（檢測技術(shù)與自動化裝置專業(yè)論文）labview環(huán)境下溫度測控系統(tǒng)的深入研究與實現(xiàn).pdf

l a b vle w 環(huán)境下溫度測控系統(tǒng)的深入研究與實現(xiàn) l a b vie w 環(huán)境下溫度測控系統(tǒng)的深入研究與實現(xiàn) 摘要 本課題是對論文基于虛擬儀器技術(shù)的非接觸式溫度測控系統(tǒng)的深入 研究與探討。該文主要研究了如何利用虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)紡織行業(yè)中的非接 觸式溫度的測量，我參與了該測量系統(tǒng)的整個研究與實驗的過程，對于此系 統(tǒng)有很多自己的想法。因此，基于原來的研究過程與成果，我對此非接觸式 測溫系統(tǒng)進行了深入的研究，并且利用現(xiàn)有的u s b 一6 0 0 8 數(shù)據(jù)采集卡結(jié)合自 己搭建的實驗電路板硬件平臺，實現(xiàn)了對溫度的實時采集與控制的功能，并 且重新編寫了一個測控軟件，該軟件在原有軟件的基礎(chǔ)上增加了許多的功 能。 本文共分為七章： 第一章主要討論了本課題研究的背景和意義，并簡要介紹了虛擬儀器技 術(shù)的發(fā)展歷程。 第二章首先對本系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)進行了介紹，之后針對原測溫系統(tǒng)的研 究提出了進一步改進與完善的整體構(gòu)思與方案。 第三章講述了l a b v i e w 編程技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，由于在第五章將會用 到這些技術(shù)，因此這章的介紹將有助于讀者更好地理解本文的研究。 第四章對原測量系統(tǒng)的硬件部分與軟件部分做了概述，并且分析了優(yōu)缺 點。 第五章研究了數(shù)字濾波器以及自動化控制的方法，包括p i d 控制和模糊 4 l a b v i e w 環(huán)境下溫度測控系統(tǒng)的深入研究與實現(xiàn) 控制。 第六章詳細(xì)討論了對改進后的測控系統(tǒng)進行調(diào)試與仿真的具體過程，包 括硬件上的改進以及軟件上的完善。在本文的研究中，此章節(jié)的創(chuàng)新點是最 多的，同時，內(nèi)容也是最深入的。 第七章對全文作了簡明的總結(jié)，并對虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前 景作了展望。 本課題在原有研究的基礎(chǔ)上進行了很多硬件和軟件上的創(chuàng)新與改進。硬 件上的創(chuàng)新主要是自制的實驗電路板，用于調(diào)試測控系統(tǒng)；軟件上的改進主 要有：模糊控制器的研究，l a b v i e w 與o f f ic e 軟件無縫連接的研究，以及在 l a b v i e w 中開發(fā)w i n d o w s 菜單的研究等( 詳見第六章) 。因為原有的研究并沒 有將整個系統(tǒng)完整地搭建與實現(xiàn)，因此與之相比，本文的研究有了較大的進 步，基本實現(xiàn)了溫度測量與控制以及對歷史測量數(shù)據(jù)進行記錄的仿真，并且 在硬件平臺的搭建和軟件用戶界面的編寫等方面有較多的創(chuàng)新。 關(guān)鍵詞：虛擬儀器，數(shù)據(jù)采集，模糊控制，l a b v i e w 狀態(tài)機，w i n d o w s 菜單， 動態(tài)連接庫 l a b v ie w 環(huán)境下溫度測控系統(tǒng)的深入研究與實現(xiàn) d e e pr e s e a c ha n dr e a l i z a t i o no f t e m p e r a t u r em e a s u i u n ga n d c o n t r o l l i n gs y s t e mi nl a b v i e w a bs t r a c t t h i st h e s i si sb a s e do n n o n c o n t a c tt e m p e r a t u r em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n g s y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t st e c h n o l o g y f r o mm yu p p e rs t u d e n t t h a t t h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e dh o wt or e a l i z en o n c o n t a c tt e m p e r a t u r em e a s u r i n gi n t e x t i l ei n d u s t r yu s i n gv i r t u a li n s t r u m e n t st e c h n o l o g y it o o kp a r ti nt h ew h o l e r e s e a r c ha n de x p e r i m e n to ft h a tm e a s u r i n gs y s t e m ，s oih a dm a n yi d e a sa b o u ti t t h e r e f o r e ，b a s e do no r i g i n a lr e s e a r c hp r o c e s sa n dr e s u l t s ，im a d ed e e pr e s e a r c h o nt h i sn o n c o n t a c tt e m p e r a t u r em e a s u r i n gs y s t e m i na d d i t i o n ，c o m b i n i n gd a t a a c q u i s i t i o n c a r d u s b6 0 0 8w i t hm yo w nc i r c u i tb o a r dp l a t f o r m ，ir e a l i z e d r e a l t i m ea c q u i s i t i o na n dc o n t r o lo ft h et e m p e r a t u r e b a s e do no r i g i n a ls o f t w a r e f u n c t i o n s ，i a l s o r e p r o g r a m m e d t h es o f t w a r e a p p l i c a t i o na n da d d e dm a n y f u n c t i o n st oi t t h i st h e s i sw a sd i v i d e di n t os e v e nc h a p t e r s ： t h ef i r s tc h a p t e rm a i n l yd i s c u s s e dt h eb a c k g r o u n do ft h i sr e s e a r c h ，a n dt h e n 6 l a b vie w 環(huán)境下溫度測控系統(tǒng)的深入研究與實現(xiàn) b r i e f l yp r e s e n t e dt h ed e v e l o p m e n to fv i r t u a li n s t r u m e n t st e c h n o l o g y t h es e c o n dc h a p t e rp r e s e n t e db a s i ct h e o r yo ft h i ss y s t e ma tf i r s t ，a n dt h e n p r o p o s e da ni n t e g r a lc o n c e p t i o na n dp r o j e c to fi m p r o v i n ga n dp e r f e c t i n gt h e s y s t e m ，a i m i n ga to r i g i n a lm e a s u r i n gs y s t e m t h et h i r dc h a p t e rn a r r a t e dp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yo fl a b v i e wa n dd a t a a c q u i s i t i o nt e c h n o l o g y t h e s et e c h n o l o g i e sw o u l db eu s e di nt h ef i f t hc h a p t e r , s o t h i sc h a p t e rw o u l dh e l pr e a d e r st og a i nab e t t e ru n d e r s t a n d a b i l i t yo ft h i sr e s e a r c h t h ef o n hc h a p t e re x p l a i n e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h eo r i g i n a ls y s t e m ， a n dt h e na n a l y z e di t sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t h ef i f t hc h a p t e rr e s e a r c h e dd i g i t a lf i l t e r sa n da u t o m a t e dc o n t r o lm e t h o d s ， i n c l u d i n gp i dc o n t r o la n df u z z yc o n t r 0 1 t h es i x t hc h a p t e rb a t e da r o u n dt h e s p e c i f i c p r o c e s s o fd e b u g g i n ga n d s i m u l a t i n gt h em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m a m o n gt h i st h e s i s ，t h i sc h a p t e r h a dt h em o s tc r e a t i v ep o i n t sa n dt h ed e e p e s tc o n t e n ta sw e l l t h es e v e n t hc h a p t e rg a v eab r i e fs u m m a r i z a t i o na n dp r o s p e c t e df o r t h e a p p l i c a t i o nf i e l da n dd e v e l o p m e n tf u t u r eo f v i r t u a li n s t r u m e n t st e c h n o l o g y b a s e do nt h eo r i g i n a lr e s e a r c h ，t h i st h e s i sh a dm a n yi n n o v a t i o n sa n d i m p r o v e m e n t so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i n n o v a t i o n so f h a r d w a r ew e r e ： s e l f - m a d ec i r c u i tb o a r df o rd e b u g g i n gt h em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m ； i m p r o v e m e n t so fs o f t w a r ew e r e ：r e s e a r c ho nf u z z yl o g i cc o n t r o l l e r , c o n n e c t i o n b e t w e e nl a b v i e wa n do f f i c e ，a n dd e v e l o p i n gw i n d o w sm e n ub a ri nl a b v i e w ( s e et h es i x t hc h a p t e r ) b e c a u s et h eo r i g i n a lr e s e a r c hc o u l d n tr e a l i z et h ew h o l e 7 l a b v i 酬環(huán)境下溫度測控系統(tǒng)的深入研究與實現(xiàn) s y s t e m ，c o m p a r e dw i t hi t ，m yr e s e a r c hw a sm u c hb e t t e r t e m p e r a t u r em e a s u r i n g a n dc o n t r o l l i n gw e r er e a l i z e di nm yr e s e a r c h ，a sw e l la sh i s t o r i c a ld a t ar e c o r d i n g a n ds a v i n g b e s i d e s ，i th a dm a n yi n n o v a t i o n si nh a r d w a r ep l a t f o r mb u i l d i n ga n d s o f t w a r ep r o g r a m m i n go fu s e ri n t e r f a c e k e yw o r d s ：v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) ，d a t aa c q u i s i t i o n ，f u z z yc o n t r o l ， l a b v i e ws t a t em a c h i n e ，w i n d o w sm e n u s ，d y n a m i cl i n kl i b r a r y 8 l a b v le w 環(huán)境下溫度測控系統(tǒng)的深入研究與實現(xiàn) 東華大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：我恪守學(xué)術(shù)道德，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)風(fēng)。所呈交的學(xué)位論文，是本人 在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已明確注明和引用的內(nèi) 容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品及成果的內(nèi)容。 論文為本人親自撰寫，我對所寫的內(nèi)容負(fù)責(zé)，并完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本 人承擔(dān)。 2 l a b v le w 環(huán)境下溫度測控系統(tǒng)的深入研究與實現(xiàn) 東華大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國 家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱或借閱。本人授權(quán)東華 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮 印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 保密口，在年解密后適用本版權(quán)書。 本學(xué)位論文屬于 不保密囤。 學(xué)位論文作者簽名： 蘆州 日期：2 o ，年1 月叫掃 指導(dǎo)教師簽名： 、 m 死乞 1 日期：川符計夥日 k a b vle w 環(huán)境下溫度測控系統(tǒng)的深入研究與實現(xiàn) 1 1 本課題研究背景及意義 第一章緒論 在我們研究課題所在的化纖工業(yè)自動化測量控制領(lǐng)域中，至今主要都是以單片機、 常規(guī)專業(yè)儀表以及p c 總線等為技術(shù)手段的。自美國國家儀器公司于八十年代中期首先提 出基于計算機技術(shù)的虛擬儀器的概念以來，虛擬儀器技術(shù)得到了快速發(fā)展，但在國內(nèi)化 纖工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用甚少。 1 1 1 研究背景 虛擬儀器系統(tǒng)概念是對傳統(tǒng)儀器概念的重大突破，是計算機系統(tǒng)與儀器系統(tǒng)技術(shù)相 結(jié)合的產(chǎn)物。它利用計算機系統(tǒng)的強大功能，結(jié)合相應(yīng)的硬件，大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù) 據(jù)處理、顯示、傳送、處理等方面的限制，使用戶可以方便地對其進行維護、擴展、升 級等，能夠更好的滿足測控要求。 虛擬儀器是隨著計算機總線技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。u s b 是一種近幾年才發(fā)展起 來的通用串行總線。它已經(jīng)成為現(xiàn)行p c 機上常用的設(shè)備。它解決了一般通用總線存在的 麻煩，具有速度快、連線少、即插即用、自帶電源以及支持熱插拔等特性，能很好地滿 足現(xiàn)場工業(yè)測量控制系統(tǒng)的要求，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的儀器總線。它的出現(xiàn)，也 進一步推動了虛擬儀器技術(shù)的進一步發(fā)展。近幾年來，以n i 為首的廠家已經(jīng)生產(chǎn)出了基 于u s b 的數(shù)據(jù)采集卡等一系列虛擬器件配套硬件設(shè)備，有力地保證了基于u s b 的虛擬 儀器的研究開發(fā)。我們這里研究的就是一種基于u s b 總線技術(shù)的數(shù)據(jù)采集測量系統(tǒng)。 就我國而言，從9 0 年代開始，國內(nèi)的一些大學(xué)相繼開展了虛擬儀器系統(tǒng)的研究與開 發(fā)工作，至今已經(jīng)取得了一些成績，但和國外先進國家相比遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。就化纖工業(yè)來說， 在虛擬儀器方面的研究少之又少，而且成功的應(yīng)用也很少，只有僅僅的“電子單紗強力 儀”和“全自動條千均勻度儀”等產(chǎn)品。在理論方面也只有關(guān)于“虛擬儀器在紡織機械 動力學(xué)分析中的應(yīng)用研究 和“基于虛擬儀器的織機緯紗張力測試新方法 等方面的研 究。我們現(xiàn)在研究的非接觸式虛擬溫度測量系統(tǒng)是對原有基于單片機技術(shù)的“非接觸式 溫控系統(tǒng) 的改進，原系統(tǒng)是針對化纖丙綸短程紡工藝而專門設(shè)計的，設(shè)計復(fù)雜，成本 1 2 l a b v ie w 環(huán)境下溫度測控系統(tǒng)的深入研究與實現(xiàn) 昂貴。新設(shè)計系統(tǒng)將拋開那些為該工藝專門設(shè)計的外設(shè)硬件，將測量分析和顯示任務(wù)集 中到通用微機上來處理，借此技術(shù)改進，以達(dá)到降低成本，提高測控精度等目的。 我的學(xué)長已經(jīng)對這個項目作了初步的研究，由于他的時間比較倉促，因此我的工作 是根據(jù)他的研究成果，通過自己對這項新技術(shù)的深入學(xué)習(xí)和研究，能夠從軟件和硬件結(jié) 構(gòu)等方面去完善該項目，盡可能地擴展、增加該項目的功能。 1 1 2 研究的意義 基于單片機和專用測量儀器的“非接觸溫控系統(tǒng) 是配備在化纖工業(yè)短程紡連續(xù)化 后加工工藝流程中的設(shè)備，它的主要功能就是對纖維加熱，使其變形以達(dá)到所要求的強 度。我們研究的“非接觸式虛擬溫測系統(tǒng)”就是對其進行技術(shù)更新。基于虛擬儀器的測 量系統(tǒng)的優(yōu)點是：基于p c 的虛擬儀器使測量、處理的許多功能都集中在p c 機上來處理。 這使得許多專門設(shè)計的測量儀表成為非必需，從而大大節(jié)約了成本。依本系統(tǒng)為例，必 須的硬件除了p c 機以外，只需一塊數(shù)據(jù)采集卡，比起基于常規(guī)儀器的系統(tǒng)成本大大降低 了。同時，許多儀器的功能是通過p c 機上的軟件來實現(xiàn)的，所以使用壽命大幅度延長， 同時也可以根據(jù)需要自己進行更新?lián)Q代，這也變相的降低了成本。另外，現(xiàn)在常用的p c 機的高性能芯片的數(shù)據(jù)處理分析能力也是常規(guī)單片機系統(tǒng)望塵莫及的，這使得我們能夠 借助p c 機實現(xiàn)更高要求的數(shù)據(jù)處理和分析功能，得到更好的處理精度?；趐 c 機的虛 擬測量系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮p c 機的數(shù)據(jù)管理優(yōu)勢，這使得我們能夠?qū)y量數(shù)據(jù)實行有效管 理。 在學(xué)長完成的部分系統(tǒng)中，已經(jīng)通過用電阻箱仿真溫度來實現(xiàn)我們的測溫目的，而 我是利用自己制作的模擬電路板結(jié)合u s b - 6 0 0 8 數(shù)據(jù)采集卡來仿真測溫過程，并且加入根 據(jù)測量到的溫度來控制加熱部分，從而達(dá)到對整個系統(tǒng)溫度的測量和控制功能；另外我 還探討了基于數(shù)據(jù)庫管理的虛擬測控系統(tǒng)的實現(xiàn)，以及虛擬儀器在數(shù)據(jù)記錄和與o f f i c e 連接的問題，這些都有利于我們對虛擬儀器技術(shù)的深入了解。 1 2 虛擬儀器技術(shù) 隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)的高速發(fā)展，儀器測量技術(shù)也開始由傳統(tǒng) 儀器向計算機化方向邁進。2 0 世紀(jì)8 0 年代中期，美國國家儀器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t 簡稱n i ) 首先提出了“軟件就是儀器 這一虛擬儀器( v i r t u a li n s t r u m e n t 簡稱v i ) 概念，并 l a b v ie w 環(huán)境下溫度測控系統(tǒng)的深入研究與實現(xiàn) 隨之推出第一批實用成果。這一創(chuàng)新使得用戶能夠根據(jù)自己的需要定義儀器功能，而不 像傳統(tǒng)儀器那樣受到廠商的限制。虛擬儀器的出現(xiàn)徹底改變了傳統(tǒng)的儀器觀念，開辟了 測控技術(shù)的新紀(jì)元。 1 2 1 虛擬儀器的概念 所謂虛擬儀器，就是在通用的計算機平臺上定義和設(shè)計等同常規(guī)儀器的各種功能， 用戶操作計算機的同時就是在使用一臺專門的電子儀器。虛擬儀器以計算機為核心，充 分利用計算機強大的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力，提供對測量數(shù)據(jù)的分析處理和顯示功能。 虛擬儀器技術(shù)強調(diào)軟件在測控系統(tǒng)中的重要的地位，但也并不排斥測試硬件平臺的重要 性。虛擬儀器測控系統(tǒng)通過信號采集設(shè)備和調(diào)理設(shè)備將計算機硬件和被測量硬件連接起 來，再通過軟件取代常規(guī)儀器硬件，將計算機硬件資源與儀器硬件有機地融合為一體， 從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，大大縮小 了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲以及分析處理。 1 2 2 虛擬儀器的發(fā)展歷程 ( 1 ) 國外發(fā)展歷程 隨著個人電腦技術(shù)的出現(xiàn)，人們開始考慮使用電腦來處理傳統(tǒng)儀器所測數(shù)據(jù)。由此， g p i b 技術(shù)在2 0 世紀(jì)7 0 年代發(fā)展起來，這也就是i e e e4 8 8 及后來的i e e e 4 8 8 2 標(biāo)準(zhǔn)。 但由于g p i b 總線帶寬( 1 m b y t e s s ) 限制了數(shù)據(jù)向計算機的實時傳輸，所以大量的數(shù)據(jù) 處理工作仍然依靠儀器自身所帶有的功能。 2 0 世紀(jì)8 0 年代，隨著計算機技術(shù)的進一步發(fā)展，個人電腦可以帶有多個擴展槽，就 出現(xiàn)了插在計算機里的數(shù)據(jù)采集卡。它可以進行一些簡單的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)的后處理由 計算機軟件完成，這就是虛擬儀器技術(shù)的雛形。1 9 8 6 年，美國n i 公司提出了“軟件即 儀器的口號，推出了n i l a b v i e w 直觀的流程圖編程風(fēng)格的開發(fā)和運行程序平臺，開 啟了虛擬儀器的先河。 2 0 世紀(jì)9 0 年代，計算機總線速度進一步加快，p c i 總線的數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到了 1 3 2 m b y t e s s 。1 9 9 6 年底，美國n i 公司在p c i 數(shù)據(jù)總線的基礎(chǔ)上提出了第一代p x i 系統(tǒng) 的技術(shù)規(guī)范。現(xiàn)在，p x i 技術(shù)聯(lián)盟已經(jīng)有很多的成員公司為這一平臺開發(fā)產(chǎn)品。 ( 2 ) 我國發(fā)展歷程 1 4 l a b v i 酬環(huán)境下溫度測控系統(tǒng)的深入研究與實現(xiàn) 1 9 8 5 年，我國的東方振動和噪聲技術(shù)研究所( c h i n ao r i e n ti n s t i t u t eo fn o i s e v i b r a t i o n 以下簡稱c o i n v ) 開始提出p c 卡泰( p c c a t a i ) 一微機卡式采集測試分析 儀的概念，并推出了數(shù)據(jù)采集和信號處理軟件( d a s pd a t aa c q u i s i t i o n & s i g n a l p r o c e s s i n g ) ，隨后又提出了“把實驗室拎著走 的口號，進而進行了虛擬儀器庫平臺的 研發(fā)，實現(xiàn)了i n v 虛擬儀器庫。d a s p 軟件概念突破了傳統(tǒng)的隨機振動信號分析儀和f f t 分析儀概念，實現(xiàn)了向虛擬儀器和計算機采集測試分析儀器概念的過渡。其間，c o i n v 研制成了國內(nèi)第一臺虛擬儀器呻c 卡泰仆1 0 1 ，接著又推出了臺式機用的i n v 3 0 3 和 便攜式筆機本式的i n v 3 0 6 系統(tǒng)，并于1 9 9 3 年到加拿大多倫多展出，實現(xiàn)了v i 的飛躍。 到2 0 0 2 年底，已有8 0 0 余家用戶使用c o i n v 生產(chǎn)的2 6 種仆3 0 3 3 0 6 系列產(chǎn)品。 ( 3 )國內(nèi)外發(fā)展趨勢和開發(fā)平臺比較 虛擬儀器的國內(nèi)外發(fā)展呈現(xiàn)兩條主線：一是g p i b _ v x i _ p x i 總線方式，二是p c 插卡式- - l p t 并行口式一串口u s b 方式一i e e e 標(biāo)準(zhǔn)的1 3 9 4 口方式瞄1 。 美國n i 公司開發(fā)的l a b v l e w 和中國c o i n v 開發(fā)的d a s p 虛擬儀器平臺是國內(nèi)外 具有代表性的兩個平臺，其軟件各有特點，互相不能替代、功能互補。l a b v i e w 平臺是 一個在國內(nèi)外具有相當(dāng)影響和大量用戶的虛擬儀器開發(fā)平臺，它對于一般儀器的開發(fā)商、 學(xué)校儀器制造專業(yè)的教學(xué)以及一些特殊的用戶是適宜的，但由于它是用于虛擬儀器二次 開發(fā)的軟件，而非可最終直接使用的儀器，這對大量的一般直接用戶即只想用虛擬儀器 馬上直接測試分析試驗結(jié)果的用戶，有不方便的地方，也有局限性。d a s p 平臺它是直 接面向最終用戶的虛擬儀器庫，直接可以使用，不需要再進行編程加工，用起來非常的 快捷方便、可靠，精度又很高，用戶拿起來就可直接使用，但是，對于專業(yè)儀器開發(fā)商 或者儀器行業(yè)自己需開發(fā)虛擬儀器的用戶，有一定的局限性。 1 2 3 虛擬儀器的體系結(jié)構(gòu) 虛擬儀器由硬件和軟件兩部分組成。 虛擬儀器的硬件主體是電子計算機，通常是個人計算機，也可以是任何通用電子計 算機。為計算機配置的電子測量儀器硬件模塊是各種傳感器、信號調(diào)理器、模擬數(shù)字 轉(zhuǎn)換器( a d c ) 、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器( d a c ) 、數(shù)據(jù)采集卡( d a q ) 等。電子計算機及其 配置的電子測量儀器硬件模塊組成了虛擬儀器測試硬件平臺的基礎(chǔ)。虛擬儀器還可以選 配開發(fā)廠家提供的系統(tǒng)硬件模塊，組成更為完善的硬件平臺。 l a b v i e w 環(huán)境下溫度測控系統(tǒng)的深入研究與實現(xiàn) 按照測控功能硬件的不同，v i 可分為g p i b 、v x i 、p x i 和d a q 四種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu) 3 o ( 1 ) g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 通用接口總線，是計算機和儀器間的標(biāo)準(zhǔn) 通訊協(xié)議。g p i b 的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議已納入國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)- - i e e e4 8 8 1 和i e e e 4 8 8 2 。它是最早的儀器總線，目前多數(shù)儀器都配置了遵循i e e e4 8 8 的g p i b 接口。典 型的g p i b 測試系統(tǒng)包括一臺計算機、一塊g p i b 接口卡和若干臺g p i b 儀器。g p i b 儀 器覆蓋了從比較便宜的到異常昂貴的儀器。但是g p i b 的數(shù)據(jù)傳輸速度一般低于5 0 0 k b s ， 不大適合于對系統(tǒng)速度要求較高的應(yīng)用。 ( 2 ) v x i ( v m eb u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 即v m e 總線在儀器領(lǐng)域的擴展，是 1 9 8 7 年在v m e 總線、e u r oc a r d 標(biāo)準(zhǔn)( 機械結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)) 和i e e e4 8 8 等標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上， 由主要儀器制造商共同制訂的開放性儀器總線標(biāo)準(zhǔn)。v x i 系統(tǒng)最多可包含2 5 6 個裝置， 主要由主機箱、“0 槽”控制器、具有多種功能的模塊儀器、驅(qū)動軟件和系統(tǒng)應(yīng)用軟件等 組成。系統(tǒng)中各功能模塊可隨意更換，即插即用，可隨意組成新系統(tǒng)。v x i 的價格相對 較高，適合于尖端的測試領(lǐng)域。 ( 3 ) p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) p c i 在儀器領(lǐng)域的擴展，是n i 公司于1 9 9 7 年發(fā)布的一種新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范。其核心是c o m p a c tp c i 結(jié)構(gòu)和m i c r o s o f t w i n d o w s 軟件。 ( 4 ) d a q ( d a t a a c q u i s i t i o n ) 數(shù)據(jù)采集，指的是基于計算機標(biāo)準(zhǔn)總線( 如i s a 、p c i 、 p c 1 0 4 等) 的內(nèi)置功能插卡。它更加充分地利用計算機的資源，大大增加了測試系統(tǒng)的 靈活性和擴展性。利用d a q 可方便快速地組建基于計算機的儀器( c o m p u t e r - b a s e d i n s t r u m e n t s ) ，實現(xiàn)“一機多型 和“一機多用”。 1 2 4 虛擬儀器的技術(shù)優(yōu)勢 和常規(guī)儀器技術(shù)相比，n i 虛擬儀器技術(shù)有四大優(yōu)勢【4 - 5 】： ( 1 ) 性能高 虛擬儀器技術(shù)是在p c 技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以完全繼承了以現(xiàn)成即用的p c 技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點，包括功能超卓的處理器和文件i o ，使您在數(shù)據(jù)高速 導(dǎo)入磁盤的同時就能實時地進行復(fù)雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來越快的計 算機網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強大的優(yōu)勢。 1 6 l a b v l e w 環(huán)境下溫度測控系統(tǒng)的深入研究與實現(xiàn) ( 2 ) 擴展性強 n i 的軟硬件工具使得工程師和科學(xué)家們不再受硬件儀器的限制。這些都得益于n i 軟件的靈活性，我們要做的只是更新計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少 的、甚至無需軟件上的升級即可改進自己的系統(tǒng)。在利用最新科技的時候，還可以把它 們集成到現(xiàn)有的測量設(shè)備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品的設(shè)計時間。 ( 3 ) 開發(fā)時間少 在驅(qū)動和應(yīng)用兩個層面上，n i 高效的軟件構(gòu)架能與計算機、儀器儀表和通訊方面的 最新技術(shù)結(jié)合在一起。n i 設(shè)計這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提 供了靈活性和強大的功能，使用戶輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護和修改高性能、低成 本的測量和控制解決方案。 ( 4 ) 無縫集成 虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于 復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個測量設(shè)備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些 不同設(shè)備總是要耗費大量的時間。n i 的虛擬儀器軟件平臺為所有的i o 設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn) 的接口，幫助用戶輕松地將多個測量設(shè)備集成到單個系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。 1 3 本章小結(jié) 本章首先對本課題研究的背景、目的以及意義作了詳細(xì)的介紹，通過對國內(nèi)該領(lǐng)域 目前研究與發(fā)展?fàn)顩r的介紹，使讀者了解到本課題在技術(shù)方面的優(yōu)勢。其次，本章還簡 要介紹了虛擬儀器技術(shù)的概念、體系結(jié)構(gòu)以及該技術(shù)在未來儀器技術(shù)革新中的重要地位。 1 7 i a b v 【制環(huán)境t a 度測控統(tǒng)n 研r ；g m 第二章本測量系統(tǒng)的理論研究與設(shè)計構(gòu)思 21 非接觸式傳感器原理介紹 化纖加熱牽仲輥足化纖l 業(yè)常見的高速旋轉(zhuǎn)的部件，兒實物如圖2l 所示。要塒其 進行高精度的溫度測最，我們采州接觸，e 測量，非接觸式信號傳遞的方_ 1 = 進行。將鋪熱 電阻埋在高速旋轉(zhuǎn)的化纖加熱牽伸輥中，然后配上市1 應(yīng)的電子線路構(gòu)成復(fù)臺的旋轉(zhuǎn)傳感 器，埔過磷耦臺的方式將激勵信號傳入傳感器+ 傳感器再將代表溫度參數(shù)的狀態(tài)信息提 取后 次通過磁耦合的方式傳送給用的顯幣控制部件，從而完成了“接觸式刪節(jié)，非 接觸式信號傳遞”的整個信息傳遞過程。 211 工作原理 目2 一l 化纖加熱牽伸輥實物 如罔22 所小，其i 作的基本原理為：利h j 磁槲合將所需要的激勵信號r ( v ) 非接 觸地感應(yīng)到放扯旋轉(zhuǎn)傳感器中的無源r c 刪絡(luò)一h 成為該網(wǎng)絡(luò)的輸入信0 f ( v 1 ，其輸出 信號k ( m v ) 再垴過磁耦臺非接觸地感應(yīng)出來成為反饋信弓吃( m v ) 。后繼的顯示控制部什 對吖( m v ) 進行分析處理，再轉(zhuǎn)化成十日應(yīng)的溫度，并和給定值進行比較，從而控制被測物 的農(nóng)【鰣鹽度。 l a b v ie w 環(huán)境下溫度測控系統(tǒng)的深入研究與實現(xiàn) 非接觸式信號傳 ( 磁耦臺方式) 2 1 2 文氏選頻網(wǎng)絡(luò) 圖2 - 2 非接觸信號測量控制示意圖 無源r c 網(wǎng)絡(luò)作為復(fù)合傳感器的一部分具有選頻功能引。如圖2 - 2 所示：形( v ) 是正弦激勵信號，g o ( h z ) 為其角頻率，令k = s i nc o t ，設(shè)被測對象某一時刻溫度為 八) ，對應(yīng)鉑熱電阻的電阻值為尺又q ) ，取r 1 = r 2 礎(chǔ)7 ，則反饋信號v o = s i n ( r g t + 痧) 。 r c 網(wǎng)絡(luò)的自然頻率= 。麗1 。顯然，溫度丁( ) 和自然頻率( h z ) 呈一一對應(yīng)的 關(guān)系，而與形( v ) 和圪( m v ) 的大小無關(guān)。在整個系統(tǒng)的信息傳遞中，q ( h z ) 是 我們需要的信息，而k ( v ) 和圪( m v ) 只是信息的載體。 圖2 - 3r c 電路網(wǎng)絡(luò)8 】 由于被測對象的溫度丁( ) 是時刻變化的，我們只有把激勵信號設(shè)為掃頻信號， 通過選頻網(wǎng)絡(luò)找出溫度t ( ) ，然后和工藝所需的溫度相對照，做出控制決策。 2 2 非接觸式傳感器的頻率特性 根據(jù)圖2 - 2 所示電路，當(dāng)尺。= 尺：= r 的情況下，通過計算我們可以得到文氏選頻網(wǎng) 1 9 l a b v ie w 環(huán)境下溫度測控系統(tǒng)的深入研究與實現(xiàn) 絡(luò)的頻率特性： 剛小三羞殺 式中，= 上r c 為網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率。 2 2 1 幅頻特性 ( 2 1 ) 根據(jù)公式2 - 1 ，我們可以得到網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性( 理論值) 如圖2 4 所示。k 是正弦激 勵信號，經(jīng)過磁耦合和具有選頻特性r c 網(wǎng)絡(luò)后的反饋信號為圪。被測對象某一時刻溫 度為t 與r c 網(wǎng)絡(luò)的自然頻率q = 百1 石一一對應(yīng)。只要我們測到了，就能得到溫度t 。 圖2 4 幅度與頻率的關(guān)系 在理論上，反饋信號圪的頻率在距離哦較遠(yuǎn)時其幅值保持不變，在附近時會急速 減小，并最終在紼處變?yōu)榱?。但在實際中，由于受電路、外界噪音等的影響，在魄處圪 幅值并不為零，但仍為最小值。如圖2 5 所示： 圖2 - 5 在實際應(yīng)用中輸入輸出幅度和頻率的關(guān)系 2 0 l a b v ie w 環(huán)境下溫度測控系統(tǒng)的深入研究與實現(xiàn) 2 2 2 相頻特性 對文氏電橋的r c 無源網(wǎng)絡(luò)進一步分析，其相頻特性( 理論值) 如圖2 - 6 所示：在 = 魄處，反饋信號圪的相位將發(fā)生跳變。 j 萬2 國 國療 1 廠 一萬2 圖2 - 6 相位與頻率的關(guān)系 這提示我們可以通過鑒相的方式來找到，但實際中考慮到文氏網(wǎng)絡(luò)受旋轉(zhuǎn)變壓器 繞組電芯的影響，檢測部件的相頻特性發(fā)生了很大變化。在諧振頻率附近，相移達(dá)到了 + 一1 8 0 度。在整條相頻曲線上產(chǎn)生了多次跳躍，并在許多點相移正好等于9 0 度。在這些 點，檢測部件的輸出信號將超前或滯后輸入信號9 0 度。這時信號經(jīng)鑒相找到的點為虛假 平衡點。如圖2 - 7 所示。 2 2 3 諧振頻率的測定 _ _ _ _ ， 石2 旦 峨 1 。 r l 圖2 7 在實際應(yīng)用中相位與頻率的關(guān)系 如何測到c o 并達(dá)到相當(dāng)高的精度是我們測量設(shè)計的關(guān)鍵。我們可以通過控制采樣步 長等方法來找出他，但精度往往不高。也可以采用幅頻和相頻特性原理相結(jié)合的方式來 測量q ，這也就是現(xiàn)有基于單片機的測控系統(tǒng)所采用的方法。這里我們嘗試采用虛擬儀 2 l l a b v ie w 環(huán)境下溫度測控系統(tǒng)的深入研究與實現(xiàn) 器技術(shù)，充分利用l a b v i e w 平臺下的曲線擬合技術(shù)，對采集到的數(shù)據(jù)進行高精度擬合， 并通過擬合曲線找出最小值，從而找到。 在現(xiàn)有系統(tǒng)中，頻率的測量采用的是幅頻和相頻特性原理相結(jié)合的方式。 用單片機加d a 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生純凈正弦波基波，再用鎖相環(huán)數(shù)字頻率合成技術(shù)產(chǎn)生頻率從 小到大變化的掃頻正弦波信號k ，經(jīng)磁耦合后成為r c 網(wǎng)絡(luò)的輸入信號形，經(jīng)選頻后， 獲得反饋信號形，再經(jīng)磁耦合得到輸出信號圪。圪經(jīng)整流，a d 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量 v ( n ) 。激勵信號的加大一個步長便可獲得v ( n + 1 ) ，( i ) 繼續(xù)加大便可獲得v ( n + 2 ) 。單片 機系統(tǒng)不斷進行判斷，找出幅值最小點。如v ( n ) 、v ( n + 1 ) 和v ( n + 2 ) 的大小相仿，表示激 勵信號的( - ) 并非銘，如一旦某一時刻v ( 1 1 + 1 ) 遠(yuǎn)比v ( n ) 和v ( 1 1 + 2 ) 小，那么，在1 1 + 1 時刻 的激勵信號的頻率d 就要儲存起來，因為該頻率就有可能是r c 無源網(wǎng)絡(luò)的自然頻率 q 。但此時的也不一定是皚呢，因為測量控制系統(tǒng)處在工廠現(xiàn)場中，時刻受到各種各 樣的干擾。這些干擾的存在，會經(jīng)常產(chǎn)生瞬間最小值v ( n + 1 ) ，且滿足v ( n ) v ( n + 1 ) 以及 v ( n + 2 ) v ( n + 1 ) 的條件，但這個最小值v ( n + 1 ) 是虛假的，它對應(yīng)的( i ) 不是我們要的銘， 所以必須剔除。這個過程就要借助相頻特性來處理了。 由圖2 7 所示：在= 銘處，反饋信號圪的相位緲將發(fā)生跳變。并且相位的跳變值比 理論值大許多。我們完全可以借助于相位的跳變特性來判斷最小值v ( n + 1 ) 的真假。激勵 信號6 0 每加大一個步長，只要這個步長是恰當(dāng)?shù)男。敲丛谛牡淖筮吇蛴疫?，有? n ) 妒( n + 1 ) 緲( n + 2 ) ，即妒( n + 2 ) 一緲( n + 1 ) 一0 。當(dāng)我們獲取最小值v ( n + 1 ) 時，立 刻判斷妒( n + 2 ) 減緲( n + 1 ) 的值，如專0 ，則v ( n + 1 ) 和v ( n + 2 ) 的相位沒有發(fā)生跳變， v ( n + 1 ) 的值雖然很小，但是是虛假的，應(yīng)剔除。如v ( r 1 ) 、v ( n + 1 ) 和v ( n + 2 ) 的相位發(fā)生了 跳變，v ( n + 1 ) 才是真正的最小值。此時刻v ( n + 1 ) 的( ) 就是我們要鎖定的。一旦單片機系 統(tǒng)檢測到v ( n ) v ( n + 1 ) 且v ( n + 2 ) v ( n + 1 ) ；同時它們對應(yīng)的相位不滿足：矽( n ) 9 ( n + 1 ) 緲( n + 2 ) ，將此時刻v ( n + 1 ) 的( ) 鎖定，并存儲起來通過查表顯示相應(yīng)的溫 度。 現(xiàn)有基于單片機技術(shù)的測控系統(tǒng)諧振頻率測定方法，給了我們很好的啟示，為我們設(shè) 計基于虛擬儀器技術(shù)的測量系統(tǒng)提供了思路和依據(jù)。 2 2 l a b vle w 環(huán)境下溫度測控系統(tǒng)的深入研究與實現(xiàn) 2 3 溫度測控系統(tǒng)的改進構(gòu)思 通過對被測系統(tǒng)的分析，我在原有研究成果的基礎(chǔ)上提出了該系統(tǒng)的改進構(gòu)思和實 現(xiàn)的整體思路。【9 】 2 3 1 硬件系統(tǒng) 本系統(tǒng)需要對被測對象進行激勵，測溫以及控制，因此系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2 - 8 所 示，主要硬件有：p c 機，數(shù)據(jù)采集卡( u s b 一6 0 0 8 ) ，實驗電路板( 自己設(shè)計制作) 。在6 2 節(jié)中將詳細(xì)討論該實驗電路板。 被 叫塑壁卜_ 一 數(shù) 據(jù) 測 伺 ， 采 p c 對 集 機 象 葉磊卜 卡 圖2 8 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 由圖可知硬件系統(tǒng)的工作原理為：p c 機通過數(shù)據(jù)采集卡向測控對象發(fā)出一個掃頻信 號作為激勵信號，非接觸地耦合進傳感器中，經(jīng)過傳感器的選頻，再非接觸地耦合出來， 隨后通過采集卡采集到所需信號，并在p c 機上進行分析處理，從而得到我們所需的溫度； 之后再通過采集卡對加熱設(shè)備發(fā)送控制信號，來達(dá)到對被測對象的實時測溫與控制的目 的。 2 3 2 軟件系統(tǒng) 系統(tǒng)對采集到的信號進行分析處理的過程都是用軟件來實現(xiàn)的。本系統(tǒng)的主要軟件 實現(xiàn)工作都是在l a b v i e w 7 1 平臺下完成的。 本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計l l o i ，各模塊圖如圖2 - 9 所示： l a b v ie w 環(huán)境下溫度測控系統(tǒng)的深入研究與實現(xiàn) 圖2 9 功能模塊圖 主要控制模塊：提供用戶接口。在用戶通過鼠標(biāo)或鍵盤發(fā)出指令后，主控模塊通過統(tǒng)一調(diào) 度各功能模塊實現(xiàn)用戶意圖。本系統(tǒng)將在l a b v i e w 中定制w i n d o w s 標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)格窗口， 并將之與l a b v i e w 的虛擬儀器前面板設(shè)計風(fēng)格相結(jié)合，為用戶提供一個操作簡單、清 楚的人機交互界面，這將在6 4 節(jié)中討論。 信號發(fā)生模塊：根據(jù)系統(tǒng)功能要求，激勵信號為一掃頻信號。由于u s b 6 0 0 8 無法產(chǎn)生 需要的掃頻信號，因此，在第五章中將詳細(xì)討論具體仿真方法，來實現(xiàn)整個溫度測控功 能。 信號采樣模塊：通過該模塊實現(xiàn)對采集卡各通道設(shè)置，確定激勵信號輸出、信號采集、 控制信號輸出通道。 信號處理模塊： 該模塊主要對采集到的信號進行分析處理，得到我們所需要的信息。它 可以分為一些小得模塊：主要有濾波器模塊、幅頻分析處理模塊、相頻分析處理等模塊。 顯示模塊： 該顯示模塊主要指的是數(shù)據(jù)分析處理及對所需信息的顯示，主要包括激勵信 號及采集信號的幅頻分析、相頻分析的圖線顯示以及所需信息的數(shù)據(jù)顯示。 數(shù)據(jù)存儲模塊：通過數(shù)據(jù)存儲模塊實現(xiàn)對報警溫度數(shù)據(jù)進行保存的功能，這將在6 3 5 小節(jié)中討論。 溫度控制模塊：通過對采集卡編程，來輸出控制信號，對溫度加熱硬件進行控制，這將 在6 3 4 小節(jié)中討論。 2 4 本章小結(jié) 本章首先介紹了非接觸式傳感器的工作原理，之后對其幅頻特性和相頻特性作了詳 細(xì)的分析，同時，本章也給出了本溫度測控系統(tǒng)軟硬件的整體設(shè)計方案，并且對方案中 l a b vie w 環(huán)境下溫度測控系統(tǒng)的深入研究與實現(xiàn) 的幾個重要組成部分進行了簡單的介紹，該方案具體的實現(xiàn)方法與調(diào)試過程將在第六章 中詳細(xì)討論。 l a b v ie w 環(huán)境下溫度測控系統(tǒng)的深入研究與實現(xiàn) 第三章l a b v ie w 編程技術(shù)與數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究 虛擬儀器測控系統(tǒng)構(gòu)思完成以后，擺在我們面前的就是軟硬件的設(shè)計問題了。為了 能夠讓讀者更好地理解本文的研究，我覺得有必要介紹一下l a b v i e w 開發(fā)平臺的基本編 程技術(shù)以及數(shù)據(jù)采集方面的基本方法。 3 1l a b v ie w 開發(fā)平臺與編程技術(shù) l a b v i e w 平臺已經(jīng)成為虛擬儀器設(shè)計工程師公認(rèn)的簡易、快速設(shè)計平臺，再加上 l a b v i e w 平臺的開放式設(shè)計，使它能夠與其他專業(yè)軟件相兼容。通過協(xié)同開發(fā)，可以發(fā) 揮各個獨立軟件自身的優(yōu)勢，設(shè)計出高效的虛擬儀器系統(tǒng)軟件。 3 1 1l a b v i e w 開發(fā)平臺概述 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，實驗室虛擬儀器工 程平臺) 是美國n i 公司推出的一種圖形化的編程語言。圖形化的編程語言，又稱為“g 語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖編程。它盡可 能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念，因此，l a b v i e w 是一 個面向最終用