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1、摘 要目前的温度测量控制系统一般使用的都是传统仪器，传统仪器的功能都是通过硬件或者固化的软件来实现的，且每台仪器的功能及使用范围都是不可改变的，测试信息都是彼此孤立不开放的，不适合实验室的建设使用。而虚拟仪器是通过一定的应用程序将计算机与硬件模块结合在一起的一种全新的测控仪器系统，既具备传统仪器的基本功能，又能让用户根据自己的需求变化随时定义，实现多种多样的应用需求。本设计主要利用LabVIEW软件，设计了温度监测系统虚拟仪表。下位机信号采集部分利用热电偶来测量温度，经三运放差动放大器放大成为标准输入信号，送AD转换器转换，单片机将转换后的数据通过串口发送给上位机，上位机读取串口数据，完成字符
2、串到数字量的转换并显示。同时，系统实现了报警，数据保存等功能。论文主要介绍了该系统的总体设计方案及软件、硬件设计方案，其中包括串行通讯、数据处理、数据保存、温度的越限报警等功能，并且介绍了各部分的具体实现方法。关键词： 虚拟仪器；LabVIEW；串口通信 AbstractThe current control system of temperature measurement are generally used in traditional instruments, traditional instruments of the functions are to achieve by hard
3、ware or cured software, and function and use of each instrument is not unmodifiable. Their measured information is isolated and not opened, which isnt suitable for use of laboratory construction.The virtual instrument is a completely new measurement and controled instrumentation system which can con
4、tact computer and hardware modules together by certain application.It is not only with the basic functions of traditional instruments, but also allows users to define their needs change at any time to achieve diverse applications. In the paper, I design a temperature control virtual instruments with
5、 LabVIEW software. The paper mainly introduces the overall design of the system and software and hardware design scheme. It includes serial communications, data processing, data saving, the more limited temperature alarm and other functions. And it introduces the various parts of the concrete implem
6、entation.Keywords: Virtual instrument; LabVIEW;Serial Communication目 录1绪论11.1课题的研究目的及意义11.2课题的国内外研究现状21.3课题研究的主要内容32LabVIEW与虚拟仪器简介52.1LabVIEW的简介52.1.1LabVIEW的概念52.1.2LabVIEW的组成及功能72.1.3LabVIEW的应用现状102.2虚拟仪器系统概述112.2.1虚拟仪器的概念112.2.2虚拟仪器的主要特点122.3本章小结143温度监测系统虚拟仪表的总体设计153.1虚拟仪表实现的功能153.2虚拟仪表设计的原则153.3
7、虚拟仪表的总体设计方案163.4本章小结174下位机信号采集的硬件设计184.1下位机的硬件组成184.2单片机的基础知识194.2.1单片机能够运行起来的最小系统204.2.2定时器204.2.3串口读写224.2.4IE中断允许控制寄存器244.3A/D、D/A转换电路244.3.18位模/数转换器ADC0804244.3.28位数/模转换器DAC0832254.4电平转换电路264.5温度传感器264.6本章小结275温度监测系统虚拟仪表的软件设计285.1温度监测系统寻仪表软件总体设计285.2LabVIEW串口通信模块的设计295.2.1VISA简介295.2.2LabVIEW平台上
8、VISA常用模块简介305.2.3LabVIEW中的VISA节点函数315.2.4用VISA模块设计串口通讯335.2.5设计的基本步骤355.3越限报警模块设计355.4显示模块的设计375.5数据保存模块385.5.1LabVIEW里的数据存储文件形式385.5.2基本文件I/O功能函数395.5.3数据保存模块的设计425.6系统调试结果435.7本章小结446总结和展望456.1总结456.2展望45致 谢47参考文献48附录A：程序代码49附录B：硬件电路图52附录C：程序框图53附录D：硬件实物图54- 56 -河南理工大学毕业设计（论文）说明书1 绪论1.1 课题的研究目的及意义
9、温度是工业生产和科学研究实验中的一个非常重要的参数，物体的许多物理现象和化学性质都是和温度相关的，许多生产过程都是在一定的温度范围才能进行，需要测量温度和控制温度的场合极其的广泛。目前的温度测量控制系统中一般使用的都是传统仪器，传统仪器的功能都是通过硬件或者固化的软件来实现的。这种框架结构决定了它只能由仪器生产厂家来定义、制造，而且功能和规格一般都是固定的，用户无法随意改变其性能和结构，不适合在实验室中使用。虚拟仪器与传统仪器比较，它具有所需的硬件较少、购置费用低、可重复利用；仪器的关键在软件、可自行定义、技术更新非常快、开发与维护费用较低、系统开放、方便与外设、网络连接等一系列的优点。因此虚
10、拟仪器技术在国内外备受关注，近十年来，虚拟仪器在国际上的发展是非常迅速的，在发达国家应用已经十分普及。目前正朝着总线与驱动程序标准化；硬件、软件模块化，硬件模块即插即用；软件编程平台图形化、通用化、智能化和网络化的方向发展。传统的测控仪器是以手工操作、单台仪器独立工作、人工判断和记录分析信息为基本的设计思想，因此每台仪器的功能及使用范围是不可改变的，每台仪器的测试信息是彼此孤立不开放的。当前工业的发展对测控仪器的要求越来越高，不但要求仪器能够完成实时在线测试，而且还希望其能够适应多种多样的使用要求，例如随时可以改变检测对象、完成不同测试任务和升级换代，建立起一个可掌握生产过程信息资料，并能以监
11、测、分析、优化和控制作为手段，及时的人工决策和控制为测控系统提供依据。系统费用需求应满足用户的实际情况，并且系统功能能随未来企业发展的需要方便地提升和扩充。由此可以看出，测控领域主要面临的几大问题： （）产品更新换代的速度太快，彼此之间的兼容性较差； （）对测控系统集成入网、并能通过网络访问和交互的需求日益迫切；（）难以满足用户不同层次和不断变化的要求。目前，电子测量仪器发展中出现的虚拟仪器概念己经逐步被众多领域所接受，对实现柔性的测控系统具有明显的推动作用。利用现有的计算机和适当的仪器硬件和应用软件(如LabVIEW)构成虚拟仪器，使其既具有传统仪器的基本功能，又能让用户根据自己的需求变化随
12、时定义，实现多种多样的应用要求。虚拟仪器不但灵活可变、功能强大，而且使用简单方便，便于技术升级更新，系统的使用和维护费用极低，同时具有很高的可靠性。1.2 课题的国内外研究现状虚拟仪器目前在国外发展的速度非常快，以美国国家仪器公司(NI公司)为代表的一些厂商己经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品。近年来，世界各国的虚拟仪器公司也都开发了许多虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些公司提供的开发平台软件组建适合自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。最早和最具影响力的开发软件，是Nl公司的LabVIEW和Labwindows/CVI。LabVIEW采用的是图形化编程方案，是非
13、常实用的开发软件；Labwindows/CVl是为熟悉C语言的丌发人员设计的、在Windows环境下的标准ANSIC开发软件。除了上述的几种开发软件之外，美国HP公司的HPVEE和HPTIG软件，美国Tektronix公司的Ez.Test和Tek.TNS软件，以及美国HEM Data公司的Snap.Master软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发软件。当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括GPIB通用接口总线、传统的RS.232串行总线、PXI总线、VXI总线，以及己经被PC机广泛采用的USB总线和IEEEl394总线。世界各国的公司，特别是美国的NI公司，为使虚拟仪器能够适应各种总线的配置，
14、开发了大量的软件以及适应要求的硬件，可以灵活地组建各种不同复杂程度的虚拟仪器自动测控系统。虚拟仪器的开发厂家，为了扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数据处理、表达模式及其变换方面也做了许多工作，发布了各种软件，建立了数据处理的高级分析库和开发工具库(例如测量结果的谱分析、傅立叶变换、各种数字滤波器、卷积处理和相关函数处理、微积分、峰值和阈值检测、波形发生、回归分析、数值运算、时域和频域分析等)，使虚拟仪器发展成为能够组建极为复杂自动测试系统的仪器系统。 在国内已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器，包括复旦大学、上海交通大学、东南大学、华中科技大学、四川大学等。近几年来这些学校在原有的基础上，又开发
15、了一批新的虚拟仪器系统用于科研和教学。其中，四川大学的教师基于虚拟仪器的设计思想，研制了“航空电台二线综合测试仪”将8台仪器集于一体，组成虚拟仪器系统，使用灵活方便。清华大学汽车系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检验，主要用于检测发动机的功率特性、负荷特性等。 此外，国内己有几家企业在研制PC虚拟仪器，哈工大仪器电子有限责任公司就是其中之一，其主要产品有任意波形发生器及频率计系列、数字存储示波器系列、多通道大容量波形记录仪系列等。国内专家预测：未来几年内，我国将有50%的仪器为虚拟仪器。国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时检测。随着微型计算
16、机技术的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统仪器而成为测试仪器的主流。虚拟仪器技术的提出与发展，标志着二十一世纪自动控制与电子测量仪器领域技术发展的一个重要方向。1.3 课题研究的主要内容本文以温度为研究对象，对温度的变化进行了详细的研究，为实验室的建设提供了很好的平台。本文主要进行了一下几个方面的工作：（）论述了温度监测虚拟仪表的研究目的及意义，温度监测虚拟仪表的国内外研究现状及本课题研究的主要内容。（）简要介绍了LabVIEW的概念、组成和功能以及应用现状，又虚拟仪器的概念、主要特点等。（）温度监测虚拟仪表的设计思路及方案，对系统软件开发平台进行了选择。（）介绍了温度监测系统虚拟仪表的硬件组成及
17、个硬件的电路设计。（）介绍了温度监测系统虚拟仪表的软件设计及各个子模块的设计方案。（）对所做的工作进行了总结，对未来的研究工作做出了展望。2 LabVIEW与虚拟仪器简介2.1 LabVIEW的简介2.1.1 LabVIEW的概念LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的简称，是目前功能最强、应用最广、发展最快的图形化软件开发环境，得到了工业界和学术界的普遍认可和好评。它可以把复杂、繁琐、费时的文本语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能(图形)，用线条将各种功能(图形)连接起来的简单图
18、形编程方式，为没有编程经验的用户进行编程、调试提供了简单方便、完整的坏境和工具，尤其适合于从事科研、开发的科学家和工程技术人员使用。LabVIEW是一种虚拟仪器开发平台软件，能够以其直观简便的编程方式、众多的源代码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户能够快捷地构筑自己在实际应用中所需要的仪器系统创造了基础条件。而且LabVIEW与其它计算机语言相比，有一个特别重要的特点：其它计算机语言都是采用文本语言产生代码行，而LabVIEW采用图形化编程语言G语言，产生的程序是框图的形式，易学易用，特别适合硬件工程师、工程技术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用，可以在很短的时间内掌握并
19、应用到实践中去，特别是对于熟悉仪器结构和硬件电路的硬件工程师、工程技术人员和测试技术人员来说，编程就像设计电路图一样，因此，硬件工程师、工程技术人员和测试技术人员们在较短的时间内就能够学会并应用LabVIEW，而不必去记忆那眼花缭乱的文本式程序代码。LabVIEW是一个最终面向用户的工具，通过LabVIEW用户能够增强自己的科学和工程系统的能力，实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用LabVIEW进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。LabVIEW是一个工业标准的图形化开发环境，它结合了图形化编程方式的高性能与灵活性，以及专为测试、测量与自动化控制应用设计的高端性
20、能与配置功能，能为数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示等各种应用提供必要的开发工具1。像C和C+等其它计算机高级语言一样，LabVIEW也是一种通用编程语言，具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、GPIB、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储等，甚至还有网络功能，LabVIEW也有完善的仿真、调试工具，如设置断点、单步执行等。LabVIEW具有动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据流向及其变化情况，比其它语言的开发环境更方便、更有效。LabVIEW的运行机制从宏观上讲已经不再是传统上的冯诺依曼计算机体系结构的执行方式。传统的计算机语言中的顺序执行结构在LabVIEW
21、中被并行机制所代替：从本质上讲，它是一种图形控制流结构的数据流模式。数据流程序设计规定，一个函数只有当它的所有输入有效时才能执行；而目标的输出，只有当它的功能完成时才是有效的。也就是说，在这种数据流程序的概念中，程序的执行是数据驱动的，它不受操作系统、计算机等因素的影响，这样，LabVIEW中被连接的功能节点之间的数据流就能控制程序的执行次序，而不像文本程序受到行顺序执行的约束。从而，我们可以通过相互连接功能节点快速地开发应用程序，甚至还可以有多个数据通道同步运行。LabVIEW的核心是VI。VI有一个人机对话的用户界面，即前面板(FromPanel)和类似于源代码功能的程序图(Diagram
22、)。前面板接收来自程序图的指令。在VI的前面板中，输入控件(Controls)模拟了仪器的输入装置并把数据提供给VI的程序图，而显示控件(Indicators)模拟了仪器的输出装置并显示由程序图获得或产生的数据。当把一个输入控件或显示放置到前面板上时，LabVIEW在程序图中相应地放置了一个端El(Terminals)，这个从属于输入控件或显示控件的端口不能随意删除，只有删除它对应的输入控件或显示控件时它才随之一起被删除。用LabVIEW编制框图程序时，不必受常规程序设计语法的限制。首先，从功能菜单中选择需要的功能节点，将之置于面板上合适的位置；然后用线(Wires)连接各功能节点在程序图中的
23、端口，用来在功能节点之间传输数据，这些节点包括了简单的算术功能，高级数据采集和分析以及用来存储和检索数据的文件输入输出功能和网络功能。用LabVIEW编制出的图形化VI是分层次和模块化的，我们可以将之用于顶层程序，也可用作其它程序或子程序的子程序，显然LabVIEW依附并发展了模块化程序设计的概念。2.1.2 LabVIEW的组成及功能G语言编写的程序称为虚拟仪器VI（Virtual Instrumention），因为它的界面和功能与真实的仪器十分相像，在LabVIEW环境下开发的应用程序都被冠以.VI后缀，以表示虚拟仪器的含义。一个VI由交互式用户接口、数据流程和图标连接端口组成。各部分的功
24、能如下：（）VI的交互式用户接口因为与真实物理仪器面板相似，又称作前面板。当在启动屏幕上选择NEW NI时，屏幕上出现一个无标题的面板窗口，面板窗口显示VI的前面板，框图程序窗口用来创建VI的框图程序。前面板是用户接口，用于像程序中输入各种控制参数，并以数字或图形等各种形式输出测试结果，我们可以把它想象为传统仪器的面板，面板上自然会有表头、按钮、拨盘等各种元件。（）VI从数据框图接受指令框图是一种解决编程问题的图形化方法，实际上是VI程序代码，前面板和框图程序由一些图形化对象集组成，这些对象是LabVIEW编程元素。框图程序含有与前面板控件和指示器对应的连线端子、常数、函数、子VI、结构和把数
25、据从一个对象传送到另一个对象的线，程序框图程序的源代码，我们可以把它想象为传统仪器机箱里用来实现仪器功能的零部件。（）VI模块化特性一个VI既可以作为上层独立程序，也可以作为其他程序（或子程序）的子程序。当一个VI作为子程序时，称作SubVI，VI图标和连接端口的功能就像一个图形化参数列表，可在VI与SubVI之间传递数据。正是基于VI的上述特性，G语言最佳的实现了模块化编程思想。用户可以将一个应用分解为一系列任务，再将每个任务细分，将一个复杂的应用分解为一系列简单的子任务，为每个子任务建立一个VI，然后把这些VI组合在一起完成最终的应用程序。因为每个SubVI可以单独执行，所以很容易调试。G
26、语言是LabVIEW的核心，熟练掌握G语言的编程要素和语法规则，是开发高水平LabVIEW应用程序最重要的基础。换句话说，要真正掌握LabVIEW开发工具，必须把它作为编程语言而不仅仅是编程环境。LabVIEW尽可能的利用工程技术人员所熟悉的术语，图表和概念，是一种面向最终用户的开发工具；它可以增强工程人员建立自己的科学和工程系统的能力，可为实现仪器编程和数据采集系统提供便捷途径。作为一个完整的图形化开发平台，LabVIEW具备了一下的几个特性。 （）可读性。LabVIEW是分层结构，因此只要在一个屏幕显示其完整的顶层虚拟仪器即可，其基本的数据结构（序列、条件、While和For循环）让代码的
27、结构清晰，基于原语的数据结构的数量较少使得用户可以自定义代码结构，数据流程图的表现方式只有常识经验的人就能读懂即使最难理解的程序。（）可写性。LabVIEW可以将用户界面的源代码分开设计，即可以先创建令人满意的用户界面，然后开始创建操作用户界面的源代码，在创建界面和功能的时候可以让用户参与进来，降低了收集用户需求的成本。LabVIEW是一种分层结构语言，可以通过将程序分成许多程序块来控制复杂度，这些程序块或子VI的接口或结构都可以在分成显示中清晰的看到。（）可编辑性。面向对象编程可在不影响现有功能的情况下添加功能（通过继承来实现），但代价是可读性降低。而在LabVIEW中，控件与模板和VI模板
28、可以结合使用，利用Merge VI可以重复使用代码段，还可以使用许多标准软件包的示例软件。（）可重用行。LabVIEW提供了大量的可重用代码，所有VI都可以通过设置输入和输出端口进行定义。在LabVIEW开发环境中可以调用自己和其他人的VI程序，并像LabVIEW的内嵌功能一样方便使用，自定义的数据类型也可以进一步提高可重用性。（）可理解性。编程的过程就是解决问题的过程。在LabVIEW中，利用图形来思考可以提高头脑的抽象水平，将编程工作变得简单。正是由于LabVIEW具有以上特性，和其他文本编程语言相比，他有着独特的优势。具体如下： 简单的方案LabVIEW使用“所见即所得”的可视化技术建立
29、人机界面，提供大量仪器面板中的控制对象。并按其易用的方式将复杂的任务包装起来，是复杂任务得到简化，使用户非常容易的开发出自己的系统，并将其立即投入使用。 灵活的仪器LabVIEW可以与一般的数据采集卡及仪器设备加以组合，设计出灵活的虚拟仪器，并可以随时将仪器系统移植到最适合用户的平台上使用。方便的程序调试LabVIEW具有一些专用程序开发工具箱，可以在源代码中设置断点单步执行源代码，同时在连线上还设置探针，动态执行程序运行过程中数据流的变化。完整的开发环境LabVIEW软件包中包含了功能强大的数据采集、分析和表达的控件，还提供了具备多线程和用于最大限度提高系统性能的优化型编译器，不仅简化了开发
30、过程，还可以生成按编译速度执行的可复用代码。此外，LabVIEW还可以生产在没有LabVIEW环境的目标机器上单独运行的可执行文件。快速的开发 LabVIEW为用户提供了实现仪器编程与数据采集系统的便捷途径。通过仪器驱动程序可以与大多数仪器进行通讯，简化了仪器的控制，缩短了测试开发时间，提高了生产效率。开放的平台 LabVIEW提供了很多接口和节点，使用户能在它的平台上使用其他软件编译的模块。LabVIEW具备与多种文本类语言集成的功能，它可以和常见的C语言，MATLAB语言混编，可以让熟悉文本语言的编程人员方便地把过去的编程经验和方法集成到LabVIEW的开发中。2.1.3 LabVIEW的
31、应用现状LabVIEW广泛应用于包括自动化、通信、半导体、电路设计、航空和生产、过程控制及生物医学在内的各种工业领域中，用来提高应用系统的开发效率，这些应用涵盖了产品的研发、测试、生产到后期服务的各个环节。在系统设计中协调使用LabVIEW，共享软件及信息资源，可以节约大量的时间和金钱。LabVIEW的应用大致可分为以下几个主要方面：（）应用于生产检测LabVIEW已经成为用于测试测量领域的工业标准化开发工具。LabVIEW结合NITestStand测试执行环境和该领域中最大的仪器驱动程序库，为整个系统建立稳固完整的检测管理平台。（）应用于研究与分析在汽车、能源研究和其它众多工业领域的应用系统
32、中进行实时数据的分析和处理、对于图像处理、时频分析、小波和数字滤波的应用系统中均可用到LabVIEW，LabVIEW特别提供各种附加工具包以加速系统的开发。（）应用于过程控制和工厂自动化可用LabVIEW来建立过程控制和工业自动化应用系统。在LabVIEW平台下，可以实现多通道的高速测量和控制，对于大型复杂的工业自动化和控制系统，有专门的LabVIEW数据记录和监控模块，用于监控多通道I/O、与工业控制器和网络进行通信，以及提供基于计算机的控制。（）应用于机器监控对于要求有实时控制、视觉和图像分析或运动控制的机器监视和预先维护的应用系统，LabVIEW是理想的选择。LabVIEW系列产品，包括
33、用于可靠性、确定性控制的实时LabVIEW软件(LabVIEW RT)，能够快速、准确的建立起功能强大的机器监视和自动控制应用程序。（）应用于测控系统LabVIEW有着强大的功能和广阔的应用前景，但就目前国内的现状来看，大多数的用户还是把LabVIEW作为虚拟仪器，仅仅利用它来进行数据的处理、分析和显示，忽略了LabVIEW强大的数据采集和控制功能，特别是基于PC机的实时控制，在国内应用较少。2.2 虚拟仪器系统概述随着计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术的飞速发展，仪器技术领域发生了巨大的变化。从最初的模拟仪器到现在的数字化仪器、嵌入式系统仪器和智能仪器；新的测试理论、测试方法不断应用于
34、实践；新的测试领域随着学科门类的交叉发展而不断涌现；仪器结构也随着设计思想的更新而不断发展。仪器技术领域的各种创新积累使现代测量仪器的性能发生了质的飞跃，导致了仪器的概念和形式发生了突破性的变化，出现了一种全新的仪器概念虚拟仪器。虚拟仪器把计算机技术、电子技术、传感器技术、信号处理技术、软件技术结合起来，除继承传统仪器的已有功能外，还增加了许多传统仪器所不能及的先进功能。虚拟仪器的最大特点是其灵活性，用户在使用过程中可以根据需要添加或删除仪器功能，以满足各种需求和各种环境，并且能充分利用计算机丰富的软硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、表达、传送以及存储方面的限制。2.2.1 虚拟仪器的概念国
35、外专家从不同角度描述了虚拟仪器。总的来说，虚拟仪器（Virtual Instrument）是指通过应用程序将计算机与功能化模块结合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的仪器一样，从而完成对被测量数据的采集、分析、处理、显示、存储和打印。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出监测结果：利用计算机强大的软件功能实现信号的运算、分析和处理；利用I/O接口设备完成信号的采集与调理，从而完成各种测试功能的计算机测试系统，使用者用鼠标或键盘操作虚拟界面，就如同使用一台专用测量仪器一样。因此，虚拟仪器的出现使测量仪器与
36、计算机的界限模糊了。虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两方面的含义：（）虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的：由各种开关、按钮、显示器等图标实现仪器电源的“通”、“断”，实现被测信号的“输入通道”、“放大倍数”等参数的设置，以及实现测量结果的“数值显示”、“波形显示”等。传统仪器面板上的器件都是实物，而且是由手动和触摸进行操作的；虚拟仪器前面板是外形与实物相像的“图标”，每个图标的“通”、“断”、“放大”等动作通过用户操作计算机鼠标或键盘来完成。因此，设计虚拟仪器前面板就是在前面板设计窗口中摆放所需的图标，然后对图标的属性进行设置。（）虚拟仪器测量功能
37、是通过对图形化软件流程图的变成来实现的，虚拟仪器是在以PC机为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器功能的。因为可以通过不同测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能，所以在硬件平台确定后，就有“软件就是仪器”的说法。这也体现了测试技术与计算机深层次的结合。2.2.2 虚拟仪器的主要特点虚拟仪器是计算机技术介入仪器领域所形成的一种新型的富有生命力的仪器种类。与传统仪器相比，虚拟仪器的主要特点可以概括为以下几个方面：（）强调“软件就是仪器”的新概念，取代传统仪器“硬件为主体”的概念。软件在仪器中充当了以往由硬件甚至整机来实现的角色，软件是虚拟仪器的核心，而虚拟仪器中的硬件仅仅是为了解决信
38、号的输入、输出，这是虚拟仪器相对于传统仪器，在概念上的重大突破。虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于软件，用户可根据需要，将先进的处理算法、人工智能或者专家系统应用于仪器的设计与集成，从而将仪器的水平提高到一个新的层次，而且，虚拟仪器充分利用了计算机丰富的图形用户界面资源，建立图形化软面板来代替常规的仪器控制面板，真正做到界面友好、人机交互。 （）虚拟仪器的功能可由用户定义，虚拟仪器的功能可在用户机上产生，从而使得仪器不再完全由硬件决定，彻底打破了传统仪器一经设计、制造完成后，其功能不可改变的单一性、封闭性。当需要时，用户可通过软件编程添加新的功能，而不必购买新的仪器，使得一台虚拟仪器可以
39、实现各种仪器的不同功能，大大提高了仪器功能的灵活性。 （）易于构建网络化的测量仪器，虚拟仪器基于计算机网络技术和接口技术，具有灵活、方便的互联性，能与网络及其他周边设备互联。随着网络技术的发展，已经形成网络虚拟仪器，它是一种基于Web技术的新型虚拟仪器，使得虚拟仪器成为Internet的一部分，可方便地构建远程自动测控系统，实现测量、控制过程的网络化。（）虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准，而且采用了模块化结构，系统具有良好的开放性和扩展性。系统必需的基本硬件，如数据采集电路等被高度集成，制成数据采集卡，实现硬件模块的即插即用。系统软件的开发是基于模块化的设计思想，并大量运用函数库、动态
40、链接库和类库，代码具有良好的可重复性。虚拟仪器利用软件，选配一个或几个带有共性的基码具有良好的可重复性。虚拟仪器利用软件，选配一个或几个带有共性的基本仪器硬件来组成一个通用硬件平台，通过调用不同的软件来扩展或组成各种功能的仪器或系统，由于虚拟仪器具有标准性、开放性和模块化结构，用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准，提高可重复利用率。系统组建时间缩短，功能易于扩展，软硬件生产、维护和开发的费用降低。2.3 本章小结本章主要介绍了LabVIEW及虚拟仪器的相关知识。LabVIEW是虚拟仪器的软件开发平台，是NI公司提供的图形化编程语言，介绍了它的特点及应用，有介绍了虚拟仪器的概念、特
41、点、组成等内容。3 温度监测系统虚拟仪表的总体设计3.1 虚拟仪表实现的功能本文主要是介绍基于实验室建设的温度监测系统虚拟仪表，给实验室提供了很好的发展平台，节省了很多资金。基于LabVIEW的虚拟仪表有很好的兼容性，模块化的设计有很容易读懂，并且可扩展性能较好，易于开发和维护。此炉温控虚拟仪表统主要实现下面的几种功能：（）实现单片机与计算机的串口通信，可以及时的将温度数据传送给计算机。（）可以显示测试和控制的参数，例如测试的时间、设定的温度、当前的温度等，当温度超出某个范围时进行报警等。（）测试的结果通过计算机反送给单片机，给单片机相应的电信号，以便更好的利用实验结果。（）能够实现测试结果的
42、数据保存，将采集到的数据以.TXT的形式保存起来，以便于以后的应用。3.2 虚拟仪表设计的原则本文研究的基于LabVIEW的温度测控系统虚拟仪表，要想得到比较好的实验效果，首先要对虚拟仪表进行总体设计。在设计的过程中主要考虑一下几个原则：（）从整体到部分的设计原则首先把一个复杂的系统分解为若干个相对独立、简单、容易实现的几个部分，再把这几个部分分解为实现不同具体功能的模块，采用模块化的设计思想，分别对各个模块进行设计，然后再进行综合进而完成整个系统的设计。本文所设计的基于LabVIEW的温度监测系统虚拟仪表分成多个模块进行设计，正是考虑了从整体到部分的设计原则。（）可扩展性原则一个较好的系统应
43、该有很好的扩展性，当使用者需要增加系统的功能或者需要改善系统的功能时，系统的可扩展性就显得很重要了。如果只需要对系统中的软件部分作一定的修改，系统的功能就会加强或者会增加一些新的功能，那么该系统就有较好的可扩展性。本文所讨论的基于LabVIEW的温度监测虚拟仪表就具有很好的可扩展性。（）经济性原则在设计一个系统时，较高的性价比是系统设计和开发需要重视的。在满足性能指标的前提下，应尽可能的采用易实现并且简洁、实用的方案，因为方案简洁意味着所用环节较少，可靠性较高，而且比较经济。此外，在考虑经济性原则时，除造价外还应考虑使用期间的运转费、维护费等，还要综合考虑后才能评估出真正的经济效果，从而选出最
44、佳的设计方案。本论文所开发的基于LabVIEW的温度监测系统虚拟仪表，采用计算机机与单片机所构成的虚拟仪器系统，正是由于此系统成本低。（）易操作性原则 在温度监测系统虚拟仪表的设计开发时，应考虑系统操作的难易程度，尽量使系统的操作简单，人机界面友好，以降低对操作人员的专业知识的要求。3.3 虚拟仪表的总体设计方案在本系统的设计过程中，根据从总体到局部的设计原则以及对系统的功能分析，将整个系统分解为实现不同功能的几个部分，然后分别对每个部分进行设计。为了实现温度监测系统虚拟仪表的各项具体功能，可以将系统分解为上位机和下位机两个部分。其中上位机是装有LabVIEW软件的计算机，而下位机是单片机及外
45、围电路组成的小系统。这两部分是通过计算机的串口进行通信的。其中上位机部分主要完成数据显示及存储，越限报警及人及交互操作界面的生成，下位机部分主要完成温度信号的采集及输出。3.4 本章小结本章主要讨论了温度监测系统虚拟仪表的总体设计方案，首先阐述了系统的总体设计原则，也就是从整体到部分的设计思想，在系统设计中要综合考虑系统的经济性、可扩展性及易操作性等性能指标，再根据系统的实际情况提出本系统的总体设计方案。根据系统的主要功能将系统分解为两大部分，即上位机部分和下位机部分，又对这两部分分别进行设计，这两部分是通过计算机的串口进行通信的。4 下位机信号采集的硬件设计4.1 下位机的硬件组成一般温度的
46、测量都是由热电偶或热电阻来实现的，再动过电桥转换电路、差动运算放大器转换为标准的输入量，本设计直接给上位机传送0V-5V的电压，经A/D转换后，传送给上位机。系统的硬件组成框图，如图4-1所示由以下几个部分组成：装有LabVIEW软件的计算机，AT98S52单片机，电平转换电路MAX232，ADC0804，DAC0832。系统硬件组成框图4-2所示。由硬件电路产生一个电压信号，然后通过计算机的串口将数据传送给计算机，在计算机上运行的LabVIEW程序对输入的信号进行分析、处理，并将数据显示在计算机上，同时LabVIEW是否传送给一个数字信号给单片机，根据硬件电路板上二极管的明、亮来判断收到的信
47、号。图4-1系统硬件组成图4.2 单片机的基础知识图4-2 单片机管脚分布图本实验中涉及单片机控制A/D、D/A转换器，串口的读取和发送，定时器的使用，因此我们首先简单介绍一下与本实验相关的单片机的引脚功能，以最常见的STC89C51为例，其采用40引脚双列直插DIP封装形式，如图4-2所示。其中与本设计相关的管脚：I/O口：四个8位并行I/O口P0-P4，既可用作输入，也可用作输出。注意P0口为8位三态、双向的，无上拉电阻，必须加10k的上拉电阻，P1-P3为准双向，内有上拉电阻，单片机读入数据时，先写高电平“1”，CPU才能读取该口的状态；在本设计中我们使用P1口作为AD转换器的数字量输出端，P0口作为DA换器的数字量输入复用端。P3.3、P3.4、P3.5、P3.6、P3.7分别作为DA信号端、AD写信号端、AD读信号端使用。P3口中两引脚第二功能：P3.0：RXD串行口输入；P3.1：TXD串行口输出。管脚9（RST/VPD）：复位管脚，2个机器周期高电平有效，即24个振荡时钟周期即可，工作时0.5V。管脚18和管脚19（XTAL1，XTAL2）：外部晶振的输入端；管脚20（VSS）：