基于Labview的温度测试系统

基于Labview的温度测控系统设计

——温度测控仪

摘要现在人们主要使用传统仪器进行温度测量，传统仪器主要靠硬件来实现，开发费用高，数据也无法编辑。对于复杂的温度测试任务，利用传统仪器就难以实现对大量数据的处理与显示。而利用虚拟仪器，用户不仅可以实现较为复杂的温度测控任务，而且还可以根据自己的实际需要对系统中的参数进行定义，实现各种各样的测试要求。虚拟仪器不仅功能强大，而且使用时操作简单，设备维护改进的费用也很低。

本次设计主要是利用NI PCI-6251数据采集卡、温度传感器来实现对温度数据的采集，通过USB口与计算机连接并使用Labview软件对数据进行分析处理，使该系统具备温度越界报警、实时数据显示、数据存储及历史数据查询等功能。

论文主要介绍了温度测控系统软件部分的设计方案，包括数据采集、数据分析、数据存储显示与报警和温度调节五个模块，并且说明了各个模块的具体设计思路。

关键词：数据采集卡，虚拟仪器，Labview

ABSTRACT

Now people use traditional instruments for temperature measurement, the traditional instrument mainly uses the hardware, the development costs high, the data cannot be edited. For the temperature test task complicated by the traditional instruments, it is difficult to realize and display of large amounts of data. And the use of virtual instrument, users can not only realize the temperature measurement and control task is more complex, but also can according to their actual needs to

Virtual instrument is not only powerful, and the operation is simple, equipment maintenance improvement costs are very low.

This design is mainly based on NI PCI-6251 data acquisition card, the temperature sensor to realize the collection of temperature data, through the USB port is connected with the computer and analyzed using Labview software for data processing, so that the system has temperature cross-border alarm, real-time data display, data storage and historical data query.

The paper mainly introduces the design scheme of temperature measurement and control system software, including data collection, data analysis, data storage, display and alarm and temperature control of five modules, and describes the specific design of each module

Key Words：The data acquisition card, Virtual instrument,Labview

1.绪论 (5)

1.1 引言 (5)

1.2 测控技术的国内外发展现状 (5)

1.3 测量仪器的发展趋势 (6)

1.4 本设计相关理论 (8)

1.4.1 主要内容 (8)

1.4.2 本设计能够实现的功能 (9)

2.虚拟仪器 (10)

2.1 虚拟仪器的相关介绍 (10)

2.1.1 虚拟仪器的产生 (10)

2.1.2 虚拟仪器的发展 (10)

2.1.3 虚拟仪器与传统仪器的对比 (11)

2.1.4 虚拟仪器的结构 (12)

2.2 LABVIEW软件的相关介绍 (13)

2.2.1 Labview的特点 (13)

2.2.2 Labview的应用 (13)

2.2.3 Labview程序的设计方法 (14)

2.3 Labview 的基本概念 (16)

2.3.1 VI与子VI (16)

2.3.2前面板 (16)

2.3.3 程序框图 (17)

2.3.4 数据流驱动 (18)

2.4 Labview程序设计的步骤 (18)

2.5 VI的调试方法 (19)

3.测试系统的相关理论及硬件设备 (21)

3.1 数据采集理论 (21)

3.1.1 数据采集理论概述 (21)

3.1.2 信号源 (21)

3.1.3信号调理 (21)

3.1.4 输入信号类型 (21)

3.1.5 数据采集设备 (21)

3.2 选择数据采集卡 (23)

3.2.1数据采集卡的性能指标 (23)

3.2.2数据采集卡的主要功能 (23)

3.2.3 PCI-6251采集卡 (23)

3.3 MAX（Measurement &Automation eXplorer)简介 (23)

3.4 测控系统的硬件框图 (24)

4.温度测控系统的设计方案 (25)

4.1在MAX中创建的温度采集任务及参数设置 (25)

4.1.1温度采集任务创建步骤 (25)

4.1.2各通道的参数设置 (25)

4.2程序框图 (26)

4.2.1数据采集模块 (26)

4.2.2数据分析与显示模块 (27)

4.2.3数据存储显示与报警模块 (28)

4.2.4温度调节模块 (28)

4.3前面板 (29)

4.3.1采集点温度的波形显示 (29)

4.3.2实际温度曲线 (30)

4.3.3控制按钮与报警显示前面板 (31)

4.3.4数据显示前面板 (31)

4.3.5前面板的整体图形 (32)

4.4历史数据查询 (32)

5. 总结与展望 (34)

5.1总结 (34)

5.2展望 (35)

答谢 (36)

参考文献 (37)

1.绪论

1.1 引言

温度是人们日常生活及工农业生产中的一个十分重要的参数，几乎所有的生产活动都离不开温度，并且也只有在一定的温度范围之内才能进行，所以温度测量很重要。而现在人们主要使用传统仪器进行温度测量，传统仪器主要是靠硬件进行实现的，而且开发费用高，数据也无法编辑。对于复杂的温度测试任务，利用传统仪器就难以实现对大量数据的处理与显示。因此虚拟温度测控系统的开发就显得比较重要。

温度测控技术在现代社会中广泛应用于工农业生产中的各行业。在以前人们需要花费许多人力对现场的大量数据进行采集、分析和控制，尽管如此也无法做到对这么多数据做到实时处理。随着计算机相关技术的不断进步和高精度、高性能的数据采集仪器的应用，人们实现了数据采集的智能化，由此我们就可以利用计算机对温度数据进行采集和分析，同时测量的精度和测量的速度也得到大大的提高。

1.2 测控技术的国内外发展现状

以前人们通过操作仪器控制盘对测控系统中各个设备的状态实行监控，这些仪器的体积往往都是很大的。由于当时的网络协议不是公开的，这就导致了以计算机为主体的计算机系统在进行测控任务时就使该测控系统变成了一个封闭系统，所以这样的测试系统只可以完成一些简单的、单一的测试任务，在通用方面也收到了很大的限制。随着社会的发展，在科技的很多领域都对测控系统提出了很大的要求，特别是在数据处理量和处理速度方面以及各个测控对象摆放地点的日以分散。为了能够满足这种要求，测试系统就变得越来越大，给人们带来了越来越多的不变。因此开发人员们就提出了现

场化以及远程化的开发要求。

测试技术在网络化方面的发展也得到了很大进步。主要可以分成以下4个阶段：

（1）雏形阶段

20世纪70年代，随着GPIB总线技术的迅速发展，计算机系统和测试系统开始了首次结合，人们开始摆脱了对仪器设备的手工操作渐渐地向利用计算机总线技术对多数设备进行测控的时代的转变。

（2）初步发展阶段

20世纪80年代，随着标准化仪器总线VXU的面世，很多硬件设备和软件资源都被纳入了网络之中，包括VXI设备、各种外设以及许多大型的数据库资源。这些资源在这个阶段实现了在网络中的共享。

（3）快速发展阶段

20世纪80年代后期，随着远程传感器与兼容数字的出现以及现场总线的开发研究和成功应用，一个测控系统中许多智能仪表就可以通过总线组成一个整体，并对整个系统进行测量控制。

（4）成熟阶段

在现在的社会中，由于各领域对测控系统的要求越来越高，现在的测控系统对某些要求无法得到满足，许多用户迫切要求各种网络化的测控系统。

1.3 测量仪器的发展趋势

计算机技术、电子通信技术高速发展的同时也促进了虚拟仪器的产展。随着十八世纪八十年代中期静电扭秤的产生和十九世纪三十年代静电电表的提出，有关电子仪器仪表及其电子元器件的各种技术水平以及各种测量测

电子仪器

模拟仪器虚拟仪器

数字仪器

智能仪器

五十年代

20世纪

七十年代

19世纪九十年代

图1-1 测量技术的发展

模拟仪器是比较简单的测量仪器，是其发展的初始阶段，产生于十九世纪初期，典型的代表有电流电压表等，利用这些仪表可以完成某些简单的测量任务。到二十世纪中期，由于电子管的出现以及各种测量控制原理与电子设备、电子技术结合，就这样以示波器为典型代表的测量仪表出现了。二十世纪五十年代中期以后，数字电子技术在测量仪表中得到了应用，出现了数字仪器。二十世纪七十年代初由于微处理器的问世，计算机与测量仪器技术都得到了快速发展，并且成功的将微处理器应用到了测量系统中，产生了智能仪器。智能仪器在微机技术的参与下，在测量精度等方面都得到了显著提高，并且使测量仪器具备了存储以及逻辑判断的能力，可以自动的对数据进行处理，节省了大量的人力劳动。由于科学技术的进一步发展，测量仪器的智能化也不断地进行加强。

智能仪器虽然使人类的测量任务进入了一个新阶段，但是这个时期仍然无法摆脱对仪器手动操作的传统模式，对于一些更复杂一点的测量任务，智能仪表就无法完成。为了能够解决这些功能上的限制，人们开始研究利用总线，把总线技术引用到智能仪器中，这样总线式的测量仪器就产生了。在总线接口方面，出现了GPIB、CAMAC等多种接口总线，这些总线可以实现将许多测量仪器构成一个测试系统，利用这个系统可完成更复杂的测试任务。卡式仪器作为虚拟仪器的雏形是由美国西北仪器公司在二十世纪八十年代提出的，它是将传统测量仪器的电路与接口组合成一张测量卡，然后把此卡插

入计算机的插槽中与计算机系统一起构成的仪器。

由于将传统测量仪器的电路与接口组合成的测量卡的尺寸以及插槽没有统一的标准，各个公司设计的卡与其他公司的仪器设备往往都不兼容，这就迫切要求一种进行统一的标准。为了解决这个问题，美国的几家公司在1987年一起提出了一种总线，即VXI总线。随后，NI公司在1997年又提出了一种新型总线标准，即PXI总线。这款总线标准使PC的各种优越性与PCI 在测试仪器方面的应用结合在了一起，希望给虚拟仪器创建一个主流的测试平台。PXI仪器具有很多优点，它不但价格便宜，性能优越，而且具有虚拟面板，易构成便携式测控系统。虚拟仪器的产生使得人们可以根据自己的意愿设计具有不同功能的虚拟测试系统，同时这样的设计还能大大的缩减测试系统的开发时间，降低开发费用，而且还能根据不断更新的软件资源对系统功能进行及时的改进。

1.4 本设计相关理论

本次设计是对烘箱多点温度进行控制，利用NI PCI-6221数据采集卡多个通道采集温度数据，然后由PCI总线送入电脑，再利用labview软件进行数据的存储与处理]8[。

1.4.1 主要内容

（1）温度测控系统的重要意义

（2）论述测控系统发展现状

（2）对LabVIEW的基本概念、基本组成和基本功能进行简单的介绍

（3）论述测控系统的理论知识及硬件设备

（4）温度测控仪的总体设计方案

1.4.2 本设计能够实现的功能

（1）测量烘箱多处的温度

（2）温度的实时显示

（3）数据实时保存以及历史数据的查询

（4）温度报警

2.虚拟仪器

2.1 虚拟仪器的相关介绍

2.1.1 虚拟仪器的产生

20世纪初，随着电子、计算机和信息技术的快速发展，各种各样的自动化和测控系统也取得了长足进步，并且在生产生活和科学技术的各个领域发挥着越来越重要的作用。但为了满足更高的测控任务，用户提出了以下两点要求：

（1）希望系统开发人员能够在很短的时间内完成系统的开发任务并交付成果；

（2）希望开发出来的系统具有成本尽可能的低以及性能尽可能高的特点。

为了满足客户要求，开发人员不断地通过探索创新寻求最先进的理念和技术，进一步提高测控系统的开发效率，就这样虚拟仪器得以产生。

2.1.2 虚拟仪器的发展

虚拟仪器使得我们每一个用户都可以根据自己的需求利用相应软件在计算机上构建自己想要的测控仪器，设置我们需要的各种功能。虚拟仪器的这种优越性展示出了其强大地竞争力。

虚拟仪器的最大特色就是实现了用软件来取代大量的硬件设备。这不仅大大减少了开发测控系统的成本，并且还能提高其工作性能。利用计算机还可以通过PCI、USB、IEEE等将各种设备集成到一个系统中，使一个虚拟仪器系统能够实现多种测量、测控仪器的功能。

虚拟仪器有许多可供开发的语言和工具，包括C语言、Java等基于传统

库等基于文本编程语言的开发工具。

但是使用这些基于文本的开发工具都具有不经济或者浪费时间等劣势，而且这些开发语言不能提供规范的开发虚拟仪器要用到的各种硬件驱动和开发元件库。而Labview软件作为一款图形化的编程语言有效的解决了这些不足，自从推出以来就被广泛地应用在各个领域。HP VEE虽然也是一款图像化的编程语言，但其与安捷伦公司以外的仪器兼容性不强，所以在使用上受到了很大的限制。

2.1.3 虚拟仪器与传统仪器的对比

与传统仪器相比，虚拟仪器设计的理念、系统的结构和功能定位方面都发生了根本性的变化。两者的主要区别如表1-1所示。

表2-1 虚拟仪器与传统仪器的比较

2.1.4 虚拟仪器的结构

虚拟仪器系统的组成框图如图2-1所示。

图2-1 虚拟仪器系统的组成 （1）计算机的硬件

计算机的硬件是虚拟仪器中硬件设备的基础，随着计算机硬件设备的发展，虚拟仪器中所要求的各项各种硬件技术也得到了很大的进步。

（2）I/O 接口 仪器硬件 I/O 接口 计算机硬件 处理器 储存器 显示器 虚拟仪器软件

仪器驱动程序 开发环境 用户接口

I/O接口的功能就是转换供其它系统使用的输入输出信号。I/O接口的硬件可由现场总线、PCI、数据采集卡、串行接口或者并行接口等构成，在这些硬件设备的基础上实现被测数据的采集传递以及显示。

（3）虚拟仪器软件

软件是虚拟仪器核心部分。在软件开发的基础上，开发人员可以根据自己的需要设计创建有实用性的比较友好的人机交互面板，可以在测控系统中创建各种应用程序以及各种决策模块，充分发挥虚拟仪器在测控系统中的优越性。

2.2 LABVIEW软件的相关介绍

2.2.1 Labview的特点

Labview使用图形化的编程语言，以框图的形式进行程序的编写，程序执行的先后顺序由后面板中的数据流向来决定。工程师是通过Labview大量的函数库和图表连线来开发各种控制、测控系统，并且Labview软件还与各种硬件设备、数据库兼容，这就使开发人员不需考虑各种处理函数的开发及其具体的细节，大大的缩减了开发测控系统所需的时间。

2.2.2 Labview的应用

Labview包含许多附加的软件包，像控制与仿真、PID控制和模糊控制等，这些软件包可以应用于Windows7、WondowsXP和Linu型等多种开发系统。现在，Labview已经成为世界上有许多工科大学的教学科目，许多科研领域都可以利用这款软件来完成该领域里的许多任务。

（1）在测控与测量系统中的应用

随着Labview软件的快速发展，目前它已成为测试系统领域的一种工业标准，通过总线或者是数据采集卡就可组成数据采集系统。它不仅支持基于

Internet、LabSQL和ActiveX等多种形式的通信方式来实现数据资源的共享，而且还包含着工业上各种仪器的程序驱动。在这些优越性的基础上，通过Labview我们可以很方便的开发和设计各种复杂的测试任务。

（2）在控制系统里的应用

Labview软件作为一款图形化的编程语言，利用其内部丰富的硬件驱动程序可以为工业控制领域中各种任务与要求提供许多优秀简便的设计方案。而利用Bridgeview可解决更为复杂的工业控制任务变得简单易行。

（3）在实验室里的应用

为了满足工程师们对数据计算分析的要求，Labview提供了包括线性代数、时频域算法、回归及统计等各个领域的数据分析库。对于一些特殊的数据分析，Labview还提供了包括数字滤波器、定时循环等多种专门的软件包。

2.2.3 Labview程序的设计方法

运用Labview软件进行程序设计时必须遵守一些基本的程序编程方法，在遵守这些基本方法的前提下才能保障设计的效率与质量。

（1）自顶向下设计

使用Labview软件开发一个大型项目时，利用自顶向下的方法是有必要的。由于Labview在这方面的优势，我们可以先根据用户的需要制定出相应的接口，然后对它再进行设计，一步一步的实现它。

a.用户需求表

列出的用户的需求列表应包含用户操作面板，在面板上应该有控制与显示等控件类型。然后利用一些交互方式，按照客户的需求不断地对用户接口进行完善。

Labview软件只所以功能强大，就是因为其程序设计的层次特性。对于设计的每一个程序，我们都可以把它作为一个子程序来进行调用，供其他任何高层次程序使用。明确我们所需要的顶层模块后，就可以创建相应的程序代码。这里设计的子程序没有任何功能，仅仅代表一个子程序模型。在前面板上，每个子程序都应该有相应的图标及输入输出量。在对创建的各模块功能及顶层程序代码中数据连线进行了解的基础上，如果满足了设计任务，我们就可以把它们组合起来。在这里最好不要使用全局变量，因为全局变量不仅会使程序中的数据关系得以掩盖，还会在程序调试阶段增加调试的难度。

c.程序编码

要做到模块化编程，我们既要考虑到系统设计的逻辑划分又要了解代码复用的情况，在此基础上实现程序编码。在完成每个子程序时我们应该进行及时的调试，如果把完成的子程序都放在系统中一起调试的话，就会使调试任务变得复杂，而且也不易修改。

（2）规划接口板

在规划接口板时，我们要选择一个在满足需要的同时还有部分剩余的接口板。利用这些剩余的接口，我们就可以对一些函数进行修改而不必变动整个的层次结构。

为了把控制量与显示量能够有序的连线到接口板上，我们在进行通常将输出放在右边输入放在左边。如果我们创建的两个或者多个子程序有一定的联系，我们可以把这些子程序按照它们之间的内部关系进行相应的摆放。这样可以使我们的连线变得更加简单美观。

（3）程序设计的技巧

我们可以把它某些组件放在另一个程序中，把整个程序分成几个子程序。对要设计的程序进行良好的规划，我们可以很方便的通过子程序的设计来完成特定的程序设计任务，同时也使我们设计的程序一目了然。

布置程序代码时，我们应该尽可能的使用从左到右或者是从上到下的设计方式，这样有利于程序的阅读与修改。编写程序时，我们可以连带着返回错误信息的程序一起编写，这样可以实时显示程序中的错误信息，便于我们进行调试和修改。

2.3 Labview 的基本概念

2.3.1 VI与子VI

使用Labview创建的每一个程序都是一个VI，也就是我们常说的虚拟仪器。VI中使用的是数据流驱动，并且有多种用于编程的程序结构，Labview 中的子VI就是子程序，在设计中运用子VI的好处：

（1）使用子VI可以将一些程序用一个图标表示出来，这样可使整个程序框图变得比较简洁。

（2）使用子VI可以使整个系统的程序设计分成若干个模块，这些模块由子VI组成，这样分模块进行程序的设计有利于程序的维护与调试。

（3）可以编写一些特定的子VI，这些子VI可实现一些特定的功能。当我们在程序设计时需要此功能的VI，就可以直接调用这种功能的VI，这样可大大缩减程序的编写量。

基于子VI的这么多优点，所以我们在编写程序时经常用到子VI。

2.3.2前面板

前面板就是用户界面，由输入控件和输出控件（显示控件）组成，如图

波形图标和其它显示组件。

图2-2 前面板

2.3.3 程序框图

程序框图在程序框图窗口中，是定义VI逻辑功能的源程序，如图2-3所示。程序框图中有对应于前面板的控件，除此之外还有子VI、数学运算控件、各种结构等。

2.3.4 数据流驱动

数据流驱动就是程序中的数据按照相应的逻辑关系沿着连接线进行流动。对于一个节点，我们必须先给它的输入端赋初值，这样数据才能流动，否则就会出错，当节点中的程序执行完之后，得到的数据结果就会遵守着我们设置好的逻辑关系进行流动。

2.4 Labview程序设计的步骤

（1）新建一个VI

在前面板窗口和程序框图窗口的文件下拉菜单中单击新建VI都可以创建一个VI。

（2）进行前面板的设计

前面板的设计就是在前面板上添加相应的控件，然后对添加的控件进行合理的布局。

（3）程序框图的设计

在程序框图中摆放着与前面板上的控件相对应的图标，根据要设计的程序功能从函数选版中选择合适的节点，放在程序框图中，然后对框图中的节点进行合理的摆放以及连线。

（4）运行程序

在前面板窗口和程序框图窗口中都有运行程序按钮，单击运行按钮，在前面板中就可以观察到程序运行的结果，同时还可以对参数进行相应的设置。

（5）保存程序

我们可以在文件的下拉菜单里选择“保存”这一快捷方式对VI进行保

理。

2.5 VI的调试方法

程序完成后，我们应该对其调试，调试的过程就是检查错误的过程，只有把所有的错误修改完之后我们才能得到想要的结果。Labview提供的基本的调试手段主要有：

（1）找出语法错误

当程序中存在错误时，点击运行箭头按钮就会发现该按钮被折断了，这表明程序中存在语法错误，单击该箭头会弹出错误列表，如图2-4所示。单击列表中的一个错误，在详细信息栏中就会显示错误的详细信息，选中显示警告，就会显示出所有的警告。

图2-4 语法错误图

（2）设置断点调试

断点在工具选板中的位置如图2-5所示。设置断点就是截断了数据的流动，在高亮显示执行过程中，可以明显的观察到程序的执行过程，这样我们就可以一步一步地对程序进行检查。

图2-5 断点位置

（3）设置探针

设置探针是程序调试的一种辅助手段。当程序运行时，在探针设置处可以显示出流过该探针的数据，把该数据与改点理论值相比较就可以检查出程序中是不是出现了错误，该手段可以弥补上述两种方法的不足。探针在工具选板中的位置如图2-6所示。

图2-6 探针位置

（4）单步执行与循环运行

这两种运行方式虽然也能使程序进行执行，但它们主要是对程序进行调试和差错。在单步执行中，我们可以清楚的观察到程序每一步的执行细节。