基于LabVIEW的远程温度监测与控制系统研究.doc

毕 业 设 计 题 目： 基于LabVIEW的远程温度监测与控制 系统研究 院系： 电气信息学院 专业： 班级： 学号： 学生姓名： 导师姓名： 完成日期： 诚 信 声 明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名： 日期： 年 月 日毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 基于LabVIEW的远程温度监测与控制系统研究 姓名 院系 专业 班级 学号 指导老师 职称 教研室主任 一、基本任务及要求：设计一个基于LabVIEW的温度监测系统，采用适当的温度传感器采集到温度信号后由NI M系列数据采集卡6221将数据传至主机。通过LabVIEW可视化编程对采集到的信号进行相应处理及波形显示，实现超温报警功能。并通过LabVIEW和网络技术相结合来实现远程温度监控系统。 设计的主要任务是： 查阅相关资料确定总体设计方案；根据课题要求确定硬件方案、硬件设计；软件设计，学习LabVIEW可视化编程软件，对软件的具体模块编程并对信号进行处理；完成文献综述、开题报告及毕业设计说明书及设计说明书的撰写工作。 二、进度安排及完成时间：1、第一周至第二周：查阅相关资料，搜集课题所需资料，了解课题现状、课题研究的目的和意义，做好选题报告和文献综述。 2、第三周：参考相关资料，查阅相关文献，自学相关知识，了解系统整个工作原理和设计方案，写好开题报告。学习LABVIEW软件。 3、第四周至第五周：确定总体方案及个人研究重点，分配课题研究任务。学习LABVIEW软件。 4、第六周：根据自己的研究方向和总体设计方案，初步构列出系统的硬件模块和软件模块。完成硬件设计。 5、第七周至第八周：完成系统各软件模块的编写及调试。 6、第九周：完成系统的软件仿真和软硬件联调。 7、第十周至第十一周：整理设计资料，撰写毕业设计论文。 8、第十二周：打印、装订论文，进行毕业答辩。 目 录摘要IAbstractII第1章 绪 论11.1 研究课题的意义11.1.1 引言11.1.2 课题概述及研究内容11.1.3 课题的发展概况简述21.2 设计方案的总体思路3第2章 虚拟仪器与传感器52.1 虚拟仪器简介5 2.1.1 虚拟仪器的概念52.1.2 虚拟仪器的特点及优势6 2.1.3 虚拟仪器测试系统的组成72.1.4 虚拟仪器I/O接口设备82.1.5 虚拟仪器的软件结构92.2虚拟仪器的开发软件9 2.2.1 Labview简介92.2.2 虚拟仪器的组成原理102.2.3基于Labview平台的虚拟仪器程序设计112.2.4 虚拟仪器系统软面板的设计标准11 2.2.5 虚拟仪器系统的组建方案12 2.3虚拟仪器的应用13 2.4虚拟仪器的发展前景13 2.5传感器简介14 2.5.1 热敏电阻器15 2.5.2 电阻温度探测器16 2.5.3 热电偶16 2.5.4 固态热传感器 17 第3章 数据采集系统18 3.1 数据采集系统的结构原理 18 3.1.1 数据采集系统的分类 18 3.1.2 数据采集系统的基本功能 18 3.1.3 数据采集卡的组成 18 3.1.4 数据采集卡的参数设置19 3.2 信号采集20 3.2.1 采集信号类型20 3.2.2 采集信号的连接方式21 第4章 硬件方案及设计234.1 硬件总体概述23 4.1.1 硬件设计的基本原则234.2 硬件主要组成部分234.2.1 温度传感器234.2.2 温度控制244.3 I/O接口设备PCI-6221数据采集卡25第5章 软件设计265.1 软件设计的基本原则265.2 前面板设计原则26 5.2.1 前面板设计图275.3 程序设计285.4 远程监控305.4.1 Web服务器配置305.4.2 Web发布网页配置33总 结34致 谢35参 考 文 献36附录37基于LabVIEW的远程温度监测与控制系统研究基于LabVIEW的远程温度监测与控制系统研究摘要：虚拟仪器是将仪器技术、计算机技术、总线技术和软件技术紧密融合在一起的高新技术产物，利用计算机强大的数字处理能力实现仪器的大部分功能，打破了传统仪器的框架，形成的一种新的、进步的仪器模式。本设计采用NI PCI-6221数据采集卡，运用传感器、虚拟仪器及其相关技术于基于LabVIEW的远程温度监测与控制系统的设计。该系统具有温度数据采集、采集数据实时显示、存储与处理、历史数据显示、波形存储、报警及调整改变温度等功能，最后使用Web技术实现了对采集数据的远程监控。本文首先概述了测控技术和虚拟仪器技术在国内外的发展及以后的发展趋势，探讨了虚拟仪器的总线及其标准、框架结构、LabVIEW开发平台，然后介绍了数据采集的相关理论，给出了数据采集系统的硬件结构图。在分析本系统功能需求的基础上，介绍了传感器、程序模块化设计、数据处理、Web等设计中用到的技术，最后是本课题设计的核心部分即是LabVIEW软件开发平台，其作为人机交互界面设计在整个系统中占有举足轻重的份量。本设计是虚拟仪器在测控领域的一次成功尝试。实践证明虚拟仪器是一种优秀的解决方案，能够高效的实现各种测控任务。关键字：虚拟仪器；数据采集；温度；传感器；LabVIEW。The Research of Remote Temperature Monitoring and Control System Based on LabVIEWAbstract：Virtual instrument is the instrument technology, computer technology, bus technology and software technology closer together high-tech product of the number of computer processing power to achieve a strong instrument for most of the features, breaking the traditional instruments of the framework, the formation of a new and progressive instrument model. This design uses a NI PCI-6221 data acquisition card, the use of sensors, virtual instrument based on LabVIEW and related technologies in the remote temperature monitoring and control system. The system has the same temperature data acquisition, real time data collection, storage and processing, historical data, waveform storage, alarm and adjust the temperature changes and other functions, the last use of Web technology to collect data on remote monitoring. This paper outlines the monitoring and control technologies and virtual instrument technology development at home and abroad and the future development trend of the virtual instrument bus and its standard, frame structure, LabVIEW development platform, and then introduces the theory of data acquisition is given data acquisition system hardware structure. In the analysis of functional requirements of the system based on the introduction of sensors, modular program design, data processing, Web and other technologies used in the design, final design is the core issue that is LabVIEW software development platform, as the man-machine interface design in the whole system play a critical role. This design is a virtual instrument in the field of measurement and control a successful attempt. Practice shows that the virtual instrument is an excellent solution to efficient implementation of various monitoring tasks.Key words: Virtual instrument, Data acquisition, Temperature , Sensors, LabVIEW.I基于LabVIEW的远程温度监测与控制系统研究第1章 绪 论1.1 研究课题的意义1.1.1 引言测控技术在现代科学技术、工业生产和国防科技等诸多领域中应用十分广泛，它的现代化已被认为是科学技术、国防现代化的重要条件和明显标志。20世纪70年代以来，计算机、微电子等技术迅猛发展，在其推动下，测控仪器与技术不断进步，相继诞生了智能仪器、PC仪器、VXI仪器、虚拟仪器及互换性虚拟仪器等微机化仪器及其自动测控系统，计算机与现代化仪器设备间的界限日渐模糊，测控领域和范围不断拓宽。近年来，以计算机为中心、以网络为核心的网络化测控技术与网络化测控系统得到越来越多的应用，尤其是在航空航天等国防科技领域。网络化的测控系统大体上由两部分组成：测控终端与传输介质，随着个人计算机的高速发展，测控终端的位置越来越多的被个人计算机所占据，其中，软件系统是计算机系统的核心，甚至是整个测控系统的灵魂，应用于测控领域的软件系统称为监控软件。传输介质组成的通信网络主要完成数据的通信与采集，这种数据采集系统是整个测控系统的主体，是完成测控任务的主力。因此，这种“监控软件数据采集系统”构架的测控系统结构在很多领域都得到了广泛的应用，并形成了一套完整的理论1。1.1.2 课题概述及研究内容虚拟仪器（virtual instrumention）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。使用虚拟仪器用户可以通过操作显示屏上的“虚拟”按钮或面板，完成对被测量的采集、分析、判断、调节和存储等功能。本文设计就是建立在VI基础上，在此平台上完成对温度的实时测量。传统靠人工控制的温度、湿度、液位等信号的测压力控系统，外围电路比较复杂，测量精度较低，分辨力不高，需进行温度校准(非线性校准、温度补偿、传感器标定等)；且它们的体积较大、使用不够方便，更重要的是参数的设定需要有其它仪表的参与，外界设备多，成本高，因而越来越适应不了社会的要求。在对多类型、多通道信号同时进行检测和控制中，传统的测控系统能力有限。如何将计算机与各种设施、设备结合，简化人工操作并实现自动控制，满足社会的需求，成为一个很迫切的问题。温度检测是现代检测技术的重要组成部分，在保证产品质量、节约能源和安全生产等方面起着关键的作用。由单片集成电路构成的温度传感器的种类越来越多，测量的精度越来越高，响应时间越来越短，因其使用方便、无需变换电路等特点已经得到了广泛的应用。随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于生产的自动控制系统开始进入了人们的生活，以单片机为核心的温度采集系统就是其中之一。同时也标志了自动控制领域成为了数字化时代的一员。它实用性强，功能齐全，技术先进，使人们相信这是科技进步的成果。温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。单片机具有处理能强、运行速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高。1.1.3 课题的发展概况简述随着科学技术的发展，人们在监控与监测生产过程、居住环境、生活质量等过程中，制造了各种各样科学仪器。而传统仪器如模拟式仪器仪表、数字化仪表、内部有微处理器的智能仪器等，其对于用户来说是一个封闭的系统，仪器的面板、旋钮、开关和显示方式，内部电路及仪器所能提供的功能都是固定的，与其他设备的连接也受限制。随着计算机硬件技术、软件技术的不断发展与成熟，全新概念的第四代仪器虚拟仪器出现了。上世纪80年代早期，计算机接口变得越来越精细，软件设计的虚拟器界面也越来越友好，苹果公司的Macintosh开发了G语言，这些为功能强大的专业虚拟仪器软件的出现提供了必要基础。不久，NI为基于计算机的测量和自动化开发出了LabVIEW软件包。目前LabVIEW的最新版本为LabVIEW8.6，LabVIEW 8.6为多线程功能添加了更多特性。 LabVIEW的功能不断丰富和强大。LabVIEW用来进来数据采集和控制、数据分析和数据表达，使工程师和科学家能充分利用PC的功能，快速简便地完成自己的工作。经过多年的不断充实，LabVIEW成为丰富、强大的实用工具软件包，内部配有GPIB、VXI、串口和插入式DAQ板的库函数以及全球几百家厂商的仪器驱动程序。围绕这些核心软件还陆续开发出多种附件。 工业发达国家已经将虚拟仪器技术广泛应用于航天、通讯、生物医学、地球物理、电子、机械等各个领域，进行工程技术和科学研究，国内对于虚拟仪器的研究与工程也取得了很多成就，在产品性能测试、设备故障诊断、生产过程控制中得到普遍应用。虚拟仪器技术在我国的研究刚起步，还有许多问题需要去探索，如智能化软件开发平台的研究，采用人工智能技术降低VI的设计难度，使用户简洁地构成VI系统，帮助用户对测试结果进行分析和判断，完成复杂的测试任务等。国内虚拟仪器行业至今还没有形成具有自主知识产权的虚拟仪器核心开发技术，也没有相关的行业标准。虚拟仪器产业无论在规模还是在质量上都难以与国外同行匹敌，国外虚拟仪器产品几乎垄断了国内的市场。总之，随着计算机、网络、通信、微电子等相关技术的不断发展，VI技术也会不断向前发展，微型化、智能化和网络化将成为今后VI研究开发的主导方向。伴随网络技术的高速发展，出现了以网络为基础、虚拟仪器为核心的“虚拟实验室”的概念。目前，虚拟实验室已成功地应用于许多大型实验室的实验研究和高等学校的实验教学。在人工智能研究的影响下，人们开始关注如何提高虚拟仪器的智能化水平。虚拟仪器的发展主要取决于三个重要因素。计算机是动力，软件是主宰，高质量的A/D采集卡及调理放大器与传感器是关键。无论哪种VI系统，都是将硬件仪器(传感器、调理放大器、A/D)搭载到各种计算机平台上，加上应用软件面板构成，实现使用计算机的全数字采集测试分析。VI的发展完全跟计算机的发展同步，所以显示出VI的灵活性和强大的生命力。虚拟仪器的兴起是测试仪器技术的一次“革命”，是仪器领域的一个新的里程碑，未来的VI完全可以覆盖计算机辅助测试的全部领域。标准化、通用化、系列比、模块化以及开放式的体系结构等，VXI系统的观念将成为电子测量仪器仪表变革的重要方向。数据采集、测试、过程控制、信息传输与通信等现代信息技术汇聚在一起，将最终导致标准化、规范化卡式仪器和软件化仪器的更广泛流行。虚拟仪器的发展将本着跟随通用计算机走、跟着通用软件走、跟着网络走的指导思想。继“软件就是仪器”的概念之后，很可能出现“网络就是仪器”的新观念。1.2 设计方案的总体思路本系统的设计实现主要由温度采集模块（温度传感器）、NIM系列高速采集卡6221的开发应用、LabVIEW编程实现三大模块组成。其中当温度采集部分应用温度传感器来完成对所需数据的初步采集后，再利用适当辅助步骤与NIM系列数据采集卡6221相连接，然后运用LabVIEWDAQ进行编程对所接收到的相关数据进行相应的处理，当温度不在预设范围时，也可通过LabVIEW编程发布相关改变指令通过6221传输到对应执行机构，实现温度的改变。至于对温度的远程监测与控制也是通过虚拟仪器（LabVIEW）的网络通信技术来实现的。总体方案如图1.1：被测对象温度传感器信号调理模块数据采集卡NI-6221计算机图1.1 总体方案图第2章 虚拟仪器与传感器2.1 虚拟仪器简介2.1.1 虚拟仪器的概念虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司（National Instruments）最先提出的1。所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统之中；可自由构建成专有仪器系统。虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器。虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器” 。该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分。虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器（包括GPIB、RS-232等传统仪器以及新型的VXI模块化仪器）为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件（处理器、存储器、显示器）和测量仪器（频率计、示波器、信号源）等硬件资源与计算机软件资源（包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及图形用户界面）有机的结合起来。虚拟仪器技术是随着现代计算机技术、信息技术、现代测量技术的发展而出现的新技术。虚拟仪器是通过应用程序将计算机资源（微处理器、存储器、显示器）和仪器硬件（A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号调理器）的测量功能结合起来，形成的测量装置或测试系统。用户通过友好的图形界面（称为虚拟面板）操作计算机，就像操作传统仪器一样，通过库函数实现仪器模块间的通信、定时、触发，以及数据分析、数据表达，并形成图形化接口。虚拟仪器由计算机、仪器软件和仪器硬件组成。虚拟仪器包括硬件和软件两个基本要素。其中，硬件的功能是获取被测试的物理信号，提供信号传输的通道。虚拟仪器的硬件技术以GPIB、PXI等先进的计算机接口总线的发展为发展标志。GPIB、PXI接口是早期比较流行的接口，随着虚拟仪器技术的发展，现在使用比较广泛的接口是DAQ、PXI和LXI。 DAQ（Data Acquisition）仪器，即数据采集仪器是一种典型的虚拟仪器，以微型计算机为平台，将计算机硬件（如某类总线）和计算机软件（虚拟仪器应用软件）结合起来，实现特定仪器测量和分析的功能。由仪器卡组成DAQ仪器的方式主要有三种：内插式，即将仪器卡插入微机内部总线上来构成DAQ仪器；外挂式，即将微机总线引到扩展箱中，在扩展箱里插入仪器卡来构成DAQ仪器；直接外挂式，即在并行口、USB口等微机外总线接口上接入仪器卡来构成DAQ仪器。GPIB（General Purpose Interface Bus）总线技术，即IEEE488总线，是一种数字式并行总线，它将可编程仪器和计算机紧密结合起来。典型的GPIB仪器系统由一台PC、一块GPIB接口板卡和若干台GPIB仪器通过GPIB标准总线连接而成。目前，这种应用已经较少。VXI（VMEbus Extensions For Instrumentation，意为“VMEbus在仪器领域内的扩展”）是继GPIB第二代自动测试系统之后，为适应测试系统从分离台式结构向高密度、高效率、多功能、高性能的模块结构发展的需要，吸收智能仪器和PC仪器之设计思想，集GPIB系统和高级微机内总线VMEbus之精华设计而成的仪器。它克服了GPIB仪器的数据传输率和资源利用率低的缺点。 PXI（PCI Extensions For Instrumentation）总线仪器是PCI在仪器领域的扩展，主要特点是模块化。PXI总线仪器以CompactPCI为基础，改进了PCI总线技术，增加了PCI插槽，使之适合试验、测量与数据采集场合应用，是一种有别于GPIB等总线结构的新型虚拟仪器体系结构。GPIBVXIPXI总线方式（适合大型高精度集成系统）GPIB 于1978年问世，VXI于1987年问世，PXI于1997年问世。PC插卡并口式串口USB方式（适合于普及型的廉价系统，有广阔的应用发展前景）PC插卡式于80年代初问世，并行口方式于1995年问世，串口USB方式于1999年问世。综上所述，虚拟仪器的发展取决于三个重要因素。计算机是载体,软件是核心，高质量的A/D采集卡及调理放大器是关键。相信随着科技的不断创新发展，随着人们对其更需人性化的需求，虚拟仪器的发展也将会不断地更上一个台阶，让其发挥出应有而更广泛的的功效，让人们的生活更加美好2。2.1.2 虚拟仪器的特点及优势虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心，如图2.1所示，其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。虚拟仪器中应用程序将可选硬件（如GPIB，VXI，RS-232，DAQ板）和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。源代码库函数为用户构造自己的虚拟仪器（VI）系统提供了基本的软件模块。由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的VI系统而不丢失己有的硬件和软件资源。图2.1虚拟仪器开发框图虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。虚拟仪器技术十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器” 。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程。2.1.3 虚拟仪器测试系统的组成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。这种结合基本有两种方式，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。虚拟仪器的组成与传统仪器一样，主要由数据采集与控制、数据分析和处理、结果显示三部分组成，如图2.2所示：图2.2虚拟仪器的内部功能的划分对于传统仪器，这三个部分几乎均由硬件完成；对于虚拟仪器，前一部分由硬件构成，后两部分主要由软件实现。与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化，设计工作量大大减小。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、图形图像采集卡及摄像机及其用于辅助测量并能与计算机通讯的常规仪器等）、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LabVIEW）编写而成，并可通过Internet实现网络扩展。2.1.4 虚拟仪器I/O接口设备I/O接口设备主要用来完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。可根据实际情况采用不同的I/O接口硬件设备，如数据采集卡/板(DAQ)、GPIB总线仪器、VXI总线仪器、串口仪器、USB等。这里主要讲数据采集卡。DAQ(Data Acquisition)数据采集卡是指基于计算机标准总线(如ISA、PCI、USB等)的内置功能插卡。其中USB是最新技术的数据采集卡，具有精度高，可携性好等优点，它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性；利用DAQ卡可方便快速地构建虚拟仪器系统。在性能上，随着A/D转换技术，滤波技术和信号调理技术的发展，DAQ卡的采样速率已达1GB/s，精度高达24位，通道数高达64个，并具有数字I/O，模拟I/O和计数器/定时器等通道。各仪器厂家生产了大量的DAQ卡功能模块供用户选择，如示波器、串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等。在计算机上挂接多个DAQ功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有多功能的测试仪器。这种基于计算机的仪器，既具有高档仪器的测量品质，又能满足测量需求的多样性。对我国大多数用户来说，它具有很高的性能价格比，是一种特别适合我国国情的虚拟仪器方案。2.1.5 虚拟仪器的软件结构虚拟仪器技术的核心是软件，用户可以采用各种编程软件来开发自己所需要的应用软件。以美国NI公司的软件产品LabVIEW和LabWindows/CVI为代表的虚拟仪器专用开发平台是当前流行的集成化开发工具。这些软件开发平台提供了强大的仪器软面板设计工具和各种数据处理工具，再加上虚拟仪器硬件厂商提供的各种硬件的驱动程序模块，简化了虚拟仪器的设计工作。随着软件技术的迅速发展，软件开发的模块化、复用化和各种硬件仪器驱动软件的模块化、标准化，虚拟仪器软件开发将变得更加快速、方便。2.2 虚拟仪器的开发软件2.2.1 LabVIEW简介LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。虚拟仪器（virtual instrumention）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。虚拟仪器技术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。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。美国NI公司于20世纪70年代中期提出了虚拟仪器的概念。虚拟仪器是在以通用计算机为核心的硬件平台上，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理，利用I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统，是计算机技术与仪器技术相结合的产物，其基础是计算机系统，核心是软件技术。同时，NI公司在虚拟仪器概念出现以后，推出了图形化虚拟仪器专用开发平台LabVIEW。为了兼顾其它高级语言软件开发者的习惯，NI还推出了Lab Windows/CVI、Component works等交互式开发平台。虚拟仪器具有以下特点：l 软件是虚拟仪器的核心，性价比高，虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全继承了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点。l 缩小了仪器厂商与用户之间的距离， 具有良好的人机界面， 具有方便、灵活的互联，NI的软硬件工具使得我们不再受限于当前的技术中。l 开发周期短，可靠性高，在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。2.2.2 虚拟仪器的组成原理 虚拟仪器充分利用了当代先进的科技产品和技术，如计算机、模块化的数据采集调理电路及总线技术等.虚拟仪器由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。其中，硬件设备与接口可以是各种以PC为基础的内置功能插卡、通用接口总线接口卡、串行口、VXI总线仪器接口等设备，或者是其它各种可程控的外置测试设备，设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序，虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通讯，并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各种控件。用户用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样真实与方便。测试软件是虚拟仪器的主心骨。NI公司在提出虚拟仪器概念并推出第一批实用成果时，就用软件仪器来表达虚拟仪器的特征，强调软件在虚拟仪器中的重要位置。NI公司从一开始就推出丰富而又简洁的虚拟仪器开发软件。使用者可以根据不同的测试任务，在虚拟仪器开发软件的提示下编制不同的测试软件，来实现当代科学技术复杂的测试任务。在虚拟仪器系统中用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特性的分析，使仪器中的一些硬件甚至整个仪器从系统中消失，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能。虚拟仪器测试系统的软件主要分为以下四部分：1 仪器面板控制软件2 数据分析处理软件3 仪器驱动软件4 通用I/O接口软件2.2.3 基于LabVIEW平台的虚拟仪器程序设计所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器(VI)，它包括前面板(Front Panel)、流程图(Block Diagram)以及图标/连结器(Icon/Connector)三部分。1前面板：前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制和显示对象。但并非画出两个控件后程序就可以运行，在前面板后还有一个与之对应的流程图。2流程图：流程图提供VI的图形化源程序。在流程图中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。如果将VI与传统仪器相比较，那么前面板上的控件对应的就是传统仪器上的按钮、显示屏等控件，而流程图上的连线端子相当于传统仪器箱内的硬件电路。在许多情况下，使用VI可以仿真传统仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与传统标准仪器相差无几。虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型：1. PC总线插卡型虚拟仪器2. 并行口式虚拟仪器3. GPIB总线方式的虚拟仪器4. VXI总线方式虚拟仪器5. PXI总线方式虚拟仪器2.2.4 虚拟仪器系统软面板的设计标准 虚拟仪器软面板是用户用来操作仪器，与仪器进行通信，输入参数设置，输出结果显示的用户接口。其设计准则是： 1. 按照VPP规范设计软面板，使面板具有标准化、开放性、可移植性。 2. 根据测试要求确定仪器功能。根据测试任务确定仪器软面板具体测试、测量功能，开关、控制等设置要求。 3. 用面向对象的设计方法设计软面板。按照面向对象的设计思想，一个虚拟仪器集成系统由多个虚拟仪器组成，每个虚拟仪器均由软面板控制。软面板由大量的虚拟控件组成。 2.2.5 虚拟仪器系统的组建方案 在虚拟仪器系统的组建方案，主要包括底层硬件、软硬件接口、应用程序以及驱动程序的设计与开发。1. 制定所设计仪器的接口形式 如果仪器设备具有RS-232串行接口，则直接用连线将仪器设备和计算机的RS-232串行口连接即可。如果是GPIB接口，需要额外配备一块GPIB-488接口板，将接口板插入计算机的ISA插槽，建立起计算机与仪器设备之间的通信桥梁。如果使用计算机来控制VXI总线设备，则需要配置一块GPIB接口卡，通过GPIB 总线与VXI主机箱零槽模块通信。 2. 开发硬件采集卡 典型的数据采集卡组成包括，先用传感器把非电的物理量转变成模拟电量，采样/保持器可以保持信号，实现对瞬时信号进行采集，以便A/DC进行数字转换，提高A/DC转换器的转换精度。实现在测量中同时对多路模拟信号进行采样。当传感器输出的信号比较小，可以用放大器放大和缓冲输入信号，如果采用的是可编程增益放大器就可以通过计算机进行增益选择控制确定增益倍数。系统的结构合理与否，对系统的可靠性有直接影响，在硬件和软件功能的设计上要尽量使虚拟仪器的结构简单，可靠性高，选用合适的单元器件，尽可能的提高采集卡采集的精度和速度。 3. 确定设计采集卡的设备驱动程序方案 采集卡的设备驱动程序是控制各种硬件采集卡的驱动程序，是连接主控计算机与信号采集调理部件的纽带。驱动程序的实质是为用户提供了用于仪器操作的较抽象的操作函数集，它是虚拟仪器核心软件之一。 4. 确定虚拟仪器系统应用程序编程语言 在编制虚拟仪器软件中可采用两种编程方法。一种是采用面向对象的可视化的高级编程语言，如VC+、VB和Delphi等编写虚拟仪器的软件，这种方法实现的系统灵活性高，易于扩充和升级维护。另一种是采用图形化编程方法，如LabVIEW，HPVEE，采用图形化编程的优势是软件开发周期短、编程较简单，特别适合工程技术人员使用。 5. 软件调试和运行 程序编写好以后要对各模块进行调试和运行，可以通过采集各种标准信号来验证虚拟仪器系统功能的正确性和性能的优良性5。2.3 虚拟仪器的应用虚拟仪器技术经过十几年的发展而今正沿着总线与驱动程序标准化、硬/软件模块化、编程平台的图形化和硬件模块的即插即用方向进步。虚拟仪器技术在发达国家的推广应用十分普及。在国内，近年来也开始有了利用虚拟仪器实现检测、控制等功能的例子，虚拟仪器系统已成为仪器领域的一个基本方法，是技术进步的必然结果。虚拟仪器主要在以下几个方面得到应用：1. 虚拟仪器在测量方面的应用 虚拟仪器系统开放、灵活,可与计算机技术保持同步发展,将之应用在测量方面可以提高精确度，降低成本，并大大节省用户的开发时间，因此已经在测量领域得到广泛的应用。2. 虚拟仪器在监控方面的应用用虚拟仪器系统可以随时采集和记录从传感器传来的数据，并对之进行统计、数字滤波、频域分析等处理,从而实现监控功能。3. 虚拟仪器在检测方面的应用在实验室中，利用虚拟仪器开发工具开发专用虚拟仪器系统，可以把一台个人计算机变成一组检测仪器，用于数据/图像采集、控制与模拟。4. 虚拟仪器在教育方面的应用现在，随着虚拟仪器系统的广泛应用，越来越多的教学部门也开始用它来建立教学系统，不仅大大节省开支,而且由于虚拟仪器系统具有灵活、可重用性强等优点，使得教学方法也更加灵活了。5. 虚拟仪器在电信方面的应用 虚拟仪器还在其他很多领域包括航空、汽车、生物医学等方面得到广泛应用。从交通监控系统到大学实验室，从部件自动测试到工业过程控制，虚拟仪器应用的例子不胜枚举。相信未来,虚拟仪器将得到更多的发展,应用范围也将越来越广。2.4 虚拟仪器发展前景LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。这是一个功能强大且灵活的软件，利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。虚拟仪器技术在我国的研究刚起步，还有许多问题需要去探索，如智能化软件开发平台的研究，采用人工智能技术降低VI的设计难度，使用户简洁地构成VI系统，帮助用户对测试结果进行分析和判断，完成复杂的测试任务等。国内虚拟仪器行业至今还没有形成具有自主知识产权的虚拟仪器核心开发技术，也没有相关的行业标准。虚拟仪器产业无论在规模还是在质量上都难以与国外同行匹敌，国外虚拟仪器产品几乎垄断了国内的市场。总之，随着计算机、网络、通信、微电子等相关技术的不断发展，VI技术也会不断向前发展，微型化、智能化和网络化将成为今后VI研究开发的主导方向。伴随网络技术的高速发展，出现了以网络为基础、虚拟仪器为核心的“虚拟实验室”的概念。目前，虚拟实验室已成功地应用于许多大型实验室的实验研究和高等学校的实验教学。在人工智能研究的影响下，人们开始关注如何提高虚拟仪器的智能化水平。虚拟仪器的发展主要取决于三个重要因素。计算机是动力，软件是主宰，高质量的A/D采集卡及调理放大器与传感器是关键。无论哪种VI系统，都是将硬件仪器(传感器、调理放大器、A/D)搭载到各种计算机平台上，加上应用软件面板构成，实现使用计算机的全数字采集测试分析。VI的发展完全跟计算机的发展同步，所以显示出VI的灵活性和强大的生命力。虚拟仪器的兴起是测试仪器技术的一次“革命”，是仪器领域的一个新的里程碑，未来的VI完全可以覆盖计算机辅助测试的全部领域。标准化、通用化、系列比、模块化以及开放式的体系结构等，VXI系统的观念将成为电子测量仪器仪表变革的重要方向。数据采集、测试、过程控制、信息传输与通信等现代信息技术汇聚在一起，将最终导致标准化、规范化卡式仪器和软件化仪器的更广泛流行。虚拟仪器的发展将本着跟随通用计算机走、跟着通用软件走、跟着网络走的指导思想。继“软件就是仪器”的概念之后，很可能出现“网络就是仪器”的新观念。2.5 传感器简介温度传感器，温度是实际应用中经常需要测试的参数，从钢铁制造到半导体生产，很多工艺都要依靠温度来实现，温度传感器是应用系统与现实世界之间的桥梁。本文对不同的温度传感器进行简要概述，并介绍与电路系统之间的接口。温度测量应用非常广泛，不仅生产工艺需要温度控制，有些电子产品还需对它们自身的温度进行测量，如计算机要监控CPU的温度，马达控制器要知道功率驱动IC的温度等等，下面介绍几种常用的温度传感器。2.5.1 热敏电阻器用来测量温度的传感器种类很多，热敏电阻器就是其中之一。许多热敏电阻具有负温度系数NTC，也就是说温度下降时它的电阻值会升高。在所有被动式温度传感器中，热敏电阻的灵敏度(即温度每变化一度时电阻的变化)最高，但热敏电阻的电阻/温度曲线是非线性的。表2.1是一个典型的NTC热敏电阻器性能参数。表2.1 NTC热敏电阻器性能参数 这些数据是对Vishay-Dale热敏电阻进行量测得到的，但它也代表了NTC热敏电阻的总体情况。其中电阻值以一个比率形式给出(R/R25)，该比率表示当前温度下的阻值与25时的阻值之比，通常同一系列的热敏电阻器具有类似的特