LabVIEW上位机报警监视程序设计.docx
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LabVIEW上位机报警监视程序设计
本科毕业设计(论文)
学院电子信息学院
专业电气工程及其自动化
学生姓名
二零一零年六月
江苏科技大学本科毕业论文
LabVIEW上位机报警监视程序设计
AlarmMonitoringProgramBasedonLabVIEW
江苏科技大学
毕业设计(论文)任务书
学院名称:
电子信息学院专业:
电气工程及其自动化
学生姓名:
学号:
指导教师:
职称:
讲师
2011年2月28日
毕业设计(论文)题目:
LABVIEW上位机报警监视程序设计
一、毕业设计(论文)内容及要求(包括原始数据、技术要求、
达到的指标和应做的实验等)
1提供条件:
LABVIEW软件
2设计内容与要求:
(1)学习、理解LABVIEW软件;
(2)学习、理解渡船报警的方法和要求;
(3)结合渡船报警的方法和要求,利用LABVIEW软件进行编程;
(4)撰写论文,通过答辩。
二、完成后应交的作业(包括各种说明书、图纸等)
1.毕业设计论文一份(不少于1.5万字);
2.外文译文一篇(不少于5000英文单词);
3.包含任务书、开题报告、中期检查和前三项内容的光盘一张。
三、完成日期及进度
2011年3月21日至2011年6月17日,共16周。
进度安排:
3.21-3.28,熟悉任务要求,查阅资料,翻译外文资料;
3.28-4.08,学习、理解渡船报警的方法和要求;
4.08-4.30,学习、理解LABVIEW软件的使用;
5.1-5.30,利用LABVIEW软件,进行编程;
5.31-6.17,撰写毕业论文、答辩。
五.主要参考资料(包括书刊名称、出版年月等):
1.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通。
陈锡辉,张银鸿主编
2.王磊等.精通LabVIEW8.0.北京:
电子工业出版社,2007
系(教研室)主任:
(签章)年月日
学院主管领导:
(签章)年月日
摘要
虚拟仪器是将仪器技术、计算机技术、总线技术和软件技术紧密的融合在一起,利用计算机强大的数字处理能力实现仪器的大部分功能,打破了传统仪器的框架,形成的一种新的仪器模式。
本文首先介绍了虚拟仪器的概念及其软件开发平台LabVIEW,并学习了LabVIEW软件。
然后运用LabVIEW软件对渡船报警监视程序进行了设计,并阐明了该设计的每个步骤。
本设计是虚拟仪器在测控领域的一次成功尝试。
实践证明虚拟仪器是一种优秀的解决方案,能够高效的实现各种测控任务。
关键字:
虚拟仪器;LabVIEW;报警监视;程序设计
Abstract
VirtualInstrument(VI)iscombinescomputerscience,bustechnology,softwareengineeringwithmeasurementinstrumentationtechnology,employsthecomputer'spowerfuldigitalprocesscapabilitytorealizemainfunctionofinstrument.Itbreaksthemainframeoftraditionalinstrumentandforgesanewinstrumentpattern.
ThispaperintroducestheconceptofvirtualinstrumentanditssoftwaredevelopmentplatformforLabVIEWandlearnstheLabVIEWsoftware.FerrythenuseLabVIEWsoftwaretodesignthealarmmonitoringprogram,andillustrateseachstepofthedesign.
ThisprojectisasuccessfulapplicationofVIinmeasurementdomain,whichtestifiesthatVIisanavailableandeffectivesolutionandcanbeemployedtoaccomplishmajoritycomplicatedmeasurementtask.
Keywords:
VirtualInstrument;LabVIEW;AlarmMonitoring;Program
第一章绪论
1.1选题的目的和意义
随着近代工业逐步向机电一体化方向发展,设备的自动化、智能化、大型化与复杂化程度的不断提高,设备发生故障给企业所带来的经济损失越来越大,因此对设备的运行状况进行实时监测和故障诊断势在必行。
可以这样说,选择正确的设备工作状况监测和故障诊断技术是现代工业保证生产系统运行稳定性和可靠性的重要手段。
而由美国国家仪器(NI)公司研制开发的图形化编程语言LabVIEW就是这样一种正确的选择,它为操作人员提供了一种图形化操作界面,有利于操作人员准确、直观地进行监控,并可以迅速做出判断,减少损失。
1.2国内外研究现状及存在的问题
当前的图形报警系统主要有以下几种类型:
一种是由分区控制器、报警器、总控制器等报警模块组成的多级式报警系统,PC机主要与总控制器进行连接,只负责报表、打印、显示等功能;另一种是以视频监控为主的,通过捕捉处理图像进行报警,有专用的主机和设备,虽然功能强大,但是价格昂贵。
根据上述背景情况,以PC机作为主控机,开发了一款图形报警系统。
LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)是实验室虚拟仪器集成开发平台的简称,它是目前国际上应用最广泛的虚拟仪器开发环境之一,它具有工业标准的图形化编程工具,主要用于开发测试、测量和控制系统。
LabVIEW和传统的编程语言有很多相似之处,如:
数据类型、数据运算、控制结构等。
但与传统的编程语言相比,LabVIEW的主要优势具体体现在以下几个方面:
(1)提供了丰富的图形控件,并采用图形化的编程方法,彻底把工程师们从复杂枯涩的文本编程工作中解放出来。
(2)内建的编译器在用户编写程序的同时就在后台自动完成编译。
(3)由流于采用数据流模型,它实现了自动的多线程,从而能充分利用处理器尤其是多处理器的处理功能。
(4)通过DLL、CIN节点、ActiveX、.NET或MATLAB脚本节点等技术,可以轻松实现LabVIEW与其他编程语言混合编程。
(5)通过应用程序生成器可以轻松地发布EXE、动态链接库或安装包。
(6)LabVIEW提供了大量的驱动与专用工具,几乎能与任何接口的硬件轻松连接。
(7)LabVIEW内建了600多个分析函数,用于数据分析和信号处理。
(8)NI同时提供了丰富的附加模块,用于扩展LabVIEW在不同领域中的应用。
同时,上位机软件采用LABVIEW进行编写,可降低开发难度,缩短开发周期,并可以根据用户的需求对系统做出快速的更改。
虽然LABVIEW的底层也是用C实现的,它也遵循冯诺依曼体系结构,但其在编程方法产生较大改变,使它有了全新的编程概念和思维方式,当然也随之带来了全新的问题,这其中较为明显的是程序流控制方面的问题。
同时,LabVIEW作为一种计算机软件,它可能由于某种原因致使数据丢失或破坏,使读数偏离真实的数值;另一方面,它可以根据使用的操作人员的心理需求和可能变更数据的比例关系,从而造成弄虚作假,使可信度降低。
1.3主要研究内容
LabVIEW上位机报警监视程序设计是利用LabVIEW来实现对设备状态的监视和故障报警。
主要有,利用传感器采集信息,然后传送到上位机上。
同时,上位机软件平台采用LabVIEW图形化编程语言,建立起数据采集和分析处理系统,对传感器采集来的数据进行分析,如果超出预先设定好的范围,在上位机上显示报警信号。
1.4研究的方法、步骤
(1)学习、理解LabVIEW软件,熟悉LabVIEW编程环境,熟练掌握LabVIEW的编程语言,进行程序的编写。
(2)学习、理解报警监视系统的建立过程,了解建立过程中所需的器件及其所起的作用。
(3)结合报警监视系统的方法和要求,利用LabVIEW软件来进行总的程序的编写。
第二章虚拟仪器技术介绍
2.1虚拟仪器概述
仪器技术发展至今,经历了模拟仪器、数字化仪器、智能仪器以及单台仪器、层叠式仪器系统阶段,从20世纪80年代进入虚拟仪器系统时代。
2.1.1虚拟仪器技术的由来
电子技术的飞速发展及其在各方面的广泛应用,对仪器的“智能”要求越来越高,仪器中微机的任务不断加重,仪器在很多方面逐渐向微计算机靠拢。
因此,需要统筹地考虑仪器与计算机之间的系统结构。
在这种背景下,1982年出现了一种新型的、与PC机配合使用的模块式仪器,自动测试系统结构也从传统的机架层叠式结构发展成为模块式结构。
与传统仪器不同的是,模块式仪器本身不带仪器面板,因此必须借助于PC机的强大的图形环境和在线帮助功能,建立图形化的“虚拟的”仪器面板,完成对仪器的控制、数据分析与显示。
这种与PC机结合构成的,包含实际仪器使用与操作信息软件的仪器,称为“虚拟仪器”。
1986年10月,美国NI公司推出了图形化虚拟仪器专用开发平台LabVIEW,它采用独特的图形化编程方式,编程过程简单方便,是目前最受欢迎的虚拟仪器主流开发平台。
在软件上,为了兼顾其他高级语言开发者的习惯,NI还推出了LabWindows/CVI等交互式开发平台。
经过多年的发展,NI公司从正式发布LabVIEW1.0到目前的LabVIEW2010,几乎不到两年就推出一个新版本,可见虚拟仪器技术进步的迅速。
从虚拟仪器概念提出至今,有关虚拟仪器技术的研究方兴未艾。
研究人员在虚拟仪器硬件接口、虚拟仪器软件及其设计方法等方面做了许多有意义的研究工作,并已开发了许多实用的虚拟仪器系统。
典型的虚拟仪器模式可以理解为,除了信号的输入和输出以外,仪器的其他操作,如测量、控制、变换、分析、显示等功能均由软件来实现,它们依据某种通用或专用总线标准或规约,或以某种接口形式,与计算机进行通信,由计算机统一进行调度和管理的一种数字化仪器。
2.1.2虚拟仪器技术的定义
所谓虚拟仪器(VirtualInstrument),是指在以通用计算机为核心的硬件平台上,由用户设计定义,具有虚拟面板,其仪器的大部分测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。
仪器的面板由显示在计算机上的软面板来代替,信号的获取和信号的分析、处理、存储及打印等功能完全由软件来实现。
其实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板,以多种形式表达输出检测结果;利用计算机的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理;利用I/O接口通信设备完成信号的采集与传输,最终完成各种测试功能。
2.2虚拟仪器的组成
虚拟仪器一般由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分组成。
2.2.1虚拟仪器硬件平台
虚拟仪器的硬件一般包括计算机和外围硬件设备。
PC机可以选择各种类型的通用计算机,它是硬件平台的核心。
虚拟仪器使用的个人计算机中,微处理器和总线成为最重要的因素。
它主要用来提供实时高效的数据处理和显示功能。
而外围硬件设备则主要包括各种计算机内置仪器插卡和外置测试仪器设备。
通过友好的图形界面操作,自己定义、自己设计,从而完成对被测试量的采集、分析和显示等功能。
目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、GPIB仪器控制系统、VXI仪器系统以及这三者之间的任意组合。
主要完成被测信号的采集、放大、模/数转换及数/模转换和信号输出控制等。
可根据不同的总线情况采用不同的I/O接口硬件设备,如数据采集卡(DAQ)、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、串口仪器等,虚拟仪器构成方式有五种类型,无论上述哪种VI系统,都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相结合。
其中,PC-DAQ测量系统是构成VI的最基本的方式,也是最廉价的方式。
2.2.2虚拟仪器软件系统
虚拟仪器软件由两大部分构成,即应用程序和I/O接口仪器驱动程序。
(1)应用程序:
①实现虚拟面板功能的前面板的软件程序;
②定义仪器测试功能的流程图软件程序。
(2)I/O接口仪器驱动程序:
这类程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。
输入/输出(I/O)接口软件存在于仪器(即I/O接口设备)与仪器驱动程序之间,是一个完成对仪器内部寄存器单元进行直接存取数据操作,对VXI背板总线与器件作测试和控制,并为仪器与仪器驱动程序提供信息传递的底层软件层,是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基础与核心。
仪器驱动程序是连接上层应用软件与底层输入/输出(I/O)软件的纽带和桥梁。
这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了更多方便条件与良好的开发环境。
2.3虚拟仪器的功能及特点
2.3.1虚拟仪器的功能
虚拟仪器利用个人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,完成对仪器的控制,数据分析与显示。
目前虚拟仪器广泛应用于电子测量、电力工程、矿质勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等诸多领域。
虚拟仪器的基本功能有以下三点:
(1)信号调理与采集功能
此项功能主要是由虚拟仪器的硬件平台完成的。
仪器硬件可以是插入式数据采集卡及必要的外围电路,或者是带标准总线接口的仪器,如GPIB,VXI,PXI,STD,PCI总线仪器和网络化仪器等。
(2)数据分析与处理功能
虚拟仪器充分利用了计算机的高速存储功能、运算功能,并通过软件实现对输入信号的分析处理,如数字滤波、统计处理、数值计算、信号分析、数据压缩、模式识别等数字信号处理。
(3)参数设置和结果表达功能
虚拟仪器充分利用计算机的人机对话功能,完成仪器的各种工作参数的设置,如功能、频段、量程等参数的设置,对测量结果的表达与输出有多种方式,如屏幕显示,电、磁、光存储,绘图打印,网络传输等。
2.3.2虚拟仪器的特点
虚拟仪器技术就是基于PC技术的、用户自定义的测试和测量解决方案,其四大优势在于:
性能强性价比高、扩展性强、开发时间短,以及出色的集成功能。
(1)性能强性价比高
以软件为主的测量系统,充分利用了常用台式计算机及工作平台的计算、显示和互联网等的强大功能。
由于传送的信号大多是数字信号,数据的处理几乎是软件实现的,从而大大降低了环境干扰和系统误差的影响。
(2)扩展性强
虚拟仪器的硬、软件具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。
为提高测试系统的性能,可以方便地加入一个通用仪器模块或更换一个仪器模块,而不必购买一个全新的系统,大大有利于测试系统的功能扩展。
(3)开发时间短
在驱动和应用两个层面上,优秀虚拟仪器开发平台已经将其高效的软件构架与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起,给用户提供最方便的、最灵活的操作以及强大的功能,让用户轻松地配置、创建、部署和维护高性能、低成本的测量和控制解决方案。
(4)出色的集成
随着产品在功能上不断地趋于复杂,工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求,虚拟仪器软件平台为大部分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,减少了任务的复杂性。
2.4虚拟仪器的应用前景
近年来,世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件,以便使用者利用这些仪器公司提供的开发平台组建自己的虚拟仪器或测试系统。
最早和最具影响的开发软件,是NI公司的LabVIEW软件和LabWindows/CVI,LabVIEW采用图形化编程方案,是非常实用的开发软件。
LabWindows/CVI是为熟悉C语言的开发人员准备的、在Windows环境下的标准ANSIC开发环境。
虚拟仪器正在继续迅速发展。
虚拟仪器的突出成就不仅是可以利用PC机组建灵活的虚拟仪器,取代测量技术传统领域的各类仪器,更重要的是它可以通过各种不同的接口总线,组建不同规模的自测试系统。
它可以与不同的接口总线的沟通,将虚拟仪器、带接口总线的各种电子仪器或各种插件单元,调配并组建成为中小型甚至大型的自动调试系统。
虚拟仪器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性与经济性,因而虚拟仪器将会在科学技术的各个领域得到广泛应用。
第三章LabVIEW软件的学习
3.1LabVIEW8.5开发环境
启动LabVIEW8.5程序初始化界面如下图所示:
左边新建栏中的VI选项用于创建一个新的空白的VI程序;项目可以创建一个新的工程项目;基于模板的VI按类型列出LabVIEW自身提供的VI模板,用户可以以这些模板为基础,建立自己的程序;更多选项和基于模板的VI选项的功能类似。
打开栏中列出了最近打开的工程项目和VI程序列表,通过浏览可以选择其他的项目和VI程序。
图中右边主要列出了LabVIEW的帮助信息,通过选择这些信息用户可以更好地学习LabVIEW。
3.2LabVIEW应用程序的构成
所有的LabVIEW应用程序,即虚拟仪器(VI),都包括前面板、流程图以及图标/连结器三部分。
3.2.1前面板介绍
前面板的开发窗口如图1所示。
窗口中包含主选菜单栏和快捷工具栏。
用户制作虚拟仪器前面板是用工具选板中相应的工具去选取控件选板上的相关控件,并拖入到窗口中的适当位置。
图1前面板的编辑窗口
前面板上的工具条:
:
运行按钮。
:
连续运行按钮。
:
中断运行按钮。
当编码出错使VI不能编译或运行时,中断运行按钮将替换运行按钮。
:
异常终止执行按钮。
:
暂停/继续按钮。
:
对齐对象按钮。
用于将变量对象设置成较好的对齐方式。
:
分布对象按钮。
用于对两个及其以上的对象设置最佳分布方式。
:
调整对象大小按钮。
用于将若干个前面板对象调整到同一大小。
前面板是图形用户界面,也就是VI的虚拟仪器面板,这一界面上有用户输入和显示输出两类对象,具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控件和显示对象。
3.2.2程序框图介绍
程序框图是图形化程序的源代码,是VI测试功能软件的图形化表述。
虚拟仪器通过软件编程来实现测试功能。
图2所示为程序框图编辑窗口。
选用工具选板中相应的工具去控件功能选板上的有关图标来设计制作虚拟仪器流程图,以完成虚拟仪器的设计工作。
图2程序框图的编辑窗口
程序框图工具条:
:
加亮执行按钮。
当程序执行时,在框图代码上能够看都数据流,这对于调试和校验程序的正确运行是非常有用的。
在加亮的执行模式下,按钮转变成一个点亮的灯泡:
。
:
保存连线值按钮。
:
单步进入按钮。
允许进入节点,一旦进入节点,就可在节点内部单步执行。
:
单步跳过按钮。
单步跳过节点,但不执行时不进入节点内部但有效地执行节点。
:
单步跳出按钮。
允许跳出节点,通过跳出节点可完成该节点的单步执行并跳转到下一个节点。
:
文本设置按钮。
:
层叠顺序。
在程序框图中对VI编程,以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。
程序框图中包括前面板上的控件的连线端子,还有一些前面板上没有,但编程必须有的东西,例如函数、结构和连线等。
3.2.3图标/连接器简介
VI具有层次化和结构化的特征。
一个VI可以作为子程序,这里称为子VI(SubVI),被其他VI调用。
图标与连接器在这里相当于图形化的参数。
构造子VI主要的工作就是定义它的图标和联接器。
每个VI在前面板和流程图窗口的右上角都显示了一个默认的图标。
可以用窗口左边的各种工具设计像素编辑区中的图标形状。
编辑区右侧的一个方框中显示了一个实际大小的图标。
联接器是VI数据的输入输出接口。
如果用面板控制对象或者显示对象从子VI中输出或者输入数据,那么这些对象都需要在联接器面板中有一个连线端子。
用户可以通过选择VI的端子数并为每个端子指定对应的前面板的对象以定义联器。
3.3LabVIEW的操作选板
在LabVIEW的用户界面上,应特别注意它的操作模板,包括工具选板、控件选板和函数选板。
这些选板集中反映了该软件的功能与特征。
3.3.1工具选板介绍
该选板提供了各种用于创建、修改和调试VI程序的工具,如图3所示。
如果该选板没有出现,则可以在查看菜单下选择工具选板命令以显示该选板。
图3工具选板
数据操作工具:
使用该工具来操作前面板的控制和显示。
使用它向数字或字符串控制中键入值时,工具会变成标签工具的形状。
对象选择工具:
用于选择、移动或改变对象的大小。
当它用于改变对象的连框大小时,会变成相应形状。
文本编辑工具:
用于输入标签文本或者创建自由标签。
当创建自由标签时它会变成相应形状。
连线工具:
用于在框图程序上连接对象。
如果联机帮助的窗口被打开时,把该工具放在任一条连线上,就会显示相应的数据类型。
弹出选单工具:
用于弹出右键快捷选单,与单击鼠标右键作用相同。
滚动窗口工具:
同时移动窗口内所有的对象。
断点工具:
使用该工具在VI的框图程序内设置或清除断点。
探针工具:
可以在框图程序内的数据连线上设置数据探针。
程序调试员可以通过控针窗口来观察该数据流线上的数据变化状况。
颜色复制工具:
使用该工具来提取颜色用于编辑其他的对象。
颜色工具:
用来给对象定义颜色。
它也显示出对象的前景色和背景色。
3.3.2控件选板介绍
该选板用来给前面板的设置各种所需的输出显示对象和输入控件对象。
控件选板如下图4所示,它包括如下所示的一些子选板。
每个图标代表一类子选板。
如果控件选板不显示,可以用查看菜单的控件选板功能打开它,也可以在前面板的空白处,点击鼠标右键,以弹出控件选板。
图4控件选板
注:
只有当打开前面板窗口时才能调用控制模板。
控制模板如上图所示,它包括如图所示的几个子模板:
数字型模板:
包含数值的控制和显示。
布尔型模块:
逻辑数值的控制和显示。
字符串模板:
字符串和路径的控制和显示。
列表和表格模板:
表格和列表栏的控制和显示。
数组和矩阵模板:
复合型数据类型的控制和显示。
图形模板:
显示数据结果的趋势图和曲线图。
路径和参考名模板:
文件路径和各种标识的控制和显示。
控件容器库模板:
用于操作OLE、ActiveX等功能。
对话框模板:
用于输入对话框的显示控制。
修饰模板:
用于给前面板进行装饰的各种图形对象。
3.3.3函数选板介绍
函数选板是创建流程图程序的工具。
该选板上的每一个顶层图标都表示1个子选板。
若函数选板不出现,则可以用查看菜单下的函数选板功能打开它,也可以在流程图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出函数选板,函数选板如下图5所示。
图5函数选板
注:
只有打开了程序框图窗口,才能出现功能模板。
功能模板如下图所示:
结构模板:
包括程序控制结构命令,例如循环控制等,以及全局变量和局部变量。
数值运算模板:
包括各种常用的数值运算符,如+、-等;以及各种常见的数值运算式,如+1运算;还包括数制转换、三角函数、对数、复数等运算,以及各种数值常数。
布尔逻辑模板:
包括各种逻辑运算符以及布尔常数。
字符串
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