完整版基于虚拟仪器的温度测量系统毕业设计.docx

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完整版基于虚拟仪器的温度测量系统毕业设计

辽东学院本科毕业论文（设计）

基于虚拟仪器的温度测量系统

TheDesignofTemperatureMeasurementSystemBasedonVirtualInstrumentTechnology

学院（系）：

机电学院

专业：

测控技术与仪器

学生姓名：

梁宇

指导教师：

赵娜

评阅教师：

完成日期：

2015年4月

辽东学院

EasternLiaoningUniversity

摘要

测控技术跟随时代的发展，正在变得更加数字化，自动化，智能化和网络化。

随着“软件就是仪器”这个概念被美国NI公司率先提出，LabVIEW也随之产生。

如今社会的工业中不能缺少检测，尤其是在恶劣环境下更加需要远程检测系统。

本设计分为两部分，上位机部分由PC机的LabVIEW软件对检测界面进行开发，可以对温度变化曲线进行直观的观察，还可以在需要的情况下把检测数据保存在Excel中，利用记录的温度数据对比设定值来提示温度报警；下位机部分由89E52单片机读取温度数据，利用RS-232转到USB接口，由上位机分析处理。

本设计对不适于人进入的场所的测量工作问题进行了有效的解决。

在V3.0版本之后LabVIEW通信模块（NI-VISA）开始支持USB串口，这使下位机可以不用接收数据采集卡的数据就可以和LabVIEW进行通信，不仅减低了硬件的成本，也使LabVIEW在实用性和灵活性上得到加强。

关键词：

LabVIEW；温度；接口技术

TheDesignofTemperatureMeasurementSystemBasedonVirtualInstrumentTechnology

Abstract

Withthecontinuousdevelopmentofmeasurementandcontroltechnology,anditstechnologyistowardautomation,inligent,digitalandnetworkdevelopment.ThecompanyputforwardtheNI"softwareisinstrument"concept,soLabVIEWarisesattheintoday'ssocietyinmanyoftheindustrywithorlackof,someenvironmentalbadplaceisalsocannotgetawayfromremotedetectionsystem.

Thisdesignissolvedsomebetweensomeofplaceisnotfitforin,stillneedtotemperaturedetectionproblem.ThisdesignthePCplatformusingtheLabVIEWsoftwaredevelopmenttestinginterface,andintuitiveobservetemperaturecurve,accordingtoneedtoalsocanbeintheformofformtoExcel,savedetectionofdataandthetemperatureofthesetvaluecomparison,tiptemperaturealarm;Themachineisthroughasinglechipcomputer89E52readtemperaturedata,throughtheRS-232turnUSBinterface,moveasamachineforanalysis.

ThisdesignisusedtoRS232seriallineUSBforPCandamachineunderthecommunication.ThecommunicationmoduleLabVIEWNI-VISAinV3.0versionbeganaftersupportUSBserialports,makethenextplacemachineandcannotthroughLabVIEWcommunicationdataacquisitioncardtakesamachineunderthemonitoringdata,maketheflexibilityandpracticalbetterLabVIEW,savethe）由美国国家仪器公司（NI）率先提出，这打破了传统仪器固定以及用户无法更改的模式，引发了测控仪器的一场重大变革。

上世纪末我国开始开发和应用虚拟仪器，现在已经渗透到很多行业中，如：

航空航天、医疗、铁路等行业，被广泛应用，拥有着巨大的市场潜力。

虚拟仪器不仅是现在测控技术的热点，也是未来仪器技术的发展方向。

虚拟仪器是一种全新的测控仪器系统，它可以使计算机通过应用程序与功能模块硬件结合。

用户就像操作一台自定义的专用传统仪器一样，通过拥有友好图形界面的显示器操作计算机，进行对被测数据的采集、分析、处理等测试工作。

与传统仪器比较，虚拟仪器所需的硬件更少、价格低而且可以重复利用；虚拟仪器的优点是其软件可以自定义、开发与维护费用低、技术更新快、方便与外设或网络连接、系统开放。

这些优点使各国越来越重视虚拟仪器技术，近年来，虚拟仪器的发展迅速，在一些发达国家被普遍应用于测量、电信、监控及教育等领域，现在正向着标准化、模块化、网络化和智能化的方向发展。

如今，虚拟仪器的概念已经在电子测量仪器的发展中被很多领域所接受，推动了柔性测控系统的发展。

1.2课题的国内外研究现状

虚拟仪器在国内外的发展飞快，，以NI公司为代表的厂商已经推出了基于虚拟仪器的商品化仪器产品。

在美国，虚拟仪器和它的图形编程语言已经成为理工科学生的必修课程。

近些年，各国虚拟仪器公司开发出了很多虚拟仪器开发软件，以便使用者可以设计适合于自己的测量系统。

NI公司的LabwindowsCVI和LabVIEW是最有影响力和最早的开发软件。

LabVIEW非常实用，它采用的是图形化编程方案；LabwindowsCVI是在Windows环境下的标准ANSIC开发软件，它专为熟悉C语言的开发人员设计。

处了以上几种开发软件，美国HP公司的HPTIG和H-VEE软件，美国Tektronix公司的Tek-TNS和Ez-Test软件也都是优秀虚拟仪器开发软件，在国际上得到公认。

虚拟仪器的系统开发可以采用多种总线，如传统的RS-232串行总线、PXI总线、VXI总线、GPIB通用接口总线、IEEE1394总和被广泛采用在PC机上的USB总线。

为了使虚拟仪器能过灵活的适用于各种配置的总线，各国公司开发了大量软件和硬件，以便组建各种复杂程度不同的虚拟仪器自动测控系统。

虚拟仪器的开发厂商在测量结果的表达模式、数据处理等方面也进行了优化，建立了开发工具库和高级数据分析库，这扩大了虚拟仪器的功能，使其能够组建更加复杂的自动测控系统。

国内部分院校实验室已经引入虚拟仪器，有国内专家预测：

在未来的几年里，我国虚拟仪器将占所有仪器的50%。

随微机技术的发展，虚拟仪器将取缔传统仪器成为主要的测试仪器。

1.3课题研究的主要内容

本文重点介绍使用LabVIEW开发环境来设计上位机的监控界面，上位机通过USB转RS232串行口与89E52单片机通信，DS18B20温度传感器读取温度数据，从而实现对温度参数的实时检测。

本文主要进行以下几方面的工作：

（1）论述智能温度测控系统的课题目的及意义，智能温度测控系统的国内外发展概况及本论文的主要内容。

（2）详细介绍了虚拟仪器技术的概念、特点和体系结构，虚拟仪器开发软件LabVIEW及图形化编程语言的特点及应用现状。

（3）温度检测系统的设计思路及方案，对系统软件开发平台进行选择。

（4）介绍智能温度测控系统硬件组成，电烤箱的功率调节方式及各硬件电路的设计。

（5）电烤箱温度控制系统软件整体设计方案，及上位机和下位机的设计过程。

（6）对所做工作进行了总结，对未来的研究作了展望。

2虚拟仪器概述

2.1虚拟仪器的概念

随着科学技术和计算机技术的快速发展，传统仪器已不能满足现代测控系统的需要。

虚拟仪器（VirtualInstrumentation）由美国国家仪器公司率先提出，这打破了传统仪器固定以及用户无法更改的模式，引发了测控仪器的一场重大变革。

虚拟仪器是指具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器，即是在通用计算机上加上一组软件或硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就像在操作一台他自己设计的专用传统电子仪器。

实际上就是把计算机技术与一起技术结合起来，将传统仪器的三大功能，都放在计算机上完成。

利用友好的计算机界面可以容易的模拟出各种仪器的控制面板，并以各种形式表达输出的检测结果；利用计算机软件实现多种信号分析、处理和存储，完成多种测试功能；用计算机外设替代传统仪器的按键和旋钮等，使人可以不碰仪器本身，又能完成测量工作。

虚拟仪器利用计算机技术实现和拓展了其本身的功能，并逐渐替代了传统仪器对数据采集、分析等功能，达到了取代的目的。

2.2虚拟仪器的主要特点

相比传统仪器，虚拟仪器有如下几个主要特点

（1）强调新概念—“软件就是仪器”，取代旧概念—“硬件为主体”。

虚拟仪器的核心是软件，硬件的作用只在于信号的输入、输出问题上，这对于传统仪器而言，虚拟仪器在概念上取得了重大突破。

软件决定了虚拟仪器的智能化程度和处理能力，使用者根据需要，可把新的算法、专家系统或者人工智能应用在仪器的设计与集成上，从而提升了仪器的技术水平。

另外，虚拟仪器通过丰富的计算机图形做到了人机互交与界面友好。

（2）用户可自行定义虚拟仪器的功能，并在用户机上产生，这使仪器可不由硬件决定，打破了传统仪器的弊端。

如果需要，用户可以通过编程添加所需功能，而不是购买新的设备，从而使仪器的灵活性大大提高。

（3）虚拟仪器容易建立网络化，与网络及电脑设备互联，具有方便、灵活的互联性。

网络虚拟仪器随网络技术的发展逐步形成，这种新型虚拟仪器基于WEB技术，这使虚拟仪器变成了Inter网的一部分，可以方便的进行构建远程测控系统，实现了测量、控制的网络化。

（4）虚拟仪器对硬软件的制定具有开放的工业标准，并且采用模块化结构，使系统具有了良好的扩展性和开放性。

被高度集成的如数据采集电路等是系统必须的基本硬件，实现了硬件模块的即插即用。

软件开发基于模块化设计思想，并运用了大量函数库、类库和动态链接库，使代码具有了良好的可重复性。

系统组建用时短，功能更易拓展，软硬件的开发、生产和维护的费用低。

2.3虚拟仪器的体系结构

通常测量仪器都具有的三大部分：

数据采集、数据测试和分析以及结果的输出显示。

相同的是虚拟仪器也具有这三大部分，不同的是对于数据分析和结果输出部分虚拟仪器是通过计算机软件系统完成的。

只要具有一定的数据采集硬件，就能构成基于计算机的虚拟测量测试仪器。

通常虚拟仪器具有的三部分：

计算机、硬件接口电路以及软件部分。

2.3.1虚拟仪器的硬件构成

虚拟仪器硬件由硬件接口电路和计算机仪器构成。

作为虚拟仪器核心的计算机要对数据进行分析处理以及结果的显示，而硬件接口电路要对被测量信号进行采集、放大以及模数转换等工作，对于构成不同的虚拟仪器接口总线，可分为下几种方案，如图2.1所示。

图2.1虚拟仪器的硬件构成框图

（1）数据采集卡，它的仪器硬件平台是信号调理电路、数据采集卡（DAQ）和PC机，采用ISA或PCI计算机本身的总线，将DAQ插入PC机的总线扩展插槽，因此又称为PC-DAQPCI插卡式虚拟仪器。

（2）通用接口总线GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）接口，它的仪器硬件平台是GPIB接口仪器、GPIB接口卡和PC机，GPIB的仪器操作界面具有独立性，可脱离计算机使用，也可通过标准GPIB电缆连接到计算机实施程序控制。

（3）串行口仪器，它的仪器硬件平台是Serial标准总线仪器和PC机，符合RS-422或者RS-232标准的PLC和单片机系统。

（4）VXI仪器，它的仪器硬件平台是VXI（VMEbusExtensionforInstrumentation）标准总线仪器模块以和PC机，由主机箱、控制器和仪器模块构成。

它包括嵌入式PC控制器、外置工作站控制器和嵌入式工作站控制器，选用时要根据测试功能的要求。

（5）PXI仪器，它的硬件平台是PXI（PCIExtensionforInstrumentation）标准总线仪器模块和PC机，标准的PXI模块化仪器系统可以CompactPCI交互操作，也可与VXI或GPIB集成，组成多用途、大规模系统。

（6）现场总线，它的仪器硬件平台是FieldBus标准总线仪器和PC机。

上述的几种方案中，VXI、PXI、GPIB方案适合大型高精度测试系统;串行口方案I、PCI-DAQPC适合大规模的网络测试系统。

2.3.2虚拟仪器的软件构成

软件是虚拟仪器的核心技术，通过修改程序来实现不同功能的测量测试仪器，去满足各种不同的需求。

“软件即是仪器”的意义就是软件可被定义为各种仪器。

使硬件软件化，降低系统成本，增强系统功能及其灵活性。

计算机易与网络、外设和其他应用连接，对于系统控制、数据采集、远程传送都很方便。

我们只要利用数据采集电路或数据采集卡，就可以在计算机上构建新的仪器系统，通过软件编程实现不同功能。

从底层到顶层可分虚拟仪器系统的软件可分为三个层次，分别是VISA库、仪器驱动程序以及应用程序。

（1）VISA（VirtualInstrumentationSoftwareArchitecture）库，VISA库的实质是标准的IO函数库以及相关规范的总称，存在于仪器和仪器驱动程序之间，并为它们提供信息传递，是开放实现的、统一的虚拟仪器系统的基础与核心。

（2）仪器驱动程序，数据的采集与控制要涉及到硬件操作，所以需要对应的硬件驱动程序。

驱动程序使仪器与通信软件集合，连接应用程序与VISA库，每个仪器模块都有其对应的仪器驱动程序，用户可方便的调用仪器驱动程序，而不必重新设计。

（3）应用软件，它建立在仪器驱动程序之上，由用户编写，通过友好的测控操作界面和丰富的数据分析与处理来完成测控任务。

2.4LabVIEW的概述

LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境（LaboratoryvirtualInstrumentEngineeringworkbench）的简称，是目前发展最快、应用最广、功能最强的图形化软件开发环境。

得到了学术界和工业界的普遍认可和好评。

它把复杂的文本语言简化成用图标或菜单提示的方法选择功能，利用线条把各种功能连接起来的编程方式，为用户进行编程、调试提供了方便的工具和环境。

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，为用户快捷地构筑自己在实际工程中所需要的仪器系统创造了基础条件。

而且LabVIEW相比其它计算机语言，有一个重要的不同点:

就是其它计算机语言都是采用文本语言产生代码，而LabVIEW采用的是图形化编程语言（G语言），以框图的形式产生程序，简单易学，可在短时间内掌握并运用到实践中。

从宏观上讲LabVIEW的运行机制以不是传统上的冯·诺依曼的计算机体系结构执行方式。

在LabVIEW中传统计算机语言顺序执行结构被并行机制代替：

从本质上看，它是图形控制流结构的数据流模式。

按照数据流程序的设计规定，当函数的所有输入有效时才能够执行；而当目标输出的功能完成时，它才是有效的。

所以在这种数据流程序的概念中，数据驱动驱使程序执行，它并不受到计算机、操作系统等因素影响。

VI是LabVIEW的核心。

VI拥有人机对话用户界面，前面板（FrontPanel）和程序图（Diagram）。

程序图发指令前面板接收。

在前面板中，输入控件（Controls）模拟仪器的输入装置并将数据提供给程序图；显示控件（Indicators）则模拟仪器的输出装置并显示由程序图获得的数据。

当把一个显示或输入控件放置到前面板上时，程序图中会相应地放置一个端口（Terminals）。

用LabVIEW编程不受计算机语法限制。

首先，在功能菜单中选取所需功能节点，并至于何时位置；然后，在程序图中的端口用线（Wires）连接各功能节点，用来传输各节点质检数据。

这些节点包括简单算术功能、高级数据采集和分析以及存储和检索数据功能的和网络功能。

这样的图形化程序设计编程有着简单、直观、开发效率高等特点。

2.5LabVIEW的应用现状

LabVIEW广泛应用于包括通信、航空、自动化、半导体、过程控制、电路设计及生物医学等各种工业领域中，使应用系统的开发效率得到提升。

协调使用LabVIEW，信息资源及共享软件，可大量节省金钱和时间。

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己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:

运用LabVIEW，可在汽车、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，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:

可利用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IO、与工业控制器和网络进行通信，以及提供基于PC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、确定性控制的实时LabVIEW（LabVIEWRT）软件，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。

3总体设计

3.1系统实现的功能

本论文针对传统测控仪器功能由仪器厂商定义，图形界面小，设备连接有限，读取数据信息量小，无法编辑、存储，功能固定、系统封闭、可扩展性差，技术更新速度慢，开发、维护费用高等特点，设计一个基于LabVIEW的温度检测系统。

该温度检测系统主要实现以下几个功能：

（1）实现单片机与PC机的串口通信，能及时将温度数据传给PC机，并在上位机界面行程曲线，直观表现温度变化。

（2）检测参数显示：

如测试时间、设定温度等，当温度超出范围进行报警等。

（3）温度实时监测曲线显示，具有数字显示和波形图显示。

（4）保存结果数据：

用户可将采集到的数据保存在Excel表格中，方便打印和查询。

3.2总体设计方案

本论文是基于LabVIEW2010的温度检测系统的设计开发，采用从总体到局部的设计原则，逐步分析系统功能，分解整个系统为几个部分且能实现不同功能，然后对每部分别设计。

为实现温度检测系统的各项功能，可将整个系统分为上位机和下位机两部分:

上位机是装有LabVIEW2010软件的PC机，下位机是单片机和外围电路组成的小系统。

通过PC机USB串口进行通信。

下位机部分实现温度信号的采集和温度数据的输出;上位机部分实现对硬件的驱动，数据显示、处理与存储，超温报警及人机交互操作界面的生成。

系统总体设计框图如图3.1所示。

图3.1总体设计框图

4上位机LabVIEW的程序设计

4.1USB接口设计

按总线的类型虚拟仪器系统的通信方式可分为三种方式：

RS-232串行总线体系结构、通用仪器总线GPIB，VXI，PXI体系结构和USB通用串行通信总线体系结构。

RS-232总线是于1969年由美国电子工业协会EIA推出的一个串行通信标准，可实现计算机与计算机或外设之间的数据通讯，它也是目前最常用的串行接口标准。

它结构简单，绝大部分计算机都配有RS-232总线接口。

它编程简单，绝大部分开发软件都可对其提供良好的支持。

但它总线传输距离短，一般小于15m而且最大波特率小于20Kbps，所以不适合于高速场合。

通用串行总线（USB）是一种新的计算机串行总线。

高速传输时，传输速率最高可达482Mbps，全速方式时为12Mbps，低速方式时为1.5Mbps。

可使用USBHub来实现系统的扩展，拓扑结构为树状结构，最多可连接127个外设。

标准USB电缆长3m，低速传输时为5m，通过中继器或Hub可以使传输距离增加到30m。

USB支持热插拔，所有USB设备随时可接入和拔离系统。

另外，USB支持错误检测和恢复处理功能，可以自动检测并隔离设备。

USB具有使用方便灵活、速度快、支持即插即用、成本较低、易于扩展等一系列优点，使USB逐步取代了传统并行或串行接口，广泛应用于音频和视频传输、人机交互接口、宽带接入、量高速外存接口、数据采集以及虚拟仪器等领域。

由于USB总线具有传输速度高，扩展性好，连接方便等众多优点，而且价格适中，非常适合本设计的温度检测系统，因此我们采用了USB总线作为系统的通信方式。

虽然USB驱动程序的调试比较复杂，但可以应用集成度较高的专用芯片，很大程度上简化程序的开发工作。

所以本设计的通信方式采用USB接口。

4.2USB系统的结构

4.2.1USB系统概述

USB系统由USB主机和USB设备两部分构成，由主机发起传输事务，除非主机的允许，USB设备不能主动传输任何数据到主机。

如图4.1是USB系统的结构，被分为了三个逻辑层:

功能层、USB设备层、USB接口总线层，且每一层都由主机和USB设备的不同功能模块组成。

图4.1USB系统的分层

4.2.2USB主机

USB系统中只能有一个主机，并分为三个功能模块:

客户软件、系统软件、USB总线接口。

（1）客户软件：

负责与USB设备功能单元进行通信，来实现其特定功能。

客户软件不可直接访问USB设备，必须经过USB总线接口和USB系统软件才能够实现其与功能单元间的通信。

它包括界面应用程序和USB设备驱动程序两部分：

USB设备驱动程序负责与USB系统软件进行接口；界面应用程序负责与USB设备驱动程序进行接口，来操纵USB设备。

界面应用程序是最上层的软件，只能看到向USB设备发送的原始数据和从USB设备接收的最终数据。

这部分是接口设计的重点。

（2）USB系统软件：

负责与USB逻辑设备进行配置通信和管理客户软件启动的数据传输。

它包括USB主控制器驱动程序、USB总线驱动程序和非USB主机软件三部分，这些软件由操作系统提供。

（3）USB总线接口：

包括主控制器与根集线器两部分。

主控制器负责实现主机与USB设备间的数据传输；根集线器提供连接起点给USB系统。

主控制器的硬件完成该模块与USB系统软件的接口。

4.2.3US