虛擬溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言　　

溫度是工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)非常重要的參數(shù)，物體的許多物理現(xiàn)象和化學(xué)性質(zhì)都與溫度有關(guān)，許多生產(chǎn)過程都是在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，需要測量溫度和控制溫度的場合極其廣泛。目前的溫度測量控制系統(tǒng)常采用單片機(jī)控制，該技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，但其編程復(fù)雜，控制不穩(wěn)定，系統(tǒng)的精度不高。而利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)和設(shè)計(jì)的溫度測量系統(tǒng)，采用普通PC機(jī)為主機(jī)，利用圖形化可視測試軟件LabVIEW為軟件開發(fā)平臺(tái)，來監(jiān)測溫度變化情況，采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、顯示等。設(shè)備成本低，使用方便靈活，適用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和教學(xué)。

1 虛擬儀器技術(shù)與LabVIEW簡介　　

虛擬技術(shù)、計(jì)算機(jī)通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是信息技術(shù)三大核心技術(shù)，其中虛擬儀器是虛擬技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。虛擬儀器（Virtual Instrument,簡稱VI）是突破傳統(tǒng)儀器概念的最新一代測量儀器，它利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件，由用戶自己定義來完成各種測試、測量和控制的應(yīng)用。其本質(zhì)特征是：“軟件就是儀器”。它是基于計(jì)算機(jī)的軟硬件測試平臺(tái)，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀等;可集成于自動(dòng)控制、工業(yè)控制系統(tǒng);可自由構(gòu)建成專有儀器系統(tǒng)。虛擬儀器技術(shù)具有性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間少和出色的集成四大優(yōu)勢，使其成為現(xiàn)代測控技術(shù)的發(fā)展趨勢。 　　

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)）是一個(gè)程序開發(fā)環(huán)境。它使用圖形化編程語言G在流程圖中創(chuàng)建源程序，而非使用基于文本的語言來產(chǎn)生源程序代碼。LabVIEW還整合了諸如滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485以及數(shù)據(jù)采集卡等硬件通訊的全部功能。內(nèi)置了便于TCP/IP、Active X等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。LabVIEW程序被稱為虛擬儀器（VIs），是因?yàn)樗鼈兊耐庥^和操作能模仿實(shí)際的儀器。即使用戶沒有多少編程經(jīng)驗(yàn)，同樣也能利用LabVIEW來開發(fā)自己的應(yīng)用程序。

2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)　　

虛擬儀器測溫系統(tǒng)是用虛擬儀器技術(shù)改造傳統(tǒng)的測溫儀，使其具有更強(qiáng)大的功能。系統(tǒng)框架如圖1所示，儀器系統(tǒng)通過前端感溫裝置的傳感元件，將被測對(duì)象的溫度轉(zhuǎn)換為電壓或電流等模擬信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行功率放大、濾波等處理后，變換為可被數(shù)據(jù)采集卡采集的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。在數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并在數(shù)據(jù)采集指令下將其送入計(jì)算機(jī)總線，在PC機(jī)內(nèi)利用已經(jīng)安裝的虛擬儀器軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行所需的各種處理。

圖1 溫度測量系統(tǒng)原理框圖　

基于虛擬儀器技術(shù)的測溫系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分構(gòu)成。 　　

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　

硬件系統(tǒng)由前端感溫裝置（溫度傳感器）、數(shù)據(jù)采集卡、PC機(jī)系統(tǒng)等組成，主要實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)采集、轉(zhuǎn)化、處理等功能。


圖2 測溫系統(tǒng)硬件電路原理圖　　

本系統(tǒng)前端感溫裝置采用熱敏電阻，熱敏電阻RT1與R1串聯(lián)分壓，電路輸出電壓與溫度成正比。傳感器通常輸出的信號(hào)較小，必須采用合適的信號(hào)調(diào)理電路（如放大），盡量減小量化誤差。當(dāng)溫度變大時(shí)，熱敏電阻RT1電阻變小，在分壓點(diǎn)產(chǎn)生一線性電壓，經(jīng)電壓跟隨器保持后，經(jīng)過LM324進(jìn)行一級(jí)和二級(jí)放大，輸出一個(gè)正向、與溫度變化大小成正比的線性電壓。測量電路輸出的模擬電壓送入數(shù)據(jù)采集卡，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)再輸入PC機(jī)。 　　2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　

軟件部分主要是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理、報(bào)警、顯示等功能，具體實(shí)現(xiàn)采集卡參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)標(biāo)定、實(shí)時(shí)顯示、溫限設(shè)定及報(bào)警和人機(jī)交互等功能。 　　

（1） 傳感器的標(biāo)定 　　

傳感器的標(biāo)定是通過實(shí)驗(yàn)以建立傳感器輸入量與輸出量之間的關(guān)系。標(biāo)定是儀器儀表在設(shè)計(jì)完成后，正式使用前必須要經(jīng)過的一道校驗(yàn)程序。對(duì)于虛擬溫度測量系統(tǒng)而言，標(biāo)定就是為了獲得電壓和被測物體溫度的函數(shù)關(guān)系，以便通過電壓計(jì)算出溫度。 　　

熱敏電阻具有靈敏度高、體積小、重量輕、使用壽命長，適于遠(yuǎn)距離測量等優(yōu)點(diǎn)，但其非線性誤差較大，穩(wěn)定性稍差，所以必須進(jìn)行標(biāo)定。 　　　　

通過曲線擬合法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，即可求出測溫范圍內(nèi)任一電壓對(duì)應(yīng)的溫度。 　　

（2） 前面板設(shè)計(jì) 　　

用戶界面（前面板）是虛擬儀器的重要組成部分，儀器參數(shù)的設(shè)置、測試結(jié)果顯示等功能都是通過軟件實(shí)現(xiàn)，因此要求軟件界面簡單直接，便于使用。本系統(tǒng)采用LabVIEW8.2軟件設(shè)計(jì)了用戶界面如圖3所示。該界面可顯示經(jīng)傳感器檢測、數(shù)據(jù)卡采集并轉(zhuǎn)換得到的電壓波形的變化，同時(shí)將標(biāo)定后得到的溫度值分別用波形、指針和數(shù)值三種方式顯示出來，適應(yīng)不同用戶的需求，通過布爾量開關(guān)設(shè)置超限報(bào)警指示。

圖3 系統(tǒng)前面板（用戶界面）


（3） 程序框圖設(shè)計(jì) 　　

LabVIEW的源程序?yàn)榭驁D式的，且提供了非常豐富的庫函數(shù)，從數(shù)據(jù)采集到儀器控制，從信號(hào)產(chǎn)生到信號(hào)處理，從數(shù)據(jù)分析到圖形顯示，從文件讀寫到網(wǎng)絡(luò)通信，多種多樣，大大提高了用戶編程的效率，減輕了編程工作量。 　　本系統(tǒng)程序框圖設(shè)計(jì)主要包括設(shè)備初始化、AD部件初始化、模擬數(shù)據(jù)讀取、電壓-溫度轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理及顯示、超限報(bào)警、AD部件釋放、設(shè)備釋放等模塊，其中有些模塊直接調(diào)用LabVIEW中的子模塊（庫函數(shù)），如乘法、減法、比較超限與否、定時(shí)器等;還有些如Create/Release ID、AD Int/Read/Close等模塊由用戶自定義設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。 　　
具體流程圖和程序框圖見圖4、圖5。

圖4 系統(tǒng)流程圖

圖5 測溫系統(tǒng)程序框圖

4 結(jié)束語　　

利用LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)了虛擬溫度測量系統(tǒng)，改善了工作條件，提高了精度，節(jié)約了時(shí)間，降低了成本。該系統(tǒng)的擴(kuò)展性很強(qiáng)，可進(jìn)一步擴(kuò)充其功能，如實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度遠(yuǎn)程測控等。該系統(tǒng)構(gòu)建測控系統(tǒng)的方法，可推廣到類似的應(yīng)用中，有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。 　　

本文創(chuàng)新點(diǎn)在于：采用虛擬儀器構(gòu)建了溫度測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了測溫的智能化，精度高，成本低，通用性和擴(kuò)展性強(qiáng)。