基于虚拟仪器Labview馏程设计-精细化学品生产技术专业毕业设计

抚顺职业技术学院化学工程系 2012 届精细化学品生产技术专业毕业设计 论文 NO I 摘要 温度是馏程分析的一重要部分 在馏程分析中 需要进行温度测量 监控 和记录 据统计 温度测量占工业生产中各种检测总量的 50 左右 测温的方 法也多种多样 但是 常规测温法存在许多缺点 这促进了测温技术中新原理 新技术 新方法的发展 虚拟传感器 红外测温技术等代表了未来测温技术的 发展方向 本文提出的温度采集检测系统采用LabVIEW图形化编程语言 主要针对馏 程分析应用 模块化方法设计开发 增强了软件的可靠性 稳定性 应用广泛 性 该测控系统通过对温度数据的采集与处理等功能子模块实现了温度的实时 显示 分析等功能 波形实时显示模块相当于一个虚拟的数字示波器 该模块 采用LabVIEW语言编写 设计出操作简单 可靠性商 可维护性好 具有交互 式的图形界面的检测系统 该系统主要功能如下 1 自动产生随机温度并采集 温度曲线显示 2 显示温度 并鹃切换摄氏和华氏模式 3 可设置温度报警上限 超出限度即报警 并记录报警次数 4 进度指示 5 能实现中途暂停采集 关键词 虚拟仪器 LabVIEW 温度测量 数据采集 抚顺职业技术学院化学工程系 2012 届精细化学品生产技术专业毕业设计 论文 NO II 目录 摘要 I 目录 II 绪论 1 第一章 虚拟仪器与 LabVIEW 介绍 2 1 1 虚拟仪器发展史 2 1 2 虚拟仪器技术应用研究内容和目的 4 1 2 1 基于虚拟仪器技术应用系统的设计 4 1 2 2 虚拟仪器开发平台的远程网络功能的扩展 4 1 3 虚拟仪器技术概述 5 1 3 1 虚拟仪器的概念 5 1 3 2 虚拟仪器与传统仪器的比较 5 1 3 3 虚拟仪器测试系统的组成 6 1 3 4 虚拟仪器 I 0 接口设备 7 1 3 5 虚拟仪器的软件结构 9 1 3 6 虚拟仪器的开发软件 9 1 3 7 本课题所采用的图形化虚拟仪器开发平台一 LabVIEW 10 1 3 8 基于 LabVIEW 平台的虚拟仪器程序设计结构和特点 11 第二章 虚拟仪器技术认识 16 第三章 热电偶温度记录仪硬件设计 17 3 2 软件部分温度检测的设计思想 17 3 3 热电偶的选择 17 3 4 数据采集卡的选择 17 第四章 热电偶温度记录仪软件设计 19 4 1 热电偶温度记录仪的软件设计结构图 19 4 2 1 用户登录前面板 19 4 2 2 温度采集前面板设计 20 4 2 3 温度记录前面板设计 21 4 2 4 温度查询前面板设计 22 4 3 1 用户登录模块程序设计 22 抚顺职业技术学院化学工程系 2012 届精细化学品生产技术专业毕业设计 论文 NO III 4 3 2 通道选择模块程序设计 23 4 3 3 温度采集模块程序设计 24 4 3 4 温度报警模块程序设计 25 4 3 5 数据库访问模块程序设计 26 4 3 6 数据庠写入模块程序设计 26 4 3 7 数据库查询模块程序设计 27 4 4 系统程序调试 28 第五章 总结 30 参考文献 31 致谢 32 附录 33 抚顺职业技术学院化学工程系 2012 届精细化学品生产技术专业毕业设计 论文 NO 1 绪论 课题的来源及研究意义 所谓温度 就是指物体的冷热程度 温度对人类生活 工农业生产有很大 的影响 在生产与生活中 几乎所有的科学研究 工艺流程 生产过程都需要 用到温座的检测与控制 物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关 大多 毅生产过程均是在一定温度范围内进行的 温度过高或过低都会对产品的质量 和产量造成一定的影响 甚至还会使产品报 1 竞 设备损坏 在国防 军孪 科学试验及工农业生产过程中 温度的测量具有十分重要的作用 进入 21 世纪以来 作为测试技术的一个分支 虚拟仪器的开发和研制在国 内得到了飞速的发展 虚拟仪器是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪 器的控制面板 以多种形式表达输出检测结果 利用计算机强大的软件功能实 现信号数据的运算 分析 处理 并利用 I 0 接口设备完成信号的采集 测 量与调理 从中完成采种测试功能的计算机仪器系统 本系统使用 LabVIEW 图形化编程语言作为开发平台 在这个平台之上 根 据需要自行定义了馏程数据采集的功能 组建了馏程温度检测系统并构造仪器 面板 论文主更研究内容馏程采集的数据进行实时的分析处理 并生动直观地 显示出数据 波形 本论文主要是使用 LabVIEW 对馏程温度进行分析 以下内 容主要介绍使用 LabVIEW 对馏程温度的设计 抚顺职业技术学院化学工程系 2012 届精细化学品生产技术专业毕业设计 论文 NO 2 第一章 虚拟仪器与 LabVIEW 介绍 1 1 虚拟仪器发展史 所谓虚拟仪器 实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统 虚拟 仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体 从而把计算 机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量 控制能力结合在一起 大大缩小了 仪器硬件的成本和体积 并通过软件实现对数据的显示 存储以及分析处理 从发展史看 电子测量仪器经历了由模拟仪器 智能仪器到虚拟仪器 由于计 算机性能以摩尔定律 每半年提高一倍 飞速发展 已把传统仪器远远抛到后 面 虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势 但它并不否定传统仪器的作 用它们相互交叉 又相互补充 相得益彰 在高速度 高带宽和专业测试领域 独立仪器具有无可替代的优势 在中低档测试领域 虚拟仪器可取代一部分独 立仪器的工作 但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏 是传 统的独立仪器难以胜任的 甚至不可思议的工作 专家们指出 在这个计算机和网络时代 利用计算机和网络技术对传统的 产业进行改造 已是大势所趋 而虚拟仪器系统正是计算机和网络技术与传统 的仪器技术进行融合的产物 因此 在21世纪 虚拟仪器将大行其道 日渐受 宠 将会引发传统的仪器产业一场新的革命 LabVIEW是 Laboratory Virtual InstrumentWorkbench 实验室虚拟仪 集成环境 简称 是由美国国家仪器公司 National Instruments NI 创立的 一个功能强大而又灵活的仪器和分析软件应用开发工具 N1 公司生产基于计 算机技术的软硬件产品 其产品帮助工程师和科学家进行测量 过程控制及数 据分析和存储N1公司于1970年由James Truchard Jeffrey Kodosky William Nowlin创建于德克萨斯州的Attstin 当时3人正在位于Austin的德克萨斯大学 应用研究实验室为美国海军进行声响应用研究 寻找将测试设备连接到的DEC PDPL 11计算机的方法 JamesTruchard于是决定开发一种接口总线 并吸纳 Jeff和Bill共同研究 终于成功地开发出LabVIEW并提出了 虚拟仪器 这一 概念 在此过程中 他们创建了一家新公司一National Instruments 从事研 究 开发 生产 测试工作的工程师和科学家以及在诸如汽车 半导体 电子 化学 电信 制药等行业工作的工程师和科学家已经使用并一直使用LabVIEW 抚顺职业技术学院化学工程系 2012 届精细化学品生产技术专业毕业设计 论文 NO 3 来完成他们的工作 LabVIEW在试验测量 工业自动化和数据分析领域起着重 要作用 例如 在NASA 美国国家航空和宇宙航行局 的喷气推进实验室 科学 家使用LabVIEW来分析和显示 火星探测旅行者号 自行装置的工程数据 包 括自行装置的位置和温度 电池剩余电量 并总体监测旅行者号的全面可用状 态 LabVIEW程序称为 虚拟仪器 或简称为 VI LabVIEW不同于基于文本的 编程语言 如Fortran和 c 它是一种图形编程语言 其编程过程就是通过图 形符号描述程序的行为 LabVIEW使用的是科学家和工程师们所熟悉的术语 还 使用了易于识别的构造 C语言的圈形符号 即使具有很少编程经验的人也能学 会使用LabVIEW 并能够发现和了解一些有用的基本原则 LabVIEW 提供了大 量的虚拟仪器和函数库来帮助编程 LabVIEUF6 0 中提出了一个新的重要功 能 称为 Express VI 由于VI配置可以通过对话框完成 因此Express VI允 许用户位于Functions选项板 是以白色背景 蓝色边框的形式出现的 L8bVIEW 也包括了特殊的应用库 用于实现数据采集 文件输入 输出 GPIB和串行仪 器控制以及数据分析 LabVIEW包括了常规的程序调试工具 用这些工具可以 设置断点 单步执行程序及动画模拟执行 以便观察数据流 在不同类型的图 表和图形上 LabVI醐提供一组有效的 VI 用于数据显示 LabVIEW 是 N1 推出的虚拟仪器开发平台软件 它们能够以其直观简便的 编程方式 众多的源码级的设备驱动程序 多种多样的分析和表达功能支持 为用户快捷地构筑自在实际生产中所需要的仪器系统创造了基础条件 LabVIEW采用图形化编程语言 C语言 产生的程序是框图的形式 易学 易用 特别适合硬件工程师 实验室技术人员 生产线工艺技术人员的学习和 使用 可在很短的时间内掌握并应用到实践中去 特别是对于熟悉仪器结构和 硬件电路的硬件工程师 现场工程技术人员及测试技术人员来说 编程就像设 计电路图一样 因此 硬件工程师 现场工程技术人员及测试技术人员们学习 LabVIEW驾轻觥熟 在很短的时间内就能够学会并应用 LabVIEW 也不必去记 忆那眼花缭乱的文本式程序代码 LabVIEW不仅容易学习和使用 而且它的功能十分强大 像 C或 C 等其 它计算机商绿语言一样 LabVIEW也是一种通用编程系统 具有各种各样 功 能强大的函数库 包括数据采集 GPIB 串行仪器控制 数据分析 数据显示 抚顺职业技术学院化学工程系 2012 届精细化学品生产技术专业毕业设计 论文 NO 4 及数据存储 甚至还有日前十分热门的网络功能 LabVIEW也有完善的仿真 调试工具 如设置点 单步等 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 比其它语言的开发环境更方便 更有效 而且 LabVIEW与其它计算机语言相比 有一个特别重要的不同点 其它计算机 语言都是采用基于文本的语言产生代码行 而LabVI耶采用图形化编程语言 C 语言 LabVIEW程序又称为虚拟仪器 它的表现形式和功能类似于实际的仪器 但LabVIEW程序很容易改变设置和功能 因此 LabVIEW特别适用于实验室 多 品种小批量的生产线等需要经常改变仪器和设备的参数和功能的场合 及对 信号进行分析研究 传输等场合 1 2 虚拟仪器技术应用研究内容和目的 虚拟仪器技术应用研究的方向是多方面的 从本系统研究内容方面可分 为 1 基于虚拟仪器技术应用系统的设计 2 虚拟仪器开发平台的远程网络功能的扩展 1 2 1 基于虚拟仪器技术应用系统的设计 基于虚拟仪器平台的应用系统的设计是本论文的重点 其主要内容是利用 虚拟仪器技术 组建功能强大的检测系统 虚拟仪器平台提供给仪器设计人员 设计所需的丰富功能控件 针对实际的测试任务可在很短的时间内完成检测系 统的设计 但如何充分而合理利用这些功能控件构建检测系统 是一个值得深 入研究的问题 需要做大重的工作 首先要熟悉 LabVIEW中的功能控件 多研 习优秀的程序设计 通过大量的实践 才能很好的掌握和运用 虚拟温度检测 系统设计是基于虚拟仪器平台的应用系统开发方面所做的研究 研究主要涉及 如何利用虚报仪器平台的功能控件构建一个集信号采集 分析和处理为一体的 检测系统 1 2 2 虚拟仪器开发平台的远程网络功能的扩展 随着社会的发展 人们越来越需要网络化的测控系统 大型机械设备的多 点远程监测 地区环境的多点监测 危重病人的远程多点监测与会诊 电能的 自动实时秒表系统 以及远程网络教学实验的发展等 都需要测控系统的网络 抚顺职业技术学院化学工程系 2012 届精细化学品生产技术专业毕业设计 论文 NO 5 化 计算机网络技术的不断发展 拓展了虚拟仪器的应用范围 利用局域网或 Internet即可实现远程测控的功能 构成远程虚拟仪器 有了远程虚拟仪器 不但昂贵的硬件资源可以共享 也使大量实际问题得到了解决 随着网络技术 的深入 网络化成为了虚拟仪器技术中的一个最重要的发展方向 并且很多测 试任务也需要测试系统的网络化 将数据通过网络发送到远程端 网络化的虚 拟仪器目前是虚拟仪器技术的一个发展的趋势 1 3 虚拟仪器技术概述 虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代 当时的计算机测控技术在国 防 航天等领域已经具有了很快的发展速度 PC 机的出现使仪器的计算机化 成为可能 虚拟仪器是计算机技术和仪器仪表技术结合的产物 它把计算机 仪器硬件 固件与计算机软件结合起来 除继承传统仪器的已有功能外 还增 加了许多传统仪器所不能及的先进功能 虚拟仪器的最大特点是其灵活性 用 户在使用过程中 可以根据需要添加或删除仪器功能 以满足各种需求 并且能充分利用计 算机丰富的软硬件资源 突破了传统仪器在数据处理 表达 传送 存储方面 的限制 1 3 1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器 Virtual Instrument 是指通过应用程序将计算机与功能化模块 硬件结合起来 用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机 好像在操 作自己定义 自己设计的一台单个仪器一样 从而完成对被测试对象的采集 分析 判断 显示 数据存储等功能 因为虚拟仪器是以计算机为核心 在 Windows等操作系统平台上运行的 所以它具有一机多功能的特点 可以同时 运行多个软件 当作多种仪器使用 具有多功能的仪器系统称之为虚拟仪器 系统 1 3 2 虚拟仪器与传统仪器的比较 如表 1 1所示 虚拟仪器具有传统仪器无法比拟的强大优势 因而必将 成为未来仪器发展的趋势 表 1 1虚拟仪器与传统仪器的比较 比较项目虚拟仪器传统仪器 抚顺职业技术学院化学工程系 2012 届精细化学品生产技术专业毕业设计 论文 NO 6 灵活性开放性 灵活 可与计算机技术保持 同步发展 封闭性 仪器闻相互配合 较差 升级的自由度关键是软件 系统性能升级方便 通过网络下载升级程序即可 关键是硬件升级成本较 高 且升级必须上门服务 性能价格比价格低廉 仪器间资源可重复利用 利用率高 价格昂贵 仪器间一般无 法相互利用 仪器功能用户可定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能 与外设互连可以与网络及周边设备方便连接功能单一 只能连接有限 的独立设备 开发维护费用开发与维护费用降至最低开发与维护开销高 人机界面人机界面友好人机界面一般 技术更新周期技术更新周期短 1 2年 技术更新周期长 5 10年 1 3 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日前仪器发展 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 日前已经出现 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 如图 1 1所示的数据采集与控制 数据分析和处理 结果显示三部分组成 图1 1 虚拟仪器的内部功能划分 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 抚顺职业技术学院化学工程系 2012 届精细化学品生产技术专业毕业设计 论文 NO 7 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 图 1 2给出了经典虚拟仪器测试系统的 构成 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 图 1 2 经典的虚拟仪器系统构成 1 3 4 虚拟仪器 I 0 接口设备 I 0 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 0接E1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q 虚拟仪器的构成主要有五种类型 如 图 1 3所示 抚顺职业技术学院化学工程系 2012 届精细化学品生产技术专业毕业设计 论文 NO 8 图1 3 虚拟仪嚣构成方式 1 DAQ Data Acquisition 数据采集卡指的是基于计算机标准总线 如 ISA PCI USB尊 的内置功能插卡 共中USB是最新技术的数据采集卡 具有 精座高 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群系统 在性能 上 随着A D转换技术 测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 通道数商达64个 并具有数字I 0 模拟I 0和计数 器 定时器等迅道 各仪器厂家生产了大量的DAQ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 GPIB General Purpose Interface Bus 通用接口总线 是计算机和 仪器间的标准通信协议 GPIB的硬件规格和软件协议以纳入国际工业标准IEEE 488 1和IEEE 488 2 它是最早的仪器总线 目前多数仪器都配备了迢循 IEEE488的GPIB接口 典型的GPIB测试系统包括一台计算机 一块基于GPIB总 线的接口卡和多台GPIB仪器软件及相应的传感模块硬件 每台GPIB仪器有单独 的地址 由计算机控制操作 系统中的仪器可以增加 减少或更换 只需对计 算机的控制软件作相应的改动 基于GPIB总线结构的接口卡数据传输速率一股 低于500kb S 不适台与对系统速度要求较高的应用 3 VXI VhlEbus eXtension for Instrumentation 是VhlE总线在仪器领 抚顺职业技术学院化学工程系 2012 届精细化学品生产技术专业毕业设计 论文 NO 9 域的扩展 1993年VXI总线1 4版本被批准为IEEE 1155标准 成为开放式工业 标准 仪器专用总线在吸收IEEE488的成功经验础上 增加了lOMHz时钟线 模 拟和数字混合总线 星形总线等高速总线 定时关系严格 兼有计算机总线和 仪器总线的优点 4 PXI PCI 6xtensiLon for Instrumentation 是Compact PCI总线在 仪器领域的扩展 是N1公司于1997年发布的一种新的开放性 棋块化仪器总线 规 非核心是Compact PCI结构和Microsoft Windows软件 PXI是在PCI内核技 术上增加了成熟的技术规范和要求形成的 PXI增加了用于多板同步的触发总 线和lOMHz参考时钟 用于精确定时的星形触发总线 以及用于相邻模块间商 速通信的局部总线等 来满足实验和测量用户的要求 PXI来容Compact PCI机 械规范 并增加了空气冷却装置 环境测试 温度 湿度 振动和冲击实验 等 要求 这样可保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性 5 串口系统 串口系统是以Serial标准总线仪器与计算机为仪器精简平 台组成的虚拟测系统 RS 232总线是早期采用的通用串行总线 将带有RS 232 总线接口的仪器作为I 0接口设备 通过RS 232串口总线与计算机组成虚拟 仪群系统目前仍然是虚拟仪器构成方式之一 主要适用于速度较低的测试系 统 1 3 5 虚拟仪器的软件结构 虚拟仪器技术的核心是软件 用户采用各种编程软件来开发白己所箫要的 应用软件 以美国N1公司的软件产品LabVIEW和LabWindow 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 这些软仲开发平台提供了强 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 大大简化了虚拟仪器的设计工作 随荐软件技术 的迅速发展 软件开发的模块化 其用化 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 1 3 6 虚拟仪器的开发软件 1 虚拟仪器的开发语言 虚拟仪器系统的开发语言有 标准C Visual C Visual Basic率通用 程序开发语言 但直接由这些语言开发虚拟仪器系统 是有相当难度的 除了 抚顺职业技术学院化学工程系 2012 届精细化学品生产技术专业毕业设计 论文 NO 10 要花大量时间进行测试系统面板设计外 还要编制大量的设备驱动程序和底层 控制程序 这些工作对于那些不熟悉这方面知识的工程设计人员来说 要花费 大量时间和精力 这样直接影响了系统开发的周期和性能 除了通用程序开发 语言以外 还有一些专用的虚拟仪器开发语言和软件 其中有影响的开发软件 有 N1 公司的LabVIEW LabWindows CVI LabVIEW采用图形化编程方案 是非常实用的开发软件 LabWindows CVI是为熟悉C语言的开发人员准备的 是在Windows环境下的标准ANSIC开发环境 除此以外还有HP公司I HP VEE HP TIG开发平台 美国Tektronix公司的Ez Test TGk一TNS平台软件 这些都是 国际上公认的优秀的虚拟仪器开发软件平台 其中 LabVIEW 图形化软件开发 系统是用工程人员所熟悉的术语和图形化符号代智常规的文本语言编程 界面 友好 操作简便 可大大缩短系统开举周期 深受专业人员的青睐 在此虚拟 温度采集系统的设计平台采用NI公司的LabVIEW 8 6 进行 1 3 7 本课题所采用的图形化虚拟仪器开发平台一 LabVIEW LabVIEW Laboratory Virtual Instrument EnE ineering 是一种图形化 的编程语言 它广泛地被工业界 学术界和研兜实验室所接受 视为一个标准 的数据采集和仪粮控制软件 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 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更加形象 化 传统的文本式编程是一种顺序的设计思路 设计者必须写出执行的语句 而LabVIEW是基于数据流的工作方式 同时是基于图形化的编程 这使得设计 者不必芈握大量的编程语言和程序设计技巧便可设计出虚拟仪器系统一 目前 在以PC机为础的测试和工控软件中 LabVIEW的市场普及率仅次于 C C语言 LabVIEW具有一系列无与伦比的优点 首先 LabVIEW作为图形 化语言编程 采用流程图式的编程 运用的设备图标与科学家 工程师们习惯 的大部分图标基本一致 这使得编程过程和思维过程非常相似 同时 LabVIEW 提供了丰富的VI库和仪器面板素材库 近600种设备的驱动程序 可扩充 如 GPIB设备控制 VXI总线控制 串行口设备控制 以及数据分析 显示和存储 并且LabVIEW还提供了专门用于程序开发的工具箔 使得用户能够设直断点 抚顺职业技术学院化学工程系 2012 届精细化学品生产技术专业毕业设计 论文 NO 11 调试过程中可以使用数据探针和动态执行程序来观察数据的传输过程 更加便 于程序的调试 因此 LabVIEW受到越来越多工程师 科学家的普遍青睐 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 像许多通用的软件一样 LabVIEW提供了Windows UNIX Linux hlacintosh 的多种版本 1 3 8 基于 LabVIEW 平台的虚拟仪器程序设计结构和特点 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 control 和显示对象 indicator 如图2 5所示是一个随机信号发生和 显示的前面板 上面有一个显示对象 以曲线的方式显示了所产生的一系列随 机数 还有一个控制对象 开关 可以启动和停止工作 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 如图1 6 图1 5 随机信号发生器的前面板 抚顺职业技术学院化学工程系 2012 届精细化学品生产技术专业毕业设计 论文 NO 12 图1 6 随机信号发生器的流程图 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 图2 6是与图2 5对应的流程图 我们可以看到流程图中包括了前面板上的开关 和随机数显示群所对应的连钱端子 另外我们还建立了一个随机数发生函数和 一个wileLoop 循环结构 随机数发生器通过连载将产生的随机信号送到显示 控件 为了使它持续工作下去 设置了While Loop循环 由开关控制循环的结 束 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 肖的标准仪群面板 而且其功能也与传统标准仪器相差无几 这种设计思想的 优点体现在两方面 1 类似流程图的设计思想 很容易被工程人员接受和掣握 特别是那些 没有很多程序设计经验的工程人员 2 设计的思路和运行过程清晰而且直观 如通过使用数据探针 高亮执行 调试等多种方法 程序以轻慢的速度运行 使没有执行的代码显示灰色 执行 后的代码会高亮显示 同时在线显示数据流线上的数据值 完全跟踪数据流的 抚顺职业技术学院化学工程系 2012 届精细化学品生产技术专业毕业设计 论文 NO 13 运行 这为程序的调试和参数的设定带来诸多的方便 3 图标 连接设计 这部分的设计突出体现了虚拟仪器模块化程序设计的 思想 在设计大型白动检测系统时 一步完成一个其杂系统的设计是相当有难 座的 而在LabVIEW中提供的图标 连接工具 正是为实现模块化设计而准备的 设计者可把一个其杂自动检测系统分为多个子系统 每一个都可完成一定的功 能 这样设计的优点体现在如下儿方面 1 把一个复杂自动检测系统分为多个子系统 程序设计思路清晰 给设计 者调试程序带来了诸多的方便 同时也对于将来系统的维护提供了便利 2 一个复杂自动检测系统分为多个子系统 每一个子系统都是一个完整的 功能模块 这样把测试功能细节化 便于实现软件其用 大大节省软件研发周 期 提高系统设计的可靠性 3 便于实现 测试集成 和虚拟仪器库的思想 同时为实现虚拟仪器设计 的灵活性提供了前提 2 4 虚拟仪器技术的近况和发展 电子测量仪器发展至今 大体经历了四代发展历程 模拟仪器 数字化仪 器 智能仪器和虚拟仪器 第一代 模拟仪器 这类仪器是以电磁偬应基本定律为基础的模拟指针式 仪表 如指针式万用表 晶体管电压表等 第二代 数宇式仪表 这类仪器目前相当普及 如数字电压表 数字频率 计等 这类仪器将棋拟信号的测虽转化为数字信号测量 并以数字方式输出虽 终结果 适用于快速响应和较商准确度的测量 第三代 智能仪表 这类仪器内置微处理器 既能进行自动测试又具有一 定的数据处理能力 可取代部分脑力劳动 所以习惯上称为智能仪器 但是它 的功能块全部都是以硬件 或固化的软件 形式存在的 无论是在开发还是应用 中 都缺乏灵话性 第四代 虚拟仪器 它是现代计算机技术 通信技术和测量技术相结合的 产物 它对传统仪器观念进行了一次巨大变革 是将来仪器产业发展的重要发 展方向之一 从1987年以专用集成电路 ASIC 并以计算机技术为十础的总线仪 器一虚拟仪器的雏形问世 到1993年虚拟仪器已发展到三百乡家厂商 一千多 抚顺职业技术学院化学工程系 2012 届精细化学品生产技术专业毕业设计 论文 NO 14 种虚拟仪器产品 1995 年厂商更达一干余家 产品达数千种 美国是虚拟仪 据的诞生地 也是全球最大的虚拟仪器制造国 生产虚拟仪器的主变厂家有N1 公司 HP公司等 可以说虚拟仪器正以传统仪器无法比拟的速度飞速发展 虚拟仪器技术的优势在于用户自定义仪器功能 结构等 且构建容易 转 换灵活 因此应用领域十分广阔 当前 国内外有许多部门和公司都在积极地 开展这些方面的研究和应用工作 例如 美国的Geomatics公司和Godsmith公 司等利用虚拟仪器开发工具 研制开发出了农业自动化灌溉系统和秧苗分析系 统 比利时Intersofl电子工程公司利用虚拟仪器思想开发出了RASS一PDP和 RAS S S软件 美国斯坦福大学利用虚拟仪器技术构建了虚拟仪器教学 实验 仿真系统 挪威CARDIAC公司采用LabVIEW平台构建了测试北海油田石油 大气 水流的MPFM系统 在国内 清华大学应用虚拟仪器技术构建汽车发动机性能检 测系统 用于汽车发动机出厂前的自动检测 石油科学研究院将虚拟仪器技术 应用于小型石油精炼实验系统中 电子都三所应用虚拟仪器技术建立了仪器自 动化计量控制系统 我国的虚拟仪器研制是从1984年开始起步的 十几年来 在APPLE IBM一 PC及其兼容机上进行了研制和开发 主要工作有两个方面 一是通用仪器卡 二是专用测试仪 此外 许多大学都在尝试将虚拟仪器应用到实验教学和计算 机辅助教学中 例如 西安交通大学电气学院在 现代测试技术与系统集成 课程教学中 以虚拟仪器系统为平台 开发虚拟仪群实验 通过仿真与实验 开拓了学生的思路 使学生较好地理解该课程的内容 虚拟仪措一机多用 硬 件资源共享等特点大大节约了实验室建设的投资 目前 虚拟仪器已在科研开发 测控 超大规模集成电路测试 模拟和数 字电路测试 现代家用电器测试 电子元件 电力电子器件测试以及军事 航 天 生物医学 电工技术领域等可移动式现场测试 基于虚拟仪棵技术温度检测系统的开发与研究工作中得到应用 且应用领 域还将不断拓宽 此外大学实验室既是进行科学研究的重要签地 又是培养学 生的重要场所 因此 实验室埋设是教学中的一项重要工作 传统的实验平台 存在硬件成本商 构造复杂 功能单一等方面的问题 最近儿年 虚拟仪措技 术的迅速发展为实验室理提供了一种新的思路 将虚拟仪器技术应用到教学实 抚顺职业技术学院化学工程系 2012 届精细化学品生产技术专业毕业设计 论文 NO 15 验中 将成所谓的虚拟仪器实验室成为目前实验室教学改革的热点之一 与原 有的传统实验平台相比 虚拟实验室通过友好的人机界面使实验操作灵活 方 便 通过运用计算机强大的计算与处理能力 大大地提高了数据分析和处理能 力 通过设计 仿真与实测的结果对比使课本理论与实验操作密切结合 通过 一机多用和硬件资源共享等 大大节约了实验室建设的资金 总之 LabVIEW能够为用户提供简明 直观 易用的图形编程方式 能够 将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能 并且用线条将各种 功能连接起来 十分省时简便 深受用户青睐 与传统的编程语言比较 LabVIEW 图形编程方式能够节省 74 以上的程序开发时间 其运行速度却几乎不受影 响 体现出了极高的效率 使用虚拟仪器产品 用户可以根据实际生产需要重 新构筑新的仪群系统 抚顺职业技术学院化学工程系 2012 届精细化学品生产技术专业毕业设计 论文 NO 16 第二章 虚拟仪器技术认识 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 抚顺职业技术学院化学工程系 2012 届精细化学品生产技术专业毕业设计 论文 NO 17 第三章 热电偶温度记录仪硬件设计 3 2 软件部分温度检测的设计思想 本系统利用热电偶来对温度进行数据采集 利用LabVIEW编程来实现数据 采集板与PC机之间的串行通讯以及虚拟面板的设计 最后由PC机显示测量的温 度 图3 2给出了数据采集系统结构框图 其中信号调节的主要作用是将传感 器输出的信号与A D转换器相匹配 A D转换的输入电平一般为伏级 而传 感器输出的信号通常很小 这时我们就必须采取放大措施来减小量化误差 相 对误差也就减小了 如果传感器在输出信号和传输过程中混入虚假成分 就需 要进行滤波 图3 2 数据采集流程图 3 3 热电偶的选择 本设计中选用比较常见的S型热电偶与K型热电偶 S型热电偶具有准确度 高 稳定性好 测温区域宽 使用寿命长等优点 K型热电偶测温范围宽 线性度好 热电动势较大 灵敏度高抗氧化能力强等优点 本设计用LT1025来实现冷端温度补偿 由于LT1025内部自带特殊的非线性 自动校正电路 本设计LT1025实现线性化处理 LT1025是美国LINEAR公司生产 的低功耗热电偶冷端温度补偿专用集成芯片 它既可以用于E J K R S和T 型热电偶冷端温度补偿又可以构成摄氏温度计 还可以用与温度补偿网络中 其温度补偿准确度高达5 3 4 数据采集卡的选择 数据采集就是将被测对象的各种参量通过相传感元件做适当转换后 再经 过信号调理 采样 量化 编码 传输等步骤 最后送到计算机进行数据处理 或存储记录的过程 数据采集是仪器分析的基础 必须有硬件的支撑 计算机 抚顺职业技术学院化学工程系 2012 届精细化学品生产技术专业毕业设计 论文 NO 18 数据采集系统通过传感器获去信号并传给数据采集卡进行A D转换 然后能进 行存储 用于数据采集的成套设备称为数据采集系统 它是虚拟仪器与被测对 象联系的桥梁 是获取信息的重要途径 本系系统采用NI 公司生产的PCI6221 数据采集卡 PCI6221是一种低廉的M系列数据采集卡 即应用虚拟仪器PC DAQ 系统 PC DAQ系统是以数据采集板 信号调理电路和计算机为仪器硬件平台组 成的插卡式虚拟仪器系统 采用PCI计算机本身的总线 故将数据采集卡 DAQ 插入计算机的空槽中即可 抚顺职业技术学院化学工程系 2012 届精细化学品生产技术专业毕业设计 论文 NO 19 第四章 热电偶温度记录仪软件设计 4 1 热电偶温度记录仪的软件设计结构图 根据所要实现的如温度示 记录 报警 查询功能要求 在设计中的软件 程序设计里我将不同的功能按照不同的模块分别进行了模块化编程 设计结构 图如图4 1 4 1热电偶温度记录仪的软件设计结构图 前面板 用户界面 是虚拟仪器的重要组成部分 仪器参数的设置 测试 结果示等功能都是通过软件功能实现因此要求软件界面简单直接 便于使用本 系统采用LabVIEW8 5软件设计了前面板 该界面可以通过用户登陆端显示前面 板分为温度采集 温度记录 温度查询三部分 4 2 1 用户登录前面板 在程序使用过程中 为了防止非相关工作人员修改程序而导致本虚拟热电 偶温度记录仪的瘫痪 需要为使用本虚拟仪器的相关技术人员设置使用权限 在用户登录界而中不同的用户可以用不同的用户名及密码 也可修改密码 这 部分程序将在后续用户管理及密码修改中详细陈述 如图4 2所示 抚顺职业技术学院化学工程系 2012 届精细化学品生产技术专业毕业设计 论文 NO 20 4 2用户登录前面板 在图 4 2 用户登录端的设计中 实现了对软件程序和数据库数据的有效 保护 在图中 可以看到用户在使用虚拟热电偶温度记录仪之前 必须登录系 统 在首次使用的时候 系统会自动生成一个管理员刑户Admin 密码设置为 123456并对用户进行提示 4 2 2 温度采集前面板设计 在温度采集程序设计中 实现了四通道的选择及对两支S型标准热电偶 两 支K型标准热电偶的选择 点击不同的通道开关 显示不同通道的信号波形 当 点击多个通道时 采集信号波形图显示多条信号曲线 即在示波器中显示所有 采集到的所有实时数据波形 而不同通道的信号波形将在温度记录界而中一一 显示 通过改变采样率可得到效果更好的信号波形 如图4 3所示 抚顺职业技术学院化学工程系 2012 届精细化学品生产技术专业毕业设计 论文 NO 21 在图 4 3 温度采集前面板设计中 实现了对四通道的选择及对热电偶的 选择 在程序运行之前 有必要对程序运行环境进行初始化设置 因为 程序 使用到了Access数据库对数据的存储及查询 需要为数据库指定系统DNS数据 源 并为其设登驱动梃序 指定数据库路径 这部分内容将在数据庠查询部分 进行详细讲述 在数据库精度设置的对话框里 可以为数据库设定输入数据的 精度 在初始化设置结束后就可以启动程序 并点击采集按钮 程序开始运行 为指定的通道进行数据的实时显示 记录 及根警的功能 4 2 3 温度记录前面板设计 在温度记录报警的程序设计中 实现了对四个通道的数据实时监测 及报 警设置记录功能 经板卡采集并转换得到的温度波形的变化 同时将标定后得 到的温度值分别用波形和温度计两种方式显示出来 适应不同用户的需求 通 过布尔量开关设置超限报警指示 如图4 4 在图4 4温度记录前面板设计中 此部分为四通道温度实时显示部分 具 有报警记录的功能 四个通道的开关均在虚拟热电偶温度采集控制部分的前面 板上 开关打开 在这里可以看到对对应通道数据采集的过程 还可以看到数 据的波形及实际温度值 在这里可以设定温度上下限报警的温度值 抚顺职业技术学院化学工程系 2012 届精细化学品生产技术专业毕业设计 论文 NO 22 4 2 4 温度查询前面板设计 在温庋查询程序设计中 系统在温度采集的过程中 将采集到的数据于后 台完成了记录 这里实现的功能主要是在采集状态下 根据用户的需求 按时 间查询出对应时间下的每个通道的温度数据 如图4 5所示 4 3 1 用户登录模块程序设计 为了实现对软件程序和数据库数据的有效保护 设计了用户登录模块 模 块的作用可以使软件的前面板在不登录的情况下隐减在选项卡 在登录的前提 下就可以自动跳传到软件的操作界而 在登录后还可以对对用户进行用户添 加 密码修改等管理 用户登录程序设计思路如图 4 6 所示 抚顺职业技术学院化学工程系 2012 届精细化学品生产技术专业毕业设计 论文 NO 23 图 4 6 中采用了用户登录子 VI 即 user Login 图标 当用户名输入的时候 程序先通过数据库访问子 VI 检查数据库里的用户数据是否为空 若为空 将 一个真值送入条件结构 在条件结构中通过数据库访问子 VI 将一个用户名为 Admin 密码为 123456 的数据写入到对应的数据库中 并通过单按钮对话框提 示用户相关信息 倘若数据库里的用户数据不为空 就将一个假值送入条件结 构 在条件结构中通过数据库查询子 VI 数据库对应用户下的密码 并与输入 的密码相比对 如果想等用户登录成功 否则反之 当用户名与密码一致时 用户登录子VI向条件结构送入一个真 此时将名 字为数据显示的选项板打开 并循序使用用户管理 添加用户和修改密码 倘 若用户登录子VI向条件结构送一个假 事件结构停止运行 为了密码的安全 需要修改用户的密码 此部分的设计思路如图4 7所示 如上图 设计使用了user ner pw 子VI实现对密码的修改 在这个子VI中 将第一对话框里的密码通过数据库访问子VI写入到数据库中对应用户的密码 字段内覆盖原密码 这是在第二对话框里的密码与第一对话框密码一致的情况 下写入条件结构真的值时候执行的 但是如果两个对话框输入的不一致 则返 回一个假 条件结构则通过单按钮对话框提示用户密码不确 4 3 2 通道选择模块程序设计 在设计中考虑到 四个通道的数据采集需要要对每个同通道的开闭进行操 作 于是 在 PCI6221板卡的16个输入通道中选择了前四个 即aiO ai3 对 应的物理通道current physical Channel s 分别是 Devl aiO Devl ail Devl ai2 Devl ai3 进行操作 具体程序如图4 9所示 抚顺职业技术学院化学工程系 2012 届精细化学品生产技术专业毕业设计 论文 NO 24 通道选择模块的设计为了更好的在编写程序中的使用 同样将程序编辑成 为了子Vi 图4 9即为通道选择子VI模块的程序 其主要使用了编程当中的条 件结构 布尔数组转化成数值输入条件结构 与条件结构中的选择一一对比 即通道1对应Devl aiO 通道2对应Devl ail 通道3对应 Dev 1 ai2 通道4对 应Devl ai3 这个时候 通道选择模块完成对退避物理地址的选挥 与通道开 关一一对应来 4 3 3 温度采集模块程序设计 虚拟热电偶温记录仪设计中 要对四个个通道的数据行记录 报警 查询 的前提是对数据的采集 在前而的通道的选择模块实现其功能之后 再将选择 到的对应通道的数据进行采集 就是目前设计的目的 数据的采集模块使很普 遍 在很多的相关资料中都可以见到该模块的设计方案 温度采集子VI DAQ采 集 VI 模块的程序如图4 10所示 抚顺职业技术学院化学工程系 2012 届精细化学品生产技术专业毕业设计 论文 NO 25 正如上图所示 将通道选择模块的输出的物里通道地址送进 DAQmx Create Virtual Channel模块 DAQ创建虚拟通逍模块 的physical channels并将单位 设置为伏特最大值设置为IOV 最小设置为 IOV 将输出送进DAQmx Timing模 块 DAQmx定时模块 再将数据输入DAQmx Configure lnput Buffer模块 DAQmx 设定输入绥冲器模块 大小设定为50000 然后再将数据送入DAQmx Staart Tasks模块完成数据的采集 4 3 4 温度报警模块程序设计 为了实现系统的温度实时记录及报警设计了以下程序 如图4 11所示 正如上图所示 将动态数据转换为数组 此时温度波形数据口经数据化 为了对