温度容积采集和观测-虚拟仪器论.doc

大 连 民 族 学 院 虚 拟 仪 器 设 计温度容积采集和观测学 院（系）： 机电信息工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化学 生 姓 名： 郑 贺 学 号： 2011022428 指 导 教 师： 邵 强 完 成 日 期： 2014年6月25日 郑贺：温度容积的采集和观测摘 要虚拟仪器是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。本次温度容积采集器，是基于前人的温度采集器的基础上，加上了容积采集器。设计是采集温度和容积，并且将数值显示出来，送给波形图表。设置出它的上限值和下限值，超过了设定的值，布尔指示灯就会亮起来报警。还加入了测出它某一段时间内的最大值最小值平均值的系统，可以直接读出某一段时间内的最大值最小值和平均值，不需要很找出多次测量的值去比较计算。本次实验更能准确的反映出温度和容积的情况，并且能直接观测。关键词：温度；容积；采集；观测- I -郑贺：温度容积的采集和观测目 录摘 要I1虚拟仪器与LabVIEW技术介绍11.2虚拟仪器的特点21.3虚拟仪器在各领域中的应用21.4 LabVIEW技术简介32 采集温度容积系统的设计42.1 仪器功能的叙述42.2 前面板的说明42.2.1 温度计容积波形图表42.2.2数值常量和布尔指令42.3 程序框图52.3.1 输入温度和容积部分52.3.2 波形图表显示和报警部分52.3.3 最大值最小值平均值部分6结 论8参 考 文 献9- II -郑贺：温度容积的采集和观测1虚拟仪器与LabVIEW技术介绍LabVIEW是一个基于G（Graphic）语言的图形编程开发环境，在工业界和学术界中广泛用作开发数据采集系统、仪器控制软件和分析软件的标准语言，对于科学研究和工程应用来说是很理想的语言。它含有种类丰富的函数库，科学家和工程师们利用它可以方便灵活地搭建功能强大的测试系统。LabVIEW编程语言最主要的两个特点是图形化编程和数据流驱动。LabVIEW与Visual C+、Visual Basic、LabWindows/CVI等编程语言不同，后几种都是基于文本的语言，而LabVIEW则是使用图形化程序设计语言G语言，用框图代替了传统的程序代码，编程的过程即是使用图形符号表达程序行为的过程，源代码不是文本而是框图。一个VI有三个主要部分组成：框图、前面板和图标连接器。框图是程序代码的图形表示。宏观上讲，LabVIEW的运行机制已不再是传统上的冯诺伊曼式计算机体系结构的执行方式了。传统计算机语言（如C语言）中的顺序执行结构在LabVIEW中被并行机制所代替。本质上讲它是一种带有图形控制流结构的数据流模式，程序中的每一个函数节点只有在获得它的全部输入数据后才能够被执行。既然LabVIEW程序是数据流驱动的，数据流程序设计规定，一个目标只有当它的所有输入有效时才能够被执行；而目标的输出只有当它的功能完全时才是有效的。于是LabVIEW中被连接的函数节点之间的数据流控制着程序的执行次序，而不像文本程序那样受到行顺序执行的约束。我们可以通过相互连接函数节点简洁高效地开发应用程序，还可以有多个数据通道同步运行，即所谓的多线程。在LabVIEW中单击加亮执行（Highlight Execution）按钮，即可以动画方式演示框图的执行过程，可以观察到数据流流动的方式，数据以有色小圆点表示，在各种不同颜色（代表不同数据类型）的连线上流动。 LabVIEW的框图中使用了丰富的设备和模块图标，与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常的相似。多样化的图标和丰富的色彩也给用户带来不一样的体验和乐趣。前面板是VI的交互式用户界面，外观和功能都类似于传统仪器面板，用户的输入数据通过前面板传递给框图，计算和分析结果也在前面板上以数字、图形、表格等各种不同方式显示出来。图标是VI的图形符号，连接器则用来定义输入和输出，每一个VI都有图标和连接器。用户要做的工作就是恰当地设置参数，并连接各个子VI。编程一般步骤就是使用鼠标选取合适的模块、连线和设置参数的过程，与烦琐枯燥的文本编程相比更为简单、生动和直观。 如果将虚拟仪器与传统仪器作一类比，前面板就像是仪器的操作和显示面板，提供各种参数的设置和数据的显示，框图就像是仪器内部的印刷电路板，是仪器的核心部分，对用户来讲是透明的，而图标和连接器可以比作电路板上的电子元器件和集成电路，保证了仪器正常的逻辑和运算功能。虚拟仪器（virtual instrument）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能，虚拟仪器主要是指这种方式。虚拟仪器1实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器1的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国 NI 公司的 LabVIEW。1.1虚拟仪器的特点虚拟仪器可由用户自行定义功能模块，大大扩展了其灵活性。虚拟仪器的开发维护费用更低，系统组建时间更短。只需通过增加软件模块或者通用硬件模块来增添新的测量功能，缩短了系统的更新时间，而且有利于系统的扩展。虚拟仪器通过软件技术可实现丰富、快捷、方便的用户界面，通过多种数据显示方式能够提供更为全面丰富的信息，用户使用时一目了然。随着计算机运算速度的日益提高，虚拟仪器处理数据的过程越来越快，而数字信号处理理论的成熟发展也使得数据处理过程更为可信、精确。虚拟仪器在普通PC机上就可实现，可方便的与网络外设及多种仪器连接，现在流行的DAQ(数据采集)卡、GPIB(通用接口总线)卡、VXI(系统控制接口卡)、PLC（可编程逻辑控制器）等都可以插入计算机插槽。软件方面，可以方便地与C、Matlab等接口式调用，可与数据库连接，以及方便地支持网络传送数据。1.2虚拟仪器在各领域中的应用由于虚拟仪器技术的强有力支持，科学家和工程师们可以方便地建立适合自己需要的测控系统，再也不必将自己封闭在固定传统仪器的狭窄天地中。在电子测量、电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等诸多领域中都有极为广泛的应用。在电子和通信工程中，虚拟仪器可用于电子测量和信号分析；在自动化检测领域内，虚拟仪器可用于数据采集和控制；在航天航空学科里，虚拟仪器可用于监测和分析火箭或卫星传递来的复杂数据，已被美国航天航空局（NASA）用于火星探险；在基础学科的研究中，虚拟仪器可用于设计实验系统，例如用于生化领域中监测薄膜分子的相互作用，以及医学领域中研究嗅觉和视觉。1.3 LabVIEW技术简介LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）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。 LabVIEW提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在 LabVIEW中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G代码。LabVIEW的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。LabVIEW编程语言最主要的两个特点是图形化编程和数据流驱动：图形化编程，LabVIEW则是使用图形化程序设计语言G语言，用框图代替了传统的程序代码，编程的过程即是使用图形符号表达程序行为的过程，源代码不是文本而是框图。一个VI有三个主要部分组成：框图、前面板和图标连接器。数据流驱动，本质上讲它是一种带有图形控制流结构的数据流模式，程序中的每一个函数节点只有在获得它的全部输入数据后才能够被执行。既然LabVIEW程序是数据流驱动的，数据流程序设计规定，一个目标只有当它的所有输入有效时才能够被执行；而目标的输出只有当它的功能完全时才是有效的。于是LabVIEW中被连接的函数节点之间的数据流控制着程序的执行次序，而不像文本程序那样受到行顺序执行的约束。我们可以通过相互连接函数节点简洁高效地开发应用程序，还可以有多个数据通道同步运行，即所谓的多线程。LabVIEW有很多优点，尤其是在某些特殊领域其特点尤其突出。LABVIEW最初就是为测试测量而设计的，因而测试测量也就是现在LABVIEW最广泛的应用领域。至今，大多数主流的测试仪器、数据采集设备都拥有专门的LabVIEW驱动程序，使用LabVIEW可以非常便捷的控制这些硬件设备。控制与测试是两个相关度非常高的领域，从测试领域起家的LabVIEW自然而然地首先拓展至控制领域。LabVIEW拥有专门用于控制领域的模块-LabVIEWDSC。除此之外，工业控制领域常用的设备、数据线等通常也都带有相应的LabVIEW驱动程序。使用LabVIEW可以非常方便的编制各种控制程序。此外，LabVIEW包含了多种多样的数学运算函数，特别适合进行模拟、仿真、原型设计等工作。在设计机电设备之前，可以现在计算机上用LabVIEW搭建仿真原型，验证设计的合理性，找到潜在的问题。在高等教育领域，有时如果使用LabVIEW进行软件模拟，就可以达到同样的效果，使学生不致失去实践的机会。2 采集温度容积系统的设计2.1 仪器功能的叙述本次温度容积采集器，是基于前人的温度采集器的基础上，加上了容积采集器。并设定了它们的上线值和下线值，只要水箱中的温度和容积超过了它的上限值或下限值，布尔指示灯就会亮，也就发生了报警。还加入了测出它某一段时间内的最大值最小值平均值的系统，可以直接读出某一段时间内的最大值最小值和平均值，不需要很找出多次测量的值去比较计算。2.2 前面板的说明前面板是VI的用户界面。创建VI时，通常应先设计前面板，然后在前面板上创建输入/输出任务。2.2.1 温度计容积波形图表在前面板中点击鼠标右键，在“经典”中选择“经典数值”在选择“温度计”和“液灌”分别放入前面板中，将“液灌”改为“容积”点击鼠标右键，在图表中选择波形图表，放入前面板。将“波形图表1”改为“温度”，“波形图表2”改为“容积”2.2.2数值常量和布尔指令点击鼠标右键，选择“数值”中的“输入数值常量”进行六次，将“数值1”“数值2”“数值3”“数值4”“数值5”“数值6”分别改为“温度上限指示灯”“温度下限指示灯”“容积上限指示灯”“容积下限指示灯”“x”“y”点击鼠标右键，选择“数值”中的“输出数值常量”进行六次，将“数值1”“数值2”“数值3”“数值4”“数值5”“数值6”分别改为“温度最大值”“温度最小值”“温度平均值”“容积最大值”“容积最小值”“容积平均值”点击鼠标右键，在“布尔”中选择“圆形指示灯”进行四次，将“布尔1”“布尔2”“布尔3”“布尔4”分别改为“温度高”“温度低”“容积高”“容积低”温度上限下线分别为60和20，容积上下限分别为600和200，x，y分别为102.3 程序框图2.3.1 输入温度和容积部分该流程图中新增的对象有两个乘法器、两个数值常数、一个随机数发生器，温度和容积对象是由前面板的设置自动带出来的。2.3.2 波形图表显示和报警部分设定上下限，温度高于上限或者低于下限分别点亮对应的指示灯。并将其上下限也一并在波形中表示出来。在“数组”中选择“创建数组”，进行两次，并将它们拉伸成可以有三个输入的器件。并增加延迟，如下图所示。2.3.3 最大值最小值平均值部分在“数组”中选择“数组最大值与最小值”，进行两次，选择“数组插入”在分别添加两个“除号”两个“累加器”一个“数组输入”如图所示将其连接。结 论Labview是一个很强大的软件，学好它很难，但学会就很简单，所以只要多做此类的程序就能做出一个好的labview程序。温度采集系统其实很简单，但是要把它做的功能更多更强大，却不是那么容易。程序要实现丰富的内容及完美的界面主要还是要靠扎实的基础，掌握各控件的使用及各类型的模块间的转换。在这个课程设计中，我真正的感受到了虚拟仪器的优越性，“软件即仪器”，仅仅在Labview上写入一些图形程序，就可以实现相应的仪器的功能，只需要借助一台计算机，一个LabVIEW软件，就可以实现很多仪器的功能，真的好方便！做这次课堂作业的过程中，我遇到了不少的问题，但最终我终究还是战胜困难，取得了成功，让我受益匪浅。这次实验让我明白了虚拟仪器这门课程的重要性。总之，虚拟仪器技术与网络技术的结合，及其在测控领域中的应用，是对传统测控方式的一场革命。应用LabVIEW作为虚拟仪器软件开发平台，为开发高性能的计算机测控系统提供了极大的便利。测控方式的网络化，是未来测控技术发展的必然趋势，通过建立分布式网络测控系统，能够充分利用现有资源和网络带来的种种优势，实现各种资源最有效合理的配置。应用分布网络测控，可以进行多点测量，多点分析处理。这样既可以充分发挥服务器控制测