LabVIEW的測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。

溫度是機(jī)械工業(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)，許多系統(tǒng)的工作都是在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，需要測量溫度和控制溫度的場合及其廣泛。

1 虛擬儀器技術(shù)與LabVIEW簡介

虛擬儀器[1]（virtual instrument）是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。上面的框圖反映了常見的虛擬儀器方案。

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)的三大核心技術(shù)，其中虛擬儀器是虛擬技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。在虛擬儀器系統(tǒng)中，用靈活、強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，用人的智力資源代替許多物質(zhì)資源，特別是在系統(tǒng)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)直接參與測試信號(hào)的產(chǎn)生和測量特征的解析，使儀器中的一些硬件甚至整件儀器從系統(tǒng)中“消失”，而由計(jì)算機(jī)的軟硬件資源來完成它們的功能。

LabVlEW是美國NI公司推出的一種基于G語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具，是目前國際上應(yīng)用最廣泛的虛擬儀器軟件平臺(tái)之一，主要應(yīng)用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示等領(lǐng)域，可應(yīng)用于Windows、Macintosh、UNIX等多種操作系統(tǒng)平臺(tái)。設(shè)計(jì)者可以像搭積木一樣，輕松組建測量系

統(tǒng)，構(gòu)造自己的儀器面板，而無需進(jìn)行任何煩瑣的計(jì)算機(jī)代碼的編寫。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)設(shè)計(jì)方案

虛擬溫度測試儀將被測對象的溫度轉(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采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行所需的各種處理。其總體框架如圖1所示。

　　設(shè)計(jì)一個(gè)儀器，首先要考慮確定其功能，然后根據(jù)其功能確定需要設(shè)計(jì)前面板和程序框圖。在虛擬儀器中“儀器”的面板需要顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，根據(jù)需要可隨時(shí)進(jìn)行修改，本文設(shè)計(jì)的虛擬溫度測試儀要實(shí)現(xiàn)如下功能：1）設(shè)置控制按鈕和顯示窗口，實(shí)時(shí)顯示溫度大小，可以對采集過程加以控制；2）設(shè)置預(yù)警信號(hào)，當(dāng)溫度超過某個(gè)預(yù)設(shè)的溫度值時(shí)，該警示燈變亮；3）可以對采集到的溫度信號(hào)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和

打印，對采集到的溫度進(jìn)行調(diào)用，以便分析處理和波形回放；4）以實(shí)時(shí)趨勢圖的形式直觀地看出溫度的變化過程，在實(shí)時(shí)趨勢圖中新數(shù)據(jù)連續(xù)擴(kuò)展在已有數(shù)據(jù)的后面，波形連續(xù)向前推進(jìn)。

2.1 傳感器的選擇

對溫度的測量而言，溫度傳感器的選擇是整個(gè)系統(tǒng)的第一步，也是直接影響系統(tǒng)性能的重要因素之一。由于熱電阻線性度好。在-200～+500℃的溫度范圍內(nèi)獲得廣泛應(yīng)用。常用的鉑電阻的特點(diǎn)是精度高，性能穩(wěn)定可靠，被國際組織規(guī)定為-259～+500℃的溫度測量。其阻值與溫度的關(guān)系可以表示為：

式中RT，R0分別為T℃和0℃時(shí)的電阻值；A，B為常數(shù)，A=3.908x10-3℃，B=5.802x10-7℃。

熱電阻傳感器需要外加電源將電阻值轉(zhuǎn)換為電壓值進(jìn)行測量。通常通過平衡電橋?qū)犭娮铚囟茸兓D(zhuǎn)換為電壓的變化輸出。然后進(jìn)行放大，通過測量電橋輸出電壓變化求得溫度值。

使用3根引線的熱電阻如圖2所示，其原理是：在使用平衡電橋?qū)犭娮鑂t進(jìn)行測量時(shí)由電阻體引出3根導(dǎo)線，l根的電阻與電源E串聯(lián)，不影響橋路的平衡，另外2根的電阻被分別置于電橋的兩臂內(nèi)，它們隨環(huán)境溫度變化對電橋的影響可以大部分抵消。

　　本文所測溫度變化范圍：-20～+120℃，精度要求0.5級。通過曲線擬合法對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，即可求出測溫范圍內(nèi)任一電壓對應(yīng)的溫度。

2.2 溫度測試系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理

此溫度傳感器用溫度變送器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，溫度變送器的工作原理是：采用熱電阻作為測溫元件，從測溫元件輸出的信號(hào)送到變送模塊，經(jīng)過穩(wěn)壓濾波、運(yùn)算放大、非線性校正和反方向保護(hù)等處理電路，轉(zhuǎn)換為與溫度成線性關(guān)系的4～20 mA電流信號(hào)輸出，在信號(hào)輸出端加一個(gè)220 Ω的電阻轉(zhuǎn)換成0.88～4.4 V的電壓信號(hào)輸出。

2.3 溫度測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集

模塊化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)對后續(xù)的數(shù)據(jù)顯示和分析結(jié)果以及整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，具有直接影響，利用NI公司的DAQ（Data AcquisitiON）卡及其驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)這一模塊，充分利用集成的功能全面的DAQ函數(shù)庫和子VI，設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集的控制，包括觸發(fā)控制、通道控制等的數(shù)據(jù)采集模塊。

2.4 溫度測試系統(tǒng)的程序框圖

在進(jìn)行溫度測試時(shí)，先確定哪個(gè)通道對溫度信號(hào)進(jìn)行采集，然后對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試好后開始數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)和備份，當(dāng)溫度超過用戶所設(shè)定的極限值時(shí)，溫度測試系統(tǒng)會(huì)報(bào)警提示，當(dāng)溫度在允許的范圍內(nèi)時(shí)，測試系統(tǒng)對所采集的信號(hào)進(jìn)行濾波分析、波形顯示、波形調(diào)整。具體流程圖和程序框圖如圖3、圖4所示。

圖4程序框圖中，case循環(huán)用來判斷是否執(zhí)行溫度測試程序，選擇哪種濾波，判斷是否超限報(bào)警。

3 結(jié)論

通過設(shè)置不同的前面板左邊的參數(shù)設(shè)置部分，包括溫度上下限設(shè)置和濾波設(shè)置，右邊為波形顯示部分，包括原始溫度波形顯示和調(diào)整后波形顯示以及圖形的局部細(xì)化、放大，還有指標(biāo)值的數(shù)值顯示。得到如圖5所示的測量結(jié)果表明，該測量方法具有測量精度高、線性度好、時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。