LabVIEW的測溫系統設計

LabVIEW是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開(kāi)發(fā)的，類(lèi)似于C和BASIC開(kāi)發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計算機語(yǔ)言的顯著(zhù)區別是：其他計算機語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)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(xué)研究實(shí)驗中的一個(gè)非常重要的參數，許多系統的工作都是在一定的溫度范圍內進(jìn)行的，需要測量溫度和控制溫度的場(chǎng)合及其廣泛。

1 虛擬儀器技術(shù)與LabVIEW簡(jiǎn)介

虛擬儀器[1]（virtual instrument）是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。粗略地說(shuō)這種結合有兩種方式，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(zhù)計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類(lèi)儀器功能也越來(lái)越強大，目前已經(jīng)出現含嵌入式系統的儀器。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為依托，實(shí)現各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。上面的框圖反映了常見(jiàn)的虛擬儀器方案。

虛擬技術(shù)、計算機通信技術(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。在虛擬儀器系統中，用靈活、強大的計算機軟件代替傳統儀器的某些硬件，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中“消失”，而由計算機的軟硬件資源來(lái)完成它們的功能。

LabVlEW是美國NI公司推出的一種基于G語(yǔ)言的虛擬儀器軟件開(kāi)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、數據采集、數據顯示等領(lǐng)域，可應用于Windows、Macintosh、UNIX等多種操作系統平臺。設計者可以像搭積木一樣，輕松組建測量系

統，構造自己的儀器面板，而無(wú)需進(jìn)行任何煩瑣的計算機代碼的編寫(xiě)。即使用戶(hù)沒(méi)有多少編程經(jīng)驗，同樣也能利用LabVIEW來(lái)開(kāi)發(fā)自己的應用程序。

2 系統設計方案

虛擬溫度測試儀將被測對象的溫度轉換為電壓或電流等模擬信號，經(jīng)信號調理電路進(jìn)行功率放大、濾波等處理后，變換為可被數據采集卡采集的標準電壓信號。在數據采集卡內將模擬信號轉換為數字信號，并在數據采集指令下將其送入計算機總線(xiàn)，在PC機內利用已經(jīng)安裝的虛擬儀器軟件對采集的數據進(jìn)行所需的各種處理。其總體框架如圖1所示。

　　設計一個(gè)儀器，首先要考慮確定其功能，然后根據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，根據需要可隨時(shí)進(jìn)行修改，本文設計的虛擬溫度測試儀要實(shí)現如下功能：1）設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(guò)程加以控制；2）設置預警信號，當溫度超過(guò)某個(gè)預設的溫度值時(shí)，該警示燈變亮；3）可以對采集到的溫度信號進(jìn)行顯示、存儲和

打印，對采集到的溫度進(jìn)行調用，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(guān)地看出溫度的變化過(guò)程，在實(shí)時(shí)趨勢圖中新數據連續擴展在已有數據的后面，波形連續向前推進(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)系統的第一步，也是直接影響系統性能的重要因素之一。由于熱電阻線(xiàn)性度好。在-200～+500℃的溫度范圍內獲得廣泛應用。常用的鉑電阻的特點(diǎn)是精度高，性能穩定可靠，被國際組織規定為-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(mén)℃和0℃時(shí)的電阻值；A，B為常數，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換為電壓值進(jìn)行測量。通常通過(guò)平衡電橋將熱電阻溫度變化轉換為電壓的變化輸出。然后進(jìn)行放大，通過(guò)測量電橋輸出電壓變化求得溫度值。

使用3根引線(xiàn)的熱電阻如圖2所示，其原理是：在使用平衡電橋對熱電阻Rt進(jìn)行測量時(shí)由電阻體引出3根導線(xiàn)，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，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(guò)曲線(xiàn)擬合法對系統進(jìn)行標定，即可求出測溫范圍內任一電壓對應的溫度。

2.2 溫度測試系統的信號調理

此溫度傳感器用溫度變送器進(jìn)行信號調理，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(guò)穩壓濾波、運算放大、非線(xiàn)性校正和反方向保護等處理電路，轉換為與溫度成線(xiàn)性關(guān)系的4～20 mA電流信號輸出，在信號輸出端加一個(gè)220 Ω的電阻轉換成0.88～4.4 V的電壓信號輸出。

2.3 溫度測試系統的數據采集

模塊化設計數據采集，數據采集模塊的設計對后續的數據顯示和分析結果以及整個(gè)系統功能的實(shí)現，具有直接影響，利用NI公司的DAQ（Data AcquisitiON）卡及其驅動(dòng)程序設計這一模塊，充分利用集成的功能全面的DAQ函數庫和子VI，設計可以實(shí)現對數據采集的控制，包括觸發(fā)控制、通道控制等的數據采集模塊。

2.4 溫度測試系統的程序框圖

在進(jìn)行溫度測試時(shí)，先確定哪個(gè)通道對溫度信號進(jìn)行采集，然后對系統進(jìn)行調試，調試好后開(kāi)始數據采集及存儲和備份，當溫度超過(guò)用戶(hù)所設定的極限值時(shí)，溫度測試系統會(huì )報警提示，當溫度在允許的范圍內時(shí)，測試系統對所采集的信號進(jìn)行濾波分析、波形顯示、波形調整。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(lái)判斷是否執行溫度測試程序，選擇哪種濾波，判斷是否超限報警。

3 結論

通過(guò)設置不同的前面板左邊的參數設置部分，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整后波形顯示以及圖形的局部細化、放大，還有指標值的數值顯示。得到如圖5所示的測量結果表明，該測量方法具有測量精度高、線(xiàn)性度好、時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。