【正文】 儀器系統(tǒng)和基于USB的方便插拔的虛擬儀器系統(tǒng)。虛擬儀器系統(tǒng)是一種由計(jì)算機(jī)操作控制的模塊化儀器系統(tǒng)，主要由通用儀器硬件平臺(tái)和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。(2)I/O接口設(shè)備I/O接口設(shè)備主要完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、A\D轉(zhuǎn)換。無(wú)論哪種VI系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到PC機(jī)或工作站等各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。1)PCDAQ系統(tǒng):以數(shù)據(jù)采集板、信號(hào)調(diào)理電路和計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。2)GPIB系統(tǒng):以GPIB標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。4)PXI系統(tǒng):以PXI標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。無(wú)論上述哪種VI系統(tǒng)，都是通過(guò)應(yīng)用軟件將儀器硬件與通用計(jì)算機(jī)相結(jié)合。虛擬儀器軟件由兩大部分構(gòu)成。它包含兩個(gè)方面的程序:1)實(shí)現(xiàn)虛擬面板功能的前面板軟件程序。(2)I/O接口儀器驅(qū)動(dòng)程序。NI的虛擬儀器的開(kāi)發(fā)平臺(tái)助LabVIEW作為目前國(guó)際上唯一的編譯性圖形化編程語(yǔ)言，把復(fù)雜的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化為用菜單或圖表提示的方法選擇功能，并用線條把各種功能連接起來(lái)的圖形編程方式。除了具備其他語(yǔ)言所提供的常規(guī)函數(shù)外，LabVIEW中還集成了大量的生成圖形界面的模板以及多種硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能(包括RS232，GPIB，VXI，數(shù)據(jù)采集板卡)，另外還提供了幾十家儀器廠商的源碼級(jí)儀器驅(qū)動(dòng)程序，為用戶開(kāi)發(fā)儀器控制系統(tǒng)時(shí)節(jié)省大量的編程時(shí)間。2)LabVIEW不僅是一種圖形化的編程語(yǔ)言，更是一種圖形編程環(huán)境。同時(shí)還提供了兩種運(yùn)行狀態(tài)，即編輯狀態(tài)(Edit)和運(yùn)行狀態(tài)(Run)，給出了多種調(diào)試方法，如數(shù)據(jù)流動(dòng)態(tài)顯示等，從而將系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與運(yùn)行環(huán)境有機(jī)地統(tǒng)一起來(lái)。4)LabVIEW具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析功能。綜合這些開(kāi)發(fā)平臺(tái)的優(yōu)缺點(diǎn)。 采集器由單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。采集器利用RS485串行接口完成與 PC 機(jī)通信或與下位機(jī)的各表具通信的功能。流量傳感器用以檢測(cè)熱媒的流量，兩只溫度傳感器分別測(cè)量供暖裝置的進(jìn)水溫度和回水溫度。當(dāng)熱媒以一定溫度從進(jìn)水管流入一個(gè)熱交換器（散熱片、換熱器等），用戶在通過(guò)熱交換而獲取熱量的同時(shí)，熱媒便以較低(高)的溫度從回水管流出。引入修正系數(shù) K 是因?yàn)檫M(jìn)水（或回水）溫度不同，即使在進(jìn)回水溫差相同的條件下，從流進(jìn)系統(tǒng)等量熱水中獲得的熱量也是不同的，此外相同體積的比重是隨水溫變化的。由于供暖系統(tǒng)的負(fù)荷是季節(jié)性的,其大小隨室外溫度的變化而變化。因此,系統(tǒng)中熱交換的熱量的兩個(gè)參數(shù) V 和ΔT 都是變量,其大小應(yīng)由積分計(jì)算得到,即()實(shí)際測(cè)量時(shí),假設(shè)測(cè)量的時(shí)間間隔 dt 很小,則水溫變化也很小,可近似認(rèn)為溫差ΔT 為一定值,因此積分計(jì)算可由累加和求得：()()——第 i 次測(cè)量的瞬時(shí)流量；——第 i 次測(cè)量的瞬時(shí)溫差——第 i 次測(cè)量的瞬時(shí)用熱量； Q——n 次測(cè)量所得的累積用熱量實(shí)際測(cè)量時(shí)，可以定時(shí)間間隔 dt 進(jìn)行測(cè)量，也可以定瞬時(shí)流量進(jìn)行測(cè)量，第二種方法具體來(lái)講就是當(dāng)流量測(cè)量?jī)x計(jì)量到一定量的水量流過(guò)時(shí)就對(duì)進(jìn)、回水管道中的水溫之差進(jìn)行一次測(cè)量，按式()計(jì)算出 ，并對(duì)累計(jì)用熱量進(jìn)行一次累加計(jì)算，一定的水量可由程序設(shè)定。因此，本系統(tǒng)采用定流量的方法進(jìn)行測(cè)量。兩者之間的關(guān)系是：()根據(jù)計(jì)算流體數(shù)量的辦法或單位不同，可分為質(zhì)量流量(表示為 ，單位為 Kg/h)和體積流量(表示為 ，單位為)。與之相對(duì)應(yīng)，累積總量Q 也可分為累積總質(zhì)量 (單位為 Kg)及累積總體積 (單位為) 。流量測(cè)定大致可分為兩大類，即直接測(cè)定流量的方式和先求流速再通過(guò)流速乘以橫截面積來(lái)求流量等方式。 流量傳感器的分類按照測(cè)量的方法可分為速度式、容積式和質(zhì)量式流量傳感器。(2)容積式傳感器以單位時(shí)間內(nèi)所排出流體的固定容積的數(shù)量作為測(cè)量依據(jù)，有橢圓齒輪式、活塞式、腰輪和刮板式流量傳感器等。集中供熱供冷計(jì)費(fèi)中常用的流量傳感器主要有電磁及超聲波流量傳感器、機(jī)械式流量傳感器和壓差式流量傳感器幾大類。利用超聲波在流體中的傳播特性來(lái)測(cè)量流體的流速和流量，通常測(cè)量超聲波在順流與逆流中的傳播速度差。傳感器可在管外壁安裝，故安裝和檢修時(shí)對(duì)流體流動(dòng)和管道都無(wú)影響。（2）、電磁流量傳感器電磁流量傳感器是測(cè)量導(dǎo)電性流體流量的傳感器。傳感器無(wú)阻流元件，阻力損失極微，流場(chǎng)影響小，精確度高，可以測(cè)量含有固體顆?；蚶w維的液體、腐蝕性及非腐蝕性液體。它是工業(yè)生產(chǎn)中測(cè)量流量最成熟、最常用的傳感器。四種傳感器中，機(jī)械式流量傳感器因其價(jià)格便宜、維修方便和對(duì)工作條件的要求相對(duì)不高，使得現(xiàn)在世界上 80%以上的集中供熱供冷計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的流量計(jì)量裝置采用的是機(jī)械式流量傳感器。由于機(jī)械式流量傳感器的啟動(dòng)流速小，故量程比(Qmax：Qmin)可達(dá) 40：1 甚至 480：1。當(dāng)管網(wǎng)中有微小的焊渣和其它顆粒時(shí)，管道中的超聲波和電磁信號(hào)會(huì)被嚴(yán)重?cái)_亂。3)安裝維修方便：機(jī)械式傳感器安裝時(shí)，直管段要求較低，可以選擇水平或垂直位置安裝。4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)批量大，價(jià)格比其它原理的流量傳感器低廉得多。由于流量測(cè)量?jī)x需安裝在每個(gè)暖氣用戶家中的供暖管道上，要考慮到成本及工藝等問(wèn)題。具體型號(hào)為可遠(yuǎn)傳脈沖水表：當(dāng)流體沖擊葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉輪的轉(zhuǎn)速與瞬時(shí)流量成正比，一段時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)速與該時(shí)間段內(nèi)的累積總流量成正比。量程大，計(jì)量準(zhǔn)確，靈敏度高，低啟動(dòng)水流性能，低壓頭損失，可靠耐用，調(diào)整維修簡(jiǎn)易方便。 溫度的測(cè)量 溫度傳感器的分類在不同的測(cè)溫范圍和不同的使用場(chǎng)合，有下列幾種測(cè)量原理和方法。(2)利用液體或氣體在定容下熱脹冷縮后的壓力變化或液體的飽和蒸氣壓力隨溫度變化的特性，如充液、充氣和充蒸氣的壓力表式溫度傳感器。(4)利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度而變化的特性來(lái)測(cè)量溫度，如熱電阻溫度傳感器和熱敏電阻溫度傳感器。如PN 結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器(半導(dǎo)體集成電路溫度傳感器)等。集中供熱供冷計(jì)費(fèi)中常用熱電阻式、熱敏電阻式和集成溫度傳感器等幾大類溫度傳感器，它們各有其獨(dú)自的特點(diǎn)。其電阻隨溫度變化而變化，通過(guò)測(cè)量其電阻得到與其對(duì)應(yīng)的介質(zhì)的溫度值。其靈敏度高、體積小、熱慣性小、價(jià)格低、但非線形嚴(yán)重、穩(wěn)定性較差、有老化現(xiàn)象、參數(shù)一致性較差，一般用于溫度補(bǔ)償，或用于精度不高的溫度測(cè)量。（）式中 K 為玻爾茲常數(shù)，q 為電子電荷絕對(duì)值。缺點(diǎn)為對(duì)量程和時(shí)間的穩(wěn)定性較差，無(wú)法滿足長(zhǎng)期溫度測(cè)量的精度要求。其具有較高的測(cè)量精度和靈敏度，便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳送，適宜于低、中溫的測(cè)量。在熱電阻式溫度傳感器中，主要有銅電阻、鉑電阻和鎳電阻溫度傳感器三種。其缺點(diǎn)為價(jià)格較貴。其缺點(diǎn)為電阻率低，易于氧化，故只適用于溫度不高，對(duì)傳感器體積無(wú)特殊要求的場(chǎng)合。本系統(tǒng)既用于集中供冷又用于集中供熱，因此選用鉑電阻溫度傳感器。當(dāng)鉑溫度傳感器的引出導(dǎo)線的電阻為 1Ω時(shí)，就可能帶來(lái) 1%至 %的誤差。系統(tǒng)采用 PT 1000 (0℃時(shí)電阻即 Ro 為 1000Ω)型鉑電阻溫度傳感器。4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 智能熱能表的硬件設(shè)計(jì) CPU 主系統(tǒng)智能熱能表實(shí)時(shí)測(cè)量熱水的瞬時(shí)流量△Vi，進(jìn)水溫度 T1 和出水溫度T2，計(jì)算得到用戶在一段時(shí)間內(nèi)的實(shí)際用熱量。采用美國(guó)公司生產(chǎn)的AT89C52微處理器芯片，由 CPU主系統(tǒng)、溫度數(shù)據(jù)采集通道、流量脈沖數(shù)據(jù)采集通道、通信接口、系統(tǒng)監(jiān)控、電源、地址模塊、顯示等模塊構(gòu)成。圖 智能熱能表結(jié)構(gòu)(1)溫度數(shù)據(jù)采集通道本設(shè)計(jì)所用溫度傳感器為Pt1000，將兩個(gè)溫度傳感器的輸出分別MAX1247的IN1,IN2通道，將溫度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。流量傳感器選用脈沖流量表，磁感體為干簧管。整形電路的輸入信號(hào)來(lái)自前端光敏輸出的信號(hào)，其輸出信號(hào)是具有一定寬度的脈沖。在本設(shè)計(jì)中，為了方便設(shè)計(jì)，統(tǒng)一用設(shè)計(jì)的+5V電源，電源電路由電源變壓器，橋式整流器件，濾波電容，固能保護(hù)器件，TVS的重 電源電路參數(shù)為額定斷態(tài)工作電壓，額定斷態(tài)工作電壓要大于正常工作的最高電壓。集中器的硬件結(jié)構(gòu)如圖 ，其中電源模塊與熱量表的一樣。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù)。DS1302是DS1202的升級(jí)產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時(shí)提供了對(duì)后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。 DS1302與單片機(jī)的連接. AT24C512與單片機(jī)的連接因系統(tǒng)中要求存放大量的數(shù)據(jù)，擴(kuò)充了一片EEPROM，型號(hào)為AT24C512，串行存取的，其容量為64KB。5上位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)采用自頂向下、模塊化、結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法，把總的編程過(guò)程逐步細(xì)分，分解成一個(gè)個(gè)功能模塊，每個(gè)模塊相互獨(dú)立，其正確與否不依賴其它模塊，每個(gè)模塊都能完成一個(gè)明確的任務(wù)、實(shí)現(xiàn)某個(gè)具體的功能。 智能熱能表軟件設(shè)計(jì)智能熱能表軟件設(shè)計(jì)分主程序、定時(shí)中斷子程序、串行通信中斷子程序，定時(shí)中斷子程序完成的任務(wù)有實(shí)時(shí)時(shí)鐘、流量測(cè)量、溫度測(cè)量以及各種定時(shí)任務(wù)，串行通信中斷子程序完成熱能表和集中器之間的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，而主程序則檢測(cè)各項(xiàng)標(biāo)志，完成各項(xiàng)任務(wù)的后續(xù)處理。定時(shí)子程序中對(duì)流量脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)脈沖達(dá)到設(shè)定的次數(shù)時(shí)，開(kāi)始對(duì)進(jìn)水溫度、回水溫度的巡回檢測(cè)，同時(shí)根據(jù)測(cè)量值完成一次熱量的積算。初始化開(kāi)始通信標(biāo)志=1？定時(shí)或?qū)崢?biāo)志=1？否否 是 是顯示子程序通信后續(xù)處理保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)延時(shí)標(biāo)志=1？計(jì)數(shù)時(shí)間到？否否是是延時(shí)計(jì)數(shù)加1計(jì)數(shù)清零恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)返回圖 定時(shí)中斷子程序保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)RB=1否數(shù)據(jù)接收標(biāo)志=1？否是接收的地址和自己的地址相等嗎？是否否每位數(shù)據(jù)接收正確嗎？是數(shù)據(jù)等于結(jié)束位？是否數(shù)據(jù)接收標(biāo)志=1是通信標(biāo)志？恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)返回6遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)通信設(shè)計(jì) 通信實(shí)現(xiàn)目標(biāo)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)采用集散型測(cè)控系統(tǒng)的形式:智能化物業(yè)管理中心的PC機(jī)作為上位機(jī)可以按照設(shè)定的抄存項(xiàng)目、起始時(shí)間和時(shí)間間隔，定時(shí)抄收存儲(chǔ)在采集器中的凍結(jié)數(shù)據(jù)或?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)，可以打印成報(bào)表，也可以生成數(shù)據(jù)文件提交給其它應(yīng)用系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，采集器作為下位機(jī)接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的命令。設(shè)計(jì)通訊方案時(shí)必須考慮下列幾個(gè)問(wèn)題:，誤碼率低，即通訊質(zhì)量要求高；，因而要求數(shù)據(jù)能在較遠(yuǎn)距離內(nèi)準(zhǔn)確傳輸；。在實(shí)時(shí)控制和管理系統(tǒng)中，各處理器之間的通信一般都采用串行方式。異步串行通信是以字符為信息單位傳送的，一幀信息只包含一個(gè)字符；而同步串行通信是以數(shù)據(jù)塊為信息單位傳送，每幀信息包含成百上千個(gè)字符。現(xiàn)有的串行通信接口包括RS23RS422A、RS4820mA電流環(huán)、I2C總線等幾種。該標(biāo)準(zhǔn)適用于DCE和DTE之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的串行二進(jìn)制通信，在通信速率不高于20kbPs時(shí)，RS232所能直接連接的最大物理距離為15m(碼元畸變小于4%)，驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載電容應(yīng)小于2500PF。為此，RS232規(guī)定+3——+15V之間的任意電壓表示邏輯“O”電平，3——15V之間的任意電壓表示邏輯“l(fā)”電平。RS422A標(biāo)準(zhǔn)是一種平衡方式傳輸，即雙端發(fā)送和雙端接收，所以傳送信號(hào)要用兩條線，發(fā)送端和接收端分別采用平衡發(fā)送器和差動(dòng)接收器，相當(dāng)于兩個(gè)單端驅(qū)動(dòng)器，輸入同一個(gè)信號(hào)時(shí)，其中一驅(qū)動(dòng)器的輸出率永遠(yuǎn)是另一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的反相信號(hào)，于是兩條線上傳輸信號(hào)電平，當(dāng)一個(gè)表示邏輯“1”時(shí)，另一條一定表示邏輯“0”，當(dāng)干擾信號(hào)作為共模信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，接收器接收差分輸入電壓，只要接收器有足夠的抗共模電壓工作范圍，就可以識(shí)別兩個(gè)信號(hào)，并正確接收傳輸?shù)男畔ⅰ?～177。200mv。在RS422A的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展。RS485標(biāo)準(zhǔn)的共線電路結(jié)構(gòu)是在一對(duì)平衡傳輸線的兩端都配置終端電阻，其發(fā)送器、接收器或組合收發(fā)器可掛結(jié)在平衡傳輸線上的任何位置，實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸中多個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器共用同一傳輸線的多點(diǎn)應(yīng)用RS485標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)有:l)由于RS485標(biāo)準(zhǔn)采用差動(dòng)發(fā)送/接收，所以共模抑制比高，抗干擾能力強(qiáng)。3)傳送距離遠(yuǎn)，采用雙絞線，在不用調(diào)制解調(diào)器的情況下，當(dāng)傳遞速率為100KbPs，若傳輸速率下降，則傳送距離可以更遠(yuǎn)。(4)2OmA電流環(huán)路串行接口該串行接口由發(fā)送正、發(fā)送負(fù)、接收正、接收負(fù)四根線組成一個(gè)輸入電流回路。該通訊接口的最大優(yōu)點(diǎn)是低阻傳輸線對(duì)電氣噪聲不敏感，而且易于實(shí)現(xiàn)光電隔離。I2C總線具有多重主控的能力，這意味著可以有多個(gè)具有作為主控器能力的芯片去控制占用總線。總線上數(shù)據(jù)傳送的最高速率為400kbPs。在本設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中，考慮到系統(tǒng)的通信距離、通信速率以及抗干擾能力等要求，確定抄表系統(tǒng)的通信方式采集具有“平衡差動(dòng)式”傳輸特性的RS 485串行接口。主從之間采用半雙工方式通信。程序根據(jù)軟件要實(shí)現(xiàn)的功能，實(shí)行模塊化設(shè)計(jì)。當(dāng)工作人員進(jìn)入主系統(tǒng)后，軟件將并行執(zhí)行各個(gè)子循環(huán)。本設(shè)計(jì)一共有四個(gè)模塊，設(shè)計(jì)中使用選項(xiàng)卡控件將儀器各測(cè)量面板有機(jī)地整合在一起，通過(guò)選定選項(xiàng)卡上端的選項(xiàng)選擇器來(lái)切換各測(cè)量面板。 選項(xiàng)卡前后面板數(shù)據(jù)采集模塊是將采集器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸?shù)轿飿I(yè)管理中心PC機(jī)中，本設(shè)計(jì)為了更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)演示，利用LabVIEW中能產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的控件（如圖所示）作為三個(gè)數(shù)據(jù)（入水溫度，出水溫度，累積熱量）的數(shù)據(jù)源，并利用可獲取系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間的控件獲取時(shí)間，利用for循環(huán)和while循環(huán)嵌套來(lái)循環(huán)采集數(shù)據(jù)。Access中各個(gè)表的采集情況也可直觀的看出來(lái)。由于數(shù)據(jù)量較大，且類別繁雜，故采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和管理。但是這種工具包比較昂貴，對(duì)于很多LabVIEW用戶來(lái)講，這個(gè)價(jià)格是不可能承受的；2）利用其它語(yǔ)言如Visual C++編寫(xiě)DLL程序訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，再利用LabVIEW所帶的DLL接口訪問(wèn)該程序，這樣可以實(shí)現(xiàn)間接訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)。利用這種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)需要用戶對(duì) Microsoft ADO控件以及SQL語(yǔ)言有較深的了解，并且需要從底層進(jìn)行復(fù)雜的編程才能實(shí)現(xiàn)。LabSQL利用 Micr