基于LabVIEW的温度控制系统设计.docx

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基于LabVIEW的温度控制系统设计

引言

随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术和现代测量技术的迅速发展，一种新型的先进仪器——虚拟仪器成为当前系统研究的热点。

虚拟仪器的出现开辟了仪器技术的新纪元，它是多门技术与计算机技术结合的产物，其基本思想逐步代替仪器完成某些功能，如数据的采集、分析、显示和存储等，最终达到取代传统电子仪器的目的。

虚拟仪器通过软件开发平台将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融为一体，把计算机强大的数据处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的显示、存储及分析处理,并通过交互式图形界面实现系统控制和显示测量数据，并使用框图模块指定各种功能。

采用集成电路温度传感器和虚拟仪器方便地构建一个测温系统，且外围电路简单，易于实现，便于系统硬件维护、功能扩展和软件升级。

   本设计利用LabVIEW作为语言开发平台，设计了一个温度控制系统，并利用计算机串口与下位机串行通讯，能实现温度的实时测量与控制。

1绪论

现代计算机技术和信息技术的迅猛发展，冲击着国民经济的各个领域，也引起了测量仪器和测试技术的巨大变革。

人们曾为测量仪器从模拟化、数字化到智能化的进步而欣喜，也为自动测试技术的日新月异的发展所鼓舞，当今虚拟仪器技术的出现又使得测量仪器进步入了高科技的殿堂。

与传统的仪器不同，虚拟仪器（virtualinstrument）是基于计算机和标准总线技术的模块化系统，通常它是由控制模块、仪器模块和软件组成，在虚拟仪器中软件是至关重要的，仪器的功能都要通过它来实现，因此软件是虚拟仪器的核心，“软件就是仪器”，从本质上反映了虚拟仪器的特征。

从构成方式上讲，虚拟仪器可分为四大类：

GPIB体系结构、PC-DAQ体系结构、VXI体系结构和PXI体系结构。

GPIB体系结构是通过GPIB总线将具有GPIB接口的计算机和仪器集成的测试系统。

其优点是用户可以充分利用自己的计算机和仪器资源，且组建方便灵活、操作简单，曾是国际流行的自动测试系统。

当今，在VXI为主的体系结构中，有时也采用GPIB作为辅助，这样可以充分利用本单位仪器资源，或称补VXI仪器模块的不足。

VXI体系结构综合了。

pib和vem总线的优点，它集成的系统硬件集成度高、数据传输率快、便携性好，是当今倍受业界关注的体系结构。

PXI体系结构是以PCI总线为基础的体系结构，由于其总线吞吐率高、硬件的价格较低被业内人士认为是符合国情的一种体系结构。

虚拟仪器应用程序的开发环境主要有两种=一种是基于传统的文本语言的软件开发环境，常用的有labwindows/cvi、.visualbasidc=vc++等：

一种是基于图形化语言的软件开发环境，常用的有LabVIEW和hpvee。

其中图形化软件开发系统是用工程人员所熟悉的术语和图形化符号代替常规的文本语言编程，界面友好，操作简便，可大大缩短系统开发周期，深受专业人员的青睐。

1.1课题背景

随着世界经济的发展，工业的迅速扩张，政府和企业家们花在设备上的投入越来越多，这笔巨大的开销，极大地限制了企业的资金，从而制约着企业的发展。

而虚拟仪器技术凭借着其开发容易、开发成本低、开发周期短等明显的优点，渐渐地在工业测控领域崭露头角。

它的出现使企业家们看到了降低成本的希望。

本设计将就虚拟仪器怎样用在工业测控中进行一番简单的探讨。

1.2虚拟仪器简介

随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术和现代测量技术的迅速发展，一种新型的先进仪器——虚拟仪器成为当前系统研究的热点。

虚拟仪器通过软件开发平台将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融为一体，把计算机强大的数据处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的显示、存储及分析处理。

在对大规模、集成化、智能化及数字电子仪器需求愈加迫切的形势下，计算机技术、仪器技术和通信技术相结合，产生了具有里程碑意义的新一代仪器——虚拟仪器。

虚拟仪器的出现开辟了仪器技术的新纪元，它是多门技术与计算机技术结合的产物，其基本思想逐步代替仪器完成某些功能，如数据的采集、分析、显示和存储等，最终达到取代传统电子仪器的目的。

虚拟仪器是计算机硬件资源、仪器硬件、数据分析处理、软件、通信软件极图形用户界面的又效结合，具有传统仪器所具备的信号采集、信号处理分析、信号输出等功能。

其基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口和测试仪器等。

虚拟仪器有以下优点：

（1）利用了计算机丰富的软件资源。

实现了部分仪器硬件的软件化，节省了物质资源，增加了系统的灵活性。

通过软件技术和相应数值算法，实时直接地对测试数据进行各种分析与处理。

图形用户界面（GUI）技术的应用，真正的做到界面友好、人机交互。

（2）基于计算机网络技术和接口技术。

虚拟仪器具有方便、灵活的互联能力

（Connectivity）,广泛支持诸如CAN、FieldBus、PROFIBUS等各种工业总线标准。

因此，利用虚拟仪器技术可方便地构建自动测试系统，实现测量、控制过程的网络化。

（3）基于计算机的开放式标准体系结构。

虚拟仪器的硬、软件具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点，用户可根据自己上的需要，选用不同厂家的标准接口产品，使仪器的开发更为高效，缩短仪器组建、开发时间。

（4）具有很强的灵活性。

虚拟仪器的功能由用户自己定义，这意味着可自由的组合计算机平台、硬件、软件以及各种实现应用系统所需要的附件。

这种灵活性在由供应商定义、功能固定、独立的传统仪器是达不到的。

从传统仪器的转变，为用户带来了更多的实际利益。

上述虚拟仪器的特点不仅推进了仪器为基础的界面系统改造，同时也影响了以虚拟仪器为主的图形构造方法的进化。

过去独立分散、互不相干的许多领域，虚拟仪器通过软件开发平台将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融为一体，把计算机强大的数据处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的显示、存储及分析处理。

虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，是信息技术的一个重要领域，必将对科学技术的发展和工业生产产生不可估量的影响。

传统仪器一般是一台独立的装置，从外观上看，它是一般由操作面板、信号输入端口、检测结果输出这几个部分组成。

操作面板上一般有一些开关、按钮、旋钮等。

检测结果的输出方式有数字显示、指针式表头显示、图形显示及打印输出等。

从功能方面分析，传统仪器可分为信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出这几个部分。

传统仪器的功能都是通过硬件电路或固化软件实现的，而且由仪器生产厂家给定，其功能和规模一般都是固定的，用户无法随意改变其结构和功能。

传统仪器大都是一个封闭的系统，与其它设备的连接受到限制。

另外，传统仪器价格昂贵，技术更新慢，开发费用高。

随着计算机技术、微电子技术和大规模集成电路技术的发展，出现了数字化仪器和智能仪器。

尽管如此，传统仪器还是没有摆脱独立使用和受同操作的模式，在较为复杂的应用场合或测试参加较多的情况下，使用起来就不太方便。

这三方面的原因，使传统仪器很难事业信息时代对仪器的需求。

那么如何解决这个问题呢？

可以设想，在必要的数据采集硬件和通用计算机支持下，通过软件来实现仪器的部分或全部功能，这就是设计虚拟仪器的核心思想。

所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的功能，用户操作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。

虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示功能。

虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己的才能、想象力的空间。

用户可以随心所欲地根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多样的用户需求。

表2.1为传统仪器与虚拟仪器的比较一览表。

虚拟仪器作为一种新型的仪器种类，具有以下特点：

（1）强调“软件即仪器”的概念，软件充当了仪器中相当重要的且以往由硬件充当的角色。

（2）打破了传统仪器小而全的现状，可以将信号的分析、显示、存储、打印和其它管理利用计算机来完成。

（3）便于工作和管理，虚拟仪器技术是仪器的设计和管理统一到虚拟仪器的标准，使得仪器管理规范，使用简便，维护费用低。

（4）仪器自定义，科研和工程人员自己设计自己的仪器。

由于虚拟仪器的开放性，用户可以方便地修改测试方案，构成各种专用仪器。

仪器的开发周期短，升级容易，节省了硬件开发和生产的费用。

（5）便于组成自动测试系统。

虚拟仪器充分利用计算机技术，可以对测试方案进行编程；而且数据的远程传输、数据在软件之间的交换等，都使系统组建变得灵活；计算机的存储、打印和网络化等功能也进一步增进了虚拟仪器的功能。

电子仪器发展至今，大体可分为四代：

模拟仪器、数字仪器、智能仪器和虚拟仪器。

第一代模拟仪器

第一代模拟仪器如指针式万用表、晶体管电压表等，它们的基本结构是电磁机械式的，借助指针来显示最终结果。

第二代数字化仪器

数字化仪器目前相当普及，如数字电压表等。

这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号的测量，并以数字方式输出最终结果，实用于快速响应和较高准确度的测量。

第三代智能要求

智能仪器内置微处理器，既能进行自动测试，又具有一定的数据处理，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。

它的功能块全部都是以硬件的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。

第四代虚拟仪器

虚拟仪器是现代计算机教技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是将来虚拟产业发展的一个重要方向。

从1988年开始，陆续有虚拟仪器产品面市。

此后，虚拟仪器产品的陆续飞速增加。

虚拟仪器以透明的方式把计算与传统仪器一样。

虚拟仪器同样划分为数据采集与控制、数据分析与处理、结果表达三大功机资源和仪器硬件的测试能力结合起来，实现了仪器功能的运作。

虚拟仪器的功能模块如图所示。

虚拟仪器用各种图标或控件来虚拟传统仪器面板上的各种器件。

由各种开关图标实现仪器电源的通断；由各种按钮图标来设置被测信号的“放大倍数”、“通道”等参数；由各种显示控件以数值或波形的方式显示测量或分析结果；由计算机的鼠标和键盘操作来模拟传统仪器面板上的实际操作；以对图形化软件流程图的编程来实现各种信号测量和数据分析功能。

图1.1虚拟仪器的功能模块

传统仪器和虚拟仪器的比较

传统仪器

虚拟仪器

仪器厂商定义

用户自己定义

硬件是关键

软件是关键

仪器的功能、规模均已固定

系统功能和规模可通过软件修改和增减

封闭的系统，与其它设备连接受限制

基于计算机的开放系统，可方便地同外设、网络及其它相应设备连接

价格昂贵

价格低，可重复利用

技术更新慢

技术更新快

开发和维护费用高

软件结构可大大节省开发和维护费用

多为实验室拥有

个人可拥有一个实验室

1.3图形化编程语言LabVIEW的简介

LabVIEW（laboratoryvirtualinstrumentengineeringworkbench）是一种图形化的编程语言和开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接收，被公认为是标准的数据采集和仪器控制软件。

LabVIEW不仅提供了与遵从GPIB，VXI，RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能，还布置了支持TCP/IP，ActiveX等软件标准的库函数，而且图形化的编程界面使编程过程变得生动有趣。

LabVIEW是一个功能强大且灵活的软件，利用他可以方便的建立自己的虚拟仪器。

以LabVIEW为代表的图形化编程语言，又称为“G”语言。

使用这种语编程时，基本上不需要编写程序代码，而是“绘制”程序流程图。

LabVIEW尽可能利用工程技术人员所熟悉的术语、图标和概念，因而它是一种面向最终用户的开发工具，可以增强工程人员构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。

使用它进行原理研究、设计、测试并实