虛擬溫度測量系統參考設計

　　溫度是工業生產和科學研究實驗中的一個非常重要的參數，物體的許多物理現象和化學性質都與溫度有關，許多生產過程都是在一定溫度范圍內進行的，需要測量溫度和控制溫度的場合極其廣泛。目前的溫度測量控制系統常采用單片機控制，該技術應用十分廣泛，但其編程復雜，控制不穩定，系統的精度不高。而利用虛擬儀器技術開發和設計的溫度測量系統，采用普通PC機為主機，利用圖形化可視測試軟件LabVIEW為軟件開發平臺，來監測溫度變化情況，采集數據并進行處理、存儲、顯示等。設備成本低，使用方便靈活，適用于工農業生產和教學。

　　1 虛擬儀器技術與LabVIEW簡介

　　虛擬技術、計算機通信技術與網絡技術是信息技術三大核心技術，其中虛擬儀器是虛擬技術的一個重要組成部分。虛擬儀器（Virtual Instrument，簡稱VI）是突破傳統儀器概念的最新一代測量儀器，它利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件，由用戶自己定義來完成各種測試、測量和控制的應用。其本質特征是：“軟件就是儀器”。它是基于計算機的軟硬件測試平臺，可代替傳統的測量儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發生器、頻譜分析儀等;可集成于自動控制、工業控制系統;可自由構建成專有儀器系統。虛擬儀器技術具有性能高、擴展性強、開發時間少和出色的集成四大優勢，使其成為現代測控技術的發展趨勢。

　　LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench實驗室虛擬儀器工程平臺）是一個程序開發環境。它使用圖形化編程語言G在流程圖中創建源程序，而非使用基于文本的語言來產生源程序代碼。LabVIEW還整合了諸如滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485以及數據采集卡等硬件通訊的全部功能。內置了便于TCP/IP、Active X等軟件標準的庫函數。LabVIEW程序被稱為虛擬儀器（VIs），是因為它們的外觀和操作能模仿實際的儀器。即使用戶沒有多少編程經驗，同樣也能利用LabVIEW來開發自己的應用程序。

　　2系統方案設計

　　虛擬儀器測溫系統是用虛擬儀器技術改造傳統的測溫儀，使其具有更強大的功能。系統框架如圖1所示，儀器系統通過前端感溫裝置的傳感元件，將被測對象的溫度轉換為電壓或電流等模擬信號，經信號調理電路進行功率放大、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，在PC機內利用已經安裝的虛擬儀器軟件對采集的數據進行所需的各種處理。

　　圖1 溫度測量系統原理框圖

　　基于虛擬儀器技術的測溫系統由硬件和軟件兩大部分構成。

　　2.1 硬件系統設計

　　硬件系統由前端感溫裝置（溫度傳感器）、數據采集卡、PC機系統等組成，主要實現溫度信號采集、轉化、處理等功能。

　　圖2 測溫系統硬件電路原理圖

　　本系統前端感溫裝置采用熱敏電阻，熱敏電阻RT1與R1串聯分壓，電路輸出電壓與溫度成正比。傳感器通常輸出的信號較小，必須采用合適的信號調理電路（如放大），盡量減小量化誤差。當溫度變大時，熱敏電阻RT1電阻變小，在分壓點產生一線性電壓，經電壓跟隨器保持后，經過LM324進行一級和二級放大，輸出一個正向、與溫度變化大小成正比的線性電壓。測量電路輸出的模擬電壓送入數據采集卡，轉化為數字信號再輸入PC機。
　　2.2 軟件系統設計

　　軟件部分主要是對數據進行后續處理、報警、顯示等功能，具體實現采集卡參數設定、數據標定、實時顯示、溫限設定及報警和人機交互等功能。

　?。?） 傳感器的標定

　　傳感器的標定是通過實驗以建立傳感器輸入量與輸出量之間的關系。標定是儀器儀表在設計完成后，正式使用前必須要經過的一道校驗程序。對于虛擬溫度測量系統而言，標定就是為了獲得電壓和被測物體溫度的函數關系，以便通過電壓計算出溫度。

　　熱敏電阻具有靈敏度高、體積小、重量輕、使用壽命長，適于遠距離測量等優點，但其非線性誤差較大，穩定性稍差，所以必須進行標定。

　　通過曲線擬合法對系統進行標定，即可求出測溫范圍內任一電壓對應的溫度。

　?。?） 前面板設計

　　用戶界面（前面板）是虛擬儀器的重要組成部分，儀器參數的設置、測試結果顯示等功能都是通過軟件實現，因此要求軟件界面簡單直接，便于使用。本系統采用LabVIEW8.2軟件設計了用戶界面如圖3所示。該界面可顯示經傳感器檢測、數據卡采集并轉換得到的電壓波形的變化，同時將標定后得到的溫度值分別用波形、指針和數值三種方式顯示出來，適應不同用戶的需求，通過布爾量開關設置超限報警指示。

　　圖3 系統前面板（用戶界面）

　?。?） 程序框圖設計

　　LabVIEW的源程序為框圖式的，且提供了非常豐富的庫函數，從數據采集到儀器控制，從信號產生到信號處理，從數據分析到圖形顯示，從文件讀寫到網絡通信，多種多樣，大大提高了用戶編程的效率，減輕了編程工作量。 　　本系統程序框圖設計主要包括設備初始化、AD部件初始化、模擬數據讀取、電壓-溫度轉換、數據處理及顯示、超限報警、AD部件釋放、設備釋放等模塊，其中有些模塊直接調用LabVIEW中的子模塊（庫函數），如乘法、減法、比較超限與否、定時器等;還有些如Create/Release ID、AD Int/Read/Close等模塊由用戶自定義設計實現。

　　具體流程圖和程序框圖見圖4、圖5。

　　圖4 系統流程圖

　　圖5 測溫系統程序框圖

　　3 結束語

　　利用LabVIEW軟件實現了虛擬溫度測量系統，改善了工作條件，提高了精度，節約了時間，降低了成本。該系統的擴展性很強，可進一步擴充其功能，如實現對溫度遠程測控等。該系統構建測控系統的方法，可推廣到類似的應用中，有著十分重要的現實意義。

　　本文創新點在于：采用虛擬儀器構建了溫度測量系統，實現了測溫的智能化，精度高，成本低，通用性和擴展性強。