强力推荐：基于虚拟仪器的压力监测系统(毕业设计)

摘 要

生产过程参数的智能监测是实现自动化的重要标志，监测到的数据需要进行实时采集、传送、处理。随着计算机技术、通信技术的迅速发展，虚拟仪器率先由美国于20世纪80年代末研制成功，它是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物。其运用配套的虚拟仪器开发软件，借助PC机超强的计算处理能力而被广泛的运用于工厂的各种数据监测与处理。

本设计为多通道压力监测系统，用来监测来自各处不同的压力变化情况。实现4路压力的实时监测、波形显示。具体为应用LabVIEW 图形化编程软件和LabJackU12数据采集卡设计4通道压力监测系统，采用压力传感器，对4路压力数据进行采集、分析处理、存储显示，实现压力数据的曲线和数字实时显示，并具有超限报警功能，并对数据进行统计分析，利用EXCEL工具箱实现报表输出。

本系统包括三个基本硬件部分：压力传感器，数据采集卡，PC机。其中，压力测量利用AK-4型数字压力传感器，传感器输出的4-20mA信号送入调理电路转换为1-5V电压信号，再送入LabJack U12数据采集卡将模拟量到数字量的转换，并输入到PC机中，然后利用PC机中的LABVIEW图形化编程软件将输入的电压信号处理输出并且显示，并对信号进行分析对超限信号起到报警功能。

关键词：压力监测 LABVIEW 数据采集

ABSTRACT

Intelligent monitoring of the production parameters is an important symbol to automate. The monitoring of the data requires real-time acquisition, transmission, processing. With computer technology, communication technology, the rapid development of the first virtual instrument was developed in the late 80 by the United States in the late 20th century, the successful development of computer systems and equipment, it is the product of the combination system technology. Its application supporting the development of virtual instrument software, with PC-super-computing processing power has been widely used in a variety of plant data monitoring and processing.

The design for the multi-channel pressure monitoring system, used monitor the pressure from changes in various parts. Pressure to achieve 4-way real-time monitoring, waveform display. Specifically for the application of LabVIEW graphical programming software and LabJackU12 Data Acquisition Card Design 4-channel pressure monitoring system, using pressure sensors, pressure on the 4-way data collection, analysis and processing, storage, display, realization of the curve of pressure data and digital real-time display, and has The more limited alarm functions, and statistical analysis of data using EXCEL toolbox to achieve report output.

The system consists of three basic hardware components: pressure sensors, data acquisition card, PC machine. Among them, pressure measurement using AK-4 type digital pressure sensor, the sensor output 4-20mA signal into the conditioning circuit is converted to 1-5V voltage signal, and then into the LabJack U12 data acquisition card will be analog to digital conversion, and enter the to a PC machine and then use the PC, the LABVIEW graphical programming software to input the output voltage signal processing and displays, and signal analysis of the overrun alarm signal to play.

Key words: Pressure monitor Labview Data acquisition

目 录

第一章 绪论 ............................................................................................................................ 5 1.1 引言 .................................................................................................................................. 5 1.2 课题的提出与意义 .......................................................................................................... 6 1.3课题的实现 ...................................................................................................................... 6 第二章 压力监测系统总体设计 ............................................................................................ 7 2.1设计思路 .......................................................................................................................... 7 第三章 压力传感器 ................................................................................................................ 9 3.1 压力传感器定义 .............................................................................................................. 9 3.2 压力传感器分类 .............................................................................................................. 9 3.3 传感器的使用原则 .......................................................................................................... 9 3.4 传感器的选用 ................................................................................................................ 11 3.4.1 传感器的选用 ......................................................................................................... 11 3.4.2 AK-4型压力传感器特点 ........................................................................................ 12 3.4.3 AK-4型压力传感器性能技术指标 ........................................................................ 12 第四章 数据采集 .................................................................................................................. 13 4.1数据采集 ........................................................................................................................ 13 4.2LABJACK数据采集卡 ...................................................................................................... 13 4.2.1LabjackU12简介 ...................................................................................................... 14 4.2.2数据采集硬件配置 .................................................................................................. 15 4.2.3数据采集的软件驱动 .............................................................................................. 15 第五章 虚拟仪器的概述 ...................................................................................................... 17 5.1 虚拟仪器的概念 ............................................................................................................ 17 5.2 虚拟仪器的组成 ............................................................................................................ 18 5.3 虚拟仪器的特点及优势 ................................................................................................ 20 5.4 虚拟仪器与传统仪器的比较 ........................................................................................ 21 第六章 软件设计 .................................................................................................................. 23 6.1程序主界面 .................................................................................................................... 23 6.2程序各部分设计 ............................................................................................................ 25 6.2.1存盘程序的后面板界面 .......................................................................................... 25 6.2.2 Labjack信号采集 .................................................................................................... 26 6.2.3 信号采集的通道设置 ............................................................................................. 27 6.3压力监测功能的实现 .................................................................................................... 28

总 结 .................................................................................................................................. 30 谢 辞 .................................................................................................................................. 31 参考文献 .................................................................................................................................. 32

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第一章 绪论

1.1 引言

压力是人们所熟知的名词，在认知中的压力定义有很多,施加在物体上的力则是普遍认为。在医学应用中压力则定义为不是一种想象出来的疾病而是身体“战备状态”的反应，这是当我们意识到某种情形，或者某个人，或者某件事情具有潜在的威胁性的时候做出的反应[1]。而本论文所研究的压力不涉及到医学，而主要关注与普遍的认知物体所施加的力。

生活中监测系统这一词应用广泛，很多人只是听说过却无法准确的定义什么是监测系统，在本设计中我也通过用心去体会并在网上找到准确的监测系统的定义。监测系统对于工业生产和各行各业都是不可缺少的。随着各种现代化设备的增加，各种数据的实时测量和分析成了通讯企业工作量较大的内容。监测系统帮助管理人员对设备进行实时监控，预防故障的发生或者在故障发生后提供最及时的资料。自动监测系统可以减少配备人员的数量并提高监测业务的效率[3]。

压力监测系统是本论文的中心内容，同时也是科技社会的主流研究内容。顾名思义，压力监测系统是上述两项定义的结合，压力监测是通过利用先进的仪器仪表系统对工业机械上所产生或应用的压力进行实时的监控并进行控制。而监控的手段就要涉及到我所学的专业，测控技术。

测控技术在现代科学技术、工业生产和国防科技等诸多领域中应用十分广泛，它的现代化已被认为是科学技术、国防现代化的重要条件和明显标志。20世纪70年代以来，计算机、微电子等技术迅猛发展，在其推动下，测控仪器与技术不断进步，相继诞生了智能仪器、PC仪器、VXI仪器、虚拟仪器及互换性虚拟仪器等微机化仪器及其自动测控系统，计算机与现代化仪器设备间的界限日渐模糊，测控领域和范围不断拓宽[1] 。

电子测量技术作为测控技术的一部分，其发展总是与自然科学，特别是电子技术的最新发展紧密相连。从传统的电测量指示仪表、数字化仪表到智能仪器，再到虚拟仪器，电子测量技术发生了革命性变化。虚拟仪器改变了传统测量仪器的概念、模式和结构，用户完全可以自己定义一起的功能和参数，即“软件即是仪器”，虚拟仪器以其特有的优势显示了强大的生命力[2]。

虚拟仪器技术综合运用了计算机技术、数字信号处理技术、标准总线技术和软件工程技术，代表了测量仪器与自动测试系统的未来发展方向。采用虚拟仪器构建测试仪器，开发效率高，可维护性强，测试精度、稳定性和可靠性能够得到充分的保证，具有很高的性能价格比，节省投资，便于设备的更新和功能的转换与补充。因此，虚拟仪器在产品性能测试、设备故障诊断、生产过程控制中得到普遍应用。

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1.2 课题的提出与意义

压力是工业生产过程中的一个重要参数,准确地测量压力进而控制压力,对保证设备安全和经济运行有重要意义。影响到整个设备的安全和经济效益。因此，准确测量压力意义十分重要。

高速发展的工业控制领域离不开压力的测量，测量技术和仪器变得越来越重要。但由于弊端的传统手段，如价格昂贵、功能单一、可扩展性不好等，很难满足业界的要求。随着计算机技术和虚拟仪器的发展，用户的设计范围变得比较广泛。采用虚拟仪器构建测试仪器，开发效率高，可维护性强，测试精度、稳定性和可靠性能够得到充分的保证，具有很高的性能价格比，节省投资，便于设备的更新和功能的转换与补充。本课题也由此而提出。

1.3课题的实现

对于本课题，有很多的实现方法，然而对于我来讲因为资金与实验条件的多种限制，使我只能用很简单的方式来模拟这种压力监测。而如今的科技发展离不开计算机，而作为PC机应用程序的Labview作为一种图形化编程的语言不但使用方便而且满足功能因此被我选择使用设计并实现此课题。

Labview是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是Labview与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而Labview使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式[3]。

虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的Labview。

图形化的程序语言，又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，Labview是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。

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第二章 压力监测系统总体设计

2.1设计思路

本设计为压力监测系统，并通过Labview进行图形化编程。整体设计思路如下：利用压力传感器监测压力信号此信号为模拟信号，并由数据采集系统进行A/D信号转换将模拟信号转换成数字信号送入PC机。进入PC机的数字信号由Labview软件采集，通过设计图形化的界面实现多通道（4通道）的动态数据（波形）显示。在采集信号的同时可设定信号上限，超出的信号不能显示出来并使路灯闪亮。最终收集到的数据通过报表的形式输出。

对于虚拟仪器LABVIEW，软件才是它的核心。在规划、设计整个系统软件时应坚持以下几个原则：操作界面友好，使用方便。以方便习惯使用现有测量仪的人员的使用；另一方面也是让工作人员更容易接受这套系统。labview软件设计动态特性测试系统，实现数据采集、波形显示、静态特性分析、数据保存及回放等功能。这些功能主要通过Labview软件实现的。本实验的软件部分主要设计四个部分：信号的采集、数据的写入、数据的读出、数据的拟合。最后在软件的前面板显示出动态特性测试结果。图2-1为系统总体设计框图。

信号输入 数据采集 PC机 LABVIEW 图2-1系统总体设计框图

利用压力传感器，传感器输出的信号送入电路转换为电压信号，再送入数据采集卡将模拟量到数字量的转换，并输入到PC机中，然后利用PC机中的LABVIEW图形化编程软件将输入的电压信号处理输出并且显示，并对信号进行分析对超限信号起到报警功能，数据可由EXCEL生成报表。图2-2为系统的总细节框图。

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报警(绿灯亮) LABVIEW 数据处理 数据接收 压力信号（电流信号）通过接入电阻转换成电压信号 EXCEL工具箱实现报表输出 存储显示压力数据的曲线和数字实时显示 数据采集卡接受模拟信号进行A/D转换成数字信号 压力传感器接受压力信号

图2-2 系统总体细节框图

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第三章 压力传感器

3.1 压力传感器定义

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。

3.2 压力传感器分类

1.应变片压力传感器电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。

2.陶瓷压力传感器抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变。

3.扩散硅压力传感器工作原理被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。

4.蓝宝石压力传感器 利用应变电阻式工作原理，采用硅- 蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。

5．压电压力传感器压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失。

3.3 传感器的使用原则

现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理[6]。

1．根据测量对象与测量环境确定传感器的类型

要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。

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在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。

2．灵敏度的选择

通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。

传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。

3.频率响应特性

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。

4.线性范围

传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。

但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。

5.稳定性

传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。

在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。

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6.精度

精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。

如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。

对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。

3.4 传感器的选用 3.4.1 传感器的选用

总结以上本设计选用AK-4型为压力传感器。本传感器具有零点、灵敏度调整功能，标准电压、电流信号输出，精度高，性能稳定可靠，结构紧凑、安装使用方便，广泛用于各种动、静态；气、液态介质的压力测量、控制，根据用户要求可提供各种螺纹接。

AK-4型压力传感器主要用途：该传感器适用于各种动、静态、气、液体介质的压力测量。图3-1为AK-型压力传感器的实物图，图3-2为示意图。

图3-1实物图

图3-2示意图

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3.4.2 AK-4型压力传感器特点

1.具有零点、灵敏度调整功能，标准电压、电流信号输出 2.精度高，性能稳定可靠，结构紧凑，安装使用方便 3.根据用户要求可提供各种螺纹接口 4.分类:AK-4a：普通型铝外壳

AK-4b：不锈钢外壳

AK-4c：密封型：全O圈密封，隔潮；全不锈钢结构，防腐蚀

AK-4f：数显压力变送器，1/2数码显示，直接显示压力数值，并且具有变送

功能。

3.4.3 AK-4型压力传感器性能技术指标

AK-4型压力传感器的主要技术指标如表3-1所示

表3-1 AK-4型压力传感器的主要技术指标 技术指标 量程 输出信号 精度 非线性 迟滞 重复性 供桥电压 绝缘电阻 工作温度 零点偏移 热零点偏移 热灵敏度偏移 允许过负荷 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 技术参数 0---0.1,0.2,0.5,1,2,5,10,15,20,25,30,40,50,60,100 0-5，1-5 4-20，0-10 0.3 0.3 0.3 0.3 ±6，12，24 ≥100 -10至+50 0.3 0.3 0.3 120 插座：1、电源（+）；2、输出（+）3输出（-）；4电源（-）。导线连接方式见合格证书 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 单位 MPa V mA %FS %FS %FS %FS VDC MΩ ℃ %FS/4h %FS/10℃ %FS/10℃ %FS 接线方式

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第四章 数据采集

4.1数据采集

数据采集(DAQ)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析,处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。通常，必须在数据采集设备采集之前调制传感器信号,包括对其进行增益或衰减和隔离,放大,滤波等.对待某些传感器，还需要提供激励信号．

在工业现场，我们会安装很多的各种类型的传感器，输入压力的温度的流量的声音的电参数的等等，受现场环境的限制传感器信号如压力传感器输出的电压或者电流信号不能远传或者因为传感器太多布线复杂，我们就会选用分布式或者远程的采集卡[3]（模块）在现场把信号较高精度地转换成数字量，然后通过各种远传通信技术（如485、232、以太网、各种无线网络）把数据传到计算机或者其他控制器中进行处理。这种也算作数据采集卡的一种，只是它对环境的适应能力更强，可以应对各种恶劣的工业环境。

如果是在比较好的现场或者实验室，如学校的实验室，就可以使用USB/PCI这种采集卡。和常见的内置采集卡不同，外置数据采集卡一般采用USB接口和1394接口，因此，外置数据采集卡主要指USB采集卡和1394采集卡。

4.2Labjack数据采集卡

通过以上说明我的设计为实验室设计因此最适合使用USB采集，而基于我所设计内容特点我选用数据采集卡labjackU12来完成。将采集到的信号放大滤波后，由数据采集卡labjack进行A/D转换并将其送入PC机中。虚拟仪器是计算机和仪器技术深层次结合的产物,它将计算机硬件资源仪器与测控系统硬件资源和虚拟仪器软件资源有效结合起来。基于LabJackU12数据采集器和LabVIEW图形化编程语言组成虚拟仪器测试系统的硬件和软件以及仪器的功能特点,实现了数据采集测试的控制与实时显示数据存储与分析等功能,提高了测试的精度。且灵活性好,能够根据需要移植应用到其它的测试场合[8]。

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4.2.1LabjackU12简介

图4-1 LabJackU12的正面图

数据采集硬件有多种形式，数据采集硬件的选择要根据具体的场合并考虑到自己现有的技术资源，本次课题采用U12产品，如图4-1所示。

LabJackU12是一个USB接口的、多功能数据采集控制器，是目前性价比最高的多功能数据采集控制器。它使计算机轻而易举地和外部物理世界联系起来，被广泛地应用于测试仪器，工业过程控制，数据监视等各种数据采集和控制场合。LabJackU12是美国LabJack公司研发、生产的产品

2.±10伏的模拟量输入范围

3.具有可编程放大器，增益为1，2，4，5，8，10，16或20倍

4.采样速率可高达8000赫兹（在短时读模式下）或1200赫兹（在连续读模式下） 5.支持软硬件定时采样 6.支持触发采样 7.四个模拟量输出

8.20个数字输入输出口（每个口的速率可达到50赫兹） 9.1个32位计数器 10.具有看门狗定时器功能 11.是个使用方便的PnPUSB设备

12.一个USB口可以连接80个LabJack从而组成庞大系统 13.百分之百的软件控制，没有任何跳线或开关 14.不需要外部电源

15.提供完整的驱动软件和一些应用软件 16.包含LabView和VB程序

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[10]

。LabJackU12主要性能和特点如下：

1.12位、八个单端或四个差动的模拟量输入

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17.可在视窗操作系同98SE，ME，2000或XP上使用 18.详尽的中英文技术文档 19.CE认证产品

20.可在工业温度范围内使用 21.包括所有连接缆线和接线端口 22.大约尺寸为10cm×15cm×3cm

LabJackU12要求计算机操作系统是Windows（视窗）98SE，ME，2000或XP。要确定操作系统版本，点击开始->设置->控制面板->系统->常规，确认版本号是4.10.2222或更高。对软硬件安装的先后次序没有要求。

4.2.2数据采集硬件配置

在计算机正常运行状态下，用提供的连接线把LabJackU12接到计算机的USB口上。这根USB连接线为LabJackU12提供了电源以及它与计算机间的通讯。状态发光二极管会快速闪烁4次（频率大约4赫兹），然后保持暗状态，这说明计算机正在访问查寻。访问查寻是计算机操作系统对一个USB器件进行信息读取的过程，这些信息是用来描述被查询器件的名称及其功能。Windows本身自带LabJackU12所需的底层驱动程序，接上LabJack后，系统自动开始访问查寻。Windows对一个新器件进行首次访问查寻时可能需要一两分钟，Windows可能会告诉你它正在安装驱动程序，如果Windows出现提示，请接受所有的缺省值。如果必要，重新启动计算机，此时可能需要视窗的安装光盘，请确定所提供光盘的视窗版本是否正确。访问查寻在每次连接时都会发生，但只需几秒钟。访问查寻完成后，发光二极管会闪两次并保持亮状态，这说明视窗己正常地访问查寻了LabJack。如果LabJack不能被访问查询：检查计算机的操作系统的版本号是4.10.2222或更高，尝试将LabJack连到另一台计算机上；尝试将其他USB设备连到该计算机上。

4.2.3数据采集的软件驱动

虽然Windows已包含了LabJack所需的USB底层驱动程序，但是它还需要高级驱动程序来进行数据的传送和接收。随机提供的安装光盘将安装高级驱动程序、应用程序和一些范例程序的源代码。插入安装光盘前，关闭所有打开的应用程序，特别是与LabJack相关的软件。安装程序通常会开始运行。如果安装程序没自动运行，你可用鼠标双击在光盘上的LabJackVXXX.exe。LabJack安装结束后会安装美国国家仪器仪表公司的Labview运行引擎LVRTE）。所安装的应用程序是需要该引擎才能运行的。如果有重启的提示，请照办。一些病毒扫描程序和LVRTE的安装可能有冲突。如果运行应用程序出错，重复以上安装直到LVRTE正确为止。要测试安装正确与否，运行LJTEST程序。开始=>程序=>LabJack=>LJtest确定没选择“TestFixtureInstalled”和“Continuous”，按运行（RUN）按钮，LJtest应该一项项地测试并通过8个独立的测试。

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安装光盘会安装高级驱动程序(ljackuw.dll)、高级驱动程序的ActiveX接口和调用这些动态链接库的Labview子程序。DLL和OCX安装在Windows的系统目录中。如果安装程序能找到Labview的目录，它会把Labview的子程序拷贝到“\\vi.lib\\addons\\”目录下。这样他们会出现在Labview的功能板上。否则，这些子程序会被复制到

c:\\ProgramFiles\\LabJack)\\drivers\\labview目录中。LabJackDLL中有38个函数，OCX和Labview子程序中也有相应的函数。由于ActiveX的限制性，OCX中有两个附加的函数。除了AIBurst和AIStreamStart/Read/Clear，所有函数都是指令/相应模式。大多数函数使用了下列两个参数：errorcode–LabJack特定的错误码。0指没有错误，2指没有找到LabJack。用“GetErrorString”函数可以获得错误信息或见本文件中4.24段。idnum–该参数可以是设备号，系列号，或者-1。设备号或系列号指定某个LabJack，而-1指所能找到的第一个LabJack。每个LabJack都有设备号和系列号。设备号是在0和255之间的一个数，用户可以改变它。系列号是256到2,147,483,647之间的一个数。每个LabJack都有一个唯一的系列号，用户是不能改变它的。为了能让更多的编程语言调用，尽量使用基本的变量类型。所有声明都使用C写的。在ActiveX中如有不同，我们都会详细说明的。参数前的“*”号说明该参数是个指针。这样的参数可以是输入，也可以使输出，而非指针参数一定是输入。有时指针不是指向一个单一值的，而是指向一个数组。这在参数说明中都会提到。一些数字口的参数用一个值来包含每位I/O口的信息，每一位I/O口在参数中都有其对应的位（如参数trisD中的第0位对应设置数字口D0的输入输出方向）。比如在DigitalIO函数中，参数*trisD是指向以内存的指针，而该内存的值表示了16个数字线的方向：如果*trisD指向的值是0，那么所有的数字线将都是输入线。如果*trisD指向的值是1(2^0)，那么D0是输出，D1-D15是输入。如果*trisD指向的值是5(2^0+2^2),那么D0和D2使输出，而其他都是输入。如果*trisD指向的值是

65535(2^0+?+2^15),则D0-D15都是输出。*trisD所致的值的范围是0到65535。当调用DigitalIO时，如果updateDigital>1，那么所有的数字线都会根据*trisD所指向的值被设定成输入或输出。当DigitalIO返回时，*trisD所指向的值也和LabJackU12中方向寄存器中的状态相对应[12]。

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第五章 虚拟仪器的概述

5.1 虚拟仪器的概念

虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司（National Instruments）最先提出的。NI公司同时也提出了“软件即仪器”的口号，彻底打破了传统仪器只能由厂家定义，用户无法改变的局面，从而引起了仪器和自动化工业的一场革命。随着现在硬件和软件技术的飞速发展，仪器的智能化和虚拟化成为各级实验室以及研究机构发展的方向。虚拟仪器，它既具有传统仪器的功能，又有别于其他传统仪器。它能够充分利用和发挥现有计算机的先进技术，使仪器的测试和测量及自动化工业的系统测试和监控变得异常方便和快捷。所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统之中；可自由构建成专有仪器系统。虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器[9]。

虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器”。该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分。虚拟仪器技术的实质是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。虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器（包括GPIB、RS-232等传统仪器以及新型的VXI模块化仪器）为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件（处理器、存储器、显示器）和测量仪器（频率计、示波器、信号源）等硬件资源与计算机软件资源（包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及图形用户界面）有机的结合起来。软件是虚拟仪器的关键，当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求。利用计算机丰富的软、硬件资源，可以大大突破传统仪器的数据的分析、处理、表达、传递、存储等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。它不仅可以用于电子测量、测试、分析、计量等领域，而且还可以用于进行设备的监控以及工业过程自动化。虚拟仪器还可以广泛用于电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等多个方面。

虚拟仪器的设计方法和实现步骤与一般软件的设计方法和实现步骤基本相同 ，只不过虚拟仪器设计时要考虑硬件部分。虚拟仪器设计方法主要包括以下三个部分：

1.IO接口仪器驱动程序的设计 2.仪器面板的设计 3.仪器功能算法的设计

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5.2 虚拟仪器的组成

虚拟仪器从构成要素上讲，由计算机、应用软件和仪器硬件等构成；从构成分式上讲则由以DAQ板和信号调理为仪器硬件而组成的PC-DAQ测试系统，或已GPIB，VXI，Serial和Field bus等标准总线仪器为硬件组成的GPIB系统、VXI系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。虚拟仪器的构成如图5-1所示。

图5-1 虚拟仪器组成框图

目前，虚拟仪器的构成方式有以下几种： 1.PC-DAQ插卡式的VI

这种方式用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件，便可构成各种数据采集和虚拟仪器系统。它充分利用了计算机的总线、机箱、电源以及软件的便利，其关键在于A/D转换技术。这种方式受PC机机箱、总线限制，存在电源功率不足，机箱内噪声电平较高、无屏障，插槽数目不多、尺寸较小等缺点。随着基于PC的工业控制计算机技术的发展，PC-DAQ方式存在的缺点已经和正在被克服。因个人计算机数目非常庞大，插卡式仪器价格便宜，因此其用途广泛，特别适用于工业测控现场、各种实验室和教学部门使用。

2.并行口式的VI

最新发展的可连接到计算机并行口的测试装置，其硬件集成在一个采集盒里或探头上，软件装在计算机上，可以完成各种VI功能。它的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC相连，实现台式和便携式两用，非常方便。 3.GPIB总线方式的VI

GPIB（General Purpose Interface Bus）技术是IEEE488标准的VI早期的发展阶段。它的出现使电子测量由独立的单台的手工操作向大规模自动测试系统发展。典型的GPIB系统由一台PC机，一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下，一块GPIB接口卡可带多达14台的仪器，电缆长度可达20m。

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GPIB技术可以用计算机实现对仪器的操作和控制，代替传统的人工操作方式，很方便的把多台机器组合起来，形成大的自动测试系统。GPIB测试系统的结构和命令简单，造价较低，主要市场在台式仪器市场。适用于精确度要求高，但对计算机速率要求和总线控制实时性要求不高的场合应用。

4.VXI总线方式的VI

VXI总线是VMEbus eXtension for Instrumentation的缩写，是高速计算机总线VME在VI领域的扩展，有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。由于它的标准开放，且具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，得到广泛的应用。经过多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，有其他仪器无法比拟的优势，适用于组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合，但VXI系统要求有专用的机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。

5.PXI总线方式的VI

PXI总线是PCI eXtension for Instrumentation 的缩写，是PCI在VI领域的扩展。这种新型模块化仪器系统是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，具有多板同步触发、精确定时的星形触发、相邻模块间高速通讯的局部总线以及高度的可扩展性等优点，适用于大型高精度集成系统。

6.网络接口方式的VI

尽管Internet 技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起，不过NI等公司已经开发了通过Web浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品，使人们可以通过Internet 操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性，我们能够方便的将虚拟仪器组成计算机网络。利用计算机网络将分散在不同地理位置不同功能的设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。现在，有关MCN（Measurement and Control Networks ）方面的标准正在积极进行，并取得一定的进展。由此可见，网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。

7.USB接口方式的VI

Universal Serial Bus（USB）因为其在PC机上的广泛使用、即插即用的易用性和USB2.0高达480Mbits/s的传输速率，逐渐的成为仪器控制的主流总线技术。现在计算机上的USB接口越来越多，也使得工程师可以很方便的将基于USB的测量仪器连接到整个系统中。但是USB在仪器控制方面上亦有一些缺点。比如说USB的排线没有工业标准的规格，在恶劣的环境下，可能造成数据的丢失，此外，USB对排线的距离也有一定的限制。

无论哪种VI系统，都是将硬件仪器搭载到笔记本电脑，工作站等各种计算机平台加上应用软件构成的。

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5.3 虚拟仪器的特点及优势

虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心，如图2-1所示，其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。虚拟仪器中应用程序将可选硬件（如GPIB，VXI，RS-232，DAQ板）和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。源代码库函数为用户构造自己的虚拟仪器（VI）系统提供了基本的软件模块。由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的VI系统而不丢失己有的硬件和软件资源[7]。

操作系统虚拟仪器软件面板虚拟仪器开发者虚拟仪器开发者虚拟仪器软件开发平台底层驱动程序硬件模块 图5-2 虚拟仪器开发框图

虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。虚拟仪器技术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” 。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程。虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。

虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。PC机出现以后，仪器级别的计算机化成为可能，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了

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LabVIEW2.0以前的版本。对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威[11]。

普通的PC有一些不可避免的弱点。用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能太高。目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了VXI标准，这是一种插卡式的仪器。每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。这些卡插入标准的VXI机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。VXI仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的PXI标准仪器。

虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。目前使用较多的是IEEE488或GPIB协议。未来的仪器也应当是网络化的。

利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位编译器。像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。

虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势，但它并不否定传统仪器的作用，它们相互交叉又相互补充，相得益彰。在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的，甚至不可思议的工作。

专家们指出，在这个计算机和网络时代，利用计算机和网络技术对传统的产业进行改造，已是大势所趋，而虚拟仪器系统正是计算机和网络技术与传统的仪器技术进行融合的产物，因此，在21世纪，虚拟仪器将大行其道，日渐受宠，将会引发传统的仪器产业一场新的革命。

总之，由于LabVIEW能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省时简便，深受用户青睐。与传统的编程语言比较，LabVIEW图形编程方式能够节省85％以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响，体现出了极高的效率。使用虚拟仪器产品，用户可以根据实际生产需要重新构筑新的仪器系统。例如，用户可以将原有的带有RS232接口的仪器、VXI总线仪器以及GPIB仪器通过计算机，联接在一起，组成各种各样新的仪器系统，由计算机进行统一管理和操作[12]。

5.4 虚拟仪器与传统仪器的比较

虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势（如表5-1所示）。在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的，甚至不可思议的工作[9]。

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1.传统仪器的面板只有一个，上面布置了种类繁多的显示和操作元件。由此导致许多识读和操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化和面板布置的简洁化，从而提高操作的正确性和便捷性。同时，虚拟仪器的面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受标准元件和加工工艺的限制，由编程来实现，设计者可以根据用户的要求和操作需要来设计仪器面板[13]。

2.在通用硬件平台确定后，软件取代传统仪器中由硬件完成的仪器功能。 3.仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义，不是事先由厂家定义的。 4.仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，不需购买新仪器。 5.虚拟仪器开放、灵活，与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。 6.由于其以PC为核心，使得许多数据处理的过程不必像过去那样由测试仪器本身来完成，而是在软件的支持下，利用PC机CPU的强大的数据处理功能来完成，使得基于虚拟仪器的测试系统的测试精度、速度大为提高，实现自动化、智能化、多任务测量。

7.可方便地存贮和交换测试数据，测试结果的表达方式更加丰富多样。

8.虚拟仪器在高性价比的条件下，降低系统开发和维护费用，缩短技术更新周期。

表5-1 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器 开发维护费用低 技术更新周期短（0.5～1年） 软件是关键 价格低 开放、灵活与计算机同步，可重复用和重配置 可用网络联络周边各仪器 自动化、智能化、多功能、远距离传输 传统仪器 开发维护费用高 技术更新周期短（5～10年） 硬件是关键 价格昂贵 固定 只可连有限的设备 功能单一，操作不便

近年来，随着网络技术的发展，己经形成了网络虚拟仪器。这是一种新型的基于Web技术的虚拟仪器，使得虚拟仪器测试系统成为Internet/Intranet的一部分，实现现场监控和管理。在当前流行的C/S/D网络模式下，利用嵌入式技术（包括数据库嵌入和网络模块的嵌入）可以充分利用有效资源，提高测试效率。

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第六章 软件设计

本程序主要完成对数据的采集，数据处理，数值显示，保存等功能。

6.1程序主界面

本次程序的主界面是对传感器输出测量进行多通道显示监测实验面板，其面板上有四个压力波形显示，可进行4通道的压力监测。AK-4型压力传感器输出的4-20mA接入250欧姆电阻转换为1-5V电压信号，送入LabJack U12数据采集卡将模拟量到数字量的转换，并输入到PC机。因为学校实验室的仪器限制没有AK-4压力传感器，因此我使用直流电源提供所需的1-5V电压通过LabJack U12送入PC机。系统对被测量物体的实时监测系统，其主要对传感器的输出电压进行测量，并显示出测量值随时间的变化曲线。此实验台的控制部分包括其控制测量的退出按钮，报表生成按钮SAVE TO DISK。图6-1为前面板截图。

图6-1前面板截图

图6-2和6-3为后面板截图，连接各元件时要注意线路的准确性，以免因为小失误而无法运行整个程序。

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图6-2后面板1

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图6-3后面板2

6.2程序各部分设计 6.2.1存盘程序的后面板界面

下图为存储生成EXCEL表格的后面板设计部分，输出格式为data.xls,输出字符为浮点型8位。

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图6-4存储后面板

6.2.2 Labjack信号采集

下图为Labjack的原件图标。

图6-5Labjack

Labjack采集即时帮助：

Labview除了拥有强大的图形化编程优势以外，还有一个特点就是这个即时帮助系统，当使用人不清楚器件用处时可选择工具栏中的帮助查看即时帮助。

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图6-6帮助显示

6.2.3 信号采集的通道设置

此设计为4通道ChannelA ChannelB ChannelC ChannelD分别为4个信号接收系统当输入信号为符合值是为真，信号创建数组，如果为假不输入信号。

图6-7四通道

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因为4个通道对应4个波形显示窗口因此设计4个连接。图6-8为四个数组索引与求均值的图形设计连接截图。

图6-8四个连接

6.3压力监测功能的实现

图6-9四个通道选择分别对应Labjack的AI0 AI1 AI2 AI3口，做出不同的选择，所选的借口不同。下排采样率选择根据所收集的信号为0-5V通过放大后为0-10V，AK-4型压力传感器的测量范围为0-100MP，因此设定采样率为256HZ，采样点为32个。

此设计有上限报警功能，可在如图6-8设置压力上限，此次试验压力上限设置为30MP，通过Labjack 的AI0口输出的信号采集显示为51.480兆帕，超过上限的30MP,因此设定的越线报警功能开启绿灯闪亮。其他接口并无信号输入，但是根据Labjack的性质，不接信号的电压为1.4V，通过万用表得到验证。

图6-9带有压力上限的单通道输入前面板

图6-10和6-11为信号通过AI1 AI3口输出的显示：

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图6-10带有压力上限的双通道输入前面板

上限设置为70MP，输入的电压为5V，没有超过上限，显示出的压力为51MP。绿灯没有闪亮。

图6-11输入压力值不超过输入压力上限

当按右下角的SAVE TO DISK 钮时，系统存盘，将所测得的数据保存到EXEL表格中。因为所设的采样点为32，因此所保存的数据位32个。图6-12中A为时间，BCDE分别为4个通道。

图6-12生成EXCEL报表截图

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总 结

本文详细阐述了虚拟仪器的概念、特点、分类、组成、发展前景与方向及软件开发环境。并设计了多通道压力监测系统，对系统结构，数据采集技术，数字信号处理技术进行了研究，完成了系统结构设计，软件编制调试和实验系统具有数据采集分析处理，数据储存等功能。

在设计中出现了各种各样的问题。从选择题目的时候我对多通道压力这一名词的陌生到现在可以清楚解释，从不知Labview的使用到现在娴熟运用其编程，从不明白采集卡Labjack的螺丝作用，到固定导线。这段时间我的收获真的很多。学习的过程是痛苦的，是坎坷的，然而结果却是快乐喜悦的。快速入题。拿到毕设题目后要尽快把自己的蓝图勾画出来，不能走一步算一步，必须把整体把握好。而我的这次毕设，都过了很长时间才知道自己要做什么。频繁与导师讨论。有问题多问导师，不能自己闷头做，方向偏了仍不知道，多把自己的想法和思路告诉老师。软件的学习。一定要边做边学软件，千万不能在做毕设期间，拿着本软件教程从第一页开始看，这样效率最低了，最好是根据已有论文资料中提到的软件用途，有针对性的学。包括毕设前期读文献资料，也不能闷头读，要与毕设紧密联系起来，最好是边做边读，有针对性的读。不能脱离实际。做的毕设要有意义，不能浮在上面，要让自己满意。越来越紧的状态，尤其是最后的那几天。毕设越到最后阶段，越要有毅力和状态，不能前紧后松，觉得前面做了不少，后面可以放松了。论文提交的前几天，要不厌其烦的检查论文，包括内容，格式等。本次毕设，论文已经打印了，竟然发现有几页没有两端对齐，又去重新打印。最好是一项一项的检查：图、表、字体、行距、对齐。整体上一项一项检查，确保万无一失。

大学的生活就要结束了，5年之中有好多感慨，现在回想起来马上就要走出校园面对社会，心里好不是滋味。有好多留恋，亲爱的同学，室友，亲爱的老师，这段时间使我们在一起创造出这5年的辉煌，也许在这5年里我没有过辉煌，但我知道，我感觉到跟我最亲爱的朋友们在一起也是我心灵精神上的辉煌。

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谢 辞

随着本次毕业论文的定稿，五年的大学本科生活也即将画上句号。回首五年前，初入校园之情景仍历历在目，到如今只恍如隔日，不免感慨光阴易逝、韶华难追。然而这四年带给我的美好记忆以及在四年里给予我无数帮助和关怀的师长和同学是我永远不会遗忘的。在此，我向你们致以最为真挚的谢意！

首先，我要感谢在本科毕业设计期间的指导老师——丁彦闯老师。感谢于老师的不仅仅在毕设期间给予我许多指导与关照，提出了许多建议和意见，给了我很大的启发和帮助。而且他待人和蔼，学识渊博，认真处事、严谨治学的态度让我留下了深刻的印象。同时还要感谢一同做毕设的王西宁，薛邦巍两位同学的大力帮助与付出，他们的能力与才华让我深表佩服；也感谢实验室的王伟、郭金影学长对我的耐心指导和帮助。可以说，没有你们就没有我的这篇论文，也没有我在大学最后一年的开心时光与美好经历。

感谢教研室老师的指导和帮助，教研室等老师为我提供了良好的研究条件，谨向各位同仁表示诚挚的敬意和谢忱。正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。谢谢你们。

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参考文献

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仪表技术,2007.

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学院, 仪表技术与传感器,2007 年第10 期.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/p2o6.html