Labview毕业论文定稿zh.docx
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Labview毕业论文定稿zh
Labview毕业论文定稿—zh
摘要
目前的温度测量控制系统一般使用的都是传统仪器，传统仪器的功能都是通过硬件或者固化的软件来实现的，且每台仪器的功能及使用范围都是不可改变的，测试信息都是彼此孤立不开放的，不适合实验室的建设使用。
而虚拟仪器是通过一定的应用程序将计算机与硬件模块结合在一起的一种全新的测控仪器系统，既具备传统仪器的基本功能，又能让用户根据自己的需求变化随时定义，实现多种多样的应用需求。
本设计主要利用LabVIEW软件，设计了温度监测系统虚拟仪表。
下位机信号采集部分利用热电偶来测量温度，经三运放差动放大器放大成为标准输入信号，送AD转换器转换，单片机将转换后的数据通过串口发送给上位机，上位机读取串口数据，完成字符串到数字量的转换并显示。
同时，系统实现了报警，数据保存等功能。
论文主要介绍了该系统的总体设计方案及软件、硬件设计方案，其中包括串行通讯、数据处理、数据保存、温度的越限报警等功能，并且介绍了各部分的具体实现方法。
关键词：
虚拟仪器；LabVIEW；串口通信
Abstract
Thecurrentcontrolsystemoftemperaturemeasurementaregenerallyusedintraditionalinstruments,traditionalinstrumentsofthefunctionsaretoachievebyhardwareorcuredsoftware,andfunctionanduseofeachinstrumentisnotunmodifiable.Theirmeasuredinformationisisolatedandnotopened,whichisn'tsuitableforuseoflaboratoryconstruction.Thevirtualinstrumentisacompletelynewmeasurementandcontroledinstrumentationsystemwhichcancontactcomputerandhardwaremodulestogetherbycertainapplication.Itisnotonlywiththebasicfunctionsoftraditionalinstruments,butalsoallowsuserstodefinetheirneedschangeatanytimetoachievediverseapplications.
Inthepaper,IdesignatemperaturecontrolvirtualinstrumentswithLabVIEWsoftware.Thepapermainlyintroducestheoveralldesignofthesystemandsoftwareandhardwaredesignscheme.Itincludesserialcommunications,dataprocessing,datasaving,themorelimitedtemperaturealarmandotherfunctions.Anditintroducesthevariouspartsoftheconcreteimplementation.
Keywords:
Virtualinstrument;LabVIEW;SerialCommunication
1绪论
1.1课题的研究目的及意义
温度是工业生产和科学研究实验中的一个非常重要的参数，物体的许多物理现象和化学性质都是和温度相关的，许多生产过程都是在一定的温度范围才能进行，需要测量温度和控制温度的场合极其的广泛。
目前的温度测量控制系统中一般使用的都是传统仪器，传统仪器的功能都是通过硬件或者固化的软件来实现的。
这种框架结构决定了它只能由仪器生产厂家来定义、制造，而且功能和规格一般都是固定的，用户无法随意改变其性能和结构，不适合在实验室中使用。
虚拟仪器与传统仪器比较，它具有所需的硬件较少、购置费用低、可重复利用；仪器的关键在软件、可自行定义、技术更新非常快、开发与维护费用较低、系统开放、方便与外设、网络连接等一系列的优点。
因此虚拟仪器技术在国内外备受关注，近十年来，虚拟仪器在国际上的发展是非常迅速的，在发达国家应用已经十分普及。
目前正朝着总线与驱动程序标准化；硬件、软件模块化，硬件模块即插即用；软件编程平台图形化、通用化、智能化和网络化的方向发展。
传统的测控仪器是以手工操作、单台仪器独立工作、人工判断和记录分析信息为基本的设计思想，因此每台仪器的功能及使用范围是不可改变的，每台仪器的测试信息是彼此孤立不开放的。
当前工业的发展对测控仪器的要求越来越高，不但要求仪器能够完成实时在线测试，而且还希望其能够适应多种多样的使用要求，例如随时可以改变检测对象、完成不同测试任务和升级换代，建立起一个可掌握生产过程信息资料，并能以监测、分析、优化和控制作为手段，及时的人工决策和控制为测控系统提供依据。
系统费用需求应满足用户的实际情况，并且系统功能能随未来企业发展的需要方便地提升和扩充。
由此可以看出，测控领域主要面临的几大问题：
（１）产品更新换代的速度太快，彼此之间的兼容性较差；
（２）对测控系统集成入网、并能通过网络访问和交互的需求日益迫切；
（３）难以满足用户不同层次和不断变化的要求。
目前，电子测量仪器发展中出现的虚拟仪器概念己经逐步被众多领域所接受，对实现柔性的测控系统具有明显的推动作用。
利用现有的计算机和适当的仪器硬件和应用软件（如LabVIEW）构成虚拟仪器，使其既具有传统仪器的基本功能，又能让用户根据自己的需求变化随时定义，实现多种多样的应用要求。
虚拟仪器不但灵活可变、功能强大，而且使用简单方便，便于技术升级更新，系统的使用和维护费用极低，同时具有很高的可靠性。
1.2课题的国内外研究现状
虚拟仪器目前在国外发展的速度非常快，以美国国家仪器公司（NI公司）为代表的一些厂商己经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品。
近年来，世界各国的虚拟仪器公司也都开发了许多虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些公司提供的开发平台软件组建适合自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。
最早和最具影响力的开发软件，是Nl公司的LabVIEW和Labwindows/CVI。
LabVIEW采用的是图形化编程方案，是非常实用的开发软件；Labwindows/CVl是为熟悉C语言的丌发人员设计的、在Windows环境下的标准ANSIC开发软件。
除了上述的几种开发软件之外，美国HP公司的HP—VEE和HPTIG软件，美国Tektronix公司的Ez.Test和Tek.TNS软件，以及美国HEMData公司的Snap.Master软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发软件。
当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括GPIB通用接口总线、传统的RS.232串行总线、PXI总线、VXI总线，以及己经被PC机广泛采用的USB总线和IEEEl394总线。
世界各国的公司，特别是美国的NI公司，为使虚拟仪器能够适应各种总线的配置，开发了大量的软件以及适应要求的硬件，可以灵活地组建各种不同复杂程度的虚拟仪器自动测控系统。
虚拟仪器的开发厂家，为了扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数据处理、表达模式及其变换方面也做了许多工作，发布了各种软件，建立了数据处理的高级分析库和开发工具库（例如测量结果的谱分析、傅立叶变换、各种数字滤波器、卷积处理和相关函数处理、微积分、峰值和阈值检测、波形发生、回归分析、数值运算、时域和频域分析等），使虚拟仪器发展成为能够组建极为复杂自动测试系统的仪器系统。
在国内已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器，包括复旦大学、上海交通大学、东南大学、华中科技大学、四川大学等。
近几年来这些学校在原有的基础上，又开发了一批新的虚拟仪器系统用于科研和教学。
其中，四川大学的教师基于虚拟仪器的设计思想，研制了“航空电台二线综合测试仪”将8台仪器集于一体，组成虚拟仪器系统，使用灵活方便。
清华大学汽车系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检验，主要用于检测发动机的功率特性、负荷特性等。
此外，国内己有几家企业在研制PC虚拟仪器，哈工大仪器电子有限责任公司就是其中之一，其主要产品有任意波形发生器及频率计系列、数字存储示波器系列、多通道大容量波形记录仪系列等。
国内专家预测：
未来几年内，我国将有50%的仪器为虚拟仪器。
国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时检测。
随着微型计算机技术的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统仪器而成为测试仪器的主流。
虚拟仪器技术的提出与发展，标志着二十一世纪自动控制与电子测量仪器领域技术发展的一个重要方向。
1.3课题研究的主要内容
本文以温度为研究对象，对温度的变化进行了详细的研究，为实验室的建设提供了很好的平台。
本文主要进行了一下几个方面的工作：
（１）论述了温度监测虚拟仪表的研究目的及意义，温度监测虚拟仪表的国内外研究现状及本课题研究的主要内容。
（２）简要介绍了LabVIEW的概念、组成和功能以及应用现状，又虚拟仪器的概念、主要特点等。
（３）温度监测虚拟仪表的设计思路及方案，对系统软件开发平台进行了选择。
（４）介绍了温度监测系统虚拟仪表的硬件组成及个硬件的电路设计。
（５）介绍了温度监测系统虚拟仪表的软件设计及各个子模块的设计方案。
（６）对所做的工作进行了总结，对未来的研究工作做出了展望。
2LabVIEW与虚拟仪器简介
2.1LabVIEW的简介
2.1.1LabVIEW的概念
LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）的简称，是目前功能最强、应用最广、发展最快的图形化软件开发环境，得到了工业界和学术界的普遍认可和好评。
它可以把复杂、繁琐、费时的文本语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能（图形），用线条将各种功能（图形）连接起来的简单图形编程方式，为没有编程经验的用户进行编程、调试提供了简单方便、完整的坏境和工具，尤其适合于从事科研、开发的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，能够以其直观简便的编程方式、众多的源代码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户能够快捷地构筑自己在实际应用中所需要的仪器系统创造了基础条件。
而且LabVIEW与其它计算机语言相比，有一个特别重要的特点：
其它计算机语言都是采用文本语言产生代码行，而LabVIEW采用图形化编程语言——G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、工程技术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用，可以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、工程技术人员和测试技术人员来说，编程就像设计电路图一样，因此，硬件工程师、工程技术人员和测试技术人员们在较短的时间内就能够学会并应用LabVIEW，而不必去记忆那眼花缭乱的文本式程序代码。
LabVIEW是一个最终面向用户的工具，通过LabVIEW用户能够增强自己的科学和工程系统的能力，实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。
使用LabVIEW进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。
LabVIEW是一个工业标准的图形化开发环境，它结合了图形化编程方式的高性能与灵活性，以及专为测试、测量与自动化控制应用设计的高端性能与配置功能，能为数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示等各种应用提供必要的开发工具[1]。
像C和C++等其它计算机高级语言一样，LabVIEW也是一种通用编程语言，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等，甚至还有网络功能，LabVIEW也有完善的仿真、调试工具，如设置断点、单步执行等。
LabVIEW具有动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据流向及其变化情况，比其它语言的开发环境更方便、更有效。
LabVIEW的运行机制从宏观上讲已经不再是传统上的冯·诺依曼计算机体系结构的执行方式。
传统的计算机语言中的顺序执行结构在LabVIEW中被并行机制所代替：
从本质上讲，它是一种图形控制流结构的数据流模式。
数据流程序设计规定，一个函数只有当它的所有输入有效时才能执行；而目标的输出，只有当它的功能完成时才是有效的。
也就是说，在这种数据流程序的概念中，程序的执行是数据驱动的，它不受操作系统、计算机等因素的影响，这样，LabVIEW中被连接的功能节点之间的数据流就能控制程序的执行次序，而不像文本程序受到行顺序执行的约束。
从而，我们可以通过相互连接功能节点快速地开发应用程序，甚至还可以有多个数据通道同步运行。
LabVIEW的核心是VI。
VI有一个人机对话的用户界面，即前面板（FromPanel）和类似于源代码功能的程序图（Diagram）。
前面板接收来自程序图的指令。
在VI的前面板中，输入控件（Controls）模拟了仪器的输入装置并把数据提供给VI的程序图，而显示控件（Indicators）模拟了仪器的输出装置并显示由程序图获得或产生的数据。
当把一个输入控件或显示放置到前面板上时，LabVIEW在程序图中相应地放置了一个端El（Terminals），这个从属于输入控件或显示控件的端口不能随意删除，只有删除它对应的输入控件或显示控件时它才随之一起被删除。
用LabVIEW编制框图程序时，不必受常规程序设计语法的限制。
首先，从功能菜单中选择需要的功能节点，将之置于面板上合适的位置；然后用线（Wires）连接各功能节点在程序图中的端口，用来在功能节点之间传输数据，这些节点包括了简单的算术功能，高级数据采集和分析以及用来存储和检索数据的文件输入输出功能和网络功能。
用LabVIEW编制出的图形化VI是分层次和模块化的，我们可以将之用于顶层程序，也可用作其它程序或子程序的子程序，显然LabVIEW依附并发展了模块化程序设计的概念。
2.1.2LabVIEW的组成及功能
G语言编写的程序称为虚拟仪器VI（VirtualInstrumention），因为它的界面和功能与真实的仪器十分相像，在LabVIEW环境下开发的应用程序都被冠以.VI后缀，以表示虚拟仪器的含义。
一个VI由交互式用户接口、数据流程和图标连接端口组成。
各部分的功能如下：
（１）VI的交互式用户接口
因为与真实物理仪器面板相似，又称作前面板。
当在启动屏幕上选择NEWNI时，屏幕上出现一个无标题的面板窗口，面板窗口显示VI的前面板，框图程序窗口用来创建VI的框图程序。
前面板是用户接口，用于像程序中输入各种控制参数，并以数字或图形等各种形式输出测试结果，我们可以把它想象为传统仪器的面板，面板上自然会有表头、按钮、拨盘等各种元件。
（２）VI从数据框图接受指令
框图是一种解决编程问题的图形化方法，实际上是VI程序代码，前面板和框图程序由一些图形化对象集组成，这些对象是LabVIEW编程元素。
框图程序含有与前面板控件和指示器对应的连线端子、常数、函数、子VI、结构和把数据从一个对象传送到另一个对象的线，程序框图程序的源代码，我们可以把它想象为传统仪器机箱里用来实现仪器功能的零部件。
（３）VI模块化特性
一个VI既可以作为上层独立程序，也可以作为其他程序（或子程序）的子程序。
当一个VI作为子程序时，称作SubVI，VI图标和连接端口的功能就像一个图形化参数列表，可在VI与SubVI之间传递数据。
正是基于VI的上述特性，G语言最佳的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，再将每个任务细分，将一个复杂的应用分解为一系列简单的子任务，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的应用程序。
因为每个SubVI可以单独执行，所以很容易调试。
G语言是LabVIEW的核心，熟练掌握G语言的编程要素和语法规则，是开发高水平LabVIEW应用程序最重要的基础。
换句话说，要真正掌握LabVIEW开发工具，必须把它作为编程语言而不仅仅是编程环境。
LabVIEW尽可能的利用工程技术人员所熟悉的术语，图表和概念，是一种面向最终用户的开发工具；它可以增强工程人员建立自己的科学和工程系统的能力，可为实现仪器编程和数据采集系统提供便捷途径。
作为一个完整的图形化开发平台，LabVIEW具备了一下的几个特性。
（１）可读性。
LabVIEW是分层结构，因此只要在一个屏幕显示其完整的顶层虚拟仪器即可，其基本的数据结构（序列、条件、While和For循环）让代码的结构清晰，基于原语的数据结构的数量较少使得用户可以自定义代码结构，数据流程图的表现方式只有常识经验的人就能读懂即使最难理解的程序。
（２）可写性。
LabVIEW可以将用户界面的源代码分开设计，即可以先创建令人满意的用户界面，然后开始创建操作用户界面的源代码，在创建界面和功能的时候可以让用户参与进来，降低了收集用户需求的成本。
LabVIEW是一种分层结构语言，可以通过将程序分成许多程序块来控制复杂度，这些程序块或子VI的接口或结构都可以在分成显示中清晰的看到。
（３）可编辑性。
面向对象编程可在不影响现有功能的情况下添加功能（通过继承来实现），但代价是可读性降低。
而在LabVIEW中，控件与模板和VI模板可以结合使用，利用MergeVI可以重复使用代码段，还可以使用许多标准软件包的示例软件。
（４）可重用行。
LabVIEW提供了大量的可重用代码，所有VI都可以通过设置输入和输出端口进行定义。
在LabVIEW开发环境中可以调用自己和其他人的VI程序，并像LabVIEW的内嵌功能一样方便使用，自定义的数据类型也可以进一步提高可重用性。
（５）可理解性。
编程的过程就是解决问题的过程。
在LabVIEW中，利用图形来思考可以提高头脑的抽象水平，将编程工作变得简单。
正是由于LabVIEW具有以上特性，和其他文本编程语言相比，他有着独特的优势。
具体如下：
①简单的方案
LabVIEW使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，提供大量仪器面板中的控制对象。
并按其易用的方式将复杂的任务包装起来，是复杂任务得到简化，使用户非常容易的开发出自己的系统，并将其立即投入使用。
②灵活的仪器
LabVIEW可以与一般的数据采集卡及仪器设备加以组合，设计出灵活的虚拟仪器，并可以随时将仪器系统移植到最适合用户的平台上使用。
③方便的程序调试
LabVIEW具有一些专用程序开发工具箱，可以在源代码中设置断点单步执行源代码，同时在连线上还设置探针，动态执行程序运行过程中数据流的变化。
④完整的开发环境
LabVIEW软件包中包含了功能强大的数据采集、分析和表达的控件，还提供了具备多线程和用于最大限度提高系统性能的优化型编译器，不仅简化了开发过程，还可以生成按编译速度执行的可复用代码。
此外，LabVIEW还可以生产在没有LabVIEW环境的目标机器上单独运行的可执行文件。
⑤快速的开发
LabVIEW为用户提供了实现仪器编程与数据采集系统的便捷途径。
通过仪器驱动程序可以与大多数仪器进行通讯，简化了仪器的控制，缩短了测试开发时间，提高了生产效率。
⑥开放的平台
LabVIEW提供了很多接口和节点，使用户能在它的平台上使用其他软件编译的模块。
LabVIEW具备与多种文本类语言集成的功能，它可以和常见的C语言，MATLAB语言混编，可以让熟悉文本语言的编程人员方便地把过去的编程经验和方法集成到LabVIEW的开发中。
2.1.3LabVIEW的应用现状
LabVIEW广泛应用于包括自动化、通信、半导体、电路设计、航空和生产、过程控制及生物医学在内的各种工业领域中，用来提高应用系统的开发效率，这些应用涵盖了产品的研发、测试、生产到后期服务的各个环节。
在系统设计中协调使用LabVIEW，共享软件及信息资源，可以节约大量的时间和金钱。
LabVIEW的应用大致可分为以下几个主要方面：
（１）应用于生产检测
LabVIEW已经成为用于测试测量领域的工业标准化开发工具。
LabVIEW结合NITestStand测试执行环境和该领域中最大的仪器驱动程序库，为整个系统建立稳固完整的检测管理平台。
（２）应用于研究与分析
在汽车、能源研究和其它众多工业领域的应用系统中进行实时数据的分析和处理、对于图像处理、时频分析、小波和数字滤波的应用系统中均可用到LabVIEW，LabVIEW特别提供各种附加工具包以加速系统的开发。
（３）应用于过程控制和工厂自动化
可用LabVIEW来建立过程控制和工业自动化应用系统。
在LabVIEW平台下，可以实现多通道的高速测量和控制，对于大型复杂的工业自动化和控制系统，有专门的LabVIEW数据记录和监控模块，用于监控多通道I/O、与工业控制器和网络进行通信，以及提供基于计算机的控制。
（４）应用于机器监控
对于要求有实时控制、视觉和图像分析或运动控制的机器监视和预先维护的应用系统，LabVIEW是理想的选择。
LabVIEW系列产品，包括用于可靠性、确定性控制的实时LabVIEW软件（LabVIEWRT），能够快速、准确的建立起功能强大的机器监视和自动控制应用程序。
（５）应用于测控系统
LabVIEW有着强大的功能和广阔的应用前景，但就目前国内的现状来看，大多数的用户还是把LabVIEW作为虚拟仪器，仅仅利用它来进行数据的处理、分析和显示，忽略了LabVIEW强大的数据采集和控制功能，特别是基于PC机的实时控制，在国内应用较少。
2.2虚拟仪器系统概述
随着计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术的飞速发展，仪器技术领域发生了巨大的变化。
从最初的模拟仪器到现在的数字化仪器、嵌入式系统仪器和智能仪器；新的测试理论、测试方法不断应用于实践；新的测试领域随着学科门类的交叉发展而不断涌现；仪器结构也随着设计思想的更新而不断发展。
仪器技术领域的各种创新积累使现代测量仪器的性能发生了质的飞跃，导致了仪器的概念和形式发生了突破性的变化，出现了一种全新的仪器概念——虚拟仪器。
虚拟仪器把计算机技术、电子技术、传感器技术、信号处理技术、软件技术结合起来，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，以满足各种需求和各种环境，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、传送以及存储方面的限制。
2.2.1虚拟仪器的概念
国外专家从不同角度描述了虚拟仪器。
总的来说，虚拟仪器（VirtualInstrument）是指通过应用程序将计算机与功能化模块结合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的仪器一样，从而完成对被测量数据的采集、分析、处理、显示、存储和打印。
虚拟仪器的实质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监测结果：
利用计算机强大的软件功能实现信号的运算、分析和处理；利用I/O接口设备完成信号的采集与调理，从而完成各种测试功能的计算机测试系统，使用者用鼠标或键盘操作虚拟界面，就如同使用一台专用测量仪器一样。
因此，虚拟仪器的出现使测量仪器与计算机的界限模糊了。
虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两方面的含义：
（１）虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的：
由各种开关
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