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虛 擬 儀 器實驗指導書杭州電子科技大學自動化學院二OO三年六月一、實驗目的了解虛擬儀器軟件LabVIEW的基本特點；以房間空調(diào)器焓差法實驗臺的測控軟件作為應用實例，了解LabVIEW測控軟件的組成、模塊功能和系統(tǒng)的基本測試方法。二、 實驗要求 了解房間空調(diào)器焓差法實驗臺LabVIEW測控軟件的前面板的界面功能 了解房間空調(diào)器焓差法實驗臺LabVIEW測控軟件的主要功能模塊的框圖程序 初步掌握房間空調(diào)器焓差法實驗臺測控軟件的使用方法 三、 實驗內(nèi)容 虛擬儀器軟件LabVIEW的基本特點 房間空調(diào)器焓差法實驗臺LabVIEW測控軟件的組成 房間空調(diào)器焓差法實驗臺LabVIEW測控軟件的模塊功能 房間空調(diào)器焓差法實驗臺的系統(tǒng)測試方法四、 實驗步驟 了解虛擬儀器系統(tǒng)軟件LabVIEW的基本特點 虛擬儀器（Virtual Instrumentation）通常是指具有虛擬面板的個人計算機儀器。虛擬面板上有與真實儀器相同功能的虛擬開關、按鍵和旋鈕等。用戶通過友好的圖形界面來操作儀器，從而完成對測量信號的采集、分析、判斷、顯示和數(shù)據(jù)存取等。表1 傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的差異傳 統(tǒng) 儀 器虛 擬 儀 器1測控功能由廠家定義1測控功能由用戶定義2功能特定，提供有限的連接性2與網(wǎng)絡、周邊連接方便3以硬件為主3以軟件為主4性能價格比低4性能價格比高，重用性高5開發(fā)與維修費高5開發(fā)與維修費用低6性能提升演進緩慢6快速性能演進7開發(fā)周期長7開發(fā)周期短8數(shù)據(jù)記錄容量有限8具有幾乎無限的數(shù)據(jù)記錄容量9系統(tǒng)封閉、固定9系統(tǒng)擴展靈活，易實現(xiàn)網(wǎng)絡化 LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering）是NI（National Instrument）公司開發(fā)的一種多用于科學計算、過程控制、測試領域的編譯型圖形編程語言。它主要的特色是采用了工程技術人員所熟悉的控件、圖標等圖形化符號來代替常規(guī)的文字編程，不僅可避免記憶繁瑣的指令和繁瑣的人機界面設定細節(jié)與控制系統(tǒng)規(guī)劃流程等問題，又可縮短學習設計時間，因而它的使用者不需要很多的軟件編程工作經(jīng)驗。其次，它擁有豐富的函數(shù)及子程序庫，并且還有極人性化的除錯功能來幫助修正程式。LabVIEW開發(fā)的應程序以VI為基本單位，可以將一個設計成果（VI）定義成一個子程式（SubVI），以方便在另一個相關程式設計內(nèi)重復調(diào)用，所以LabVIEW是一種適合于科學家和工程師使用的開發(fā)平臺。LabVIEW主要由三大部分組成，它們分別是前置面板（front panel）、程式框圖（block diagram）以及圖標/連接器（icon/connector）。 房間空調(diào)器焓差法實驗系統(tǒng)LabVIEW測控軟件的組成房間空調(diào)器焓差法實驗系統(tǒng)LabVIEW測控軟件本軟件的主界面如圖1所示。圖1 軟件主界面 本測控軟件的功能模塊如圖2所示圖2 軟件模塊構成 房間空調(diào)器焓差法實驗系統(tǒng)LabVIEW測控軟件的模塊功能3.1數(shù)據(jù)通信模塊 該模塊是整個測控軟件系統(tǒng)的核心部分，其負責程序與下位機的通信。上位機能否與下位機或數(shù)據(jù)采集設備正常通信直接關系到數(shù)據(jù)的實時采集。如果不能采集到實時數(shù)據(jù)，接下來的計算、顯示、存儲等模塊會變得毫無意義。本測控系統(tǒng)使用RS-232(標準串行接口總線)和GPIB（通用接口總線）與外部儀器通信及控制外部儀器。 串口通信 串口（RS-232）是PC機的標準配置。它用于數(shù)據(jù)的串行傳輸。其特點是開發(fā)和應用簡單，在通信距離較近，數(shù)據(jù)傳輸率要求不高的情況下，可以直接采用。 串口通信子模塊采用Sequence (順序)結構編寫，首先利用Serial Port Init節(jié)點初始化串口，設置串口參數(shù)；其次，應用Serial Port Write節(jié)點向數(shù)據(jù)采集設備發(fā)送標準機器語言（）指令；為了確保數(shù)據(jù)采集設備能將數(shù)據(jù)全部送回計算機中，在指令發(fā)送完成后加一個延時；最后，程序用Serial port Read節(jié)點將數(shù)采設備返回的數(shù)據(jù)送到計算機上顯示。其程序框圖如圖3、圖4所示。圖3 串口初始化及寫指令圖4 讀返回數(shù)據(jù)GPIB通信1960年末，Hewlett Packard開發(fā)出了連接和控制可編程儀器連線的通用接口總線（GPIB）標準。GPIB提供了管理通信時的許多必要規(guī)范和協(xié)議。通過特別的協(xié)議。GPIB可以采用握手方式將由別的計算機或儀器采集的數(shù)據(jù)引入計算機。GPIB具有高達1MB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，在各個領域得到廣泛應用。GPIB通信子模塊同樣采用Squence(順序)結構編寫，首先，運用GPIB Write節(jié)點向儀器發(fā)送SCPI指令，同時規(guī)定了操作溢出時間；其次運用GPIB Read節(jié)點將數(shù)據(jù)從儀器中返回到計算機中。其程序框圖如圖5、圖6所示.圖5 GPIB寫指令圖6 GPIB寫指令3.2 數(shù)據(jù)存儲模塊為了記錄實驗中的數(shù)據(jù)以便今后的調(diào)用和查詢，系統(tǒng)需要將數(shù)據(jù)保存起來。數(shù)據(jù)保存一般采用數(shù)據(jù)庫方式，但為了簡單實用，決定采用電子表格形式。所謂的電子表格，指的是每行用換行符結束，每列之間用TAB分隔的文件。它可以用任何一個文本編輯器打開，也可使用Microsoft Excel打開，具有很強的通用性。數(shù)據(jù)存儲模塊采用open/create/replace file節(jié)點創(chuàng)建一個電子表格（*.exl）文件，然后將二維數(shù)組數(shù)據(jù)通過write to spreadsheet file 節(jié)點寫到創(chuàng)建好的電子表格文件中。其程序框圖如圖7所示。圖7 存電子表格數(shù)據(jù)3.3 數(shù)據(jù)顯示模塊從數(shù)據(jù)通信模塊中采集的數(shù)據(jù)在這個模塊中被處理和顯示給用戶。數(shù)據(jù)有兩種顯示方式曲線式和儀表式。曲線圖可以實時地反映出數(shù)據(jù)的波動和趨勢，儀表則更為生動和形象。程序中通過使用一個Tab控件來實現(xiàn)在不同查看方式之間的切換。Tab控件又稱頁式控件，可以將功能函數(shù)有機地歸類，組合到一起。它的實質(zhì)是通過一個CASE結構來實現(xiàn)選擇的。在實際開發(fā)過程中，沒有必要采用將數(shù)據(jù)傳入該結構的方法，也沒有必要將相應的控件加到這個結構中，否則在某一時刻下，用戶只能控制幾個控件中的某一個。為了防止數(shù)據(jù)的丟失，使程序結構更為清晰，在每個條件框圖中加入當前不顯示的控件的本地變量來取得數(shù)據(jù)上的同步。這樣的做法，雖然會增大內(nèi)存的開銷和冗余，不利于程序的效率的提高，但是由于要用到本地變量的采樣點不多，且計算機系統(tǒng)的配置高，完全可以滿足系統(tǒng)的運行要求。3.4數(shù)據(jù)分析計算模塊數(shù)據(jù)分析計算模塊是測控系統(tǒng)的重要組成部分，它能對所采集的數(shù)據(jù)進行分析、計算。本測控系統(tǒng)的主要采樣點有室內(nèi)干球溫度、室內(nèi)濕球溫度、室外干球溫度、室外濕球溫度、出風口干球溫度、靜壓和靜壓差等。本模塊利用這些數(shù)據(jù)根據(jù)焓差法空調(diào)能力計算公式進行冷量、風量及熱泵制熱量的計算，并根據(jù)這些計算值來斷定被測空調(diào)性能的優(yōu)良。為了使程序的結構簡單化，計算模塊采用公式節(jié)點（Formula Node）編寫。公式節(jié)點是一種結構，允許用戶使用類似于多數(shù)文本編程語言的句法，編寫一個或多個代數(shù)公式。顯然這比用復雜的框圖模型來得簡單。圖8是空調(diào)器制冷量計算的框圖程序。程序運用采集模塊中采集到的出風干球溫度、出風濕球溫度、靜壓、靜壓差、大氣壓等基本參數(shù)，通過調(diào)用焓值計算子程序計算出焓值、風量、絕對濕度等中間值。這些中間值作為公式節(jié)點的輸入變量，出現(xiàn)在公式節(jié)點的左邊框上；公式節(jié)點的主體部分便是相關的計算公式；其右邊框上出現(xiàn)的是經(jīng)過計算的輸出結果，也就是空調(diào)器的制冷量。3.5 打印模塊如今的測控軟件，打印模塊已成為其必不可少的部分。打印模塊以所見即所得的方式打印曲線。打印的方式有兩種：曲線打印和表格打印。其框圖分別如圖9、圖10所示。圖8 冷量計算圖9 曲線打印 圖10 表格打印 了解房間空調(diào)器焓差法實驗臺的系統(tǒng)測試方法 房間空調(diào)器焓差法實驗臺利用美國吉時利（keithley）公司的2700型數(shù)據(jù)采集儀作為測控系統(tǒng)的下位機。2700為一臺六位半高性能數(shù)字多用表/數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以測直流、交流電壓/電流、2線/4線電阻、熱電偶、熱敏電阻和4線RTD測溫，也可以測頻率、周期和導通。 2700后面板有2個插槽，可插入7700系列的各種模塊。本次的兩個模塊分別是7700和7702。7700開關模塊具有20路雙刀輸入通道可用于電壓、電阻、頻率、周期和溫度的測量，同時還提供2路電流通道。7702開關模塊具有40個通道，同時也有2路電流通道。模塊上任何一個閉合或掃描的通道可由2700來進行測量，對于掃描方式，每一通道可分別定義測量功能，量程及分辨率等參數(shù)。 這兩個開關模塊均可以直接接各種傳感器，進行相關測量。 同時2700后面板有兩個標準的通信接口：標準串行通信接口（RS-232）和通用接口總線（GPIB）。這就為軟件提供了一個真實的數(shù)據(jù)源。這就能對整個軟件的性能作一次全面的檢測。4.1通訊模塊測試 在進行測試前，要將計算機和數(shù)據(jù)采集儀正確連接，確保通信端口及通信總線完好。然后在儀器的前面板選擇一通信方式，進行相關的參數(shù)設置。以串行通信為例，在2700的前面板上按SHIFT鍵，再按ENTER鍵，這樣就進入了串行通信方式界面，運用左右及上下方向鍵使能串行通信，即使RS-232處于“ON”狀態(tài)。接下來進行串口參數(shù)設置： 出現(xiàn)設置波特率的畫面，運用上下及左右方向鍵選擇一波特率，波特率中為300、600、1200、2400、4800、9600、19.2K,儀器的默認值為4800。按ENTER鍵結束； 出現(xiàn)流量控制畫面，同樣運用方向鍵選擇一種流量控制的方式。測試時采用“XonXoff”方式，按ENTER鍵結束； 出現(xiàn)結束符設置畫面，結束符有“CR”（回車）、“LF”（換行）、“CRLF”（回車+換行）和“LFCR”（換行+回車）四種方式。測試時用“LFCR”的方式，按鍵結束參數(shù)設置。完成儀器串口參數(shù)設置后，在軟件中也要對串口進行初始化，波特率、流量控制等參數(shù)要與儀器的設置一致，同時軟件中的串口號要與實際在用的串口一致。串口的初始化主要由串行初始化節(jié)點完成，如圖4.1所示。圖4. 1 串口初始化當軟件和硬件設置都完成后，點運行箭頭，程序開始數(shù)據(jù)采集。采集到的數(shù)據(jù)可以很好地顯示在界面上，曲線也能實時繪制。GPIB通信也可以采用同樣的方法進行測試。4.2數(shù)據(jù)分析模塊測試 在測試該模塊功能時，并不需要用真實的數(shù)據(jù)源，只要用軟件人作一個信號發(fā)生器來模仿即可?；蛘呤褂米钤嫉霓k法手算。將輸入?yún)?shù)輸入控件，運行該子程序，將輸出的結果與手算的結果作比較。經(jīng)過測試，程序能夠進行正確地計算。綜上所述，系統(tǒng)具有以下功能：對實驗過程實現(xiàn)在線監(jiān)測與多窗口界面顯示；能對試驗臺的各點溫度、濕度、壓力、流量進行瞬時自動檢測、計算與顯示，并能以文本、表格、儀表和曲線等多種方式進行顯示；能及時保存各項數(shù)據(jù)，并能對歷史數(shù)據(jù)進行查詢、打?。荒芡ㄟ^串行口數(shù)據(jù)采集儀、PLC及其它智能儀表進行通訊； 能對各個采集點進行冷熱量、風量、能效比、能力率等結果計算。五、 實