基于虚拟仪器的电子秤设计.doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）基于虚拟仪器的电子秤设计摘 要电子秤因其种类繁多，且涉及到贸易结算和保护广大消费者的利益，所以为世界各国政府普遍关注和重视，并被确定为国家强制管理的法制计量器具。作为重量测量仪器，智能电子秤在各行各业中开始显现其测量精度高，测量速度快，操作简单易学，可以实时监控的优点，使其已经开始逐渐取代传统型的机械杠杆测量秤，成为测重领域的主流产品。基于虚拟仪器设计了电子秤系统，阐述了系统硬件电路构成、软件设计思想和具体实现。系统应用虚拟仪器技术进行自动测量、处理和显示，实现了电子秤的智能化，具有测量精度高、界面友好、运行稳定可靠、功能便于扩展。关键词：电子秤；虚拟仪器；数据库；数据采集内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）design of the electronic scale based on labview abstractelectronic scale because of its great variety, and involves to the trade settlement and the protection general consumers benefit, thought that various countries government pays attention generally and takes seriously, and is determined for the national compulsion management legal system measurement appliance. as the weight metering equipment, the intelligent electronic scale starts in the various trades and occupations to appear its measuring accuracy to be high, the survey speed is quick, the simplicity of operator easy to study, might the real-time monitoring huge merit, make it already to start to substitute for the tradition mechanical lever survey to say gradually, became measures the heavy domain the mainstream product. based on labview，this paper designed a system of intelligent electronic scale，and illustrated its circuit structure of hardware，design idea and implementation of the softwarethe system call automatically measure，manage and display the result with the virtual instrument technique，which makes the system intelligentthe device is not only characteristic of high accuracy and friendly interface，but also good stability and extensibilitykey words: electronic scale; labview; database; data collects内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目 录摘 要iabstractii第一章 绪论11.1 现状11.2 发展趋势11.2.1 小型化21.2.2 模块化21.2.3 集成化21.2.4 智能化31.2.5 综合性31.2.6 组合型31.3 本章小结4第二章 电子秤系统组成、分类、特点52.1 电子秤系统组成52.1.1 称重传感器52.1.2 称架62.1.3 称重仪表72.2 电子秤的分类72.3 电子秤的特点82.4 本章小结8第三章 虚拟仪器93.1 虚拟仪器的产生93.1.1 产生背景93.1.2 虚拟仪器的产生103.2 虚拟仪器的发展历程103.3 虚拟仪器的简介113.3.1 labview图形化程序设计的步骤113.3.2 labview的操作模板123.3.3 labview调试技术133.4 虚拟仪器系统结构143.5 虚拟仪器的特点153.5.1 从组成结构来看，虚拟仪器的特点153.5.2 与传统仪器相比，虚拟仪器的特点153.6 虚拟仪器的发展前景153.6.1 网络化153.6.2 向几何、机械参量等难点领域发展163.6.3 基于linux操作系统的虚拟仪器163.7 应用领域173.8 本章小结18第四章 基于虚拟仪器的电子秤设计硬件部分194.1 电子秤的原理框图194.2 压力传感器204.3 信号调理204.4 数据采集参数214.4.1 模拟输入214.4.2 模拟输出224.4.3 数字i/o（dio）224.4.4 定时i/o234.5 数据采集卡234.5.1 数据采集卡组成234.5.2 pci-6221采集卡244.5.3 数据采集卡的选择254.6 labview软件264.7 pc机配置274.8 本章小结27第五章 基于虚拟仪器的电子秤设计软件部分285.1 数据库技术285.1.1 ado与数据库接口技术285.1.2 常用sql语句规则285.1.3 labsql技术295.2 数据采集技术295.2.1 常用daqmx节点介绍295.2.2 创建daqmx获取模拟输入信号vi的步骤325.3 电子秤的功能335.4 系统软件设计的模块实现345.4.1 数据采集程序345.4.2 数据写入程序345.4.3 数据读取程序355.4.4 数据检索程序355.4.5 用户登录程序365.4.6 帮助程序375.4.7 退出系统程序375.4.8 系统时间程序375.5 系统软件设计的具体界面实现385.5.1 登录成功界面385.5.2 欢迎界面395.5.3 通道设置与波形显示界面395.5.4 数据显示与检索界面405.5.5 弹出帮助界面405.5.6 弹出退出系统界面415.5.7 高亮状态下执行程序框图425.5.8 软件设计总程序图435.6 本章小结44第六章 总结45参考文献46致 谢48 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 绪论电子秤因其种类繁多，且涉及到贸易结算和保护广大消费者的利益，所以为世界各国政府普遍关注和重视，并被确定为国家强制管理的法制计量器具。电子秤是自动化称重控制和贸易计量的重要手段，对加强企业管理、严格生产、贸易结算、交通运输、港口计量和科学研究都起到了重要作用。被广泛应用于煤炭、石油、化工、电力、轻工、冶金、矿山、交通运输、港口、建筑、机械制造和国防等各个领域。1.1 现状50年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。60年代初期出现机电结合式电子衡器以来，经过40多年的不断改进与完善，我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。我国电子衡器的技术装备和检测试验手段基本达到国际90年代中期的水平。电子衡器制造技术及应用得到了新发展。电子称重技术从静态称重向动态称重发展；计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。但就总体而言，我国电子衡器产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距，其主要差距是技术与工艺不够先进、工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、稳定性和可靠性较差等。1.2 发展趋势通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。1.2.1 小型化体积小、高度低、重量轻，即小、薄、轻。近几年新研制的电子平台秤结构充分体现了小薄轻的发展方向。对于低容量的电子平台秤和电子轮轴秤，可采用将薄型或超薄型的圆形称重传感器，直接嵌入钢板或铝板底面与称重传感器外径相同的盲孔内，形成低外形的秤体结构，称重传感器的数量和位置由秤的额定载荷和力学要求计算决定。钢板或铝板就是秤体的台面，称重传感器既是传感元件，又是承力支点，极大地减化了秤体结构，减少了活动连接环节，不但降低了成本，而且提高了稳定性和可靠性。对中等或较大容量的电子平台秤、电子地秤，已经出现了采用方形或长方形闭合截面的薄壁型钢，并联排队列焊接成一个整体的竹排式结构的秤体，4个称重传感器分别安装在最外边两根薄壁型钢两端的切口内，安装在称重传感器承力点上的固定支承就是秤体的承力支点，既减化了承力传力机构，又节省了秤体高度，这是一种很有发展前途的秤体结构。对于大型电子平台秤，可利用有限单元法进行等强度和刚度计算，采用抗弯刚度大的型材和轻型波纹夹心钢板等。1.2.2 模块化对于大型或超大型的承载器结构，如大型静动态电子汽车衡等，已开始采用几种长度的标准结构的模块，经过分体组合，而产生新的品种和规格。以（5、6、7）m长的同宽度3种标准模块为例，由单块、二块、三块到四块分体组合，可以组合成长度为（528）m的22种规格的分体式秤体结构。当然在实际应用中，根据各行业用户的需要，选择其中10余种常用的标准规格即可。这种模块化的分体式秤体结构，不仅提高了产品的通用性、互换性和可靠性，而且也大大地提高了生产效率和产品质量。同时还降低了成本，增强了企业的市场竞争能力。1.2.3 集成化对于某些品种和结构的电子衡器，例如小型电子平台秤、专用秤、便携式静动态电子轮轴秤、静动态电子轨道衡等，都可以实现秤体与称重传感器，钢轨与称重传感器，轨道衡秤体与铁路线路一体化。 如秤体与称重传感器一体化的便携式静动态电子轮轴秤，多用硬铝合金厚板制成。其结构原理是经过固溶热处理强化的铝合金板，或通过在4个角上钻孔和铣槽分别形成4个悬臂梁型称重传感器；或在铝合金板的底面铣出多个对称的盲孔和盲槽形成整体剪切梁型称重传感器。这就使得秤体与称重传感器合二为一，即铝合金板既是秤体台面又是一个大板式称重传感器。1.2.4 智能化电子衡器的称重显示控制器与电子计算机组合，利用电子计算机的智能来增加称重显示控制器的功能。使电子衡器在原有功能的基础上，增加推理、判断、自诊断、自适应、自组织等功能，这就是当今市场上采用微机化称重显示控制器的电子衡器与采用智能化称重显示控制器的电子衡器的根本区别。1.2.5 综合性电子称重技术的发展规律就是不断的加强基础研究并扩大应用，扩展新技术领域，向相邻学科和行业渗透，综合各种技术去解决称重计量、自动控制、信息处理等问题。例如在流量计量专业，如果按照传统的理论和方法建造一套标准大流量测量系统，价格相当昂贵。如果采用称重法即质量流量法，只要将重量和时间测量准确，大流量的测量问题就迎刃而解了。对某些商用电子计价秤而言，只具备称重、计价、显示、打印功能还远远不够，现代商业系统还要求它能提供各种销售信息，把称重与管理自动化紧密结合，使称重、计价、进库、销售管理一体化，实现管理自动化。这就要求电子计价秤能与电子计算机联网，把称重系统与计算机系统组成一个完整的综合控制系统。1.2.6 组合型在工业称重计量过程或工艺流程中，不少称重计量系统还要求具有可组合性，即测量范围等可以任意设定；硬件能够依据一定的工作条件和环境作某些调整，硬件功能向软件方向发展；软件能按一定的程序进行修改和扩展；输入输出数据与指令可以使用不同的语言和条形码，并能与外部的控制和数据处理设备进行通信。1.3 本章小结本章主要介绍了电子秤的发展现状及发展趋势。第二章 电子秤系统组成、分类、特点电子秤是配有电子称量装置的衡器，主要由称重传感器、承载器(俗称秤架)、称重仪表3部分组成。电子秤的工作原理是将作用在承载器上的质量或力的大小，通过称重传感器转换为与之成正比的电信号，并且以模拟或数字量的形式在称重仪表上显示出来1。2.1 电子秤系统组成2.1.1 称重传感器称重传感器是电子称重的核心部件，从原理上分为电阻应变式、压磁式、振弦式等1。电阻应变式称重传感器电阻应变式称重传感器因制作简单、工艺成熟、准确度高，占据着称重传感器 90 %以上的市场份额。电阻应变式称重传感器用于静态、动态条件下质量或力的测量，在工业生产过程检测、控制、自动称量等领域已大量应用。压磁式称重传感器压磁式称重传感器的代表厂家是abb公司，该传感器输出功率大，过载能力强，可在高温、潮湿、多尘等恶劣环境条件下长期工作。振弦式称重传感器振弦式称重传感器的代表厂家是瑞士哈斯勒公司，该公司采用的 sft振弦式称重传感器的电子皮带秤已在国内有较多应用。这种称重传感器的特点如下：重复性、线性为满刻度的0.01 %，稳定性为 0.03 %，与电阻应变式称重传感器的指标大体相当；微小的被测力变化可产生较大的频率变化，分辨率高达百万分之一，灵敏度高；直接数字称重，被处理的信号及输出信号都是数字信号，处理过程无 a/ d、d/ a 转换，运算精确度高；抗电气干扰、抗振动干扰能力强;传感器内装有温度传感器，温度补偿灵敏度可达 0.000 1 %/ ；非位移式测量原理，测量过程几乎无位移发生，不影响秤架的校准状态；有动态过载保护装置；最多15 台传感器可在同一根串行总线上传递信号，最大传送距离为 500 m ，因此，这种称重传感器是未来传感器发展的一个方向。2.1.2 称架单杠杆式秤架1只有一组称量杠杆，其上支撑了一组或几组称量托辊，秤架通常由称量杠杆、支点、平衡重物等组成，结构较简单，但称量准确度不高，精度通常为1 %2 %。双杠杆式秤架1由对称的两组称量杠杆组成，每组称量杠杆上支撑了一组或几组称量托辊，秤架结构复杂，秤体庞大，但它的两组称量杠杆在称量过程中可以抵消一些水平分力对称量精确度的影响，所以秤架性能稳定，称量精确度较高，精度通常为0.25 %0.5 %。悬臂式秤架1通常是在专用的短皮带输送机上采用，短皮带输送机的整体只由支点和称重传感器承重，这种秤架只用于尺寸短小的定量给料机或专用的计量皮带秤，称量精确度中等，精度通常在1 %左右。悬浮式秤架1悬浮式秤架类似静态称重的称重平台，称重平台上支撑了一组或几组称量托辊，它的特性优于上述其他各种结构形式的秤架。比如美国拉姆齐公司在有 4 组称量托辊的秤架中，17型双杠杆式准确度指标为 0.25 %，而 14 型悬浮式准确度指标为 0.125 %。悬浮式秤架的精度通常在 0.125 %0.25 %。从总体性能来看，悬浮式结构的秤架将是未来秤架的一个发展方向1。2.1.3 称重仪表称重仪表从早期的模拟式仪表，发展到现在的微机式仪表。仪表精度从 0.1 %、 0.05 %发展到 0.01 %。微机式仪表有单片机、p lc、工业 pc、嵌入式 pc等形式。微机式称重仪表采用了低漂移高增益放大器、高分辨率a/ d 转换器、闪存、电可擦存储器和非易失性随机存储器、rs - 232/ rs - 485 通信标准、现场总线等技术，使其性能和功能都有了很大提高。这些新技术的采用，进一步提高了称重仪表的性能和可靠性，并为仪表小型化创造了有利条件。在性能上已能做到:非线性优于 0.01 %，灵敏度优于0.2 v/ d，a/ d 转换速度一般为1030 次/ s，用于动态称重时可达100 次/ s 以上。功能上包括：各种参数的设定，如分度值、量程、校准参数、计算系数、皮重等设定；零点自动跟踪；自动去皮；量程自动校准；动态检测；开机自检和故障诊断；停电数据保护；超载报警；非线性补偿；以及毛重、净重、皮重和累加值的显示等。为了便于与计算机通信，现在的称重仪表都配有输入/输出接口，如 rs - 232c、rs- 485、模拟量(420 ma)以及继电器输出等。为了适应各种应用的需要，当前称重仪表发展的一个趋势是：通过硬件或软件的积木式组合来实现不同的功能需求。称重仪表另一个发展趋势是小型化。小型或微型仪表主要用于小型生产设备和移动的称重系统中，例如定量包装秤、叉车秤、货车秤、可移动的台秤等1。2.2 电子秤的分类电子秤的种类和形式是很多的，而且有各种各样的分类方法。例如，可以按称重传感器的工作原理分类，可以按仪表显示方法分类，也可以按称体结构形式分类等等2。电子秤按用途分为下述几种类型：容器称主要用于对各种液体、粉状或颗粒状物料进行称重和配料；吊秤对各种大型构件、集装箱等在装卸运输过程中进行称重；皮带秤对散装物料在传输过程中进行称重；平台秤包括各种地中衡、汽车衡、平台秤等；电子轨道称称量铁路车辆重量2。2.3 电子秤的特点电子秤与传统的机械秤相比，主要有以下优点：传感器的反应速度快，从而可以提高称重速度；结构简单，体积小，重量轻，受安装地点的限制小；称重信号可以远距离传送，并可用计算机进行数据处理，自动显示、记录称重结果，还可以给出各种控制信号，实现生产过程自动化；测量范围广。因称重传感器可做成密封型的，从而有优良的防潮、防腐蚀性能，能在机械秤无法工作的恶劣环境下工作；有足够的精度2。2.4 本章小结我国的电子秤要打入国际市场，参与国际竞争，就必须执行国际法制计量组织制定的国际建议并要有国际水平的技术与装备、有国际水平的质量。这就要求企业以技术为先导、以质量为中心、以管理为基础，努力提高制造技术与制造工艺水平，稳定产品质量，增强国际市场竞争能力。 面对与国际先进水平的差距和我国国民经济持续发展的大好形势，我们的态度应该是明确的，就是要从观念上、技术上和管理上迅速赶上，瞄准先进、与时俱进、迎接挑战、开拓创新、以提高制造技术与制造工艺水平为突破口，主要解决规模生产中的关键技术与工艺，提高批量生产能力，质量保证，使我国的电子秤走上健康持续发展的轨道。第三章 虚拟仪器最初只存在机器语言，计算机的世界里一片黑暗。可是不久，汇编语言问世了，给计算机的世界投下了一缕曙光。labview图形化编程语言的出现终于把人们尤其是工程师和科学家们从繁杂的编程工作中解放出来。3.1 虚拟仪器的产生3.1.1 产生背景二十世纪七十年代以来，在数字信号处理理论、微电子技术、计算机技术迅速发展的支撑下，微机化测试分析仪得到了长足的发展。其基本状况是：各类专用微机化测试分析仪的功能和性能越来越强，在工程测试中得到了广泛的应用。但由于仪器的功能基本上由厂家规定，用户难以扩充，且仪器的研制开发周期长，寿命短，价格昂贵。以pc机为核心的个人仪器（系统），硬件性能有极大提高且日趋标准化。研究单位研制的专业测试分析软件包，可用pc机做许多专业性的分析处理，但软件功能仍由研制者确定，用户较难扩充。众多的测试工作者并不十分熟悉计算机编程，面对这些硬件、软件，仍然处于被动使用的局面。九十年代中期，个人计算机cpu时钟频率已达100mhz以上，以64位二进制进行运算，运算速度和精度有了极大提高，价格亦大幅降低，硬件接口进一步趋于标准化，厂商在出售可程控仪器的同时也提供其驱动软件。特别是面向仪器的软件开发平台，如labview的成熟和商业化，使用者在配有专用或通用插卡式硬件、可程控仪器和软件开发平台的个人计算机上，可按自己的需要，快捷方便地设计和组建各种测试分析仪器和系统。个人仪器发展到了使用者也能设计，开发的新阶段。鉴于主要由使用者自己编制，调用软件来开发仪器功能，完成原来由硬件及固化软件完成的工作，软件成了仪器的关键。这与虚拟现实技术，虚拟制造技术有着相拟的特点。故人们也称这类个人仪器为虚拟仪器，称这种主要由使用者自己设计、制造仪器的技术为虚拟仪器技术。3.1.2 虚拟仪器的产生在上述的背景下，提出了全新概念的仪器虚拟仪器。1986年，美国国家仪器公司提出了虚拟仪器的概念。1990年代，虚拟仪器得到业界广泛认可和应用，相继推出了基于gpib总线、pc-daq和vxi总线、pxi总线等多种虚拟仪器系统。3.2 虚拟仪器的发展历程虚拟仪器发展至今，大体来说可分为三个阶段。第一阶段:计算机的使用，增强了传统仪器的功能。此阶段的vi发展是飞速前进。gpib总线标准的确立，使得pc机和外界通信成为可能，用户便可以使用pc机来控制仪器，并且随着个人pc机系统性价比的不断飞升，用pc机控制测控仪器成为一种趋势。与此同时仪器销售市场上也发生了巨大的变化，通用的数字式仪器销售量猛增，而专用的传统仪器销售量大幅度下降。因为用户已经清楚的知道了，使用pc机和数字化通用设备连接，就可以实现信号数字化，这样就可以方便的对数据做特定分析处理并显示在pc机屏幕上，毕竟台式pc机的处理能力远远超过一般的仪器。第二阶段:开放式的仪器构成。随着插入式计算机数据处理卡和仪器总线标准这两大测试技术的确立，新的仪器构成得以开放。仪器设计者与用户一样，都希望尽可能地提高效率和重复使用次数。仪器生产商建立了各自的内在标准，使得各自标准的其他产品有利可图。许多仪器上唯一通用的元器件就是pc机里的标准件，这样使得pc机成为一个构建vi的理想平台。就类似于pc机的扩展槽，许多仪器内的特殊功能，如a/d、d/a、数字i/o、时间i/o组件都是模块化的功能块，能够直接插在仪器内部的扩展槽内，与处理器总线相连。传统的仪器的相关软件都是固化在内部rom内，只针对专门仪器。而在vi中，专用仪器的软件也是使用模块化的可重用代码，但vi的功能软件是以文件形式储存在介质里的，可以安装在任何pc机上。正是这个阶段vi在软硬件上的这些进步，使得它的构建具有了开放性和更大的灵活性。第三阶段:vi框架的广泛认同和采用。面向对象技术把用户构建vi需要知道的东西封装起来，vi将成为一种主流技术。许多行业标准在硬件和软件领域已产生，几个虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。至此人们也认识到了vi软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键。美国国家仪器公司的软件产品也创造了整体的虚拟仪器框架，它把离硬件较近的接口程序和高级应用程序以及专门仪器的转换驱动程序组合起来。用户可以使用其标准硬件接口驱动程序包去控制数据采集产品。接口软件包中的所有程序都可运行于多种普通计算机和操作系统上。3.3 虚拟仪器的简介虚拟仪器：是一种以计算机和测试模块的硬件为基础、以计算机软件为核心所构成的，并且在计算机显示屏幕上虚拟的仪器面板，以及由计算机所完成的仪器功能，都可由用户软件来定义的计算机仪器。labview是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。3.3.1 labview图形化程序设计的步骤建立方案：建立其前面板接口，利用向导把流程图组合在一起。 建立前面板：从控制模块上选择需要的对象，放在虚拟仪器的前面板上，从而利用前面板去控制整个系统。 构建流程图：从功能模板上选择对象，并用线将它们连接起来以便数据进行传递，从而构建流程图。 数据流程序设计：labview软件中程序的执行顺序由各方块中的数据流决定，也可以建立同步操作的流程图。 模块化和层次： labview软件模块化设计，使任何虚拟仪器既能独立运行，又能被用作其他虚拟仪器的一部分，甚至可以创建自己的虚拟仪器图标，可以设计由虚拟仪器构成的多层系统，并可以改变它以满足不断变化的应用需要。 图形编辑器：labview软件是唯一带有编辑器的图形化编程环境，可以产生最优化的代码，其运行速度快，利用内置的绘图器，能够对与时间很关键的代码部分进行分析和优化。3.3.2 labview的操作模板在labview的用户界面上，应特别注意它提供的操作模板，包括工具模板、控制模板和函数模板。这些模板集中反映了该软件的功能与特征。工具模板该模板提供了各种用于创建、修改和调试vi程序的工具。如果该模板没有出现，则可以在windows菜单下选择show tools palette命令以显示该模板。当从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。当从windows菜单下选择了show help window功能后，把工具模板内选定的任一种工具光标放在流程图程序的子程序或图标上，就会显示相应的帮助信息。控制模板该模板用来给前面板设置各种所需的输出显示对象和输入控制对象。每个图标代表一类子模板。如果控制模板不显示，可以用windows菜单的show controls palette功能打开它，也可以在前面板的空白处，点击鼠标右键，以弹出控制模板。功能模板功能模板是创建流程图程序的工具。该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。若功能模板不出现，则可以用windows菜单下的show functions palette功能打开它，也可以在流程图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出功能模板。3.3.3 labview调试技术找出语法错误如果一个vi程序存在语法错误，则在面板工具条上的运行按钮会变成一个折断的箭头，表示程序不能被执行。这时该按钮被称作错误列表。点击它，则labview弹出错误清单窗口，点击其中任何一个所列出的错误，选用find功能，则出错的对象或端口就会变成高亮。设置执行程序高亮在labview的工具条上有一个画着灯泡的按钮，这个按钮叫做“高亮执行”按钮。点击这个按钮使它变成高亮形式，再点击运行按钮，vi程序就以较慢的速度运行，没有被执行的代码灰色显示，执行后的代码高亮显示，并显示数据流线上的数据值。这样，可以根据数据的流动状态跟踪程序的执行。断点与单步执行为了查找程序中的逻辑错误，有时希望流程图程序一个节点一个节点地执行。使用断点工具可以在程序的某一地点中止程序执行，用探针或者单步方式查看数据。使用断点工具时，点击希望设置或者清除断点的地方。断点的显示对于节点或者图框表示为红框，对于连线表示为红点。当vi程序运行到断点被设置处，程序被暂停在将要执行的节点，以闪烁表示。按下单步执行按钮，闪烁的节点被执行，下一个将要执行的节点变为闪烁，指示它将被执行。也可以点击暂停按钮，这样程序将连续执行直到下一个断点。探针可用探针工具来查看当流程图程序流经某一根连接线时的数据值。从tools工具模板选择探针工具，再用鼠标左建点击你希望放置探针的连接线。这时显示器上会出现一个探针显示窗口。该窗口总是被显示在前面板窗口或流程图窗口的上面。在流程图中使用选择工具或连线工具，在连线上点击鼠标右键，在连线的弹出式菜单中选择“探针”命令，同样可以为该连线加上一个探针。用labview编制出的图形化vi是分层次和模块化的。每个vi既可以单独运行，也可以被其他vi调用。一个vi用在其他vi中，称之为子vi，子vi在调用它的程序中同样是以一个图标的形式出现的。labview依附并发展了模块化程序设计的概念。用户可以把一个应用题目分解为一系列的子任务，每个子任务还可以进一步分解成许多更低一级的子任务，直到把一个复杂的题目分解为许多子任务的组合。首先设计子vi完成每个子任务，然后将之逐步组合成能够解决最终问题的vi。3.4 虚拟仪器系统结构测试管理层 用户使用虚拟仪器生产厂商开发的应用程序，组成自己的一套测试仪器。这是虚拟仪器的优点之一，它可以方便地使用户根据自己的需要，自己的风格建立自己的测试仪器。 应用（程序）开发层 由生产商提供的软件开发工具，如ni公司的labview软件，用户可以用这类软件进行深层开发，以扩展仪器原有的功能。 仪器驱动层 由生产商开发，针对不同类型的仪器有不同的驱动程序接口。 i/o总线驱动层 由生产商开发，用于将不同类型的实际仪器通过相同标准的总线连接起来形成一套完整的测试系统。3.5 虚拟仪器的特点3.5.1 从组成结构来看，虚拟仪器的特点虚拟仪器的硬件是通用的（包括通用计算机硬件平台和通用的测量功能硬件）；良好的人机界面；功能强。虚拟仪器的功能是由用户软件定义的；虚拟仪器之“虚拟”含义。虚拟仪器的面板是虚拟的；软件是虚拟仪器的核心 3。3.5.2 与传统仪器相比，虚拟仪器的特点功能由用户自己定义，而厂商只提供基本的软硬件；充分利用计算机技术，软件是仪器的核心，界面友好，分析处理方便；具有扩展性，模块化结构，与其它仪器的连接不受限制； 技术更新快，易于升级换代和维护； 价格便宜3。3.6 虚拟仪器的发展前景3.6.1 网络化网络化虚拟仪器是虚拟仪器技术和网络技术相结合的产物。基于虚拟仪器的网络化测控系统是分布式测控系统，它利用网络将分散的各种测控设备相连接，利用网络完成数据采集、处理、传输，以实现信息、资源共享，协同工作，从而完成复杂的测控任务，因而具备以下功能：支持远程测控；支持分布式应用；支持异地数据存取；支持异地服务请求与访问。典型的网络化虚拟仪器系统主要由基本功能单元和通讯网络组成。基本功能单元：主要包括pc仪器、单个网络化测试仪器、网络化传感器、网络化控制模块、工作站、信息处理中心等，其中的网络化仪器和网络化传感器是整个测控系统的最基本成分。它们在传统的测量仪器、测控模块、传感器上加装了本地处理器和通讯接口，其主要任务是：数据采集和处理；测试数据交换；测控过程监控、故障诊断；测试信息存储。通信网络包括测试服务器、浏览服务器、中央管理计算机和网关等，负责对各测控基本功能单元进行任务分配、对采集的数据进行计算、处理和分析、存储、系统故障诊断报警和提供浏览服务等。3.6.2 向几何、机械参量等难点领域发展应用虚拟仪器进行几何量和机械参量测量的难度要高于电参量的测量，这是因为传感器和被测工件需要按照测量基准保持严格的相对位置关系，这种虚拟仪器不同其它参量的测量，它一般需要专用的定位机构和传动机构。例如，在开发类似三坐标测量机的虚拟仪器进行几何轮廓参数的高精度测量时，专用的高精度传感器、高精度的定位机构和传动机构不可缺少。3.6.3 基于linux操作系统的虚拟仪器目前主流的虚拟仪器主要是基于windows操作系统。该系统主要面向大众用户，尽管普及面较广，但基于windows操作系统的应用程序占用内存大，系统稳定性不理想，常出现“死机”现象。在工业现场应用场合，多任务并行是经常要解决的问题，然而基于windows操作系统的应用程序并不能真正实现实时多任务并行处理，但是基于linux操作系统的应用程序却更容易满足上述要求，这是因为：linux是真正的多任务的操作系统，可以同时执行几个程序。多任务操作系统就是可以运行多个应用程序(或进程)的系统。linux操作系统是一个多用户操作系统。与通常的windows系统相比，linux允许多个用户同时登陆，充分利用操作系统的资源。在linux平台上几乎能使用所有流行的开发软件，如c+、fortran、java等。可以合理分配内存。linux会尽量把不同的内存作buffer（缓冲区）来使用，因此ram的大小决定运行速度。每个程序都有自己的主内存区，系统处理主内存区是采取保护的方式，可以避免因为一个程序的执行失败而引起整个系统瘫痪。因此基于linux操作系统的虚拟仪器更容易满足多任务并行处理及现场检测和控制要求。3.7 应用领域虚拟仪器的功能和性能已被不断地提高，如今在许多应用中它已成为传统仪器的主要替代方式。随着pc、半导体和软件功能的进一步更新，未来虚拟仪器技术的发展将为测试系统的设计提供一个极佳的模式，并且在测量和控制方面都有无以伦比的强大功能和灵活性。可广泛应用于电子测量、振动分析、声学分析、故障诊断、航天航空、军事工程、电力工程、机械工程、建筑工程、铁路交通、地质勘探、生物医疗、教学及科研等诸多方面。 虚拟仪器的各种优点让用户可以放心地舍弃旧的传统测量设备，接受更新型、以计算机为基础的虚拟仪器系统。由于计算机的性能价格比不断改进，使虚拟仪器的价格更为大众化，用户不必再受限于传统仪器的使用限制和昂贵的价格，进一步降低了使用成本，减少了系统的开发费用和系统的维护费用。此外，新型笔记本电脑又把虚拟仪器的便携性和强大功能推向一个新的水平。所有这些必将加快虚拟仪器的发展，使它的功能和应用领域不断增强和扩大。3.8 本章小结本章主要介绍了虚拟仪器的产生及其产生背景，并且给出详细的介绍，同时介绍了虚拟仪器图形化程序设计的步骤。从两个方面概述了虚拟仪器的特点，最后扼要的叙述了虚拟仪器的应用领域及其发展趋势。第四章 基于虚拟仪器的电子秤设计硬件部分电子秤是各行业对物料进行计量或工矿企业在生产过程中对物料重量进行各种控制的新一代重量计量器具。作为重量测量仪器，智能电子秤在各行各业中开始显现其测量精度高，测量速度快，操作简单易学，可以实时监控的巨大优点，使其已经开始逐渐取代传统型的机械杠杆测量称，成为测重领域的主流产品。结合传感器技术、数据采集技术和虚拟仪器技术开发设计了一种基于虚拟仪器的智能电子秤，该系统采用普通pc机为主机，利用图形化可视测试软件labview为软件开发平台，将被测重量转换处理进行数据采集，实时进行处理、显示4。labview是美国ni公司推出的一个图形化软件开发环境，它是一个通用的软件开发平台，其最大优势在于测控系统的开发。它不仅提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现代的高级信号分析工具，而且labview程序还很容易和各种数据采集硬件集成， 可以和多种主流的工业现场总线通信以及与大多数通用标准的实时数据库链接。这种编程方式强调信号处理的实际过程，编程简单，调试方便4。4.1 电子秤的原理框图本系统主要由压力传感器、信号调理电路、数据采集卡和计算机组成,原理框图如图4.1所示4。图4. 1电子秤的原理框图4.2 压力传感器力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器等。电阻应变片压力传感器是国内外应用较为广泛的一种，它具有精度高、测量范围广、频响特性好等优点。本系统采用的压力传感器是电阻应变式传感器4。当电阻应变式传感器在外力作用下产生机械形变时，其电阻值也相应发生变化，其电阻变化与应变的关系为：r/r=k0，其中k0为灵敏系数，由金属材料决定；为应变，当压力f在一定范围内时，以一个常数正比于f，应变由物体质量产生的荷重而形成，因此可得：m=f+b (a,b为常数) 4。4.3 信号调理放大放大器通过提高输入信号的幅度来更好的匹配数字化仪的输入电压范围，从而提高了小信号测量的精度和灵敏度，进而提高了测量的分辨率和灵敏度。 衰减衰减降低输入信号的幅度以落入数字化仪输入范围，从而可以利用数据采集系统来测量高电压信号。 隔离具有隔离的信号调理设备通过使用转换器、光或电容性耦合技术而不是物理连接来将输入信号传输至测量设备，隔离切断了接地环路。利用隔离技术，可以测量带有较高的共模电压的信号。滤波滤波通过从信号中去处不希望的频率分量来提高测量精度。校准校准通过调整数据采集系统来补偿传感器或测量硬件中的不平衡，来提高测量精度。 同步采样当必须在同一时间内测量两个或多个信号，需要同步采样。4.4 数据采集参数4.4.1 模拟输入通道数对于采用单端和差分两种输入方式的设备，模拟输入通道数可以分为单端输入通道数和差分输入通道数。在单端输入中，输入信号均以共同的地线为基准。这种输入方法主要应用于输入信号电压较高，信号源到模拟输入硬件的导线较短，且所有的输入信号共用一个基准地线。如果信号达不到这些标准，此时应该用差分输入。对于差分输入，每一个输入信号都有自有的基准地线；由于共模噪声可以被导线所消除，从而减小了噪声误差。 采样速率采样速率决定了每秒种进行模数转换的次数。一个高采样速率可以在给定时间下采集更多数据，因此能更好地反映原始信号。 多路复用多路复用是使用单个模数转换器来测量多个信号的一种常用技术。分辨率模数转换器用来表示模拟信号的位数即是分辨率。分辨率越高，信号范围被分割成的区间数目越多，因此，能探测到的电压变量就越小。量程量程是模数转换器可以量化的最小和最大电压值。ni公司的多功能数据采集设备能对量程范围进行选择，可以在不同输入电压范围下进行配置。由于具有这种灵活性，可以使信号的范围匹配adc的输入范围，从而充分利用测量的分辨率。4.4.2 模拟输出稳定时间稳定时间是指输出达到规定精度时所需要的时间。转换速率转换速率是指数模转换器所产生的输出信号的最大变化速率。稳定时间和转换速率一起决定数模转换器改变输出信号值的速率。因此，一个数模转换器在一个小的稳定时间和一个高的转换速率下可产生高频率的信号，这是因为输出信号精确地改变至一个新的电压值这一过程所需要的时间极短。 输出分辨率输出分辨率与输入分辨率类似。它是产生模拟输出的数字码的位数。较大的位数可以缩小输出电压增量的量值，因此可以产生更平滑的变化信号。对于要求动态范围宽、增量小的模拟输出应用，需要有高分辨率的电压输出。触发器 基于一个外部事件来起动或停止一个数据采集的工作。数字触发使用外部数字脉冲来同步采集与电压生成。模拟触发主要用于模拟输入操作，当一个输入信号达到一个指定模拟电压值时，根据相应的变化方向来起动或停止数据采集的操作。4.4.3 数字i/o（dio）dio接口经常在pc数据采集系统中使用，它被用来控制过程、产生测试波形、与外围设备进行通信。一个常见的dio应用是传送计算机和设备之间的数据，这些设备包括数据记录器、数据处理器以及打印机。因为上述设备常以1个字节（8位）来传送数据，插入式dio设备的数字线常排列为8位一组，许多具有数字能力的板卡具有带同步通信功能的握手电路。通道数、数据速率和握手能力都是很重要的技术指标，需要了解这些指标并且它们要与应用的要求相匹配。 4.4.4 定时i/o计数器/定时器在许多应用中具有很重要的作用，包括对数字事件产生次数的计数、数字脉冲计时，以及产生方波和脉冲。4.5 数据采集卡4.5.1 数据采集卡组成多路开关多路开关将多路信号轮流切换到放大器的输入端，实现多参数多路信号的分时采集。放大器放大器将待采集信号放大或衰减至采样环节的量程范围内。通常实际系统中，放大器的增益是可调的，设计者可以根据输入信号幅值的大小选择不同的增益倍数。采样/保持器采样/保持器取出被测信号在某一瞬时的值，即实现信号的时间离散化，并在a/d转换过程中保持信号不变。a/d转换器a/d转换器将输入的模拟量转化成为数字量输出，并完成信号幅值的变化。随着电子技术的发展，通常将采样/保持器同a/d转换器集成在一块芯片上。以上四个部分都处在pc的前向通道，是数据采集卡的主要组成部分。其他相关电路，如定时/计数器、总线接口电路等也集成在一块电路板上，完成对信号数据的采集、放大及模/数转换任务。4.5.2 pci-6221采集卡本设计所采用的采集卡是ni公司的pci-6221（68pin）板卡，如图4.2为pci-6221引脚图。图4.2 pci-6221引脚图其主要特性如下：模拟输入：16路模拟输入模拟输出：2路模拟输出数字i/o：24路数字i/o计数器/定时器：2个32位的计数器/定时器分辨率：16位分辨率采样率：250ks/s采样速率更新速率：833ks/s触发方式：数字触发输入范围：0.2v至10v4.5.3 数据采集卡的选择数据采集卡的选择主要与采样率、分辨率有关。采样率对于数据采集设备来讲,采样率就是进行a/d转换的速率，不同的设备具有不同的采样率，进行测试系统设计时应该根据测试信号的类型选择适当的采样率，盲目提高采样率，会增加测试系统的成本。本系统采用的是ni公司的pci-6221数据采集卡。它的采样率为250ks/s，即每秒采样250k。在实际测试的系统中，一般会有多个被测信号，本系统有四个被测信号，这些信号通过独立的通道进入数据采集卡，但是大部分数据采集卡是多个通道共用一个a/d转换器，这就是多路复用。在这种情况下，数据采集卡性能指标给出的最高采样率，应该分配到各个通道。pci-6221数据采集卡有16个通道，如果实际用了4个，那么每个通道的最高采样率为62.5k。分辨率分辨率涉及到数据采集设备的精度，用模数转换器的数字位数来表示。如果把数据采集设备的分辨率看作尺子上的刻度，同样长度的尺子上刻线越多，测量就越精确；同样的，数据采集设备模数转换的位数越多，把模拟信号划分的就越细，可以检测到的信号变化量也就越小。量程范围是模数转换器可以数字化的最大和最小模拟信号的电压值。在daqmx信号采集系统中，设备量程范围是通过设置信号极限实现的，实际就是确定每一个通道被检测信号的最大值和最小值。准确的极限设置可以让模数转换器使用更多的分段信号去表示信号。设置了信号