基于LabVIEW的虛擬溫度信號分析儀設計--畢業(yè)設計.doc

畢業(yè)設計論文基于LabVIEW的虛擬溫度信號分析儀設計系 別： 專業(yè)名稱： 學 號： 學生姓名： 指導教師： 指導單位：完成時間： 20 年 月教務處制發(fā)畢業(yè)設計（論文）任務書題目名稱基于LabVIEW的虛擬溫度信號分析儀設計設計（撰寫）內(nèi)容利用LabVIEW軟件，設計了模擬溫度信號產(chǎn)生采集與分析系統(tǒng)，通過分析采集到的溫度信號，實現(xiàn)對當前溫度的監(jiān)測控制以及對未來溫度的預測分析。設計內(nèi)容主要包括模擬溫度信號生成模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析與顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊等構(gòu)成。具體要求：（1）用一個隨機數(shù)產(chǎn)生一個值來模擬溫度信號的輸入，（2）利用波形圖記錄處理前與處理后溫度曲線，并比較分析，（3）記載采集來的信息，包括最大最小值、平均值、中值等歷史數(shù)據(jù)，記錄溫度歷史曲線，方便研究溫度走向與分析。預期目標1通過隨機數(shù)產(chǎn)生模擬溫度 ；2對采集來的溫度進行實時顯示； 3對采集到的溫度進行記錄分析；4當發(fā)現(xiàn)采集到得溫度超過設定上下限時發(fā)出警報。成果形式1完整的關(guān)于如何采集與分析溫度的LabVIEW程序。2關(guān)于如何實現(xiàn)溫度的采集與分析的論文一篇；設計（撰寫）地點起止時間2009年11月18日至2010年5月4 日指導單位指導教師 年 月 日審核意見審核簽名 年 月 日畢業(yè)設計（論文）成績評定表設計（撰寫）過程評語：指導教師： 年 月 日成績論文評閱評語： 評閱教師： 年 月 日成績論文答辯評語： 答辯組長： 年 月 日成績總分審核人： 年 月 日基于LabVIEW的虛擬溫度信號分析儀設計摘 要溫度是一個非常重要的物理量，因為它直接影響燃燒、化學反應、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形、結(jié)晶以及空氣流動等物理和化學過程。溫度控制失誤就可能引起生產(chǎn)安全、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品產(chǎn)量等一系列問題。因此對溫度的檢測的意義就越來越大。溫度采集控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、科學研究和人們的生活領(lǐng)域中，得到了廣泛應用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，很多時候都需要對溫度進行嚴格的監(jiān)控，以使得生產(chǎn)能夠順利的進行，產(chǎn)品的質(zhì)量才能夠得到充分的保證。使用自動溫度控制系統(tǒng)可以對生產(chǎn)環(huán)境的溫度進行自動控制，保證生產(chǎn)的自動化、智能化能夠順利、安全進行，從而提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。本文首先介紹了其它利用傳感器來檢測溫度的方法，引出虛擬儀器LabVIEW的相關(guān)知識。并對它們的發(fā)展歷史、軟件的優(yōu)缺點等做了簡單的介紹，利用labview設計了一個溫度監(jiān)測和分析系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、信號運算和信號分析（時域分析）等功能。其中信號分析包括實時顯示波形、頻率測量、曲線擬合以及相關(guān)性分析。數(shù)據(jù)記錄包括各種溫度產(chǎn)生時間、最大最小溫差等等。關(guān)鍵詞：虛擬儀器；LabVIEW；溫度測量；數(shù)據(jù)統(tǒng)計LABVIEW-based virtual design of the temperature signal analyzerAbstractTemperature is an important physical quantity because it directly affects the combustion, chemical reactions, fermentation, roasting, calcining, distillation, concentration, extrusion, mold and air flow, and other physical and chemical processes. Temperature control failure could lead to production safety, product quality, product yield and other issues. Hence the significance of the detection of temperature on the increase. Temperature acquisition and control system in industrial production, scientific research and areas of peoples lives, has been widely used. In the industrial production process, often require strict temperature control, to enable production to proceed smoothly, Quality of the products can be fully guaranteed. Automatic temperature control system can control the temperature of the production environment to ensure the production of automation and intelligence of a smooth, safe, thereby improving production efficiency.This paper introduces the use of sensors to detect the temperature of other methods, leads to the relevant knowledge LabVIEW virtual instrument. And their history, advantages and disadvantages of such software to do a simple introduction, using labview design a Temperature Monitoring and analysis system of data collection, signal analysis computing He signals (time-domain analysis) capabilities. One signal analysis, including real time display of waveform, frequency measurement, curve fitting and correlation analysis. Temperature data records including generation time, maximum and minimum temperature and so on.Key words: virtual instruments; LabVIEW; temperature measurement; data statistics目 錄1 緒 論11.1 溫度檢測的意義11.2 常見溫度檢測方法11.3 本論文研究的內(nèi)容21.4 本章小結(jié)22 虛擬儀器的基本理論32.1 虛擬儀器的概念32.2 虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的比較32.3 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)42.4 虛擬儀器的分類52.5 本章小結(jié)63 溫度檢測系統(tǒng)的軟件設計73.1 LabVIEW概述73.1.1 LabVIEW的特點73.1.2 LabVIEW的發(fā)展歷程73.1.3 LabVIEW的結(jié)構(gòu)83.2 LabVIEW的應用領(lǐng)域93.3 本章小結(jié)104 系統(tǒng)VI程序設計114.1 創(chuàng)建子VI114.2 VI設計124.3 本章小結(jié)145 程序框圖介紹155.1 系統(tǒng)初始化155.2 溫度采集165.3 數(shù)據(jù)分析175.4 本章小結(jié)186 結(jié)束語196.1 系統(tǒng)總結(jié)196.2 未來展望19致 謝20參考文獻211 緒 論各個行業(yè)的社會生產(chǎn)過程中，都離不開測試測量儀器的應用，理論上，使用傳統(tǒng)硬件儀器的地方都可以使用虛擬儀器來代替，在傳統(tǒng)測試測量儀器儀表使用比較頻繁的機械制造業(yè)、電子和微電子等行業(yè)，虛擬儀器的技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應用，技術(shù)很成熟，現(xiàn)成產(chǎn)品很多。虛擬儀器技術(shù)應用的新開發(fā)軟件不斷涌現(xiàn)，使該技術(shù)的應用更加廣泛。1.1 溫度檢測的意義溫度是一個非常重要的物理量，因為它直接影響燃燒、化學反應、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形、結(jié)晶以及空氣流動等物理和化學過程。溫度控制失誤就可能引起生產(chǎn)安全、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品產(chǎn)量等一系列問題。因此對溫度的檢測的意義就越來越大。溫度采集控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、科學研究和人們的生活領(lǐng)域中，得到了廣泛應用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，很多時候都需要對溫度進行嚴格的監(jiān)控，以使得生產(chǎn)能夠順利的進行，產(chǎn)品的質(zhì)量才能夠得到充分的保證。使用自動溫度控制系統(tǒng)可以對生產(chǎn)環(huán)境的溫度進行自動控制，保證生產(chǎn)的自動化、智能化能夠順利、安全進行，從而提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。1.2 常見溫度檢測方法溫度的檢測方法有多種，常用的有電阻式、熱電偶式、PN 結(jié)型、輻射型及石英諧振型等，它們都是基于溫度變化引起其物理參數(shù)(如電阻值，熱電勢等) 的變化的原理隨著測量技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了適用于高溫、強磁場干擾等惡劣環(huán)境的光纖溫度傳感器，下面簡單對其中一部分予以介紹：（1）電阻溫度傳感器這種傳感器以電阻作為溫度敏感元件，根據(jù)敏感材料不同又可分成熱電阻式和熱敏電阻式熱電阻式一般用金屬材料制成，如鉑、銅、鎳等熱敏電阻是以半導體材料制成的陶瓷器件，如錳、鎳、鈷等金屬的氧化物與其它化合物按不同配比燒結(jié)而成。（2）熱電偶溫度傳感器熱電偶測溫是基于“熱電動勢效應” 所謂熱電動勢效應是指A 、B 兩種不同的導體組成閉合回路,若兩結(jié)點溫度不同則在回路中產(chǎn)生電動勢，形成熱電流A 、B 兩導體的結(jié)點(熱端) 溫度為T，而另一端（冷段）溫度為To則熱電動勢為E(T,To)=(T-To)(lnNa/Nb)k/e其中k為波爾茲曼常數(shù)，e為電子電荷，Na，Nb為與材料有關(guān)的常數(shù)，測量E (T ，To) 的大小便能確定被測溫度T。（3）PN結(jié)型及集成電路式溫度傳感器半導體PN結(jié)測溫是近幾年來發(fā)展起來的一種新型測溫手段，眾所周知, PN 結(jié)的反向電流隨溫度呈指數(shù)規(guī)律變化，而當正向電流不變時， 其正向壓降隨溫度近似線性變化，現(xiàn)代的PN結(jié)溫度傳感器都是利用正向壓降進行測溫。（4）光纖溫度傳感器這是70年代發(fā)展起來的新型傳感器，它是將光源的光經(jīng)光纖送入調(diào)制區(qū), 在調(diào)制區(qū)內(nèi)被測參數(shù)(溫度)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用使光的光學性質(zhì)(如強度、波長、頻率等)發(fā)生變化而成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)光纖送入光檢測器及解調(diào)器而獲得被測參數(shù)，此種方法也適于其它參數(shù)的測量。根據(jù)傳感原理不同，光纖溫度傳感器可分成功能型和傳輸型功能型傳感器中光纖既是傳光的介質(zhì)又是溫度敏感元件，因此結(jié)構(gòu)巧妙、簡潔，但既滿足傳輸要求又滿足敏感要求的光纖制作難度大，所以只在有特殊要求的場合使用。 傳輸型傳感器中光纖只起傳光的作用，對溫度的敏感作用由其它元件來實現(xiàn)，因此結(jié)構(gòu)較前者復雜，但可通過分別選擇性能優(yōu)良的光纖和敏感元件而達到較高的性能。1.3 本論文研究的內(nèi)容本課題的研究內(nèi)容是基于LABVIEW的溫度檢測分析系統(tǒng)的實現(xiàn)。針對目前溫度分析系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和研制情況，本設計主要完成對溫度的采集、監(jiān)測、分析、顯示。不但能實現(xiàn)溫度的智能化監(jiān)測，而且能為事后分析鑒定提供可靠的理論依據(jù)。本文首先討論了本設計的產(chǎn)生和應用背景，介紹了虛擬儀器的基本內(nèi)容以及虛擬儀器的產(chǎn)生和發(fā)展，并介紹了LabVIEW的相關(guān)內(nèi)容，接著討論了系統(tǒng)的主要功能及總體結(jié)構(gòu)，即系統(tǒng)采集顯示數(shù)據(jù)，以及相關(guān)分析函數(shù)。1.4 本章小結(jié)本章主要分析了溫度檢測的意義，并對傳統(tǒng)方法利用各種傳感器來檢測溫度做了簡單介紹，提出自己系統(tǒng)設計研究的內(nèi)容和整體思路及要實現(xiàn)的效果。2 虛擬儀器的基本理論2.1 虛擬儀器的概念虛擬儀器（virtual instrument）的概念是美國NI公司（National Instrument）提出來的。所謂虛擬儀器就是基于計算機技術(shù)而發(fā)展起來的儀器測量技術(shù)，是計算機技術(shù)和儀器技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。他將計算機作為儀器的硬件平臺，借助計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力，將儀器的專業(yè)功能和操作面板在計算機界面實現(xiàn)。在計算機上形成與儀器基本相同的系統(tǒng)，更方便實現(xiàn)修改測試儀器。LabVIEW ( aboratory virtual instrument engineering workbench 即實驗室虛擬儀器工作平臺)也是美國NI公司推出的，它集合了簡單易用的圖形式開發(fā)環(huán)境與靈活的G語言，所見即所得的可視化技術(shù)為建立人機界面提供了一種簡易的編程環(huán)境。2.2 虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，很容易構(gòu)建，所以應用面極為廣泛。尤其在科研、開發(fā)、測量、檢測、計量、測控等領(lǐng)域更是不可多得的好工具。虛擬儀器技術(shù)先進，十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢，因而常被稱作“軟件儀器”。它功能強大，可實現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號發(fā)生器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭和軟件還可檢測特定系統(tǒng)的參數(shù)，如汽車發(fā)動機參數(shù)、汽油標號、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數(shù)等多種數(shù)據(jù)；它操作靈活，完全圖形化界面，風格簡約，符合傳統(tǒng)設備的使用習慣，用戶不經(jīng)培訓即可迅速掌握操作規(guī)程；它集成方便，不但可以和高速數(shù)據(jù)采集設備構(gòu)成自動測量系統(tǒng)，而且可以和控制設備構(gòu)成自動控制系統(tǒng)。在儀器計量系統(tǒng)方面，示波器、頻譜儀、信號發(fā)生器、邏輯分析儀、電壓電流表是科研機關(guān)、企業(yè)研發(fā)實驗室、大專院所的必備測量設備。隨著計算機技術(shù)在測繪系統(tǒng)的廣泛應用，傳統(tǒng)的儀器設備缺乏相應的計算機接口，因而配合數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理十分困難。而且，傳統(tǒng)儀器體積相對龐大，多種數(shù)據(jù)測量時常感到捉襟見肘，手足無措。我們常見到硬件工程師的工作臺上堆砌著紛亂的儀器，交錯的線纜和繁多待測器件。然而在集成的虛擬測量系統(tǒng)中，我們見到的是整潔的桌面，條理的操作，不但使測量人員從繁復的儀器堆中解放出來，而且還可實現(xiàn)自動測量、自動記錄、自動數(shù)據(jù)處理。其方便之極固不必多言，而設備成本的大幅降低卻不可不提。一套完整的實驗測量設備少則幾萬元，多則幾十萬元。在同等的性能條件下，相應的虛擬儀器價格要低二分之一甚至更多。虛擬儀器強大的功能和價格優(yōu)勢，使得它在儀器計量領(lǐng)域具有很強的生命力和十分廣闊的前景。在專用測量系統(tǒng)方面，虛擬儀器的發(fā)展空間更為廣闊。環(huán)顧當今社會，信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，各行各業(yè)無不轉(zhuǎn)向智能化、自動化、集成化。無所不在的計算機應用為虛擬儀器的推廣提供了良好的基礎(chǔ)。虛擬儀器的概念就是用專用的軟硬件配合計算機實現(xiàn)專有設備的功能，并使其自動化、智能化。因此，虛擬儀器適合于一切需要計算機輔助進行數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠嬃繄龊?。測量與處理、結(jié)果與分析相脫節(jié)的面貌將大為改觀。數(shù)據(jù)的拾取、存儲、處理、分析一條龍操作，既有條不紊又迅捷快速。推而廣之，一切計量系統(tǒng)，只要技術(shù)上可行都可用虛擬儀器代替，由此可見虛擬儀器應用空間是多么的寬廣。2.3 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)虛擬儀器通常是由計算機、模塊化功能硬件和應用軟件這三部分構(gòu)成。1虛擬儀器的硬件構(gòu)成計算機是虛擬儀器的核心,主要完成數(shù)據(jù)處理和結(jié)果的顯示。硬件主要完成被測輸入信號的采集、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換。虛擬儀器根據(jù)其模塊化功能硬件不同,有多種構(gòu)成方式：第一，基于數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器，是以信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)及PC機為儀器硬件平臺，采用PCI或ISA計算機總線，將DAQ直接插入PC機的相應標準的總線擴展插槽。因此，這種虛擬儀器又叫PCI-DAQ/PCI插卡式虛擬儀器。第二，基于串行總線儀器的虛擬儀器，是由Serial標準總線儀器及PC機為儀器硬件平臺，包括符合RS - 232/RS422標準的PLC和單片機系統(tǒng)。第三，基于通用接口總線GPIB接口的虛擬儀器，是以GPIB接口儀器、GPIB接口卡及PC機為儀器硬件平臺，GPIB儀器具有獨立的儀器操作界面，可以脫離計算機使用，也可以通過標準GPIB電纜連接計算機實施程序控制。第四，基于VXI儀器的虛擬儀器，是以VXI (VME bus extension for instrume- ntation) 標準總線儀器模塊及PC機為儀器硬件平臺，由主機箱、控制器和儀器模塊構(gòu)成。VXI控制器包括嵌入式PC控制、嵌入式工作站控制器和外置工作站控制器，可根據(jù)測試功能的不同要求來選用。第五，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機為儀器硬件平臺，PXI總線方式是在PCI總線內(nèi)核技術(shù)上增加多板同步觸發(fā)總線和參考時鐘技術(shù)規(guī)范和要求形成。標準的PXI模塊化儀器系統(tǒng)有8個插槽，還可與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)。第六，基于現(xiàn)場總線設備的虛擬儀器，是以Fieldbus標準總線儀器及PC機為儀器硬件平臺 。無論上述哪種形式的虛擬儀器，都是通過應用軟件將儀器的模塊化功能硬件與各類計算機相結(jié)合的，其中基于GPIB、VXI、PXI的方案主要適合構(gòu)成大型高精度集成測試系統(tǒng)；PCI-DAQ / PCI、串行口方案主要適合構(gòu)成普及型的廉價測試系統(tǒng)；現(xiàn)場總線方案主要適合構(gòu)成大規(guī)模的網(wǎng)絡測試系統(tǒng)。如測試任務需要，也可將上述幾種方案結(jié)合構(gòu)成混合測試系統(tǒng)。2虛擬儀器的軟件構(gòu)成虛擬儀器最核心的技術(shù)是軟件，使原來需要硬件實現(xiàn)的功能軟件化，以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強系統(tǒng)功能與靈活性。虛擬儀器軟件的本質(zhì)是進行數(shù)據(jù)處理。虛擬儀器軟件的數(shù)據(jù)處理過程可以分為兩種：一是自下而上的數(shù)據(jù)采集、處理到最終顯示；一是自上而下的用戶交互、指令操作到儀器控制。因此，可以把虛擬儀器軟件劃分為3個層次：虛擬輸入/輸出層、虛擬儀器驅(qū)動層和虛擬儀器應用軟件層。軟件層次對外定義單一的調(diào)用接口，各個軟件層次之間通過接口進行數(shù)據(jù)傳送。采用單一接口的好處是對外隱藏了軟件層次的內(nèi)部細節(jié)，無論采用什么實現(xiàn)方法，做什么樣的修改，只要接口不變就不會影響軟件的其他部分。第一，虛擬輸入/輸出層。是為虛擬儀器驅(qū)動層提供信息傳遞的底層軟件，是實現(xiàn)開放、靈活的虛擬儀器的基礎(chǔ)。虛擬輸入/輸出層的功能是直接對儀器進行控制，完成數(shù)據(jù)讀寫。由于儀器硬件的種類繁多，為了保證硬件的“即插即用”虛擬輸入/輸出層需要提供獨立于硬件的I/O接口。第二，虛擬儀器驅(qū)動層。是連接虛擬儀器應用軟件與虛擬輸入/輸出的紐帶和橋梁,其功能是為虛擬儀器應用軟件層提供抽象的儀器操作集。對于虛擬儀器應用軟件來說，對儀器的操作是通過調(diào)用虛擬儀器驅(qū)動提供的單一接口來實現(xiàn)的，而虛擬儀器驅(qū)動又是調(diào)用虛擬輸入/ 輸出所提供的單一接口來實現(xiàn)的。第三，虛擬儀器應用軟件層。直接面對操作用戶，提供了快捷、友好的測控操作界面，以及圖形、圖表等數(shù)據(jù)顯示方式。它只對虛擬儀器驅(qū)動進行調(diào)用，本身不進行任何數(shù)據(jù)處理。對于虛擬儀器應用軟件的開發(fā)者來說，在不了解儀器內(nèi)部操作與實現(xiàn)的情況下，也可以進行虛擬儀器應用軟件的設計和開發(fā)。在軟件層次化的基礎(chǔ)上，就可以把各層封裝為不同的模塊組件。構(gòu)造虛擬儀器的過程就是將各組件組合在一起，當功能發(fā)生改變和更新儀器硬件時，只要調(diào)用、添加或重組各模塊組件見，就能構(gòu)造出新的虛擬儀器，將儀器使用的主動權(quán)真正交給了用戶，虛擬儀器的靈活性也就得到了充分的體現(xiàn)。2.4 虛擬儀器的分類虛擬儀器的發(fā)展隨著微機的發(fā)展和采用總線方式的不同，可分為五種類型：第一類，PC總線插卡型虛擬儀器這種方式借助于插入計算機內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如LabVIEW相結(jié)合。Labview/cvi是基于文本編程的程序員提供高效的編程工具，通過三種編程語言Visual C+,Visual Basic, Labview/cvi構(gòu)成測試系統(tǒng)，它充分利用計算機的總線、機箱、電源及軟件的便利。但是受PC機機箱和總線限制，且有電源功率不足，機箱內(nèi)部的噪聲電平較高，插槽數(shù)目也不多，插槽尺寸比較小，機箱內(nèi)無屏蔽等缺點。另外，ISA總線的虛擬儀器已經(jīng)淘汰，PCI總線的虛擬儀器價格比較昂貴。第二類，并行口式虛擬儀器最新發(fā)展的一系列可連接到計算機并行口的測試裝置，它們把儀器硬件集成在一個采集盒內(nèi)。儀器軟件裝在計算機上，通?？梢酝瓿筛鞣N測量測試儀器的功能，可以組成數(shù)字存儲示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率計、數(shù)字萬用表、功率計、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。美國LINK公司的 DSO-2XXX系列虛擬儀器,它們的最大好處是可以與筆記本計算機相連，方便野外作業(yè)，又可與臺式PC機相連，實現(xiàn)臺式和便攜式兩用，非常方便。由于其價格低廉、用途廣泛，特別適合于研發(fā)部門和各種教學實驗室應用。第三類，GPIB總線方式的虛擬儀器GPIB技術(shù)是 IEEE488標準的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子測量獨立的單臺手工操作向大規(guī)模自動測試系統(tǒng)發(fā)展，典型的GPIB系統(tǒng)由一臺PC機、一塊 GPIB接口卡和若干臺GPIB形式的儀器通過GPIB電纜連接而成。在標準情況下，一塊GPIB接口可帶多達14臺儀器，電纜長度可達40米。GPIB 技術(shù)可用計算機實現(xiàn)對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很多方便地把多臺儀器組合起來，形成自動測量系統(tǒng)。GPIB測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡單，主要應用于臺式儀器，適合于精確度要求高的，但不要求對計算機高速傳輸狀況時應用。第四類，VXI總線方式虛擬儀器VXI總線是一種高速計算機總線VME總線在VI領(lǐng)域的擴展，它具有穩(wěn)定的電源，強有力的冷卻能力和嚴格的RFI/EMI屏蔽。由于它的標準開放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點，很快得到廣泛的應用。經(jīng)過十多年的發(fā)展，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合。有其他儀器無法比擬的優(yōu)勢。然而，組建VXI總線要求有機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高。第五類，PXI總線方式虛擬儀器PXI總線方式是PCI總線內(nèi)核技術(shù)增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板同步觸發(fā)總線的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板發(fā)總線，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局總線。PXI的高度可擴展性。PXI具有8個擴展槽，而臺式PCI系統(tǒng)只有3-4個擴展槽，通過使用PCIPCI橋接器，可擴展到256個擴展槽，臺式PC的性能價格比和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴展優(yōu)勢結(jié)合起來，將形成未來的虛擬儀器平臺。2.5 本章小結(jié)在本章主要引出虛擬儀器及其相關(guān)知識，重點探討了虛擬儀器的結(jié)構(gòu)、概念和分類，并對先進的虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器做了比較，下一章我們將進入到本溫度采集系統(tǒng)的軟件設計部分。3 溫度檢測系統(tǒng)的軟件設計3.1 LabVIEW概述作為基于圖形化編程語言的開發(fā)環(huán)境，LabVIEW自然、直觀、簡潔的程序開發(fā)方式大大降低了學習難度。開發(fā)者可以通過各種交互式的控件、話框、菜單、及函數(shù)模塊進行編程。所需做的只是將這些VI模塊拖拉到程序框圖中，并定義它在應用程序中的功能。最后將這些控件或VI模塊連接起來即可完成儀器設計。3.1.1 LabVIEW的特點LabVIEW的主要特點可以概括如下：l 圖形化的儀器編程環(huán)境，它使用“所見即所得”的可視化技術(shù)建立人機界面，使用大多數(shù)工程師索熟悉的數(shù)據(jù)流程式的語言編寫程序，被譽為“工程師和科學家的語言”。l 內(nèi)置的程序編譯器，使運行速度加快。l 靈活的程序調(diào)試手段，可以在源代碼中設置斷點，單步運行，在數(shù)據(jù)流上設置探針，加亮執(zhí)行。其中最最具特色的是“加亮執(zhí)行”和“設置探針”，前者用于跟蹤程序運行過程中的數(shù)據(jù)流，后者用于在程序運行過程中在線顯示數(shù)據(jù)值。l LabVIEW提供了從底層VXI、GPIB、串口及數(shù)據(jù)采集板的控制子程序到大量的儀器驅(qū)動程序，從基本的功能函數(shù)到高級分析庫，涵蓋了儀器設計中幾乎所需要的函數(shù)。l 支持多種系統(tǒng)平臺，平臺之間的程序可以直接進行移植。l 提供CLF（call library function ）功能和CNI(code interface node ) 功能，可以直接調(diào)用其他軟件平臺編譯的模塊。l 支持TCP/IP、DDE等功能。此外，LabVIEW帶有附加的軟件包，如磁盤管理。自動測試、控制與仿真、信號處理、圖形獲得與處理、數(shù)值分析工具等。3.1.2 LabVIEW的發(fā)展歷程LabVIEW從1986發(fā)明至今，已推出了數(shù)個不同版本，可以支持多個目前流行的操作系統(tǒng)，LabVIEW的主要發(fā)展歷程如下：l 1983年4月，LabVIEW開發(fā)系統(tǒng)在美國德克薩斯州奧斯汀研制成功，主要是為儀器系統(tǒng)的開發(fā)者提供一套快捷地建立、檢測和修改儀器系統(tǒng)的圖形軟件系統(tǒng)；l 1986年5月，NI公司推出了LabVIEW beta測試版；l 1986年10月，NI公司正式發(fā)布了LabVIEW1.0 for macintosh版本，該版本是解釋型和單色的，一問世引起了儀器工業(yè)的變革；l 1990年1月，LabVIEW2.0版本問世，此為編譯型版本，并增加了彩色的性能，它提供了圖形編譯功能，是的LabVIEW中的VI（虛擬儀器）運行速度可以與編程C語言的運行速度相媲美；l 1992年8月，支持sun solaris工作站和PC的LabVIEW版本面世；l 1993年1月LabVIEW3.0版本開發(fā)完成，同時給用戶提供一個應用系統(tǒng)生成器（application builder）,它使得LabVIEW的VI變成一個可以獨立運行的程序；l 1998年2月，LabVIEW5.0版本問世，改版本是LabVIEW歷史上又一個里程碑。該版本為多核設備預先設置了多線程功能，還做了包括可程序設計的控制面板、用戶定義控制、應運程序發(fā)行等重大改進；l 2003年，LabVIEW7 express和LabVIEW7系列開始推向市場，在LabVIEW7系列中，引入了新的數(shù)據(jù)類型動態(tài)數(shù)據(jù)類型（dynamic data type），并增加了LabVIEW PDA和LabVIEW FPGA等各種不同的功能模塊；l 2005年，LabVIEW8版本問世，改版本具有分布式、智能化的優(yōu)異特性；l 2006你去，20周年紀念版LabVIEW8.20面世，LabVIEW8.2.1是其中文版本，也是LabVIEW諸多版本中的唯一中文版；l 2007年8月，LabVIEW8.5版本面世，它是國內(nèi)目前廣泛應用的版本；l 2008年8月LabVIEW8.5版本發(fā)布，它是NI目前正式推出專用于測試、控制和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的LabVIEW圖形化系統(tǒng)設計平臺的最新版本。它提供了支持多核處理器、現(xiàn)場可編程門陣列編程等新技術(shù)。圖3-1LabVIEW前面板3.1.3 LabVIEW的結(jié)構(gòu)利用LabVIEW開發(fā)測試系統(tǒng)軟件，涉及兩個主要部分：前面板和流程圖（又稱程序框圖）。前面板是指一些圖形化的測試界面，如圖3-1所示，即測試程序開發(fā)完成后，用戶運行時所展現(xiàn)的各種測試交互接口，包括菜單、參數(shù)設置、結(jié)果顯示等。流程圖是指測試程序的內(nèi)部運行結(jié)構(gòu)，是測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理的流程。如圖3-2所示。測試程序絕大部分工作是在流程圖中完成的。開發(fā)完成的測試程序在運行時流程圖式不可見的，它和文本式開發(fā)平臺（如VC+）中的*.h、*.cpp等文件的作用是一樣的。只是LabVIEW流程圖的開發(fā)時圖形化的，更簡單、高效、直觀。圖3-2LabVIEW流程圖3.2 LabVIEW的應用領(lǐng)域LabVIEW的諸多優(yōu)點，使其在包括航天、航空、通信、汽車。半導體和生物醫(yī)學等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應用。從儀器控制、數(shù)據(jù)采集到測試和工業(yè)自動化，從大學實驗室到工廠，從探索研究到技術(shù)集成，不同領(lǐng)域的科學家和工程師都在借助LabVIEW解決研究和工作中出現(xiàn)的各種應用課題。1. 應用于自動化測試和測量平臺LabVIEW在測定和測量中的應用任務如下表3-1所示。表3-1 LabVIEW在測試和測量中的應用及任務應 用任 務制造測試測試制造系統(tǒng)，提升處理能力和可升級性電子設計驗證與定性驗證常見的測量任務（如參數(shù)值、電氣特征）的設計數(shù)據(jù)記錄記錄測量值（溫度、壓力、電流、速度、應力、位移等）結(jié)構(gòu)/機械測試測試設計結(jié)構(gòu)和機械（噪聲、震動操作平穩(wěn)性）硬件在環(huán)（HIL）測試實現(xiàn)插置模式，在硬件平臺上執(zhí)行控制和分析代碼RF和通信測試測試無線通訊功能便攜式現(xiàn)場測試創(chuàng)建自定義的便攜式測試系統(tǒng)臺式測試通過臺式機上的虛擬儀器進行測量和實時分析2. 應用于工業(yè)測量和控制普通LabVIEW在工業(yè)測量和控制平臺中的應用及任務如表3-2所示。表3-2 LabVIEW在工業(yè)測量和控制中的應用及任務應 用任 務機器自動化解決機器自動化中聲音、震動監(jiān)控等應用難題機器狀態(tài)監(jiān)控對機器狀態(tài)進行監(jiān)控和測試分布式監(jiān)控和控制創(chuàng)建分布式監(jiān)控和控制應用電源監(jiān)控執(zhí)行電源測量和電源質(zhì)量測量集成式測試和控制開發(fā)測試和控制相結(jié)合的應用，如機電測試、環(huán)境測試硬件在線測試創(chuàng)建模塊化、性價比高的軟硬件測試平臺3. 應用于設計、原型建模和發(fā)布LabVIEW可用于搞笑的設計仿真、應用、仿真數(shù)據(jù)與真實測量之間的比較。將LabVIEW和測量工具集成與附加的設計和仿真工具中，在設計過程中就可以將真實的測試工具與仿真模型進行比較，從而發(fā)現(xiàn)設計中的缺陷、減少重復設計、提高產(chǎn)品質(zhì)量。通常的應用有嵌入式系統(tǒng)設計測試、控制設計、數(shù)字濾波器設計、電子電路設計、機械設計、算法設計等。4. 應用于院校實驗室LabVIEW在測控領(lǐng)域掀起革新的同時，也增強和提高了院校實驗室的研究。在實驗室中，LabVIEW將復雜的數(shù)據(jù)采集工作變得簡單，便于研究人員集中時間和精力用于實驗操作、數(shù)據(jù)分析和結(jié)論總結(jié)，而不是將大量時間用于搭建實驗室設備。LabVIEW在教學和實驗室中的應用領(lǐng)域包括測量、電路設計和仿真、控制、機械、電子、信號和圖像處理、無線通信和嵌入式系統(tǒng)等。3.3 本章小結(jié)本章主要探討了虛擬軟件LabVIEW的相關(guān)信息，包括LabVIEW的發(fā)展歷史、應用領(lǐng)LabVIEW相對于其它軟件的優(yōu)越性、LabVIEW的前后面板。下一章我將討論程序框圖及系統(tǒng)前面板的介紹4 系統(tǒng)VI程序設計VI層次結(jié)構(gòu)圖中以VI圖表代表各個VI，清楚地顯示出了分層式的金字塔結(jié)構(gòu)，便于用戶瀏覽結(jié)構(gòu)的作用。如圖4-1所示。圖4-1系統(tǒng)的VI層次結(jié)構(gòu)圖4.1 創(chuàng)建子VI1子VI的概念子VI即LabVIEW的子程序，是層次化和模塊化VI的關(guān)鍵組件，它能使VI易于調(diào)試和維護。子VI是由其他VI調(diào)用的獨立的VI，即子VI用在頂層VI框圖中。在VI中可使用的子VI數(shù)目不受限制。使用子VI是一種有效地編程技術(shù)，因為它允許子VI代碼在不同場合重復使用，而且在一個子VI中還可以調(diào)用另一個子VI，這也是G語言的分層特性。2創(chuàng)建虛擬溫度發(fā)生器子VI本設計采用模擬的溫度發(fā)生器產(chǎn)生隨機溫度數(shù)值，見圖4-2，用隨機數(shù)0-1產(chǎn)生的數(shù)值，經(jīng)過簡單的數(shù)學運算生成所需采集的溫度數(shù)值，且溫度值的范圍控制在40-50攝氏度。 圖4-2 模擬溫度發(fā)生器4.2 VI設計VI程序的前面板是一個交互式的用戶界面，相當于真實物理測試儀器的儀器面板。主界面包括溫度檢測和數(shù)據(jù)分析兩部分，如圖4-3和4-4所示。其中溫度檢測面板中包括瞬時溫度顯示、上下限數(shù)值設定、溫度曲線顯示、攝氏華氏轉(zhuǎn)換、結(jié)束采集按鈕以及報警。數(shù)據(jù)分析面板包含波形圖的分析顯示、相關(guān)數(shù)據(jù)值顯示、自相關(guān)函數(shù)的波形顯示以及關(guān)閉系統(tǒng)按鈕。圖4-3 虛擬溫度采集檢測圖4-4 數(shù)據(jù)分析面板點擊工具欄運行鍵，彈出對話框設置采集溫度上下限，圖4-5，設置完上下限值，點擊確定，系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)。圖4-6.此時面板上顯示出采集的溫度曲線圖，瞬時溫度值，以及報警情況。點擊停止采集按鈕，進入數(shù)據(jù)分析面板，并將分析結(jié)果以圖形和數(shù)據(jù)的形式顯示，見圖4-7.在溫度曲線顯示器中顯示出溫度上下限，原始采集溫度，以及擬合溫度曲線。同時還在面板上顯示出最大值、最小值、平均溫度、采樣頻率等統(tǒng)計而得的數(shù)據(jù)。面板的下方還將顯示出自相關(guān)函數(shù)圖像，便以判斷所采集的溫度是否具有周期性。圖4-5 設置上下限圖4-6 溫度采集圖4-7 數(shù)據(jù)分析4.3 本章小結(jié)本章主要對系統(tǒng)的各個模塊的程序框圖做了簡單介紹，以及每一個模塊的主要功能，參數(shù)設置等一系列問題；同樣對前面板也做了簡要的概述。對里面的每一個參數(shù)所代表的意義、各個窗口顯示出來的波形等簡單的表述。5 程序框圖介紹如果說前面板是儀器的操作面板，那么程序框圖則相當于儀器內(nèi)部的電子線路。虛擬儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵所在就是程序框圖的設計，合理的布局，恰當?shù)暮瘮?shù)運用可以是復雜的系統(tǒng)運行順暢。下面就先來介紹系統(tǒng)的基本整體流程圖，如下圖5-1所示：隨機溫度大于上限小于上限報警溫度曲線顯示瞬時溫度值顯示轉(zhuǎn)換至動態(tài)數(shù)據(jù)最大值時間最大值最小值最小值時間總采樣數(shù)平均溫度最大溫差曲線擬合單頻測量頻率溫度曲線上限數(shù)組下限數(shù)組統(tǒng)計圖5-1 系統(tǒng)流程圖5.1 系統(tǒng)初始化為前端數(shù)據(jù)輸入，程序運行即彈出對話框，用于設置上下限值。為記錄總的運行時間設計。為清零設計，使得系統(tǒng)在下次啟動時將上次的數(shù)據(jù)清零。其編程框圖如圖5-2所示圖5-2 數(shù)據(jù)初始化5.2 溫度采集如圖5-3所示，程序中為虛擬溫度發(fā)生器子VI（圖4-2）。溫度采集程序框圖中溫度模擬發(fā)生子VI產(chǎn)生隨機溫度值，將該溫度值與預先設定的上下限值比較，若大于上限小于下線則報警系統(tǒng)報警。并根據(jù)攝氏華氏設置，經(jīng)過f=c*1.8+32轉(zhuǎn)換在溫度計中顯示實時溫度。圖5-3 溫度采集程序框圖5.3 數(shù)據(jù)分析圖5-3中，已采集到的單通道一維標量數(shù)組經(jīng)過轉(zhuǎn)換變?yōu)閯討B(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)由單頻測量和統(tǒng)計，輸出采樣頻率、平均溫度、最大值、最小值等數(shù)據(jù)。另經(jīng)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)經(jīng)多項式階數(shù)為5的曲線擬合后，輸出擬合后的溫度曲線。數(shù)據(jù)經(jīng)一維自相關(guān)函數(shù)運算，根據(jù)其顯示出來的數(shù)據(jù)判斷是否所采集的溫度具有周期性。本設計中對于采集到的溫度數(shù)據(jù)，進行了相關(guān)的時域分析和統(tǒng)計。編程圖如5-4所示。圖5-4 數(shù)據(jù)分析程序框圖下面便對其內(nèi)部主要統(tǒng)計函數(shù)做相關(guān)介紹：1相關(guān)性分析假定一個樣本x(t)來自各態(tài)歷經(jīng)平穩(wěn)隨機過程，則其自相關(guān)函數(shù)Rxx(t)(簡記為Rx()是樣本信號x(t)與此樣本記錄在作時移后的信號x(t+)作乘積后再積分平均的運算值，即，（5-1）所用計算公式： k=0,1,2,(N-1)，（5-2）如果信號中有周期成分，其自相關(guān)函數(shù)在很大時都不衰減，并具有明顯的周期性。因此可以利用自相關(guān)函數(shù)檢測信號中有無周期成分。若其自相關(guān)函數(shù)圖像顯示具有對稱性，則判定原信號具有周期性。2 曲線擬合曲線擬合子分析實驗數(shù)據(jù)時非常有用，它可以從大量的離散數(shù)據(jù)中抽象出內(nèi)部規(guī)律。而為了充分利用這些數(shù)據(jù)，就要用到擬合。LabVIEW中包含了大量的曲線擬合函數(shù)以滿足不同的擬合需要，其中不僅包括二維曲線擬合，還包括三維曲面擬合。對數(shù)據(jù)進行二維曲線擬合時需要輸入數(shù)據(jù)的坐標（Xi,Yi）即x數(shù)組和y數(shù)組。曲線擬合的目的就是找出Yi和Xi的函數(shù)關(guān)系式y(tǒng)=f(x)。本系統(tǒng)采用多項式擬合。多項式系數(shù)的元素為m+1，其中m是多現(xiàn)實階數(shù)。本設計中采用多項式階數(shù)為5，其當前模型可寫為Y= a0+a1*x+a2*x2+a3*x3+a4*x4+a5*x5，（5-3）3 統(tǒng)計統(tǒng)計為LabVIEW中信號分析Express VI中的一個VI，利用概率統(tǒng)計的方法求算出本文中所需的最大值、最小值、采樣總數(shù)、平均值等。5.4 本章小結(jié)在本章主要對前一章的補充與細化，給出了整個系統(tǒng)的流程圖，重點分析解讀程序框圖里的每一個模塊及其意義，對數(shù)據(jù)分析里面的相關(guān)統(tǒng)計函數(shù)做了詳細說明，例如相關(guān)函數(shù)、曲線擬合等等6 結(jié)束語6.1 系統(tǒng)總結(jié)可見，在LabVIEW圖形化語言環(huán)境下設計的虛擬溫度采集系統(tǒng)簡單快捷，用戶完全可根據(jù)實際環(huán)境溫度的需要，調(diào)節(jié)不同功能的軟件模塊，改變設定的參數(shù)，就可以在同一臺計算機中對采樣信號進行非實時的在線和離線分析，便可以準確地判斷當前溫度是否超出規(guī)定的溫度范圍，從而對溫度進行精確地監(jiān)控。本系統(tǒng)的特點可以歸納如下：1溫度產(chǎn)生方便，通過一個隨機數(shù)即可模擬產(chǎn)生，而且可以隨意設置范圍；2整個系統(tǒng)界面清晰明了，各個功能模