基于LabVIEW的測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)溫系統(tǒng)存在的若干問(wèn)題，基于虛擬儀器技術(shù)，利用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)開發(fā)了溫度測(cè)量系統(tǒng)。將傳感器測(cè)量到的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集到計(jì)算機(jī)，再利用虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW進(jìn)行編程，向用戶提供操作界面和顯示界面，實(shí)現(xiàn)了溫度的數(shù)據(jù)采集、傳送、分析和顯示，并向用戶提供歷史查詢功能。結(jié)果表明，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、界面良好、易于操作，測(cè)量準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠、溫度控制精度優(yōu)于±0.3℃，可以滿足工業(yè)測(cè)試的需要。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；LabVIEW；軟件設(shè)計(jì)；溫度測(cè)量

    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(cè)量溫度和控制溫度的場(chǎng)合及其廣泛。目前的溫度測(cè)量控制系統(tǒng)常采用單片機(jī)控制，該技術(shù)應(yīng)用廣泛，但其編程復(fù)雜，控制不穩(wěn)定，系統(tǒng)的精度不高。而利用虛擬儀器開發(fā)和設(shè)計(jì)的溫度測(cè)量系統(tǒng)，采用普通PC機(jī)為主機(jī)，利用圖形化可視軟件hbVIEW為軟件開發(fā)平臺(tái)，來(lái)監(jiān)測(cè)溫度的變化情況，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。

1 虛擬儀器技術(shù)與LabVIEW簡(jiǎn)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)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(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生和測(cè)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(lái)完成它們的功能。
    LabVlEW是美國(guó)NI公司推出的一種基于G語(yǔ)言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具，是目前國(guó)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)。與傳統(tǒng)程序語(yǔ)言不同，LabVIEW采用強(qiáng)大的圖形化語(yǔ)言編程，面向測(cè)試工程師而非專業(yè)程序員，編程方便，人機(jī)交互界面直觀、友好。設(shè)計(jì)者可以像搭積木一樣，輕松組建測(cè)量系
統(tǒng)，構(gòu)造自己的儀器面板，而無(wú)需進(jìn)行任何煩瑣的計(jì)算機(jī)代碼的編寫。即使用戶沒(méi)有多少編程經(jīng)驗(yàn)，同樣也能利用LabVIEW來(lái)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(cè)試儀將被測(cè)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。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(cè)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(duì)采集過(guò)程加以控制；2)設(shè)置預(yù)警信號(hào)，當(dāng)溫度超過(guò)某個(gè)預(yù)設(shè)的溫度值時(shí)，該警示燈變亮；3)可以對(duì)采集到的溫度信號(hào)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和
打印，對(duì)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(shì)圖的形式直觀地看出溫度的變化過(guò)程，在實(shí)時(shí)趨勢(shì)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(duì)溫度的測(cè)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，因此，選擇熱電阻溫度傳感器。其工作原理為：熱電阻測(cè)溫儀是根據(jù)金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特征進(jìn)行測(cè)溫的。常用的鉑電阻的特點(diǎn)是精度高，性能穩(wěn)定可靠，被國(guó)際組織規(guī)定為-259～+500℃的溫度測(cè)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(cè)量。通常通過(guò)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(guò)測(cè)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(cè)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(duì)電橋的影響可以大部分抵消。

    本文所測(cè)溫度變化范圍：-20～+120℃，精度要求0．5級(jí)。通過(guò)曲線擬合法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，即可求出測(cè)溫范圍內(nèi)任一電壓對(duì)應(yīng)的溫度。
2．2 溫度測(cè)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(cè)溫元件，從測(cè)溫元件輸出的信號(hào)送到變送模塊，經(jīng)過(guò)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(cè)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(duì)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(kù)和子VI，設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)試系統(tǒng)的程序框圖
    在進(jìn)行溫度測(cè)試時(shí)，先確定哪個(gè)通道對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集，然后對(duì)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(guò)用戶所設(shè)定的極限值時(shí)，溫度測(cè)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(cè)試系統(tǒng)對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行濾波分析、波形顯示、波形調(diào)整。程序設(shè)計(jì)包括前面板和程序框圖兩部分，系統(tǒng)前面板由參數(shù)設(shè)置和功能按鈕組成。在后臺(tái)有相應(yīng)的程序模塊與之對(duì)應(yīng)，每個(gè)程序模塊的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)應(yīng)著一個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)，用戶利用前面板的按鈕或控件選擇狀態(tài)，運(yùn)行程序后后臺(tái)執(zhí)行其對(duì)應(yīng)的狀態(tài)。同時(shí)在前臺(tái)對(duì)話框有供測(cè)試人員填寫參數(shù)或者選擇功能界面。為了便于后續(xù)人員按自己的要求進(jìn)行小范圍的修改，后面板程序框圖也以直觀簡(jiǎn)潔的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(lái)判斷是否執(zhí)行溫度測(cè)試程序，選擇哪種濾波，判斷是否超限報(bào)警。

3 結(jié)論
    通過(guò)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(cè)量結(jié)果表明，該測(cè)量方法具有測(cè)量精度高、線性度好、時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。
    利用LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)了虛擬溫度測(cè)量系統(tǒng)，它在計(jì)算機(jī)上可以實(shí)時(shí)顯示并實(shí)時(shí)控制溫度，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)具有較強(qiáng)的拓展性，根據(jù)自身對(duì)儀器作用的要求自行改變功能，輕松實(shí)現(xiàn)用戶需要的操作，如實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度遠(yuǎn)程測(cè)控等。