环境状态监控系统设计毕业设计.doc

毕 业 设 计 题 目： 环境状态监控系统设计 院系： 电气信息学院 专业： 班级： 学号： 学生姓名： XX 导师姓名： XXXX 完成日期： 20XX年 X月 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XX工程学院毕业设计论文毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 姓名 XX 院系 电气信息学院 专业 班级 学号 指导老师 职称 教授 教研室主任 XXX 一、 基本任务及要求： 本课题要求设计一个基于LabVIEW的环境状态监控系统，要求除了实现显示实时温度，湿度的测量与控制，能够方便的实现报警、显示环境状态变化趋势、对所测数据进行一定的统计分析等管理功能，并自动对温度，湿度进行调节。 实现数据的二次开发，包括数字滤波、非线性补偿、实时温度显示等测量功能以及生成各参数趋势曲线、分布直方图、历史数据查询、超限报警等信息管理功能。二、 进度安排及完成时间： 2月23日4月20日：外出完成毕业实习，并且查阅相关资料，搜集课题所需资料，了解课题现状、课题研究的目的和意义，学习LabVIEW软件，完成开题报告和文献综述 4月21日5月1日：系统总体方案和硬件电路设计 5月2日5月20日：完成各软件模块的编写及调试 5月21日6月1日：整理资料，撰写毕业设计论文 6月1日6月5日：毕业论文审定、修改及打印，答辩准备 6月6日6月8日：答辩 目录摘要IAbstractII第1章 绪 论11.1 课题分析11.1.1 课题概述11.1.2 课题背景11.1.3 课题实现方法及各特点21.2 总体方案设计3第2章 虚拟仪器与传感器52.1 LabVIEW概述52.2 仪器的发展72.2.1 传统硬件仪器72.3 虚拟仪器主要特点及优势82.3.1 虚拟仪器的主要特点82.4 虚拟仪器的分类102.5 虚拟仪器系统的设计方案112.5.1虚拟仪器系统的构成112.5.2 虚拟仪器系统软面板的设计标准132.5.3 虚拟仪器系统的组建方案132.6 虚拟仪器未来评测14第3章 硬件方案及设计163.1 硬件总体概述163.2 硬件主要组成部分163.2.1 温湿度传感器163.2.2 NI M系列高速采集卡6281183.3 硬件系统设计203.3.1 控制被测对象部分20第4章 软件设计224.1 前面板设计224.2 程序设计25第5章 程序的调试275.1 程序的运行275.2 各部分功能调试结果275.2.1 温湿度显示及报警模块275.2.2 数据分布直方图模块285.2.3 报警历史模块285.2.4 历史回放模块29总 结30致 谢32参 考 文 献33环境状态监控系统设计环境状态监控系统的设计摘要：随着科技的不断发展，测控技术愈加的自动化，智能化，数字化和网络化。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，美国NI公司研制开发的labview虚拟仪器具有强大的数据处理能力，拥有良好的人机设计界面，能够充分发挥计算机的功能，可以创造出功能强大的仪器，实现普通仪器所不能实现的功能。随着气象事业的逐步发展，气象要素的数据测量也步入自动化。温度和湿度是两个重要环境参数，直接影响到粮食的储存，因此有必要对其进行时时的检测，本设计借助虚拟仪器技术的易开发、灵活性强和使用方便等优点，将其和传统测量系统结合起来，基于labview 软件设计出可以采集多路温度和多路湿度信号的温湿度检测系统，具有温湿度数据显示、波形显示、温湿度超限报警等功能，并且操作简单。本系统采用温湿度传感器，将所采集到的温度和湿度，经过变换，转换成电压信号送入数据采集卡中，在计算机软件的支持下，完成自动采集自动处理等功能。关键字：虚拟仪器；数据采集；温湿度；传感器；LabVIEW。-Design of environment condition monitoring systemAbstract：With the continuous development of science and technology, measurement and control technology increasingly automation, intelligent, digital and network. The closely combining of instrument and computer is currently an important direction，The labview which United States NI company research and develop has the powerful data processing ability, have a good man-machine interface design, can give full play to the function of the computer, can create a powerful instrument, realize functions that common instrument cant.With the gradual development of the meteorological service, meteorological data measurement also into automation. Temperature and humidity are two important environmental parameter, directly affect the food store, Therefore it is necessary to carry out their every test, This design by means of the virtual instrument technology is easy development, flexibility and easy to use, and we combine it and the traditional measurement . Based on labview software designed temperature and humidity detection system With temperature and humidity data display, waveform display, temperature and humidity transfinite alarm, and other functions, which can acquisite multichannel temperature signal and multiple humidity signal and is easy to operate.The system uses temperature and humidity sensors, the collected temperature and humidity, after conversion, converted into voltage signals, into the data acquisition card, with the support of computer software, complete automatic acquisition, automatic processing and other functionsKey Words: Virtual instrument; data acquisition; temperature and humidity; sensor; LabVIEW.-I-第1章 绪 论1.1 课题分析1.1.1 课题概述随着社会的不断进步、科技的不断发展，我们对以前的某些设想不再仅是一些美好的愿望与假想。也许人们很早就曾想象过用什么方法来监测控制与自己生活息息相关的温湿度，好让自己生活的更舒适。本课题就是基于LabVIEW的远程温湿度监测与控制系统研究。本课题将设计一个基于LabVIEW的温湿度监测系统，采用适当的温湿度传感器采集到温湿度信号后由NI M系列数据采集卡6281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，实现超温超湿报警功能。并通过LabVIEW和网络技术相结合来实现远程温湿度监控系统。比较虚拟仪器相对于传统仪器的优势，将传感器技术、计算机技术、虚拟仪器技术和数据库技术有机结合，进行温室测控系统的管理软件设计。给出虚拟远程监控系统的设计思想和实现过程，并通过虚拟仪器开发软件LabVIEW和网络技术来实现远程温湿度的监测和控制系统的核心内容。远程系统采用反馈控制系统完成对温湿度的控制，根据课题的具体设计内容及相关要求，本课题的设计完成主要分为三大部分：温湿度采集部分、LabVIEW数据处理部分（包括数据接收、数据显示、数据存储及远程数据控制判定与发布相关改变指令）、相应温湿度控制实现部分。其中当温湿度采集部分应用温湿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NI M系列数据采集卡6281相连接，然后运用LabVIEW DAQ进行编程对所接收到的相关数据进行相应的处理，当温湿度不在预设范围时，也可通过LabVIEW编程发布相关改变指令通过6281传输到对应执行机构，实现温湿度的改变。至于对温湿度的远程监测与控制也是可以通过虚拟仪器（LabVIEW）的网络通信技术来实现的。本系统可以进行连续的数据远程采集和存储，操作界面友好，实时显示波形和相应的处理结果，并完成远程控制，使得远程客户端可以通过浏览器实现对现场温室的监测和控制。1.1.2 课题背景相信大家对温湿度并不陌生，但对其准确的定义却也大多模糊其词。所谓温度就是度量物体冷热的物理量，是国际单位制中7个基本物理量之一。在生产和科学研究中，许多物理现象和化学过程都是在一定的温度下进行的人们的生活也和他密切相关。湿度也许在现实生活中的直接感触没有温度明显，但湿度很久以前就与生活存在着密切的关系,但用数量来进行表示较为困难。对湿度的表示方法有绝对湿度、相对湿度、露点、湿气与干气的比值（重量或体积）等等。日常生活中最常用的表示湿度的物理量使空气的相对湿度。用%RH表示。在物理量的导出上相对湿度与温度有着密切的关系。一定体积的密闭气体，其温度越高相对湿度越低，温度越低，其相对湿度越高。其中涉及到复杂的热力工程学知识。在过去人们可能也有相关的切身感受，可能也想象通过某些方法来监测控制温湿度，让自己的生活更舒适，让自己的农作物不受坏境的限制而能够结出丰硕果实，让自己的工艺产品或珍贵收藏文物在特定的温湿度坏境下得以长存，好让更多的后代传承下去这些智慧与汗水的结晶。显然温度与湿度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系。经过科学研究证明冬天温度为18至25，湿度为30%至80%；夏天温度为23至28，湿度为30%至60%。在此范围内感到舒适的人占95%以上。在装有空调的室内，室温为19至24，湿度为40%至50%时，人会感到最舒适。如果考虑到温、湿度对人思维活动的影响，最适宜的室温度应是工作效率高。18，湿度应是40%至60%，此时，人的精神状态好，思维最敏捷。当然在很多的场合中都需要严格监测控制温湿度，否则造成的严重后果将会很难弥补。例如随着越来越来多的珍贵文物出土，他们的完好保存就是个重大问题，要想让他们原样完好的长久保存下去，严格控制好温湿度是个前提条件，只有在特定的坏境下他们的损坏才会保持最低。当然与大众十分相近的场合也是数不胜数，例如现在十分普遍的温室大棚，好让人们不受季节的影响一年四季都能吃到各种蔬菜，营养得以全面配理，身体更加健康；还有很多的图书馆也必须严格控制好温湿度，才会使书本的损耗降到最低；很多的仓库更是需要有完善的温湿度监测与控制系统，否则将会造成难以估算的损失。虽然社会不断地发展，科技不断地创新进步，但人们的对生活舒适度的要求也不断地提高，所以相信跟我们息息相关的温湿度坏境也将一直伴我们前行，对其的监测与控制也将不会停止。1.1.3 课题实现方法及各特点就目前来说，许多课题都有很多种方法去完成实现，但其中总有一个从总体情况考虑会优越于其他。当然，本课题也不例外。据我所知，现今完成实现温湿度监测控制系统的方法主要有以下几种：一、基于LabVIEW的温湿度监测与控制系统LabVIEW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。与其他基于文本的程序设计语言相比，LabVIEW具有如下特点。 1. 直观、易学易用。与Visual C、Visual Basic等计算机编程语言相比，图形化编程工具LabVIEW有一个重要的不同点：不采用基于文本的语言产生代码行，而使用图形化编程语言G编写程序；产生的程序是框图的形式，用框图代替了传统的程序代码。因而可在很短的时间内被掌握并应用到实践中去，特别适合硬件工程师、实验室扶术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用。 2. 通用编程系统。LabVIEW的功能并没有因图形化编程而受到限制，依然具有通用编程系统的特点。LabVIEW有一个可完成任何编程任务的庞大的函数库。该函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等。LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其通过程序的结果、单步执行等，便于程序的调试。LabVIEW的动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据及其变化情况，比其他语言的开发环境更方便、更有效。 3. 模块化。LabVIEW还有一个特点是模块化，体现在两个方面。首先，LabVIEW中使用的基本节点和函数等就是一个个小的模块，可以直接使用；另外，由LabVIEW编写的程序即虚拟仪器模块（Virtrual INSTRUMENT，VI），除了作为独立程序运行外，还可作为另一个虚拟仪器模块的子模块（即子VI）供其他模块程序使用。综上所述，其实不难看出，无论是从课题开发完成实现周期，还是从实现使用方便，基于LabVIEW的远程温湿度监控系统都拥有一定的优势，特别是在远程监控中明显优越于其他方法，而且在对数据的处理上更是人性方便于其他很多，通过自身的软件可以编制出实用美观的人机界面。1.2 总体方案设计本课题的设计完成主要分为三大部分：温湿度采集部分、LabVIEW数据处理部分（包括数据接收、数据显示、数据存储及数据控制判定与发布相关改变指令）、相应温湿度控制实现部分。其中当温湿度采集部分应用温湿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NI M系列数据采集卡6281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，当温湿度不在预设范围时，也可通过LabVIEW编程发布相关改变指令通过6281传输到对应执行机构，实现温湿度的改变。温度：度量物体冷热的物理量，是国际单位制中7个基本物理量之一。在生产和科学研究中，许多物理现象和化学过程都是在一定的温度下进行的人们的生活也和他密切相关。总体方案图如图1.1所示：图1.1 总体方案本系统的设计实现主要由温度、湿度采集模块（温湿度传感器）、NI M系列高速采集卡6281的开发应用、LabVIEW编程实现三大模块组成。第2章 虚拟仪器与传感器2.1 LabVIEW概述本次课题是基于LabVIEW的远程温湿度监测与控制系统研究，其中LabVIEW是整个系统的核心，只有把LabVIEW这个模块运用得当，才可能使系统完整，才可能使本次课题得以成功实现。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。与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。美国国家仪器公司NI（NationalInstruments）提出的虚拟测量仪器（VI）概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。“软件即是仪器”这是NI公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和IO部件来构建虚拟仪器。IO部件可以是独立仪器、模块化仪器、数据采集板（DAQ）或传感器。NI所拥有的虚拟仪器产品包括软件产品（如LabVIEW）、GPIB产品、数据采集产品、信号处理产品、图像采集产品、DSP产品和VXI控制产品等。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。虚拟仪器（Virtual Instruments，VI）可充分利用现有的计算机资源，配以独特设计的软、硬件，实现普通仪器的全部功能，以及一些在普通仪器上无法实现的功能。其“软件即仪器”的概念实现了对传统仪器概念的重大突破，在测试、测量和自动化等领域得到了广泛应用。虚拟仪器技术在国外发展很快，从20世纪70年代开始的GPIB，到80年代出现VXI，90年代出现的PCI总线成为主流产品，以及1997年NI推出的PXI量测平台，形成了目前多种平台共存的状态。以NI公司为代表的一批厂商已经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品。在美国，虚拟仪器系统及图形编程语言已成为理工科学生的一门必修课程。斯坦福大学等许多工科类大学的机械工程系及子类专业都要求三、四年级的学生在实验时，应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制。国内很多大专院校和研究机构的实验室也引入了虚拟仪器系统，如清华大学、上海交通大学、华中科技大学、四川大学等。其中，清华大学汽车系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，可用于汽车发动机的出厂检验；上海交通大学电气系制作了基于虚拟仪器的变频器测试系统；四川大学的研究人员应用基于虚拟仪器的设计思想，研制了“航空电台二线综合测试仪”，将8台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统，使用方便、灵活。有专家预测，未来的几年内我国将有超过50%的仪器为虚拟仪器，国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测和监控。虚拟仪器技术发展迅猛，是新世纪自动测试、测控与电子测量仪器领域技术发展的一个重要方向。随着微型计算机的发展，虚拟仪器系统将逐步取代传统的测试、测控仪器系统而成为测试、测控仪器系统的主流。20年来，无论是初学乍用的新手还是经验丰富的程序开发人员，虚拟仪器在各种不同的工程应用和行业的测量及控制的用户中广受欢迎，这都归功于其直观化的图形编程语言。虚拟仪器的图形化数据流语言和程序框图能自然地显示您的数据流，同时地图化的用户界面直观地显示数据，使我们能够轻松地查看、修改数据或控制输入。2.2 仪器的发展2.2.1 传统硬件仪器 20世纪30年代初，HP公司创始人、斯坦福大学的Hewlett和Packard在现今的硅谷研制出了第一台信号产生器。传统硬件仪器经历了大半个世纪的发展，经历了从模拟式到数字式，到现今智能化仪器的发展历程。传统硬件仪器由决定仪器功能、性能和技术指标的电子板卡、带有插槽的底盘、装有各类控件的面板、显示器和机箱等五部分构成。传统硬件仪器是硬件或以硬件为主的仪器，即使是智能仪器，其中固化的软件也只是辅助性的。 传统硬件仪器是一个封闭系统，一经厂家制造完毕，不能随意改动，灵活性较低。无论是对技术的进步还是对市场的需求，其响应速度都比较慢，这在很大程度上阻碍了仪器科学和仪器行业的快速发展。2.2.2 虚拟仪器 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。2.3 虚拟仪器主要特点及优势2.3.1 虚拟仪器的主要特点虚拟仪器的主要特点有：1. 尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。 2. 可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。3. 用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。 4. 虚拟仪器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。5. 虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。目前LabVIEW的最新版本为LabVIEW2009，LabVIEW 2009为多线程功能添加了更多特性，这种特性在1998年的版本5中被初次引入。使用LabVIEW软件，用户可以借助于它提供的软件环境，该环境由于其数据流编程特性、LabVIEW Real-Time工具对嵌入式平台开发的多核支持，以及自上而下的为多核而设计的软件层次，是进行并行编程的首选。6. 普通的PC有一些不可避免的弱点。用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能太高。目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了VXI标准，这是一种插卡式的仪器。每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。这些卡插入标准的VXI机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。VXI仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的PXI标准仪器。 2.3.2 虚拟仪器的优势同其他技术相比，虚拟仪器技术具有四大优势：1. 性能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，包括功能超卓的处理器和文件I/O，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。 2、扩展性强NI的软硬件工具使得我们不再受限于当前的技术中。这得益于NI软件的灵活性，只需更新计算机或测量硬件，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。在利用最新科技的时候，我们可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。3. 开发时间少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。NI设计这一软件构架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，使我们轻松地配置、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。4、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。NI的虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助我们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。2.4 虚拟仪器的分类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这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如LabVIEW相结合（注：美国NI公司的LabVIEW是图形化编程工具，它可以通过各种控件自己组建各种仪器。LabVIEW/cvi是基于文本编程的程序员提供高效的编程工具，通过三种编程语言Visual C+,Visual Basic,LabVIEW/cvi构成测试系统，它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。但是受PC机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。另外，ISA总线的虚拟仪器已经淘汰，PCI总线的虚拟仪器价格比较昂贵。2. 并行口式虚拟仪器最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。美国LINK公司的DSO-2XXX系列虚拟仪器,它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。由于其价格低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。3. GPIB总线方式的虚拟仪器GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的GPIB系统由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台BPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下，一块GPIB接口可带多达14台仪器，电缆长度可达40米。GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很多方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。GPIB测量系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。 4. VXI总线方式虚拟仪器VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。经过多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。有其他仪器无法比拟的优势。然而，组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。5. PXI总线方式虚拟仪器PXI总线方式是PCI总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的，增加了多板发总线，以使用于相邻模块的高速通讯的局总线。PXI的高度可扩展性。PXI具有8个扩展槽，而台式PCI系统只有3-4个扩展槽，通过使用PCIPCI桥接器，可扩展到256个扩展槽，台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来的虚拟仪器平台。2.5 虚拟仪器系统的设计方案 2.5.1虚拟仪器系统的构成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。 1. 虚拟仪器系统的硬件构成 虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。它管理着虚拟仪器的软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。因此，计算机技术在显示、存储能力、处理器性能、网络、总线标准等方面的发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展。 按照测控功能硬件的不同，VI可分为DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口总线五种标准体系结构，它们主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换。 2. 虚拟仪器系统的软件构成 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，就用软件就是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 仪器面板控制软件即测试管理层，是用户与仪器之间交流信息的纽带。利用计算机强大的图形化编程环境，使用可视化的技术，从控制模块上选择你所需要的对象，放在虚拟仪器的前面板上。 2 数据分析处理软件 利用计算机强大的计算能力和虚拟仪器开发软件功能强大的函数库可以极大提高虚拟仪器系统的数据分析处理能力，节省开发时间。 3 仪器驱动软件 虚拟仪器驱动程序是处理与特定仪器进行控制通信的一种软件。仪器驱动器与通信接口及使用开发环境相联系，它提供一种高级的、抽象的仪器映像，它还能提供特定的使用开发环境信息。仪器驱动器是虚拟仪器的核心，是用户完成对仪器硬件控制的纽带和桥梁。虚拟仪器驱动程序的核心是驱动程序函数/VI集，函数/VI是指组成驱动的模块化子程序。驱动程序一般分为两层，底层是仪器的基本操作，如初始化仪器配置仪器输入参数、收发数据、查看仪器状态等。高层是应用函数/VI层，它根据具体测量要求调用底层的函数/VI。 4 通用I/O接口软件 在虚拟仪器系统中，I/O接口软件作为虚拟仪器系统软件结构中承上启下的一层，其模块化与标准化越来越重要。VXI总线即插即用联盟，为其制定了标准，提出了自底向上的I/O接口软件模型即VISA。作为通用I/O标准，VISA具有与仪器硬件接口无关性的特点， 即这种软件结构是面向器件功能而不是面向接口总线的。应用工程师为带GPIB接口仪器所写的软件，也可以于VXI系统或具有RS232接口的设备上，这样不但大大缩短了应用程序的开发周期，而且彻底改变了测试软件开发的方式和手段。 2.5.2 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。 2.5.3 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。零槽模块的GPIB-VXI翻译器将GPIB 的命令翻译成VXI命令并把各模块返回的数据以一定的格式传回主控计算机。DAQ数据采集卡是基于计算机标准总线的，因此可以将数据采集卡直接插到计算机的插槽上。 2. 开发硬件采集卡 一种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ADC进行数字转换，提高ADC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。多路模拟开关可以分时选通来自多个输入通道的某一路信号，这样在多路开关后的单元电路，只需一套即可，也可以采用计算机进行多路选择控制。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。精度及性能是仪器系统的生命，而这完全依赖于提供基础数据的信号采集控制电路，因此在硬件采集电路的设计时，需根据所设计的虚拟仪器所要达到的性能指标和被测信号的特点，设计合理的系统结构。系统的结构合理与否，对系统的可靠性、性能价格比等有直接影响，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，成本低廉，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 虚拟仪器系统软件结构的设计在体现整个系统的性能和灵活性方面作用很大，因此在开发虚拟仪器系统的软件部分时，首先要根据所开发的虚拟仪器功能和性能，确定应用程序和软面板程序的模块结构和功能，画出各部分的流程图，采用合适的编程语言。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。总之在编写程序时，要尽可能的让每一模块都有一定的独立性，模块之间明确定义接口，模块之间可以采用数据传递的形式进行联系。 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。2.6 虚拟仪器未来评测虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。目前使用较多的是IEEE 488或GPIB协议。未来的仪器也应当是网络化的。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。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。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。图形化的程序语言，又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位编译器。像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。 它主要的方便就是，一个硬件的情况下，可以通过改变软件，就可以实现不同的仪器仪表的功能，非常方便，是相当于软件即硬件。现在的图形化主要是上层的系统，国内现在已经开发出图