淺析基于虛擬儀器的溫濕度監控系統設計方案

1 引言

虛擬儀器簡(jiǎn)稱(chēng)VI是具有虛擬面板的PC機儀器，由硬件設備與接口、PC機、設備驅動(dòng)軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設備與接口可以是各種以PC機為基礎的內置功能卡如DAQ、通用接口總線(xiàn)GPIB接口卡、串行口和VXI總線(xiàn)儀器接口等，或者其他可程控的外部測試設備設備驅動(dòng)軟件是直接控制各種可控制硬件接口的驅動(dòng)程序。虛擬儀器通過(guò)低層設備驅動(dòng)軟件與真實(shí)的儀器系統進(jìn)行直接通信，并通過(guò)虛擬儀器面板的形式在計算機屏幕上顯示真實(shí)儀器操作元素相對應的各種控件虛擬儀器面板應用程序負責對采集來(lái)的數據進(jìn)行數據分析、圖像顯示、數據存儲以及數據打印等操作，面板上的按鈕對應各種功能，并伴有動(dòng)態(tài)幫助，這樣不僅充分實(shí)現單鍵操作和OSD，而且用戶(hù)對虛擬儀器面的操作比對真實(shí)儀器的操作更為方便。

2 設計原理

一個(gè)具有一定規模的博物館或圖書(shū)館一般是由好幾個(gè)館藏室組成的。本設計采用計算機中分時(shí)系統中給多任務(wù)的各個(gè)任務(wù)分配時(shí)間片的原理，來(lái)實(shí)現用一臺計算機和一個(gè)數據卡對多個(gè)館藏室的溫度和濕度進(jìn)行檢測與控制。利用數據采集卡中的模擬多路開(kāi)關(guān)實(shí)現各個(gè)硬件數據通道之間的切換，來(lái)達到各個(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控系統的復雜程度。

館藏室溫濕度監控系統的結構如圖1所示，溫度與濕度等被控參數通過(guò)傳感器檢測后經(jīng)由數據采集卡送到計算機中，由計算機按照一定的控制算法進(jìn)行數據處理與顯示，處理后輸出的控制信號再經(jīng)數據采集卡送至執行機構空調機與去濕機，達到控制館藏室溫濕度的目的。

3 硬件設計

系統的硬件主要由PC機、數據采集卡、信號調理電路、溫濕度傳感器和執行機構空調機與去濕機等組成。

3. 1 　數據采集卡

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

3. 2 　信號調理電路

信號調理電路中一般包括小信號的放大、濾波、零點(diǎn)校正、線(xiàn)性化處理、溫度補償、誤差修正和量程切換等電路。在本系統中加入前置放大電路對傳感器輸入的小信號進(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，測溫范圍為-55℃～ 125℃，其中在-10℃～ 85℃的范圍內的測量精度為±0. 5℃，此傳感器可滿(mǎn)足館藏室溫濕度測控系統的工作要求。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 軟件設計

系統開(kāi)發(fā)基于虛擬儀器技術(shù)，以圖形化編程語(yǔ)言L(fǎng)abView 8.2作為開(kāi)發(fā)工具。采用計算機本身的PCI 總線(xiàn)，以傳感器、數據采集卡、PC 機為基礎，組成儀器硬件平臺的插卡式虛擬系統。系統借助于傳感器，對館藏室溫濕度進(jìn)行測量，同時(shí)對采集到的數據進(jìn)行模數轉換、結果顯示、控制算法處理、數據查詢(xún)及控制信號輸出等操作。本系統的主要功能模塊和結構框圖如圖2 所示。

4.1 參數設置模塊

由于系統的硬件資源比較多，在進(jìn)行信號采集之前應首先對數據采集卡上的數字通道進(jìn)行初始化。AD卡進(jìn)行數據采集時(shí)有兩種采集方式：?jiǎn)尉彌_方式和多緩沖方式。本檢測系統中AD卡采用的是多緩沖方式。館藏室溫濕度測控系統需要對采集信號的通道個(gè)數、采樣頻率、總的緩沖區的數目、每個(gè)緩沖區的采樣點(diǎn)數等參數進(jìn)行設置。通過(guò)對這些參數的綜合設置可以得到合適的信號采集時(shí)間和總的采樣點(diǎn)數。它們之間滿(mǎn)足下面的關(guān)系：

共采集到的點(diǎn)數 = 頻率 × 采集時(shí)間

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

4.2 數據采集模塊

數據采集模塊主要包括信號采集和模數轉換兩部分。由于所使用的A/D數據采集卡均可以直接應用于LabView軟件平臺中的.dll 格式的統一接口A(yíng)DCard驅動(dòng)程序。這樣就避免了應用其它語(yǔ)言開(kāi)發(fā)驅動(dòng)程序，只需正確調用ADCard下的相關(guān)函數。數據采集中應用的數據傳輸原理是：數據采集卡在驅動(dòng)程序的控制下, 將采集到的外部信號先存放在采集卡上的緩沖區中，驅動(dòng)程序再將采集卡緩沖區中的數據放到驅動(dòng)程序的緩沖區中，再經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)連接庫接口函數，將數據傳輸到上層應用軟件的數據內存中。

在LabView的后臺程序中，使用LabView提供的調用動(dòng)態(tài)連接庫方法來(lái)實(shí)現數據采集的輸入。整個(gè)采集過(guò)程分為調用DllInitial函數初始化采集功能、調用DllStartIntr函數啟動(dòng)A/D 卡開(kāi)始數據采集、調用DllADResult函數讀取數據采集結果和調用DllStopIntr函數停止數據采集幾個(gè)步驟完成。

4.3 數據處理模塊

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(shū)籍和文獻資料的隨機存入與取出都將影響館藏室的溫濕度，這給溫濕度的控制帶來(lái)困難，并難以用數學(xué)模型來(lái)表達。

本系統由LabView虛擬儀器軟件實(shí)現智能控制原理中的模糊控制方法。其基本思路是：當采集的數據在設定值的閾值范圍內時(shí)，系統不調節當采集的數據偏離給定值的閾值范圍，新采集的數據與上次采集的數據進(jìn)行比較，若其變化趨向設定值，系統仍然不調節若其變化偏離設定值，系統進(jìn)行調節。由于被控參數的時(shí)滯大，該調節機理能夠在保證控制精度的前提下，不僅避免了執行機構動(dòng)作頻繁引起系統振蕩，而且可以延長(cháng)執行機構的使用期限。

為防止意外情況如執行機構失效發(fā)生，本系統還設計了溫濕度的上下限報警功能。通過(guò)虛擬儀器的前面板和框圖程序可實(shí)現聲光報警，提醒工作人員及時(shí)處理意外情況。

4.4 數據顯示模塊

在數據顯示模塊中，采集到的數據和報警信號可以曲線(xiàn)、數值兩種方式顯示出來(lái)，以便進(jìn)行人機交互。另外設置了數據存盤(pán)函數，保存采集數據以備后用。圖形和數據的顯示可以從虛擬儀器面板上看到，如圖3所示。數據存盤(pán)的實(shí)現在后臺框圖程序里體現出來(lái)，選用函數- 文件 I/O - 寫(xiě)入電子表格文件節點(diǎn)完成對數據存儲功能。

4.5 信號輸出模塊

采集到的數據經(jīng)控制算法處理后，將產(chǎn)生相應的控制信號，系統采用兩種方式進(jìn)行輸出，若是對圖書(shū)館館藏室的溫濕度進(jìn)行監控，則相應的控制要求比較低，可以采用開(kāi)關(guān)量來(lái)進(jìn)行控制，故輸出的是一個(gè)開(kāi)關(guān)量信號若是對珍藏有珍貴文物的博物館的溫濕度進(jìn)行監控，則相應的控制要求比較高，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，通過(guò)調整空調機或去濕機的轉速來(lái)達到實(shí)時(shí)控制的目的。