基于虚拟仪器的电阻炉温度控制系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)

基于虚拟仪器的电阻炉温度控制系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

为现代测试系统发展的主流。 虚拟仪器没有常规仪器的控制面板，而是利用计算机强大的图形环境，在计算机屏幕上建立图形化的虚拟面板来代替常规的仪器控制面板。 软面板上具有与实际仪器相似的旋钮、开关、指示灯及其它控制部件。 用户通过鼠标或键盘操作虚拟面板，检验仪器的通信和操作。 在系统集成后，对被测对象进行数据采集、分析、存储、显示，组建自己所需要的仪器。 用户不必要编写测试文本程序，即可进行测试、测量，实 现了测试和自动化、智能化，体现了“软件就是仪器”。 如今，随着电测技术以及网络技术的发展，仪器技术必将沿着虚拟仪器方向发展。 内蒙古科技大学毕业设计说明 书（毕业论文） 5 虚拟仪器的特点 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。 在虚拟仪器中计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧密的结合，形成了一个有机整体，使得仪器的结构概念和设计观点等都发生了突破性的变化。 从构成和功能上来说，虚拟仪器就是利用现有的计算机，配上相应的硬件和专业软件，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的 仪器 ； 从形式上来说，虚拟仪器面板 (即软面板 )，可以有效地提高仪器的使用效率。 虚拟仪器特点可以归结为以下四个方面 ： (l)丰富和增强了传统仪器的功能。 虚拟仪器将信号分析，显示，存储，打印和其他管理集中交由计算机来处理，充分利用了计算机的强大的数据处理，传输和发布能力，使得组建系统变得更加灵活、简单。 (2)突出“软件就是仪器’的概念。 传统仪器的某些硬件在虚拟仪器中被软件代替，由于减 少了许多随时间可能漂移、需要定期校准的分立式模拟硬件，加上标准 总线的使用，使仪器的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高。 (3)仪器由 用户自己定义。 虚拟仪器通过提供给用户组建自己仪器的可重用源代码库，可以很方便地修改仪器功能和面板，设计仪器的通信、定时和触发功能，实现与外设，网络及其他应用的连接，给用户一个充分发挥自己能力和想象力的空间。 (4)开放的工业标准。 虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准，因此用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准，使资源的可重复利用率提高，功能易于扩展，管理规范，生产，维护和开发费用降低。 (5)便于构成复杂的测试系统，经济性好。 虚拟仪器既可以作为测试仪器独立使用，又可以通过告诉计算机网络构成复杂的 分布式测试系统，进行远程测试、监控与故障诊断。 此外，用基于软件体系结构的虚拟仪器代替基于硬件体系结构的传统仪器，还 可以大大节约仪器的购买和维护费用。 虚拟仪器的组成 虚拟仪器 (VI)一般由通用计算机 (PC 机 )、数据采集卡及软件系统组成。 它充分利用PC 机丰富的软硬件资源快速建立数据采集应用系统，通过数据采集卡从外界采集各种信号，对信号进行实时存储、实时显示及离线分析。 这是一个由通用仪器硬件平台 (由计算机和数据采集卡组成，简称硬件平台 )和应用软件组成的复杂系统。 (l)通用仪器硬件平台。 虚拟仪器的硬件平台 由 一台通用计算机和 I/O 接口设备构成。 其中， I/O 接口设内蒙古科技大学毕业设计说明 书（毕业论文） 6 备完成被测信号的采集、放大、模 /数转换等。 可以根据实际的情况采用不同的 I/O 接口硬件设备，如数据采集卡 (DAQ)、 GPIB 总线仪器、 VXI 总线仪器、 PXI 总线仪器、串口仪器等。 虚拟仪器的构成方式主要有五类。 ① PC 一 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，故将数采卡 (DAQ)插入计算机的空槽中即可。 ② GPIB 系统 了： 以 GPIB 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。 ③ VXI 系统 :以 VXI 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。 ④ PXI 系统 :以 PXI 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。 ⑤串口系统 :以 Serial标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。 无论上述那种 Vl 系统，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相结合。 其中， PCDAQ 系统是构成Vl 的最基本的方式，也是最廉价的方式。 (2)虚拟仪器的软件开发平台。 虚拟仪器的核心是软件，软件开发平台的水平在很大程度上代表了虚拟仪器的水平。 虚拟仪器软件由两大部 分构成 ： 应用程序和 1/0 接口仪器驱动程序。 随着计算机技术和软件技术的飞速发展，各种专用仪器开发系统的功能也越来越强大和完善。 以美国 Nl 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驱动程序模块，大大地简化了虚拟仪器设计工作。 随着软件技术的迅速发展，软件开发的模块化、复用化，对各种硬件仪器的驱动软件模块化、标准化，将使 虚拟仪器软件开发变得更加方 便。 虚拟仪器的开发平台 — LabVIEW LabVIEW 是一种图形化的编程语言，它是由美国 NI 公司推出的虚拟仪器开发平台，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境。 它把复杂的语言编程简化成用图形编程的方式，为编程的调试提供了简单方便的环境，同时集成了大量的生成图形界面的模块，丰富的数值分析与处理功能。 LabVIEW 是一个带有扩展功能库和子程序库的通用程序设计系统。 其开发环境下提供的应用程序有 180 多种，除了具备其它语言所提供的常规函数功能和上述的生成图形界面的大 量模板外，内部还包 括许多特殊的功能库函数和开发工具库以及多种 设备驱动功能。 LabVIEW 作为一种强大的虚拟仪器开发平台，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。 它集成了 GPIB， VXI，内蒙古科技大学毕业设计说明 书（毕业论文） 7 PXI， RS232和 RS485协议以及数据采集卡通讯的全部功能，还内置了便于应用 TCP/IP，ActiveX 等软件标准的库函数。 LabVIEW 的程序包括前面板 (FrontPanel)、流程图(BlockDiagram)以及图标 /连接器三部分。 LabVIEW 简化了虚拟仪器系统的开发过程，缩短了系统的开发和调试周期，它让用户从烦琐的计算机代码 编写中解放出来，把大部分精力投入系统设计和分析当中，而不再拘泥于程序细节。 LabVIEW 是一个面向最终用户的工具，它可以增强用户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，其主要特点可归纳为如下几点 ： (l)简单的方案。 即使没有多少编程经验，仍可以方便的使用 LabVIEW，因为它使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，提供大量的仪器面板中的控制对象。 此外， LabVIEW 按其易用的方式将复杂的任务包装起来， 从而 使 复杂任务得到简化。 先进的 ActiveX 技术融合了简单的拖动编程方法，仪器控制和数据采集在开发向导的引导下变得十分简单，使用户十分容易地开发自己的仪器，并将其立即投入使用。 (2)灵活的仪器将 LabVIEW 与一般的数据采集及仪器加以组合，可以设计出灵活的虚拟仪器，并可以随时将仪器系统移植到最适用的平台上使用。 (3)方便的程序调试具有一些专用程序开发箱，可以在源代码中设置断点，单步执行源代码，高亮显示，连线上设置探针，动态执行程序，观察程序运行过程中数据流的变化。 (4)完整的开发环境 LabVIEW 软件包中包 含了功能强大的数据采集、分析和表达的能力，使用户可以在该平台上实现一个完整的解决方案。 另外，它还有一个多线程和用于最大限度提高系统性能的优化图形编辑器。 这样，不仅简化了开发过程，而且可生成按编译速度执行的可复用代码。 此外， LabVIEW 还可以生成在没有 LabviEw 编程环境的目标机器上运行可执行的代码。 (5)快速开发的 LabVIEW 为用户提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。 通过仪器驱动程序可以与大多数仪器进行通讯。 用户不必学习各种仪器的低级编程协议，从而简化了仪器的控制，缩短了开发时间，提高了生产效 率。 (6)开放的平台提供的 DLL 接口和 CIN 接口节点，使用户能在它的平台上使用其它应用软件编译的模块，能调用 C 语言程序、 Matlab 程序及已存在的 DLL 库函数，是一个开放的平台。 LabVIEW 的程序构成 LabVIEW 的程序由前面板 (frontpanel)和流程图 (bloekdiagram)两部分组成，整个程序内蒙古科技大学毕业设计说明 书（毕业论文） 8 是基于多线程的设计，前面板和流程图各占用一个线程。 前面板是 LabVIEW 程序的图形用户接口，此接口集成了用户输入，并显示程序的输出，相当于传统仪器的面板。 前面板包括旋钮、按钮、图形和其它的控 制 (controls)与显示对象 (indieators)。 流程图包括虚拟仪器程序的图形化源代码。 在流程图中对 VI 进行编程，以控制和操作定义在前面板上的输入和输出功能。 流程图包括内置于 LabVIEW VI 库中的函数 (functions)和结构(stoctures)，还包括与前面板上的控制对象、显示对象对应的连线端子 (terminals)。 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器与传统仪器相比，最直观的区别就是与用户进行交互的面板。 传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件，容易导致许多识别与 操作错误。 虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。 这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化与面板布置的简洁化，从而提高操作的准确性和便捷性。 同时，虚拟仪器面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受“标准件”和“加工工艺”的限制，他们是由编程来实现的，设计者可以根据用户的认知要求和操作要求，设计仪器面板。 表 虚拟仪器与传统仪器比较 虚拟仪器 传统仪器 开发和维护费用低 开发和维护开销大 技术更新时间短（ 12 年） 技术更新周期长（ 510 年） 软件是关键，系 统性能升级方便，通过网络下载升级程序即可 硬件是关键，升级成本高 价格低廉，仪器资源可重复利用率高 价格 较昂贵，仪器资源重复利用率低 用户可自定义仪器功能，并且可以根据实际情况更改 只有厂商能定义仪器功能，一旦定义好以后就难以更改 可通过网络连接其他仪器，实现资源共享或协同工作 功能一般比较单一，只能连接有限的独立设备 开放性好、比较灵活，可与计算机技术保持步发展 开放性差，利用新技术为自己服务的速率低 内蒙古科技大学毕业设计说明 书（毕业论文） 9 从表可以看出与传统仪器相比，虚拟仪器具有绝对的优势。 决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具有的特点的 根本原因在于“虚拟仪器的关键是软件”。 虚拟仪器在性价比、灵活性以及用户使用方便方面，具有传统仪器不可比拟的优势。 以一台高性能仪器为例，用户可以装配一台装有基于硬件和软件部分的个人计算机系统，为专门的应用软件设计虚拟仪器。 硬件部分可以是插入式主板、外围仪器，或者两者的结合。 在任何一种情况下，软件界面可按照用户的需求进行设计，以使用户操作方便和快捷。 用户可以通过虚拟仪器来简化一台复杂的独立仪器的操作，虚拟仪器也可以只作为集中控制仪器的一个部分，只实现其中的一部分功能，其使用是相当灵活的。 如今， 许多插卡式的数据采 集主板同时还设置了技术先进的直接存储器存取 时以及兼容于多种主板的触发功能，增强了主板之间的同步性和信号结 合性。 这些技术上的进步，再加上操作系统功能和计算机体系结构方面的发展，己经使得个人电脑具有并行处理的能力，从而可以成为更加先进的仪器和数据采集应用程序的平台。 然而，技术的进步是以复杂性的提高为代价的，比起使用具有类似功能的一台独立仪器，用户必须具备更多有关硬件方面的知识。 虚拟仪器软件对于将这些技术尖端的硬件组成变成实际可用的仪器系统是必不可缺的。 虚拟仪器的应用 虚拟仪器技术的优势在于可由用户自己定 义仪器系统功能，且定义的功能也比较灵活，也很容易构建，所以应用面极为广泛。 尤其在科研、开发、测量、检测、计量、测控等领域更是不可多得的好工具。 虚拟仪器技术先进，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、信号校正器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可以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 ； 它集成方便不但可以和高速数据采集设备构成自动测量系统，而且可以和控制设备构成自动控制系统。 虚拟仪器技术作为计算机技术与仪器技术相结合的创新技术，应用前景十分广泛。 从总体上而言，虚拟仪器是测量测试领域的一个创新概念，改变了人们对仪器的传统观念，适应了现代测试技术的网络化、智能化发展趋势。 虚拟仪器技术应用方式多种多样，下面主要针对虚拟仪器技术在工业自动化，仪器制造和实验室方面的应用前景和效益进行分析。 内蒙古科技大学毕业设计说明 书（毕业论文） 10 工业自动化。 我国工业基础比较落后，工业自动化程度远不能满足市场经济快速发展的要求。 制约工业。