热处理炉温度仪的LabVIEW设计论文.doc

1 绪论 11 课题的研究目的及意义在热处理等诸多行业领域中，电阻炉是常用设备，其温度对热处理工件质量具有重要影响，因此炉温控制显得尤为重要。炉温控制过程中，电路输入功率一般不能连续调节、炉温波动范围大、控制质量不高，同是伴有噪音和火花，为了更好地实现加热炉的温度控制，应采用先进的控制算法和技术。热处理是当代机械制造业中的一个重要组成部分。随着热处理温度控制中现代自动化控制设备的应用, 热处理加热设备的控温水平有了很大的提高, 而热处理炉的炉温均匀性在一定程度上限制了热处理工艺水平的进一步提高。原有的炉温均匀性测试设备已不能满足现代化生产的需要, 因此, 热处理行业迫切需要引进先进的测试技术, 对热处理加热设备的控温精度、炉温均匀性进行测试,以促进热处理技术的进步。炉温的均匀性测试,就是用鉴定合格的测试设备进行测量, 以确定工艺设备内的温度分布状况。炉温均匀性是热处理炉的主要性能指标, 是保证热处理产品质量的重要工艺参数。因此在生产实践中, 要求在新炉投产前或使用中的加热炉大修后, 以及加热元件更换后, 均应进行炉温均匀性测量。炉温均匀性测试不但可以确定加热炉的有效使用面积, 还可以及时了解炉子保温层的不均匀或加热丝的布局等存在的问题。温度是工业生产和科学研究实验中的一个非常重要的参数，物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关，许多生产过程都是在一定的温度范围内进行的，需要测量温度的场合极其广泛。目前的温度测量系统一般使用的都是传统仪器，传统仪器的功能都是通过硬件或者固化的软件来实现的。这种框架结构决定了它只能由仪器厂家来定义、制造，而且功能和规格一般都是固定的，用户无法随意改变其结构和功能。虚拟仪器是通过应用程序将通用计算机与功能模块硬件结合在一起的一种全新的测控仪器系统。用户通过显示器友好的图形界面操作计算机，完成对被测量的数据采集、分析、处理、显示、存储等整套测试工作，如同操作一台自行定义与设计的专用传统仪器一样。虚拟仪器与传统仪器比较，它具有所需的硬件较少、购置费用低、可重复利用；仪器的关键在软件、可自行定义、技术更新非常快、开发与维护费用较低、系统开放、方便与外设、网络连接等一系列的优点。因此虚拟仪器技术备受各国关注，近十年来，虚拟仪器在国际上发展非常迅速，在发达国家应用已经十分普及，被广泛应用于测量、监控、电信及教育等各个领域，目前正朝着总线与驱动程序标准化；硬、软件模块化，硬件模块即插即用；软件编程平台图形化、通用化、智能化和网络化方向发展。目前，LabVIEW作为业界领先的工业标准图形化编程工具，用于开发测试、测量与控制系统，将软件和各种不同的测量仪器硬件及计算机集成在一起，建立虚拟仪器系统，无须花费大量时间精力在试验系统设备的搭建上。本课题拟采用LabVIEW设计一个用于加热炉的温度测试仪，以便实现温度数据的分析和控制。12 课题的国内外研究现状虚拟仪器目前在国外发展得非常快，以美国国家仪器公司(NI公司)为代表的一些厂商己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。在美国虚拟仪器及其图形编程语言，已经作为各大学理工科学生的一门必修课。美国斯坦福大学的机械工程系要求三、四年级的学生在做实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制。近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了许多虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些公司提供的开发平台软件组建适合自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。最早和最具影响力的开发软件，是NI公司的LabVIEW和LabWINDOWS/CVI。LabVIEW采用的是图形化编程方案，是非常实用的开发软件；LabWINDOWS/CVI是为熟悉C语言的开发人员设计的、在Windows环境下的标准ANSIC开发软件。除了上述的几种开发软件之外，美国HP公司的H-VEE和HPTIG软件，美国Tektronix公司的Ez-Test和Tek-TNS软件，以及美国 HEM Data公司的Sanp-Master软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发软件。当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括GPIB通用接口总线、传统的RS-232串行总线、PXI总线、VXI总线，以及己经被PC机广泛采用的USB总线和IEEE1394总线。世界各国的公司，特别是美国的NI公司，为使虚拟仪器能够适应各种总线的配置，开发了大量的软件以及适应要求的硬件，可以灵活地组建各种不同复杂程度的虚拟仪器自动测控系统。虚拟仪器的开发厂家，为了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，使虚拟仪器发展成为能够组建极为复杂自动测试系统的仪器系统。在国内已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器,国内专家预测:未来几年内，我国将有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检测。随着微型计算机技术的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统仪器而成为测试仪器的主流。虚拟仪器技术的提出与发展，标志着二十一世纪自动控制与电子测量仪器领域技术发展的一个重要方向。13 课题研究的主要内容本文重点介绍了一个热处理炉加热、保温的实时监控装置，当温度在数据采集过程中，温度计控件能够实时的显示温度数据。用户可以设置温度上限，当温度超出上限时，LED灯会闪亮报警。当采集过程结束后，在波形图表上会显示温度波形，并计算采集温度的最大值、最小值和平均值。1）论述了热处理炉温度仪的LabVIEW设计的课题目的及意义，LabVIEW虚拟仪器的国内外发展概况及本论文的主要内容。2）详细介绍了虚拟仪器技术的概念、特点和体系结构，虚拟仪器开发软件LabVIEW及图形化编程语言的特点及应用现状。3）热处理炉温度仪的LabVIEW虚拟仪器的设计思路及方案，对系统软件开发平台进行选择。4）讲述了如何建立LabVIEW温度仪的前面板、程序框图。5）对所做工作进行了总结，对未来的研究作了展望。2 虚拟仪器概述2.1 虚拟仪器的概念随着计算机技术、微电子技术和网络技术的迅速发展，传统仪器己经不能适应现代测控系统的要求，美国国家仪器公司率先提出虚拟仪器的概念，它彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式，使得用户可以自己定义仪器，灵活地设计仪器系统，以满足多样化的需求。从而使电子测量仪器和自动控制领域发生了一场巨大的变革。虚拟仪器是指具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器，即是在通用计算机上加上一组软件或硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就像在操作一台他自己设计的专用传统电子仪器。其实质是将计算机技术和仪器技术相结合，把传统仪器的三大功能，全部放在计算机上来完成。利用计算机屏幕形象、方便地模拟各种仪器控制面板，以各种形式表达输出检测结果;用计算机软件实现各种各样的信号分析、处理及存储，完成多种多样的测试功能;用键盘或鼠标代替传统仪器的面板按键与旋钮，人手不再触及仪器本身，实现硬件软件化的结果。虚拟仪器充分利用最新的计算机技术来实现和扩展仪器的功能，进而逐步代替传统仪器完成某些功能，如数据的采集、分析、显示和存储等，最终达到取代传统电子仪器的目的。2.2 虚拟仪器的主要特点虚拟仪器是计算机技术介入仪器领域所形成的一种新型的富有生命力的仪器种类。与传统仪器相比，虚拟仪器的主要特点可以概括为以下几个方：1）强调“软件就是仪器”的新概念，取代传统仪器“硬件为主体”的概念。软件在仪器中充当了以往由硬件甚至整机来实现的角色，软件是虚拟仪器的核心，而虚拟仪器中的硬件仅仅是为了解决信号的输入、输出，这是虚拟仪器相对于传统仪器，在概念上的重大突破。虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于软件，用户可根据需要，将先进的处理算法、人工智能或者专家系统应用于仪器的设计与集成，从而将仪器的水平提高到一个新的层次。而且，虚拟仪器充分利用了计算机丰富的图形用户界面资源，建立图形化软面板来代替常规的仪器控制面板，真正做到界面友好、人机交互。2）虚拟仪器的功能可由用户定义，虚拟仪器的功能可在用户机上产生，从而使得仪器不再完全由硬件决定，彻底打破了传统仪器一经设计、制造完成后，其功能不可改变的单一性、封闭性。当需要时，用户可通过软件编程添加新的功能，而不必购买新的仪器，使得一台虚拟仪器可以实现各种仪器的不同功能，大大提高了仪器功能的灵活性。3）易于构建网络化的测量仪器，虚拟仪器基于计算机网络技术和接口技术，具有灵活、方便的互联性，能与网络及其他周边设备互联。随着网络技术的发展，已经形成网络虚拟仪器，它是一种基于Web技术的新型虚拟仪器，使得虚拟仪器成为Internet的一部分，可方便地构建远程自动测控系统，实现测量、控制过程的网络化。4）虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准，而且采用了模块化结构，系统具有良好的开放性和扩展性。系统必需的基本硬件，如数据采集电路等被高度集成，制成数据采集卡，实现硬件模块的即插即用。系统软件的开发是基于模块化的设计思想，并大量运用函数库、动态链接库和类库，代码具有良好的可重复性。虚拟仪器利用软件，选配一个或几个带有共性的基本仪器硬件来组成一个通用硬件平台，通过调用不同的软件来扩展或组成各种功能的仪器或系统，由于虚拟仪器具有标准性、开放性和模块化结构，用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准，提高可重复利用率。系统组建时间缩短，功能易于扩展，软硬件生产、维护和开发的费用降低。2.3 虚拟仪器的体系结构任何测量测试仪器的主要功能都是由三大部分组成：数据采集；数据测试和分析；结果输出显示。而虚拟仪器也是由这三大部分组成，不同的是虚拟仪器的数据分析和结果输出完全山计算机的软件系统来完成。只要提供一定的数据采集硬件，就构成了基于计算机组成的虚拟测量测试仪器。虚拟仪器通常是有计算机、硬件接口电路和软件这三部分构成。2.3.1 虚拟仪器的硬件构成硬件接口电路与计算机仪器构成了虚拟仪器的硬件。计算机是虚拟仪器的核心，主要完成数据的分析处理和结果的显示，硬件接口电路主要完成被测信号的采集、放大、模/数转换，根据构成虚拟仪器的接口总线不同，主要可分为以下几种方案，如图1所示。图1 虚拟仪器的硬件构成框图1）基于数据采集卡的虚拟仪器，它是以信号调理电路、数据采集卡(Data Acquisition，简称DAQ)及PC机为仪器硬件平台，采用PCI或ISA计算机本身的总线，将DAQ直接插入PC机的相应标准的总线扩展插槽即可，因此这种虚拟仪器又称PC-DAQ/PCI插卡式虚拟仪器。2）基于通用接口总线GPIB(General Purpose Interface Bus)接口的虚拟仪器，它是以GPIB接口仪器、GPIB接口卡以及PC机为仪器硬件平台，GPIB仪器具有独立的仪器操作界面，能够脱离计算机使用，也可以通过标准GPIB电缆连接计算机实施程序控制。3）基于串行口仪器的虚拟仪器，它是由Serial标准总线仪器及PC机为仪器硬件平台，符合RS-232或者RS-422标准的PLC和单片机系统。4）基于VXI仪器的虚拟仪器，它是以VXI(VME bus Extension for Instrumentation)标准总线仪器模块以及PC机为仪器硬件平台，由主机箱、控制器和仪器模块构成。其中，控制其安装在零号槽中，称为零槽控制器。VXI控制器包括嵌入式工作站控制器、外置工作站控制器和嵌入式PC控制，可根据测试功能的要求来选用。5）基于PXI仪器的虚拟仪器，它是以PXI(PCI Extension for Instrumentation)标准总线仪器模块及PC机为硬件平台，PXI总线方式是在PCI总线内核技术上增加同步触发总线，参考时钟规范和要求形成。标准的PXI模块化仪器系统有s个插槽，还可以 Compact PCI交互操作，可与GPIB或VXI集成，组成大规模、多用途系统。6）基于现场总线的虚拟仪器，它是以 Field Bus标准总线仪器及PC机为仪器硬件平台。上述的几种方案中，GPIB、VXI、PXI方案主要适合构成大型高精度测试系统;PCI-DAQ/PCI、串行口方案主要适合构成大规模的网络测试系统，如测试任务需要，也可将上述集中方案结合构成混合测试系统。2.3.2 虚拟仪器的软件构成虚拟仪器的核心技术是软件，通过修改程序可实现功能完全不同的各种测量测试仪器，以满足各种不同的需求。软件可以定义为各种仪器，可以说“软件即是仪器”。使原来需要硬件实现的功能软件化，以便最大限度的降低系统成本，增强系统功能及灵活性。由于计算机很容易与网络、外围设备，以及其他应用连接，对于数据采集、系统控制、远程传送都非常方便。我们只要利用数据采集卡或数据采集电路，就可在计算机上构造新的仪器系统，由软件进行编程实现不同的功能。虚拟仪器系统的软件从底层到顶层可分为三个层次，即VISA库、仪器驱动程序、应用程序。2.4 Labview的概述LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境 (Laboratory virtual Instrument Engineering workbench)的简称，是目前应用最广、功能最强、发展最快的图形化软件开发环境。得到工业界和学术界的普遍认可和好评。它可以把复杂、繁琐、费时的文本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、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、开发的科学家和工程技术人员使用。LabVIEW是一种虚拟仪器开发平台软件，能够以其直观简便的编程方式、众多的源代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己在实际工程中所需要的仪器系统创造了基础条件。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文本语一言产生代码行，而LabVIEW采用图形化编程语言G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、工程技术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用，可以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、工程技术人员和测试技术人员来说，编程就像设计电路图一样；因此，硬件工程师、工程技术人员和测试技术人员们学习LabVIEW驾轻就熟，在较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的功能十分强大。像C和C+等其它计算机高级语言一样，LabVIEW也是一种通用编程语言，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、数据显示及数据存储，甚至还有网络功能。LabVIEW也有完善的仿真、调试工具，如设置断点、单步执行等。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流向及其变化情况，比其它语言的开发环境更方便、更有效。G语言编写的程序称为虚拟仪器 VI(Virtual Instrument)，因为它的界面和功能与真实仪器十分相像，在LabVIEW环境下开发的应用程序都以VI为后缀的，以表示虚拟仪器的含义。一个VI由交互式用户接口、数据流框图和图标连接端口组成。同时，G语言很好地实现了模块化编程思想。用户可以将一个应用分解为多个任务，再将任务细分，将一个复杂的应用分解为多个简单的子任务，为每个子任务建立一个VI，然后把这些VI组合在一起成为最终的应用程序。因为每个子VI可以单独执行，所以很容易调试。进一步而一言，许多低级子VI可以完成一些常用功能，因此，用户可以开发特定的子VI库，以适用一般的应用程序。LabVIEW的运行机制从宏观上讲己经不再是传统上的冯诺依曼计算机体系结构的执行方式。传统的计算机语言中的顺序执行结构在LabVIEW中被并行机制所代替：从本质上讲，它是一种图形控制流结构的数据流模式。数据流程序设计规定，一个函数只有当它的所有输入有效时才能执行；而目标的输出，只有当它的功能完成时才是有效的。也就是说，在这种数据流程序的概念中，程序的执行是数据驱动的，它不受操作系统、计算机等因素的影响。这样，LabVIEW中被连接的功能节点之间的数据流就能控制程序的执行次序，而不像文本程序受到行顺序执行的约束。从而，我们可以通过相互连接功能节点快速地开发应用程序，甚至还可以有多个数据通道同步运行。LabVIEW的核心是VI。VI有一个人机对话的用户界面，即前面板(Front Panel)和类似于源代码功能的程序图(Diagram)。前面板接收来自程序图的指令。在VI的前面板中，输入控件 (Controls)模拟了仪器的输入装置并把数据提供给VI的程序图:而显示控件(Indicators)则模拟了仪器的输出装置并显示由程序图获得或产生的数据。当把一个输入控件或显示放置到前面板上时，LabVIEW在程序图中相应地放置了一个端口(Terminals)，这个从属于输入控件或显示控件的端口不能随意删除，只有删除它对应的输入控件或显示控件时它才随之一起被删除。用LabVIEW编制框图程序时，不必受常规程序设计语法的限制。首先，从功能菜单中选择需要的功能节点，将之置于面板上合适的位置；然后用线(Wires)连接各功能节点在程序图中的端口，用来在功能节点之间传输数据。这些节点包括了简单的算术功能，高级数据采集和分析以及用来存储和检索数据的文件输入输出功能和网络功能。用LabVIEW编制出的图形化VI是分层次和模块化的。我们可以将之用于顶层程序，也可用作其它程序或子程序的子程序。显然LabVIEW依附并发展了模块化程序设计的概念。图形化程序设计编程简单、直观、开发效率高。2.5 Labview的应用现状 虚拟仪器( Virtual Instrument) 的概念是美国NI公司(National Instrument)提出来的。所谓虚拟仪器就是基于计算机技术而发展起来的仪器测量技术, 是计算机技术和仪器技术紧密结合的产物。他将计算机作为仪器的硬件平台, 借助计算机强大的数据处理能力, 将仪器的专业功能和操作面板在计算机界面实现。在计算机上形成与仪器基本相同的系统, 更方便实现、修改、测试仪器。LabVIEW(即实验室虚拟仪器工作平台)也是美国NI公司推出的,它集合了简单易用的图形式开发环境与灵活的G语言, 所见即所得的可视化技术为建立人机界面提供了一种简易的编程环境。随着现代控制技术在工业控制领域的发展需要实时现场数据采集,控制,如电厂,钢厂,化工等行业需要的现场,那里的温度数据收集大量生产收集了非常重要的一部分。在极端不利的条件下，温度测量，往往伴随着影响或高速高温气体，其共同特点是高温度的变化，是短暂的，响应时间最多到MS或PS水平,测量流量巨大的力量是困难的。目前，最常用的温度采集系统是一个集成的温度传感器和单片机的形式，这种友好的人机界面程序，调试周期长，变化不大方便，所以一个新的测量效率和自动化水平是较高发展趋势的温度控制系统。LabVIEW是一种虚拟仪器平台，开发的一个代码来替换图标的编程语言文本来创建应用程序开发工具。LabVIEW的强大，提供了数据收集，分析和储存财富的库函数，包括数据采集器，GPIO，Rs232/485各种手段，包括所有的标准通信总线功能特点。设计使用数据采集系统，可以收集各种模拟信号，但与NI公司的数据采集板都比较贵,可以在单片机数据采集系统的实际开发。 基于LabView实现的温度控制系统,一般比应用文本编辑语言节省一半以上的人力物力以及开发时间。由于采用图形语言G语言变成,程序可读性强, 人机互动更加方便,可以作为正式运用的调试。本设计是针对仪器温度的控制系统进行设计的, 在进行整个虚拟仪器的控制系统时, 可做为其中一项子程序, 和其他的仪器控制程序一起组成一个强大的控制系统。2.6 本章小结本章主要介绍了虚拟仪器技术与LabVIEW的相关知识。虚拟仪器技术是一项涉及多种技术领域的综合性技术，而且也是一项仍然在不断发展的新技术。本章分别阐述了它的概念、特点、组成、及应用等内容，并介绍了虚拟仪器软件开发平台及NI公司的提供的图形化编程语言LabVIEW的特点及应用。3 热处理炉温度控制系统的总体设计3.1 系统的总体设计思想1) 程序框图的设计，包括温度数据的采集、温度数据的分析、温度超限报警和温度采集过程的图形显示；2) 图形显示界面的设计，即在程序框图的主要设计基础上，在前面板上添加相应的数值输入控件、数值显示控件、布尔控件和波形图显示控件等；3) 前面板界面布局及显示部件的属性设置，包括对前面板进行的整体布局规划设计，以及对部分控件进行的相关外观属性设置；4) 前面板的设计：前面板的“选项卡控件”中共包括2个选项卡，分别为“Process Timing”和“Process Status”,前者的设计需要使用3个数值输入簇控件，即输入阶段“Input Stage”、计算阶段“Computation Stage”和输出阶段“Output State”,并需创建3个布尔显示控件标示温度模拟各工作阶段的动态变化情况，还包括2个用于总体循环参数设置的数值输入控件，以及温度模拟工作阶段时序图的显示；对于后者来说，可创建1个XY图空间以实时显示热处理炉温度数值及其变化波形，以及加热炉的工作状态；5) 子VI的设计和创建：热处理炉加热装置实时监控程序使用了4个子VI，这4个子VI各司其职，是实现热处理炉温度模拟和实时监控功能的重要组成部分，用于为总体程序框图的编写做好准备工作；6) 程序框图的设计和创建：整个程序运行的总框架为一个定时循环结构，在结构的每个“帧”中可实现每个阶段功能的编程。3.2 系统的总体设计要求创建数字温度子VI，并通过调用数字温度计子VI进行温度数据的采集；用波形图标显示出温度的变化趋势，并计算出温度的最大值、最小值和平均值。当温度低于设置的温度的时候，利用热电阻加热炉加热；温度高于上限时，打开保温，以此来保温。用热加热炉加热装置实时监控来对加热炉进行控制，来保持温度位于正常的工作范围。该系统以调节热处理加热炉加热和保温装置来检测、控制温度的变化，以此保持温度位于正常的工作范围。3.2.1 温度采集模块功能温度采集即输入阶段，此功能块位于定时循环结构的首帧，包括三个主要部分：1)检查上一阶段（输出阶段）和上一循环的程序执行是否完成；2)获得、记录并显示当前热处理炉的温度；3)配置下一阶段（计算阶段）的开始时间和结束时间参数。详细来说，此功能块所要实现的功能包括：把本阶段的“预期开始时间”、“结束时间”和前一循环过程的“实际结束时间”输入Update Timing Diagram 子VI以绘制Loop Iteration Timing Diagram 图形，并检查定时循环结构前一循环过程的输出阶段执行程序是否超时；同时根据“世纪开始时间”获得热处理炉的当前温度，显示实时温度变化情况；最后设定本次循环过程中即将执行的计算阶段的时间（期限）和起始时间参数。由于本阶段时定时循环结构每次循环的第一个阶段，所以需检查前一循环过程中的循环结束是否需要延迟完成。此外，还需完成输入阶段前面板处理过程定时界面及处理过程状态界面的相应数据更新功能。3.2.2 温度分析计算模块功能分析计算阶段功能块位于定时循环结构的第二帧，包括3个主要部分：1）检查上一阶段（输入阶段）的程序执行是否完成；2）根据当前温度显示进行计算，来实施应该对热处理炉进行何种操作，即加热、保温或者空闲无操作；3）配置下一阶段（输出阶段）的开始时间和结束时间参数。分析计算阶段功能块主要实现的功能块是：根据输入阶段获取的热处理炉实时温度，利用Fan Computataion 子VI确定加热炉加热、保温、或者空闲无操作；同时，把本阶段的“预期开始时间”、“结束时间”和上一阶段的“实际结束时间”输入Update Timing Diagram 子VI以更新Loop Iteration Timing Diagram 图形，并检查定时循环结构中的前一帧（即输入阶段）是否需要延迟完成；最后为下一阶段（即输出阶段）设定所对应的结束时间和起始时间。3.2.3 温度处理模块功能温度处理阶段即输出阶段，该功能块位于定时循环结构的第三帧，同样包括3个主要部分：1）检查上一阶段（计算阶段）的程序执行是否完成；2）根据上一阶段的计算，确定对热处理炉进行何种操作，即加热、保温或者空闲无操作；3）配置下一阶段（下一循环中的输入阶段）的开始时间和结束时间参数，更新下一整体循环的周期值。温度处理阶段（输出阶段）功能块在前两个阶段的分析处理过程的基础上，完成一些模拟过程的执行和显示功能。在前面板上，输出阶段的定时参数设置同样通过修改簇中数值输入控件的值来实现。输出阶段在每一个定时循环过程中所实现的功能具体如下：根据计算阶段中Fan Computation 子VI的处理结果确定热处理炉的操作；同时，把本阶段的“预期开始时间”、“结束时间”和上一阶段的“实际结束时间”输入Update Timing Diagram 子VI以更新Loop Interation Timing Diagram图形,并检查前一帧（即计算阶段）的执行过程是否需要延迟完成；最后设置定时循环结构的下一次循环的总时间（Total Period），一级下一次循环过程的输入阶段对应的结束时间。3.2.4 定时参数时序图更新子VI将定时参数时序图更新子VI命名为Update Timing Diagram.vi,所实现的功能同样通过对枚举空间“Operation”各选择项对应的条件结构分支进行编程实现，包括“Initialize”、“Input Stage”、“Computation Stage”和“Output Stage”4个功能块。其中，在“Initialize”分之中创建一个XY图引用句柄，以调用XY图控件对象绘制“Loop Iteration Timing Diagram”图形，同是对不同阶段的时序图数组进行初始化；在“Input Stage”分支中创建活动游标0，标示输入阶段的结束时刻，并显示出输入阶段的时序图；在“Computation Stage”结构分支中创建活动游标1，标示计算阶段的结束时刻Deadline,并显示出计算阶段的时序图；在“Output Stage”分支中创建活动游标2，标示输出阶段的结束时刻，并显示出输出阶段的时序图。3.2.5 热温度炉温升模拟子VI热温度炉温升模拟子VI实现模拟热温度炉温升控制处理过程的功能。首先将该子VI命名为PAC-IO with Fan Status.vi,其所实现的功能通过对枚举空间“Operation”各选择项对应的条件结构分支进行编程实现，包括“Initialize”，“Acquire Temp.”，“Fan ON”“Fan OFF”,“Get Fan Status”和“Idle”6个功能模块。其中“Initialize”分之中创建1个常量数值，用于产生出使温度，同时使用“获取日期/时间（秒)”函数获取当前时间；在“Acquire Temp.”分之中创建温度变化生成器；在“Fan ON”“Fan OFF”的结构分支中，根据热温度炉的加热、保温状态产生不同的温度变化量。并输出温度数据，用于模拟热温度炉加热或者保温造成温度变化的过程；在“Idle”分之中没有任何温度变化的程序，也不进行任何热温度炉加热和保温的操作，因此，通过该功能块的处理逻辑之后，温度输出数据不变，只进行一定时间的延时操作；在“Get Fan Status”分之中，与“Idle”分支相同，只进行数据流的传递。热温度炉温升模拟子VI是整个程序的关键部分。其产生温度变化、温度数据采集、加热炉加热、保温等一系列操作所需要的逻辑判断和操作将在后面的设计步骤中介绍，其端子图如图2所示图2 热温度炉温升模拟（PAC-I/O with Fan Status）子VI的端子图3.2.6 热处理炉温度记录子VI热处理炉温度记录子VI的主要功能是根据输入的时间（New Time）和热处理炉温度（New Temp.）绘制XY图，以表示随着时间的变化热处理炉温度的变化波形和趋势。将该子VI命名为Temp.Logger.vi。热处理炉温度记录子VI的创建过程将在后面的设计过程中进行详细介绍。3.2.7 温区加热、保温判断子VI将热处理炉运行状态计算子VI命名为Fan Computation .vi。顾名思义，其主要的作用就是根据输入当前热处理炉温度（Current Temp.）判断加热炉将要执行的操作，以采取合理的运行状态。热处理炉保温当前的运行状态通过PAC-I/O with Fan Status子VI获得。4 系统的设计步骤4.1系统前面板的设计前面板主要是有一个“选项卡控件”及其内部的输入显示控件组成，其中“选项卡控件”位于“控件新式容器”子选板上。根据需要调整期为适当大小，并在控件快捷菜单中取消勾选“先是向标签”，然后将“选项卡控件”的选项卡分别命名为“Process Timing”和“Process Status”，作为热处理炉温度控制的时间设定界面和结果显示界面。4.1.1 热温度炉温度分析模块前面板的设计（1）创建新VI，命名为Temperature Analysisi.vi。其操作路径为“文件新建VI”。（2）切换到前面板设计窗口下，打开“控件新式布尔”子选板，选择一个“翘板开关”并将其放置在前面板中，用来开始/停止数据采集。（3）打开“控件新式数组、矩阵与簇”子选板，放置2个空间“簇”到前面板中，修改“簇”的属性，将其中一个簇的标签改为“温度分析”，将另一个改为“温控制”。（4）适当调整簇容器的大小，暗战顺序，依次在“温度分析”中放置3个数值显示控件，并按顺序依次修改其标签名为“最大值”、“最小值”和“均值”；在“温度控制”簇容器中，一次放置“转盘”空间、“垂直滑动开关”控件和“数值输入”控件，修改各控件的属性，完成簇的创建。（5）在前面板上放置一个“温度计”空间，用来实时显示数字温度计的温度值；放置一个“圆形指示灯”控件，其标签名为“报警”；设置一个“字符串显示”控件，其标签名为“当前温度状态”。当“当前温度状态”显示为“正常”时，“报警”指示灯关闭；当显示为“超限”时，则“报警”指示灯闪亮报警。（6）在前面板上，执行“控件新式图形波形图表”，放置3个波形图表控件，分别命名为“上限区温度”、“下限区温度”和“温度差”。4.1.2 添加整体循环设定参数（Overall Loop Settings）在“Process Timing”选项卡中，添加一个“加粗下凹盒”空间，并为其添加标签“Overall Loop Setting”。在“加粗下凹盒”空间内放置2个数值输入空间，分别命名为“Initial Offset(ms)”“Total Period(ms)”，用于设置定时循环结构的初始偏移参数和单循环周期时间；还需要设置1个布尔显示控件，命名为“Finished Late”。4.1.3 添加输入阶段簇控件（Input Stage）在“Process Timing”选项卡中添加“簇”控件，将其标签修改为“Input Stage”。对于输入阶段来说，起始时间从0ms开始，因此，在该簇内添加文字标签“Stage Time=0ms”加以说明；接着添加数值输入控件“Deadline(ms)”和“Execution Time(ms)”,用于设定输入阶段的结束时间和执行时间，最后添加延迟显示布尔控件“Finished Late?”。4.1.4 添加计算阶段（Computation Stage）和输出阶段（Output Stage）这两者的创建方法与添加输入阶段簇控件的方法基本上相同。在这两个“簇”空间中分别添加相应的数值输入控件，即“Start Time(ms)”“Deadline(ms)”“Execution Time(ms)”和“Finished Late?”。4.1.5 添加执行不同阶段的进程显示逻辑控件（Progress）添加数组空间，在其中添加1个布尔显示控件“方形指示灯”，并将数组件命名为“Progress”。此数组包含3个元素，分别表示定时循环结构中当前所处的不同执行阶段。4.1.6 添加循环定时显示波形图（Loop Iteration Timing Diagram）在前面板的“Process Timing”选项卡中添加“XY图”空间，再图上标出需要显示输入阶段和输出阶段的执行过程时序图和各个阶段结束时间标识线。将“XY图”控件的标签修改为“Loop Iteration Timing Diagram”，并对其属性进行设置。4.2系统子VI的设计和创建4.2.1 上温区模拟温升子VI首先进行前面板的设计，其中，在前面板上需要创建的输入控件包括1个错误输入3D控件、一个枚举控件和一个数值输入控件。需要创建的输出控件包括一个错误输出3D控件、一个数值显示控件和一个圆形指示灯布尔控件。PAC-I/O with fan status子VI用于完成热处理炉温度控制模拟的整个过程。该子VI主要包括initialize，acquire temp，fan on，fan off，get fan status和idle六个处理逻辑功能块。因此，把这部分功能当做一个独立的子VI来创建。1） 程序框图总体功能的分析程序框图主要由3个嵌套的结构组成。最外层的结构为条件结构，在“无错误”分之中嵌套while循环结构，用于完成内层嵌套的处理。最内层的机构为“PAC Operation”条件结构，其分支包括热处理炉温度控制模拟的各个不同功能。2） 初始化分支如图3所示，在该分支的处理程序中，初始热处理炉温度为500，“Fan On”的状态为FALSE,参数通过while循环结构的位移寄存器进行数据传递。图3上温区定时参数时序图更新程序3) 获取温度分支此分之主要实现两个功能:一是模拟执行时间延迟过程；二是根据加热炉工作状态判断当前温度是否超出设定范围，并产生不同的温度数据。在热处理炉加热状态下，按照温度范围（10001100）来产生温度变化随即数据，以进行温度数据的处理；在热温度炉保温状态下，按照温度范围（12501300）来产生随即温度数据，如图4所示。图4上温区获取温度程序框图4）热温度炉加热和保温分支这两个分支的处理程序逻辑和获取温度分支的处理程序逻辑大概相同，只是此处将热温度炉工作状态强制设置为FALSE或者TRUE。如下图5和图6所示。图5热温度炉加热状态程序框图图6热温度炉保温状态程序框图5）热温度炉闲置无操作分支在次分支的程序处理过程中，通过实践计数器设定时间的延迟过程，而不执行其他操作，其程序程序框图如图7所示。图7热温度炉先闲置操作程序框图6）获取热温度炉状态分支此分支的主要功能是通过while循环结构的位移寄存器获取当前热处理炉的工作状态，其程序框图如图8所示。图8获取热温度炉状态程序框图最后，在外层条件结构“错误状态”分支中，为“FAN ON？”和“温度”分别添加布尔常量“FALSE”和数值常量“NaN”，完善数据传输隧道的数据流传输完整性，其程序框图如图9所示。图9热温度炉错误状态程序框图4.2.2 温度记录子VI（TEMP.LOGGER）该子VI用于记录温度变化过程的数据。该子VI主要包括initialize和temp.logger两个处理逻辑功能块。1）程序框图总体功能的分析首先应设计前面板。如图10所示。该子VI程序框图主要由3个嵌套的结构组成。最外层的结构为条件结构，并在无错误分支中嵌套while循环结构，用于完成内层嵌套的处理过程的执行。最内层的结构为Operation条件结构，其分支功能包括温度记录及初始化过程的实现。程序的主体为内层条件结构。图10上温度温度记录前面板2）初始化分支如图11所示，可以看出，在分支“Initialize”中，设定温度记录数值为空的簇2元素，簇中元素的数值通过While循环结构的唯一寄存器传递。图11上温区温度记录子VI初始化程序框图3）上温区获取温度分支此分支主要实现的功能是将输入的新产生的温度数值和时间数值进行数组操作和捆绑，作为获取到的温度与时间关系结果。这里使用到了“创建数组”和“捆绑”函数。如图12所示。图12上温区获取温度分支程序框图最后，在外层结构的“错误”分支中，为其添加数值常量“NaN”作为元素构成的簇2元素数据，完善数据传输隧道的数据流传输完整性，其程序框图如图13所示。图13上温区温度记录子VI的错误分支程序框图4.2.3 上温区定时参数时序图更新子VI（UPDATE TIMING DIAGRAM）首先，在前面板创建输入控件，即一个控件引用句柄、一个错误输入3D控件、一个枚举控件和四个数值输入控件；创建输出控件错误输出3D。然后进行VI服务器类的选择，选择XY图，设置XY图的引用句柄为包含数据类型。该子VI主要包括intialize，input stage，computation stage和output stage四个处理逻辑功能块。如图14所示。图14上温区参数时序图更新前面板（1） 程序框图总体功能发的分析程序框图主要有3个嵌套的结构组成。最外层的结构为条件结构，并在“无错误”分之中嵌套While循环结构，用于完成内层嵌套的处理过程的执行。最内层的结构为“Operation”条件结构，其分支包括热温度炉温度模拟的3个不同阶段时序的程序初始化和功能实现。程序的主题为内层条件结构。（2） 如图15所示，在该分支的处理程序中，产生了1个包括14个元素的一对数组，作为时序图原始波形数组，并通过While循环结构的移位寄存器进行数据传递；将“XY图”空间对象进行操作使用。图15上温区定时参数时序图更新程序框图（3）输入阶段分支在分支“Input Stage”中，使用“替换数组”函数对“时序图波形显示数组”的部分元素进行替换，根据史记开始时间“Actual Startf”的实际输入，更新输入阶段时序图的图形显示；根据结束时间“Deadline”和“Actual Startf”的“+”运算结果调整游标0的位置，即输入阶段结束时间的游标位置。如图16所示为“输入阶段”的程序框图，图17所示为最内层条件结构各分支的程序框图。图16上温区定时参数时序图更新“输入阶段”程序框图图17最内层条件结构各分支的程序框图（4） 计算阶段分支如图18所示，在分支“Computation Stage”中，同样使用“替换数组”函数对“时序图波形显示数组”的部分元素进行替换，根据实际开始时间“Actual Startf”和实际结束时间“Actual Endf-1”的实际输入，更新计算阶段时序图的图形显示；根据结束时间“Deadline”和“Actual Startf”的“+”运算结果调整游标1的位置，即计算阶段结束时间的游标位置。图18计算阶段程序框图（5）输出阶段分支如图19所示，在输出分支中，同样使用“替换数组”函数对“时序图波形显示数组”的部分元素进行替换，根据世纪开始时间“Actual Startf”、实际完成时间“Actual Endf-1”和总周期“Total Period”的实际输入，更新输出阶段时序图的图形显示；根据结束时间“Deadline”和“Actual Startf”的“+”运算结果调整游标2的位置，即输出阶段结束时间的游标位置。图19输出阶段的程序框图 4.2.4 上温区保温子VI（FAN COMPUTATION）首先进行前面板的设计，先创建输入控件，包括两个数值输入控件和一个输出控件数值显示控件。该子VI的功能，即对输入的current temp值进行判断以确定将对热温度炉进行开启还是关闭操作。如图20所示。图20上温区保温子VI程序框图 4.3系统总体程序框图的设计从对热温度处理炉实时监控系统的功能分析来看，程序框架为“定时循环”结构，在该定时循环结构中共包含3个“帧”，在每个帧中，添加相应的程序可以实现不同阶段的逻辑和计算功能。输入阶段处理帧、计算阶段处理帧和输出阶段处理帧中都存在输入节点和输出节点，输入节点和输出节点的具体属性设置应该根据每个帧的具体需要加以选择。在“定时循环”结构的开始和结束可设置输入节点和输出节点。输入节点的输入和输出节点的输出可以根据实际需要进行添加和选择。4.3.1“定时循环”结构的输入和初始化定时循环结构的输入和初始化过程可通过一系列子VI及其参数输入来完成。如图21所示为“定时循环”结构的输入和初始化部分。图21“定时循环”结构的输入和初始化部分 4.3.2输入阶段的处理过程（温度采集）首先对此阶段的输入阶段的输出项进行配制，然后为“Progress”空间创建一个布尔数组常量TRUE,FALSE,FALSE，表征实时监控系统正处于输入阶段。如图22所示。图22输入阶段（温度采集）的程序框图4.3.3温度分析计算阶段计算阶段的处理过程同样应与其在前面板对应的数据簇联系在一起。在程序编写过程中，通过计算阶段的逻辑处理，可以实现以下功能；判断热温度炉应该处于加热还是保温状态；检查定时循环结构中的输入阶段是否延迟完成，同时为下一阶段设定对应的结束时间和起始时间。编写完成后的程序框图如图23所示。图23温度分析计算阶段程序图4.3.4温度处理阶段（输出阶段）输出阶段的处理过程所要实现的功能为：根据计算阶段处理过程产生的“热温度炉加热和保温”执行命令；检查前一阶段是否延迟完成，同是为定时循环结构的下一次循环过程中的输入阶段设定对应的结束时间。如图24所示为“输出阶段”的程序框图。图24温度处理阶段程序 结 论在虚拟仪器技术的基础上，针对传统温度控制系统存在的问题，本设计利用Labview软件建立了虚拟温度测量与控制系统，该系统将传感器测量到的数据通过数据采集卡采集到计算机，再利用Labview进行编程实现温度数据的分析和控制。 本设计综合运用了数据采集、分析、子VI创建与调用等技