基于虚拟仪器Labview馏程设计.docx

1、基于虚拟仪器Labview馏程设计摘 要 温度是馏程分析的一重要部分，在馏程分析中，需要进行温度测量、监控和记录。据统计，温度测量占工业生产中各种检测总量的 50%左右。测温的方法也多种多样。但是，常规测温法存在许多缺点，这促进了测温技术中新原理、新技术、新方法的发展。虚拟传感器、红外测温技术等代表了未来测温技术的发展方向。 本文提出的温度采集检测系统采用LabVIEW图形化编程语言，主要针对馏程分析应用，模块化方法设计开发，增强了软件的可靠性、稳定性、应用广泛性。该测控系统通过对温度数据的采集与处理等功能子模块实现了温度的实时显示、分析等功能。波形实时显示模块相当于一个虚拟的数字示波器。该模

2、块采用LabVIEW语言编写，设计出操作简单、可靠性商、可维护性好、具有交互式的图形界面的检测系统。该系统主要功能如下： ( 1)自动产生随机温度并采集，温度曲线显示： (2)显示温度，并鹃切换摄氏和华氏模式； (3)可设置温度报警上限，超出限度即报警，并记录报警次数； (4)进度指示；(5)能实现中途暂停采集；关键词：虚拟仪器； LabVIEW；温度测量：数据采集绪 论课题的来源及研究意义所谓温度，就是指物体的冷热程度。温度对人类生活、工农业生产有很大的影响。在生产与生活中，几乎所有的科学研究、工艺流程、生产过程都需要用到温座的检测与控制。物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关，大多毅生产

3、过程均是在一定温度范围内进行的，温度过高或过低都会对产品的质量和产量造成一定的影响，甚至还会使产品报1竞、设备损坏。在国防、军孪、科学试验及工农业生产过程中，温度的测量具有十分重要的作用。 进入21世纪以来，作为测试技术的一个分支，虚拟仪器的开发和研制在国内得到了飞速的发展。虚拟仪器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检测结果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，并利用 I/0 接口设备完成信号的采集、测量与调理，从中完成采种测试功能的计算机仪器系统。本系统使用LabVIEW图形化编程语言作为开发平台，在这个平台之上，根据需要自行定义了馏

4、程数据采集的功能，组建了馏程温度检测系统并构造仪器面板。论文主更研究内容馏程采集的数据进行实时的分析处理、并生动直观地显示出数据、波形。本论文主要是使用LabVIEW对馏程温度进行分析。以下内容主要介绍使用LabVIEW对馏程温度的设计。第一章 虚拟仪器与LabVIEW介绍1.1 虚拟仪器发展史所谓虚拟仪器. 实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体. 从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量，控制能力结合在一起. 大大缩小了仪器硬件的成本和体积.并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。从发展史看，电子测量仪器经历了由

5、模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器，由于计算机性能以摩尔定律 （每半年提高一倍)飞速发展，已把传统仪器远远抛到后面。虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势. 但它并不否定传统仪器的作用它们相互交叉、又相互补充. 相得益彰、在高速度、高带宽和专业测试领域. 独立仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域. 虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的，甚至不可思议的工作。专家们指出. 在这个计算机和网络时代，利用计算机和网络技术对传统的产业进行改造，已是大势所趋，而虚拟仪器系统正是计算机和网络技术与传统的仪器技术进行融合的产物. 因此.

6、 在21世纪，虚拟仪器将大行其道. 日渐受宠，将会引发传统的仪器产业一场新的革命。LabVIEW是 Laboratory Virtual Instrument Workbench(实验室虚拟仪集成环境)简称，是由美国国家仪器公司(National Instruments，NI)创立的一个功能强大而又灵活的仪器和分析软件应用开发工具。N1 公司生产基于计算机技术的软硬件产品，其产品帮助工程师和科学家进行测量、过程控制及数据分析和存储N1公司于1970年由James、Truchard、Jeffrey Kodosky、William Nowlin创建于德克萨斯州的Attstin。当时3人正在位于Au

7、stin的德克萨斯大学应用研究实验室为美国海军进行声响应用研究，寻找将测试设备连接到的DEC PDPL-11计算机的方法。JamesTruchard于是决定开发一种接口总线，并吸纳Jeff和Bill共同研究. 终于成功地开发出LabVIEW并提出了.虚拟仪器”这一概念.在此过程中，他们创建了一家新公司一National Instruments。从事研究、开发、生产、测试工作的工程师和科学家以及在诸如汽车、半导体、电子、化学、电信、制药等行业工作的工程师和科学家已经使用并一直使用LabVIEW来完成他们的工作。LabVIEW在试验测量、工业自动化和数据分析领域起着重要作用。例如，在NASA美国国

8、家航空和宇宙航行局)的喷气推进实验室，科学家使用LabVIEW来分析和显示“火星探测旅行者号”自行装置的工程数据. 包括自行装置的位置和温度、电池剩余电量，并总体监测旅行者号的全面可用状态。LabVIEW程序称为“虚拟仪器”或简称为 VI。LabVIEW不同于基于文本的编程语言 (如Fortran和 c)，它是一种图形编程语言.其编程过程就是通过图形符号描述程序的行为。LabVIEW使用的是科学家和工程师们所熟悉的术语.还使用了易于识别的构造 C语言的圈形符号。即使具有很少编程经验的人也能学会使用LabVIEW，并能够发现和了解一些有用的基本原则。LabVIEW 提供了大量的虚拟仪器和函数库来

9、帮助编程。LabVIEUF6. 0 中提出了一个新的重要功能，称为 Express VI。由于VI配置可以通过对话框完成，因此Express VI允许用户位于Functions选项板，是以白色背景、蓝色边框的形式出现的。L8bVIEW也包括了特殊的应用库. 用于实现数据采集、文件输入/输出、GPIB和串行仪器控制以及数据分析。LabVIEW包括了常规的程序调试工具，用这些工具可以设置断点、单步执行程序及动画模拟执行.以便观察数据流。在不同类型的图表和图形上，LabVI醐提供一组有效的 VI 用于数据显示。LabVIEW 是 N1 推出的虚拟仪器开发平台软件，它们能够以其直观简便的编程方式、众多

10、的源码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户快捷地构筑自在实际生产中所需要的仪器系统创造了基础条件。LabVIEW采用图形化编程语言C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、实验室技术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用. 可在很短的时间内掌握并应用到实践中去。特别是对于熟悉仪器结构和硬件电路的硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员来说，编程就像设计电路图一样；因此，硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员们学习 LabVIEW驾轻觥熟. 在很短的时间内就能够学会并应用 LabVIEW。也不必去记忆那眼花缭乱的文本式程序代码。LabVIEW不仅容易学

11、习和使用，而且它的功能十分强大。像 C或 C+等其它计算机商绿语言一样. LabVIEW也是一种通用编程系统. 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. 甚至还有日前十分热门的网络功能。LabVIEW也有完善的仿真、调试工具，如设置点、单步等。LabVIEW的动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据及其变化情况，比其它语言的开发环境更方便、更有效。而且 LabVIEW与其它计算机语言相比. 有一个特别重要的不同点：其它计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码行，而LabVI耶采用图形化编程语言-C语言。LabVIEW程序又

12、称为虚拟仪器，它的表现形式和功能类似于实际的仪器，但LabVIEW程序很容易改变设置和功能。因此，LabVIEW特别适用于实验室、多品种小批量的生产线等需要经常改变仪器和设备的参数和功能的场合. 及对信号进行分析研究、传输等场合。1.2虚拟仪器技术应用研究内容和目的虚拟仪器技术应用研究的方向是多方面的. 从本系统研究内容方面可分为：(1)基于虚拟仪器技术应用系统的设计；(2)虚拟仪器开发平台的远程网络功能的扩展；1.2.1 基于虚拟仪器技术应用系统的设计基于虚拟仪器平台的应用系统的设计是本论文的重点，其主要内容是利用虚拟仪器技术.组建功能强大的检测系统。虚拟仪器平台提供给仪器设计人员设计所需的

13、丰富功能控件，针对实际的测试任务可在很短的时间内完成检测系统的设计。但如何充分而合理利用这些功能控件构建检测系统. 是一个值得深入研究的问题，需要做大重的工作。首先要熟悉 LabVIEW中的功能控件，多研习优秀的程序设计，通过大量的实践. 才能很好的掌握和运用。虚拟温度检测系统设计是基于虚拟仪器平台的应用系统开发方面所做的研究，研究主要涉及如何利用虚报仪器平台的功能控件构建一个集信号采集、分析和处理为一体的检测系统。1.2.2 虚拟仪器开发平台的远程网络功能的扩展 随着社会的发展，人们越来越需要网络化的测控系统。大型机械设备的多点远程监测、地区环境的多点监测、危重病人的远程多点监测与会诊. 电

14、能的自动实时秒表系统. 以及远程网络教学实验的发展等，都需要测控系统的网络化. 计算机网络技术的不断发展，拓展了虚拟仪器的应用范围。利用局域网或Internet即可实现远程测控的功能. 构成远程虚拟仪器。有了远程虚拟仪器，不但昂贵的硬件资源可以共享. 也使大量实际问题得到了解决.随着网络技术的深入,网络化成为了虚拟仪器技术中的一个最重要的发展方向，并且很多测试任务也需要测试系统的网络化. 将数据通过网络发送到远程端。网络化的虚拟仪器目前是虚拟仪器技术的一个发展的趋势。1.3虚拟仪器技术概述虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代. 当时的计算机测控技术在国防、航天等领域已经具有了很快的发展速度

15、. PC 机的出现使仪器的计算机化成为可能。虚拟仪器是计算机技术和仪器仪表技术结合的产物。它把计算机、仪器硬件、固件与计算机软件结合起来。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. 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、存储方面的限制。1.3.1 虚拟仪器的概念虚拟仪器(Virtual Instrument)是指通过应用程序将计算机与功能化模块硬件结合起来. 用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机. 好像在操作自己定义、自己设计的

16、一台单个仪器一样，从而完成对被测试对象的采集、分析、判断、显示、数据存储等功能。因为虚拟仪器是以计算机为核心、在 Windows等操作系统平台上运行的，所以它具有一机多功能的特点. 可以同时运行多个软件. 当作多种仪器使用. 具有多功能的仪器系统称之为虚拟仪器系统。1.3.2虚拟仪器与传统仪器的比较如表 1-1所示. 虚拟仪器具有传统仪器无法比拟的强大优势. 因而必将成为未来仪器发展的趋势。表 1-1虚拟仪器与传统仪器的比较比较项目虚拟仪器传统仪器灵活性开放性、灵活，可与计算机技术保持同步发展封闭性、仪器闻相互配合较差升级的自由度关键是软件，系统性能升级方便.通过网络下载升级程序即可关键是硬件

17、升级成本较高，且升级必须上门服务性能价格比价格低廉，仪器间资源可重复利用. 利用率高价格昂贵，仪器间一般无法相互利用仪器功能用户可定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能与外设互连可以与网络及周边设备方便连接功能单一. 只能连接有限的独立设备开发维护费用开发与维护费用降至最低开发与维护开销高人机界面人机界面友好人机界面一般技术更新周期技术更新周期短(1-2年)技术更新周期长(5-10年)1.3.3虚拟仪器测试系统的组成虚拟仪器是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是日前仪器发展的一个重要方向。这种结合基本有两种方式，一种是将计算机装入仪器. 其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益

18、强大以及其体积的日趋缩小. 这类仪器功能也越来越强大. 日前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托. 实现各种仪器功能. 虚拟仪器主要是指这种方式。虚拟仪器的组成与传统仪器一样，如图 1-1所示的数据采集与控制、数据分析和处理、结果显示三部分组成。图1-1 虚拟仪器的内部功能划分对于传统仪器. 这三个部分几乎均由硬件完成；对于虚拟仪器，前一部分由硬件构成。后两部分主要由软件实现。与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化设计工作量大大减小。图 1-2给出了经典虚拟仪器测试系统的构成，通常虚拟仪器测试系统硬件组成部分是由传感器部件、信号调

19、理及信号采集部件 (如外置或内置数据采集卡、图形图像采集卡及摄像机及其用于辅助测量并能与计算机通讯的常规仪器等)、通用计算机、打印机等构成。系统软件部分通常用专用的虚拟仪器开发语言 (如 LabVIEW)编写而成. 并可通过 Internet 实现网络扩展。图 1-2 经典的虚拟仪器系统构成1.3.4虚拟仪器I/0接口设备 I/0 接口设备主要用来完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。可根据实际情况采用不同的I/0接E1硬件设备. 如数据采集卡 /板(DAQ)、GPIB总线仪器、VXI总线仪器、串口仪器、USB等q 虚拟仪器的构成主要有五种类型.如图 1-3所示。图1-3 虚拟仪嚣构成方式1

20、. DAQ(Data Acquisition)数据采集卡指的是基于计算机标准总线（如ISA、PCI、USB尊)的内置功能插卡。共中USB是最新技术的数据采集卡，具有精座高，可携性好等优点，它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性：利用DAQ卡可方便快速地构建虚拟仪群系统。在性能上，随着A /D转换技术，测波技术和信号调理技术的发展，DAQ卡的采样速率已达1GB/S,精度高达24位，通道数商达64个，并具有数字I/0,模拟I/0和计数器/定时器等迅道。各仪器厂家生产了大量的DAQ功能模块供用户选择，如示波器、串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等。在计算机上挂接

21、多个DAQ功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有多功能的测试仪器。这种基于计算机的仪器，既具有高档仪器的测量品质，又能满足测量需求的多样性。对我国大多数用户来说，它具有很高的性能价格比，是一种特别适合我国国情的虚拟仪器方案。2. GPIB (General Purpose Interface Bus)通用接口总线，是计算机和仪器间的标准通信协议，GPIB的硬件规格和软件协议以纳入国际工业标准IEEE 488.1和IEEE 488.2, 它是最早的仪器总线，目前多数仪器都配备了迢循IEEE488的GPIB接口。典型的GPIB测试系统包括一台计算机，一块基于GPIB总线的接口卡和多台GPIB

22、仪器软件及相应的传感模块硬件。每台GPIB仪器有单独的地址，由计算机控制操作。系统中的仪器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制软件作相应的改动。基于GPIB总线结构的接口卡数据传输速率一股低于500kb/S,不适台与对系统速度要求较高的应用。 3. VXI (VhlEbus eXtension for Instrumentation)是VhlE总线在仪器领域的扩展，1993年VXI总线1. 4版本被批准为IEEE 1155标准，成为开放式工业标准。仪器专用总线在吸收IEEE488的成功经验础上，增加了lOMHz时钟线，模拟和数字混合总线，星形总线等高速总线，定时关系严格，兼有计算机总线和仪

23、器总线的优点。 4. PXI (PCI 6xtensiLon for Instrumentation)是Compact PCI总线在仪器领域的扩展，是N1公司于1997年发布的一种新的开放性、棋块化仪器总线规。非核心是Compact PCI结构和Microsoft Windows软件。PXI是在PCI内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，PXI增加了用于多板同步的触发总线和lOMHz参考时钟、用于精确定时的星形触发总线，以及用于相邻模块间商速通信的局部总线等，来满足实验和测量用户的要求。PXI来容Compact PCI机械规范，并增加了空气冷却装置、环境测试(温度、湿度、振动和冲击实验)

24、等要求。这样可保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性。5. 串口系统：串口系统是以Serial标准总线仪器与计算机为仪器精简平台组成的虚拟测系统。RS-232总线是早期采用的通用串行总线，将带有RS-232总线接口的仪器作为I / 0接口设备，通过RS-232串口总线与计算机组成虚拟仪群系统目前仍然是虚拟仪器构成方式之一，主要适用于速度较低的测试系统。1.3.5虚拟仪器的软件结构虚拟仪器技术的核心是软件，用户采用各种编程软件来开发白己所箫要的应用软件。以美国N1公司的软件产品LabVIEW和LabWindow / CVI为代表的虚拟仪器专用开发平台是当前流行的集成化开发工具。这些软仲开发平台

25、提供了强大的仪器软面板设计工具和各种数据处理工具，再加上虚拟仪器硬件厂商提供的各种硬件的驱动程序模块，大大简化了虚拟仪器的设计工作。随荐软件技术的迅速发展，软件开发的模块化、其用化，和各种硬件仪器驱动软件的模块化、标准化，虚拟仪器软件开发将变得更加快速、方便。1.3. 6虚拟仪器的开发软件( 1 )虚拟仪器的开发语言 虚拟仪器系统的开发语言有：标准C, Visual C+, Visual Basic率通用程序开发语言。但直接由这些语言开发虚拟仪器系统，是有相当难度的。除了要花大量时间进行测试系统面板设计外，还要编制大量的设备驱动程序和底层控制程序，这些工作对于那些不熟悉这方面知识的工程设计人员

26、来说，要花费大量时间和精力，这样直接影响了系统开发的周期和性能，除了通用程序开发语言以外，还有一些专用的虚拟仪器开发语言和软件，其中有影响的开发软件有：N1 公司的LabVIEW, LabWindows / CVI。LabVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件，LabWindows / CVI是为熟悉C语言的开发人员准备的，是在Windows环境下的标准ANSIC开发环境。除此以外还有HP公司I HP. VEE, HP. TIG开发平台，美国Tektronix公司的Ez. Test, TGk一TNS平台软件，这些都是国际上公认的优秀的虚拟仪器开发软件平台。其中 LabVIEW 图形化

27、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智常规的文本语言编程，界面友好，操作简便，可大大缩短系统开举周期，深受专业人员的青睐，在此虚拟温度采集系统的设计平台采用NI公司的LabVIEW 8.6 进行。1.3.7本课题所采用的图形化虚拟仪器开发平台一LabVIEW LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument EnE;ineering)是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研兜实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪粮控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了

28、便于应用TCP / IP、ActiveX等软件标准的库函数，是一个功能强大且灵活的软件，利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都更加形象化。传统的文本式编程是一种顺序的设计思路，设计者必须写出执行的语句。而LabVIEW是基于数据流的工作方式，同时是基于图形化的编程，这使得设计者不必芈握大量的编程语言和程序设计技巧便可设计出虚拟仪器系统一。 目前，在以PC机为础的测试和工控软件中，LabVIEW的市场普及率仅次于C+ / C语言。LabVIEW具有一系列无与伦比的优点：首先，LabVIEW作为图形化语言编程，采用流程图式的编程，运用的设备图标与科学家、工程师们习惯

29、的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常相似，同时，LabVIEW提供了丰富的VI库和仪器面板素材库，近600种设备的驱动程序(可扩充)如GPIB设备控制、VXI总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储；并且LabVIEW还提供了专门用于程序开发的工具箔，使得用户能够设直断点，调试过程中可以使用数据探针和动态执行程序来观察数据的传输过程，更加便于程序的调试。因此，LabVIEW受到越来越多工程师、科学家的普遍青睐。 利用LabVIEW, 可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位编译器。像许多通用的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、h

30、lacintosh的多种版本。1.3.8基于LabVIEW平台的虚拟仪器程序设计结构和特点所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器(VI), 它包括前面板(front panel)、流程图(block diagram)以及图标/连结器(icon / connector)三部分。1. 前面板：前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制(control)和显示对象(indicator)。如图2-5所示是一个随机信号发生和显示的前面板，上面有一个显示对象，以曲线的方式显示了所产生的一系列随机数。还有一个控制对象开关，

31、可以启动和停止工作。但并非画出两个控件后程序就可以运行，在前面板后还有一个与之对应的流程图。如图1-6.图1-5 随机信号发生器的前面板. 图1-6 随机信号发生器的流程图2. 流程图：流程图提供VI的图形化源程序。在流程图中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。图2-6是与图2-5对应的流程图。我们可以看到流程图中包括了前面板上的开关和随机数显示群所对应的连钱端子，另外我们还建立了一个随机数发生函数和一个wileLoop 循环结构。随机数发生器通过连载将产生的随机信号送到显

32、示控件，为了使它持续工作下去，设置了While Loop循环，由开关控制循环的结束。如果将VI与传统仪器相比较，那么前面板上的控件对应的就是传统仪器上的按钮、显示屏等控件，而流程图上的连线端子相当于传统仪器箱内的硬件电路。在许多情况下，使用VI可以仿真传统仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪群面板，而且其功能也与传统标准仪器相差无几。这种设计思想的优点体现在两方面：（1）类似流程图的设计思想，很容易被工程人员接受和掣握，特别是那些没有很多程序设计经验的工程人员。 (2)设计的思路和运行过程清晰而且直观。如通过使用数据探针、高亮执行调试等多种方法，程序以轻慢的速度运行，使没有执行的代码显示灰色，执行后的代码会高亮显示，同时在线显示数据流线上的数据值，完全跟踪数据流的运行。这为程序的调试和参数的设定带来诸多的方便。3. 图标/连接设计：这部分的设计突出体现了虚拟仪器模块化程序设计的思想。在设计大型白动检测系统时，一步完成一个其杂系统的设计是相当有难座的。而在LabVIEW中提供的图标