基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统—调压方案

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1、内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）毕业设计论文基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统调压方案摘 要电热水器是指用电加热的热水器。随着人民生活水平和环保安全意识的不断提高和我国电力工业的不断发展，电热水器越来越受到消费者的青睐，电热水器的使用得到不断普及。目前，安全、节能、多功能、智能化是其主要发展方向。本文采用美国NI公司的图形化编程语言LabVIEW8.2设计了一个基于增量PID算式的电热水器温度控制系统。由热电阻Pt100采集到的热水温度信号通过调理电路转换为能被PCI-6221数据采集卡接受的0-10V的电压信号，然后通过板卡PCI-6221的模拟输入端AI0输入到计算机，在计算机上运

2、行的LabVIEW程序对输入的数据进行分析处理后产生脉冲信号输出到PCI-6221的数字输出口P0.0上，去控制可控硅的通断，继而控制电热水器的加热过程。关键词：电热水器；温度控制；LabVIEW；数据采集卡内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）Virtual Device-Based Electric Water Heater Temperature Control System-Pressure Adjustment PlanAbstractElectric water heater is a water heater using electricity to heat water. C

3、urrently, with improving life of people, peoples environmental protection and safety consciousness increasing and developing of the electric power industry of China, electric water heater is becoming more and more popular among consumers and its use is popularizing increasingly. Currently, its main

4、development direction is safety, energy efficiency, multi-purpose and intelligence.The thesis designs a PID algorithmic-based temperature control system for electric water heater by using LabVIEW8.2. the temperature signal that is collected by a thermal resistance Pt100 is converted into the 0-10V v

5、oltage signal which is acceptable for a board through conditioning circuit, which is inputted into a computer by using simulative input port AI0 of the board PCI-6221. The LabVIEW program operating on the computer generates one pulse to be outputted to the digital output port P0.0 of PCI-6221 by ana

6、lyzing and processing the inputted data to control the connection with controllable silicon chip and to further control the heating process of electric water heater. Key words: Electric Water Heater；Temperature Control ；LabVIEW；Data Acquisition内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目 录摘 要IAbstractII第一章 引言11.1 电热水器简介11

7、.2 电热水器的分类1第二章 电热水器温度控制方案选择与设计32.1 基于单片机的电热水器温度控制系统32.2 基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统4第三章虚拟仪器介绍63.1虚拟仪器的概念63.2虚拟仪器的结构及组成73.2.1 虚拟仪器的硬件组成83.2.2 虚拟仪器的软件组成113.3虚拟仪器总线技术133.3.1 DAQ总线方式的虚拟仪器133.3.2 GPIB总线方式的虚拟仪器153.3.3 VXI总线方式的虚拟仪器163.3.4 PXI总线方式的虚拟仪器163.3.5 LXI总线方式的虚拟仪器163.4虚拟仪器的优点173.5虚拟仪器与传统仪器的比较183.6虚拟仪器的发展趋势203

8、.6.1 网络化203.6.2 向几何参量和机械参量等难点领域拓展203.6.3 基于Linux操作系统的虚拟仪器21第四章基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统的设计224.1系统硬件设计224.1.1温度测量及调理电路224.1.2 温度控制电路244.1.3过零检测电路274.1.4 数据采集卡284.2系统软件设计294.2.1 PID算法及实现304.2.2 软件设计334.2.3 软件调试36第五章实验与调试38第六章 设计总结42参考文献43附录A系统硬件电路图44附录B 基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统程序框图45附录C 电热水器温度双位控制系统程序框图46致谢47内蒙古科技大学

9、毕业设计说明书（毕业论文）第一章 引言1.1 电热水器简介热水器是一种可供洗手间、厨房、浴室使用的家用电器。目前市场上热水器主要品种有电热水器、太阳能热水器、燃气热水器。就中国的具体情况而言，由于太阳能热水器的使用受天气原因的限制，使用范围狭窄；燃气热水器由于以石油、天然气为燃料，而燃料供应量又难以满足人们日益增长的需求，且不利于环境；而电热水器却具有无污染、安全、保温时间长、使用方便等优点，所以，随着人民生活水平的不断提高和我国电力工业的不断发展，电热水器越来越受到消费者的青睐，它的使用得到不断普及。根据中国商业联合会前不久的统计，电热水器的市场份额在销售数量和销售收入两个方面都已经超过了长

10、期以来占有优势的燃气热水器。该中心预计，在城市电网更大范围改造和城市住房市场大规模启动的带动下，今后几年我国电热水器市场将呈现强劲增长的势头。1.2 电热水器的分类根据水流方式的不同，电热水器可分为储水式和即热式（快速式）两种类型。储水式电热水器的优点是不必分室安装、不会产生有害气体、调温方便。但是储水式热水器在使用前需要预热，一次使用的量有限。同时，储水式热水器的体积较大、占用空间较多，不太适合面积小的家庭使用。 顾名思义，即热式电热水器就是利用电热管、电热棒、玻璃管或塑料管加热，即开即热，无需预热和保温。从安全性方面看，即热式电热水器采用非金属加热体、水电隔离技术、漏电保护装置、接地保护等

11、基本措施，使用安全系数比较高。而在体积上由于没了水箱部分，外形可以设计得小巧精致，比较适合在小空间使用。但是即热式电热水器的额定功率较高，一般需要5000瓦以上才能保证使用。 而按照水路控制方式的不同，电热水器还可以分为前制式和后制式。前制式电热水器水温和水量的控制方式是靠装在冷水进口端（即前端）的冷水阀门进行控制的，在热水出口端不设置阀门。而后制式电热水器则是靠装在热水出口的热水阀门来进行控制的，后制式电热水器具有安装和使用方便等优点，是电热水器的发展方向。第二章 电热水器温度控制方案选择与设计随着人们生活质量的提高，人们对电热水器的要求逐渐趋于智能化和数字化。安全、节能、多功能、智能化、数

12、字化是其主要发展方向。目前市面上的电热水器的智能温度控制系统主要有两种：一种是基于单片机，还有一种是基于虚拟仪器。2.1 基于单片机的电热水器温度控制系统目前最常用的基于单片机的电热水器温度自动调节电路是以AT89C2051单片机为核心的，由多谐振荡器、温度设定电路、单片机、设定温度显示电路、执行机构等几部分组成。本系统的工作原理是：如图2.1所示，接通电源后，多谐振荡器产生电脉冲由输入单片机，先使TR0=1，变为高电平后T0开始计数，变为低电平后停止计数，把计数值（TH0、TL0）与预先放置在“温度表”中的与一定的脉冲宽度对应的计数值（TH0、TL0的值）相比较就可转化为温度。单片机的计数器

13、Tl设定为8位常数自动装入工作方式，其初值TL1=255，每按一下按钮S，T1中断一次，计数值加1（计数初值为32H=20），超过99后自动恢复为20。比较测得的水温与设定的温度，如果前者小于后者，则令P3.7输出低电平，三极管T3导通，通过光耦使T4也导通，继电器J得电，触点J闭合，电热丝接通对水加热，红色提示灯Dl亮；如果前者大于后者则令P3.7输出高电平，T3、T4截止，继电器失电，触点J断开，停止加热，加热指示灯Dl不亮。单片机通过从P1.0一P1.6输出段码，从P3.0、P3.1输出位码对设定的两位温度值进行循环扫描显示。如果把从Tl输入的设定温度用的脉冲接入外部中断 （P3.3）将

14、引起中断，中断服务程序可对与水温对应的电脉冲宽度的计数值（TH0、TL0）进行测量并显示，记下其数值后便可制定“温度表”（与一定温度对应的TH0、TL0值并存放于程序存储器中的表），将“温度表”固化于程序存储器中，这样实现温度的自动测量与显示。图2.1基于单片机的电热水器温度控制系统由单片机构成的电热水器温度控制器具有多功能、安全、适用性强等特点，与同类的电热水器相比还具有节能的优点，因此将具有较强的竞争力。2.2 基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统另外一种电热水器温度智能控制系统是基于虚拟仪器的温度控制系统。随着计算机技术、仪器技术和网络通信技术的不断完善，虚拟仪器因其强大的性价比优势得到了

15、广泛的应用。随着一些新的PC技术和数据采集技术逐渐应用到虚拟仪器中，虚拟仪器技术也有了一些新的进展。“软件就是仪器”是虚拟仪器带给仪器工业的一次革命，作为虚拟仪器核心的软件系统具有通用性、通俗性、可视性、可扩展性和升级性等优点，能为用户带来极大的利益。基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统必然会给现代电热水器智能温度控制领域带来一片新天地。 本文研究的就是基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统。第三章 虚拟仪器介绍3.1虚拟仪器的概念虚拟仪器(Virtual Instrument ，VI)的研究始于美国的斯坦福大学和马里兰大学，由1986年美国国家仪器公司(National Instrument ，N

16、I)开发的LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)首先实现。虚拟仪器的出现，克服了以硬件为主的传统仪器的功能只能由厂家定义而用户难以改变的缺陷。迄今，虚拟仪器尚无公认的定义，所谓虚拟仪器(Virtual Instrument)，实际上就是一种基于计算机的融功能强大的应用软件、高性能的模块化硬件及驱动软件于一体的自动化测试仪器系统。灵活高效的软件能创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。就功能而言，虚拟仪器是基于计算机的仪器，仪器工作时通过操

17、纵位于计算机屏幕虚拟面板上的“按钮”来完成检测或者控制任务。与以硬件为主的传统仪器不同，在虚拟仪器中数据采集和信号调理控制、信号处理以及结果显示等主要通过软件实现。虚拟仪器中的“虚”即软件化，“虚拟”主要表现在两个方面：其一是虚拟的仪器面板。操纵该仪器的开关、按钮等并不是实际的物理器件，而是位于计算机屏幕上控制面板上的“控件”；其二是由软件实现仪器的测量功能（软件就是仪器）。虚拟仪器中的信号分析和处理等功能不是由传统仪器中的硬件电路来实现，而是通过软件来实现。以上两点是虚拟仪器的必备要素。虚拟仪器并不“虚”，它是“真实”的仪器，和传统仪器一样，可用来完成检测和控制任务。在测量环节中，并不是所有

18、的部分都能“虚拟”，即软件化，例如传感器、A/D转换装置就不能软件化。虚拟仪器的本质是利用现有的计算机加上特殊设计的仪器硬件和专用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仪器。它是利用计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，以代替传统仪器完成对仪器的控制、数据分析和显示功能。虚拟仪器的基本思想是利用计算机来管理仪器，组织仪器系统，进而逐步代替仪器完成某些功能，最终达到取代传统电子仪器的目的。虚拟仪器以透明的方式把计算机资源（如微处理器、内存、显示器等）和仪器硬件（如A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号处理等）的测量控制能力结合在一起，通过软件

19、实现对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口。虚拟仪器实质上是软硬结合、虚实结合的产物，它充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。3.2虚拟仪器的结构及组成一套完整的虚拟仪器系统的结构一般来说分为四层：（1）测试管理层用户使用虚拟仪器生产厂商开发的应用程序，组成自己的一套测试仪器。这是虚拟仪器的优点之一，它可以方便地使用户根据自己的需要，自己的风格建立自己的测试仪器。（2）应用（程序）开发层由生产商提供的软件开发工具，如NI(NATIONAL INSTRUMENTS)公司的LabVIEW软件，LabWindows/CVI软件。用户可以用这类软件进行深层开发，以扩展仪器原有的功能。（

20、3）仪器驱动层由生产商开发，针对不同类型的仪器有不同的驱动程序接口。为给用户提供方便、易用的仪器驱动程序，泰克公司、惠普公司和美国国家仪器公司等35家国际上最大的仪器公司成立了VXI plug&play系统联盟，并推出VISA(Virtu-al Instrument Software Architecture)标准。（4）I/O总线驱动层由生产商开发，用于将不同类型的实际仪器通过相同标准的总线连接起来形成一套完整的测试系统，如得到广泛应用的VXI（开放式测量系统）总线系统。一个完整的虚拟仪器主要由高效的软件、模块化的I/O硬件以及用于集成的软硬件平台组成。3.2.1 虚拟仪器的硬件组成任何一台

21、仪器无非由三大部分组成，信号的采集、数据的处理、结果的输出。虚拟仪器也不例外，它也是按照“信号的调理与采集-数据的分析与处理-结果的输出与显示”的结构模式来建立通用仪器硬件平台的。虚拟仪器硬件系统包括计算机硬件平台和测试功能硬件。硬件技术的核心是接口总线技术，其关键就是在掌握构成虚拟测控系统各种内外总线的构成标准、通信方式的基础上，设计与测控对象相连的各种接口板卡，完成数据采集、信号调理与传输、数据通信、数据处理等功能。硬件接口电路与计算机一起构成了虚拟仪器的硬件。计算机是虚拟仪器的核心，主要完成数据处理和结果的显示。硬件接口电路主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换。根据构成虚拟仪器的

22、接口总线不同，主要可分为如下几种构成方案，按照构成虚拟仪器的接口总线不同，可分为PC-DAQ、GPIB、RS232/RS422、VXI、PXI等。虚拟仪器的硬件构成框图如图3.1所示。图3.1 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，DAQ)及PC机为仪器硬件平台，采用PCI(peripheral component interconnect)或ISA( in-dustrial standard architecture)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，这种虚拟仪器又叫P

23、C-DAQ/PCI插卡式虚拟仪器。PC-DAQ为采集卡，由过去的16位标准ISA总线发展到32位的PCI总线插卡，易于构成个人仪器系统，但需打开主机箱直接与ISA、PCI总线连接，没有定义仪器系统所需的总线。（2）基于通用接口总线GPIB(general purpose interfacebus)接口的虚拟仪器，它是以GPIB接口仪器、GPIB接口卡及PC机为仪器硬件平台，GPIB为通用接口总线的简称，是一种并行方式的外总线，它实质上是通过计算机对传统仪器的功能扩展和延伸，目前，许多市售的台式仪器大多装有GPIB接口。GPIB仪器具有独立的仪器操作界面，可以脱离计算机使用，也可以通过标准GPI

24、B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机为仪器硬件平台的，它包括符合RS-232/ RS422标准的PLC(program logic controller)和单片机系统。（4）基于VXI仪器的虚拟仪器，它是以VXI(VMEbusextension for instrumentation)标准总线仪器模块及PC机为仪器硬件平台的，由主机箱、控制器和仪器模块构成。其中，控制器安装在零号槽中，称为零槽控制器。VXI控制器包括嵌入式PC控制、嵌入式工作站控制器和外置工作站控制器，可根据测试功能的不同要求来选用。VXI是工业标准总线VME的扩

25、展，是一种完全开放的、模块化仪器总线标准的虚拟仪器开发平台，其可靠性、人机交互性能、测试速度优越，但价格较为昂贵。（5）基于PXI仪器的虚拟仪器，它是以PXI(PCI exten-sion for instrumentation)标准总线仪器模块及PC机为仪器硬件平台，PXI总线方式是在PCI总线内核技术上增加了参考时钟技术规范和要求形成的。标准的PXI模块化仪器系统有8个插槽，还可与CompactPCI交互操作，可与GPIB或VXI集成，组成大规模、多用途系统。PXI是PCI总线在仪器领域的扩展，以PCI总线为基础，利用了丰富的PCI模板资源和PC软件工具及开发环境，数据传输率可达132MB

26、/s，应用软件开发与VXI一样。PXI实现了VISA虚拟仪器软件体系，不仅能够控制PXI模块，也能控制VXI、GPIB及串行接口器件，还可以通过采用标准的PCI-PCI桥接器提高扩展槽数量，有利于系统集成。它的最大优势在于价格低廉，并且PXI与主流PC技术完全兼容，在许多测试领域，由PC组建的系统与PXI系统可以相互替代。（6）基于现场总线设备的虚拟仪器，它是以Fieldbus标准总线仪器及PC机为仪器硬件平台的。上述的几种方案中，GPIB，VXI，PXI方案主要适合构成大型高精度集成测试系统；PCIDAQ/PCI、串行口方案主要适合构成普及型的廉价测试系统；现场总线方案主要适合构成大规模的网

27、络测试系统，如测试任务需要，也可将上述几种方案结合构成混合测试系统。3.2.2 虚拟仪器的软件组成虚拟仪器系统的核心是软件技术，软件开发环境是其重要的组成部分。虚拟仪器的软件从底层到顶层包括三部分：VISA库、仪器驱动程序、应用软件。（1）VISA（Virtual Instrumentation Software Architec-ture）库。VISA库实质就是标准的I/O函数库及其相关规范的总称，它驻留在计算机系统中，执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，用来实现对仪器的控制。（2）仪器驱动程序。仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序集合，是应用程序实现仪

28、器控制的桥梁。每个仪器都有自己的仪器驱动程序，由仪器厂商提供。（3）应用软件。应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观、友好的操作界面、丰富的数据分析和处理功能，来完成自动测试任务。虚拟仪器必须具有强大的人机交互界面设计能力，易于实现各种复杂的仪器面板，还必须具有数据可视化分析能力，能提供丰富的仪器和总线接口的硬件驱动程序使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块，工程师们可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。目前，虚拟仪器的软件开发平台主要有Visual C+，Visual Basic，以及HP公司的VEE和NI公司的LabVIEW、Lab Window

29、s/CVI等。美国NI公司是虚拟仪器技术的领导者，LabVIEW就是其推出的一种基于图形的开发、调试和运行程序的集成化环境，是目前国际上唯一的基于数据流的编译型图形化编程语言，是一种优秀的虚拟仪器软件开发平台。它不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接，更能提供强大的后续数据处理能力，设置数据处理、转换、存储的方式，并将结果显示给用户。LabVIEW中编写的源程序，很接近程序流程图。所以，只要把程序流程框图画好了，程序也就差不多编好了。LabVIEW图形编程语言中的基本编程单元是VI(VinualInstrument，虚拟仪器)，VI包括三个部分：前面板(Frontpanel)、框图程序(Blo

30、ckDiagram)和图标(Icon)连接器(Connector)。前面板既接受来自框图程序的指令，又是用户与程序代码发生联系的窗口。这个窗口模拟真实仪表的前面板，用于设置输入和观察输出，输入量称为控件(Controls)，输出量称为指示器(Indicators)。当把一个控件或指示器放到前面板上时，框图中相应地放置一个端子(Terminals)，这个端子不能随意被删除，只有删除它对应的控件或指示器时它才随之一起被删除。用户可以使用多种图标，如旋钮、开关、按钮、图表、文本框、图形等，使前面板易看易懂。我们可以把它想象为传统仪器的面板，面板上自然会有表头，按纽，拨盘等各种元件。前面板的设计准则是

31、：（1）按照VPP规范设计前面板，使前面板具有标准化、开放性、可移植性。（2）根据测试要求确定仪器功能。根据测试任务确定仪器前面板具体测试、测量功能，开关、控制等设置要求。（3）用面向对象的设计方法设计前面板。按照面向对象的设计思想，一个虚拟仪器集成系统由多个虚拟仪器组成，每个虚拟仪器均由前面板控制。前面板由大量的虚拟控件组成。用户可以根据测试需要，通过界面方便的设置信号源的各项参数，选择不同的测试频段及频率步进，并将结果数据以图表的形式显示。每一个VI程序的前面板都对应着一段框图程序。框图程序用LabVIEW图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。也可以把它想象为传统仪器机箱里用来

32、实现仪器功能的零部件。所有VI源程序的框图都是由节点(Nodes)、端子、图框和连线(Wires)四种元素构成。其中，端子被用来同程序前面板的控件和指示器传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向。编制框图程序时，从功能模板中选择需要的节点图标或图框，将之置于窗口面板上适当的位置，然后用连线连接它们及框图中的端子即可。在彩色监视器上，每种数据类型以不同的颜色和线形强调显示。3.3虚拟仪器总线技术目前VI使用的总线技术主要有以下几种。3.3.1 DAQ总线方式的虚拟仪器DAQ指的是基于计算机标准总线（如I

33、SA、PCI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的采样速率已达1Gb/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，

34、介绍DAQ型虚拟仪器的结构。（1） 基于PCI总线的多功能虚拟仪器PCI总线是一种独立于CPU的32位或64位局部总线，时钟频率为33MHz，数据传输率高达132 MB/s264MB/s，PCI总线技术用无限读写突发方式，可在一瞬间发送大量数据。PCI总线上的外围设备可以和CPU并行工作，因此PCI总线得到了广泛的应用。 这种方式借助于插入PC机和工控机内的高速数据采集卡与专用的软件相结合，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，完成测试任务。另外，通过改变应用程序，即界面程序设计可实现不同功能的虚拟仪器，如虚拟数字示波器，虚拟频谱分析仪等。其工作原理是：由主机启动程

35、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析、处理，从而实现虚拟仪器的功能。这种仪器价格便宜，因个人计算机数量非常庞大，因此用途广泛，特别适合于教学部门和各种实验室，目前仍有强大的生命力。这种类型的虚拟仪器充分利用了计算机的总线、机箱、电源及软件的便利，但它也具有一定的缺点：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

36、部的强电磁干扰对被测信号也会造成很大的影响。（2） 基于USB总线的嵌入式虚拟仪器的设计嵌入式虚拟仪器从功能模块上分为：信号调理和模数转换电路、嵌入式控制模块、存储系统、液晶显示模块、USB总线接口逻辑等部分。USB通用串行总线是被PC机广泛采用的总线，它已被集成到计算机主板上。USB总线能连接127个装置，需要一对信号线及电源线。USB 2.0标准的数据传输率能达到480Mbps。该总线具有轻巧简便、价格便宜、连接方便快捷的特点，现在已被广泛用于宽带数字摄像机、扫描仪、打印机及存储设备。基于USB总线的嵌入式虚拟仪器具有使用方便、数据传输速度快、连接灵活的特点。可以采用星型的拓扑结构构建分布

37、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照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。USB技术和虚拟仪器技术结合在一起是计算机仪表领域研究的热点，基于USB总线接口设计的嵌入式虚拟仪器具有良好的系统扩展性。嵌入式虚拟仪器可以独立完成特定的信号处理和分析，又可以通过USB总线系统组合在一起，构建大型的测试系统，完成复杂的测试功能。USB总线具有“即插即用plug&play”

38、的能力，与并行总线相比，更适合于连接多外设的需要。基于USB总线，NI公司推出了USB-6008和USB-6009等几款数据采集卡。3.3.2 GPIB总线方式的虚拟仪器GPIB总线(即IEEE488总线)是一种并行外总线，是在HP公司1965年设计的HP-IB仪器接口总线的基础上发展而来的，经历了IEEE488.1-1975、IEEE488.1-1987、IEEE488.2-1987几个不断改进完善的阶段，目前市面上使用的是IEEE488.2标准的GPIB。该标准的成功之处在于，它使测试系统的互连和通讯标准化。GPIB（General Purpose Interface Bus）是计算机和仪

39、器之间的标准通信协议，GPIB的硬件规格和软件协议已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的数据传输率一般低于500kB/s，不适合对于系统速度要求较高的应用，现在已经逐步退出了市场。3.3.3 VXI总线方式的虚拟仪器1987年公布的VXI总线是一种高速计算机总线VME在VI领域的扩

40、展，由HP、Tektronix等公司在1987共同制定，它以VME为基础，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 Basic、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。经过十多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，尤其是

41、组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。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，这种类型的虚拟仪器也有逐渐退出市场的趋势。3.3.4 PXI总线方式的虚拟仪器PXI总线是1997年由NI公司推出的一种新的开放性、模块化的仪器总线规范，它是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。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优势结合起来，将形成未来主流的虚拟仪器平台之一。3.3.5 LXI总线方式的虚拟仪器2004年9月VXI科技公司和安捷伦联合推出一种新的基于工业以太网的总

42、线规范LXI(LAN eXtensions for Instrumentation)。可以这样说，以太网的发展为基于网络的测试系统提供了平台，也成就了LXI的诞生。LXI标准用以太网作系统的骨干，无需VXI或PXI方式的机箱。在众计算机和通信网络中选用以太网技术，在于以太网的发展已相当成熟，被广泛安装在计算机作为标准通信接口。以太网的基础设施非常普及，网卡、路由器和光纤等价格日益便宜。以太网采用的TCP/IP协议在Internet内广泛使用。另外，以太网的错误检测、故障定位、长距离互联以及树状拓扑结构都比现有的总线优越，网络速度也由最初的10Mb/s达到现在的10Gb/s。LXI联盟于2005

43、年10月通过了IEEE1588协议，为LXI网络化虚拟仪器的设计与实现提供了标准。我国的海泰公司率先加入了LXI联盟。未来的总线将会向专业化和大众化方向发展。因此，在LXI仪器还未完全占领市场之前，VXI、PXI和USB等都将成为市场的主流总线技术。3.4虚拟仪器的优点虚拟仪器具有高效、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：（1）智能化程度高，功能强大。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。此外，不断发展的因特网和

44、越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术的性能更加强大。（2）扩展性强，费效比高。虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，或只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进用户的整个系统。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。（3） 操作简便，直观，界面友好。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面。使用计算机的多媒体处理能力可以使

45、仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，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。这些都使得仪器的可操作性大大提高而且易用、灵活。虚拟仪器彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变、被动接收的局面，这种“可开发性”和“可扩展性”等优越特点使虚拟仪器具有强大的生命力和竞争力。虚拟仪器除了具有上述主要优点外还具有下述优点：（1）将所用的程控仪器的控制信息集成在虚拟仪器的软件模块中，对用户来讲是完全透明的。用户在使用过程中无须专门查阅、学习仪器的程控方法、程控指令就可以对仪器进行操作；（2）计算机强大的图形用户界面增强了仪器结果显示功能；（3）具有庞

46、大的数据记录容量和可扩展的函数库；（4）用户可以自定义接口形式、分析方式；（5）测试过程自动化，具有完整的时间记录和测试说明，测量结果关联分析和趋势标定；（6）测量程序中内置多媒体操作指令，并且可用网络进行多用户数据共享。3.5虚拟仪器与传统仪器的比较传统仪器由信号采集、信号处理和结果表达与仪器控制三部分组成。在传统仪器里，这三部分都是用电子线路来实现的，即：都是采用硬件来实现的。随着计算机技术的发展，尤其是数字信号处理技术的进步，在仪器的信号处理部分，用软件代替硬件成为可能，即：用算法代替电子线路，能够实现传统仪器的信号处理功能，即把传统仪器的后两部分（信号处理、结果表达与仪器控制）用计算机

47、软件来实现，而不再采用硬件（电子线路）来实现。虚拟仪器与传统仪器最大的不同之处就在于其具有开放性的构成方式，即具有灵活性和功能的可重构性。而传统仪器的结构和功能却相对固定。虚拟仪器可使用相同的硬件系统，通过不同的软件就可以构建功能完全不同的各种测量测试仪器，即软件系统是虚拟仪器的核心，软件可以定义为各种仪器。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”。在同等的性能条件下，相应的虚拟仪器价格要比传统仪器低。虚拟仪器强大的功能和价格优势，使得它在仪器计量领域具有很强的生命力和十分广阔的前景。虚拟仪器与传统仪器的比较如表3.1所示：表3.1虚拟仪器与传统

48、仪器的比较传统仪器虚拟仪器功能由生产厂商定义功能由用户自己定义与其它仪器设备的连接有限可方便的与网络外设连接开发和维护费用高基于软件体系，开发和维护费用低技术更新周期长技术更新周期短硬件是关键软件是关键价格较高价格较低二次开发差二次开发强有限的显示选项无限的显示选择部分具有时间记录和测试说明完整的时间记录和测试说明测试部分自动化自动化的测试过程3.6虚拟仪器的发展趋势3.6.1 网络化网络化虚拟仪器是虚拟仪器技术和网络技术相结合的产物。基于虚拟仪器的网络化测控系统是分布式测控系统，它利用网络将分散的各种测控设备相连接，利用网络完成数据采集、处理、传输，以实现信息、资源共享，协同工作，从而完成复

49、杂的测控任务，因而具备以下功能：（1）支持远程测控；（2）支持分布式应用；（3）支持异地域数据存取；（4）支持异地服务请求与访问。典型的网络化虚拟仪器系统主要由基本功能单元和通讯网络组成。（1）基本功能单元：主要包括PC仪器、单个网络化测试仪器、网络化传感器、网络化控制模块、工作站、信息处理中心等，其中的网络化仪器和网络化传感器是整个测控系统的最基本成分。它们在传统的测量仪器、测控模块、传感器上加装了本地处理器和通讯接口，其主要任务是：数据采集和处理；测试数据交换；测控过程监控、故障诊断；测试信息存储。（2）通信网络包括测试服务器、浏览服务器、中央管理计算机和网关等，负责对各测控基本功能单元进

50、行任务分配、对采集的数据进行计算、处理和分析、存储、系统故障诊断报警和提供浏览服务等。3.6.2 向几何参量和机械参量等难点领域拓展应用虚拟仪器进行几何量和机械参量测量的难度要高于电参量的测量，这是因为传感器和被测工件需要按照测量基准保持严格的相对位置关系，这种虚拟仪器不同其它参量的测量，它一般需要专用的定位机构和传动机构。例如，在开发类似三坐标测量机的虚拟仪器进行几何轮廓参数的高精度测量时，专用的高精度传感器、高精度的定位机构和传动机构不可缺少。3.6.3 基于Linux操作系统的虚拟仪器目前主流的虚拟仪器主要是基于Windows操作系统。该系统主要面向大众用户，尽管普及面较广，但基于Win

51、dows操作系统的应用程序占用内存大，系统稳定性不理想，常出现“死机”现象。在工业现场应用场合，多任务并行是经常要解决的问题，然而基于Windows操作系统的应用程序并不能真正实现实时多任务并行处理，但是基于Linux操作系统的应用程序却更容易满足上述要求，这是因为：（1）Linux是真正的多任务的操作系统，可以同时执行几个程序。多任务操作系统就是可以运行多个应用程序(或进程)的系统。（2）Linux操作系统是一个多用户操作系统。与通常的windows系统相比，linux允许多个用户同时登陆，充分利用操作系统的资源。（3）在Linux平台上几乎能使用所有流行的开发软件，如C+、FORTRAN、

52、JAVA等。（4）可以合理分配内存。Linux会尽量把不同的内存作buffer（缓冲区）来使用，因此RAM的大小决定运行速度。每个程序都有自己的主内存区，系统处理主内存区是采取保护的方式，可以避免因为一个程序的执行失败而引起整个系统瘫痪。因此基于Linux操作系统的虚拟仪器更容易满足多任务并行处理及现场检测和控制要求。第四章 基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统的设计本文研究的基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统主要是实现对电热水器温度的数据采集与自动控制，其系统整体方框图如图4.1所示。它主要由温度测量及调理电路、温度控制电路、一块基于PCI总线的多功能数据采集卡PCI-6221及相应的软件组成

53、。其工作过程如下：温度信号由传感器转换为电压信号，经信号调理和数据采集卡进入计算机，在计算机上运行的LabVIEW程序对输入的数据进行分析处理，结果由计算机显示。计算机采集卡通过其A/D转换通道采样输入信号，通过PID算法，求出系统输出信号的大小，其输出信号通过数据采集卡的数字口P0.0输出给外部温度控制电路，以达到控制温度的作用。图4.1 电热水器温度控制系统整体方框图4.1系统硬件设计基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统的硬件电路图如附录A所示，本图主要包括温度测量及调理电路，温度控制电路，一个过零检测电路。现分别介绍如下。4.1.1温度测量及调理电路温度测量及调理电路主要由温度传感器和信号

54、调理两部分组成，用于对电热水器温度的检测及信号调理。本系统采用铂热电阻Pt100做为温度传感器，它的测温范围为-200+850。铂热电阻Pt100的输出信号经信号调理电路处理后，通过数据采集卡PCI-6221的模拟通道AI0输入计算机，并由LabVIEW程序计算得到温度测量值。铂热电阻Pt100在温度为0时输出的电阻值为100欧,温度为100是输出的阻值为138.50欧。在0-100之间线形变化时输出的阻值也在100138.50欧之间几乎线形变化，能够很好的满足系统的要求。故系统不需要进行线性化。信号调理的作用是对温度传感器的输出信号进行滤波和放大以满足数据采集卡A/D输入端电气参数要求。热水

55、的温度变化范围是0100，调理电路电压输出为0V10V，输出灵敏度为50mV/，并可直接与A/D接口兼容。温度的测量和控制主要取决于温度测量精度，因此，为了保证精度，从硬件采用了三个方面的措施：（1） 测量中传感器的连接采用三线制方法。采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。工业上一

56、般都采用三线制接法。（2） 选用高精度低漂移运算放大器OP07构成运算放大电路。（3） 测量电路采用恒流源供电。图4.2即为温度信号调理电路的电路图。如图4.2中Rt即为铂热电阻Pt100。r1，r 2，r 3即为引线电阻，一般情况下，三根线的规格都是一样的，故r1= r 2= r 3，Pt100检测到的温度信号经过如图4.2所示的三线制调理电路的调理变换成能被PCI-6221板卡接收的010V的电压信号Uo(t)。 图4.2 温度信号调理电路4.1.2 温度控制电路本系统温度控制电路的硬件电路主要由隔离光耦、触发器及晶闸管等单元构成。本设计选择的是调压方案。把两个晶闸管反并联后串联在交流电路

57、中，通过对晶闸管的控制就可以控制交流电力。这种电路不改变交流电的频率，称为交流电力控制电路。在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便的调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。 图4.3中的晶闸管VT1和VT2也可以用一个双向晶闸管代替。双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展起来的，它不仅能代替两只反极性并联的晶闸管，而且仅用一个触发电路，是目前比较理想的交流开关器件。加在控制极G上的触发脉冲的大小或时间改变时，就能改变其导通电流的大小，双向可控硅G极上触发脉冲的极性改变时，其导通方向就随着极性的变化而改变，从而能够控制交流电负载。如图4.3，在交流电源U1的的正半周和负半周，分

58、别对VT1和VT2的开通角进行控制就可以调节输出电压。正负半周起始时刻（=0）均为电压过零时刻。在稳态情况下，应使正负半周相等。从图4.3中可以看出，负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（也即电源电流）和负载电压的波形相同。的移相范围是0。=0时，相当于晶闸管一直接通，输出电压为最大值U0=U1。随着的增大，U0逐渐降低。直到=时，U0=0。此外，=0时，功率因数=1，随着的增大，输入电流滞后于电压且发生畸变，也逐渐降低。在本设计中，数据采集卡PCI-6221输出的脉冲信号就是根据上述原理来改变加热棒两端的有效电压，以此改变电热水器温度，以满足实际的需要。温度控制信号的产生与输出由程序

59、控制数据采集卡和计算机实现，通过PID算法得到控制量由数据采集卡输出以控制电热水器的温度值。调压方案波形图如图4.4所示。在本设计中可以通过式（4.1）把导通角转换成控制时间T1，式（4.1）中，U0 为PID运算输出的电压值，Um为PID输出的最大值。 （4.1）图4.3 调压方案电路图图4.4 调压方案波形图为了让用户在使用时不必担心由于外电路原因或误操作引发计算机部件和采集卡的烧坏，通常需要在采集卡和强电设备之间设置电隔离，考虑到采集卡的输出信号需要对后续电路的触发，这里选用集隔离、过零检测、过零触发功能于一体的光电藕合器件MOC3041，它具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、无噪音等优点

60、，可为大功率的晶闸管提供足够的触发电流。温度控制电路硬件电路图如图4.5所示，其中RL为电阻丝，MOC3041为光耦，Z0409MF为可控硅，数据采集卡为NI公司的PCI-6221数据采集卡，P0.0为数据采集卡的数字输出端，DGND为数据采集卡的接地端。图4.5 温度控制电路4.1.3过零检测电路过零检测电路的最终目标是实现当50HZ的交流电压通过零点时取出其脉冲。本设计采用2个光电耦合实现过零控制。其工作原理如图4.6，图4.7所示。交流电源经R12加到2个反向并联的光电二极管上，在交流电源的正，负半周，二极管D1，D2轮流导通，从而使三极管T1，T2也轮流导通，在导通期间V0端输出低电平

61、，只有在交流电源过零的瞬间，2个二极管均截止，V0端输出高电平，因此V0端得到周期为10ms的脉冲信号。图4.6 过零检测电路图4.7 过零电路波形图4.1.4 数据采集卡数据采集卡的主要功能是向被测电路和元器件传送所需的数据信号和控制信号，同时又接收并处理来自被检对象的状态信号。此外，它还完成数据的转换和存储。本系统在综合考虑A/D和D/A通道数目、采样速率、输入精度、A/D和D/A转换速度、分辨率与精度等技术指标的情况下，选用NI公司的PCI-6221型数据采集卡作为系统硬件的核心部分。PCI-6221型数据采集卡支持单极性和双极性两种模拟信号的输入，信号输入范围分别为-10V+10V和0

62、V20V。它提供16路16位的模拟输入通道，最大采样速率为250KS/s；2路16位的模拟输出通道，最大输出频率为833KS/s，24线的TTL型数字I/O及32位定时计数器等多种功能。PCI-6221引脚图如图4.8所示。图4.8 PCI-6221引脚图4.2系统软件设计图4.9 系统软件功能模块图本系统软件功能模块图如图4.9所示。本系统软件设计主要有两大模块组成：温度信号采集模块、PID控制模块。由热电阻采集到的温度信号通过数据采集卡PCI-6221输入计算机，经过PID模块对之进行分析和处理，然后去控制输出，改变当前温度逼近设定温度值，达到稳定状态。系统的主控模块提供了温度控制功能。它

63、通过与其它模块的通讯来完成数据采集与处理、PID控制等功能。根据模块化的编程思想，用LabVIEW图形化编程语言，可以方便地写出温度控制系统的程序代码。4.2.1 PID算法及实现在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。PID控制器就是根据系统的偏差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。本文也采用PID控制。其原理图如图4.10所示图4.10 PID控制原理图 PID控制主要有比例控制，积分控制和微分控制三部分组成。比例（P）控制：比例

64、控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入偏差信号成比例关系。比例调节作用是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，会使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。而且当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。积分（I）控制：在积分控制中，控制器的输出与输入偏差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差的作用取决于对时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。只要有误差，积分调节就进行，直至无差，积