淺析基于虛擬儀器的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1 引言

虛擬儀器簡(jiǎn)稱VI是具有虛擬面板的PC機(jī)儀器，由硬件設(shè)備與接口、PC機(jī)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設(shè)備與接口可以是各種以PC機(jī)為基礎(chǔ)的內(nèi)置功能卡如DAQ、通用接口總線GPIB接口卡、串行口和VXI總線儀器接口等，或者其他可程控的外部測(cè)試設(shè)備設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件是直接控制各種可控制硬件接口的驅(qū)動(dòng)程序。虛擬儀器通過(guò)低層設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件與真實(shí)的儀器系統(tǒng)進(jìn)行直接通信，并通過(guò)虛擬儀器面板的形式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示真實(shí)儀器操作元素相對(duì)應(yīng)的各種控件虛擬儀器面板應(yīng)用程序負(fù)責(zé)對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、圖像顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)打印等操作，面板上的按鈕對(duì)應(yīng)各種功能，并伴有動(dòng)態(tài)幫助，這樣不僅充分實(shí)現(xiàn)單鍵操作和OSD，而且用戶對(duì)虛擬儀器面的操作比對(duì)真實(shí)儀器的操作更為方便。

2 設(shè)計(jì)原理

一個(gè)具有一定規(guī)模的博物館或圖書館一般是由好幾個(gè)館藏室組成的。本設(shè)計(jì)采用計(jì)算機(jī)中分時(shí)系統(tǒng)中給多任務(wù)的各個(gè)任務(wù)分配時(shí)間片的原理，來(lái)實(shí)現(xiàn)用一臺(tái)計(jì)算機(jī)和一個(gè)數(shù)據(jù)卡對(duì)多個(gè)館藏室的溫度和濕度進(jìn)行檢測(cè)與控制。利用數(shù)據(jù)采集卡中的模擬多路開關(guān)實(shí)現(xiàn)各個(gè)硬件數(shù)據(jù)通道之間的切換，來(lái)達(dá)到各個(gè)通道分時(shí)間片采樣和控制的目的。該方法適用于對(duì)時(shí)間變化不太敏感的參量的控制如溫度和濕度等。這樣可以一定程度地減少監(jiān)控系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

館藏室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，溫度與濕度等被控參數(shù)通過(guò)傳感器檢測(cè)后經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡送到計(jì)算機(jī)中，由計(jì)算機(jī)按照一定的控制算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與顯示，處理后輸出的控制信號(hào)再經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)空調(diào)機(jī)與去濕機(jī)，達(dá)到控制館藏室溫濕度的目的。

3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件主要由PC機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理電路、溫濕度傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)空調(diào)機(jī)與去濕機(jī)等組成。

3. 1 　數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集的正確與否將直接影響整個(gè)虛擬儀器測(cè)控系統(tǒng)的精度。因此，在數(shù)據(jù)采集卡的選擇上，首先應(yīng)該考慮采樣精度和采樣速度兩個(gè)基本指標(biāo)。綜合考慮本系統(tǒng)待定參數(shù)的特征，以及數(shù)據(jù)采集卡的可靠性、精度和性價(jià)比等因素，選用PCI總線/100Ksps/12 位32 通道AD/2 通道DA 板/8 路輸入輸出板AD7202。

3. 2 　信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路中一般包括小信號(hào)的放大、濾波、零點(diǎn)校正、線性化處理、溫度補(bǔ)償、誤差修正和量程切換等電路。在本系統(tǒng)中加入前置放大電路對(duì)傳感器輸入的小信號(hào)進(jìn)行放大和加入低通濾波器濾去高頻噪聲。

3. 3 　傳感器

溫度傳感器元件的選擇：選用AD590L溫度傳感器，測(cè)溫范圍為-55℃～ 125℃，其中在-10℃～ 85℃的范圍內(nèi)的測(cè)量精度為±0. 5℃，此傳感器可滿足館藏室溫濕度測(cè)控系統(tǒng)的工作要求。濕度傳感器的選擇：采用HONEYWELL公司生產(chǎn)的集成濕度傳感器IH3605，其測(cè)量濕度范圍為0～100RH,固有精度為±2 RH，工作的溫度范圍為- 40℃～ 85℃。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開發(fā)基于虛擬儀器技術(shù)，以圖形化編程語(yǔ)言LabView 8.2作為開發(fā)工具。采用計(jì)算機(jī)本身的PCI 總線，以傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、PC 機(jī)為基礎(chǔ)，組成儀器硬件平臺(tái)的插卡式虛擬系統(tǒng)。系統(tǒng)借助于傳感器，對(duì)館藏室溫濕度進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、結(jié)果顯示、控制算法處理、數(shù)據(jù)查詢及控制信號(hào)輸出等操作。本系統(tǒng)的主要功能模塊和結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

4.1 參數(shù)設(shè)置模塊

由于系統(tǒng)的硬件資源比較多，在進(jìn)行信號(hào)采集之前應(yīng)首先對(duì)數(shù)據(jù)采集卡上的數(shù)字通道進(jìn)行初始化。AD卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)有兩種采集方式：?jiǎn)尉彌_方式和多緩沖方式。本檢測(cè)系統(tǒng)中AD卡采用的是多緩沖方式。館藏室溫濕度測(cè)控系統(tǒng)需要對(duì)采集信號(hào)的通道個(gè)數(shù)、采樣頻率、總的緩沖區(qū)的數(shù)目、每個(gè)緩沖區(qū)的采樣點(diǎn)數(shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的綜合設(shè)置可以得到合適的信號(hào)采集時(shí)間和總的采樣點(diǎn)數(shù)。它們之間滿足下面的關(guān)系：

共采集到的點(diǎn)數(shù) = 頻率 × 采集時(shí)間

共采集到的點(diǎn)數(shù) = 每個(gè)緩沖區(qū)采集的點(diǎn)數(shù) × n 個(gè)緩沖區(qū)

4.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要包括信號(hào)采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換兩部分。由于所使用的A/D數(shù)據(jù)采集卡均可以直接應(yīng)用于LabView軟件平臺(tái)中的.dll 格式的統(tǒng)一接口ADCard驅(qū)動(dòng)程序。這樣就避免了應(yīng)用其它語(yǔ)言開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序，只需正確調(diào)用ADCard下的相關(guān)函數(shù)。數(shù)據(jù)采集中應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸原理是：數(shù)據(jù)采集卡在驅(qū)動(dòng)程序的控制下, 將采集到的外部信號(hào)先存放在采集卡上的緩沖區(qū)中，驅(qū)動(dòng)程序再將采集卡緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)放到驅(qū)動(dòng)程序的緩沖區(qū)中，再經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)連接庫(kù)接口函數(shù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴蠈討?yīng)用軟件的數(shù)據(jù)內(nèi)存中。

在LabView的后臺(tái)程序中，使用LabView提供的調(diào)用動(dòng)態(tài)連接庫(kù)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的輸入。整個(gè)采集過(guò)程分為調(diào)用DllInitial函數(shù)初始化采集功能、調(diào)用DllStartIntr函數(shù)啟動(dòng)A/D 卡開始數(shù)據(jù)采集、調(diào)用DllADResult函數(shù)讀取數(shù)據(jù)采集結(jié)果和調(diào)用DllStopIntr函數(shù)停止數(shù)據(jù)采集幾個(gè)步驟完成。

4.3 數(shù)據(jù)處理模塊

館藏室的溫濕度不僅受室外環(huán)境變化的影響，而且文物、書籍和文獻(xiàn)資料的隨機(jī)存入與取出都將影響?zhàn)^藏室的溫濕度，這給溫濕度的控制帶來(lái)困難，并難以用數(shù)學(xué)模型來(lái)表達(dá)。

本系統(tǒng)由LabView虛擬儀器軟件實(shí)現(xiàn)智能控制原理中的模糊控制方法。其基本思路是：當(dāng)采集的數(shù)據(jù)在設(shè)定值的閾值范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)不調(diào)節(jié)當(dāng)采集的數(shù)據(jù)偏離給定值的閾值范圍，新采集的數(shù)據(jù)與上次采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若其變化趨向設(shè)定值，系統(tǒng)仍然不調(diào)節(jié)若其變化偏離設(shè)定值，系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于被控參數(shù)的時(shí)滯大，該調(diào)節(jié)機(jī)理能夠在保證控制精度的前提下，不僅避免了執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作頻繁引起系統(tǒng)振蕩，而且可以延長(zhǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使用期限。

為防止意外情況如執(zhí)行機(jī)構(gòu)失效發(fā)生，本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了溫濕度的上下限報(bào)警功能。通過(guò)虛擬儀器的前面板和框圖程序可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，提醒工作人員及時(shí)處理意外情況。

4.4 數(shù)據(jù)顯示模塊

在數(shù)據(jù)顯示模塊中，采集到的數(shù)據(jù)和報(bào)警信號(hào)可以曲線、數(shù)值兩種方式顯示出來(lái)，以便進(jìn)行人機(jī)交互。另外設(shè)置了數(shù)據(jù)存盤函數(shù)，保存采集數(shù)據(jù)以備后用。圖形和數(shù)據(jù)的顯示可以從虛擬儀器面板上看到，如圖3所示。數(shù)據(jù)存盤的實(shí)現(xiàn)在后臺(tái)框圖程序里體現(xiàn)出來(lái)，選用函數(shù)- 文件 I/O - 寫入電子表格文件節(jié)點(diǎn)完成對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。

4.5 信號(hào)輸出模塊

采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)控制算法處理后，將產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，系統(tǒng)采用兩種方式進(jìn)行輸出，若是對(duì)圖書館館藏室的溫濕度進(jìn)行監(jiān)控，則相應(yīng)的控制要求比較低，可以采用開關(guān)量來(lái)進(jìn)行控制，故輸出的是一個(gè)開關(guān)量信號(hào)若是對(duì)珍藏有珍貴文物的博物館的溫濕度進(jìn)行監(jiān)控，則相應(yīng)的控制要求比較高，則采用模擬量進(jìn)行控制，這時(shí)輸出的是一個(gè)模擬電壓信號(hào)，通過(guò)調(diào)整空調(diào)機(jī)或去濕機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)達(dá)到實(shí)時(shí)控制的目的。