基于LabVIEW的虚拟温度信号分析仪设计Word文件下载.docx
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预期目标
1．通过随机数产生模拟温度；
2．对采集来的温度进行实时显示；
3．对采集到的温度进行记录分析；
4．当发现采集到得温度超过设定上下限时发出警报。
成果形式
1．完整的关于如何采集与分析温度的LabVIEW程序。
2．关于如何实现温度的采集与分析的论文一篇；
设计（撰写）地点
起止时间
2009年11月18日至2010年5月4日
指导单位
指导教师
年月日
审核意见
审核签名
年月日
毕业设计（论文）成绩评定表
设计（撰写）过程
评语：
年月日
成绩
论文评阅
评阅教师：
论文答辩
答辩组长：
总分
审核人：
摘要
温度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。
温度控制失误就可能引起生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题。
因此对温度的检测的意义就越来越大。
温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，得到了广泛应用。
在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。
使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制，保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。
本文首先介绍了其它利用传感器来检测温度的方法，引出虚拟仪器LabVIEW的相关知识。
并对它们的发展历史、软件的优缺点等做了简单的介绍，利用labview设计了一个温度监测和分析系统，实现了数据采集、信号运算和信号分析（时域分析）等功能。
其中信号分析包括实时显示波形、频率测量、曲线拟合以及相关性分析。
数据记录包括各种温度产生时间、最大最小温差等等。
关键词：
虚拟仪器；
LabVIEW；
温度测量；
数据统计
LABVIEW-basedvirtualdesignofthetemperaturesignalanalyzer
Abstract
Temperatureisanimportantphysicalquantitybecauseitdirectlyaffectsthecombustion,chemicalreactions,fermentation,roasting,calcining,distillation,concentration,extrusion,moldandairflow,andotherphysicalandchemicalprocesses.Temperaturecontrolfailurecouldleadtoproductionsafety,productquality,productyieldandotherissues.Hencethesignificanceofthedetectionoftemperatureontheincrease.Temperatureacquisitionandcontrolsysteminindustrialproduction,scientificresearchandareasofpeople'
slives,hasbeenwidelyused.Intheindustrialproductionprocess,oftenrequirestricttemperaturecontrol,toenableproductiontoproceedsmoothly,Qualityoftheproductscanbefullyguaranteed.Automatictemperaturecontrolsystemcancontrolthetemperatureoftheproductionenvironmenttoensuretheproductionofautomationandintelligenceofasmooth,safe,therebyimprovingproductionefficiency.
Thispaperintroducestheuseofsensorstodetectthetemperatureofothermethods,leadstotherelevantknowledgeLabVIEWvirtualinstrument.Andtheirhistory,advantagesanddisadvantagesofsuchsoftwaretodoasimpleintroduction,usinglabviewdesignaTemperatureMonitoringandanalysissystemofdatacollection,signalanalysiscomputingHesignals（time-domainanalysis）capabilities.Onesignalanalysis,includingrealtimedisplayofwaveform,frequencymeasurement,curvefittingandcorrelationanalysis.Temperaturedatarecordsincludinggenerationtime,maximumandminimumtemperatureandsoon.
Keywords:
virtualinstruments;
LabVIEW;
temperaturemeasurement;
datastatistics
1绪论
各个行业的社会生产过程中，都离不开测试测量仪器的应用，理论上，使用传统硬件仪器的地方都可以使用虚拟仪器来代替，在传统测试测量仪器仪表使用比较频繁的机械制造业、电子和微电子等行业，虚拟仪器的技术已经得到广泛应用，技术很成熟，现成产品很多。
虚拟仪器技术应用的新开发软件不断涌现，使该技术的应用更加广泛。
1.1温度检测的意义
1.2常见温度检测方法
温度的检测方法有多种，常用的有电阻式、热电偶式、PN结型、辐射型及石英谐振型等，它们都是基于温度变化引起其物理参数（如电阻值，热电势等）的变化的原理随着测量技术的不断发展，出现了适用于高温、强磁场干扰等恶劣环境的光纤温度传感器，下面简单对其中一部分予以介绍：
（1）电阻温度传感器
这种传感器以电阻作为温度敏感元件，根据敏感材料不同又可分成热电阻式和热敏电阻式热电阻式一般用金属材料制成，如铂、铜、镍等热敏电阻是以半导体材料制成的陶瓷器件，如锰、镍、钴等金属的氧化物与其它化合物按不同配比烧结而成。
（2）热电偶温度传感器
热电偶测温是基于“热电动势效应”所谓热电动势效应是指A、B两种不同的导体组成闭合回路,若两结点温度不同则在回路中产生电动势，形成热电流A、B两导体的结点（热端）温度为T，而另一端（冷段）温度为To则热电动势为E（T,To）=（T-To）（lnNa/Nb）k/e
其中k为波尔兹曼常数，e为电子电荷，Na，Nb为与材料有关的常数，测量E（T，To）的大小便能确定被测温度T。
（3）PN结型及集成电路式温度传感器
半导体PN结测温是近几年来发展起来的一种新型测温手段，众所周知,PN结的反向电流随温度呈指数规律变化，而当正向电流不变时，其正向压降随温度近似线性变化，现代的PN结温度传感器都是利用正向压降进行测温。
（4）光纤温度传感器
这是70年代发展起来的新型传感器，它是将光源的光经光纤送入调制区,在调制区内被测参数（温度）与进入调制区的光相互作用使光的光学性质（如强度、波长、频率等）发生变化而成为被调制的信号光，再经光纤送入光检测器及解调器而获得被测参数，此种方法也适于其它参数的测量。
根据传感原理不同，光纤温度传感器可分成功能型和传输型功能型传感器中光纤既是传光的介质又是温度敏感元件，因此结构巧妙、简洁，但既满足传输要求又满足敏感要求的光纤制作难度大，所以只在有特殊要求的场合使用。
传输型传感器中光纤只起传光的作用，对温度的敏感作用由其它元件来实现，因此结构较前者复杂，但可通过分别选择性能优良的光纤和敏感元件而达到较高的性能。
1.3本论文研究的内容
本课题的研究内容是基于LABVIEW的温度检测分析系统的实现。
针对目前温度分析系统的发展现状和研制情况，本设计主要完成对温度的采集、监测、分析、显示。
不但能实现温度的智能化监测，而且能为事后分析鉴定提供可靠的理论依据。
本文首先讨论了本设计的产生和应用背景，介绍了虚拟仪器的基本内容以及虚拟仪器的产生和发展，并介绍了LabVIEW的相关内容，接着讨论了系统的主要功能及总体结构，即系统采集显示数据，以及相关分析函数。
1.4本章小结
本章主要分析了温度检测的意义，并对传统方法利用各种传感器来检测温度做了简单介绍，提出自己系统设计研究的内容和整体思路及要实现的效果。
2虚拟仪器的基本理论
2.1虚拟仪器的概念
虚拟仪器（virtualinstrument）的概念是美国NI公司（NationalInstrument）提出来的。
所谓虚拟仪器就是基于计算机技术而发展起来的仪器测量技术，是计算机技术和仪器技术紧密结合的产物。
他将计算机作为仪器的硬件平台，借助计算机强大的数据处理能力，将仪器的专业功能和操作面板在计算机界面实现。
在计算机上形成与仪器基本相同的系统，更方便实现修改测试仪器。
LabVIEW（aboratoryvirtualinstrumentengineeringworkbench即实验室虚拟仪器工作平台）也是美国NI公司推出的，它集合了简单易用的图形式开发环境与灵活的G语言，所见即所得的可视化技术为建立人机界面提供了一种简易的编程环境。
2.2虚拟仪器和传统仪器的比较
虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。
尤其在科研、开发、测量、检测、计量、测控等领域更是不可多得的好工具。
虚拟仪器技术先进，十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。
它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；
它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程；
它集成方便，不但可以和高速数据采集设备构成自动测量系统，而且可以和控制设备构成自动控制系统。
在仪器计量系统方面，示波器、频谱仪、信号发生器、逻辑分析仪、电压电流表是科研机关、企业研发实验室、大专院所的必备测量设备。
随着计算机技术在测绘系统的广泛应用，传统的仪器设备缺乏相应的计算机接口，因而配合数据采集及数据处理十分困难。
而且，传统仪器体积相对庞大，多种数据测量时常感到捉襟见肘，手足无措。
我们常见到硬件工程师的工作台上堆砌着纷乱的仪器，交错的线缆和繁多待测器件。
然而在集成的虚拟测量系统中，我们见到的是整洁的桌面，条理的操作，不但使测量人员从繁复的仪器堆中解放出来，而且还可实现自动测量、自动记录、自动数据处理。
其方便之极固不必多言，而设备成本的大幅降低却不可不提。
一套完整的实验测量设备少则几万元，多则几十万元。
在同等的性能条件下，相应的虚拟仪器价格要低二分之一甚至更多。
虚拟仪器强大的功能和价格优势，使得它在仪器计量领域具有很强的生命力和十分广阔的前景。
在专用测量系统方面，虚拟仪器的发展空间更为广阔。
环顾当今社会，信息技术的迅猛发展，各行各业无不转向智能化、自动化、集成化。
无所不在的计算机应用为虚拟仪器的推广提供了良好的基础。
虚拟仪器的概念就是用专用的软硬件配合计算机实现专有设备的功能，并使其自动化、智能化。
因此，虚拟仪器适合于一切需要计算机辅助进行数据存储、数据处理、数据传输的计量场合。
测量与处理、结果与分析相脱节的面貌将大为改观。
数据的拾取、存储、处理、分析一条龙操作，既有条不紊又迅捷快速。
推而广之，一切计量系统，只要技术上可行都可用虚拟仪器代替，由此可见虚拟仪器应用空间是多么的宽广。
2.3虚拟仪器的结构
虚拟仪器通常是由计算机、模块化功能硬件和应用软件这三部分构成。
1．虚拟仪器的硬件构成
计算机是虚拟仪器的核心,主要完成数据处理和结果的显示。
硬件主要完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。
虚拟仪器根据其模块化功能硬件不同,有多种构成方式：
第一，基于数据采集卡的虚拟仪器，是以信号调理电路、数据采集卡（DAQ）及PC机为仪器硬件平台，采用PCI或ISA计算机总线，将DAQ直接插入PC机的相应标准的总线扩展插槽。
因此，这种虚拟仪器又叫PCI-DAQ/PCI插卡式虚拟仪器。
第二，基于串行总线仪器的虚拟仪器，是由Serial标准总线仪器及PC机为仪器硬件平台，包括符合RS-232/RS422标准的PLC和单片机系统。
第三，基于通用接口总线GPIB接口的虚拟仪器，是以GPIB接口仪器、GPIB接口卡及PC机为仪器硬件平台，GPIB仪器具有独立的仪器操作界面，可以脱离计算机使用，也可以通过标准GPIB电缆连接计算机实施程序控制。
第四，基于VXI仪器的虚拟仪器，是以VXI（VMEbusextensionforinstrume-ntation）标准总线仪器模块及PC机为仪器硬件平台，由主机箱、控制器和仪器模块构成。
VXI控制器包括嵌入式PC控制、嵌入式工作站控制器和外置工作站控制器，可根据测试功能的不同要求来选用。
第五，基于PXI仪器的虚拟仪器，它是以PXI（PCIextensionforinstrumentation）标准总线仪器模块及PC机为仪器硬件平台，PXI总线方式是在PCI总线内核技术上增加多板同步触发总线和参考时钟技术规范和要求形成。
标准的PXI模块化仪器系统有8个插槽，还可与CompactPCI交互操作，可与GPIB或VXI集成，组成大规模、多用途系统。
第六，基于现场总线设备的虚拟仪器，是以Fieldbus标准总线仪器及PC机为仪器硬件平台。
无论上述哪种形式的虚拟仪器，都是通过应用软件将仪器的模块化功能硬件与各类计算机相结合的，其中基于GPIB、VXI、PXI的方案主要适合构成大型高精度集成测试系统；
PCI-DAQ/PCI、串行口方案主要适合构成普及型的廉价测试系统；
现场总线方案主要适合构成大规模的网络测试系统。
如测试任务需要，也可将上述几种方案结合构成混合测试系统。
2．虚拟仪器的软件构成
虚拟仪器最核心的技术是软件，使原来需要硬件实现的功能软件化，以便最大限度地降低系统成本，增强系统功能与灵活性。
虚拟仪器软件的本质是进行数据处理。
虚拟仪器软件的数据处理过程可以分为两种：
一是自下而上的数据采集、处理到最终显示；
一是自上而下的用户交互、指令操作到仪器控制。
因此，可以把虚拟仪器软件划分为3个层次：
虚拟输入/输出层、虚拟仪器驱动层和虚拟仪器应用软件层。
软件层次对外定义单一的调用接口，各个软件层次之间通过接口进行数据传送。
采用单一接口的好处是对外隐藏了软件层次的内部细节，无论采用什么实现方法，做什么样的修改，只要接口不变就不会影响软件的其他部分。
第一，虚拟输入/输出层。
是为虚拟仪器驱动层提供信息传递的底层软件，是实现开放、灵活的虚拟仪器的基础。
虚拟输入/输出层的功能是直接对仪器进行控制，完成数据读写。
由于仪器硬件的种类繁多，为了保证硬件的“即插即用”虚拟输入/输出层需要提供独立于硬件的I/O接口。
第二，虚拟仪器驱动层。
是连接虚拟仪器应用软件与虚拟输入/输出的纽带和桥梁,其功能是为虚拟仪器应用软件层提供抽象的仪器操作集。
对于虚拟仪器应用软件来说，对仪器的操作是通过调用虚拟仪器驱动提供的单一接口来实现的，而虚拟仪器驱动又是调用虚拟输入/输出所提供的单一接口来实现的。
第三，虚拟仪器应用软件层。
直接面对操作用户，提供了快捷、友好的测控操作界面，以及图形、图表等数据显示方式。
它只对虚拟仪器驱动进行调用，本身不进行任何数据处理。
对于虚拟仪器应用软件的开发者来说，在不了解仪器内部操作与实现的情况下，也可以进行虚拟仪器应用软件的设计和开发。
在软件层次化的基础上，就可以把各层封装为不同的模块组件。
构造虚拟仪器的过程就是将各组件组合在一起，当功能发生改变和更新仪器硬件时，只要调用、添加或重组各模块组件见，就能构造出新的虚拟仪器，将仪器使用的主动权真正交给了用户，虚拟仪器的灵活性也就得到了充分的体现。
2.4虚拟仪器的分类
虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型：
第一类，PC总线——插卡型虚拟仪器
这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如LabVIEW相结合。
Labview/cvi是基于文本编程的程序员提供高效的编程工具，通过三种编程语言VisualC++,VisualBasic,Labview/cvi构成测试系统，它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。
但是受PC机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。
另外，ISA总线的虚拟仪器已经淘汰，PCI总线的虚拟仪器价格比较昂贵。
第二类，并行口式虚拟仪器
最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。
仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。
美国LINK公司的DSO-2XXX系列虚拟仪器,它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。
由于其价格低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。
第三类，GPIB总线方式的虚拟仪器
GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器早期的发展阶段。
它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的GPIB系统由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。
在标准情况下，一块GPIB接口可带多达14台仪器，电缆长度可达40米。
GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很多方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。
GPIB测量系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。
第四类，VXI总线方式虚拟仪器
VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。
由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。
经过十多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。
有其他仪器无法比拟的优势。
然而，组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。
第五类，PXI总线方式虚拟仪器
PXI总线方式是PCI总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的，增加了多板发总线，以使用于相邻模块的高速通讯的局总线。
PXI的高度可扩展性。
PXI具有8个扩展槽，而台式PCI系统只有3-4个扩展槽，通过使用PCI—PCI桥接器，可扩展到256个扩展槽，台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来的虚拟仪器平台。
2.5本章小结
在本章主要引出虚拟仪器及其相关知识，重点探讨了虚拟仪器的结构、概念和分类，并对先进的虚拟仪器和传统仪器做了比较，下一章我们将进入到本温度采集系统的软件设计部分。
3温度检测系统的软件设计
3.1LabVIEW概述
作为基于图形化编程语言的开发环境，LabVIEW自然、直观、简洁的程序开发方式大大降低了学习难度。
开发者可以通过各种交互式的控件、话框、菜单、及函数模块进行编程。
所需做的只是将这些VI模块拖拉到程序框图中，并定义它在应用程序中的功能。
最后将这些控件或VI模块连接起来即可完成仪器设计。
3.1.1LabVIEW的特点
LabVIEW的主要特点可以概括如下：
●图形化的仪器编程环境，它使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，使用大多数工程师索熟悉的数据流程式的语言编写程序，被誉为“工程师和科学家的语言”。
●内置的程序编译器，使运行速度加快。
●灵活的程序调试手段，可以在源代码中设置断点，单步运行，在数据流上设置探针，加亮执行。
其中最最具特色的是“加亮执行”和“设置探针”，前者用于跟踪程序运行过程中的数据流，后者用于在程序运行过程中在线显示数据值。
●LabVIEW提供了从底层VXI、GPIB、串口及数据采集板的控制子程序到大量的仪器驱动程序，从基本的功能函数到高级分析库，涵盖了仪器设计中几乎所需要的函数。
●支持多种系统平台，平台之间的程序可以直接进行移植。
●提供CLF（calllibraryfunction）功能和CNI（codeinterfacenode）功能，可以直接调用其他软件平台编译的模块。
●支持TCP/IP、DDE等功能。
此外，LabVIEW带有附加的软件包，如磁盘管理。
自动测试、控制与仿真、信号处理、图形获得与处理、数值分
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