智能仪器与虚拟仪器综合设计.docx

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智能仪器与虚拟仪器综合设计

第一章绪论

1.1虚拟仪器概述

测量仪器发展至今，大体经历了四代历程，即模拟仪器、分立元件式仪器、数字化仪器和智能仪器。

由于微电子技术、计算机技术、通信技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经突破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用已经发生了质的变化，其中计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧密地结合成一个有机整体，导致仪器的结构、概念和设计观点等也发生了突破性的变化。

在这种背景下，美国国家仪器公司（NationalInstruments）在20世纪80年代最早提出虚拟仪器（VirtualInstrument）的概念，同时推出了用于虚拟仪器开发的工程软件包LabVIEW。

NI公司宣称“TheSoftwareistheInstrument”，即“软件就是仪器”。

在这里，计算机是虚拟仪器的核心设备，该仪器的功能是通过软件仿真实现的。

它将传统仪器由硬件电路实现的数据分析处理与显示功能，改由功能强大的计算机来执行，所以计算机是其核心；当计算机与适当的I/O接口设备配置完毕，虚拟仪器的硬件平台就被确定，此后软件就成为仪器的关键部分，这也是“软件就是仪器”之说的来由。

这意味着只要按照测量原理，采用适当的信号分析技术与处理技术，编制某种测量功能的软件就可构成该种功能的测量仪器。

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，对科学技术的发展和工业生产的进步将产生不可估量的影响，同时对改善高校实验教学仪器设备，提高教学质量也是一个福音。

LabVIEW（LaboratoryVirtualinstrumentEngineering）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。

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生动有趣。

图形化的程序语言，又称为“Ｇ”语言。

使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或流程图。

它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。

它可以增强你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、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。

像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。

1.2设计目的

（1）了解虚拟仪器状态和参数的主要内容。

（2）熟悉常用的虚拟仪器图符的原理和用途。

（3）提高计算机辅助设计的技能和技巧。

（4）掌握智能仪器的应用设计和调试方法。

（5）熟悉电子设计的装配和调试工艺。

1.3设计内容

（1）模拟温度控制面板效果图设计。

（2）温度控制外部电路连接设计。

（3）面板图与外部电路的链接。

（4）电路功能的调试。

（5）完成课程设计论文答辩

第二章总体设计及功能介绍

2.1总体方案的设计

本设计要求创建一个虚拟温度测量分析系统。

在测量一个实际的物理信号时，必须用一个传感器或转换器把物理信号（如温度、压力等非电量信号）转化为电信号（如电压、电流信号），再通过一个数据采集卡（含信号调理电路）对这些电信号进行处理（如滤波、放大、线性化、A/D等），将模拟信号转换为计算机可以处理的数字信号，由虚拟仪器进行计算、分析、显示，并存储结果。

技术要求：

（1）所选传感器和自制的调理电路工作可靠。

（2）能够以图形方式显示信号波形，显示准确，稳定。

（3）能够实现测量数据的存储、回放、超限报警等功能。

（4）测量精度满足系统要求。

（5）界面友好、操作方便。

虚拟仪器测温系统是用虚拟仪器技术改造传统的测温仪，使其具有更强大的功能。

系统框架如图所示，仪器系统通过前端感温装置的传感元件，将被测对象的温度转换为电压或电流等模拟信号，经信号调理电路进行功率放大、滤波等处理后，变换为可被数据采集卡采集的标准电压信号。

在数据采集卡内将模拟信号转换为数字信号，并在数据采集指令下将其送入计算机总线，在PC机内利用已经安装的虚拟仪器软件对采集的数据进行所需的各种处理。

LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench实验室虚拟仪器工程平台）是一个程序开发环境。

它使用图形化编程语言G在流程图中创建源程序，而非使用基于文本的语言来产生源程序代码。

LabVIEW还整合了诸如满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485以及数据采集卡等硬件通讯的全部功能。

内置了便于TCP/IP、Active X等软件标准的库函数。

LabVIEW程序被称为虚拟仪器（VIs），是因为它们的外观和操作能模仿实际的仪器。

即使用户没有多少编程经验，同样也能利用LabVIEW来开发自己的应用程序。

图2-1温度测量系统原理框

2.2硬件系统介绍

温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。

温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。

在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。

与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。

温度是测量频度最高的物理参数，并且可采用各种各样的传感器来进行测量。

所有这些传感器均通过检测某种物理特性的变化来推断温度。

温度传感器有四种主要类型：

热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。

IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。

接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。

温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。

一般测量精度较高。

在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。

但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。

它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。

在日常生活中人们也常常使用这些温度计。

随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120K以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。

低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。

利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件，可用于测量1.6～300K范围内的温度。

非接触式温度传感器的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。

这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。

最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。

辐射测温法包括亮度法（见光学高温计）、辐射法（见辐射高温计）和比色法（见比色温度计）。

各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。

只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。

如欲测定物体的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正。

而材料表面发射率不仅取决于温度和波长，而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关，因此很难精确测量。

在自动化生产中往往需要利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度，如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。

在这些具体情况下，物体表面发射率的测量是相当困难的。

对于固体表面温度自动测量和控制，可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。

附加辐射的影响能提高被测表面的有效辐射和有效发射系数。

利用有效发射系数通过仪表对实测温度进行相应的修正，最终可得到被测表面的真实温度。

最为典型的附加反射镜是半球反射镜。

球中心附近被测表面的漫射辐射能受半球镜反射回到表面而形成附加辐射，从而提高有效发射系数：

式中ε为材料表面发射率，ρ为反射镜的反射率。

至于气体和液体介质真实温度的辐射测量，则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。

通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。

在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度（即介质温度）进行修正而得到介质的真实温度。

非接触测温优点：

测量上限不受感温元件耐温程度的限制，因而对最高可测温度原则上没有限制。

对于1800℃以上的高温，主要采用非接触测温方法。

随着红外技术的发展，辐射测温逐渐由可见光向红外线扩展，700℃以下直至常温都已采用，且分辨率很高。

传感器选择主要根据测量范围。

当测量范围预计总量程之内，选用铂电阻传感器。

较窄量程通常要求传感器必须具相当高基本电阻，以便获得足够大电阻变化。

热敏电阻所提供足够大电阻变化使得这些敏感元件非常适用于窄测量范围。

如果测量范围相当大时，热电偶更适用。

最好将冰点也包括此范围内，因热电偶分度表以此温度基准。

已知范围内传感器线性也作选择传感器附加条件。

热电偶作为测温元件，其结构简单、制造容易、使用方便、测温精度较高，可就地测量和远传。

在工作时，只要与显示仪表配合即可测量气体、液体、固体的温度。

热电偶可以用来测量一200～1600℃范围内的温度，有些热电偶甚至可测2000℃以上温度。

所以热电偶是使用最广泛的测温元件之一。

通过热电偶冷端补偿进行温度测量是一种传统、有效的方法。

第三章核心器件工作简介

3.1热电偶工作原理

热电偶是由两种金属（或合金）材料构成的温度传感器。

热电偶具有热电效应,当两种金属A和B构成闭合回路、并且在两个结点存在温度差时,就会产生温差热电势。

有公式:

e=EAB（T1）－EAB（T0）＝k／q（T1－T0）㏑ρA∕ρB。

EAB（T1）、EAB（T0）分别为热端（T1）、参考端（T0）的热电势。

习惯上将参考端称作冷端,此端温度即测温仪表所处环境的温度,k为波耳兹曼常数,q是电子电量,ρA﹑ρB依次为金属A、B中自由电子的密度。

显然,当T1>T0时,热电势e为正;T1

为准确测量温度,可将冷端置于冰水混合物中,使之保持在0℃环境下,但这会给测量带来不便;通常采用负温度系数的热敏元件（如热敏电阻）进行补偿。

而利用集成温度传感器不仅可实现热电偶冷端温度的自动补偿,且补偿效果更好。

图3-1热电偶回路电动势

通过将参考结点保持在已知温度上并测量该电压，便可推断出检测结点的温度。

热电偶的优点是工作温度范围非常宽，而且体积极小。

不过，它们也存在着输出电压小、容易遭受来自导线环路的噪声影响以及漂移较高的缺陷。

常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。

所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。

非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。

标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。

工业测温用的热电偶，其基本构造包括热电偶丝材、绝缘管、保护管和接线盒等。

3.2虚拟仪器的软件

开发虚拟仪器必须有合适的软件工具，目前的虚拟仪器软件开发工具有如下两类：

一、文本式编程语言：

如C,VisualC++,VisualBasic等。

二、图形化编程语言：

如LabVIEW,HPVEE等。

这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条件与良好的开发环境。

本文中，虚拟仪器设计所涉及的是LabVIEW虚拟仪器编程语言。

虚拟仪器软件由两部分构成，即应用软件和I/O接口仪器驱动程序。

虚拟仪器的应用程序包含两方面功能的程序：

一、实现虚拟面板功能的前面板软件程序。

二、定义测试功能的流程图软件程序。

I/O接口仪器驱动程序。

这类程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱动和通信。

大部分虚拟仪器开发环境均提供一定程度的I/O设备支持。

许多I/O驱动程序已经集成在开发环境中。

以LabVIEW为例，他能够支持串行接口、GPIB及VXI等标准总线和多种数据采集板，LabVIEW还可以驱动许多仪器公司的仪器，如Hewlett-Packard，Philips，Tektronix，B&K,Fluke等。

同时，LabVIEW还可调用Windows动态连接库和用户自定义的动态连接库中的函数，以解决对某些非NI公司支持的标准硬件在使用过程中的驱动问题。

通常，一个虚拟仪器的设计步骤如下。

（1）在前面板设计窗口放置控件首先，在前面板开发窗口使用工具模板中的相应工具，从控制模板中取用和放置好所需控件，进行控件属性参数设置，标贴文字说明标签。

（2）在流程图编辑窗口，放置节点、图框。

在流程图编辑窗口，使用工具摸板中相应工具，从功能模板中取用并放置好所需图标，它们是流程图中的“节点、图框”。

（3）数据流编程使用连线工具按数据流的方向将端口、节点、图框依次相连，实现数据从源头按规定的运行方式送到目的终点。

（4）运行检验当完成步骤

（1）、

（2）、（3）后，前面板程序与流程图图形化程序的设计完毕，一个虚拟仪器已基本建立，是否达到预期功能，还需运行检验。

第四章原理图的绘制和动画制作

4.1前面板设计

软件设计主要完成数据采集与控制、测试结果的分析和记录、数据查询等，同时为用户提供一个方便的操作界面。

用户界面（前面板）是虚拟仪器的重要组成部分，仪器参数的设置、测试结果显示等功能都是通过软件实现，因此要求软件界面简单直接，便于使用。

本系统采用LabVIEW8软件设计了用户界面如图所示。

该界面可显示经传感器检测、数据卡采集并转换得到的电压波形的变化，同时将标定后得到的温度值分别用波形、和数值方式显示出来，适应不同用户的需求，如图所示。

图4-1用户界面

4.2框图程序设计

完成相应的硬件模块配置后，虚拟仪器设计的主要工作就是编制相应的软件，用软件实现传统仪器的数据采集、存储、分析和显示等功能。

LabVIEW的源程序为框图式的，且提供了非常丰富的库函数，从数据采集到仪器控制，从信号产生到信号处理，从数据分析到图形显示，从文件读写到网络通信，多种多样，大大提高了用户编程的效率，减轻了编程工作量。

仪器驱动程序主要用来初始化虚拟仪器，并设置特定的参数和工作方式，使虚拟仪器保持正常的工作状态，LabVIEW已为PCI一625l卡配备了驱动程序。

在LabVIEW环境下开发的应用程序称之为VI（VirtualInstrument）。

VI由软面板程序和数据分析处理程序等组成。

软面板程序由一个人机交互的界面一前面板（FrontPane1）和相当于源代码功能的框图程序一后面板（Diagram）组成。

软面板程序用来提供虚拟仪器与用户的接口。

前面板是在计算机屏幕上生成一个与传统仪器面板相似的图形界面，可设置控制按扭和显示窗口，用户可以通过前面板上的开关和按钮实现对虚拟仪器的操作，显示窗口可以以文本或图形形式显示测量结果。

图4-1为温度测量系统的前面板设计，采用文本方式、温度计方式和实时趋势图显示测量温度的变化，在实时趋势图中新数据连续扩展在已有数据的后面，波形连续向前推进显示。

测量数据还可以数据文本文件方式进行保存，以便分析处理和波形回放。

本系统程序框图设计主要包括数据的测量与采集、模拟数据读取、电压-温度转换、数据处理及显示、设备释放等模块，其中有些模块直接调用LabVIEW中的子模块（库函数），如乘法、减法、比较超限与否、定时器等;还有些如Create/ReleaseID、ADInt/Read/Close等模块由用户自定义设计实现。

图4-2测温系统程序框图

各模块的原理分析：

（1）数据采集模块数据采集模块实现温度的测量，并把采集到的数据全部存储到数据表中，以备后续的数据处理、计算及打印。

数据采集是该系统软件的主要功能，也是其他模块进行数据处理、图形绘制的基础。

LabVIEW可通过数据采集模块显示实际的信号波形。

当数据采集模块采集实测信号时，得到一组离散的信号值，通过图形显示控件在计算机显示器上逐点显示并连线，即可实时显示被测信号。

（2）数据转换模块采样程序循环一次，就预处理采集数据，主要是对电压信号转换为温度。

由于热电偶所产生的电压信号较小，因此对采集到放大后的电压信号进行除法运算，还原热电偶的实际电压值，对实际的电压信号数组进行排列，对分度表的程序进行索取，也就是将实际的电压信号通过转换模块中的查表程序进行比较，当所采集到的电压信号超出分度表所定义的值时，输出停止，进入下一次循环采集，当所采集到的电压信号处于分度表所定义的值时，对电压信号与分度表的电压进行比对，输出相应的温度数组，转换成功。

由于仪器用于机房和通信设备的现场中，干扰源较多。

为了减少对采样数据的干扰，提高仪器系统性能，在数据处理之前，需对采样数据进行数字滤波。

所谓数字滤波，就是通过特定的计算程序处理，减少干扰信号在有用信号中所占的比例，实质上是一种程序滤波。

（3）数据显示模块采集与转换模块所得结果的图形显示，是采用LabVIEW软件中的chart图表函数结合温度计及数字显示栏来配合完成的。

对转换的数据进行数组的创建，所得的数组一数字与温度曲线的形式显示到前面板，当输出数据为真实值时，循环继续，。

（4）数据保存模块数据保存是在数据保存模块创建文本文件，将所得数据组进行由小到大的顺序排列后，将数据保存为*.txt文件，保留在预定的目录里。

数据保存主要是将所测得数据进行存储，将电压与温度数值以数组的形式保存，以便对后续数据进行比较，分析与处理。

（5）文件打开模块文件打开模块主要是由文件的调用和文件的查看两部分组成，如图所示。

文件的调用主要是将程序文件夹中保存的文件进行打开，对文件中的数组输出。

文件查看就是将温度转换成温度曲线的形式显示输出，输出要由一定的延时，可根据实际情况对延时时间进行调整。

（6）退出模块退出模块主要是在测量结束后，终止所有运行程序，同时运行按钮弹起，恢复到初始，整个测试过程终止。

总结

数字信号处理技术是本文理论知识的基础，而虚拟仪器的基本思想和LabVIEW开发平台则是程序开发设计过程中有力的工具。

如果缺乏基础性的理论知识，就无法很好地运用开发工具，无法解释在开发过程中所遇到的问题，也就无法开发出具有使用价值的虚拟仪器；如果缺乏功能强大的开发平台，再扎实的理论知识也难以转化为有效的、实用的工具。

在本文的初期准备阶段，认真阅读和参考了大量有关信号与系统、数字信号处理、LabVIEW等相关书籍，将实验教学所要求的仪器功能与LabVIEW的强大开发能力做了有机的结合，在指导教师任景英老师的帮助下在较短时间内开发出了外型美观和实用性强的虚拟仪器实验教学系统。

在使用本系统和熟悉LabVIEW开发平台后，可以充分发挥自己的想象力和创造力，调用FunctionsPalette中的函数替代本系统中的部分函数或模块开发出更多新的虚拟仪器。

采用虚拟仪器技术构建温度测量系统突破了传统仪器在数据处理、显示、传输和存储等方面的限制，减少了硬件成本和重复开发，使得系统硬件维护、功能扩展和软件升级非常方便。

特别是只要对原程序作少许改动，使用者就可以根据自己的需求，自行设计各种具有个性化的仪器显示和操作面板。

目前，以LabVIEW为软件平台的虚拟仪器技术正在成为现代温度测量乃至整个测试领域的发展方向。

设计心得

本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。

在这里要感谢我的老师。

老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料到设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，设计电路图等整个过程中都给予了我悉心的指导。

我的设计较为复杂烦琐，但是老师仍然细心地指导我对电路和系统进行调试。

除了敬佩老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。

其次要感谢我的同学对我无私的帮助，特别是在软件的使用方面，正因为如此我才能顺利的完成设计，我要感谢我的母校，是母校给我们提供了优良的学习环境；另外，我还要感谢那些曾给我授过课的每一位老师，是你们教会我专业知识。

在此，我再说一次谢谢！

谢谢大家！

我认为这个收获应该说是相当大的。

觉得课程设计反映的是一个从理论到实际应用的过程，但是更远一点可以联系到以后毕业之后从学校转到踏上社会的一个过程。

同学之间的配合﹑相处，以及自身的动脑和努力，都是以后工作中需要的。

我相信，以后的课程设计会变得更加顺利！

参考文献

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仪表与计量技术，2005.12.

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中国计量出版社，2004.

[7]NationalInstrumentsLabVIEWBasicI,NationalInstruments,汪敏生等译著.LabVIEW基础教程.北京：

电子工业出版社，2002年.

附录I

前面板图

附录II

程序框图