程圖 1 抄表功能 圖形顯示對于虛擬儀器面板設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的內(nèi)容。其中量表可以真實(shí)地模擬實(shí)際用表。量表以及數(shù)值都可以清晰地顯示當(dāng)前值，界面右上角顯示了系統(tǒng)的當(dāng)前時(shí)間。當(dāng)抄表數(shù)值超出限度，即可初步判斷電表出現(xiàn)了問題，此事警報(bào)下的燈會亮，分別對應(yīng)三個(gè)用戶。 Y N Y N 結(jié)束 抄表按鈕按下 開始 報(bào)警 顯示抄表數(shù)據(jù) 序 判斷超出范圍 15 該仿真信號由函數(shù)選版中的隨機(jī)數(shù)為基礎(chǔ)生成，通過結(jié)構(gòu)、數(shù)值子選板以及移位寄存器，獲取與真實(shí)電能表信號相似的數(shù)據(jù)。各信號是單獨(dú)生成，互不影響。波形圖表能非常清晰的實(shí)時(shí)顯示采集波形。同樣由函數(shù)選版中的隨機(jī)數(shù)為基礎(chǔ)生成仿真信 號。 如圖 313 所示。 Y Y Y N N N Y 結(jié)束 甲按鈕按下 開始 顯示乙波形 乙按鈕按下 丙按鈕按下 顯示甲波形 顯示丙波形 17 圖 313 日用電仿真信號程序框圖 圖 314 日用電仿真信號前面板 18 月用電信息 與日用電信息相對應(yīng)，詳細(xì)界面中通過月用電信息反應(yīng)用戶每一個(gè)月的用電情況，通過表格動(dòng)態(tài)地顯示一年 12 個(gè)月中用戶的用電量及總電量。其中還采用了條件結(jié)構(gòu) ，如圖 315 所示。條件結(jié)構(gòu)每次只能顯示一個(gè)子程序框圖，并且每次只執(zhí)行一個(gè)條件分支。在條件結(jié)構(gòu)中，處理顯示控件有兩種完全不同的方式，這兩種方式雖然表明上看差別不大，在具體編程中都可能使用過，但是對于大型數(shù)據(jù)處理，比如大的數(shù)組，運(yùn)行效率差別極大，可能 不經(jīng)意間造成程序運(yùn)行緩慢，且不易查錯(cuò)?？墒謩?dòng)創(chuàng)建一張數(shù)字表格，或 將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) ，或 采集數(shù) 字信號 從而創(chuàng)建一張數(shù)字表格。由表格可以量化清晰地表達(dá)每月的用電量。數(shù)組是同類型元素的集合?？梢酝ㄟ^數(shù)組索引訪問其中的每 個(gè)元素。數(shù)組的元素可以是數(shù)據(jù)、字符串等。本程序?qū)崿F(xiàn)了自動(dòng)創(chuàng)建文件夾及 EXCEL 文件、并將數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)表格的功能，文件根據(jù)時(shí)間與用戶名來命名。圖 318 為實(shí)現(xiàn)此功能的程序框圖： 20 圖 318 寫入表格程序框圖 與日用電信息相對應(yīng)，詳細(xì)界面中通過月用電信息反應(yīng)用戶每一個(gè)月的用電情況，通過表格動(dòng)態(tài)地顯示一年 12 個(gè)月中用戶的用電量及電費(fèi)。圖 319 為月用電信息前面板： 圖 319 為月用電信息前面板 21 生成安裝程序 系統(tǒng)軟件開發(fā)結(jié)束后，可以將軟件打包做成 EXE 可執(zhí)行文件的形式，這樣，用戶直接雙擊 EXE 文件運(yùn)行軟件。 LabviEW 提供了軟件發(fā)布工具，在項(xiàng)目瀏覽器中的“程序生成規(guī)范”就是用來配置項(xiàng)目發(fā)布方法的。需要將編寫的 Vl、數(shù)據(jù)庫文件系統(tǒng)，特別是 LabVIEW 運(yùn)行時(shí)引擎 (LabviEWRun一 TimeEngine)，打包為一個(gè)安裝程序 Installer 文件。運(yùn)行生成的 EXE 安裝程序，按照安裝向?qū)У奶崾緦⑾到y(tǒng)安裝到計(jì)算機(jī)。 圖 320 運(yùn)行 EXE 文件界面 22 本章小結(jié) 通過對實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)解決方案的分析，構(gòu)建了基于 LabVIEW 的社區(qū)抄表系統(tǒng)，本章詳細(xì)介紹了其設(shè)計(jì)過程以及實(shí)現(xiàn)的功能。 LabVIEW 靈活的界面設(shè)計(jì)和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能為實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的人性化提供了便利，確保任務(wù)的可靠執(zhí)行。 23 第 4 章 串口通信 用戶端設(shè)計(jì) 虛擬儀器按照其構(gòu)成方式的不同通常分成 4 種，它們是： 基于 GPIB（ General Purpose Interface Bus）接口的虛擬儀器系統(tǒng)； 基于串口或其它工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線的系統(tǒng)； 基于 VXI 總線儀器實(shí)現(xiàn)的虛擬儀器系統(tǒng)； 基于 PXI 總線的儀器系統(tǒng)。通過不同的總線或接口最終把數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)總線上完成分析處理的工作。因此，電能表通過 RS485 接口向外傳輸時(shí)必須經(jīng)過 RS485/RS232 協(xié)議轉(zhuǎn)換后，才可以正確的被計(jì)算機(jī)識別與接收處理。 串口設(shè)置 在 LabVIEW 平臺處理串口通訊需要使用標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出應(yīng)用程序編程接口 VISA (Virtual Istrument Software Architeeture)。 本設(shè)計(jì)中采用 VISA 配置串口 (VISA Configure Serial Port． vi)設(shè)置串口信息，使硬件和計(jì)算機(jī)的通信協(xié)議一致。 以下為默認(rèn)初始值： 數(shù)據(jù)傳輸波特率為 1200bit/s 偶校驗(yàn) 8bit 數(shù)據(jù)比特 1bit 停止比特 其中，數(shù)據(jù)傳輸波特率設(shè)置為全局變量，作為修改波特率時(shí)用。在進(jìn)