利用LabVIEW開發(fā)虛擬溫度測試系統(tǒng)

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與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機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。

溫度是機械工業(yè)生產(chǎn)和科學研究實驗中的一個非常重要的參數(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 虛擬儀器技術與LabVIEW簡介

虛擬儀器（virtual instrument）是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，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算機。以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(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、計算機通信技術與網(wǎng)絡技術是信息技術的三大核心技術，其中虛擬儀器是虛擬技術的一個重要組成部分。在虛擬儀器系統(tǒng)中，用靈活、強大的計算機軟件代替?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)中應用計算機直接參與測試信號的產(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”，而由計算機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，是目前國際上應用最廣泛的虛擬儀器軟件平臺之一，主要應用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示等領域，可應用于Windows、Macintosh、UNIX等多種操作系統(tǒng)平臺。設計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，而無需進行任何煩瑣的計算機代碼的編寫。即使用戶沒有多少編程經(jīng)驗，同樣也能利用LabVIEW來開發(fā)自己的應用程序。

2 系統(tǒng)設計方案

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，經(jīng)信號調(diào)理電路進行功率放大、濾波等處理后，變換為可被數(shù)據(jù)采集卡采集的標準電壓信號。在數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并在數(shù)據(jù)采集指令下將其送入計算機總線，在PC機內(nèi)利用已經(jīng)安裝的虛擬儀器軟件對采集的數(shù)據(jù)進行所需的各種處理。其總體框架如圖1所示。

設計一個儀器，首先要考慮確定其功能，然后根據(jù)其功能確定需要設計前面板和程序框圖。在虛擬儀器中“儀器”的面板需要顯示在計算機屏幕上，根據(jù)需要可隨時進行修改，本文設計的虛擬溫度測試儀要實現(xiàn)如下功能：1）設置控制按鈕和顯示窗口，實時顯示溫度大小，可以對采集過程加以控制；2）設置預警信號，當溫度超過某個預設的溫度值時，該警示燈變亮；3）可以對采集到的溫度信號進行顯示、存儲和

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

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)獲得廣泛應用。常用的鉑電阻的特點是精度高，性能穩(wěn)定可靠，被國際組織規(guī)定為-259～+500℃的溫度測量。其阻值與溫度的關系可以表示為：

式中RT，R0分別為T℃和0℃時的電阻值；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進行測量時由電阻體引出3根導線，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)進行標定，即可求出測溫范圍內(nèi)任一電壓對應的溫度。

2.2 溫度測試系統(tǒng)的信號調(diào)理

此溫度傳感器用溫度變送器進行信號調(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送到變送模塊，經(jīng)過穩(wěn)壓濾波、運算放大、非線性校正和反方向保護等處理電路，轉(zhuǎn)換為與溫度成線性關系的4～20 mA電流信號輸出，在信號輸出端加一個220 Ω的電阻轉(zhuǎn)換成0.88～4.4 V的電壓信號輸出。

2.3 溫度測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集

模塊化設計數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集模塊的設計對后續(xù)的數(shù)據(jù)顯示和分析結(jié)果以及整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，具有直接影響，利用NI公司的DAQ（Data Acquisition）卡及其驅(qū)動程序設計這一模塊，充分利用集成的功能全面的DAQ函數(shù)庫和子VI，設計可以實現(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

在進行溫度測試時，先確定哪個通道對溫度信號進行采集，然后對系統(tǒng)進行調(diào)試，調(diào)試好后開始數(shù)據(jù)采集及存儲和備份，當溫度超過用戶所設定的極限值時，溫度測試系統(tǒng)會報警提示，當溫度在允許的范圍內(nèi)時，測試系統(tǒng)對所采集的信號進行濾波分析、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，判斷是否超限報警。

3 結(jié)論

通過設置不同的前面板左邊的參數(shù)設置部分，包括溫度上下限設置和濾波設置，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化、放大，還有指標值的數(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、時間短等優(yōu)點。