ie工业工程_labview温度测量及数据采集

商贸学院毕业设计摘 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。其中数字滤波器作为测试技术的重要工具而被广泛的使用与各个领域。本课题是用Labview来实现温度检测系统的设计以及应用首先，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是一个基于图形虚拟仪器的软件开发工具，主要用于自动测试、过程控制、仪器设计和数据分析等领域，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”，他是在通用计算机平台上，根据用户需求来定义和设计仪器的测试功能，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：Labview 温度测量 数据采集AbstractAlong with the electronic test technologys unceasing development, the testtechnology forward automation, the intellectualization, digitized and the networkdirection develops. Andthedigital filter take the test technology the important tool by the widespread use and each domain. This topic is realizes the temperatureexamination systems design as well as the application with Labview first, the present paper introduced that the Labview related knowledge, the use hypothesizedinstruments development platform - - Labview developments software system,mainly includes five modules: The data acquisition, demonstrates the record,playbacking, the data processing and the 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, 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”, he 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 designKeyword: LabVIEW Temperature survey Data acquisition 目 录摘要Abstract第一章 绪论 1.1课题背景 1 1.1.1背景简介2 1.1.2引言2第二章 虚拟仪器简介 2.1虚拟仪器特点3 2.2虚拟仪器构成4 .3 Labview8.5的安装及应用 5第三章 系统硬件设计 3.1系统设计流程模块6 3.2硬件电路设计7 3.2.1硬件电路基本组成9 3.2.2硬件电路基本功能描述0 3.2.3硬件电路模块功能分析3 3.2.3.1温度传感器电路原理4 3.2.3.2模数转化以及数据存储原理2第四章 系统软件设计4.1 系统软件设计基本流程34.2 系统软件设计测量参数原理24.3 数据采集子程序的设计3 4.3.1 数据采集卡USB2013简介44.3.2 数据采集卡工作原理及分析44.4系统闭环控制实现过程5 4.4.1系统闭环基本工作原理5 4.4.2工程PID算法分析控制器原理54.5温度检测系统VI程序设计6总结5结束语3参考文献4致谢4 课 题 背 景背景简介：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。LabVIEW是一个基于图形化编程语言的虚拟仪器软件开发工具。本文重点介绍了虚拟仪器的界面，LabVIEW应用，并设计了一个基于虚拟仪器的数字化温度测量和控制系统，阐述了系统开发过程中数据的采集和软硬件的设计，虚拟仪器设备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（包括传统仪器），软件，以及各种实现应用所需要的附件。这种灵活性在由供应商定义，功能固定，独立的传统仪器上是很难达到的。常用的数字万用表，示波器，信号发生器，数据记录仪，以及温度和压力监控仪器就是这种传统仪器的代表。从传统仪器设备向虚拟仪器设备的转变，为现代实验带来了更多实际的利益，同时也促进着实验手段不断更新。引 言 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，其实质是充分利用计算机来实现和扩展传统仪器的功能，软件就是仪器反映了虚拟仪器技术的本质特征，美国国家仪器公司生产的NI-LABVIEW是目前最为成功，应用最为广泛的虚拟仪器开发系统，它是一种基于G语言的32位编译型图形化编程语言，其图形化界面可以方便的进行虚拟仪器的开发，在现代工业生产中，需要对温度测量和控制的场合越来越多，测量温度方法也是多种多样的LabVIEW是图形化开发环境,它具有功能强大、编程效率高、界面友好、参数修改方便等优点,同时它在功能完整性和应用灵活性上也不逊于任何高级语言 VI技术也表着目前测试仪器领域的发展方向，LabVIEW是一种功能强大的虚拟仪器开发平台。数字滤波技术是数字信号处理的一个重要组成部分，滤波器的设计是信号处理的核心问题之一.在LabVIEW环境下可以随时对比设计要求调整参数，有利于数字滤波器设计的最优化，有效地克服了传统设计方式中存在的滤波器系数不易调整、与硬件接口程序复杂、开发周期长等问题。LabVIEW为设计数字滤波器提供了一个可靠而有效的途径 2 labview虚拟仪器简介 2.1虚拟仪器特点与传统仪器相比，虚拟仪器具有高效、开放、易用灵活、功能强大、性价比高、可操作性 好等明显优点，具体表现为：智能化程度高，处理能力强 虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。 复用性强，系统费用低 应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，如同一个高 速数字采样器，可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。这样形成的测试仪 器系统功能更灵活、更高效、更开放、系统费用更低。通过与计算机网络连接，还可实现虚 拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。可操作性强，易用灵活 虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。使用计算机的 多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数 据库系统或通过网络发送。测量完后还可打印、显示所需的报表或曲线，这些都使得仪器的 可操作性大大提高而且易用、灵活。2.2虚拟仪器构成 虚拟仪器的构建主要从硬件电路的设计、软件开发与设计2个方面考虑。硬件电路的设计主要根据用户所面对的任务决定，其中接口设计可选用的接口总线标准包 括GP IB总线、VXI总线等。推荐选用VXI总线。因为他具有通用性强、可扩充性好、传输速 率高、抗干扰能力强以及良好的开放性能等优点，因此自1987被首次推出后迅速得到各大仪 器生产厂家的认可，目前VXI模块化仪器被认为是虚拟仪器的最理想平台，是仪器硬件的发 展方向。由于VXI虚拟仪器的硬件平台的基本组成是一些通用模块和专用接口。因此硬件电 路的设计一般可以选择用现有的各种不同的功能模块来搭建。通用模块包括：信号调 理和高速数据采集；信号输出与控制；数据实时处理。这3部分概括了数字化仪 器的基本组成。将具有一种或多种功能的通用模块组建起来，就能构成任何一种虚拟仪器。 例如使用高速数据采集模块和高速实时数据处理模块就能构成1台示波器、1台数字化仪或 1台频谱分析仪；使用信号输出与控制模块和实时数据处理模块就能构成1台函数发生器、 1台信号源或1台控制器。专用接口是针对特定用途仪器需要的设计，也包括一些现场总线 接口和各类传感器接口。系统的主要硬件包括控制器、主机箱和仪器模块。常用的控制方案 有GPIB总线控制方式的硬件方案、MXI总线控制方式的硬件方案、嵌入式计算机控制方式的 硬件方案3种。VXI仪器模块又称为器件（devices）。VXI有4种器件：寄存器基器件、消 息基器件、存储器器件和扩展器件。存储器器件不过是专用寄存器基器件，用来保存和传输 大量数据。扩展器目前是备用件，为今后新型器件提供发展通道。将VXI仪器制作成寄存器 基器件，还是消息基器件是首先要做出的决策。寄存器基器件的通信情况极像VME总线器件 ，是在低层用二进制信息编制程序。他的明显优点在于速度寄存器基器件完全是在 直接 硬件控制这一层次上进行通信的。这种高速通信可以使测试系统吞吐量大大提高。因此，寄 存器基器件适用于虚拟仪器中信号/输出部分的模块（如开关、多路复用器、数/模转换输出 卡、模/数转换输入卡、信号调理等）。消息基器件与寄存器基器件不同，他在高层次上用A SCII字符进行通信，与这种器件十分相似是独立HPIB仪器。消息基器件用一组意义 明确的 “字串行协议”相互进行通信，这种异步协议定义了在器件之间传送命令和数据所需的挂钩 要求。消息基器件必须有CPU（或DSP）进行管理与控制。因此，消息基器件适用于虚拟仪器 中数字信号处理部分的模块。软件的开发与设计包括3部分：VXI总线接口软件、仪器驱动软件和应用软件（软面板） 。软件结构如图1所示。 VXI总线接口软件由零槽控制器提供，包括资源管理器、资源编辑程序、交互式控制程序和 编程函数库等。该软件在编程语言和VXI总线之间建立连接，提供对VXI背板总线的控制和支 持，是实现VXI系统集成的基础。 仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序，也即模块的驱动软件，他 的设计必须符合VPP的2个规范，即VPP3.1仪器驱动程序结构和模型和VPP3.2仪器 驱动程序设计规范。 “软面板”设计就是设计具有可变性、多层性、自助性、人性化的面板，这个面板应不 仅同传统仪器面板一样具有显示器、LED、指针式表头、旋钮、滑动条、开关按钮、报警装 置等功能部件，而且应还具有多个连贯操作面板、在线帮助功能等。2.3 LabVIEW8.5的安装及应用图1图2 图3图4图5安装完毕后，重启计算机，即可使用labview软件完成设计，执行功能。3 系统硬件设计3.1系统设计流程模块 图63.2 硬件电路设计 3.2.1硬件电路基本组成系统硬件结构，虚拟仪器系统的硬件主要由个人计算机活着工作站和硬件接口模块组成，其中计算机是主体，主要用来提供实施高校的数据处理性能，硬件接口模块包括仪器和各种通用接口总线，主要用来采集，传输信号。仪器硬件，温度传感器，插入式数据采集卡DAQ，信号调理器等，通用总线用来把独立的仪器连接到计算机上，目前较为常用的仪器系统是数据采集卡系统，GPIB仪器控制系统，VXI仪器系统以及三者之间的任意结合。 3.2.2硬件电路基本功能描述此硬件系统主要利用半导体来调节温度大小，利用温度传感器来对温度进行数据采集，利用LABVIEW编程来实现对半导体与PC机之间的串行通讯以及虚拟面板的设计，最后由PC机来显示测量目标的温度，对温度测量而言，温度传感器的选择是整个系统第一步，也是直接影响系统稳定性能的重要因素之一，金属铂的纯度可以达到0.9989，热性能稳定，线性较好，电阻温度系数分散性小，因此在这里我们选择铂电阻作为温度传感器的材料，由温度传感器电路实现对温度的采集，并将传感器输出的信号与A/D转化器匹配，对于弱信号输出的温度传感器，采用放大电路以减小测量误差，如果传感器在输出信号和传输过程中混入虚假成分，需要加入滤波器进行抗干扰滤波 硬件电路基本功能描述如图 图73.3硬件电路模块功能分析3.3.1温度传感器电路原理数字温度传感器AD7416及其应用AD7416 是美国模拟器件公司（ADI）出品的单片机温度监控系统集成电路。其内部包含有带隙温度传感器和10位模数转换器，可将感应温度转换为0.25量化间隔的数字信号，以便用来与用户设置的温度点进行比较。AD7416片内寄存器可以进行高/低温度门限的设置当温度超过设置门限时，过温漏级开路指示器（OTI）将输出有效信号。另外，可 2C接口对AD7416的内部寄存器进行读/写操作，最多可允许8片AD7416挂接在同一个串行总线上。该温度传感器可广泛应用于数据采集系统中的环境温度监测、工业过程控制、电池充电以及个为计算机等系统。 1 基本特性与引脚功能AD AD7416具有如下基本特性：图8 工作电压范围为+2.7V+5.5V；测温范围为-55+125；具有10位数字输出温度值，分辨率为0.25；精度为2(-25+100)和3（-55+125）；转换时间为1530s，更新速率为400s；带有过温漏级开路指示器（OTI）；具有I2C兼容的串行接口和可选的串行总线地址；具有低功耗关闭模式（典型值为0.2A）；可用来升级替换LM75。AD7416采用8脚表面贴SO和8脚小型SOIC封装形式，图1所示为AD7416的引脚排列图，各引脚功能如表1所列。表1 AD7416引脚功能引 脚符 号功 能 描 述1SDA串行数据输入、输出端2SCL时钟信号输入端3OTI过温漏级开路输出端4GND接地端5A2串行总线地址输入端6A1串行总线地址输入端7A0串行总线地址输入端8VDD电源端表12 工作原理AD7416的内部功能框图如图2所示。它的片内带隙温度传感器可按预先设置的工作方式对环境温度进行实时测量，并将结果转化为数字量存入到温度值寄存器中（地址00H），其环境温度与输出数据的关系如表2所列。图9表2 环境温度与输出数据的关系环 境 温 度二进制数字输出-5011 0011 1000-2511 1001 1100-0.2511 1111 1111000 0000 0000+0.2500 0000 0001+1000 0010 1000+2500 0110 0100+5000 1100 1000+7501 0010 1100+10001 1001 0000+12501 1111 0100表二AD7416预先设置的工作方式分两种：自动测温方式。在这种方式下，AD7416每隔400s对环境温度测量一次，每次的量化转换时间为1530s，其余时间芯片则自动转入休眠状态；D7 D6 D5D4 D3D2D1D0通道选择故障排队OTI输出极性比较/中断工作方式表三低功耗方式。这种方式通常应用在测温频率较低的场合。当用户需要对环境温度进行测量时，可通过I2C串行接口总线来写入操作命令，此时，芯片将由休眠状态转入测温状态。当温度量化转换结束后，芯片将重新转入休眠状态。AD7416内部的配置寄存器（地址01H）为8位读/写寄存器，可用于设置操作方式，其格式为：配置寄存器各部分的功能如下：D7D5始终设置为000；D4和 D3用于设置故障排队长度，以防止测温系统在受到干扰时错误地触发过温指示器（OTI），故障排队长度可分别设置为1、2、4和6次；D2用于设置OTI的输出极性。0表示低电平输出，1表示高电平输出；D1 用于设置OTI的工作方式。0表示采用比较方式工作，即当环境温度超过TOTI时触发OUT输出，其输出电平一直保持到环境温度降至THYST；1表示采用中断方式工作，即当环境温度超过TOTI的触发OTI输出，其输出电将一直保持到下一次读操作，而在这期间，即使环境温度降到THYST，输出电平也不翻转；D0用于设置工作方式。0表示采用自动测温方式，1表示采用低功耗方式。THYST温度点寄存器（地址02H）和TOTI温度点寄存器（地址03H）均是16位读/写寄存器，分别用于设置低端和高端温度点的门限值，所设数值以二进制补码的形式存入高9位，其余位置0。图10AD7416采用I2C串行总线和数据传输协议来实现同外设的数据传输。在数据传输过程中AD7416作为从器件通过数据输入/输出线SDA以及时钟信号线SCL与总线相连。其传输时序如图3所示。当SCL保持高电平时，SDA从高电平到低电平的跳变为数据传输的开始信号，随后传送AD7416的地址信息的读/写控制位。其地址信息的格式为：100A2A1A0R/W。 根据A2A1A0的不同编码，最多可允许8片AD7416挂接同一个串行总线上。读/写控制位为1时，表示对AD7416进行读操作，为0时，则表示进行写操作。当每个字节传送结束时，必须在收到接收数据一方的确认信号（ACK）后方可开始下一步的操作。然后在地址信息和读/写控制位之后传送片内寄存器地址和数据。最后，在SCL保持高电平的情况下，当SDA从低电平跳变到高电平时将终止数据的传输操作。图113 应用实例AD7416在每次上电时的默认参数如下： TOUI设置为80、THYST设置为75；OTI采用比较方式工作；OTI输出低电平有效；故障排队长度设置为1。这些默认值可使该温度传感器在不连接串行总线时用作自动调温器，图4所示就是AD7416作为自动调温器的典型应用电路原理图。当被测量的环境温度低于 THYST时，OTI输出高电平，Q1导通，继电器吸合，加热器开始工作；当被测量的环境温度高于TOTI时，OTI输出低电平，将Q1的基极电位拉低以使其截止，继电器释放，加热器停止工作。实际应用中应注意以下几个问题：为防止环境干扰，AD7416的电源同地线之间要并接容值大于0.1F的钽电容；AD7416的感温器件在芯片内部，因此芯片表面要被测物体紧密接触；由于芯片自耗电的存在，AD7416工作时的自身温升约为0.2，所以在精确测温时应采取低功耗的工作方式；OTI输出端的上拉电阻的阻值越大，流入AD7416的电流越小，其温升也越小，但上拉电阻最大不能超过30k，通常选10k；与I2C兼容的接口总线在AD7416上电后就一直有效，因此在芯片处于休眠状态下仍可进行片内数据的读出和写入。 由温度传感器获取的温度信号作为输入端模拟电信号转化为数字电信号读入PC机由LABIVEW自行分析处理，执行并输出控制量3.3.2模数转化以及数据存储原理A模/数转换及数据存储 设置具有通用性的数据自动采集系统，一般应满足能对多路信号尽可能同步地进行采集， 为了使所采集到的数据不但能够在数据采集器上进行存储，而且还能及时地在采集过程中 将数据传送到上位机，选用存储量比较适中的先进先出存储器，这样既能满足少量数据存储 的需要，又能在需要实时传送数据时，在A/D转换的同时进行数据传送，不丢失任何数据。)VXI总线接口 VXI总线数据采集器通常可以利用两种VXI总线通用接口消息基接口和寄存器基接口。消 息基接口的作用是通过总线传送命令，从而控制仪器硬件的操作。通用寄存器基接口是由寄存器简单的读写来控制仪器硬件的操作。利用消息基接口进行设计，具体消息基接口的框图见图2。 B采样通道控制 为了满足几种典型系统通道控制的要求，使通道的数量足够多，通道的选取比较灵活，可以利用寄存器电路、可预置计数器电路以及一些其他逻辑电路的配合，将采样通道设计成最多64路、最少2路可以任意选择，而且可以从任意一路开始采样，也可以到任意一路结束采样，只要截止通道号大于起始通道号就可以了。整个控制在虚拟仪器软面板上进行操作，通过消息基接口将命令写在这部分的控制寄存器中，从而设置计数器的初值以及采样的通道总数。C定时采样控制 由于不同的自动测试系统对采样时间间隔的要求不同，以及同一系统在不同的试验中 需要的采样时间间隔也不尽相同，故可以采用程控的方式将采样时间间隔设置在2 s13. 0 ms之间任意选择，可以增加或减少的最小单位是2 s。所有这些选择设置可以在虚拟仪器软面板上进行。D采样点数控制 根据不同测试系统的需求，将采样点数设计成可在一个比较大的范围中任意选择，该选择同样是在软面板上进行。E采样方式控制总结各种自动测试系统的采样方式不外乎软件触发采样和硬件 触发采样。在硬件触发采样中又包括同步整周期采样和非同步整周期采样，这2种采样又可 以是定时进行的或等转速差进行的。所有这些采样方式，对于数据采集器来说都可以在软面 板上进行选择。 4系统软件设计4.1系统软件设计基本流程 软件是虚拟仪器的关键，为使VI系统结构清晰简洁，一般可采用组件化设计思想，将各部分彼此独立的软件单元分别制成标准的组件，然后按照系统的总体要求组成完整的应用系统，一个标准的组件化的虚拟仪器软件系统，如图3所示。应用软件为用户提供了建立虚拟仪器和扩展其功能的必要工具，以及利用PC机、工作站的 强大功能。同时VPP联盟提出了建立虚拟仪器标准结构库（VISA）的建议，为虚拟仪器的研 制与开发提供了标准。这也进一步使由通用的VXI数据采集模块、CPU/DSP模块来构成虚拟仪 器成为可能。 基于虚拟仪器的数据采集器的软件包括系统管理软件、应用程序、仪器驱动软件和I/O接 口 软件。以往这4部分需要用户自己组织或开发，往往很困难，但现在NI公司提供了所有这 四部分软件，使应用开发比以往容易得多。 下面简单介绍以NI公司的Lab Windows/CVI为开发环境，来进行VXI虚拟仪器的驱动程序开 发的方法。 第一步：生成仪器模块的用户接口资源文件（UIR）。用户接口资源、文件是仪器模块 开 发者利用Lab Windows/CVI的用户界面编辑器为仪器模块设计的一个图形用户界面（GUI）。 一个Lab Windows/CVI的GUI由面板、命令按钮、图标、下拉菜单、曲线、旋钮、指示表以及 许多其他控制项和说明项构成。 第二步：Lab Windows/CVI事件驱动编程。应用程序开发环境Lab Windows/CVI中设计一个 用户接口，实际上是在用户计算机屏幕上定义一个面板，他由各种控制项（如命令按钮、菜 单、曲线等）构成。用户选中这些控制项就可以产生一系列用户接口事件（events）。例如 ，当用户单击一个命令按钮，这个按钮产生一个用户接口事件，并传递给开发者编写的C语 言驱动程序。这是运用了Windows编程的事件驱动机制。Lab Windows/CVI中使用不同类型的 控制项，在界面编辑器中将显示不同类型的信息，并产生不同操作的接口事件。在Lab Wind ows/CVI的开发平台中，对事件驱动进行C程序编程时可采用2种基本的方法：回调函数法和 事件循环处理法。 回调函数法是开发者为每一个用户界面的控制项写一个独立的用户界面的控制函数 ，当选中某个控制项，就调用相应的函数进行事件处理。在循环处理法中，只处理GUI控制 项所产生的COMMIT事件。通过Get User Event函数过滤，将所有的COMMIT事件区分开，识别 出是由哪个控制项所产生的事件，并执行相应的处理。第三步：应用函数/VI集与应用程序软件包编写。应用函数/VI集需针对具体仪器模块 功能进行编程，应用程序软件包只是一些功能强大、需要完善的数据处理能力的模块才需要 提供，如波形分析仪模块、DSP模块等。 4.2系统软件设计测量参数原理 对于同一物理量，用不同的传感器测量得到的不同的电信号，或者对于不同的物理量，不同的传感器测量得到的相同的电压信号，为了显示正确的物理量，就需要对参数进行标度转换，因为被测量对象的各种数据量纲与A/D转化输入值是不一样的，例如，温度的单位为摄氏度，压力单位为帕斯卡，频率单位为赫兹，这些参量并不等于原来带有量纲的参数值，必须把它转化为带有量纲的数值才能计算，一般的线性系统的标度转化公式为：图124.3数据采集子程序的设计 Labview图形编程语言中的基本编程单元是VI,VI包括三个部分：前面板，框图程序，图标、连接器，其中前面板即接受来自框图程序的指令，又是用户与程序代码发生联系的窗口，这个窗口模拟真实仪表的前面板，具有很多数据参数指针，用于设置输入和输出观察，输入量称为控件，输出量称为指示器，当把一个控件或者指示器放到前面板上，框图上对应一个端子，这个端子永久性保存，用户可以使用多个图标使用该功能。 其显示和控制以各种图标形式出现在前面板上，图二是一个虚拟温度测量仪前面板，该面板通过对一个模拟温度计实时显示温度的大小，并接入一个布尔量开关可以对采集过程加以控制，绿色的为一个预警信号灯，当温度超过某个预设的温度值，该警示灯就变亮。图13如图，所示，计算机虚拟温度示意图，温度传感器的信号通过A/D转换输入计算机，计算机内进行给定的函数计算。输出形式可以由使用者选定，要么选定为温度计，要么选定为指针式仪表，指针的刻度可以任意选择，运行时，显示器上就会出现一个指针式温度计，它的指针就会随着温度传感器上的检测实际温度变化，这个温度计并不存在，用计算机模拟的这个温度计仅是虚拟仪器的一种。数据的采集离不开数据采集卡DAQ，DAQ的基本任务是对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，例如，热敏电阻，热电偶，光电管等，由于由传感器输出的信号比较弱，并且可能含有大量的噪声信号，所以要使用信号调节装置，对弱信号进行一定处理，数据采集是借用软件来控制整个DAQ系统，包括采集原始数据，分析数据，输出结果等，在此电路设计中，我们要采用的DAQ包括模拟输入，模拟输出，计算器操作，数字输入。输出，如图为DAQ功能模块 图14图15图164.3.1数据采集卡USB2013简介数据采集卡USB2013 品牌：阿尔泰型号：USB2013更新时间：2010-3-25 17:37:55浏览次数：156表3模拟量输入 单端16路/差分8路 16位 250K ；模拟量输出 4路 12位 100K 上电自动清零；数字量 8路DI 8路DO；定时计数器 3路 16位AD精度，250KS/s采样频率单端16路/差分8路 模拟量输入表4模拟量输入 单端16路/差分8路 16位 250K ；模拟量输出 4路 12位 100K 上电自动清零；数字量 8路DI 8路DO；定时计数器 3路 16位AD精度，250KS/s采样频率单端16路/差分8路 模拟量输入AD量程：10V、5V、2.5V、010V、05V硬件增益：11000倍12位DA精度，100KS/s转换频率4路模拟量输出，上电自动清零DA量程：05V、010V、5V、10V数字量输入、输出各8路3路16位定时/计数器（8253或8254）表54.3.2数据采集卡工作原理及分析一个实用的USB数据采集系统硬件一般包括微控制器、USB通信接口以及根据系统需要添加的A/D转换器和EPROM、SRAM等。为了扩展其用途，还可以加上多路模拟开关和数字I/O端口。系统的A/D、数字I/O的设计可沿用传统的设计方法，根据采集的精度、速率、通道数等诸元素选择合适的芯片，设计时应充分注意抗干扰性，尤其对A/D采集更是如此。在微控制器和USB接口的选择上有两种方式：一种是采用普通单片机加上专用的USB通信芯片；另一种是采用具备USB通信功能的单片机。USB的另一大优点是可以总线供电，在数据采集设备中耗电量通道不大，因此可以设计成总线供电。一个USB设备的软件一般包括主机的驱动程序、应用程序和写进ROM里面的Firmware。Windows98提供了多种USB设备的驱动程序，但还没有一种专门针对数据采集系统，所以必须针对特定的设备编制驱动程序。尽管系统已经提供了很多标准接口函数，但编制驱动程序仍然是USB开发中最困难的一件事。通常采用Windows DDK实现，但现在有许多第三方软件厂商提供了各种各样的生成工具，如Compuware的Driver Works、Blue Waters的Driver Wizard等软件能够轻易地生成高质量的USB驱动程序。单片机程序的编制也同样困难，而且没有任何一家厂商提供了自动生成的工具。编制一个稳定、完善的单片机程序直接关系到设备性能，必须给予充分的重视。以上两个程序是开发者所关心的，而用户却不太关心。用户关心的是如何高效地通过鼠标操作设备，如何处理和分析采集进来的大量数据。因此还必须有高质量的用户软件。用户软件必须有友好的界面、强大的数据分析和处理能力以及提供给用户进行再开发的接口。 USB采集卡的软件构成在USB的Firmware中，采取同步传输（Isochronous Transactions）和块传输（Bulk Transactions）两种传输方式。同步方式用来实时传送采集的数据，块传输主要用来传输主机命令信号和USB的状态信息。块传输中利用端点（Endpoint）2。两种传输方式的核心中断程序如下：void ISR_Sutok(void)interrupt 0 /块传输方式/initialize the couters in the 8051TMOD=0x05；TCON=0x10；TH0=0；TL0=0;Thb=0,TH0=0；TL0=0;thb=0；EZUSB_IRQ_CLEAR（）；USBIRQ=bmSUTOK; /Clear SUTOK IRQvoid ISR_Sof(void)interrupt 0 /同步传输方式if(TCON&0x21) /Deal with the counter overflowTH0=0;Tl0=0;THB+;TCON&=0xdf;IN8DATA=TH0; /3 Bytes counter resultIN8DATA=TL0；IN8DATA=THB；EZUSB_IRQ_CLEAR（）；USBIRQ=bmSOF; /Clear SOF IRQ在LabVIEW应用程序中设计了一Usb.dll文件作为LabVIEW与USB的驱动程序。由于EZ-USB开发系统中已经提供了底层驱动程序（GPD）接口函数，用户只需调用这些函数即可与USB设备连接。因此在DLL的编制中只需调用它提供的函数，大大节约了开发时间，提高了开发速度。创建的Usb.dll文件中包含了如下五个输出函数，功能说明如表1所示。表六 Usb.dll包含函数的功能说明Control主机对USB设备的控制ReadResult获取USB发送到主机的数据StartIsoStream启动设备的同步传输流StartThread得到标准设备的设备描述符StopThread关闭设备的同步传输流表六其定义如下：LPSTR_declspec(dllexport)_stdcall Control(int input);int_declspec(dllexport)_stdcall ReadResult(void);int_declspec(dllexport)_stdcall StartIsoStream(void);int_declspec(dllexport)_stdcall StartThread(void);int_declspec(dllexport)_stdcall StopThread(void)；开启设备和获取采集数据的过程如图2所示。它的主要功能有：开启或关闭USB设备、检测USB设备、设置USB数据传输管道（pipe）和端点（endpoint）、实时从USB接口采集数据、显示并分析数据。程序在VC+6.0环境下编制成功后自动生成DLL文件。调用时，在框图程序窗口打开FunctionPalette（功能模板），在Advanced模块包含有对库函数的调模块，即CallLibraryFunction。把编写好的DLLs放在当前目录或特定目录下。在功能模板放置函数调用模块，然后选Configure，出现对话框。根据LabVIEW与DLLs的参数对应关系填写好DLL文件的路径（DLL文件不在当前目录下）、被调用函数名、参数的类型及返回类型。需要注意的是，当调用多个函数时要分别填写参数的个数和对应的类型，而且在调用过程中应保持数据位的一致。填好选择OK按钮后，LabVIEW将自动生成各参数的入口及出口状态，这样就实现了LabVIEW与DLLs的调用。4.4系统闭环控制实现过程4.4.1系统闭环基本工作原理我们将预先设计，编译和调试通过的控制模块程序下载到FO-2000中去，并通过FP-110模块对呗测系统的温度能够进行定期的数据采集，由控制程序对采集到的温度数据进行处理和优化，同时根据温度要求，使用PID算法和相应的算法计算控制量，对控制模块再次进行D/A转换后，输出控制信号电压触发，调节可控硅执行器的导通角，驱动半导体加热器对系统进行加热，以实现系统的闭环控制。控制模块中的PID调节，是工程实际中的一种算子，根据设定值和当前的温度值,LABVIEW中的CONTROL TOOLKIT中包括许多PID算法以及该井型PID算法，我们通过调用堆其中何时得算法，可以轻而易举地实现核心控制功能 监控模块中温度控制程序的显示和存储，利用所提供的CHART模块，控制程序可以把采集到的数据显示在计算机上，从而可以直观的看出温度的变化过程，基于虚拟仪器的温度检测体统采用的就是LABVIEW的测试与测量方面的应用，它已经成为测试和测量领域的工业标准，通过VIX和GPIB，串行设备和插卡式数据采集卡可以构成实际的数据采集系统，本实验用USB2013数据采集卡实现该功能4.4.2工程PID算法分析控制器原理 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近60年的历史了，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要和可靠的技术工具。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它设计技术难以使用，系统的控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统的参数的时候，便最适合用PID控制技术。 比例积分微分控制包含比例、积分、微分三部分，实际中也有PI和PD控制器。PID控制器就是根据系统的误差利用比例积分微分计算出控制量，图1.2a中给出了一个PID控制的结构图，控制器输出和控制器输入（误差）之间的关系在时域中可用公式表示如下:公式中 表示误差、控制器的输入， 是控制器的输出， 为比例系数、 积分时间常数、为 微分时间常数。式又可表示为： 公式中 和 分别为 和 的拉氏变换， 。 、 、 分别为控制器的比例、积分、微分系数。 比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差讯号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差讯号的积分成正比关系。 对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取关于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。 因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差讯号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性的组件（环节）和（或）有滞后(delay)的组件，使力图克服误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使克服误差的作用的变化要有些“超前”，即在误差接近零时，克服误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使克服误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重地冲过头。 所以对有较大惯性和（或）滞后的被控对象，比例+微分(PD)的控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 图17 PID控制的结构图 当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模