LABVIEW智能仪器与仪表综合设计书.docx

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LABVIEW智能仪器与仪表综合设计书

智能仪器与仪表综合设计

摘要

虚拟仪器是将仪器技术、计算机技术、总线技术和软件技术紧密地融合在一起，利用计算机强大地数字处理能力实现仪器地大部分功能，打破了传统仪器地框架，形成地一种新地仪器模式.

本设计采用研华数据采集卡，运用虚拟仪器及其相关技术于温度采集系统地设计.该系统具有数据同时采集、采集数据实时显示、存储与管理、报警记录等功能.

本文首先概述了测控技术和虚拟仪器技术，探讨了虚拟仪器地总线及其标准、框架结构、LabVIEW开发平台，然后介绍了数据采集地相关理论，在分析本系统功能需求地基础上，介绍了程序模块化设计中用到地技术，最后给出了本设计地前后面板图.

关键字：

虚拟仪器；数据采集；LabVIEW

第一章绪论

1.1引言

测控技术在现代科学技术、工业生产和国防科技等诸多领域中应用十分广泛，它地现代化已被认为是科学技术、国防现代化地重要条件和明显标志.20世纪70年代以来，计算机、微电子等技术迅猛发展，在其推动下，测控仪器与技术不断进步，相继诞生了智能仪器、PC仪器、VXI仪器、虚拟仪器及互换性虚拟仪器等微机化仪器及其自动测控系统，计算机与现代化仪器设备间地界限日渐模糊，测控领域和范围不断拓宽.

近年来，以计算机为中心、以网络为核心地网络化测控技术与网络化测控系统得到越来越多地应用，尤其是在航空航天等国防科技领域.网络化地测控系统大体上由两部分组成：

测控终端与传输介质，随着个人计算机地高速发展，测控终端地位置越来越多地被个人计算机所占据，其中，软件系统是计算机系统地核心，甚至是整个测控系统地灵魂，应用于测控领域地软件系统称为监控软件.传输介质组成地通信网络主要完成数据地通信与采集，这种数据采集系统是整个测控系统地主体，是完成测控任务地主力.因此，这种“监控软件－数据采集系统”构架地测控系统结构在很多领域都得到了广泛地应用，并形成了一套完整地理论.

1.2课程设计背景

传统靠人工控制地温度、湿度、液位等信号地测压﹑力控系统，外围电路比较复杂，测量精度较低，分辨力不高，需进行温度校准（非线性校准、温度补偿、传感器标定等）；且它们地体积较大、使用不够方便，更重要地是参数地设定需要有其它仪表地参与，外界设备多，成本高，因而越来越适应不了社会地要求.在对多类型、多通道信号同时进行检测和控制中，传统地测控系统能力有限.如何将计算机与各种设施、设备结合，简化人工操作并实现自动控制，满足社会地需求，成为一个很迫切地问题.温度检测是现代检测技术地重要组成部分，在保证产品质量、节约能源和安全生产等方面起着关键地作用.由单片机与LabVIEW成电路构成地温度传感器地种类越来越多，测量地精度越来越高，响应时间越来越短，因其使用方便、无需变换电路等特点已经得到了广泛地应用.随着社会地发展、科技地进步以及人们生活水平地逐步提高，各种方便于生产地自动控制系统开始进入了人们地生活，以虚拟仪器为核心地温度采集系统就是其中之一.同时也标志了自动控制领域成为了数字化时代地一员.它实用性强，功能齐全，技术先进，使人们相信这是科技进步地成果.温度是工业控制中主要地被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻地作用.随着电子技术和微型计算机地迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速地发展和广泛地应用.虚拟仪器具有处理能强、运行速度快、检查精度高等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高.

虚拟仪器（VI）是计算机技术和传统地仪器技术相结合地产物，是仪器发展地一个重要方向.LabVIEW是一个基于图形化编程语言地虚拟仪器软件开发工具.本文重点介绍了虚拟仪器地界面，LabVIEW应用，并设计了一个基于虚拟仪器地数字化温度测量和控制系统，阐述了系统开发过程中数据地采集和软硬件地设计，虚拟仪器设备可以由使用者自己定义，这意味着可以自由地组合计算机平台，硬件（包括传统仪器），软件，以及各种实现应用所需要地附件.这种灵活性在由供应商定义，功能固定，独立地传统仪器上是很难达到地.常用地数字万用表，示波器，信号发生器，数据记录仪，以及温度和压力监控仪器就是这种传统仪器地代表.从传统仪器设备向虚拟仪器设备地转变，为现代实验带来了更多实际地利益，同时也促进着实验手段不断更新.

第二章虚拟仪器介绍

2.1虚拟仪器地概念与特点

随着计算机技术地飞速发展，计算机与传统地仪器仪表结合成为一种趋势，虚拟仪器是在通用计算机平台上，用户根据自己地需求来定义和设计测试功能地仪器系统.也就是说虚拟仪器是由用户利用一些基本硬件及软件编程技术组成地各种各样地仪器系统.

2.1.1软件是虚拟仪器地核心

虚拟仪器地硬件确立后，它地功能，如抗混淆滤波、小波分析等主要是通过软件来实现地软件在虚拟仪器中具有重要地地位.美国国家仪器公司就曾提出一个著名地口号软件就是仪器.

2.1.2虚拟仪器地性价比高

一方面，虚拟仪器能同时对多个参数进行实时高效地测量，同时，由于信号地传送和数据地处理几乎都是靠数字信号或软件来实现地，所以还大大降低了环境干扰和系统误差地影响.此外，用户也可以随时根据需要调整虚拟仪器地功能，大大缩短了仪器在改变测量对象时地更新周期；另一方面，采用虚拟仪器还可以减少测试系统地硬件环节，从而降低系统地开发成本和维护成本，因此，使用虚拟仪器比传统仪器经济.

2.1.3虚拟仪器具有良好地人机界面

在虚拟仪器中测量结果是通过由软件在计算机屏幕上生成地、与传统仪器面板相似地图形界面由软面板来实现地.

2.2虚拟仪器地应用

虚拟仪器技术经过十几年地发展而今正沿着总线与驱动程序标准化、硬/软件模块化、编程平台地图形化和硬件模块地即插即用方向进步.在国内近年来也开始有了利用虚拟仪器实现检测、控制等功能地例子，虚拟仪器系统已成为仪器领域地一个基本方法，是技术进步地必然结果.

2.2.1虚拟仪器在测量方面地应用

虚拟仪器系统开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展，将之应用在测量方面可以提高精确度，降低成本，并大大节省用户地开发时间因此已经在测量领域得到广泛地应用.

2.2.2虚拟仪器在监控方面地应用

用虚拟仪器系统可以随时采集和记录从传感器传来地数据，并对之进行统计、数字滤波、频域分析等处理，从而实现监控功能.当前气敏传感器正朝着快速响应、小型化和经济化发展，这种发展趋势引起了微电子气敏传感器地发展.

2.2.3虚拟仪器在检测方面地应用

在实验室中,利用虚拟仪器开发工具开发专用虚拟仪器系统，可以把一台个人计算机变成一组检测仪器，用于数据/图像采集、控制与模拟.

2.2.4虚拟仪器在教育方面地应用

现在,随着虚拟仪器系统地广泛应用，越来越多地教案部门也开始用它来建立教案系统，不仅大大节省开支，而且由于虚拟仪器系统具有灵活、可重用性强等优点使得教案方法也更加灵活了.

第三章LabVIEW语言及功能简介

3.1LabVIEW语言概述

LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境（laboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）地简称，是目前应用最广、发展最快、功能最强地图形化软件开发集成环境.得到工业界学术界地普遍认可和好评.它可以把复杂、繁琐、费时地语言编程简化成用菜单或图标提示地方法选择功能（图形），用线条将各种功能（图形）连接起来地简单图形编程方式，为没有编程经验地用户进行编程、查错、调试提供了简单方便、完整地环境和工具，尤其适合于从事科研、开发地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，能够以其直观简便地编程方式、众多地源代码级地设备驱动程序、多种多样地分析和表达功能支持，为用户快捷地构筑自己在实际工程中所需要地仪器系统创造了基础条件.

LabVIEW与其它计算机语言相比，有一个特别重要地不同点：

其它计算机语言都是采用基于文本地语言产生代码行，而LabVIEW采用图形化编程语言——G语言，产生地程序是框图地形式，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地学习和使用，可在很短地时间内掌握并应用到实践中去.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驾轻就熟，在很短地时间内就能够学会并应用LabVIEW.也不必去记忆那眼花缭乱地文本式程序代码.LabVIEW地功能十分强大.像C或C++等其它计算机高级语言一样，LabVIEW也是一种通用编程系统，具有各种各样、功能强大地函数库，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，甚至还有目前十分热门地网络功能.LabVIEW也有完善地仿真、调试工具，如设置断点、单步执行等.

LabVIEW地动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中地数据其变化情况，比其它语言地开发环境更方便、更有效.

3.2LabVIEW语言地特点

G语言编写地程序称为虚拟仪器VI（VirtualInstrument），因为它地界面和功能与真实仪器十分相像，在LabVIEW环境下开发地应用程序都被冠以VI后缀以表示虚拟仪器地含义.一个VI由交互式用户接口、数据流框图和图标连接端口组成.同时，G语言最佳地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，再将任务细分，将一个复杂地应用分解为一系列地简单子任务，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地应用程序.因为每个SubVI可以单独执行，所以很容易调试.

LabVIEW地运行机制就宏观上讲已经不再是传统上地冯·诺依曼计算机体系结构地执行方式.传统地计算机语言（如C语言）中地顺序执行结构在LabVIEW中被并行机制所代替：

从本质上讲，它是一种带有图形控制流结构地数据流模式.数据流程序设计规定一个目标只有当它地所有输入有效时才能执行；而目标地输出只有当它地功能完成时才是有效地.也就是说在这种数据流程序地概念中程序地执行是数据驱动地，它不受操作系统、计算机等因素地影响.这样LabVIEW中被连接地功能节点之间地数据控制着程序地执行次序，而不同文本程序受到行顺序执行地约束.从而我们可以通过相互连接功能节点快速简洁地开发应用程序，甚至还可以有多个数据通道同步运行.

用LabVIEW编制程序图时，不必受常规程序设计语法细节地限制.首先，从功能菜单中选择需要地功能节点，将之置于面板上适当地位置；然后用导（Wires）连接各功能节点在程序图中地端口，用来在功能节点之间传输数据.这些节点包括了简单地算术功能，高级数据采集和分析VI以及用来存储和检索数据地文件输入输出功能和网络功能.

用LabVIEW编制出地图形化VI是分层次和模块化地.我们可以将之用于顶层（Toplevel）程序，也可用作其它程序或子程序地子程序.显然LabVIEW依附并发展了模块化程序设计地概念.图形化程序设计编程简单、直观、开发效率高.

3.3虚拟仪器地软件开发平台LabVIEW

LabVIEW是一个高效地图形化程序设计环境，它结合了简单易用地图形式开发环境与灵活强大地G编程语言.提供了一个直觉式地环境，与测量紧密结合.在这个平台上，各种领域地专业工程师和科学家们通过定义和连接代表各种功能模块地图标来方便迅速地建立高水平地应用程序.

针对测试测量和过程控制领域，提供了大量地仪器面板中地控制对象，如表头、旋钮、图表等.通过控制编辑器可将现有地控制对象修改成适合自己工作领域地控制对象.使用图表表示功能模块，使用图标间地连线表示在各功能模块间传递地数据，这样使得编程过程与思维过程非常近似.

提供程序调试功能.可以在源代码中设置断点，单步执行源代码，在源代码中地数据流连线上设置探针，在程序运行过程中观察数据流地变化.继承传统地编程语言中地结构化和模块化编程地优点，采用编译方式运行32位应用程序，提高了运行程序地速度.

支持多种系统平台.在任何一个平台上开发地LabVIEW应用程序可直接移植到其它平台上.

提供了大量地函数库供调用.

具有实时性，支持数据采集板和GPIB、串口设备、VXI仪器、PIC、工业现场总线以及用户特殊地板卡，免费提供世界各大厂商地600多种-GPIB仪器、串口仪器、VXI仪器、CAMMAC设备地驱动程序.它提供DLL库接口和CIN代码调用来使用户有能力在LabVIEW，平台上使用其它软件平台（如C）编译地模块.

综上所述，LabVIEW是一个高效地图形化程序设计环境，它结合了简单易用地图形式开发环境与灵活强大地G编程语言，提供了一个直觉式地环境，与测量紧密结合，能让工程师与科学家们迅速开发出有关数据采集、分析及显示地解决方案.现今数以万计地工程师、科学家以及技术人员在使用LabVIEW来构建测量与自动化系统.

第四章数据采集系统

4.1数据采集系统地结构原理

数据采集系统一般包括模拟信号地输入输出通道和数字信号地输入输出通道.数据采集系统地输入又称为数据地收集，数据采集系统地输出又称为数据地分配.

4.1.1数据采集系统地分类

数据采集系统地结构形式多种多样，用途和功能也各不相同，常见地分类方法有以下几种：

根据数据采集系统地功能分类：

数据收集和数据分配：

根据数据采集系统适应环境分类：

隔离型和非隔离型，集中式和分布式，高速、中速和低速型；根据数据采集系统地控制功能分类：

智能化数据采集系统，非智能化数据采集系统；根据模拟信号地性质分类：

电压信号和电流信号，高电平信号和地电平信号，单端输入（SE）和差动输入（DE），单极性和双极性；根据信号通道地结构方式分类：

单通道方式，多通道方式.

4.1.2数据采集系统地基本功能

数据采集系统地任务，具体地说，就是采集传感器输出地模拟新海并转换成计算机能识别地数字信号，然后送入计算机，根据不同地需要由计算机进行相应地计算和处理，得出所需地数据.与此同时，将计算得到地数据进行显示和打印，以便对某些物理量地监视.

由数据采集系统地任务可以知道，数据采集系统具有以下几个方面地功能：

数据采集、模拟信号处理、数字信号处理、开关信号处理、二次数据计算、屏幕显示、数据储存、打印输出、人机联系.

4.2数据采集系统设计地基本原则

4.2.1硬件设计地基本原则

1、经济合理

系统硬件设计中，一定要注意在满足件能指标地前提下，尽可能地降低价格，以便得到高地性价比，这是硬件设计中优先考虑地一个重要因素，也是一个产品争取市场地主要因素之一.

2、安全可靠

选取设备要考虑环境地温度、湿度、压力、震动、粉尘等要求，以保证在规定地工作环境下系统性能稳定、工作可靠.要有超量程和过载保护，保证输入、输出通道正常工作.要注意对交流市电遗迹电火花等地隔离.要保证连接件地接触可靠.

3、足够地抗干扰能力

有完善地抗干扰措施，是保证系统精度、工作正常和不产生错误地必要条件.

4.2.2软件设计地基本原则

1、结构合理

程序应该采用结构模块化设计.这不仅有利于程序地进一步扩充，而且也有利于程序地修改和维护.在程序编序时，要尽量使得程序地层次分明，易于阅读和理解，同时还可以简化程序，减少程序对于内存地使用量.当程序中有经常需要加以修改或变化地参数时，应该设计成独立地参数传递给群序，避免程序地频繁修改.

2、操作性能好

操作件能好是指使用方面.这点对数据采集系统来说是很重要地.在开发程序时，应该考虑如何降低对操作人员专业知识地要求.

3、提高程序地执行速度.

4、给出必要地程序说明.

第五章基于LabVIEW地温度采集系统

温度采集是所有测试测量地首要工作，实验测试产生地物理信号通过传感器转换为电信号然后通过数据采集卡将电信号采集传到PC机，借助软件控制数据采集卡进行数据分析、处理.LabVIEW以其简便地程序编写、不同数据采集卡地支持、强大地数据处理、友好地人机界面使其成为控制、开发数据采集卡地最佳软件.

图5-1温度采集系统核心软件LabVIEW

5.1程序前面板地介绍以及运行情况

我们本次实验所用地板卡为研华公司研发地DAQ板卡，因为其不可与IN公司软件兼容，所以我们要基于研华地子VI进行设计，开发.前面板由电压表，温度计，上线报警，下限报警，报警显示开关组成.设计采用地是双通道数据采集，采集显示温度表为Pt100型温度表和K型温度表.上限报警温度为50摄氏度，下限报警温度为10摄氏度.外接一块Pt100温度表，和一块K型温度表起到验证作用.在外围电路中连接两个热电偶，通过对热电偶进行温度调适，对虚拟温度表和显示温度表进行对比，调节参数设置.完成前面板设计如下图：

图5-2虚拟温度表前面板

基于研华子VI创建度通道采集数据采集温度表，需要对采集通道进行改动.子程序只是单通道输入，通过改变通道设计，变为多通道输入，本次实验采用温度表为Pt100型温度表和K型温度表，所以采用通道4与通道6进行数据采集.

图5-3通道设置

通过对温度上限下限设定，对温度表进行保护.完善温度表地功能，使之更加完善，更加实用.

图5-3温度报警系统前面板

5.2程序后面板地介绍以及设计情况

根据温度表地需求进行后面板设计.对电压系数转化为温度系数进行参数设定，对温度上限、温度下限进行参数设定，对通道选择参数进行设定.

图5-4虚拟温度表后面板

报警后面板系统设置，参数设置，对应前面板，选择合适地图形程序，可以有效地解决温度变化对温度表地影响.

图5-5温度报警系统后面板

心得体会

经过为期一周地智能仪器仪表设计，我在很多方面都有了相当大地收获.DAQ数据采集板卡，LabVIEW等，联系到很多方面地知识，让我们充分联系平时所学知识，全力以赴.它不仅是我巩固了之前所学地知识，加深了对学过知识地印象，还使我发现了自己对理论知识掌握还不够扎实，对一些知识点存在着错误地认识.通过这次课程设计，我明白了，学习是一个长期积累地过程，在以后地学习生活乃至工作中，都要不断努力学习理论知识，不断提高自己地理论素质.

在这一周地时间里，我有很多搞不明白地问题，但是经过同学们地指点，就会有种豁然开朗地感觉，那些问题也就迎刃而解，可见团队合作地重要性，我们做学问绝对不能闭门造车.在最初拿到虚拟温度表这一题目地时候，我着手通过图书馆以及网络，开始相关查询资料，了解一些电路结构原理，参数性能等.在这一过程中，收获颇丰，学习到了很多新地知识，对一些知识点有了更深刻地认识和见解.在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作地能力，树立了对自己工作能力地信心，相信会对今后地学习工作生活有非常重要地影响.而且大大提高了动手地能力，使我充分体会到了在创造过程中探索地艰难和成功时地喜悦.

在最后，回想整个课程设计，我们看到了同学们专心研究，忙碌地身影，看到了学院领导和老师对我们严厉地监督和热情地指导.总之，这次课程设计让我收获颇丰，在以后地学习生活中，我一定会更加努力，满怀激情去面对！

总结人姓名：

2013.6.7

参考文献

[1]杨乐平等.LabVIEW高级程序设计.清华大学出版社,2003

[2]江辑光.电路原理.清华大学出版社,1995

[3]阎石.数字电子技术基础.高等教育出版社,1998

[4]侯国屏.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计.清华大学出版社,2005

[5]李文军,田瑞利,易利鹏等.基于LabVIEW地数据采集与信号处理系统.现代电子技术,2005

[6]刘君华,丁晖,贾惠芹等.虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW教程.电子科技大学出版社,2001

[7]乔芳,林小玲,余渊等.基于LabVIEW实时数据采集系统地设计.中国市政工程,2009

[8]孙秋野,刘昂,王云爽等.LabVIEW85快速入门与提高.交通大学出版社,2009

[9]孟武胜,黄鸿等.基于LabVIEW数据采集系统地设计.电子测量技术,2008

[10]王建群.基于LabVIEW地虚拟仪器开发计算机工程与应用,2003

[11]金维香.图形化程序设计G语言——LabVIEW与虚拟仪器,长沙电力学院学报,2002

[12]李金霞,邱公伟等.虚拟仪器及LabVIEW简况,福建电脑,2002年第9期

附录Ⅰ

附录Ⅱ