基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统调压方案.doc

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1、内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）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，在计算机上运行的LabVIEW程序对输入的数据进行分析处理后产生脉

2、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. Currently, with improving li

3、fe 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 development direction is sa

4、fety, 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 voltage signal which is acce

5、ptable 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 analyzing and processing the i

6、nputted 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11.2 电热水器的分类1第二章 电热水器温度控制方案选择

7、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203.6.1 网络化203.6.2 向几何参量和机械参量等

8、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内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 引言1.1 电热水器

9、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

10、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

11、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

12、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Tl设定为8位常数自动装入工作方式，其初值TL1=25

13、5，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

14、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

15、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 ，NI)开发的LabVIEW (Laboratory Vi

16、rtual 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

17、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，并不是所有的部分都能“虚拟”，即软件化，例如传感器、A/D转换装

18、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

19、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。（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

20、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仪器无非由三大部分组成，信号的采集、数据的处理、结果的

21、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

22、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PC-DAQ/PCI插卡式虚拟仪器。PC-DAQ为采集卡

23、，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GPIB电缆连接计算机实施程序控制。（3）基于串行口仪器的虚

24、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

25、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/s，应用软件开发与VXI一样。PXI实现了VISA虚

26、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

27、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

28、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 Windows/CVI等。美国NI公司是虚拟仪器技术的领导者，La

29、bVIEW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(BlockDiagram)和图标(Icon)连接器(Conn

30、ector)。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：（1）按照VPP规范设计前面板，使前面板具有标准化、

31、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实现仪器功能的零部件。所有VI源程序的框图都是由节点(

32、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ISA、PCI等）的内置功能插卡，它更加充分地利用计算机

33、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，介绍DAQ型虚拟仪器的结构。（1） 基于PCI总线的多

34、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

35、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，计算机内部的强电磁干扰对被测信号也会造成很大的影响。（2） 基

36、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式测试系统。该类系统主要由PC机、USB集线器和嵌入式

37、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”的能力，与并行总线相比，更适合于连接多外设的需要。基于

38、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）是计算机和仪器之间的标准通信协议，GPIB的硬件规格和软件协议已经

39、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领域的扩展，由HP、Tektronix等公司在1987共同制定

40、，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

41、。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线规范LXI(LAN eXtensions for I

42、nstrumentation)。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年10月通过了IEEE1588协议，为LXI网络化虚拟

43、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。（

44、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仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接

45、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）具有庞大的数据记录容量和可扩展的函数库；（4）用户可以自定义

46、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）用计算机软件来实现，而不再采用硬件（电子线路）来实现。虚拟仪器

47、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

48、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