基于虚拟仪器的炉温测控系统设计

中文摘要摘 要随着电子测试技术的不断发展，测试技术正向自动化，智能化，数字化和网络化的方向发展。虚拟仪器(Virtual Instrumentation)概念的提出使我们可以充分利用计算机软件硬件资源来实现计算机与测量仪器的有机结合，从而极其容易的组建一个性能优异的现场测控系统。本课题便是用Labview来实现温度测控系统的设计以及应用，本论文介绍Labview相关知识，利用虚拟仪器的开发平台Labview开发的软件系统，主要包括五个模块：数据采集，显示记录，数据回放，数据处理和数据分析。VI是计算机技术和传统的仪器技术相结合的产物，是仪器发展的一个重要方向，Labview是一种业界比较领先的工业中应用的标准的图形化编程工具，大部分应用于开发测试、测量和控制系统。它是一种特别为工程师和科学家设计的直观图形类的编程语言，其基本思想是在仪器设计或测试系统中尽可能用软件代替硬件，即“软件就是仪器”，它是在通用计算机平台上，建立上虚拟仪器的系统，形成用户自己定义的解决办法，其实质是充分利用计算机的最新技术来实现和扩展传统仪器的功能。本论文重点介绍了虚拟仪器的界面 Labview的应用，并设计一个基于虚拟仪器的数字和控制系统，阐述了系统开发过程中数据的采集和软硬件的设计关键字：虚拟仪器，温度测量，数据采集- 39 -AbstractAbstractAlong with the electronic test technologys unceasing development, the testtechnology forward automation, the intellectualization, digitized and the networkdirection develops. we can make full use of computer software and hardware resources to achieve the organic integration of computers and measuring instruments ,extremely easy to set up a field of performance measurement and control system，by the introduction of the concept of virtual instruments (Virtual Instrumentation). This project is implemented with Labview design and application of temperature measurement and control system, the paper introducing Labview knowledge, development of virtual instrument platform software developed by-Labview systems, mainly consists of five modules: data collection, show record, playback of data, data processing, and data analysis.VI is the product which the computer technology and the traditional instrument technology unifies, is an important direction which the instrument develops, Labview is one based on the graph hypothesized instruments software development tool, mainly uses in domains and so on test automation, process control, instrumental design and data analysis, It is a language which specifically designed for engineers and scientists, and an intuitive graphical programming ,its basic philosophy is uses the software in the instrumental design or the test system to replace the hardware as far as possible, namely “the software is the instrument”, it is in the general-purpose calculator platform, defines and designs instruments test function according to the users needs, its essence is realizes fully using computers newest technology with the expansion tradition instruments function. This article introduced with emphasis the hypothesized instruments contact surface Labview application, and designs one based on the hypothesized instruments digit and the control system, elaborated in the system performance history data gathering and software and hardwares design.Key words: Virtual Instrument，Temperature measure，Data acquisition 目 录目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 引 言11.1 课题背景简介11.2 课题原理介绍1第二章 虚拟仪器基础32.1 虚拟仪器的概念32.2 虚拟仪器的特点32.3 虚拟仪器的工作原理42.4 LabView8.6软件的介绍82.4.1 labview 8.6启动界面82.4.2 labview8.6软件的基本构成92.4.3 labview8.6的前面板和程序框图设计窗口102.4.4 labview的三大选板12第三章 炉温测控系统的硬件设计173.1 系统设计的流程图示173.2 硬件电路设计173.2.1 温度传感器简介和选择173.2.2 数据采集卡USB6009的介绍20第四章 炉温测控系统的软件设计254.1 系统的软件设计的基本原则254.2 系统的数据采集264.3 数据转换和实时显示264.4 数据存储与查询部分284.4.1 建立数据源294.4.2 数据存储模块的设计314.4.3 数据库查询的模块324.5 前面板的设计334.6 小结34结论36结束语37参考文献38致谢和声明39第一章 引 言第一章 引 言1.1 课题背景简介随着计算机技术和仪器技术的飞速发展，以虚拟仪器为标志的通用化、智能化、网络化和人性化的测量仪器以及测试系统的迅速发展，使得测量仪器和数据采集系统的设计和实现发生了深刻的变化。我们不可否认虚拟仪器（VI）是计算机技术和传统的仪器技术相结合的产物，是仪器发展的一个重要方向。虚拟仪器技术由结构化的数据流框图何和交互式面板组成。Labview是一种业界比较领先的工业上标准的图形类的编程工具，主要应用在开发测试中、测量和控制系统中。它是特别为工程师和科学家设计的直观的图形化编程语言，建立成为虚拟仪器系统，让用户自定义如何解决方案，让复杂的数据采集工作变得更为简单。1.2 课题原理介绍本论文重点介绍了虚拟仪器的发展、界面，LabVIEW的应用，并设计了一个基于虚拟仪器的数字化炉温测控系统，阐述了系统开发过程中数据的采集和软硬件的设计，虚拟仪器可以由使用者自己定义，这意味着可以自由地组合计算机平台，硬件（例如传统的仪器），软件，以及各种为了实现应用而需要的组件。这种灵活性在由提供者定义，功能固定，比较独立传统仪器中是非常难达到的。日常生活用的示波器，数字万用表，信号的发生器，温度和压力监控仪器都为这类传统仪器的代表。从传统中的仪器设备向虚拟化仪器设备去转变，为现代日常工作中实验带来很多实际的利益，也促进实验的方法不断发展进步。虚拟仪器技术，就是用户在通用计算机平台上，根据测试任务的需要来定义和设计的测试功能，其本质就是充分的发挥计算机的优势来实现及扩展传统中的仪器功能。“软件其实就是仪器”反映出虚拟仪器技术上的核心特征。美国的国家仪器公司研发出的的NI-LabVIEW是目前来说最成功，应用也是最广泛的虚拟仪器的软件系统。它是基于G语言的32位的编译图形化的编程语言，它图形类界面能够方便的进行虚拟仪器的研发。现代的工业化生产上，测温的方法多种多样的，同时温度测量和控制的场合也越来越多。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineer Work）是一种用图标来代替文本进行组建应用程序的图形编程语言。传统上的文本的编程语言根据程序语句和指令的先后决定程序中的执行顺序，而labview却采用数据流进行编程的方式，程序框图中节点之间的数据流流向决定了程序的执行的先后，其本质思想就是“软件即是仪器”。第二章 虚拟仪器基础第二章 虚拟仪器基础2.1 虚拟仪器的概念目前国际上对于虚拟仪器（Virtrual Instrument，简称VI）比较权威的定义主要有4： （1）NI公司定义是：虚拟仪器是由很多组件组建的，包括模块化的仪器硬件设备和数据分析的方法、计算机硬件资源以及过程中通讯及图形化用户界面的软件组成的测控系统，是由计算机操纵的模块化仪器的一种系统。（2）英国的国家物理试验室给出的定义：虚拟仪器是在普通的计算机上加入软件和硬件，并利用计算机屏幕提供的仪器虚拟界面可重用的测量仪器。（3）VXI plug&play的规范定义：虚拟仪器是实现传统分立仪器功能的一组软件模块，也包括与其相关或必须的硬件资源。Labview程序被称作VI，或者说虚拟仪器，这是由它的许多界面控件和操作模拟了现实中的仪器，像示波器、万用表。Labview的核心概念是“软件即为仪器”，即为虚拟仪器概念。Labview还包含大量工具和函数用以进行数据采集、数据分析、显示和存储等。前面板在labview中就是用户界面，利用图标和连线，通过编程来对前面板上的控件进行控制，这是源代码，也称为G(Graphics)代码。Labview的图形化的源代码在一定程度上与数据流流程图类似，所以也被称为程序框图代码。前面板的每个控件对应着程序框图中的对象，当数据流向这个控件时，控件就会根据自己的特性以某种方式显示出数据，例如开关、数字和图形。重要概念：在G编程语言中框图就是源代码。2.2 虚拟仪器的特点与传统仪器相比，虚拟仪器具有下面几个特点：（1）虚拟仪器的软件和硬件具有模块化、开放性、互换性和能重复使用的特点。比如，为了将仪器的性能提高，可加上一种常用的仪器模块，或者换一个仪器模块，而不需要重新购买整个仪器。（2）当通用的硬件平台完成搭建后，让软件来实现各个仪器的具体功能，所以软件在虚拟仪器中具有相当重要作用。（3）虚拟仪器的功能是用户根据实际工作的需要，通过软件进行定义的，而不是由制造商定义的。（4）虚拟仪器研发制作的周期比传统仪器短很多。（5）虚拟仪器性价比很高。（6）因为虚拟仪器技术是根据计算机技术和数据采集技术建立的，所以技术更新比较快、成本比较低、测试自动化程度也较高，可和网络及其他不同设备互联。（7）虚拟仪器有比较灵活、友好的人机界面，传统仪器的界面却比较呆板。2.3 虚拟仪器的工作原理同传统仪器一类似，虚拟仪器划分成数据采集和控制、对数据分析处理、结果表达三种功能的模块（如图21）。虚拟仪器以一种透明的方法将计算机软件资源和仪器硬件的测试能力进行，实现仪器的各种功能运作。信号处理数字滤波统 计分 析网络传输磁盘复制文件I/O图形用户接口PC-DAQ采集卡GPIB仪器串口仪器VXI仪器PXI仪器图2-3-1 虚拟仪器的功能模块虚拟仪器主要包括通用的计算机资源（像微处理器、显示器、内存）、应用软件、仪器硬件（A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号调理）。使用者运用不同的应用软件将计算机的资源与仪器硬件进行结合，通过友好的图形界面对计算机操作，实现测试信号采集、判断、分析、显示和数据处理功能。图2-2给出了一种利用数据采集卡实现的虚拟仪器。虚拟仪器面板数据采集卡信号调理传感器 图2-3-2常见虚拟仪器的组建方案根据所使用的仪器硬件不同，虚拟仪器硬件系统可以分成PC-DAQ系统、GPIB系统、现场总线系统、VXI/LXI/PXI系统、串口系统7。（1）PC-DAQ系统是一种具有各种仪器不同特征的数据采集系统。该系统将信号调理、数据采集电路的硬件板/卡插入PC的ISA或PCI总线的槽口的功能，配合具有各种功能的软件，可完成具有电压测量、频率计、示波器、频谱仪各种功能的仪器。缺点是受机箱和总线的限制，电源的功率有可能不足，机箱内部噪声电平比较高，插槽数目有限、尺寸较小，机箱内无屏蔽等。（2）系统是一类仪器控制系统。GPIB（GeneralPurposeInternet Bus）技术出现于世纪年代。系统具有广泛的软硬件支持测量系统的结构和命令简单，可以方便的将多台仪器组合起来形成自动测试系统，缺点是无法提供多台仪器同步和触发的功能，在传输大量数据时宽带不足。（3）VXI/PXI/LXI系统。这是一类模块化的仪器系统，其硬件结构域工控机类似。VXI总线技术出现于20世纪80年代，目前已逐渐退出市场。PXI技术出现在20世纪90年代，该总线是在PCI总线内核技术上增加了技术规范和要求而形成的，具有非常高的扩展性，传输速率可达到132Mb/s，PXI系统是如今使用较广泛的一类模块化的虚拟仪器系统。LXI总线技术开发于2004年，是继GPIB技术、VXI技术之后的新一代基于以太网络LAN的自动测试系统模块化构架平台标准，因此，LXI系统能够成为虚拟仪器系统发展的主要方向。（4）现场总线系统。现场总线（Field Bus）是指用在现场仪表和控制系统之间的一种全分散、全数字化的智能双向、多变量、多站的通信系统，其可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速度快、造价低、维护成本低。随着总线技术的广泛应用，基于现场总线的虚拟仪器系统的开发具有广阔的市场前景。虚拟仪器的软件系统与虚拟仪器硬件模块在世界范围内的开放与标准化相适应，虚拟仪器的软件结构也要求具有开放的、统一的格式与标准。为此，1993年VPP(VXIPLug&Play)联盟成立，其目的在于补充和发展VXI总线规范中对虚拟仪器软件结构的定义。根据VPP系统规范的定义，虚拟仪器的软件结构如图1-3所示：应用软件层仪器驱动程序层输入输出接口层 图2-3-3虚拟仪器软件的框架（1）输入输出接口层该层在仪器和仪器驱动的程序之中，是实现统一、开放的虚拟仪器的基础与核心。在VPP系统规范中详细规定了虚拟仪器I/O接口软件的特点、组成、内部结构与实现规范。(2)仪器驱动程序层 在虚拟仪器里，每个仪器模块都具有自己的驱动程序，仪器驱动程序的本质是用户提供能用在仪器操作上的、比较抽象的操作函数的集合。应用程序对仪器的操作是借助于仪器驱动程序实现的；仪器驱动程序对于仪器的操作和管理是调用VISA库函数去实现的。（3）应用软件层 应用软件层建立于仪器驱动程序层，直接面向使用者，提供比较直观友好的仪器操作界面、数据分析和处理功能实现自动测试任务。目前，应用软件的编写可分成两种方式。利用编程语言进行编写，主要有VISUAL BASIC与VisualC+。利用专业测控语言开发平台进行编写，可以分为两种。一种是基于图形化的编程语言，如labview；一种是可视化编程语言，如NI labwindow/CVI.虚拟仪器信号流程图如下：数据采集卡采集模拟电压信号，并转为数字信号将数字信号读入计算机信号经调整电路调整为标准信号在虚拟仪器软件上设计信号测量流程及面板测试实现应用程序传感器将被测信号转为电信号2-3-4 虚拟仪器信号测量流程图2.4 LabView8.6软件的介绍2.4.1 labview8.6启动界面从“开始”菜单里运行Nationoal Instruments Lsbview8.6，在计算机屏幕上将出现如下所示的欢迎界面窗口。 图2-4-1 labview欢迎界面之后自动进入如图2-6所示的labview启动画面，计算机屏幕显示如下图所显示的窗口。菜单栏里有文件、操作、工具、帮助四项，菜单栏下面是新建、打开、资源选项，在此处可以创建新VI、VI项目或者用模板来创建VI,也可以打开一个已存在的VI或VI项目，同时也可以打开最近使用过的VI,或者浏览相关资源。图2-4-2 labview启动界面2.4.2 labview8.6软件的基本构成 在labview中开发的应用程序都被称为VI（虚拟仪器），其扩展名均默认为vi。VI包括前面板、框图以及连接器和图标窗格三部分。在新建选项栏里选择VI选项，将建立一个空的Labview程序，如图2-7所示。图2-4-3 新建的空白labview程序前面板和框图如上所示，前面板是图形化的用户界面，相当于标准仪器的面板，该界面上有交互式的输出显示控件图标和输入控件。包括旋钮、按钮、开关等；输出显示控件包括波形图、波形图表、指示灯等。框图是VI程序的图形化源代码，相当于标准仪器箱内的功能部件。在框图中对VI编程的主要工作就是从前面板上的输入控件获得用户输入信息，然后进行计算和处理，最后在输出控件中把处理结果反馈给用户。框图上编程元素除了包括与前面板上的输入控件和输出显示控件对应的连线端子外，还有函数、子VI、常量、结构和连线等。2.4.3 labview8.6的前面板和程序框图设计窗口虚拟仪器的前面板设计窗口如下图2-8所示，这个窗口包括用户画图时各种需要的输入输出控件，如开关，指示灯，旋钮，显示控件，各种数值的输入也包含在其中，还有其它的控件以供用户进行使用时方便的选择。用户只需点击需要的控件放在前面板窗口的合适位置上即可2。图2-4-4 labview的前面板窗口程序框图窗口如下图2-9所示，程序框图是实现VI逻辑功能的图形化源代码，是用G编程语言“写”出来的，是用术语“写”是不确切的，因为实际上这里的代码是由图标和连线等符号组成的，而不是传统的“代码行”，框图是实际的可执行代码。框图中的编程元素除了包括与前面板上的控件对应的连线端子（Terminal）外，还包括函数、子VI、常量、结构和连线等。将图标连在一起能够让数据流过，G程序的执行通过数据流控制，不是按照代码行的顺序执行，图标与连接器指定出数据流的途径，在程序框图上图标是VI的图形标志，而连接器却定义输入和输出，这就是数据流的编程。图2-4-5 程序框图窗口2.4.4 labview的三大选板 Labview8.6提供了3种选板，分别为：控件选板、函数选板和工具选板。控件选板包含了前面板所需要的所有控件，包括输入控件和显示控件。下面依次进行介绍6：(1)控件选板 只有打开前面板时，鼠标在前面板空白处右击才出现控件选板，点击控件窗口顶端的图钉符号，即可把控件选板固定在前面板处，方便以后的操作。控件选板用来给前面板添加各种输入控制对象和输出对象，在默认状态下，各种输入控件对象和输出显示控件按类型分组。有的图标右上角有个黑色的三角表明该图标为一个子选板，其中具体的控件还需要单击打开子选板再进一步选择。图2-10为控件选板的窗口。图2-4-6 控件选板表1 控件选板中常用控件的功能介绍图标选板名称功能数值数值选板用于输入和显示数值，可创建滑动杆和数值显示框等布尔各种布尔控件和显示控件，包括按钮、开关、指示灯等数组、矩阵、簇用来创建数组、矩阵和簇图形以图形化的方式显示数据修饰用于修饰前面板数值显示控件放在前面板显示程序数值（2）函数选板只有打开程序框图窗口，才能显示函数选板，函数选板如下图2-11所示图2-4-7 函数选板表2 函数选板的常用控件5图标子选板名称功能结构实现程序的控制布尔用于对单个布尔常量或布尔数组进行逻辑运算数值用于创建和执行算术功能，对数据以及由变量转换得到的数据进行数学操作定时用来控制程序执行的速率以及从计算机上获取时间DAQmx实现数据的采集、分析(3)工具选板工具选板提供了用于创建、修改和调试VI程序的各种工具。如果该选板不可见，则在查看菜单下选择“工具选板”选项可以显示该选板，一般工具选板上的自动指示灯为绿色，显示为自动选择。工具选板的窗口为下图：图2-4-8 工具选板表3 工具选板上部分可选工具的介绍5图标名称功能自动选择工具在该工具处于选中状态下，在前面板和框图中的对象上移动鼠标时，会根据鼠标指针下的对象自动选择合适的操作工具编辑文本用于输入标签和标题说明的文本连线工具在框图上连线以及在前面板建立连接器设置或清除断点在框图上设置断点当从工具选板内选择了任何一种工具后，鼠标箭头就会变为与该工具对应的形状。当鼠标在工具图标上停留2秒后，会弹出提示框以说明该工具的用途。当从“帮助”菜单下选择“显示即时帮助”选项，把鼠标放在前面板和程序框图上的对象上，就会出现在“即是帮助”窗口显示相应对象的帮助信息。第三章 炉温测控系统的硬件设计第三章 炉温测控系统的硬件设计虚拟仪器软件3.1 系统设计的流程图示数据采集卡计算机传感器被测量 图 3-1-1虚拟仪器系统的组建方案3.2 硬件电路设计3.2.1 温度传感器简介和选择传感器是非电量检测系统的感受环节，人们希望它能按照一定的规律输出易于准确处理的有用的信号。广义上讲传感器就是能感知外界信息并能按照一定规律将这些信息转化成可测信号的装置；狭义上讲，传感器是将外界信号转换为电信号的装置。传感器通常由敏感元件、传感元件和转换电路三部分组成，如图所示。其中，敏感元件用于直接感受被测量，并以确定关系输出某一物理量；传感元件用于将敏感元件输出的非电物理量转换成电路参数或电量；转换电路用于将电路参数转换成便于测量的电量。某些半导体敏感元件可以直接输出电信号，其本身就构成传感器5。敏感元件转换电路传感软件被测量电量图3-2-1传感器的组成框图按照所测物理量不同，传感器可分为温度传感器、位移传感器等。这种分类方法直接表明了传感器的用途。按照工作原理的不同，传感器可分为电阻式、电感式、磁电式、压电式传感器等。表1 常见的传感器类型、工作原理及应用7类型工作原理 典型应用电阻式电阻应变片式让应变片的电阻值发生改变力、位移、压力、应变、力矩固态压阻式借助于半导体材料的压阻反应加速度、压力电位器式移动电位器的触点去改变电阻值力、压力电感式自感式改变磁路的磁阻让线圈发生自感变化位移、厚度、压力、力、震动、液位互感式改变互感电涡流式利用电涡流现象能够改变线圈自感位移、探伤、厚度压磁式利用导磁体的压磁效应力、压力感应同步式两个平面绕组的互感随位值不同而变化位移热电式热电偶利用温差电效应温度、热流热电阻利用金属的热电效应温度热敏电阻利用半导体的热电阻效应温度、热辐射压电式正压电式利用压电元件的正压电效应力、压力、加速度声表面波式利用压电元件的正、逆压电效应力、压力、加速度、位移容栅式改变电容量或加以激励电压产生感应电势位移、温度、转速、浑浊度目前使用的金属热电阻材料有铂、铜、和镍等，其中应用最广泛的是铂、铜材料。由于铂具有很好的稳定性和测量精度，故人们主要把它用于高精度的温度测量和标准测温装置。金属热电阻检测元件通常由电阻体、保护套管和接线盒等部件组成。热电阻丝是绕在骨架上的，骨架采用石英、云母、陶瓷、塑料等材料制成。本次设计的测控系统温度范围为-50120，故在进行温度测量时使用的温度传感器是铂电阻中的Pt100,铂电阻的物理化学性能非常稳定，耐氧化性强，且电阻率较高、复现性好。可用作基准电阻和标准热电阻。但铂电阻的电阻温度系数较小，在还原性介质中工作时易于变脆，且铂是贵金属，价格较高。铂电阻的温度测量范围为-200850。在高温下，只适合在氧化气氛中使用，真空和还原气氛会导致电阻值与温度的关系的改变。PT100，又叫热电阻，铂电阻温度系数为0.0039，0时电阻值为100，电阻变化率为0.3851/。PT100采用的是不锈钢外壳进行封装，内部用导热材料和密封材料灌封而成，尺寸较小，适用于精密仪器、恒温设备、流体管道等温度的测量中，非常经济，非常实用。铂电阻的电阻值与温度的关系是非线性的函数，一般用于工业中的铂电阻可以用下式表示7：Rt=R0(1+At+Bt2) (0t850) （3-1）Rt=R01+At+Bt2+Ct3 (t-100) (-200t0） （3-2）式中，Rt为温度在t时铂电阻的电阻值；A、B和C为常数，分别为A=3.908310-31/；B=-5.77510-71/2;C=-4.18310-121/4。通过Pt100传感器测出温度后，转换成420mA电流信号，送至采集模块USB6009的输入端，输入端并联250电阻，将420mA电流信号转换成15V电压信号，计算机通过labview软件采集USB6009测得的电压信号以后，再转换成-50120的测量结果。测量的温度与转换的电压之间关系的分析：Pt100采集的电压为线性，因此采用线性分析来分析电流与温度之间的关系。设线性方程为y=kx+b,当温度为-50时，电压为1V;当温度为120时，电压为5V。带入方程得，k=42.5，b=-92.5。故线性方程为y=42.5x-92.5。温度传感器和数据采集卡的电路如图所示： 图3-2-2 温度采集的电路3.2.2 数据采集卡USB6009的介绍可以在计算机的控制下进行数据采集并完成控制要求的产品可以称作DAQ产品，通常也称为数据采集卡，它可以分为内插式的板卡与外挂式的板卡，内插式板卡包括基于PCI、PXI、ISA、Compact PCI总线的板卡，优点是速度快，但安装和插拔不方便，外挂式的板卡包括RS-232、USB、RS-485，特点是安装方便，而速度比较慢，下面介绍一种体积小巧、安装很方便的数据采集卡：NI USB-6009.NI USB-6009采集卡的性能指标9NI USB-6009数据采集卡是NI公司USB系列的产品之一，它具有如下特点：携带、安装方便；不容易收到电脑机箱内的环境的说干扰；不受到计算机的插槽数量、地址、中断自由的限制；以及可扩展性好。NI USB-6009数据采集卡以其优良稳定的特性，受到广泛的关注和使用，是一种性价比极高的数据采集卡。其实际图和大致接口图如下：图3-2-3 NI USB-6009的实物图和接口图 （1-标签，2-插口，3-端口标签，4-USB接线口）NI USB-6009数据采集卡具有基本的数据采集功能，其应用范围包括简单的数据记录、便携式测量和学术机构的实验室试验，能够完成数据采集、信号的模拟/数字的输出、定时/记数等多种功能，该数据采集卡包括8路模拟输入通道，12位的数字I/O，1个32位的用于定时输入输出的定时/计数器，其输入分辨率为14位, 2路模拟输出通道，输出分辨率为12位。NI USB-6009数据采集卡模拟输入端的最高采样速率为10Khz，输入信号的幅值范围是20V，模拟输出端的最高速率为150Hz,输出信号的幅值范围为05V。其模拟端子和数字端子的分配如表所示： 表2 NI USB-6009数据采集卡模拟信号端子分配表端口编号信号单端输入模式信号查分输入模式端口编号信号单端输入模式信号差分输入模式1GNDGND9AI6AI2-2AI0AI0+10GNDGND3AI4AI0-11AI3AI3+4GNDGND12AI7AI3-5AI1AI1+13GNDGND6AI5AI1-14AO0AO07GNDGND15AO1AO18AI2AI2+16GNDGND表3 NI USB-6009数据采集卡数字信号的端子的分配端口标号连接信号端口标号连接信号17P0.125P0.118P0.126P0.119P0.127P0.120P0.128P0.121P0.129P0.122P0.130P0.123P0.131P0.1(2) NI USB6009数据采集卡的安装NI USB6009数据采集卡是即插即用的数据采集卡，它的硬件的安装非常方便简单快捷，只需将配套的数据线连接到计算机的USB接口即可。如果不再继续使用，直接将数据线从计算机上拔下即可。这种方式就避免了像PCI总线采集卡一样必须将计算机关闭，才能打开机箱插入采集卡的操作的麻烦。（3）数据采集卡的配置数据采集卡使用时，必须先安装相应的驱动软件，NI公司的网站上可以下载驱动程序。安装好数据采集卡后，Windows会自动检测到添加硬件设备，这时会弹出配置对话框，用户进行自己选择。我们选择使用DAQ助手，利用DAQ助手，我们可以执行下面的任务： 创建和编辑任务、还有虚拟通道。 给任务添加虚拟通道； 创建并编辑量程； 保存用户的设计配置； 观察传感器的连接图。我们使用DAQ助手的原因是因为它可以加快用户在NI-DAQmx上的学习速度。配置过程：DAQ助手位于labview软件的程序框图面板的的函数选板下的Express的子选板下，首先将DAQ助手的ExpressVI放置于程序框图面板的适当位置，DAQ助手会自动弹出一个设备配置窗口12，如下图，图3-2-4 放置DAQ助手时自动弹出的配置窗口我们选择模拟输入中的电压输入，然后设置通道，出现下面的界面，我们可以选择模拟输入电压的范围、接线端的配置、采集模式、采样率、触发等。通过系统对DAQ助手的初始化完成，我们即可利用DAQ助手进行采集电压的信号了。图3-2-5 输入配置界面 第四章 炉温测控系统的软件设计第四章 炉温测控系统的软件设计4.1 系统的软件设计的基本原则（1）结构合理虚拟仪器的程序设计应该采用模块化的设计。这样既有能满足对程序的进一步扩充的要求，又可以有利于对程序的维护和改进。在主程序编写时要尽量利用子程序，这样可以使得系统的程序层次上条理分明，易于其他用户的阅读和理解，同时，还能够简化程序的设计，以减少对程序内存的的占用程度。当程序中含有需要经常修改的变动的参数的时候，我们应该把程序设计成独立的能够进行参数传递的程序，来避免程序的频繁的修改造成的麻烦4。（2）操作性好操作性好是指在使用时方便，这对设计的虚拟仪器系统来说非常重要。在程序开发出，设计者就应该考虑怎样降低对操作人员的专业知识的要求，所以在程序设计时，要采用各种图标和菜单来实现人机之间的交流，来提高工作效率和程序的简便。（3）具有保护措施系统的设计应该具有检测的程序，如果发生故障时，便于查找故障的部位。同时对重要的参数要实时存储，以防丢失。（4）提高程序的执行的速度因为不同的设计要求的时间不同，在设计程序时，要根据具体的项目具体的设计，保证设计中的优化工作。（5）对程序要有一定的说明一个好的程序不但要实现预定的要求，能够正常的运行，还要操作简单，易于阅读和调试，所以要在编写过程中对程序有一定的说明。4.2 系统的数据采集数据采集部分是外部数据与虚拟仪器之间的进行沟通的桥梁，是设计中所需硬件和计算机软件的结合，硬件部分所需要的部件已在本论文的第三章进行了阐述，基于虚拟仪器的数据采集典型的硬件结构为：计算机数据采集卡信号调理传感器被测量温度电信号 模拟信号数字信号在本次设计中，温度传感器通过进行A/D转换成电压信号传递给计算机，计算机在这里为上位机，计算机中的虚拟仪器软件通过实时模拟温度计，显示出所猜测炉温的实时温度。数据采集离不开DAQ助手，我们在前面介绍了DAQ助手的配置，DAQ助手的基本任务是对炉温产生的物理信号进行提取和测量，但是要使计算机能够测量物理信号，必须使用传感器把物理信号转换为电信号，这里我们用铂电阻传感器和USB6009采集卡进行温度的实时采集。下图为DAQ助手在程序框图中显示。 图4-2-1 DAQ助手4.3数据转换和实时显示在数据采集后，需要用计算机进行实时的波形显示以及在摄氏和华氏之间的转换。同时，设定最高温度和最低温度，当炉温比最高温度高或者比最低温度低时，系统自动报警，并且记录在测控阶段的报警次数。下图中我们可以实现温度报警的要求，并且进行此数据记录，同时，在波形图表中也可以显示出温度实时变化的波形来。 图4-3-1 数据转换和报警判断程序框图上图中用条件结构来判定报警时次数是否需要加一，并且设定了报警指示灯，当温度值大于上限或小于下限时，指示灯则亮，然后上限或下限次数即加一，实时显示出。下图中的条件结构是判定是否进行摄氏和华氏的转换，当布尔按钮为真时，就进行温度的转换，如果布尔控件为假，就不用转换。图4-3-2 摄氏和华氏的温度转换的判定框图图4-3-3 温度显示的波形图表温度的实时数据和变化通过图4-3-3来显示出，用户可以清晰的通过波形的变化和实时的温度显示来监控炉温的变化，这样可以达到对炉温的实时控制，并且可以随时调节成用户需要的温度值。4.4 数据存储与查询部分 当需要进行对采集的数据编写记录、存储文件信息以及回放存储的波形等应用程序模块时，通常就需要使用数据库的访问技术来实现。数据库能够方便的实现大量的数据的存储、管理和条件查询。但是，labview本身并不能对数据库直接访问，但是可以通过以下几种方法来实现：（1） 利用labview的ActiveX功能调用ADO控件，使用SQL语言可以访问数据库，这是一种接近底层的编程方法，需要对ADO和SQL语言了解很深入，开发的过程也很复杂。（2）利用免费数据库工具包SQL实现对数据库的访问，这是一种通过调用已经封装好的子VI，能够方便的对数据库进行访问。（3）利用labview中的DLL接口间接实现对数据库的访问，但是开发过程比较复杂，不适合没有使用过DLL调用数据库的用户。4.4.1 建立数据源这次设计中我们就用第二种方法，即利用免费数据库工具包SQL实现数据库的访问。本次设计利用labSQL访问数据库实质是使用Microsoft ADO以及SQL语言实现对数据库的访问，下面介绍如何建立一个Access的数据源，数据源是通过数据源名DSN（Data Source Name）具体操作步骤为10：（1）首先，需要建立一个Access数据库，我们命名为shao.accdb。（2）在“window控制面板”中选择“管理工具”中的“数据源（odbc）”,就会弹出ODBC数据管理器，主意：这个对话框中的选项卡分为：用户DSN，即只有本用户才可以访问；系统DSN，系统中的任何用户都可以访问；文件DSN，它不应该算数据库，所以一般不用。我们选择用户DSN.如下图：图4-4-1 ODBC数据源管理器界面（3）在用户DSN选项卡中单击“添加”，会弹出图4-4-2所示的窗口，为数据源驱动选择的对话框，在该对话框中可以看到当前ODBC中已经安装的数据库驱动的类型，这里我们选择“Microsoft Access Driver(*.mdb,*.accdb)”。对于有些WIN7系统中，在开始菜单中的管理工具中找不到如下的驱动，可以在C盘中的Window文件夹下sysow64文件夹下找到odbca32,打开即可。图4-4-2 数据源驱动选择对话框（4）在上图中单击完成按钮，会弹出如下图所示的ODBC Microsoft Access安装对话框，在该对话框中设置数据源名为DSN-shao,在数据库栏中选择相应建好的Access数据库shao.accdb,其他参数都保持默认的，即可单击确定按钮。（5）完成第四步后，在ODBC数据源管理器中就能看到新建的DSN，单击确定按钮就完成DSN的建立了。图4-4-3 数据源配置对话框4.4.2 数据存储模块的设计数据存储模块是为了完成对采集来的数据的实时的存储，储存的样式可以按照用户的需要进行设置。在上一节中我们创建了数据库的名称为shao.accdb,并且将其与中心库数据源进行了连接。框图如下：图4-4-4 数据存储模块的框图具体创建步骤：第一步 首先通过ADO Connection Create 节点函数与ADO建立连接，然后通过ADO Connection Open节点函数指定并打开数据源，通过前面板中的字符串输入“DSN=DSN-shao”。第二步 利用SQL语句INSERT INTO shao(采集数据,温度)VALUES（）向数据库中添加所采集的时间和温度值。注意：在输入SQL语句时要注意不要在中文语言输入状态下输入SQL语句中的逗号，否则SQL语句可能无法被识别。第三步 使用ADO Connection Close节点关闭与数据库的连接，完成通道的数据采集的存储。4.4.3 数据库查询的模块数据查询系统是用来筛选出用户需要的数据，并且显示出来，这样有利于用户进行控制。用户只需选择查询的条件是什么，比如时间、状态、温度等选项即可，检索结果可以以表格的形式显示。数据查询的模块如下：图4-4-5 数据查询模块的程序框图查询数据的程序实现的步骤：第一步 首先同存储模块一样通过ADO Connection Create 节点函数与ADO建立数据库的连接。第二步 通过ADO Connection Open节点函数打开数据源，使用SQL Execute节点函数执行Command Text端子输入的SQL命令，在这里输入“SELECT*FROM shao WHERE 温度-90；”。第三步 在前面板中就会显示出符合条件的结果。如下图所示：图4-4-6 查询结果显示第四步 使用ADO Connection Close 节点函数把与数据库的连接断开。这样就完成了数据库中的条件查询。4.5 前面板的设计图4-5-1 前面板的显示如上图所示，前面板上主要包括图形显示控件、输入控件、指示控件及各种功能的按钮。通过输入温度设定的值，开始按钮和暂停按钮控制程序的运行；通过波形图表显示采集的温度的变化；通过报警指示等和报警次数的显示记录报警的次数；利用转换按钮来控制显示摄氏还是华氏值。在前面的左方式数据记录表格，实时显示温度值。前面板是显示本次设计的各种仪器的虚拟，程序的运行要靠程序框图的组合，来完成我们所要实现的功能。4.6 小结本章是设计的关键部分，主要介绍本次设计中的各功能模块的设计和实现，将这些模块按照一定的逻辑进行组合就组成一个完整的虚拟仪器的炉温测控系统，其逻辑关系如下图4-6-1：图4-6-1 总程序框图结 论结 论本次设计通过利用虚拟仪器的思想，结合虚拟仪器的设计软件Labview8.6，把Labview应用于温度测控系统中，实现了炉温测控的基本功能。本次设计通过一定的硬件设备与计算机进行配置连接使用，充分利用计算机的软硬件的优势，方便快捷的实现对数据的采集记录和显示，实现了测量仪器的虚拟化。本文完成的工作如下：分析了温度测控的方法，合理构建了系统硬件平台，并设计了软件系统功能模型及程序流程，完成了系统的总体设计。合理地选择了温度传感器、温度变送器、数据采集卡等硬件设备，以符合