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1、 1 1 绪论绪论 1 11 1 课题的研究目的及意义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,
2、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
3、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
4、、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
5、现温度数据的分析和控制。1 12 2 课题的国内外研究现状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Lab
6、WINDOWS/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
7、 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
8、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。1 13 3 课题研究的主要内容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
9、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 2 虚拟仪器概述虚拟仪器概述2.12.1 虚拟仪器的概念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
10、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
11、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。2.22.2 虚拟仪器的主要特点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
12、，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
13、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
14、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。2.32.3 虚拟仪器的体系结构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.
15、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(Genera
16、l 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
