（电气工程专业论文）基于labview的温、湿度远程控制系统.pdf

摘要 技术在实时性、可靠性、远程控制和开发难度方面进行了比较，个人认为浏览器和 d a t a s o c k e t 技术更符合本系统的设计要求，并以此实现了温、湿度的远程检测和控制。 关键词：虚拟仪器；数据采集；l a b v i e w ；d a t a s o c k e t 技术；模糊控制 n 摘要 a b s t r a c t t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ym e a s u r e m e n tp r e d o m i n a t e sa ni m p o r t a n tp o s i t i o ni n a g r i c u l t u r e i n d u s t r ya n dm e d i c a ls c i e n t i f i cr e s e a r c h t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yi sa v e r yi m p o r t a n tp a r a m e t e ro fr e s e a r c hw o r k h o wt og e ta c c u r a t em e a s u r e m e n ta n d d a t aa n a l y s i s ，t h a th a si m p o r t a n ti m p l i c a t i o nt ot h er e l e a s eo ft h es c i e n t i f i cr e s e a r c h r e s u l t s t h i sp a p e ri sa b o u tt ob u i l dar e m o t et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yc o n t r o lt os o l v e p r o b l e m s t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h ec o n c e p to fv i r t u a li n s t r u m e n t s ，f e a t u r e s ， o u t l i n e st h es t a t u so ft h ev i r t u a ii n s t r u m e n ta n di t sf u t u r ed e v e l o p m e n t h i g h l i g h t i n g t h ea d v a n t a g e so fv i r t u a li n s t r u m e n t s ，w h i c hs t a n d so u tt h es u p e r i o r i t yo fv i r t u a l i n s t r u m e n ta n dn a r r a t e st h ec h a r a c t e r i s t i ca n dp r o g r a m m i n gm e t h o do ft h em o s t p o p u l a rv i r t u a li n s t r u m e n tg r a p hs o f t w a r el a b v i e w i no r d e rt ob u i l das t a b l ea n dr e l i a b l et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yc o n t r o ls y s t e m st o e n s u r et h ea c c u r a c yo fs c i e n t i f i cd a t a t h i sp a p e rf o c u s e so nt h el a b e wl a n g u a g et o d e v e l o p e dat e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yc o n t r o ls y s t e m t h es y s t e mt a k e sap l a t i n u m r e s i s t a n c ea st e m p e r a t u r es e n s o ra n dac a p a c i t i v es e n s o ra sm o i s t u r e s e n s i t i v e c o m p o n e n t s t h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r du s b - 6 0 0 8 , w h i c hw a sm a d ei nn ic o m p a n yt h e u n i t e ds t a t e s w a su s e dt oa c q u i s i t i o no ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ys i g n a l w ec a n m o n i t o ra n dc o n t r o lt h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yc h a n g e sr e a l - t i m e b y t h e i n t e r u e t ，t h r o u g ht h ea c q u i s i t i o no ft h ed a t aa n a i y s i sa n dp r o c e s s i n go f d a t as t a t e m e n t s p r i n t i n g ，r e m o t ed a t as h a r e ，t e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y ，a l a r mt h r e s h o l d e t c e x a m i n e si nt h eg r e e n h o u s eu s i n gt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ys e n s o ra n dt h ed a t a a c q u i s i t i o nc a r da n dt h eh u m i d i t yp a r a m e t e r , h a sr e a l i z e de m p i r i c a ld a t u ma u t o m a t i c g a t h e r i n g i nt h ef u z z yd e c o u p l i n gc o n t r o l l e dp r o c e s s ，s u m m a r i z e da c c o r d i n gt ot h e l o n g - t e r me x p e r i e n c e ，f o r m u l a t e sam o r er e a s o n a b l et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y m e m b e r s h i pf u n c t i o nt a b l ea n dt h ef u z z yd e c o u p l i n gc o n t r o lr u l eo u t p u tm e t e r i nf u z z y p r o c e s s ，i no r d e rt oa d v a n t a g e o u st h es o f t w a r e ，c o m p i l e dt h ef u z z yd e c i s i o n - m a k i n g t a b l eo u t p u tr o u t i n ea c c o r d i n gt ot h eb i g g e s td e g r e eo fm e m b e r s h i pw i t ht h e m a t a l a bl a n g u a g e u s e so nt h ep r e s e n ti n t e r n a t i o n a lp o p u l a rv i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g y ，h a sc a r r i e do nt h ec o m p u t e ro b s e r v a t i o na n dc o n t r o ls y s t e md e s i g n ，u s e st h e m n f t ip a r a m e t e r sw i t ht h et r a d i t i o n a lt e s tt oe x a m i n et h es i n g l ei n s t r u m e n t t h ed a t a a l o n et oc o m p i l ep r o c e s s i n gs e p a r a t e l yt h ew a y ，o rc o m p a r e st ob a s e do ut h em o n o l i t h i c i n t e g r a t e dc i r c u i td a t aa c q u i s i t i o np r o c e s s i n gs y s t e m ，t h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y a p p l i c a t i o ni n c r e a s e dt h ee x a m i n a t i o n c o n t r o l p r e c i s i o ng r e a t l y ，e n h a n c e d t h e d a t a p r o c e s s i n gs p e e d ，a n ds t r e n g t h e n e dt h es y s t e mv e r s a t i l i t y ，t h er e l i a b i l i t y ，t h e m a i n t a i n a b i l i t ya n dt h ee x t e n s i o n u s e st h el a b v i e wt od e v e l o pt h ep l a t f o r ma n dt h e m o d u l a rd e s i g nm e t h o d ，t or e a l i z e dt h ee n v i r o n m e n tp a r a m e t e rr e a l t i m eg a i n ，t h e g a t h e r i n gi n f o r m a t i o nr e a lt i m ed i s p l a y ，t h ec o n t r o ls i g n a la c c u r a t eo u t p u ta n dt h ed a t a a u t o m a t i cr e d u c t i o n ，r e d u c e dt h ea r t i f i c i a ii n t e r v e n t i o n i n c r e a s e dt h ec o n t r o lp r o c e s s s t a b i l i t y ，a v o i d st h ea r t i f i c i a le r r o ri nr e a d i n ga n dm i s c o u n t s i nt h es y s t e mt e s tr e s e a r c h s t a g e ，c a r r i e so nt h ee x p e r i m e n t a ld e s i g na n dt h et e s tr e s u l ta n a l y s i st ot e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t yp a r a m e t e ra u t o m a t i cg a t h e r i n g ，d r a w su pt h ep r o p e rt w oa s p e c t sf r o mt h e d a t ar e l a t i v ee r r o rt oe x p l a i nt h a tt h es y s t e ms a t i s f i e st h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o n p r e c i s i o nr e q u e s t i nt h et h e s i s ，t h et e c h n o l o g i e so ft c p e x p l o r e r , s h a r ev a r i a b l e ，d a t a s o c k e ta l s oa r e d e s c r i b e d f o u rt e c h n o l o g i e sd e s c r i b e da b o v ea r ea p p l i e dt or e m o t ec o n t r o la n d i l l 摘要 m e a s u r e m e n ts y s t e m ，a n dt h e s et e c h n o l o g i e sa r ec o m p a r e di nr e a it i m e ，r e m o t ec o n t r o l ， d e p e n d a b i l i t ya n ds oo n t h ed a t a s o c k e ta n de x p l o r e rt e c h n o l o g yi sm o r e 矗tf o rt h e d e s i g nr e m o t es y s t e ms c h e m e ，u s e r sc o u l dr e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lt h e t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yo ft h ee n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ；d a t a a c q u i s i t i o n ；l a b v i e w ；d a t a s o c k e t t e c h n o l o g y f u z z yc o n t r 0 1 i v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 日 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的目的及意义 1 1 1 选题的目的 随着微电子技术、计算机技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上 的应用，新的测试理论、测试方法以及新的仪器结构不断出现，在许多方面己经超越了 传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用己经发生了质的变化。在本世纪八十年代， 美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 最早提出了虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 的概念，同时推出了用于虚拟仪器开发的工程软件包l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a l i n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 。n i 公司提出了“t h es o f t w a r ei st h e i n s t r u m e n t ，即软件就是仪器的思想。虚拟仪器利用现有的计算机，加上特殊设计的 仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能 的高档低价的新型仪器。在虚拟仪器技术自动测试系统中，计算机处于核心地位，仪器 的结构概念和设计观念等都发生了突破性的飞跃，在虚拟仪器应用软件中集成了虚拟仪 器技术的大部分功能，包括数据采集、控制、数据分析、输出显示和用户界面等，使传 统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所替代。虚拟仪器的出现和兴起，改变 了传统仪器的概念、模式和结构，同时也改变了人们的仪器观点。仪器的设计由面向对 象变成了面向用户，这就给用户提供了极大的便利。此外，随着网络技术的迅速发展和 普及，在科学研究和工业生产领域中，对测试系统的自动化和网络化的要求越来越高。 与传统的测控系统相比，基于虚拟仪器的测试系统在实现测控自动化和网络化方面有着 更大的优势。 在工农业生产、气象、环保、科研等部门，经常需要对环境温度、湿度进行测量及 控制。对环境温、湿度的控制、监测与分析都已成为比较普遍的技术要求之一。在现代 农业研究活动中，温度、湿度是十分重要的参数。本人在工作单位经常接触到大量的仪 器设备，发现农科学院的很多仪器在温、湿度测量和控制方面不是十分的完善，控制方 式落后，而且数据的测量、记录和分析都需要学生以书面记录的方式在现场进行读取， 数据的准确性受到人为的影响，而且费时费力，不能模拟出实验需要的温、湿度环境要 求，为此本人希望设计一套能够自动进行数据采集，并能通过计算机进行数据的分析和 处理，及时、准确的发布数据报表，同时还可以进行远程的监测和控制。通过大量的文 献检索、分析，本人认为以目前比较流行的测控技术虚拟仪器技术，开发一套温湿 度远程控制系统比较合适，它具有开发时间短，费用低、可扩展空间大，界面友好等等 优点，是一个比较理想的选择。 我们通过对两个环境因子的控制研究，力求以合理有效的实验手段获得较为精确的 控制效果，模拟出一个科研实验过程中需要的气候条件，创造一个人工气侯环境，研究 动、植物在不同的温度、湿度环境中发生了哪些变化，认识和掌握动、植物的生长规 律，更好地改善人们的生活环境，提高人们的生活质量。 1 1 2 选题的意义 农业的生产已经由以前的粗放式劳动密集型逐渐向精细化科技主导的生产方式发 展，现代科学技术的发展为作物育种、幼苗培养、作物生长环境的建立提供了有力的技 术保障。本系统的建立可以为现代农业的发展提供一个可行案例。利用l a b v i e w 虚拟仪 器技术构建温度、湿度远程控制系统具有开发时间短、费用低、可扩展空间大等等优点。 在基础设施和硬件系统组建完备以后，对l a b v i e w 系统比较熟练的开发人员最短在一周 以内就可以完成软件系统的集成，避免了其他编程环境开发时间长，调试困难的缺点， 节省了整个系统的开发时间。因为本系统的可扩展空间较大，我们可以根据实际生产需 要建成连栋大棚，利用多路数据采集系统采集环境数据，送给计算机进行处理，原先的 东南大学工程硕士学位论文 系统框架结构无需作太大的改变，原来的硬件设施仍然可以使用，只要添置一些功能增 加所需的硬件设施，进行相应的配置，在软件结构中作简单的编程即可满足生产需要， 而且无需增加太多的费用，可以最大化的节约成本，为我们提供一个低成本、高效率的 规模化农业生产环境。 随着网络技术的迅速发展，远程网络控制具有了实现的基础。本系统利用l a b v l e w 编程可以实现远程控制，通过i n t e r n e t 网络，我们可以在世界的每一个角落都可以实 现系统的监控、实时数据的读取、执行机构的控制等等功能，解除了操作者的空间和时 间限制，可以充分发挥本系统的方便、高效、快捷的优越性。 由于经费有限，这次选题只选择了温度和湿度两个变量进行采集和测量，主要目的 是进行基于虚拟仪器控制系统方面的尝试和运用。虽然只选择了温度和湿度两个参数作 为系统的控制对象，但是在系统的硬件配置、软件编程、数据库操作和网络远程控制方 面做了大量工作，并对这些功能作了具体实现。在以后实际应用中，我们可以在现有的 框架和理论基础之上，随时增加变量，例如压力、流量、c o ：浓度、光照度等等，开发 出在不同领域应用的控制系统，为以后更广阔应用提供一些理论基础和宝贵经验。 1 2 虚拟仪器概述【2 】【3 】【4 】 1 2 1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是指通过应用程序将计算机与功能化模块硬件结 合起来，构成一套具有强大功能的仪器设备，而且，仪器的操作界面用户可以自己定义、 设计，具体的功能可以通过图形化的编程实现，整个过程就好像自己设计、构建一台仪 器设备。通过这台仪器设备，我们可以完成对被测试对象的数据进行采集、分析处理、 显示及数据存储和报表打印功能。 目前的虚拟仪器是以计算机为核心、结合w i n d o w s 等操作系统而组成的。因此，它 具有一机多功能的特点，利用计算机软、硬件的强大的扩展功能，它可以同时运行多个 软件，当作多种仪器使用。 总的来说，它就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、 测量和自动化的应用。目前，图形化的虚拟仪器开发软件可以帮助仪器开发者创建完全 自定义的用户界面，灵活的编程可以实现仪器的各种功能，模块化的硬件能方便地提供 全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足现代测量的各种需求。 与传统仪器一样，它可以分为信号的采集和控制、信号的分析和处理、结果的表达 和输出三大模块，如图1 一l 所示： 图1 1 虚拟仪器功能不意图 在传统仪器中，这三部分几乎是由硬件完成仪器的功能，而对于虚拟仪器，前一 部分由硬件完成，后两部分由软件实现。与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、 标准化，使设计的工作量大大减少，仪器组建是前所未有的方便和高效，而且，仪器 的功能可以根据用户的需要随意设置，可扩展性极强。 通常虚拟仪器测试系统硬件组成部分是由传感器部件、信号调理及信号采集部件 ( 如外置或内置数据采集卡) 、通用计算机、打印机等构成。系统软件部分通常用专用 的虚拟仪器开发语言( 如l a b v i e w ) 编写，虚拟仪器具有传统仪器无法比拟的优势，因 而必将成为未来仪器发展的趋势。 2 第一苹绪论 1 2 2 虚拟仪器的优点 虚拟仪器可以无缝集成地将计算机资源和仪器硬件的测控能力相结合，实现仪器 的功能运作。应用程序将可选硬件( 如g p i b 、v x i 、r s - 2 3 2 、d a q ) 和可重复使用源 码库函数等软件结合实现模块间的通信、定时与触发，源码库函数为用户构造自己的 虚拟仪器系统提供基本的软件模块。因此，虚拟仪器具有以下优点： ( 一) 虚拟仪器具有友好图形化用户界面，体现“所见即所得”的思想。传统仪器 的控制面板在各种虚拟仪器中都有可被相应设置选项和结果输出控制的软面板所取 代。 ( 二) 具有很高的性能。虚拟仪器技术是在p c 技术的基础上发展起来的，所以完全 “继承了以现成即用的p c 技术为主导的最新科学技术的优点，包括功能卓越的处理 器和文件i 0 ，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不 断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。 ( - - ) 它的扩展性非常强。工程师和技术开发人员不再局限于当前的技术中。由于 虚拟仪器编程软件的灵活性，只需更新计算机或测控硬件，就能以最少的硬件投资和极 少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个系统。 ( 四) 开发一个新的产品所需的时间少。在驱动和应用两个层面上，高效的软件架 构能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。设计这一软件架构的初衷 就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使您轻松地配置、创建、 发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。 ( 五) 它可以无缝集成。虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着 产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试 需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。虚拟仪器软件平台为所有的 i o 设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了 任务的复杂性。 1 2 3 虚拟仪器采集系统几种常见的总划5 】【6 】【7 】 在虚拟仪器数据采集系统中，数据采集设备通过不同的总线形式与计算机进行通讯， 目前主要有以下几种总线类型： 1 、p c i 总线 利用p c 作为数据采集平台，通过p c 的数据总线将采集的数据高速传输到p c 内存 中，是实现数据采集的有效手段，也是虚拟仪器系统的重要支撑。对于基于计算机的测 试仪器，p c i 总线为计算机应用到新的测试仪器，即满足在插卡和系统存储器中高速传 输数据的要求提供了很好的途径。这种方式借助插入p c 中的数据采集卡和数据采集软 件相结合，完成具体的数据采集和处理任务。它充分利用了p c 的总线、机箱和电源等 硬件资源以及极其丰富的软件资源。它的主要特点包括： ( 1 ) p c i 总线是一种靠近系统处理器的局部总线，所以有很高的传输速率。 ( 2 ) 独立于p c 的系统处理器，不受系统处理器的性能、速度的影响。因为为p c i 设计 的器件是针对p c i 的，而不是针对处理器的，因此设备的升级独立于处理器的升级。 ( 3 ) p c i 总线为3 2 位，可扩展为6 4 位。由于采用地址、数据总线复用的结构，减少了 管脚个数和p c i 封装的尺寸，从而使板卡小型化，方便嵌入计算机系统中。 ( 4 ) 具有即插即用功能，支持即插即用的操作系统，能够自动配置参数并支持p c i 总线 扩展板，使用方便。 ( 5 ) p c i 部件的驱动程序可以跨平台，兼容性好。 2 、g p i b 总线 目前，工程中的仪器设备种类繁多，功能各异，一个系统通常需要多台不同类型的 仪器协同工作，这就需要有一种能将一系列仪器设备和计算机连成整体的接口系统。 g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 正是这样的接口，从此，电子测量由独立的、 3 东南大学工程硕士学位论文 传统的单个仪器向大规模自动测试系统的方向发展。 g p i b 总线，即i e e e4 8 8 通用接口总线，是h p 公司在7 0 年代推出的台式仪器接口 总线，因此又叫h p i b ( h pi n t e r f a c eb u s ) 。该标准总线在仪器、仪表及测控领域得到 了最为广泛的应用。这种系统是在微机中插入一块g p i b 接口卡，通过2 4 或2 5 线电缆 连接到仪器端的g p i b 接口。一块g p i b 接口卡最多可带1 4 台仪器。由于g p i b 系统在 p c 出现的初期问世，所以有一定的局限性，如数据线只有8 根，传输速率最高1 m b s ， 传输距离2 0 米( 加驱动器可达5 0 0 米) 。它的主要特点包括： ( 1 ) g p i b 接口编程方便，减轻了软件设计负担，可使用高级语言编程。 ( 2 ) 提高了仪器设备性能指标。利用计算机对带有g p i b 接口的仪器实现操作和控制， 可实现系统的自校准、自诊断等要求，从而提高了测量精度。 ( 3 ) 便于将多台带有g p i b 接口的仪器组合起来，形成较大的自动测试系统。 ( 4 ) 便于扩展传统仪器。 3 、v x i 总线 v x i ( v m eb u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线是高速v m e 计算机总线在仪 器领域的扩展，由h p 公司于1 9 8 7 年提出，1 9 9 2 年成为i e e e i1 5 5 标准。在该系统中， 围绕机械、电气、控制方式、通信协议、电磁兼容、软面板、驱动程序、i 0 控制，乃 至机箱、印刷电路板的结构、通风散热等都作了详细的规定，使不同的厂家的v x i 总线 的产品相互兼容。1 9 9 5 年v x i 总线联合体将计算机网络传输控制协议( t c p ) 和网络协 议( i p ) 作为v x i 总线1 4 版本的补充规范，这样基于v x i 总线的自动测试系统可直接 与计算机系统联网，作为网络内的测量服务器，共享网络资源，执行测量作业。v x i 系 统综合了计算机技术、g p i b 技术、p c 仪器技术、接口技术、v i e 总线和模块化结构技 术的成果，1 9 9 8 年修订的v x l 2 0 版本规范采用了v m e 总线的最新进展，提供了6 4 位 扩展能力，数据传输速率可以达到8 0 m b s 。v x i 系统最多可达2 5 6 个器件，可组成一个 或多个子系统，每个子系统最多可包含1 3 个插入式模块插入同一个机箱中，在组建大、 中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合具有其它仪器所无法比拟的优势。 v x i 总线支持即插即用，人机界面良好，资源利用率高，容易实现系统集成，大大地缩 短了研制周期，且便于升级和扩展。不足是v x i 系统的成本较高。v x i 总线虚拟仪器因 其集成化、标准化、快速的数据传输能力和良好的电磁兼容性而发展迅速，将会成为未 来的计算机仪器发展的主流。 4 、p x i 总线 p x i 总线是1 9 9 7 年美国公司发布的一种高性能低价位的开放型、模块化仪器总线。 p x i 是p c i 在仪器领域的扩展( p c ie x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) ，是用于自动测 试系统机箱底板总线的规范，在机械结构方面与c o m p a c tp c i 总线的要求基本相同，不 同的是p x i 总线规范对机箱和印制电路板的温度、湿度、振动、冲击、电磁兼容性和通 风散热等提出了要求。与v x i 总线的要求相似，在电气方面，p x i 总线完全与c o m p a c tp c i 总线兼容。所不同的是p x i 总线为适合于测控仪器、设备与系统的要求，增加了系统参 考时钟、触发总线、星型触发器和局部总线等内容。除了p x i 具有多达8 个插槽( 1 个 系统槽和7 个仪器模块槽) ，而绝大多数台式p c i 系统仅有3 个或4 个p c i 插槽这点差 别之外，p x i 与台式p c i 规范具有完全相同的p c i 性能。利用p c i p c i 桥技术扩展多台 p x i 系统，可以使扩展槽的数量在理论上最多能达到2 5 6 个。p x i 将w i n d o w sn t 和w i n d o w s 9 5 定义为其标准软件框架，并要求所有的仪器模块都必须带由按v i s a 规范编写的w i n 3 2 的设备驱动程序，使p x i 成为一种系统级规范，保证系统易于集成与使用，从而进一步 降低用户的开发费用，所以在数据采集、工业自动化系统、计算机机械光测系统和图像 处理等方面获得了广泛的应用。 简单说，p x i 体系结构是以国内最普及的p c i 总线为基础的体系结构，由于其总线 吞吐率高、硬件价格低，被业内人士普遍认为是符合实际应用的一种体系结构。 4 第一章绪论 5 、串口总线 r s 一2 3 2 总线是最早采用的通用串行总线，最初用于数据通信上，但随着工业测控 行业的发展，许多测量测试仪器都带有r s 一2 3 2 串口总线接口。当今，p c 则采用了u s b 和i e e e1 3 9 4 总线。 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 具有传输速率高，适合于大数据量、数据 传输速率要求比较高的数据传输场合。目前，u s b 2 0 技术指标将u s b 设备的吞吐率提 高至4 8 0 m b s 比u s b i 0 要快4 0 倍。而且它支持电源自动管理技术，同时它可以通过与 计算机的通信来获得u s b 设备的配黄指令，从而灵活地改变自己地外部特性，实现了智 能化的接口功能。另外它还支持多个外设共享总线的功能。这样可以在1 台仪器的硬件 设备上挂接多个前端i o 接口设备，实现关键设备的资源共享，减少了成本，它支持真 正意义上的即插即用( p l u ga n dp l a y ) 和热插拔( h o tp l u g ) ，甚至不用重新启动计算 机。当插入u s b 设备时，主机检测该外设并通过自动加载相关的驱动程序来对该设备进 行配置，并使其正常工作。 火线，也称i e e e1 3 9 4 或者i l i n k ，是一种高性能的串行总线。如同u s b ，火线支 持热插拔，能够提供同步或异步传输。i e e e l 3 9 4 a 技术标准提供高达4 0 0 m b s 的速率， 但是最新发布的i e e e1 3 9 4 b 技术标准可以使得传输速率超过3 2 g b s ，这甚至超过了 p c i 的理论总线带宽( 1 0 5 6 g b s ) 。i e e e l 3 9 4 b 技术标准向后兼容旧的技术标准。 6 、p c ie x p r e s s p c ie x p r e s s 是一种近年来发布的总线结构，其初始速度达2 5 g b s 。它在每个p c i e x p r e s s 通道单方向上提供的标称带宽大约为2 5 0 m b s 。考虑到附加信息的带宽占用， 大约其中的2 0 0 她s 由设备用来传输数据。这一速率是大多数典型的p c i 设备的两倍至 四倍。因为使用p c ie x p r e s s 可以将同样水平的带宽分配至每一个设备，而不像p c i 那 样在所有的设备间共享带宽，所以p c ie x p r e s s 设备可以比它们相应的p c i 达到更高的 性能水平。对于测量应用，这就意味着更高的采样速率和数据吞吐速率。 p c ie x p r e s s 技术指标也提供了热插拔功能。因为热插拔特性需要依赖特定的操作 系统特性，所以可能初始时不能使用。 7 、以太网 以太网也可以提供优异的性能来连接仪器和数据采集设备。以太网在以同轴电缆连 接的时候传输速率大约为l o m b s 。现在使用的是双绞线，可以提供传输速率高达1 g b s 。 它作为网络总线的广泛应用已经降低了产品组件的成本，从而使得它对于工业测量和自 动化应用十分有吸引力。 因为以太网是大部分办公网络的典型通信介质，所以通过以太网进行通信的测量和 控制设备可以被网络上的任何计算机访问，只要被允许访问这个设备，这一概念就是分 布式i o ，并且它允许工作在办公室的某个人监视来自于一个不同建筑物内生产房间内 一台设备的数据。但相对于其他总线类型，它们对噪声更为敏感，并且那些可能对连线 有更多限制的应用将会要求特殊的连接方式。 在本系统中，经过几种总线的比较，根据实际需要，考虑到成本和配置的方便，数 据采集设备选用u s b 总线形式，支持即插即用( p l u ga n dp l a y ) 和热插拔( h o tp l u g ) ， 配置相对比较方便。远程控制部分选用以太网，综合运用多种协议，实现远程数据共享 和通讯。 1 2 4 虚拟仪器的国内外现状及未来发展 2 0 世纪8 0 年代，美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p o r a t i o n 简称n i ) 首先提出了虚拟仪器的概念，自虚拟仪器概念提出以来，世界各国的虚拟仪器公司开 发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些仪器公司提供的开发平台软件 组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。最早和最具影响的开发软件，是 n i 公司的l a b v i e w 软件和l a b w i n d o w s c v i 开发软件。l a b v i e w 采用图形化编程方案， 5 东雨大学工程坝士学位论文 是非常实用的开发软件。l a b w i n d o w s c v i 是为熟悉c 语言的开发人员准备的、在 w i n d o w s 环境下的标准a n s i c 开发环境。除了上述的优秀开发软件之外，美国h p 公司 的h p v e e 和h p t i g 平台软件，美国t e k t r o n i s 公司的e z - - t e s t 和t e k t n s 软件， 以及美国h e md a t a 公司的s n a p - - m a r t e r 平台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器 开发平台软件【9 i 。 虚拟仪器的主要结构分为硬件和软件。硬件包括高性能的计算机和扩展性能优良 的测量模块，软件包括各种各样的编程软件和数据采集驱动软件。其中计算机硬件是 虚拟仪器的核心。随着信息技术的不断发展，计算机的性能已经得到极大的提高，目 前的计算机具有超强的c p u ，充足的内存空间，海量的存储器件，它们为虚拟仪器的 发展提供了强有力的硬件支持。 软件是主宰。界面友好、编程方便的软件是虚拟仪器发展的灵魂。世界各大虚拟 仪器公司开发的编程软件功能越来越强大，图形化的编程方式使虚拟仪器编程语言更 加简单易学，虚拟仪器的开发厂家，为扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数据处理、 表达模式及其变换方面也做了许多工作，发布了各种软件，建立了数据处理的高级分 析库和开发工具库( 例如测量结果的谱分析、快速傅立叶变换、各种数字滤波器、卷 积处理和相关函数处理、微积分、峰值和阈值检测波形发生、噪声发生、回归分析、 数值运算、时域和频域分析等) ，使虚拟仪器发展成为可以组建极为复杂自动测试系统 的应用技术。 高质量的数据采集卡及调理放大器与传感器是关键。新的传感器技术的出现，使虚 拟仪器的触角得到了进一步的延伸，功能不断的扩展，应用的领域不断扩大。新的传 感器技术与现代控制理论相互结合，使虚拟仪器的智能化程度越来越高。 网络技术的迅速发展和普及运用，使虚拟仪器的远程控制和监测得以实现，而且， 虚拟仪器的开发不仅局限于比较有限的地域空间，它可以在全球范围内共同开发一个大 型项目，实现资源共享，为虚拟仪器的未来发展提供无限可能。 1 3 本论文所作的研究工作 本课题的研究对象是以人工气候箱为模型，利用虚拟测控软件l a b v l e w 实现温、湿 度远程控制系统。充分利用虚拟仪器平台的各种功能构建一套集温湿度数据采集，存储、 处理、显示为一体的温、湿度控制系统，对实验数据要进行方便、准确的进行统计分析， 通过网络能够实现远程控制和数据共享。本论文主要做了如下工作： ( 1 ) 测控对象。主要针对人工气候环境中影响植物生长的环境因子一温度和湿度 的研究，分析它们的特性，为硬件的设计、系统监测方式的选取及控制策略作为技术参 考。 ( 2 ) 系统的硬件设计。根据实际研究对象需要选取恰当的传感器，综合多方面因 素，选取性价比较高的数据采集元件，安装和调试了现场数据采集和控制单元。 ( 3 ) 模糊控制理论在人工气候箱温度和湿度模糊解耦控制系统的选取和应用，主 要包括：输入变量和输出控制量的隶属度函数的确立，输出补偿控制规则表的确定，用 m a t l a b 实现仿真控制。 ( 4 ) 软件设计。应用l a b v i e w 软件开发平台进行控制软件的控制与实现，主要工 作包括：对l a b v l e w 、数据库和m a t l a b 的运用进行了大量的基础学习，利用l a b s o l 实 现与a c c e s s 数据库的链接。为了使整个系统使用更加方便，系统的界面更加友好和人 性化，运用l a b v l e w 的编程功能实现了系统界面的平滑切换，制作了系统帮助菜单，使 用户在使用过程中能够更加的方便，能够对系统有一个全面的了解。利用网络技术实现 数据的远程共享。 ( 5 ) 系统的集成、调试和数据采集试验。对系统的软件和硬件进行了全面的调试 和运行，进行了系统程序的打包和安装程序的发布，对系统进行数据采集试验及其试验 6 第一章绪论 结果分析。 本章小结：本章主要对虚拟仪器的概念及目前的相关总线类型作了一个介绍，概述 了虚拟仪器现状及未来发展的前景。另外，介绍了选题的目的及研究的意义，从工作实 际出发，密切联系实际应用，着重解决实际工程应用，同时，根据整个系统的构建过程 对本论文所做的工作进行了一定的介绍。 7 第二章l a b v l e w 应用及数据采集软件介绍 第二章l a b v le w 应用及数据采集软件介绍 2 1l a b v l e w 语言介绍 2 1 il a b vi 酬语言的概述【5 】【1 0 1 l a b v l e w 是实验室虚拟仪器集成环境( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n t e n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 的简称，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软 件开发集成环境，得到企业界和学术界的普遍认可和好评。它可以把复杂、繁琐、费 时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能( 图形) ，用线条将各种功能( 图 形) 连接起来的简单图形编程方式，为没有编程经验的用户进行编程、查错、调试提供 了简单方便、完整的环境和工具，尤其适合于从事科研、开