題目：基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)調(diào)壓方案_百

1、基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)調(diào)壓方案摘要電熱水器是指用電加熱的熱水器。隨著人民生活水平和環(huán)保安全意識(shí)的不斷提高和我國電力工業(yè)的不斷發(fā)展,電熱水器越來越受到消費(fèi)者的青睞,電熱水器的使用得到不斷普及。目前,安全、節(jié)能、多功能、智能化是其主要發(fā)展方向。本文采用美國NI公司的圖形化編程語言LabVIEW8.2設(shè)計(jì)了一個(gè)基于增量PID算式的電熱水器溫度控制系統(tǒng)。由熱電阻Pt100采集到的熱水溫度信號(hào)通過調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為能被PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡接受的0-10V的電壓信號(hào),然后通過板卡PCI-6221的模擬輸入端AI0輸入到計(jì)算機(jī),在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的LabVIEW程序?qū)斎氲臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后產(chǎn)生脈

2、沖信號(hào)輸出到PCI-6221的數(shù)字輸出口P0.0上,去控制可控硅的通斷,繼而控制電熱水器的加熱過程。關(guān)鍵詞:電熱水器;溫度控制;LabVIEW;數(shù)據(jù)采集卡Virtual Device-Based Electric Water Heater T emperature ControlSystem-Pressure Adjustment PlanAbstractElectric water heater is a water heater using electricity to heat water. Currently, with improving life of people, people

3、s environmental protection and safety consciousness increasing and developing of the electric power industry of China, electric water heater is becoming more and more popular among consumers and its use is popularizing increasingly. Currently, its main development direction is safety, energy efficie

4、ncy, multi-purpose and intelligence.The thesis designs a PID algorithmic-based temperature control system for electric water heater by using LabVIEW8.2. the temperature signal that is collected by a thermal resistance Pt100 is converted into the 0-10V voltage signal which is acceptable for a board t

5、hrough conditioning circuit, which is inputted into a computer by using simulative input port AI0 of the board PCI-6221. The LabVIEW program operating on the computer generates one pulse to be outputted to the digital output port P0.0 of PCI-6221 by analyzing and processing the inputted data to cont

6、rol the connection with controllable silicon chip and to further control the heating process of electric water heater.Key words: Electric Water Heater;Temperature Control ;LabVIEW;Data Acquisition目錄摘要. I Abstract .II 第一章引言 (11.1 電熱水器簡(jiǎn)介 (11.2 電熱水器的分類 (1第二章電熱水器溫度控制方案選擇與設(shè)計(jì) (32.1 基于單片機(jī)的電熱水器溫度控制系統(tǒng) (32.2

7、基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng) (4第三章虛擬儀器介紹 (63.1虛擬儀器的概念 (63.2虛擬儀器的結(jié)構(gòu)及組成 (73.3虛擬儀器總線技術(shù) (133.4虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn) (173.5虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 (183.6虛擬儀器的發(fā)展趨勢(shì) (20第四章基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) (224.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) (224.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) (29第五章實(shí)驗(yàn)與調(diào)試 (38第六章設(shè)計(jì)總結(jié) (42參考文獻(xiàn) (43附錄A系統(tǒng)硬件電路圖 (44附錄B 基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)程序框圖 (45附錄C 電熱水器溫度雙位控制系統(tǒng)程序框圖 (46致謝 (47第一章引言1.1 電熱水器簡(jiǎn)介熱水器

8、是一種可供洗手間、廚房、浴室使用的家用電器。目前市場(chǎng)上熱水器主要品種有電熱水器、太陽能熱水器、燃?xì)鉄崴鳌＞椭袊木唧w情況而言,由于太陽能熱水器的使用受天氣原因的限制,使用范圍狹窄;燃?xì)鉄崴饔捎谝允?、天然氣為燃?而燃料供應(yīng)量又難以滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求,且不利于環(huán)境;而電熱水器卻具有無污染、安全、保溫時(shí)間長、使用方便等優(yōu)點(diǎn),所以,隨著人民生活水平的不斷提高和我國電力工業(yè)的不斷發(fā)展,電熱水器越來越受到消費(fèi)者的青睞,它的使用得到不斷普及。根據(jù)中國商業(yè)聯(lián)合會(huì)前不久的統(tǒng)計(jì),電熱水器的市場(chǎng)份額在銷售數(shù)量和銷售收入兩個(gè)方面都已經(jīng)超過了長期以來占有優(yōu)勢(shì)的燃?xì)鉄崴?。該中心預(yù)計(jì),在城市電網(wǎng)更大范圍改造和

9、城市住房市場(chǎng)大規(guī)模啟動(dòng)的帶動(dòng)下,今后幾年我國電熱水器市場(chǎng)將呈現(xiàn)強(qiáng)勁增長的勢(shì)頭。1.2 電熱水器的分類根據(jù)水流方式的不同,電熱水器可分為儲(chǔ)水式和即熱式(快速式兩種類型。儲(chǔ)水式電熱水器的優(yōu)點(diǎn)是不必分室安裝、不會(huì)產(chǎn)生有害氣體、調(diào)溫方便。但是儲(chǔ)水式熱水器在使用前需要預(yù)熱,一次使用的量有限。同時(shí),儲(chǔ)水式熱水器的體積較大、占用空間較多,不太適合面積小的家庭使用。顧名思義,即熱式電熱水器就是利用電熱管、電熱棒、玻璃管或塑料管加熱,即開即熱,無需預(yù)熱和保溫。從安全性方面看,即熱式電熱水器采用非金屬加熱體、水電隔離技術(shù)、漏電保護(hù)裝置、接地保護(hù)等基本措施,使用安全系數(shù)比較高。而在體積上由于沒了水箱部分,外形可以設(shè)

10、計(jì)得小巧精致,比較適合在小空間使用。但是即熱式電熱水器的額定功率較高,一般需要5000瓦以上才能保證使用。而按照水路控制方式的不同,電熱水器還可以分為前制式和后制式。前制式電熱水器水溫和水量的控制方式是靠裝在冷水進(jìn)口端(即前端的冷水閥門進(jìn)行控制的,在熱水出口端不設(shè)置閥門。而后制式電熱水器則是靠裝在熱水出口的熱水閥門來進(jìn)行控制的,后制式電熱水器具有安裝和使用方便等優(yōu)點(diǎn),是電熱水器的發(fā)展方向。第二章電熱水器溫度控制方案選擇與設(shè)計(jì)隨著人們生活質(zhì)量的提高,人們對(duì)電熱水器的要求逐漸趨于智能化和數(shù)字化。安全、節(jié)能、多功能、智能化、數(shù)字化是其主要發(fā)展方向。目前市面上的電熱水器的智能溫度控制系統(tǒng)主要有兩種:一

11、種是基于單片機(jī),還有一種是基于虛擬儀器。2.1 基于單片機(jī)的電熱水器溫度控制系統(tǒng)目前最常用的基于單片機(jī)的電熱水器溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)電路是以A T89C2051單片機(jī)為核心的,由多諧振蕩器、溫度設(shè)定電路、單片機(jī)、設(shè)定溫度顯示電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等幾部分組成。本系統(tǒng)的工作原理是:如圖2.1所示,接通電源后,多諧振蕩器產(chǎn)生電脈沖由INTOINT (P3.3將引起中斷,中斷服務(wù)程序可對(duì)與水溫對(duì)應(yīng)的電脈沖寬度的計(jì)數(shù)值(TH0、TL0進(jìn)行測(cè)量并顯示,記下其數(shù)值后便可制定“溫度表”(與一定溫度對(duì)應(yīng)的TH0、TL0值并存放于程序存儲(chǔ)器中的表,將“溫度表”固化于程序存儲(chǔ)器中,這樣實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)測(cè)量與顯示。 圖2.1基于單片

12、機(jī)的電熱水器溫度控制系統(tǒng)由單片機(jī)構(gòu)成的電熱水器溫度控制器具有多功能、安全、適用性強(qiáng)等特點(diǎn),與同類的電熱水器相比還具有節(jié)能的優(yōu)點(diǎn),因此將具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。2.2 基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)另外一種電熱水器溫度智能控制系統(tǒng)是基于虛擬儀器的溫度控制系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷完善,虛擬儀器因其強(qiáng)大的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著一些新的PC技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)逐漸應(yīng)用到虛擬儀器中,虛擬儀器技術(shù)也有了一些新的進(jìn)展?！败浖褪莾x器”是虛擬儀器帶給儀器工業(yè)的一次革命,作為虛擬儀器核心的軟件系統(tǒng)具有通用性、通俗性、可視性、可擴(kuò)展性和升級(jí)性等優(yōu)點(diǎn),能為用戶帶來極大的利益?；谔摂M

13、儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)必然會(huì)給現(xiàn)代電熱水器智能溫度控制領(lǐng)域帶來一片新天地。本文研究的就是基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)。第三章虛擬儀器介紹3.1虛擬儀器的概念虛擬儀器(Virtual Instrument ,VI的研究始于美國的斯坦福大學(xué)和馬里蘭大學(xué),由1986年美國國家儀器公司(National Instrument ,NI開發(fā)的LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench首先實(shí)現(xiàn)。虛擬儀器的出現(xiàn),克服了以硬件為主的傳統(tǒng)儀器的功能只能由廠家定義而用戶難以改變的缺陷。迄今,虛擬儀器尚無公認(rèn)的定義,所謂虛擬儀器(

14、Virtual Instrument,實(shí)際上就是一種基于計(jì)算機(jī)的融功能強(qiáng)大的應(yīng)用軟件、高性能的模塊化硬件及驅(qū)動(dòng)軟件于一體的自動(dòng)化測(cè)試儀器系統(tǒng)。靈活高效的軟件能創(chuàng)建完全自定義的用戶界面,模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成,標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺(tái)能滿足對(duì)同步和定時(shí)應(yīng)用的需求。就功能而言,虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器,儀器工作時(shí)通過操縱位于計(jì)算機(jī)屏幕虛擬面板上的“按鈕”來完成檢測(cè)或者控制任務(wù)。與以硬件為主的傳統(tǒng)儀器不同,在虛擬儀器中數(shù)據(jù)采集和信號(hào)調(diào)理控制、信號(hào)處理以及結(jié)果顯示等主要通過軟件實(shí)現(xiàn)。虛擬儀器中的“虛”即軟件化,“虛擬”主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:其一是虛擬的儀器面板。操縱該儀器的開關(guān)、按鈕等并不是

15、實(shí)際的物理器件,而是位于計(jì)算機(jī)屏幕上控制面板上的“控件”;其二是由軟件實(shí)現(xiàn)儀器的測(cè)量功能(軟件就是儀器。虛擬儀器中的信號(hào)分析和處理等功能不是由傳統(tǒng)儀器中的硬件電路來實(shí)現(xiàn),而是通過軟件來實(shí)現(xiàn)。以上兩點(diǎn)是虛擬儀器的必備要素。虛擬儀器并不“虛”,它是“真實(shí)”的儀器,和傳統(tǒng)儀器一樣,可用來完成檢測(cè)和控制任務(wù)。在測(cè)量環(huán)節(jié)中,并不是所有的部分都能“虛擬”,即軟件化,例如傳感器、A/D轉(zhuǎn)換裝置就不能軟件化。虛擬儀器的本質(zhì)是利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)加上特殊設(shè)計(jì)的儀器硬件和專用軟件形成既有普通儀器的基本功能又有一般儀器所沒有的特殊功能的高檔低價(jià)的新型儀器。它是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能,建立虛擬儀器面板,以

16、代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)分析和顯示功能。虛擬儀器的基本思想是利用計(jì)算機(jī)來管理儀器,組織儀器系統(tǒng),進(jìn)而逐步代替儀器完成某些功能,最終達(dá)到取代傳統(tǒng)電子儀器的目的。虛擬儀器以透明的方式把計(jì)算機(jī)資源(如微處理器、內(nèi)存、顯示器等和儀器硬件(如A/D、D/A、數(shù)字I/O、定時(shí)器、信號(hào)處理等的測(cè)量控制能力結(jié)合在一起,通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理、表達(dá)以及圖形化用戶接口。虛擬儀器實(shí)質(zhì)上是軟硬結(jié)合、虛實(shí)結(jié)合的產(chǎn)物,它充分利用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。3.2虛擬儀器的結(jié)構(gòu)及組成一套完整的虛擬儀器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般來說分為四層:(1測(cè)試管理層用戶使用虛擬儀器生產(chǎn)廠商開發(fā)的應(yīng)用程序,組成自己的

17、一套測(cè)試儀器。這是虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)之一,它可以方便地使用戶根據(jù)自己的需要,自己的風(fēng)格建立自己的測(cè)試儀器。(2應(yīng)用(程序開發(fā)層由生產(chǎn)商提供的軟件開發(fā)工具,如NI(NA TIONAL INSTRUMENTS公司的LabVIEW 軟件,LabWindows/CVI軟件。用戶可以用這類軟件進(jìn)行深層開發(fā),以擴(kuò)展儀器原有的功能。(3儀器驅(qū)動(dòng)層由生產(chǎn)商開發(fā),針對(duì)不同類型的儀器有不同的驅(qū)動(dòng)程序接口。為給用戶提供方便、易用的儀器驅(qū)動(dòng)程序,泰克公司、惠普公司和美國國家儀器公司等35家國際上最大的儀器公司成立了VXI plug&play系統(tǒng)聯(lián)盟,并推出VISA(Virtu-al Instrument Software

18、 Architecture標(biāo)準(zhǔn)。(4I/O總線驅(qū)動(dòng)層由生產(chǎn)商開發(fā),用于將不同類型的實(shí)際儀器通過相同標(biāo)準(zhǔn)的總線連接起來形成一套完整的測(cè)試系統(tǒng),如得到廣泛應(yīng)用的VXI(開放式測(cè)量系統(tǒng)總線系統(tǒng)。一個(gè)完整的虛擬儀器主要由高效的軟件、模塊化的I/O硬件以及用于集成的軟硬件平臺(tái)組成。任何一臺(tái)儀器無非由三大部分組成,信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)的處理、結(jié)果的輸出。虛擬儀器也不例外,它也是按照“信號(hào)的調(diào)理與采集-數(shù)據(jù)的分析與處理-結(jié)果的輸出與顯示”的結(jié)構(gòu)模式來建立通用儀器硬件平臺(tái)的。虛擬儀器硬件系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)和測(cè)試功能硬件。硬件技術(shù)的核心是接口總線技術(shù),其關(guān)鍵就是在掌握構(gòu)成虛擬測(cè)控系統(tǒng)各種內(nèi)外總線的構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)、通信

19、方式的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)與測(cè)控對(duì)象相連的各種接口板卡,完成數(shù)據(jù)采集、信號(hào)調(diào)理與傳輸、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理等功能。硬件接口電路與計(jì)算機(jī)一起構(gòu)成了虛擬儀器的硬件。計(jì)算機(jī)是虛擬儀器的核心,主要完成數(shù)據(jù)處理和結(jié)果的顯示。硬件接口電路主要完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換。根據(jù)構(gòu)成虛擬儀器的接口總線不同,主要可分為如下幾種構(gòu)成方案,按照構(gòu)成虛擬儀器的接口總線不同,可分為PC-DAQ、GPIB、RS232/RS422、VXI、PXI等。虛擬儀器的硬件構(gòu)成框圖如圖3.1所示。 圖3.1 虛擬儀器的硬件構(gòu)成框圖(1基于數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器,它是以信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡(data acquisition,DAQ

20、及PC機(jī)為儀器硬件平臺(tái),采用PCI(peripheral component interconnect或ISA( in-dustrial standard architecture計(jì)算機(jī)本身的總線,將DAQ直接插入PC機(jī)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的總線擴(kuò)展插槽即可,因此,這種虛擬儀器又叫PC-DAQ/PCI插卡式虛擬儀器。PC-DAQ為采集卡,由過去的16位標(biāo)準(zhǔn)ISA總線發(fā)展到32位的PCI總線插卡,易于構(gòu)成個(gè)人儀器系統(tǒng),但需打開主機(jī)箱直接與ISA、PCI總線連接,沒有定義儀器系統(tǒng)所需的總線。(2基于通用接口總線GPIB(general purpose interfacebus接口的虛擬儀器,它是以GPIB接

21、口儀器、GPIB接口卡及PC機(jī)為儀器硬件平臺(tái),GPIB為通用接口總線的簡(jiǎn)稱,是一種并行方式的外總線,它實(shí)質(zhì)上是通過計(jì)算機(jī)對(duì)傳統(tǒng)儀器的功能擴(kuò)展和延伸,目前,許多市售的臺(tái)式儀器大多裝有GPIB接口。GPIB儀器具有獨(dú)立的儀器操作界面,可以脫離計(jì)算機(jī)使用,也可以通過標(biāo)準(zhǔn)GPIB電纜連接計(jì)算機(jī)實(shí)施程序控制。(3基于串行口儀器的虛擬儀器,它是由Serial標(biāo)準(zhǔn)總線儀器及PC機(jī)為儀器硬件平臺(tái)的,它包括符合RS-232/ RS422標(biāo)準(zhǔn)的PLC(program logic controller和單片機(jī)系統(tǒng)。(4基于VXI儀器的虛擬儀器,它是以VXI(VMEbusextension for instrumen

22、tation標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊及PC機(jī)為儀器硬件平臺(tái)的,由主機(jī)箱、控制器和儀器模塊構(gòu)成。其中,控制器安裝在零號(hào)槽中,稱為零槽控制器。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,可根據(jù)測(cè)試功能的不同要求來選用。VXI是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線VME的擴(kuò)展,是一種完全開放的、模塊化儀器總線標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái),其可靠性、人機(jī)交互性能、測(cè)試速度優(yōu)越,但價(jià)格較為昂貴。(5基于PXI儀器的虛擬儀器,它是以PXI(PCI exten-sion for instrumentation標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊及PC機(jī)為儀器硬件平臺(tái),PXI總線方式是在PCI總線內(nèi)核技術(shù)上增加了參考時(shí)鐘技術(shù)規(guī)范和要求形成的

23、。標(biāo)準(zhǔn)的PXI模塊化儀器系統(tǒng)有8個(gè)插槽,還可與CompactPCI交互操作,可與GPIB 或VXI集成,組成大規(guī)模、多用途系統(tǒng)。PXI是PCI總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展,以PCI總線為基礎(chǔ),利用了豐富的PCI模板資源和PC軟件工具及開發(fā)環(huán)境,數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)132MB/s,應(yīng)用軟件開發(fā)與VXI一樣。PXI實(shí)現(xiàn)了VISA虛擬儀器軟件體系,不僅能夠控制PXI模塊,也能控制VXI、GPIB及串行接口器件,還可以通過采用標(biāo)準(zhǔn)的PCI-PCI橋接器提高擴(kuò)展槽數(shù)量,有利于系統(tǒng)集成。它的最大優(yōu)勢(shì)在于價(jià)格低廉,并且PXI與主流PC技術(shù)完全兼容,在許多測(cè)試領(lǐng)域,由PC組建的系統(tǒng)與PXI系統(tǒng)可以相互替代。(6基于現(xiàn)場(chǎng)總線

24、設(shè)備的虛擬儀器,它是以Fieldbus標(biāo)準(zhǔn)總線儀器及PC機(jī)為儀器硬件平臺(tái)的。上述的幾種方案中,GPIB,VXI,PXI方案主要適合構(gòu)成大型高精度集成測(cè)試系統(tǒng); PCIDAQ/PCI、串行口方案主要適合構(gòu)成普及型的廉價(jià)測(cè)試系統(tǒng);現(xiàn)場(chǎng)總線方案主要適合構(gòu)成大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng),如測(cè)試任務(wù)需要,也可將上述幾種方案結(jié)合構(gòu)成混合測(cè)試系統(tǒng)。虛擬儀器系統(tǒng)的核心是軟件技術(shù),軟件開發(fā)環(huán)境是其重要的組成部分。虛擬儀器的軟件從底層到頂層包括三部分:VISA庫、儀器驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用軟件。(1VISA(Virtual Instrumentation Software Architec-ture庫。VISA庫實(shí)質(zhì)就是標(biāo)準(zhǔn)的I

25、/O函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范的總稱,它駐留在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,執(zhí)行儀器總線的特殊功能,是計(jì)算機(jī)與儀器之間的軟件層連接,用來實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的控制。(2儀器驅(qū)動(dòng)程序。儀器驅(qū)動(dòng)程序是完成對(duì)某一特定儀器的控制與通信的軟件程序集合,是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋梁。每個(gè)儀器都有自己的儀器驅(qū)動(dòng)程序,由儀器廠商提供。(3應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件建立在儀器驅(qū)動(dòng)程序之上,直接面對(duì)操作用戶,通過提供直觀、友好的操作界面、豐富的數(shù)據(jù)分析和處理功能,來完成自動(dòng)測(cè)試任務(wù)。虛擬儀器必須具有強(qiáng)大的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)能力,易于實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的儀器面板,還必須具有數(shù)據(jù)可視化分析能力,能提供豐富的儀器和總線接口的硬件驅(qū)動(dòng)程序使用正確的軟件工具并通過設(shè)計(jì)或調(diào)

26、用特定的程序模塊,工程師們可以高效地創(chuàng)建自己的應(yīng)用以及友好的人機(jī)交互界面。目前,虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)主要有Visual C+,Visual Basic,以及HP公司的VEE和NI公司的LabVIEW、Lab Windows/CVI等。美國NI公司是虛擬儀器技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者,LabVIEW就是其推出的一種基于圖形的開發(fā)、調(diào)試和運(yùn)行程序的集成化環(huán)境,是目前國際上唯一的基于數(shù)據(jù)流的編譯型圖形化編程語言,是一種優(yōu)秀的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)。它不僅能輕松方便地完成與各種軟硬件的連接,更能提供強(qiáng)大的后續(xù)數(shù)據(jù)處理能力,設(shè)置數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)的方式,并將結(jié)果顯示給用戶。LabVIEW中編寫的源程序,很接近程序流

27、程圖。所以,只要把程序流程框圖畫好了,程序也就差不多編好了。LabVIEW圖形編程語言中的基本編程單元是VI(VinualInstrument,虛擬儀器,VI 包括三個(gè)部分:前面板(Frontpanel、框圖程序(BlockDiagram和圖標(biāo)(Icon連接器(Connector。前面板既接受來自框圖程序的指令,又是用戶與程序代碼發(fā)生聯(lián)系的窗口。這個(gè)窗口模擬真實(shí)儀表的前面板,用于設(shè)置輸入和觀察輸出,輸入量稱為控件(Controls,輸出量稱為指示器(Indicators。當(dāng)把一個(gè)控件或指示器放到前面板上時(shí),框圖中相應(yīng)地放置一個(gè)端子(Terminals,這個(gè)端子不能隨意被刪除,只有刪除它對(duì)應(yīng)的控

28、件或指示器時(shí)它才隨之一起被刪除。用戶可以使用多種圖標(biāo),如旋鈕、開關(guān)、按鈕、圖表、文本框、圖形等,使前面板易看易懂。我們可以把它想象為傳統(tǒng)儀器的面板,面板上自然會(huì)有表頭,按紐,撥盤等各種元件。前面板的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是:(1按照VPP規(guī)范設(shè)計(jì)前面板,使前面板具有標(biāo)準(zhǔn)化、開放性、可移植性。(2根據(jù)測(cè)試要求確定儀器功能。根據(jù)測(cè)試任務(wù)確定儀器前面板具體測(cè)試、測(cè)量功能,開關(guān)、控制等設(shè)置要求。(3用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)前面板。按照面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想,一個(gè)虛擬儀器集成系統(tǒng)由多個(gè)虛擬儀器組成,每個(gè)虛擬儀器均由前面板控制。前面板由大量的虛擬控件組成。用戶可以根據(jù)測(cè)試需要,通過界面方便的設(shè)置信號(hào)源的各項(xiàng)參數(shù),選擇不同的

29、測(cè)試頻段及頻率步進(jìn),并將結(jié)果數(shù)據(jù)以圖表的形式顯示。每一個(gè)VI程序的前面板都對(duì)應(yīng)著一段框圖程序?？驁D程序用LabVIEW圖形編程語言編寫,可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼。也可以把它想象為傳統(tǒng)儀器機(jī)箱里用來實(shí)現(xiàn)儀器功能的零部件。所有VI源程序的框圖都是由節(jié)點(diǎn)(Nodes、端子、圖框和連線(Wires四種元素構(gòu)成。其中,端子被用來同程序前面板的控件和指示器傳遞數(shù)據(jù),節(jié)點(diǎn)被用來實(shí)現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用,圖框被用來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令,而連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流,定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。編制框圖程序時(shí),從功能模板中選擇需要的節(jié)點(diǎn)圖標(biāo)或圖框,將之置于窗口面板上適當(dāng)?shù)奈恢?然后用連線連接它們及框圖中的

30、端子即可。在彩色監(jiān)視器上,每種數(shù)據(jù)類型以不同的顏色和線形強(qiáng)調(diào)顯示。3.3虛擬儀器總線技術(shù)目前VI使用的總線技術(shù)主要有以下幾種。DAQ指的是基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線(如ISA、PCI等的內(nèi)置功能插卡,它更加充分地利用計(jì)算機(jī)的資源,大大增加了測(cè)試系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。利用DAQ可以方便快捷地組建虛擬儀器,實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多型”和“一機(jī)多用”。在性能上,隨著A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)、儀器放大技術(shù)、抗混疊濾波技術(shù)與信號(hào)調(diào)理技術(shù)的發(fā)展,DAQ的采樣速率已達(dá)1Gb/s,精度高達(dá)24位,通道數(shù)高達(dá)64個(gè),并能任意結(jié)合數(shù)字I/O、模擬I/O、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器等通道。DAQ虛擬儀器既具有高檔儀器的測(cè)量品質(zhì),又能滿足測(cè)量需求的多樣性。對(duì)

31、大多數(shù)用戶來說,這種方案不但實(shí)用,而且具有很高的性能價(jià)格比,是一種特別適合于我國國情的虛擬儀器方案。下面以基于PCI總線和USB總線的多功能虛擬儀器的實(shí)現(xiàn)為例,介紹DAQ型虛擬儀器的結(jié)構(gòu)。(1基于PCI總線的多功能虛擬儀器PCI總線是一種獨(dú)立于CPU的32位或64位局部總線,時(shí)鐘頻率為33MHz,數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)132 MB/s264MB/s,PCI總線技術(shù)用無限讀寫突發(fā)方式,可在一瞬間發(fā)送大量數(shù)據(jù)。PCI總線上的外圍設(shè)備可以和CPU并行工作,因此PCI總線得到了廣泛的應(yīng)用。這種方式借助于插入PC機(jī)和工控機(jī)內(nèi)的高速數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件相結(jié)合,將它們安裝在一臺(tái)運(yùn)行的PC機(jī)上,可構(gòu)成一個(gè)功能強(qiáng)大的

32、數(shù)字虛擬儀器,完成測(cè)試任務(wù)。另外,通過改變應(yīng)用程序,即界面程序設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)不同功能的虛擬儀器,如虛擬數(shù)字示波器,虛擬頻譜分析儀等。其工作原理是:由主機(jī)啟動(dòng)程序,發(fā)出按時(shí)間步進(jìn)的頻率控制字送入信號(hào)源電路,產(chǎn)生頻率隨時(shí)間在1MHz70MHz范圍內(nèi)變化的恒幅正弦波模擬信號(hào)。信號(hào)通過高速數(shù)據(jù)采集卡采樣的數(shù)字信號(hào),經(jīng)PCI總線送入計(jì)算機(jī)內(nèi),通過LabVIEW軟件模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、處理,從而實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的功能。這種儀器價(jià)格便宜,因個(gè)人計(jì)算機(jī)數(shù)量非常龐大,因此用途廣泛,特別適合于教學(xué)部門和各種實(shí)驗(yàn)室,目前仍有強(qiáng)大的生命力。這種類型的虛擬儀器充分利用了計(jì)算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源及軟件的便利,但它也具有一定的缺點(diǎn)

33、:由于基于PCI總線的虛擬儀器在插入時(shí)都需要打開機(jī)箱,操作不方便;并且測(cè)試信號(hào)直接進(jìn)入計(jì)算機(jī),各種現(xiàn)場(chǎng)的被測(cè)信號(hào)對(duì)計(jì)算機(jī)安全造成很大的威脅;同時(shí),計(jì)算機(jī)內(nèi)部的強(qiáng)電磁干擾對(duì)被測(cè)信號(hào)也會(huì)造成很大的影響。(2基于USB總線的嵌入式虛擬儀器的設(shè)計(jì)嵌入式虛擬儀器從功能模塊上分為:信號(hào)調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、嵌入式控制模塊、存儲(chǔ)系統(tǒng)、液晶顯示模塊、USB總線接口邏輯等部分。USB通用串行總線是被PC機(jī)廣泛采用的總線,它已被集成到計(jì)算機(jī)主板上。USB總線能連接127個(gè)裝置,需要一對(duì)信號(hào)線及電源線。USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸率能達(dá)到480Mbps。該總線具有輕巧簡(jiǎn)便、價(jià)格便宜、連接方便快捷的特點(diǎn),現(xiàn)在已被廣泛用

34、于寬帶數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、掃描儀、打印機(jī)及存儲(chǔ)設(shè)備?；赨SB總線的嵌入式虛擬儀器具有使用方便、數(shù)據(jù)傳輸速度快、連接靈活的特點(diǎn)?？梢圆捎眯切偷耐?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建分布式測(cè)試系統(tǒng)。該類系統(tǒng)主要由PC機(jī)、USB集線器和嵌入式虛擬儀器組成。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照智能模塊的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行,智能模塊的作用是完成特定應(yīng)用的測(cè)試功能。利用USB總線的優(yōu)勢(shì)可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試方案的靈活配置和測(cè)試功能的自由擴(kuò)展,即當(dāng)需要添加新測(cè)試功能時(shí),只需開發(fā)支持USB接口的相應(yīng)測(cè)試功能的嵌入式虛擬儀器模塊即可。USB技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)結(jié)合在一起是計(jì)算機(jī)儀表領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),基于USB總線接口設(shè)計(jì)的嵌入式虛擬儀器具有良好的系統(tǒng)擴(kuò)展性。嵌入式虛擬儀器可以

35、獨(dú)立完成特定的信號(hào)處理和分析,又可以通過USB總線系統(tǒng)組合在一起,構(gòu)建大型的測(cè)試系統(tǒng),完成復(fù)雜的測(cè)試功能。USB總線具有“即插即用plug&play”的能力,與并行總線相比,更適合于連接多外設(shè)的需要?；赨SB總線,NI公司推出了USB-6008和USB-6009等幾款數(shù)據(jù)采集卡。GPIB總線(即IEEE488總線是一種并行外總線,是在HP公司1965年設(shè)計(jì)的HP-IB 儀器接口總線的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,經(jīng)歷了IEEE488.1-1975、IEEE488.1-1987、IEEE488.2-1987幾個(gè)不斷改進(jìn)完善的階段,目前市面上使用的是IEEE488.2標(biāo)準(zhǔn)的GPIB。該標(biāo)準(zhǔn)的成功之處在于,它

36、使測(cè)試系統(tǒng)的互連和通訊標(biāo)準(zhǔn)化。GPIB(General Purpose Interface Bus是計(jì)算機(jī)和儀器之間的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議,GPIB 的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議已經(jīng)納入國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 488.1和IEEE 488.2中。GPIB是最早的儀器總線。典型的GPIB測(cè)試系統(tǒng)包括一臺(tái)計(jì)算機(jī)、一塊GPIB接口控制器卡和若干臺(tái)GPIB儀器。每臺(tái)GPIB儀器有單獨(dú)的地址,由計(jì)算機(jī)控制操作。通過改動(dòng)計(jì)算機(jī)的控制軟件可以增加、減少或更換系統(tǒng)中的儀器。在價(jià)格上,GPIB儀器覆蓋了從比較便宜的到異常昂貴的儀器,但由于GPIB的數(shù)據(jù)傳輸率一般低于500kB/s,不適合對(duì)于系統(tǒng)速度要求較高的應(yīng)用,現(xiàn)在已經(jīng)逐步退

37、出了市場(chǎng)。1987年公布的VXI總線是一種高速計(jì)算機(jī)總線VME在VI領(lǐng)域的擴(kuò)展,由HP、Tektronix等公司在1987共同制定,它以VME為基礎(chǔ),不僅繼承了GPIB、VME總線的優(yōu)點(diǎn),集測(cè)量、計(jì)算、通信于一體,還具有高速、模塊化的優(yōu)點(diǎn)。與GPIB儀器系統(tǒng)相比,VXI模塊沒有前操作面板,因此,應(yīng)用VXI總線組建測(cè)試系統(tǒng)必須編制虛擬的“軟前面板”以完成對(duì)儀器系統(tǒng)的操作控制當(dāng)今流行的可視化編程語言如Visual Basic、Visual C、Delphi等均可以在VXI平臺(tái)上構(gòu)造一個(gè)完全圖形化的用戶操作面板,實(shí)現(xiàn)測(cè)試控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示等功能,從而設(shè)計(jì)出各種操作方便的基于圖形用戶界面(GUI

38、的集成測(cè)試系統(tǒng)。經(jīng)過十多年的發(fā)展,VXI系統(tǒng)的組建和使用越來越方便,尤其是組建大、中規(guī)模自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以及對(duì)速度、精度要求高的場(chǎng)合。然而,組建VXI總線要求有機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器,造價(jià)比較高。目前,這種類型的虛擬儀器也有逐漸退出市場(chǎng)的趨勢(shì)。PXI總線是1997年由NI公司推出的一種新的開放性、模塊化的儀器總線規(guī)范,它是在PCI總線內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的。PXI具有高度可擴(kuò)展性,可擴(kuò)展到256個(gè)擴(kuò)展槽。把臺(tái)式PC的性能價(jià)格比和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來,將形成未來主流的虛擬儀器平臺(tái)之一。2004年9月VXI科技公司和安捷倫聯(lián)合推出一種新的基于工業(yè)以太網(wǎng)的

39、總線規(guī)范LXI(LAN eXtensions for Instrumentation?？梢赃@樣說,以太網(wǎng)的發(fā)展為基于網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試系統(tǒng)提供了平臺(tái),也成就了LXI的誕生。LXI標(biāo)準(zhǔn)用以太網(wǎng)作系統(tǒng)的骨干,無需VXI或PXI方式的機(jī)箱。在眾計(jì)算機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)中選用以太網(wǎng)技術(shù),在于以太網(wǎng)的發(fā)展已相當(dāng)成熟,被廣泛安裝在計(jì)算機(jī)作為標(biāo)準(zhǔn)通信接口。以太網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施非常普及,網(wǎng)卡、路由器和光纖等價(jià)格日益便宜。以太網(wǎng)采用的TCP/IP協(xié)議在Internet內(nèi)廣泛使用。另外,以太網(wǎng)的錯(cuò)誤檢測(cè)、故障定位、長距離互聯(lián)以及樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都比現(xiàn)有的總線優(yōu)越,網(wǎng)絡(luò)速度也由最初的10Mb/s達(dá)到現(xiàn)在的10Gb/s。LXI聯(lián)盟于2005

40、年10月通過了IEEE1588協(xié)議,為LXI網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了標(biāo)準(zhǔn)。我國的海泰公司率先加入了LXI聯(lián)盟。未來的總線將會(huì)向?qū)I(yè)化和大眾化方向發(fā)展。因此,在LXI儀器還未完全占領(lǐng)市場(chǎng)之前,VXI、PXI和USB等都將成為市場(chǎng)的主流總線技術(shù)。3.4虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)虛擬儀器具有高效、開放、易用靈活、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、可操作性好等明顯優(yōu)點(diǎn),具體表現(xiàn)為:(1智能化程度高,功能強(qiáng)大。虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件水平。用戶完全可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求,將先進(jìn)的信號(hào)處理算法、人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)應(yīng)用于儀器設(shè)計(jì)與集成,從而將智能儀器水平提高到一個(gè)新的層次。此外,不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越

41、來越快的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)的性能更加強(qiáng)大。(2擴(kuò)展性強(qiáng),費(fèi)效比高。虛擬儀器軟件平臺(tái)為所有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口,幫助用戶輕松地將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng),用相同的基本硬件可構(gòu)造多種不同功能的測(cè)試分析儀器,或只需更新計(jì)算機(jī)或測(cè)量硬件,就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級(jí)即可改進(jìn)用戶的整個(gè)系統(tǒng)。這樣形成的測(cè)試儀器系統(tǒng)功能更靈活、更高效、更開放、系統(tǒng)費(fèi)用更低。通過與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接,還可實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享,更好地發(fā)揮儀器的使用價(jià)值。(3操作簡(jiǎn)便,直觀,界面友好。虛擬儀器面板可由用戶定義,針對(duì)不同應(yīng)用可以設(shè)計(jì)不同的操作顯示界面。使用計(jì)算機(jī)的多媒體處理能力可以使儀器操作

42、變得更加直觀、簡(jiǎn)便、易于理解,測(cè)量結(jié)果可以直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。測(cè)量完后還可打印、顯示所需的報(bào)表或曲線。這些都使得儀器的可操作性大大提高而且易用、靈活。虛擬儀器徹底打破了傳統(tǒng)儀器只能由生產(chǎn)廠家定義,用戶無法改變、被動(dòng)接收的局面,這種“可開發(fā)性”和“可擴(kuò)展性”等優(yōu)越特點(diǎn)使虛擬儀器具有強(qiáng)大的生命力和競(jìng)爭(zhēng)力。虛擬儀器除了具有上述主要優(yōu)點(diǎn)外還具有下述優(yōu)點(diǎn):(1將所用的程控儀器的控制信息集成在虛擬儀器的軟件模塊中,對(duì)用戶來講是完全透明的。用戶在使用過程中無須專門查閱、學(xué)習(xí)儀器的程控方法、程控指令就可以對(duì)儀器進(jìn)行操作;(2計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形用戶界面增強(qiáng)了儀器結(jié)果顯示功能;(3具有龐大的數(shù)據(jù)記錄容

43、量和可擴(kuò)展的函數(shù)庫;(4用戶可以自定義接口形式、分析方式;(5測(cè)試過程自動(dòng)化,具有完整的時(shí)間記錄和測(cè)試說明,測(cè)量結(jié)果關(guān)聯(lián)分析和趨勢(shì)標(biāo)定;(6測(cè)量程序中內(nèi)置多媒體操作指令,并且可用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多用戶數(shù)據(jù)共享。3.5虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較傳統(tǒng)儀器由信號(hào)采集、信號(hào)處理和結(jié)果表達(dá)與儀器控制三部分組成。在傳統(tǒng)儀器里,這三部分都是用電子線路來實(shí)現(xiàn)的,即:都是采用硬件來實(shí)現(xiàn)的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,尤其是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步,在儀器的信號(hào)處理部分,用軟件代替硬件成為可能,即:用算法代替電子線路,能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)儀器的信號(hào)處理功能,即把傳統(tǒng)儀器的后兩部分(信號(hào)處理、結(jié)果表達(dá)與儀器控制用計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn),而不再采用

44、硬件(電子線路來實(shí)現(xiàn)。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器最大的不同之處就在于其具有開放性的構(gòu)成方式,即具有靈活性和功能的可重構(gòu)性。而傳統(tǒng)儀器的結(jié)構(gòu)和功能卻相對(duì)固定。虛擬儀器可使用相同的硬件系統(tǒng),通過不同的軟件就可以構(gòu)建功能完全不同的各種測(cè)量測(cè)試儀器,即軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心,軟件可以定義為各種儀器。虛擬儀器技術(shù)先進(jìn),十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢(shì),因而常被稱作“軟件儀器”。在同等的性能條件下,相應(yīng)的虛擬儀器價(jià)格要比傳統(tǒng)儀器低。虛擬儀器強(qiáng)大的功能和價(jià)格優(yōu)勢(shì),使得它在儀器計(jì)量領(lǐng)域具有很強(qiáng)的生命力和十分廣闊的前景。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較如表3.1所示:表3.1虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 3.6虛擬儀

45、器的發(fā)展趨勢(shì)網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器是虛擬儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物?；谔摂M儀器的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)是分布式測(cè)控系統(tǒng),它利用網(wǎng)絡(luò)將分散的各種測(cè)控設(shè)備相連接,利用網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸,以實(shí)現(xiàn)信息、資源共享,協(xié)同工作,從而完成復(fù)雜的測(cè)控任務(wù),因而具備以下功能:(1支持遠(yuǎn)程測(cè)控;(2支持分布式應(yīng)用;(3支持異地域數(shù)據(jù)存取;(4支持異地服務(wù)請(qǐng)求與訪問。典型的網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器系統(tǒng)主要由基本功能單元和通訊網(wǎng)絡(luò)組成。(1基本功能單元:主要包括PC儀器、單個(gè)網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試儀器、網(wǎng)絡(luò)化傳感器、網(wǎng)絡(luò)化控制模塊、工作站、信息處理中心等,其中的網(wǎng)絡(luò)化儀器和網(wǎng)絡(luò)化傳感器是整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的最基本成分。它們?cè)趥鹘y(tǒng)的測(cè)量儀器、測(cè)控模

46、塊、傳感器上加裝了本地處理器和通訊接口,其主要任務(wù)是:數(shù)據(jù)采集和處理;測(cè)試數(shù)據(jù)交換;測(cè)控過程監(jiān)控、故障診斷;測(cè)試信息存儲(chǔ)。(2通信網(wǎng)絡(luò)包括測(cè)試服務(wù)器、瀏覽服務(wù)器、中央管理計(jì)算機(jī)和網(wǎng)關(guān)等,負(fù)責(zé)對(duì)各測(cè)控基本功能單元進(jìn)行任務(wù)分配、對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、處理和分析、存儲(chǔ)、系統(tǒng)故障診斷報(bào)警和提供瀏覽服務(wù)等。應(yīng)用虛擬儀器進(jìn)行幾何量和機(jī)械參量測(cè)量的難度要高于電參量的測(cè)量,這是因?yàn)閭鞲衅骱捅粶y(cè)工件需要按照測(cè)量基準(zhǔn)保持嚴(yán)格的相對(duì)位置關(guān)系,這種虛擬儀器不同其它參量的測(cè)量,它一般需要專用的定位機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。例如,在開發(fā)類似三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的虛擬儀器進(jìn)行幾何輪廓參數(shù)的高精度測(cè)量時(shí),專用的高精度傳感器、高精度的定位機(jī)構(gòu)和

47、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不可缺少。目前主流的虛擬儀器主要是基于Windows操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要面向大眾用戶,盡管普及面較廣,但基于Windows操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序占用內(nèi)存大,系統(tǒng)穩(wěn)定性不理想,常出現(xiàn)“死機(jī)”現(xiàn)象。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)合,多任務(wù)并行是經(jīng)常要解決的問題,然而基于Windows操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序并不能真正實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)并行處理,但是基于Linux 操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序卻更容易滿足上述要求,這是因?yàn)?(1Linux是真正的多任務(wù)的操作系統(tǒng),可以同時(shí)執(zhí)行幾個(gè)程序。多任務(wù)操作系統(tǒng)就是可以運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用程序(或進(jìn)程的系統(tǒng)。(2Linux操作系統(tǒng)是一個(gè)多用戶操作系統(tǒng)。與通常的windows系統(tǒng)相比,linux 允許

48、多個(gè)用戶同時(shí)登陸,充分利用操作系統(tǒng)的資源。(3在Linux平臺(tái)上幾乎能使用所有流行的開發(fā)軟件,如C+、FORTRAN、JA V A等。(4可以合理分配內(nèi)存。Linux會(huì)盡量把不同的內(nèi)存作buffer(緩沖區(qū)來使用,因此RAM的大小決定運(yùn)行速度。每個(gè)程序都有自己的主內(nèi)存區(qū),系統(tǒng)處理主內(nèi)存區(qū)是采取保護(hù)的方式,可以避免因?yàn)橐粋€(gè)程序的執(zhí)行失敗而引起整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。因此基于Linux操作系統(tǒng)的虛擬儀器更容易滿足多任務(wù)并行處理及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和控制要求。第四章基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本文研究的基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)電熱水器溫度的數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)控制,其系統(tǒng)整體方框圖如圖4.1

49、所示。它主要由溫度測(cè)量及調(diào)理電路、溫度控制電路、一塊基于PCI總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221及相應(yīng)的軟件組成。其工作過程如下:溫度信號(hào)由傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),經(jīng)信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī),在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的LabVIEW程序?qū)斎氲臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,結(jié)果由計(jì)算機(jī)顯示。計(jì)算機(jī)采集卡通過其A/D轉(zhuǎn)換通道采樣輸入信號(hào),通過PID算法,求出系統(tǒng)輸出信號(hào)的大小,其輸出信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字口P0.0輸出給外部溫度控制電路,以達(dá)到控制溫度的作用。 圖4.1 電熱水器溫度控制系統(tǒng)整體方框圖4.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)的硬件電路圖如附錄A所示,本圖主要包括溫度測(cè)量及調(diào)理電路

50、,溫度控制電路,一個(gè)過零檢測(cè)電路?，F(xiàn)分別介紹如下。溫度測(cè)量及調(diào)理電路主要由溫度傳感器和信號(hào)調(diào)理兩部分組成,用于對(duì)電熱水器溫度的檢測(cè)及信號(hào)調(diào)理。本系統(tǒng)采用鉑熱電阻Pt100做為溫度傳感器,它的測(cè)溫范圍為-200+850。鉑熱電阻Pt100的輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后,通過數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221的模擬通道AI0輸入計(jì)算機(jī),并由LabVIEW程序計(jì)算得到溫度測(cè)量值。鉑熱電阻Pt100在溫度為0時(shí)輸出的電阻值為100歐,溫度為100是輸出的阻值為138.50歐。在0-100之間線形變化時(shí)輸出的阻值也在100138.50歐之間幾乎線形變化,能夠很好的滿足系統(tǒng)的要求。故系統(tǒng)不需要進(jìn)行線性化。信號(hào)調(diào)理

51、的作用是對(duì)溫度傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波和放大以滿足數(shù)據(jù)采集卡A/D 輸入端電氣參數(shù)要求。熱水的溫度變化范圍是0100,調(diào)理電路電壓輸出為0V 10V,輸出靈敏度為50mV/,并可直接與A/D接口兼容。溫度的測(cè)量和控制主要取決于溫度測(cè)量精度,因此,為了保證精度,從硬件采用了三個(gè)方面的措施:(1測(cè)量中傳感器的連接采用三線制方法。采用三線制是為了消除連接導(dǎo)線電阻引起的測(cè)量誤差。這是因?yàn)闇y(cè)量熱電阻的電路一般是不平衡電橋。熱電阻作為電橋的一個(gè)橋臂電阻,其連接導(dǎo)線(從熱電阻到中控室也成為橋臂電阻的一部分,這一部分電阻是未知的且隨環(huán)境溫度變化,造成測(cè)量誤差。采用三線制,將導(dǎo)線一根接到電橋的電源端,其余兩根分

52、別接到熱電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上,這樣消除了導(dǎo)線線路電阻帶來的測(cè)量誤差。工業(yè)上一般都采用三線制接法。(2選用高精度低漂移運(yùn)算放大器OP07構(gòu)成運(yùn)算放大電路。(3測(cè)量電路采用恒流源供電。圖4.2即為溫度信號(hào)調(diào)理電路的電路圖。如圖4.2中Rt即為鉑熱電阻Pt100。r1,r 2,r 3即為引線電阻,一般情況下,三根線的規(guī)格都是一樣的,故r1= r 2= r 3,Pt100檢測(cè)到的溫度信號(hào)經(jīng)過如圖4.2所示的三線制調(diào)理電路的調(diào)理變換成能被PCI-6221板卡接收的010V的電壓信號(hào)Uo(t。 閘管開通相位的控制,可以方便的調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值,這種電路稱為交流調(diào)壓電路。圖4.3中的晶閘管VT

53、1和VT2也可以用一個(gè)雙向晶閘管代替。雙向晶閘管是在普通晶閘管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,它不僅能代替兩只反極性并聯(lián)的晶閘管,而且僅用一個(gè)觸發(fā)電路,是目前比較理想的交流開關(guān)器件。加在控制極G上的觸發(fā)脈沖的大小或時(shí)間改變時(shí),就能改變其導(dǎo)通電流的大小,雙向可控硅G極上觸發(fā)脈沖的極性改變時(shí),其導(dǎo)通方向就隨著極性的變化而改變,從而能夠控制交流電負(fù)載。如圖4.3,在交流電源U1的的正半周和負(fù)半周,分別對(duì)VT1和VT2的開通角進(jìn)行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。正負(fù)半周起始時(shí)刻(=0均為電壓過零時(shí)刻。在穩(wěn)態(tài)情況下,應(yīng)使正負(fù)半周相等。從圖4.3中可以看出,負(fù)載電壓波形是電源電壓波形的一部分,負(fù)載電流(也即電源電流和負(fù)載電壓

54、的波形相同。的移相范圍是0。=0時(shí),相當(dāng)于晶閘管一直接通,輸出電壓為最大值U 0=U 1。隨著的增大,U 0逐漸降低。直到=時(shí),U 0=0。此外,=0時(shí),功率因數(shù)=1,隨著的增大,輸入電流滯后于電壓且發(fā)生畸變,也逐漸降低。在本設(shè)計(jì)中,數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221輸出的脈沖信號(hào)就是根據(jù)上述原理來改變加熱棒兩端的有效電壓,以此改變電熱水器溫度,以滿足實(shí)際的需要。溫度控制信號(hào)的產(chǎn)生與輸出由程序控制數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn),通過PID 算法得到控制量由數(shù)據(jù)采集卡輸出以控制電熱水器的溫度值。調(diào)壓方案波形圖如圖4.4所示。在本設(shè)計(jì)中可以通過式(4.1把導(dǎo)通角轉(zhuǎn)換成控制時(shí)間T1,式(4.1中,U 0 為PID

55、運(yùn)算輸出的電壓值,U m 為PID 輸出的最大值。2.210T U U TT m -= (4.1 U RG1圖4.3 調(diào)壓方案電路圖 UI0G圖4.4 調(diào)壓方案波形圖為了讓用戶在使用時(shí)不必?fù)?dān)心由于外電路原因或誤操作引發(fā)計(jì)算機(jī)部件和采集卡的燒壞,通常需要在采集卡和強(qiáng)電設(shè)備之間設(shè)置電隔離,考慮到采集卡的輸出信號(hào)需要對(duì)后續(xù)電路的觸發(fā),這里選用集隔離、過零檢測(cè)、過零觸發(fā)功能于一體的光電藕合器件MOC3041,它具有體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、無噪音等優(yōu)點(diǎn),可為大功率的晶閘管提供足夠的觸發(fā)電流。溫度控制電路硬件電路圖如圖4.5所示,其中RL為電阻絲,MOC3041為光耦, Z0409MF為可控硅,數(shù)據(jù)

56、采集卡為NI公司的PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡,P0.0為數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字輸出端,DGND為數(shù)據(jù)采集卡的接地端。 工頻電壓/V 過零電壓/Vt/s 00圖4.7 過零電路波形圖數(shù)據(jù)采集卡的主要功能是向被測(cè)電路和元器件傳送所需的數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào),同時(shí)又接收并處理來自被檢對(duì)象的狀態(tài)信號(hào)。此外,它還完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。本系統(tǒng)在綜合考慮A/D 和D/A 通道數(shù)目、采樣速率、輸入精度、A/D 和D/A 轉(zhuǎn)換速度、分辨率與精度等技術(shù)指標(biāo)的情況下,選用NI 公司的PCI-6221型數(shù)據(jù)采集卡作為系統(tǒng)硬件的核心部分。PCI-6221型數(shù)據(jù)采集卡支持單極性和雙極性兩種模擬信號(hào)的輸入,信號(hào)輸入范圍分別為-10V

57、 +10V 和0V 20V 。它提供16路16位的模擬輸入通道,最大采樣速率為250KS/s ;2路16位的模擬輸出通道,最大輸出頻率為833KS/s ,24線的TTL 型數(shù)字I/O 及32位定時(shí)計(jì)數(shù)器等多種功能。PCI-6221引腳圖如圖4.8所示。 圖4.8 PCI-6221引腳圖4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 圖4.9 系統(tǒng)軟件功能模塊圖本系統(tǒng)軟件功能模塊圖如圖4.9所示。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要有兩大模塊組成:溫度信號(hào)采集模塊、PID控制模塊。由熱電阻采集到的溫度信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221輸入計(jì)算機(jī),經(jīng)過PID模塊對(duì)之進(jìn)行分析和處理,然后去控制輸出,改變當(dāng)前溫度逼近設(shè)定溫度值,達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。系統(tǒng)的主控模塊提供了溫度控制功能。它通過與其