虛擬儀器實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、虛 擬 儀 器實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院二 OO 三年六月、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私馓摂M儀器軟件LabVIEW的基本特點(diǎn)；以房間空調(diào)器焓差法實(shí)驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控軟件作為應(yīng)用實(shí)例，了解LabVIEW測(cè)控軟件的組成、模塊功能和系統(tǒng)的基本測(cè)試方法。二、實(shí)驗(yàn)要求1. 了解房間空調(diào)器焓差法實(shí)驗(yàn)臺(tái)LabVIEW測(cè)控軟件的前面板的界面功能2. 了解房間空調(diào)器焓差法實(shí)驗(yàn)臺(tái)LabVIEW測(cè)控軟件的主要功能模塊的框圖程序3. 初步掌握房間空調(diào)器焓差法實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)控軟件的使用方法三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1虛擬儀器軟件LabVIEW的基本特點(diǎn)2房間空調(diào)器焓差法實(shí)驗(yàn)臺(tái)LabVIEW測(cè)控軟件的組成3房間空調(diào)器焓差法實(shí)驗(yàn)臺(tái)LabVIEW測(cè)控軟件的模

2、塊功能4. 房間空調(diào)器焓差法實(shí)驗(yàn)臺(tái)的系統(tǒng)測(cè)試方法四、實(shí)驗(yàn)步驟1 了解虛擬儀器系統(tǒng)軟件LabVIEW的基本特點(diǎn)虛擬儀器(Virtual Instrumentation )通常是指具有虛擬面板的個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器。虛擬面板上有與 真實(shí)儀器相同功能的虛擬開關(guān)、按鍵和旋鈕等。用戶通過友好的圖形界面來操作儀器，從而完成對(duì) 測(cè)量信號(hào)的采集、分析、判斷、顯示和數(shù)據(jù)存取等。表1傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的差異傳統(tǒng)儀器虛擬儀器1.測(cè)控功能由廠家定義1 測(cè)控功能由用戶定義2 功能特定，提供有限的連接性2 與網(wǎng)絡(luò)、周邊連接方便3以硬件為主3 .以軟件為主4 性能價(jià)格比低4性能價(jià)格比高，重用性高5開發(fā)與維修費(fèi)高5 開發(fā)與維修費(fèi)用

3、低6 性能提升演進(jìn)緩慢6 .快速性能演進(jìn)7 開發(fā)周期長7 開發(fā)周期短8數(shù)據(jù)記錄容量有限8 具有幾乎無限的數(shù)據(jù)記錄容量9.系統(tǒng)封閉、固定9 系統(tǒng)擴(kuò)展靈活，易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化LabVIEW ( Laboratory Virtual Instrument Engineering )是 Nl (National Instrument )公司開發(fā)的一種多用于科學(xué)計(jì)算、過程控制、測(cè)試領(lǐng)域的編譯型圖形編程語言。它主要的特色是采用了工程技術(shù)人員所熟悉的控件、圖標(biāo)等圖形化符號(hào)來代替常規(guī)的文字編程，不僅可避免記憶繁瑣的指令和繁 瑣的人機(jī)界面設(shè)定細(xì)節(jié)與控制系統(tǒng)規(guī)劃流程等問題，又可縮短學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)時(shí)間，因而它的使用者不需 要很

4、多的軟件編程工作經(jīng)驗(yàn)。其次，它擁有豐富的函數(shù)及子程序庫，并且還有極人性化的除錯(cuò)功能來幫助修正程式。LabVIEW 開發(fā)的應(yīng)程序以 VI為基本單位，可以將一個(gè)設(shè)計(jì)成果( VI )定義成一 個(gè)子程式(SubVI),以方便在另一個(gè)相關(guān)程式設(shè)計(jì)內(nèi)重復(fù)調(diào)用，所以LabVIEW是一種適合于科學(xué)家和工程師使用的開發(fā)平臺(tái)。LabVIEW 主要由三大部分組成，它們分別是前置面板(front panel)、程式框圖(block diagram)以及圖標(biāo)/連接器(icon/connector )。2. 房間空調(diào)器焓差法實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)LabVIEW測(cè)控軟件的組成房間空調(diào)器焓差法實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)LabVIEW測(cè)控軟件本軟件的主界面如

5、圖1所示。圖1 軟件主界面本測(cè)控軟件的功能模塊如圖2 所示圖2 軟件模塊構(gòu)成3. 房間空調(diào)器焓差法實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)LabVIEW測(cè)控軟件的模塊功能3.1數(shù)據(jù)通信模塊該模塊是整個(gè)測(cè)控軟件系統(tǒng)的核心部分，其負(fù)責(zé)程序與下位機(jī)的通信。上位機(jī)能否與下位機(jī)或 數(shù)據(jù)采集設(shè)備正常通信直接關(guān)系到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。如果不能采集到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，接下來的計(jì)算、顯 示、存儲(chǔ)等模塊會(huì)變得毫無意義。本測(cè)控系統(tǒng)使用 RS-232（標(biāo)準(zhǔn)串行接口總線）和GPIB （通用接口總線）與外部?jī)x器通信及控制外部?jī)x器。串口通信串口（ RS-232）是PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。它用于數(shù)據(jù)的串行傳輸。其特點(diǎn)是開發(fā)和應(yīng)用簡(jiǎn)單，在 通信距離較近，數(shù)據(jù)傳輸率要求不高的情

6、況下，可以直接采用。串口通信子模塊采用Seque nee （順序）結(jié)構(gòu)編寫，首先利用Serial Port In it節(jié)點(diǎn)初始化串口，設(shè)置串口參數(shù)；其次，應(yīng)用 Serial Port Write節(jié)點(diǎn)向數(shù)據(jù)采集設(shè)備發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器語言（SCPI ）指令； 為了確保數(shù)據(jù)采集設(shè)備能將數(shù)據(jù)全部送回計(jì)算機(jī)中，在指令發(fā)送完成后加一個(gè)延時(shí)；最后，程序用Serial port Read節(jié)點(diǎn)將數(shù)采設(shè)備返回的數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)上顯示。其程序框圖如圖3、圖4所示。0.2傑卜 口匚口 口匚口ILJLiLILJiJLJLILJLJLILiLILJLJLJLIDLJLIlJULJLJIJLIiJLJLIlJLILJiJiJLIL

7、iLJLJIJLILJ 匸*5#圖4讀返回?cái)?shù)據(jù)#（GPIB）標(biāo)準(zhǔn)。GPIBAddressWriteTIB thri te)eii 口 etdi口 口口 ci 口 口 d口 rrang-E 口 口 口 口 口 口 口 pffeIrite StatmGPIB通信I960年末，Hewlett Packard開發(fā)出了連接和控制可編程儀器連線的通用接口總線GPIB提供了管理通信時(shí)的許多必要規(guī)范和協(xié)議。通過特別的協(xié)議。GPIB可以采用握手方式將由別的計(jì)算機(jī)或儀器采集的數(shù)據(jù)引入計(jì)算機(jī)。GPIB具有高達(dá)1MB/S的數(shù)據(jù)傳輸速率，在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。GPIB通信子模塊同樣采用 Squenee（順序）結(jié)構(gòu)編寫

8、，首先，運(yùn)用GPIB Write節(jié)點(diǎn)向儀器發(fā)送 SCPI 指令，同時(shí)規(guī)定了操作溢出時(shí)間；其次運(yùn)用GPIB Read節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)從儀器中返回到計(jì)算機(jī)中。其程序框圖如圖5、圖6所示. ci 軻 口. -1 一卜口 6# 圖5 GPIB寫指令#二畫“d StatusCharaeters ReadReadGFIBAddress# bytes to rt&dinod&timeoutji 口口 口 口 圖6 GPIB寫指令3.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊為了記錄實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)以便今后的調(diào)用和查詢，系統(tǒng)需要將數(shù)據(jù)保存起來。數(shù)據(jù)保存一般采用數(shù)據(jù)庫方式，但為了簡(jiǎn)單實(shí)用，決定采用電子表格形式。所謂的電子表格，指的是每行用換行符結(jié)束

9、，每列之間用 TAB分隔的文件。它可以用任何一個(gè)文本編輯器打開，也可使用Microsoft Excel打開，具有很強(qiáng)的通用性。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用open/create/replace file節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)電子表格（*.exl ）文件，然后將二維數(shù)#7所示。組數(shù)據(jù)通過write to spreadsheet file節(jié)點(diǎn)寫到創(chuàng)建好的電子表格文件中。其程序框圖如圖圖7存電子表格數(shù)據(jù)7#3.3數(shù)據(jù)顯示模塊從數(shù)據(jù)通信模塊中采集的數(shù)據(jù)在這個(gè)模塊中被處理和顯示給用戶。數(shù)據(jù)有兩種顯示方式一一曲線式和儀表式。曲線圖可以實(shí)時(shí)地反映出數(shù)據(jù)的波動(dòng)和趨勢(shì)，儀表則更為生動(dòng)和形象。程序中通過使用一個(gè)Tab控件來實(shí)現(xiàn)在不同查

10、看方式之間的切換。Tab控件又稱頁式控件，可以將功能函數(shù)有機(jī)地歸類，組合到一起。它的實(shí)質(zhì)是通過一個(gè)CASE結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)選擇的。在實(shí)際開發(fā)過程中，沒有必要采用將數(shù)據(jù)傳入該結(jié)構(gòu)的方法，也沒有必要將相應(yīng)的控件加到 這個(gè)結(jié)構(gòu)中，否則在某一時(shí)刻下，用戶只能控制幾個(gè)控件中的某一個(gè)。為了防止數(shù)據(jù)的丟失，使程序結(jié)構(gòu)更為清晰，在每個(gè)條件框圖中加入當(dāng)前不顯示的控件的本地變量來取得數(shù)據(jù)上的同步。這樣的做法，雖然會(huì)增大內(nèi)存的開銷和冗余，不利于程序的效率的提高，但是由于要用到本地變量的采樣點(diǎn)不多，且計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的配置高，完全可以滿足系統(tǒng)的運(yùn)行要求。3.4數(shù)據(jù)分析計(jì)算模塊數(shù)據(jù)分析計(jì)算模塊是測(cè)控系統(tǒng)的重要組成部分，它能對(duì)所采集

11、的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算。本測(cè)控系統(tǒng)的主要采樣點(diǎn)有室內(nèi)干球溫度、室內(nèi)濕球溫度、室外干球溫度、室外濕球溫度、出 風(fēng)口干球溫度、靜壓和靜壓差等。本模塊利用這些數(shù)據(jù)根據(jù)焓差法空調(diào)能力計(jì)算公式進(jìn)行冷量、風(fēng) 量及熱泵制熱量的計(jì)算，并根據(jù)這些計(jì)算值來斷定被測(cè)空調(diào)性能的優(yōu)良。為了使程序的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，計(jì)算模塊采用公式節(jié)點(diǎn)(Formula Node)編寫。公式節(jié)點(diǎn)是一種結(jié)構(gòu)，允許用戶使用類似于多數(shù)文本編程語言的句法，編寫一個(gè)或多個(gè)代數(shù)公式。顯然這比用復(fù)雜的 框圖模型來得簡(jiǎn)單。圖 8是空調(diào)器制冷量計(jì)算的框圖程序。程序運(yùn)用采集模塊中采集到的出風(fēng)干球 溫度、出風(fēng)濕球溫度、靜壓、靜壓差、大氣壓等基本參數(shù)，通過調(diào)用焓值計(jì)算子

12、程序計(jì)算出焓值、 風(fēng)量、絕對(duì)濕度等中間值。這些中間值作為公式節(jié)點(diǎn)的輸入變量，出現(xiàn)在公式節(jié)點(diǎn)的左邊框上；公 式節(jié)點(diǎn)的主體部分便是相關(guān)的計(jì)算公式；其右邊框上出現(xiàn)的是經(jīng)過計(jì)算的輸出結(jié)果，也就是空調(diào)器 的制冷量。3.5打印模塊如今的測(cè)控軟件，打印模塊已成為其必不可少的部分。打印模塊以所見即所得的方式打印曲線。打印的方式有兩種：曲線打印和表格打印。其框圖分別如圖9、圖10所示。#1m3LELU-g31-pfii n-CA-h-.- qlu 哥rfs丄3.Z;- 、*湧冋tftl?曲芝88- CL+Tt?二+e.?淇忌舊tQECreL91#S5*= +h_ M -?弄些！*年 UQC6+-3棗rd片3丄二

13、皂 osqne- =+口二十已】國 9SB+7EP料凜血I.Irqw Header.Fbil*!Hl Ur R FolumoHA汕 derl/lEJ1X1 i1 、_11!34. 了解房間空調(diào)器焓差法實(shí)驗(yàn)臺(tái)的系統(tǒng)測(cè)試方法房間空調(diào)器焓差法實(shí)驗(yàn)臺(tái)利用美國吉時(shí)利（ keithley）公司的2700型數(shù)據(jù)采集儀作為測(cè)控系統(tǒng)的下位機(jī)。2700為一臺(tái)六位半高性能數(shù)字多用表 /數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以測(cè)直流、交流電壓/電流、2線/4線電阻、熱電偶、熱敏電阻和4線RTD測(cè)溫，也可以測(cè)頻率、周期和導(dǎo)通。2700后面板有2個(gè)插槽，可插入7700系列的各種模塊。本次的兩個(gè)模塊分別是 7700和7702。 7700開關(guān)模塊

14、具有20路雙刀輸入通道可用于電壓、電阻、頻率、周期和溫度的測(cè)量，同時(shí)還提供2路電流通道。7702開關(guān)模塊具有40個(gè)通道，同時(shí)也有 2路電流通道。模塊上任何一個(gè)閉合或掃描 的通道可由2700來進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于掃描方式，每一通道可分別定義測(cè)量功能，量程及分辨率等參數(shù)。這兩個(gè)開關(guān)模塊均可以直接接各種傳感器，進(jìn)行相關(guān)測(cè)量。同時(shí)2700后面板有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的通信接口：標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口 （ RS-232）和通用接口總線（GPIB ）。這就為軟件提供了一個(gè)真實(shí)的數(shù)據(jù)源。這就能對(duì)整個(gè)軟件的性能作一次全面的檢測(cè)。4.1通訊模塊測(cè)試在進(jìn)行測(cè)試前，要將計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集儀正確連接，確保通信端口及通信總線完好。然后在儀器的前

15、面板選擇一通信方式，進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)設(shè)置。以串行通信為例，在2700的前面板上按SHIFT 鍵，再按ENTER鍵，這樣就進(jìn)入了串行通信方式界面，運(yùn)用左右及上下方向鍵使能串行通信，即 使RS-232處于“ ON”狀態(tài)。接下來進(jìn)行串口參數(shù)設(shè)置：出現(xiàn)設(shè)置波特率的畫面，運(yùn)用上下及左右方向鍵選擇一波特率，波特率中為300、600、1200、2400、4800、9600、19.2K,儀器的默認(rèn)值為 4800。按ENTER鍵結(jié)束；出現(xiàn)流量控制畫面，同樣運(yùn)用方向鍵選擇一種流量控制的方式。測(cè)試時(shí)采用“XonXoff ”方式，按ENTER鍵結(jié)束；出現(xiàn)結(jié)束符設(shè)置畫面， 結(jié)束符有“CR”（回車）、“ LF”（換行）、“

16、 CRLF ”（回車+換行）和“LFCR ” （換行+回車）四種方式。測(cè)試時(shí)用“LFCR ”的方式，按ENTER鍵結(jié)束參數(shù)設(shè)置。完成儀器串口參數(shù)設(shè)置后，在軟件中也要對(duì)串口進(jìn)行初始化，波特率、流量控制等參數(shù)要與儀 器的設(shè)置一致，同時(shí)軟件中的串口號(hào)要與實(shí)際在用的串口一致。串口的初始化主要由串行初始化節(jié) 點(diǎn)完成，如圖4.1所示。stop bits 仆 1 bi*.“no parity flow control etc.SERIAL圖4. 1串口初始化當(dāng)軟件和硬件設(shè)置都完成后，點(diǎn)運(yùn)行箭頭，程序開始數(shù)據(jù)采集。采集到的數(shù)據(jù)可以很好地顯示 在界面上，曲線也能實(shí)時(shí)繪制。 GPIB 通信也可以采用同樣的方法進(jìn)行測(cè)試。4.2 數(shù)據(jù)分析模塊測(cè)試在測(cè)試該模塊功能時(shí)， 并不需要用真實(shí)的數(shù)據(jù)源， 只要用軟件人作一個(gè)信號(hào)發(fā)生器來模仿即可。 或者使用最原始的辦法手算。將輸入?yún)?shù)輸入控件，運(yùn)行該子程序，將輸出的結(jié)果與手算的結(jié)果 作比較。經(jīng)過測(cè)試，程序能夠進(jìn)行正確地計(jì)算。綜上所述，系統(tǒng)具有以下功能： 對(duì)實(shí)驗(yàn)過程實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)與多窗口界面顯示；能對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的各點(diǎn)溫度、濕度、壓力、流量進(jìn)行 瞬時(shí)自動(dòng)檢測(cè)、計(jì)算與顯示，并能以文本、表格、儀表和曲線等多種方式進(jìn)行顯示；能及時(shí)保存各 項(xiàng)數(shù)據(jù)，并能對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、打?。荒芡ㄟ^串行口數(shù)據(jù)采集儀、 PLC 及其它智能儀表進(jìn)行通 訊；4.能對(duì)各個(gè)采集點(diǎn)進(jìn)行冷熱量、風(fēng)量、能