基于虛擬儀器的溫度檢測技術(shù)研究*

趙 玲 張光華 牟 儀

(東北石油大學(xué)a. 計算機與信息技術(shù)學(xué)院；b. 電氣信息工程學(xué)院)

基于虛擬儀器的溫度檢測技術(shù)研究*

趙 玲a張光華b牟 儀a

(東北石油大學(xué)a. 計算機與信息技術(shù)學(xué)院；b. 電氣信息工程學(xué)院)

引入了虛擬儀器的概念，介紹了虛擬儀器的工作原理，分析了溫度檢測系統(tǒng)的總體構(gòu)成，描述了溫度參數(shù)采集的圖示與串口接收數(shù)據(jù)的方式，構(gòu)建了基于LabVIEW軟件的溫度自動檢測系統(tǒng)。結(jié)合LabVIEW技術(shù)，對溫度檢測系統(tǒng)的上位機、下位機進行了硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計和軟件程序設(shè)計。該系統(tǒng)可實現(xiàn)多檢測點不間斷檢測和對電信號的采集。

溫度檢測系統(tǒng) 虛擬儀器 LabVIEW

溫度是工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究試驗中一個重要的參數(shù)[1]。溫度直接影響著研究的結(jié)果、測量的精度、反應(yīng)的效果及設(shè)備的性能等，而溫度控制的基礎(chǔ)是溫度測量[2]。生產(chǎn)生活與科學(xué)研究對溫度測量精度的要求越來越高，測量儀表也從最早根據(jù)空氣受熱膨脹制作出的溫度儀、帶有水銀的溫度計、鉑電阻溫度計發(fā)展到熱電偶，并且隨著21世紀(jì)計算機和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的測溫儀表已不適于保存溫度數(shù)據(jù)以便進行后續(xù)統(tǒng)計和分析[3]。如今的溫度測量儀表已不單單靠物理知識進行設(shè)計與研發(fā)，而是將計算機與電子技術(shù)、物理知識相結(jié)合。筆者介紹了一種基于虛擬儀器LabVIEW的溫度測量裝置的開發(fā)。

1 虛擬儀器和LabVIEW簡介

1.1虛擬儀器

虛擬儀器是檢測與計算機技術(shù)、通信技術(shù)有機結(jié)合的產(chǎn)物。虛擬儀器是基于計算機的儀器[4]，它的出現(xiàn)為測控技術(shù)的發(fā)展開啟了新的方向。在虛擬儀器系統(tǒng)中，以強大而便捷的計算機軟件系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中某些復(fù)雜的硬件，可以在系統(tǒng)中應(yīng)用計算機直接對測試信號的產(chǎn)生與測量特征進行解析，由計算機的軟硬件資源來部分甚至整體地代替儀器完成它們的功能[5]。計算機和儀器的結(jié)合是儀器發(fā)展的一個重要目標(biāo), 驅(qū)動程序是應(yīng)用程序與I/O軟件的紐帶。

1.2LabVIEW介紹

LabVIEW是由美國國家儀器(NI)公司研制并開發(fā)的一種程序開發(fā)環(huán)境，類似于 C 和 BASIC 開發(fā)環(huán)境[6]，但LabVIEW和其他計算機語言所不同的地方是其他計算機語言是基于文本語言所產(chǎn)生的代碼，而LabVIEW是通過圖形化編輯語言來編寫的，產(chǎn)生框圖形式的程序。由于該軟件編程靈活，能整合成為專門測量、測試的內(nèi)置裝置，因此可用于編寫各種程序，如壓力、溫度、測控及各種繁復(fù)的仿真系統(tǒng)[7]。當(dāng)前虛擬儀器LabVIEW是世界上最通用的開發(fā)環(huán)境之一，它不但可以進行圖形化的編程，更是包括了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、信號生成、信號處理及輸入輸出控制等在內(nèi)的大量功能。

2 LabVIEW的應(yīng)用

首先通過控制器收集實時的溫度參數(shù)，然后把收集到的參數(shù)經(jīng)過一系列處理后傳輸給上位機。由 LabVIEW虛擬系統(tǒng)自動生成溫度信號，使用虛擬儀器LabVIEW進行控件讀取，從而使得溫度參數(shù)通過串口取出，在進行格式轉(zhuǎn)換的同時，使它顯示在前面板上，并且還可以進一步轉(zhuǎn)換成華氏溫度。通過對采集卡接收的信號進行數(shù)據(jù)處理并進行圖形顯示，同時采集處理后的數(shù)據(jù)與檢驗檢測綜合信息系統(tǒng)實現(xiàn)共享，從而通過溫度采集監(jiān)控實現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的采集、預(yù)處理、分析、儲存和顯示，實現(xiàn)儀表檢驗檢測的自動出證。溫度檢測系統(tǒng)裝置總體方案如圖1所示。

圖1 溫度檢測系統(tǒng)裝置總體方案

由圖1可知，溫度檢測系統(tǒng)主要由待測儀表、標(biāo)準(zhǔn)器、機電輔助、供電系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。首先，將待測儀表安放到卡盤上，通過信號線快速連接頭完成儀表與接線背板的連接，然后在機電輔助系統(tǒng)的控制下，待測儀表依次進入恒溫箱中進行溫度測定，在測定時，要注意對待測儀表的溫度、電流、電阻和標(biāo)準(zhǔn)器的溫度進行數(shù)據(jù)收集，通過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換后，變成數(shù)據(jù)采集卡需要收集的信號，之后交給軟件系統(tǒng)進行最終的處理。溫度檢測系統(tǒng)的原理如圖2所示。

圖2 溫度檢測系統(tǒng)原理

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1硬件結(jié)構(gòu)

溫度檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

硬件系統(tǒng)實現(xiàn)對待測儀表溫度、電流、電阻以及標(biāo)準(zhǔn)器電阻、溫度等信號的采集，實際上對于溫度變送器來說，溫度的測量過程就是電流信號的測量，測量中將測得的溫度信號轉(zhuǎn)化為電流信號之后，電流信號送入放大濾波電路進行處理，將處理后的信號送入采集卡的模擬輸入端，然后由A/D采集卡把接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機能夠識別的數(shù)字信號，然后經(jīng)過輸入輸出通道送入計算機進行后續(xù)的處理。因此，在硬件的設(shè)計上，主要采用NI公司的高精度數(shù)字萬用表模塊，實現(xiàn)各種參數(shù)的測量與采集。所使用的硬件設(shè)備見表1。

圖3 溫度檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

表1 所需硬件列表

3.2軟件部分

溫度檢測系統(tǒng)是對溫度儀表進行參數(shù)采集，并與標(biāo)準(zhǔn)的鉑電阻溫度計進行溫度對比，從而對被檢的溫度儀表進行檢測，系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

其中，數(shù)據(jù)的收集、顯示和處理是系統(tǒng)軟件功能的重要構(gòu)成部分。

首先，數(shù)據(jù)采集是該裝置實施的關(guān)鍵和保證，若要正確地完成溫度儀表的檢測，就必須準(zhǔn)確地采集被檢儀表的電阻、電流、溫度和標(biāo)準(zhǔn)器的溫度值，并將它們做詳細(xì)的對比。收集溫度參數(shù)的同時還需要對它們進行儲存，在儲存時可以改變其儲存路徑。然后，系統(tǒng)收集到的溫度參數(shù)傳進溫度顯示系統(tǒng)開始進行處理。數(shù)據(jù)顯示模塊主要完成被檢儀表和標(biāo)準(zhǔn)器參數(shù)的即時顯示以及曲線對比顯示等功能，它將采集的數(shù)據(jù)實時顯示，并且繪制出每個被檢溫度儀表和標(biāo)準(zhǔn)器之間的實時曲線對比圖，從而可以直觀地看出每個被檢溫度儀表的實時狀態(tài)。

上位機發(fā)送溫控數(shù)據(jù)代碼如下：

if(f){//f==1表示上位機要求發(fā)送溫度數(shù)據(jù)

ES=0;//關(guān)閉串口中斷

getTemperature(&H,&L);

serial_t(H);//發(fā)送溫度高8位

serial_t(L);//發(fā)送溫度低8位

f=0;

ES=1;//開串口中斷

}

上位機接收溫控數(shù)據(jù)代碼如下：

void serial(void) interrupt 4 {

static unsigned char flag=0;//接收狀態(tài)標(biāo)志

if(RI==1){//接收中斷標(biāo)志位為1時

RI=0;//清除中斷標(biāo)志

if(SBUF==0xAA){//上位機要求發(fā)送溫度數(shù)據(jù)

f=1;

}

4 結(jié)束語

筆者設(shè)計的基于虛擬儀器LabVIEW的溫度檢測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地測量溫度參數(shù)，并且系統(tǒng)下位機的構(gòu)成簡單，上位機對數(shù)據(jù)的檢測一目了然，可以很好地滿足多點溫度檢測的目的，具有較強的實用性。同時這套溫度檢測系統(tǒng)為了更準(zhǔn)確地進行實驗數(shù)據(jù)的收集，搭建了基于虛擬儀器LabVIEW的實驗平臺，這為實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性提供了保障，避免了不必要的資源浪費，為最終提高相關(guān)產(chǎn)業(yè)效率打下了堅實的基礎(chǔ)。

[1] 王敏. 基于LABVIEW的虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].通訊世界，2016，(22):270.

[2] 孫毅剛，何進. 基于LabVIEW的高精度多通道溫度測量系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2017,(1):97～100.

[3] 孫毅剛，何進，李岐. 基于LabVIEW的多通道溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2017,40(8):183～186.

[4] 于洋，于文波，徐立波，等.虛擬儀器的發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用[J].洛陽師范學(xué)院學(xué)報,2015,34(2):48～51.

[5] 林輝基，郭艷珠.基于LabVIEW的測溫系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2010,18(8):79～81.

[6] 李世紅. 基于LabVIEW 和單片機的溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,54(19):4836～4839.

[7] 陳華豪. LabVIEW設(shè)計的虛擬儀器在化工過程中對壓力和溫度控制的應(yīng)用[J].化工管理,2016,(2):12～13.

2017-07-09，

2017-07-14)

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TechnicalResearchonTemperatureDetectionBasedonLabVIEW

ZHAO Linga, ZHANG Guang-huab, MU Yia

(a.SchoolofComputerandInformationTechnology; b.SchoolofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity)

國家自然科學(xué)基金項目(51374076)；大慶市指導(dǎo)性科技計劃項目(zd-2016-061)。

趙玲 (1979-)，副教授，博士研究生，從事虛擬儀器控制的研究，mirror_zl@163.com。

TH811

B

1000-3932(2017)10-0948-04