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1、毕业设计论文基于LabVIEW的热电偶温度巡检仪的设计与实现摘 要温度是表征设备状态的重要物理量，也是传热学中进行分析计算的重要参数，温度测试是教学实验与工业生产中经常遇到的问题。传统的温度测试仪器往往需要大量的手工操作与计算，且存在体积较大、功能单一、不可扩展等缺点。本设计针对传统仪器的上述缺陷，采用美国NI公司开发的图形化编程语言LabVIEW设计开发了一种基于虚拟仪器的热电偶温度巡检仪。热电偶温度信号经调理电路进行相应的处理后，通过数据采集卡PCI-6221送入计算机。本设计完成了基于LabVIEW的热电偶温度巡检仪的前面板及相应程序框图的设计，可以巡回检测4路K型热电偶温度信号。由前面
2、板可以设置温度测量范围、温度报警上下限、冷端温度等参数，并可以实时显示温度数值及曲线，当温度超限时给出报警提示。整个测量过程自动进行，不需要人工参与，不仅简化了操作步骤，提高了测量精度，而且系统功能可根据具体需要随时更改或扩展，与传统仪器相比具有更广阔的应用前景。 关键词：热电偶；巡检仪；虚拟仪器；LabVIEW；数据采集卡Design and Implementation of Thermocouple TemperatureCycling Measure Instrument Based on LabVIEWAbstractTemperature is an important physi
3、cal measure that used to characterize equipment state, but also an important parameter of analysis in the heat transfer, temperature testing is a problem that often encountered in teaching experiment and industrial production. Because the traditional temperature testing instrument often requires lot
4、s of manual operation and calculation, and there exists some shortcomings, such as the relatively large size, a single function, un-expansion. According to the shortcomings of the traditional instrument above, the design works out and develops a kind of thermocouple temperature cycling measure instr
5、ument based on virtual instruments using the figurelize programable language LabVIEW that developed by NI corporation in USA. The signal of thermocouple temperature is set to the computer through the data acquisition adapter PCI-6221 after some corresponding process through the signal opsonin circui
6、t. The design completes the PC-based design and corresponding program frame of the thermocouple temperature cycling measure instrument based LABVIEW，which can cyclely measure the K type thermocouple temperature signal on 4 roads .through the PC-based can set the parameters of measured temperature ra
7、nge、the up to bottom limit of alarming temperature、the cold tip temperature etc and show the temperature value and line real-timely，which can give the alarming cue when the temperature is out of the limited range.The whole measure process can proceed automatically without the manpower participation，
8、which simplifies the operation of steps ,improve the measurement accuracy , and system functions can change or expansion according to specific needs at any time, it has more broad applied prospects compared with the traditional instument. Key words: thermocouple, cycling measure instrument, virtual
9、instruments, LabVIEW, data acquisiton adapter 目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1 研究背景11.2 研究概况及发展趋势11.3 本论文研究的主要内容3第二章 热电偶概述52.1 热电偶测温原理62.2 热电偶的分类92.3 热电偶的冷端温度补偿及线性化92.3.1 热电偶的冷端温度补偿92.3.2 热电偶的线性化处理方法10第三章 热电偶温度巡检仪方案选择与设计133.1 热电偶温度巡检仪133.1.1 基于单片机的温度巡检仪133.1.2 基于虚拟仪器的温度巡检仪143.2 虚拟仪器的基本概念153.3 虚拟仪器的类型163
10、.3.1 GPIB总线方式的虚拟仪器163.3.2 VXl总线方式的虚拟仪器163.3.3 PXI总线方式的虚拟仪器173.3.4 DAQ（Data AcQuisition）虚拟仪器173.4 虚拟仪器的构成193.5 虚拟仪器的发展方向203.6 虚拟仪器的应用213.7 虚拟仪器的软件开发平台22第四章 基于LabVIEW的热电偶温度巡检仪的设计244.1 系统硬件电路设计244.1.1 多路选择开关CD4052254.1.2 集成温度传感器AD590274.1.3 数据采集卡PCI-6221274.1.4 信号调理的功能284.2 数据采集系统设计304.2.1 数据采集原理304.2.
11、2 多通道采样方式304.2.3 数据采集系统的配置334.2.4 数据采集系统的实现354.2.5 常用DAQmx节点介绍354.3 系统软件设计与开发384.3.1 上位机监控系统设计394.3.2 程序子VI设计40参 考 文 献47致 谢49 第一章 引 言1.1 研究背景科学上的重大发现，往往是由于新的观测手段的发现而获得的。从今天进入信息时代来看，仪器仪表是实现信息的获取、转化、存取、处理和揭示物质活动规律的必要工具，也是新技术革命的一项重要内容。在现代化建设中，由于仪器仪表对产品质量所能起到的重要监测作用，导致了人们对其在技术上有着高层次的要求，因而仪器仪表工业是促进国民经济各部
12、门技术进步，提高劳动生产率和社会经济效益，开发与节约能源和材料的先导工业。同时，在仪器仪表专业中，计量学是必不可少的技术基础，而在计量测试科学领域中，温度的计量与测试又是一个很重要的方面。温度是一个基本的物理量，它与其他许多物理参数都有着密切的关系，因而在工农业生产、科学研究领域和日常生活当中，都离不开温度的准确测量和精密控制。国内外仪器仪表工业中最常用的一种测温元件(或称温度传感器)就是热电偶。任何测量与控制都离不开仪器仪表，传统的测量仪器模式为:独立的机箱；有面板操作按键和旋钮；有信号的输入与输出端口；有测量结果的显示方式指针、表头或数码管窗口等。传统仪器以专一、固化的形式存在，测量功能及
13、应用范围只能由生产厂家定义、制造。一旦定型，多年技术老套，功能更新缓慢。80年代后期，国外提出了一种全新的仪器仪表概念虚拟仪器。虚拟仪器概念的提出为测量与控制领域技术的发展带来了空间，为仪器仪表的更新换代带来了机遇，同时，使进入信息时代的人们在测量观念上产生了更多的新思想和新概念。1.2 研究概况及发展趋势温度是表征物体冷热程度的物理量，是各种工艺生产过程和科学实验中非常普遍、非常重要的热工参数之一。许多产品的质量、产量、能量和过程控制等都直接与温度参数有关，因此实现准确的温度测量具有十分重要的意义。热电偶是目前工业生产过程中应用最广泛的温度测量仪器之一，其工作原理是将温度信号转换成电势信号，
14、配以测量电势信号的仪表，便可以实现温度的测量或温度信号的变换，具有性能稳定、结构简单、使用方便、经济耐用、体积小和易于维护等优点。从19世纪发展至今已有一百多年历史，现己被广泛应用于石油、化工、水利、航空、航天、核电等行业领域。热电偶温度计是指用热电偶作为感温元件，配上适当的电测仪表和其他构件的整个系统。由于其测温准确，结构简单，使用方便，故在工业和科学研究的温度测量和控制中得到了广泛应用。迄今为止，人类研究和使用过的热电偶有300多种，其中的8种己经大批量投入生产和使用，成为国际标准化产品。工业热电偶的测温范围，从270到2500，几乎覆盖了整个工程领域的测温范围，测温精度可达0.1。目前约
15、有50%的工程温度测控工作是用热电偶来完成的，特别是在钢铁、有色金属、火力发电站、航空发动机、原子能反应堆、石油精炼、化工、机械热处理等高温领域中，热电偶是最主要的测温手段。在一些实验室中，铂锗系列热电偶在3001600的温区内被用作温度标准器和精密温度计。由此可见，热电偶在现代温度测量科学和控制工业中占有十分重要的地位。随着现代科技的发展和各种尖端技术对测温的要求，为了研制出能在极端条件下和特殊环境介质中使用的新型热电偶材料，改进和提高现有热电偶的精度和可靠性，国内外投入不少人力物力进行研究和开发，重点有两方面：其一，把热电偶作为一种测温仪器，大力改进热电偶的结构，检定方法，安装技术和性能试
16、验，最大限度地发挥热电温度计的潜力和优点；另一方面，把热电偶作为一种特殊材料，研究其热电性与化学组成、杂质元素、物理缺陷和表面状态的关系，以提高测温精度，扩大测温范围，延长使用寿命。虚拟仪器是电子测量技术与计算机技术相结合的产物，具有很好发展前景的新一类电子仪器。比起传统的电子仪器，虚拟仪器更为通用，在组建和改变仪器的功能和技术性能方面更为灵活、更为经济、更能适应迅猛发展的当代科学技术对测量技术和测量仪器不断提出的更新并扩展其功能与性能的要求。“没有测量就没有鉴别，科学技术就不能前进” 。随着现代软件和硬件技术的飞速发展，虚拟仪器必将成为未来各级实验室、研究机构以及工业应用发展的方向。虚拟仪器
17、作为新兴的仪器仪表，其优势在于用户可自行定义仪器的功能和结构等，且构建容易、转换灵活，它已经广泛应用于电子测量、振动分析、声学分析、故障诊断、航天航空、机械工程、建筑工程、铁路交通、生物医疗、教学及科研等诸多方而。随着各种新技术的发展，测控仪器将会向高效、高速、高精度和高可靠性以及自动化、智能化和网络化的方向发展，并且越来越大众化和小型化。开放式数据采集标准将使虚拟仪器走上标准化、通用化、系列化和模块化的道路。1.3 本论文研究的主要内容本论文利用现代计算机控制技术和数据采集技术，以及丰富的软、硬件资源，以目前国内外现代工业中大批量生产和使用的温度传感器标准热电偶和基于LabVIEW的虚拟仪器
18、为研究对象，完成热电偶温度巡检仪的设计与实现。系统选用先进的集成数据采集卡和功能强大的LabVIEW虚拟仪器技术，构建了一种新型的热电偶温度巡检仪。系统界面友好，操作灵活方便，而且可移植性和重用性强，实为计算机技术和现代测控技术相结合的最新产物。系统的硬件方面，数据采集卡选用美国NI公司出品的数据采集卡PCI-6221，多路选择开关选用CD4052，冷端温度补偿选用AD公司出品的集成温度传感器AD590。系统的主控部分是配有键盘、鼠标和打印机的微机系统。系统的软件方面，选用美国NI公司出台的LabVIEW8.20语言来编写，结合微机系统配备的Microsoft Office等软件，现场安装调试
19、，实时显示打印输出。基于虚拟仪器的开放性和图形化模块式编程特点，系统功能可根据具体需要随时更改或扩展，使用方便、快捷，系统可移植性和重用性强。由于作者的专业技术经验和理论水平有限，论文中可能存在的一些错误和不足之处，恳请有关专家批评指正。第二章 热电偶概述热电偶传感器结构简单、测量范围广、精度高、惯性小，在温度测量中应用极为广泛。热电偶材料一般有铂铑铂铑和铂铑铂，镍铬镍硅等。这种热电偶的结构主要由接线盒、保护套管、绝缘管和热电极等组成2。热电偶作为测温元件，其结构简单、制造容易、使用方便、测温精度较高，可就地测量和远传。在工作时，只要与显示仪表配合即可测量气体、液体、固体的温度。热电偶可以用来
20、测量-2001600范围内的温度，有些热电偶甚至可测2000以上温度，所以热电偶是使用最广泛的测温元件之一。3热电偶传感器是利用“热电效应”制成的，利用两种不同导体组成闭合回路。当闭合回路的两接点也就是热电偶的工作端和自由端分别处于不同的温度场中时，回路中将会产生电动势，产生的电动势只与工作端和自由端的温度差有关。若我们把自由端的温度固定不变，则热电偶产生的热电动势只随工作端温度的变化而变化。这样一定的热电动势就对应着一定的温度，测量热电动势，也就可以达到测温的目的，应用起来十分方便1。热电偶之所以在工业中应用如此广泛，这和它自身的特点是分不开的。如果热电偶回路中的两个热电偶材料相同，无论两接
21、点温度如何，热电动势均为零。根据这个特性，可以检验两个热电极材料成分是否相同，分布是否均匀。在热电偶中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电势不变。利用这种特性，可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器。由于热电偶产生的热电动势与两端温度有关，只需将冷端的温度恒定，热电动势与热端温度构成单值函数。在实际应用中，热电偶的冷端通常靠近被测对象，且受到周围环境温度的影响，其温度不是恒定不变的，因此必须采取一些相应的措施进行补偿，常用的方法有冷端恒温法或补偿导线法：所谓冷端恒温法是将热电偶的冷端置于温度为0的恒温器内或是置于各种恒温器内，使之保持温度恒定；补偿导线
22、法是将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所，相当于将热电极延长，根据热电偶回路中接入第三种导体，只要导体两端接点温度相同，回路中总的热电动势保持不变，这样只要热电偶和补偿导线的两个接点温度一致，就不会影响热电动势的输出。热电偶是一种重要的接触式温度传感器，从结构上看热电偶是十分简单的，但其理论却比较复杂，它是一种能获得高测量准确度的仪器，但也是一种容易出现误差的仪器。其测量误差不仅取决于自身的物理性能，还与使用方法正确与否密切相关，在实际使用时，必须遵循多项技术规范，否则将会引起较大的测量误差，甚至使其远远超出允许的误差范围，而且还可能降低热电偶的使用寿命。2.1 热电偶测温原理热电偶是热电偶温度
23、计的敏感元件，它测温的基本原理是热电效应，又称塞贝克效应。如图2.1所示，把两种不同的导体(或半导体)A和B连接成闭合回路， 图2.1 热电偶结构图当两接点1与2的温度不同时，如T To，则回路中就会产生热电势EAB(T，T0)。导体A和B叫做热电极。两热电极A和B的组合称作热电偶。在两个接点中，接点1是将两电极焊在一起，测温时将它放入被测对象中感受被测温度，故称之为测量端、热端或工作端；接点2处于环境之中，要求温度恒定，故称之为参考端、冷端或自由端。热电偶就是通过测量热电势来实现测温的。该热电势是由两部分组成：接触电势与温差电势。 接触电势接触电势是基于帕尔帖效应产生的，即两种不同导体接触时
24、，自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散，直至达到动态平衡时形成的热电势。电子扩散的速率与自由电子的密度和所处的温度成正比。设导体A和B的电子密度分别为NA和NB，并且NANB，则在单位时间内，由导体A扩散到导体B的电子数比从B扩散到A的电子数多，导体A因推动电子而带正电，导体B因获得电子而带负电，因此，在A和B之间形成了电势差。这个电势在A, B接触处形成一个静电场，阻碍扩散作用的继续进行。在某一温度下，电子扩散能力与静电场的阻力达到动态平衡，此时在接点处形成接触电势，如式2.1所示 ； (2.1)式中，e为单位电荷，e=1.160* 10-19 C；K为玻耳兹曼常数，K=1.38*10-
25、23J/K；EAB (T)和EAB(T0)分别为导体A和B的两个接点在温度T和To时的电位差。NAT和NAT0为导体A在温度分别为T和T0时的电子密度，NBT和NBT0为导体B在温度分别为T和T0时的电子密度。 从式2.1可以看出，接触电势的大小与该接点温度的高低以及导体A和B的电子密度比值有关，温度越高，接触电势越大，两种导体电子密度的比值越大，接触电势也越大。 单一导体中的温差电势温差电势是基于汤姆逊效应产生的，即同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。设导体A(或B)两端温度分别为T和T0，且TT0，此时形成温度梯度，使高温端的电子能量大于低温端的电子能量，因此从高温端扩散到低温端
26、的电子数比从低温端扩散到高温端的要多，结果使高温端因失去电子而带正电荷，低温端因获得电子而带负电荷。因而，在同一导体两端便产生电位差，并阻止电子从高温端向低温端扩散，最后使电子扩散达到动态平衡，此时所形成的电位差称作温差电势。A，B导体分别都有温差电势产生，可由式2.2表示 ； (2.2) 式中NAT和NBT分别为导体A，B在某温度T时的电子密度；EA(T，T0)和EB(T， T0)分别为A和B两端在T和T0 (T T0)时的温差电势。 热电偶闭合回路的总电势如图3.2所示的热电偶闭合回路中将产生两个温差电势EA(T，T0)和EB(T，T0)及两个接触电势EAB(T)和EAB(T0)。设TTo
27、、 NA NB，由于温差电势比接触电势小，所以在总电势中，以导体AB在热端的接触电势EAB(T)所占百分比大，决定了总电势的方向，这时总电势EAB(T，T0)可写成： (2.3) 经整理后推导可得： (2.4)图2.2热电偶闭合回路的电势分布示意图 由式2.4可知，热电偶总电势与电子密度及两接触点温度有关。电子密度不仅取决于热电偶材料特性，而且随温度的变化而变化，它们并非常数。所以，当热电偶材料一定时，热电偶的总电势EAB(T，T0)成为温度T和T0的函数差，即 (2. 5) 如果能使冷端温度T0固定，即 (常数)，则对确定的热电偶材料，其总电势EAB(T， T0)就只与热端温度呈单值函数关系
28、，即 (2.6) 这种特性称为热电偶的热电特性，可通过实验方法求得。由此可见，当保持热电偶冷端温度T0不变时，只要用仪表测得热电势EAB(T，T0)，就可求得被测温度。2.2 热电偶的分类 常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准热电偶在使用范围或数量级上均不及标准热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量，这里我们主要介绍标准热电偶。目前国际上规定了以下8种标准热电偶：S型、R型、B型、K型、N型、T型、E型和J型。我国从1988年1月1
29、日起，热电偶全部按IEC国际标准生产，并指定S, B,E, K, R, J, T七种标准热电偶为我国统一设计型热电偶。2.3 热电偶的冷端温度补偿及线性化2.3.1 热电偶的冷端温度补偿冷端温度T0影响热电偶的热电势，为使输出电势是被测温度T的单一函数，必须使冷端温度固定。在热电偶检定和分度表制作时，总是规定T0=0，但实际测温时很难保证，因此必须对热电偶冷端进行处理，以消除T0变化对输出电势的影响，才能保证测量精度。该过程称为热电偶的冷端补偿。常用的补偿方法有： 0恒温法在标准大气压下将纯净的水和冰混合置于保温容器，强制性使T0保持0。虽然近年来已出现一种能使温度恒定在0的半导体制冷器件，但
30、此方法通常只适用于实验室，不便于现场环境使用。计算修正法由中间温度定律，,将冷端温度T00时的测量值与查表得到的E（T0，0）相加即可得到E（T，0），再反查分度表，可得到被测温度T。此法较精确但繁琐，尤其在现场冷端温度随时变化时，测量效率难以保证实时要求。在构成数字测温仪表时必须增加无冷端效应的测温元件或在A/D转换通道增加对T0的预处理，造成硬件投资增大，测量速度下降。 电桥补偿法该法利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶T0变化对输出电势的影响，是现场常用的冷端补偿方法。其优点是使用方便，硬件投资小，测量效率高；缺点在于热电偶的冷端效应是非线性的，而不平衡电桥输出是线性的，因而多数情况下是
31、欠补偿或过补偿，难以实现完全补偿。集成温度传感器补偿利用各种高性能的半导体温度传感器实现测温和补偿，如电流输出型器件AD590，电压输出型器件LM135，LM235，LM335系列。其特点是输出电流或输出电压与绝对温度成严格的线性关系，冷端补偿是通过在其输出端增加简单的电阻回路实现；缺点依然是选择用于补偿E（T0，0）的电阻值时，只能在某一温度（如20）时可实现完全补偿，温度变化时则引入误差。2.3.2 热电偶的线性化处理方法 热电偶作为测温元件，其输出信号与温度之间存在着一定程度的非线性关系，在进行信号传送及数据处理时，往往希望其特性为线性的，因而有必要对其非线性特性进行线性化处理。据现在温
32、度检测及控制系统使用情况来看，主要可采用模拟线性化和数字线性化两种方法。 模拟线性化 对来自热电偶的输出信号采用模拟线性化处理，实现起来简单且成本低廉，基本误差可控制在2%以下，能满足一般工业检测及控制的要求。设某热电偶的热电势与其温度之间的变化曲线如图2.3中的实线所示。由于工业常用的几种热电偶的输出特性曲线存在共同特点，即除了曲线起始部分非线性较严重以外，其它部分线性较好。因此，可考虑将曲线的线性部分延长，如图2.3中虚线所示，用此虚线代替原曲线的起始部分，这样用一条斜线代替原来的曲线，斜线与纵轴的交点称折点电位。从而实现了将原特性曲线的线性化处理，这种方式在信号处理称“平滑近似法”。图2
33、.3热电偶的热电势与温度关系数字线性化如果热电偶输出的模拟信号已经过数字化处理，那么此时的线性化方式就要采用数字线性化，此方法主要的技术包括存贮器(ROM)和一些计算方法，多用在采用计算机技术的检测及控制系统中。在系统设计时，尽可能地用软件代替硬件，以减少误差及干扰来源，提高精度及可靠程度。基于这些优点，在高精度、高稳定的温度测量及控制场合，一般采用数字线性化进行数据处理。根据目前工业生产中常用的几种热电偶特性曲线变化均较平滑的特点，可采用线性插值法进行处理，并且可达到比较好的效果。.具体实现方法是在系统软件设计时设置一个具有“非线性特性处理”功能的模块，此模块设计步骤如下。首先，根据热电偶输
34、出的mV信号分度表，作出一条比较精确的输入输出曲线。其次，对特性曲线分段，选取插值点。分段方法采取非等间距分段法。热电偶的特性曲线特点是起始部分斜率变化较大，而中部曲线平缓，接近线性，因此取插值点时在起始部分间距取小一点，中部间距取大点。这样取法不仅精度可以得到保证，而且可节省所占用的内存空间，加快计算速度。然后，根据确定的插值点，计算热电偶输出电势与温度的函数关系。第三章 热电偶温度巡检仪方案选择与设计3.1 热电偶温度巡检仪3.1.1 基于单片机的温度巡检仪Intel公司的MCS-51系列以其体积小、通用性强，性价比高，易于扩展等特点，在实验装置的开发，各种智能仪表及控制系统和家用电器领域
35、得到了日益广泛的运用。可开发基于单片机的对温度进行巡检的多功能智能仪表，用MCS-51单片机汇编语言进行软件设计，根据系统功能，把程序分成了几个相对独立的模块，先分别调试各个模块，然后再链接进行总的仿真调试。根据目前单片机仪表的一般特点，温度巡检仪的原理结构框图如图3.1所示。图3.1温度巡检仪的原理结构框图从图3.1可知温度巡检仪主要包括构成测量系统核心的微处理器单片机、检测温度的敏感元件热电偶、信号的采集电路恒流源电路、信号的切换及偏置放大电路、A/D转换电路、显示输出电路、通信电路、存储电路以及电源电路。信号的切换是为多路要求而设置的，程控偏置的原因是考虑温度测量的范围较宽，如果不加该级
36、电路会造成整个测量系统分辨力不高而降低测量精度。43.1.2 基于虚拟仪器的温度巡检仪 虚拟仪器彻底改变了传统仪器由生产厂家定义功能的模式，而是在少量附加硬件的基础上，由用户定义仪器功能。因为它的运行主要依赖软件，所以修改或增加功能、改善性能都非常灵活，也便于利用PC的软硬件资源和直接使用PC的外设和网络功能。虚拟仪器不但造价低，而且通过修改软件可增加它的适应性，进而延长它的生命周期，是一种具有很好发展前景的仪器。与传统仪器相比，虚拟仪器具有高效、开放、易用灵活、功能强大、性价比高、可操作性好等明显优点,具体表现为： 智能化程度高，处理能力强 虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水
37、平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。 应用性强，系统费用低 应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，如同一个高速数字采样器，可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。这样形成的测试仪器系统功能更灵活、更高效、更开放、系统费用更低。通过与计算机网络连接，还可实现虚拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。 操作性强，易用灵活 虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界而。使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理
38、解，测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发送。测量完后还可打印、显示所需的报表或曲线。这此都使得仪器的可操作性大大提高而且易用、灵活。3.2 虚拟仪器的基本概念由于电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器领域中的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，电子测量仪器的功能和作用已发生质的变化，其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地结合成一个有机整体，导致仪器的结构、概念和设计观点等也发生突破性的变化。在上述的背景下，出现了新的仪器概念虚拟仪器。虚拟仪器系统概念是对传统概念的重大突破，是计算机系统与仪器系统技术相结合的产
39、物。它利用计算机系统的强大功能，结合相应的硬件，大大突破传统仪器在数据处理、显示、传送、存储等方面的限制。与传统的仪器相比，它具有灵活性，方便性等优点。 虚拟仪器是现代仪器技术和计算机技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的实质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
40、计算机仪器系统。操作者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样。因此，虚拟仪器的出现，模糊了测量仪器与计算机之间的界限。 虚拟仪器的“虚拟”两字主要包括以下两方面的含义： (1)虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是完全相同的；由各种开关、按钮、显示器等图标实现仪器电源的“通”或“断” ；被测信号的“输入通道” 、“放大倍数” 等参数的设置，及测量结果的“数值显示” 、“波形显示”等。 传统仪器面板上的器件都是“实物” ，是由“手动”和“触摸”进行操作的；虚拟仪器前面板是外形与实物相像的“图标” ，每个图标的“通” 、“断” 、“放大”等动作通
41、过用户操作计算机鼠标或键盘来完成。因此，设计虚拟仪器前面板就是在前面板设计窗口中摆放所需的图标，然后对图标的属性进行设置。 (2)虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的。虚拟仪器是在以PC机为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器的功能的。因为可以通过不同测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能，所以，在硬件平台确定后，就有“软件就是仪器”的说法，这也体现了测试技术与计算机深层次的结合。3.3 虚拟仪器的类型3.3.1 GPIB总线方式的虚拟仪器 GPIB （General Purpose Interface Bus）是计算机和仪器之间的标准通信协议，GPIB的硬件规
42、格和软件协议己经纳入国际工业标准IEEE 488.1和IEEE 488.2中。GPIB是最早的仪器总线。 典型的GPIB测试系统包括一台计算机、一块GPIB接口控制器卡和若干台GPIB仪器。每台GPIB仪器有单独的地址，由计算机控制操作。通过改动计算机的控制软件可以增加、减少或更换系统中的仪器。在价格上，GPIB仪器覆盖了从比较便宜的到异常昂贵的仪器，但由于GPIB的数据传输率般低于500kB/s，不适合对于系统速度要求较高的应用，现在己经逐步退出了市场。3.3.2 VXl总线方式的虚拟仪器 1987年公布的VXI （VMEbus extension for Instrumention）是VM
43、E总线在仪器领域的扩展，它不仅继承了GPIB、VME总线的优点，集测量、计算、通信于一体，还具有高速、模块化的优点。 与GPIB仪器系统相比，VXI模块没有前操作面板，因此，应用VXI总线组建测试系统必须编制虚拟的“软前面板”以完成对仪器系统的操作控制，当今流行的可视化编程语言如Visual Basie，Visual C，Delphi等均可以在VXI平台上构造一个完全图形化的用户操作面板，实现测试控制、数据分析、结果显示等功能，从而设计出各种操作方便的基于图形用户界面(GUI)的集成测试系统。经过10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
44、要求高的场合。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。目前，这种类型也有逐渐退出市场的趋势。3.3.3 PXI总线方式的虚拟仪器 PXI ( PCI extension for Instrumention)是PCI在仪器领域的发展，是NI公司于1997年发布的一种新的开放性、模块化的仪器总线规范。PXI总线方式是在PCI总线内核技术上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参考时钟，用于精确定时的星形触发总线，以使用于相邻模块的高速通讯的局部总线。PXI具有高度可扩展性，可扩展到256个扩展槽。把台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展
45、优势结合起来，将形成未来主流的虚拟仪器平台之一。3.3.4 DAQ（Data AcQuisition）虚拟仪器DAQ指的是基于计算机标准总线（如ISA、 PCI、 PC/104等）的内置功能插卡，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可以方便快捷地组建虚拟仪器，实现“一机多型”和“一机多用” 。在性能上，随着A/D转换技术、仪器放大技术、抗混叠滤波技术与信号调理技术的发展，DAQ 的采样速率己达1 Gb/s，精度高达24位，通道数高达64个，并能任意结合数字I/O，模拟I/O，计数器/定时器等通道。DAQ虚拟仪器既具有高档仪器的测量品质，又能满足测量需求的
46、多样性。对大多数用户来说，这种方案不但实用，而且具有很高的性能价格比，是一种特别适合于我国国情的虚拟仪器方案。下面以基于PCI总线和USB总线的多功能虚拟仪器的实现为例，介绍DAQ型虚拟仪器的结构。基于PCI总线的多功能虚拟仪器本类型虚拟仪器由一块基于PCI的高速数据采集卡和相应的软件组成，将它们安装在一台运行的PC机上，可构成一个功能强大的数字虚拟仪器。工作原理：由主机启动程序，发出按时间步进的频率控制字送入信号源电路，产生频率随时间在1MHz70MHz范围内变化的恒幅正弦波模拟信号。信号通过PCI高速数据采集卡采样的数字信号，经PCI总线送入计算机内，通过LabVIEW软件模块对信号进行分
47、析、处理，从而实现虚拟仪器的功能。另外，通过改变应用程序，即界面程序设计可实现同功能的虚拟仪器，如虚拟数字示波器，虚拟频谱分析仪等。这种类型的虚拟仪器具有一定的缺点：由于基于PCI总线的虚拟仪器在插入时都需要打开机箱，操作不方便；并且测试信号直接进入计算机，各种现场的被测信号对计算机安全造成很大的威胁；同时，计算机内部的强电磁干扰对被测信号也会造成很大的影向。基于USB总线的嵌入式虚拟仪器的设计基于USB总线的嵌入式虚拟仪器具有使用方便、数据传输速快、连接灵活的特点。可以采用星型的拓扑结构构建分布式测试系统。该类系统主要由PC机、USB集线器和嵌入式虚拟仪器组成。系统的体系结构设计按智能模块的设计思路进行，智能模块的作用是完成特定应用的测试功能。利用USB总线的优势可以实现测试方案的灵活配置和测试功能的自由扩展，即当需要添加新测试功能时，只需开发支持USB接口的相应测试功能的嵌入式虚拟仪器模块即可。其中，嵌入式虚拟仪器从功能模块
