基于LabVIEW温度监测虚拟仪器设计课程设计.docx

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基于LabVIEW温度监测虚拟仪器设计课程设计

摘要：

4

1.虚拟仪器5

1.1虚拟仪器概述5

1.2虚拟仪器的通用仪器硬件平台7

1.3虚拟仪器的软件层次结构7

2.LaVIEW的程序构成与模块简介9

2.1前面板9

2.2程序框图10

3.设计要求及设计方案10

3.1设计要求10

3.2设计方案10

4.设计内容11

4.1基于虚拟仪器的数据采集设计11

4.2基于虚拟仪器的温度检测设计11

4.3显示及记录软件设计12

 5.程序的运行与调试13

5.1程序的运行13

5.2程序调试技术14

5.3运行结果15

5.4总程序框图16

6.设计体会17

7.参考文献18

摘要：

虚拟仪器（virtualinstrumention）是基于计算机的仪器。

计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。

虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。

目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。

LabVIEW（LaboratoryVirtualinstrumentEngineering）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。

 LabVIEW开发环境集成了工程师和科学家快速构建各种应用所需的所有工具，旨在帮助工程师和科学家解决问题、提高生产力和不断创新。

随着科学技术的发展，人们在监控与监测生产过程、居住环境、生活质量等过程中，制造了各种各样科学仪器。

本文设计就是建立在VI基础上，在此平台上完成对温度实时监测。

关键词：

虚拟仪器LaVIEW温度监测

1.虚拟仪器

1.1虚拟仪器概述

虚拟仪器，是一种以计算机和测试模块的硬件为基础、以计算机软件为核心所构成的，并且在计算机显示屏幕上虚拟的仪器面板，以及由计算机所完成的仪器功能，都可由用户软件来定义的计算机仪器。

与传统仪器相比，虚拟仪器有以下特点。

1.仪器功能方面：

（1）虚拟仪器是一种创新的计算机仪器，而非一种传统意义上的具体的仪器，它是一种功能意义上而非物理意义上的仪器，仪器功能可由用户软件定义，柔性结构，灵活组态，给了用户一个充分发挥自己能力和想象力的空间。

（2）一台计算机被设计成多台不同功能的测量仪器，能集多种功能于一体，构成多功能和多用途的综合仪器，极大地丰富和增强了传统仪器的功能。

（3）由于计算机有极其丰富的软件资源，极高的运算速度和庞大的存储空间，对测量数据有强大的分析和处理能力，可以进行快捷、实时的处理，也可以将数据存储起来，以供需要时调出分析之用。

这种能力所引伸出的仪器功能，在传统仪器中是不可能具有的。

2.用户界面方面：

（1）友好的人机交互界面使仪器的使用操作十分简便，图形化的用户界面形象、美观，可以方便地由用户自己定义，使之更具个性化。

（2）功能复杂的仪器面板，可以划分成几个分面板，这样在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化和面板布置的简洁化，从而提高操作的正确性与便捷性。

（3）软面板上虚拟的显示器件和操作元件的种类与形式不受“标准件”和“加工工艺”的限制，通过编程可随时从库中取用，可根据用户认知要求和操作要求来进行面板设计，具有极大灵活性和创新性。

3.系统集成方面：

（1）由于虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准，基于计算机的开放式标准体系结构，用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到一个标准上来，提高了资源的可重复利用率，可根据需要选用不同厂家的产品，可以随心所欲地集成一个满足复杂测试要求的虚拟仪器系统，其开发技术难度低、效率高、周期短、成本低。

（2）基于标准化的计算机总线和仪器总线，仪器硬件实现了模块化、系列化，大大方便了系统集成，缩小了系统尺寸，提高了系统的工作速度，加之软件的标准化和互换性，可方便地组建小型化、多用途、高性能的即插即用的模块化仪器系统。

（3）基于计算机网络技术的虚拟仪器网络化技术，广泛支持各种网络标准，可实现方便灵活的互连，可以通过高速计算机网络组建一个大型的分布式测试系统，即构成网络化的集成系统，进行远程测试、监控与故障诊断。

决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于“虚拟仪器的关键是软件”。

虚拟仪器的构成如图1.1所示。

图1.1虚拟仪器的构成

1.2虚拟仪器的通用仪器硬件平台

根据测试的基本要求，作为通用硬件平台应具备两种基本仪器的功能：

①采集信号，构成各种信号检测仪器；②产生信号，构成各种信号发生器。

或者两者同时兼而有之。

因此，外围硬件设备的基本功能结构应以实现A/D转换和D/A转换功能为核心，再配备适当的前端信号调理，数据存储、数字I/O等功能，共同完成虚拟仪器的信号采集、产生和控制功能。

1.3虚拟仪器的软件层次结构

虚拟仪器软件系统是一个包含了从底层硬件操作的仪器接口到上层软面板操作的人机接口，即包含从I/O接口层到应用层的一个完整系统。

为了简化系统开发和应用，实现系统的开放性和互换性，把整个软件系统划分成为层次化结构，并对各层进行了定义和规范。

根据虚拟仪器软件结构规范的定义，从底层到顶层，虚拟仪器系统的软件结构由I/O接口层、仪器驱动层和应用软件层三个层次构成。

1、I/O接口层（VISA库）

I/O接口软件位于仪器设备（即I/O接口设备）与仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器寄存器进行直接存取数据操作，并为仪器设备与仪器驱动程序提供信息传递的底层软件，是实现虚拟仪器系统的基础。

VISA（Virtual Istrumentation Sofrware  Architecture）库实质就是标准的I/O函数库及其相关规范的总称，一般称这个I/O函数库为VISA库。

它驻留于计算机系统之中，执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，用来实现对仪器的控制。

对于仪器驱动程序开发者来说，VISA库是一个可调用的操作函数库或集合。

2、仪器层驱动

仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序集合，它负责处理与某一专门仪器通信和控制的具体过程，将底层的复杂的硬件操作隐蔽起来，封装了复杂的仪器编程细节，为用户使用仪器提供了简单的函数调用接口，是应用程序实现仪器控制的桥梁。

用户在应用程序中调用仪器驱动程序，进行仪器系统的操作与设计，简化了用户的开发工作。

3、应用软件层

在虚拟仪器的软件结构中，应用软件是建立在仪器驱动程序之上的上层软件，用户可通过写应用程序来定义虚拟仪器的功能，即通过应用程序提供的界面直观、友好的软面板，以及丰富的数据分析与处理功能，来实现仪器的测量功能。

应用软件由测试管理软件和测试功能软件两部分构成。

此外，应用软件还包括通用数字处理软件。

2.LaVIEW的程序构成与模块简介

LabVIEW的核心是VI（G语言编写的程序）。

该环节包含三个部分：

程序前面板（Front Panel）、程序框图（Block Diagram）和图标/连接端口（Icon/Connector）。

2.1前面板

前面板是Ⅵ程序的用户操作界面，是Ⅵ程序的交互式输入和输出端口，通常使用输入控件和显示控件来创建前面板。

输入控件是指旋钮、按钮、转盘等输入装置，输入控件模拟仪器的输入装置，为Ⅵ的程序框图提供数据；显示控件是指图表、指示灯等显示装置，显示控件模拟仪器的输出装置，用以显示程序框图获取或生成的数据。

空白的前面板窗口如图2.1所示。

图2.1前面板窗口

2.2程序框图

 每个前面板都有相应的程序框图与之对应。

程序框图是VI的图像化源代码，是实现程序的核心，可以把它想象为传统仪器机箱中用来实现功能的零部件，它可以控制和操纵定义在前面板的输入和输出功能。

程序框图由节点、端口和连线等要素组成。

程序框图的空白窗口如图2.2所示。

图2.2程序框图窗口

3.设计要求及设计方案

3.1设计要求

开展硬件选型、方案设计、软件实现、实验调试等工作，完成温度监测虚拟仪器的设计，实现功能：

时钟、对话框、上下线报警、数据存储历史数据浏览等。

3.2设计方案

该设计选择N I 公司的LabVIEW 完成、对虚拟仪器的软件编写LabVIEW 是

一套专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的图形化编程软件，将其与一般的数据采集以及仪器设备加以组合，就可以设计出虚拟仪器。

虚拟仪器的温度检测系统总体上说是一个智能化的信号采集处理系统，在其结构上主要由完成温度信号采集、放大和预处理的前端硬件电路部分和完成数据采集。

基于虚拟仪器温度监控流程图如图3.1所示。

图3.1温度监控流程图

4.设计内容

4.1基于虚拟仪器的数据采集设计

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering）是一种开放型的通用程序开发系统，具有强大的数据采集、数据处理、数据分析和仪器控制功能。

基于虚拟仪器的数据采集程序框图，如图4.1所示。

图4.1数据采集程序框图

4.2基于虚拟仪器的温度检测设计

本系统以labview8.5 作为开发工具。

现以仿真数据为例来讲述系统软件对温度的监测、报警及显示功能。

利用labview8.5编程可以对温度实时监测。

当温度超过上限要求时蜂鸣器会报警同时及时点亮报警灯进行报警，报警的上限值可以通过前面板的输入控件改变其值。

温度检测系统如图4.2所示。

图4.2温度检测系统

4.3显示及记录软件设计

显示系统可以用波形图

来进行温度信号的显示，波形图能够清楚的看出温度的跳跃情况，方便与工作人员的观察，图4.3为波形图的显示。

图4.3波形图的显示

温度数据的存储课通过创建Exprss表格来进行记录与存储。

图4.4为Exprss表格记录。

图4.4Exprss表格记录

进行显示对话框的相关设置可以在进入程序是看到“欢迎光临”的字样。

如图4.5所示。

图4.5界面对话框

 5.程序的运行与调试

5.1程序的运行

 当编写完成一个虚拟仪器VI程序后，若想检验程序是否正确，在前面板和程序框图工具条上找到运行按钮

，单击该按钮运行，使程序运行一次，程序运行后该按钮变成形状

。

如果想让程序连续运行，单击连续运行按钮

，程序即可连续运行。

停止按钮

用于在程序运行中非正常的停止程序运行，在序运行后该按钮由暗变亮。

暂停按钮

用于在程序运行时让程序暂停，单击该按钮，程序暂停，停止当前执行到的地方，停止单击，程序继续运行。

5.2程序调试技术

 1.找出语法错误若一个VI程序不能执行，运行按钮

会变成一个折断的箭头，这表示该VI存在错误。

单击该折断的箭头或使用菜单命令Windows-Show Error List，则LabVIEW弹出错误清单窗口，双击其中任何一个列出的错误，则出错的对象或端口都就会变成高亮。

2.设置程序高亮度运行单击程序框图工具条上的高亮执行按钮

，则它变成高亮的形式，单机运行按钮，VI程序就以较慢的速度运行，并在程序运行中用气泡显示数据沿着连线从一个节点流向另一个节点的情况。

这样就可以根据数据的流动状态跟踪程序的执行，再次按下高亮执行按钮，程序回复正常运行。

 3.单步执行

 为查找程序中的逻辑错误，可以让程序框图一个节点一个节点地执行，这就是单步执行。

单击工具条的单步执行按钮或，激活单步执行，闪烁的节点表示该节点准备执行。

激活单步执行后，按钮称作单步进入，按钮乘坐单步跨越。

再次按下单步执行按钮，闪烁的节点被执行，下一个将要执行节点变为闪烁。

单击按钮，结束正在执行的节点。

 4.断点

断点工具

用于使程序在某处暂停执行，以便使用探针或单步方式观察中间结果。

用该工具单击希望设置或清除断点的地方，则断点被设置或清除。

断点的显示对于节点或者图框表示为红框，对于连线表示为红点。

当VI程序运行到断点处，程序被暂停在将要执行的节点处，以闪烁表示。

按下单步按钮，进入单步状态。

5.探针探针工具用于程序执行时显示流经某一连接线的数据值。

用该工具单击希望放置探针的连接线，这时会弹出一个探针显示窗口。

通过该窗口，观察流过数据的详细信息。

探针结合高亮执行、单步执行和断点等工具可以使程序调试相当迅速、有效。

5.3运行结果

运行结果如图5.3所示。

图5.3运行结果

5.4总程序框图

总程序框图如图5.4所示

图5.4总程序框图

6.设计体会

经过近两个星期的努力，本文设计的监控系统基本实现了预期设计的功能，利用LabVIEW软件实现对温度的监控，实现了该系统预计的功能，数据的实时采集、存储、温湿度越限的声光报警等。

但是有许多设计的地方还不够完善，希望以后知识巩固了把这个设计做得更加的完善，如可以把采集到的信号进行噪声过滤等。

最后感谢牛老师对我的指导与帮助，能在老师的指导帮助下完成这次课程设计感觉十分的开心，心里也有了成就感，希望在今后的学习上能得到老师的更多帮助，最后衷心的说一句老师您辛苦了。

7.参考文献

1.牛群峰.王莉编著.LabVIEW虚拟仪器系统开发与实践[M]中国电力出版社

2.张国雄主编.测控电路[M].天津大学.机械工业出版社

3.翁维勤，孙洪程编著.过程控制系统及工程[M].化学工业出版社

4..童刚.虚拟仪器实用编程技术[M].机械工业出版社

5.何玉钧.高会生编著.LabVIEW虚拟仪器设计教程[M].人民邮电出版社

6.黄震宇.温湿度控制系统设计[J]无锡广播电视大学