基于虚拟仪器的温度测量系统

大连大学 2013 届毕业论文 （设计 ） 题目名称： 基于虚拟仪器 的温度测量系统 所 在 学 院 ： 信息工程学院 专业（班级）： 自动化 学生姓名 ： 指导教师 ： 评阅人 ： 院 长 ： DALIAN UNIVERSITY 基于虚拟仪器 的温度检测系统 2 基于 虚拟仪器 的温度检测系统设计 总计：毕业论文 36 页 表 格 表 插 图 10 指导教师 评 阅 人 完成日期 2013/5/15 基于虚拟仪器 的温度检测系统 I 摘 要 本文介绍了利用虚拟仪器开发平台 LabVIEW, 进行温度控制系统设计 , 其中包括了该系统硬件和软件部分的设计。 针对传统测温系统存在的若干问题，基于虚 拟仪表技术， 以 LabVIEW为软件平台设计温度测量系统 。 将传感器测量到的数据通过数据采集卡采集到计算机，再利用虚拟仪器开发软件 LabVIEW 进行编程， 有效地运用了 LabVIEW虚拟仪器技术，将诸多重要步骤都在配备硬件的普通PC 电脑上完成，使得整个测量的重点转向软件的设计，是虚拟仪器技术应用于温度测量领域的一个典型范例。 结果表明系统结构简单、界面良好、易于操作，测量准确、稳定可靠、温度控制精度高，系统交互性好，性价比高，可以满足工业测试的需要。 关键词： 温度测量 ； LabVIEW； 虚拟仪 器； PC-DAQ; 基于虚拟仪器 的温度检测系统 II ABSTRACT The paper introduced how to use the virtual instrument platform LabVIEW, designing the temperature control system， In view of traditional temperature measurement existence questions， it uses LabVIEW as software platform， the temperature measuring system based on virtual instrument technique is designed It can realize the data acquisition of temperature as well as data transmission， analysis and display， with the development software of virtura instrumrents LabVIEW The LabVIEW virtual instrument technology is eficiently used to complete many important processes in common PC computer which is integrated of hard wares So it makes the key point of the measurement move to software design， and it is a typical example of applying virtual instrument technology into temperature measurement field Experimental results show that the system is simple， good interface， easy operation， measurement accuracy， stable， temperature control accuracy better ， its interactive perform ance is good, and its perform ance price ratio is high to meet the needs of industrial test Keywords: Temperature Measurement; LabVIEW; Virtual Instrument; Thermocouple; PC-DAQ; 基于虚拟仪器 的温度检测系统 III 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 1. 绪论 . 1 1.1 论文的研究背景及意义 . 1 1.2 虚拟仪器的现状及发展 . 2 1.2.1 虚拟仪器现状 . 2 1.2.2 虚拟仪器的发展趋势 . 3 1.3 论文的设 计任务及主要工作 . 3 1.3.1 设计任务 . 3 1.3.2 论文完成的主要工作 . 4 2. 虚拟仪器概述 . 5 2.1 虚拟仪器简介 . 5 2.1.1 虚拟仪器简介 . 5 2.1.2 PC-DAQ式虚拟仪器 . 5 2.2 LabVIEW 简介 . 6 2.1.1 G语言简介 . 7 2.1.3工作流程 . 7 3.硬件系统设计 . 9 3.1 基于计算机的检测系统 . 9 3.2 系统硬件组成 . 12 3.3 温度传 感器 . 12 3.4 温度变送器 . 13 3.5 数据采集卡 . 13 4. LabVIEW 软件模块设计 . 15 4.1 前面板设计 . 15 4.2 程序框图设计 . 16 4.2.1 系统总体框图 . 16 4.2.2 系统功能模块设计说明 . 16 结论 . 20 致谢 . 21 参 考文献 . 22 大连大学学位论文版权使用授权书 . 31 基于虚拟仪器 的温度检测系统 1 1. 绪论 1.1 论文的研究背景及意义 温度在日常生活、科研研究、业生产中是经常需要测量和控制的一个基本物理量 , 许多科研和生产过程密切相关，温度检测系统的应用极具普遍性和重要性。 PC-DAQ 式虚拟仪器功能灵活、通用性强、可靠性高、性价比高，是一种非常实用的虚拟仪 器结构方案，应用非常广泛 。 随着科学技术与工业水平的不断发展， 高精度的温度测量成为需求所在 ， 同时也需要提高温度测量的范围 。 过去所使用 的温度测量系统已经渐渐无法满足现代工程应用的需要， 因此 需要一种新的温度测量方法。 基于虚拟仪器的温度测量以其特有的方便、快捷、稳定、高效而被广泛研究。 工业生产中需要有高的产品质量和产量，同时也需要低的消耗，这些都需要合理的温度范围和测温的精确性，虚拟仪器正是能满足以上要求的 新兴技术。 虚拟仪器在测控领域的优势越来越 明显， Labwiew也广泛应用于各 种科研实践 与生产 中， 这 对虚拟仪器温度 测量技术的研究具有重要意义。 LABVIEW软件平台 下的虚拟仪器测量技术，在如今的测控领域有着很重要的位置。所以将 温度测量与 LABVIEW 虚拟仪器相结合就成了温度测试领域的一个重要 课题 。在传统测温领域中，使用的大多是一些传统测量器件，都是通过用硬件 不能改变的固定软件实现功能。这些系统无法轻易改变功能和结构，要实现新的功能往往要更换整个软件，这种特性不能适应当今对测量系统越来越高的要求。虚拟仪器可以利用计算机的运算处理功能，以强大的处理能力来解决 数据处理、显示、传输、存储等方面 的问题，其交互式界面也便于系统 的控制和显示测量数据，程序框图和外部电路都比较简单，容易实现。虚拟仪器软件有很好的扩展性，升级功能简单，便于维护。 基于虚拟仪器的温度测量系统研究是响应时代的发展与社会的 进步，对于工业生产和自动化进程的加快都是必不可少的一部分。需求决定生产，对温度测量高精度低成本的要求也是发展虚拟仪器温度测量的重要诱因。而越精确、方便、快捷、经济的温度测量方式越能满足工业与生活的需求。而基于虚拟仪器的温度测量正是这样一种高精度、方便、快捷、经济性价比高的温度测量方式。 基于虚拟仪器 的温度检测系统 2 1.2 虚拟仪器 的现状及发展 1.2.1 虚 拟仪器现状 目前 虚拟仪器技术 发展迅猛， 美国国家仪器公司 （ National Instruments Corp.简称 NI） 等 一批厂商 设计制造制造并推出了许多关于虚拟仪器技术的 仪器产品。 这方面的人才和技术也越来越重要，为了培养更多的这方面的人才， 在美国一些大学 已经将虚拟仪器技术作为一门课程。 虚 拟仪器的系统开发采用的总线包括传统的 RS232 串行总线、 GPIB 通用接口总线、 VXI 总线，以及已经被 PC 机广泛采用的 USB 串行总线和 IEEE1394 总线 1。 以上各种总线配置需要虚拟仪器响应配合， NI 公司为此开发了很 多软件以及硬件（插件），用以 不同复杂程度的虚拟仪器自动检测系统 的组建。 NI 公司 也在发展 虚拟仪器的 专用总线系统 ， 1997 年 9 月 1 日推出模块化仪器的主流平台 PXI，这是与 Compact PCI 完全兼容的系统。这种虚拟仪器模块化主流平台 PXI/Compact PCI 的传输速度已经达到 100Mb/s。是目前已经发布的最高传输速度。 虚拟仪器有许多软件平台，其中 最早和最具有影响力的开发软件 是 NI 公司的 LabVIEW 软件和 Lab windows/CVI。 LabVIEW 采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件 ，编程简 单方便 。 其中 Lab windows/CVI 适用于 C 语言的开发人员 ， 在 windows 环境下的标准 ANSIC 开发环境，除了上述 开发软件外 HP-VEE和 HPTIG 平台软件， Ez-Test 和 Tek-TNS 软件，以及 Snap-Master 平台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件 1。 在 我国在虚拟实验研究方面起步比较晚， 相对于美国等国家有一定的差距，但近年来， 随着虚拟仪器 在各个领域中的应用 越来越广泛 ， 作用越来越大，我国的 虚拟实验的研究和开发也得到重视， 近年来随着很多科研、学术、工程人员的研究，我们对 虚拟仪表的 研究 成果显著。 随着国内外对虚拟仪表 研究 的深入 ， 虚拟实验技术已经和很多技术相融合，如虚拟现实技术、计算机仿真技术、虚拟仪器技术、远程实验控制技术等，与时代相融合是发展的必然趋势，技术的融合为我们提供了更多样的实验操作方式和实践学习方法。 虚拟仪器技术是本课题的基点，虚拟仪器研发相对容易，在实验教学上实用性强，虚拟仪器可操作性好，是值得研究的 3。 基于虚拟仪器 的温度检测系统 3 1.2.2 虚拟仪器的发展趋势 现如今电子行业的发展越来越迅猛，已经成为了当今社会的主流行业。在电子行业中电子测试占据着重要的地位，可以说是电子行业的 基础。在某种意义上来说测试仪器的水平代表着电子技术发展的水平。电子技术在很多领域中都有应用，这就表明电子测试仪器也更多的被用于许多非电量的精密测试设备的如此测量 ,因此也可以说 这些领域的发展状况 9，与时代的发展。 虚拟仪器技术 在测试行业已经被普遍应用，如 自动化、石油钻探和提炼、生产中的机器控制等领域也有广泛的应用 。 在虚拟仪器技术中对转换器有比较高的要求，而 高性能、低成本的 A/D和D/A转换器的出现和发展 无疑更进一步推动着虚拟仪器的发展。在硬件设计方面可以利用大量生产的芯片作为 测量的前端组件 ，在软件设计方面 图形化的数据流语言的 LabVIEW可作为软件平台。硬件与软件技术的发展也无疑推动着虚拟仪器的发展。 虚拟仪器的扩展功能也在不断的发展， 例如 PC测试程序 的开发和 嵌入式处理器和 FPGA(现场可编程门阵列 )上硬件设计等。 能够在 PC上这些为用户设计测试系统，定义硬件功能等提供了一个独立环境。 随着我国科技和工业水平的发展虚拟技术 的应用 将越来越广泛 。虚拟仪器的众多优势势必会让其代替传统仪器额位置，随着传统仪器的淡出，虚拟仪器将会得到更广泛的应用。 1.3 论文的设计任务及主要工作 1.3.1 设计任务 本文主要设计 一个 LabVIEW软件系统，能够对温度信号进行处理、运算、记录，这些功能由虚拟仪表软件完成。而测量温度也必然需要传感器电路，也就是硬件电路，功能主要是完成温度信号的采集和和转换。计算机处理的电信号来自转换器处理的物理信号，并以其强大的运算能力进行处理，绘制温度曲线等。 技术要求：（ 1）所选传感器和自制的调理电路工作可靠。 （ 2） 温度曲线 能够以图形方式显示， 并且 准确，稳定。 （ 3）能够 储存数据 、 累加、超限报警 。 （ 4）能够满足不同的测量精度和测量范围 。 （ 5） 界面简单，易于操作 。 基于虚拟仪器 的温度检测系统 4 1.3.2 论文完成的主要工 作 （ 1） 虚拟 仪器 温度测量系统 的背景、目的及意义 研究。 （ 2）温度检测系统总体 设计 采用 PC-DAQ式虚拟仪器结构系统。数据采集卡选择 PCI-1710HG，软件开发平台选择 LabVIEW。 （ 3） LabVIEW和 PCI-1710HG数据采集卡的应用研究。 研究 LabVIEW 开发环境的使用及编程方法，研究 PCI-1710HG 数据采集卡的功能及其在 LabVIEW 中的使用。 （ 4）系统硬件设计 温度传感器的选择及测量电路设计， A/D 功能的实现，数据采集卡与计算机的连接。 （ 5）系统软件设计 设计系统软 件的功能，完成软件开发。 （ 6）系统测试与试验结果分析 基于虚拟仪器 的温度检测系统 5 2. 虚拟仪器概述 2.1 虚拟仪器简介 2.1.1 虚拟仪器简介 虚拟技术、计算机通信技术与网络技术是信息技术的三大核心技术，虚拟仪器是虚拟技术的一个重要组成部分 1。 虚拟仪器的主要功能就是以计算机技术为基础，利用计算机的软件来代替传统仪器中的硬件，用虚拟的资源代替实际资源，节省了经济与资源，且有了更为精确的精度 ，既经济又实用且方便。 虚拟仪器 ( Virtual Instrument; VI) 结合了 计算机技术和传统仪器技 术，这种和则两利的方式是时代发展的趋势所在，这也必然是测量仪器的发展趋势所在 。 随着虚拟仪器技术在测控系统的广泛使用，测控技术走向软件化、图形化的趋势明显，虚拟仪器“以软代硬”的思想，在大大降低工程中硬件所占比重的同时，也大大降低了工程技术人员使用门槛 “ 软件就是仪器 ” 反映了其虚拟仪器技术的本质特征 ， Labview 及虚拟仪器技术同时为教学 、 实验和科研提供了一个优秀平台，得到了国内外许多科研机构及院校的认可 7。 虚拟仪器与计算机技术 是密不可分的 ，虚拟仪器是基于计算机技术发展的 ，在具有虚拟仪器软件的计算机上 可以有一个为虚拟仪器设计的操作界面，可以方便操作。 作为测试仪器 , 虚拟仪器的软件界面体现了 很多的测试仪器的特性 。 虚拟仪器 也有许多功能 功能模块 , 这些 功能模块的性能在 主要 靠 计算机总线技术的发展和先 进的元器件 支持 。 2.1.2 PC-DAQ 式虚拟仪器 PC-DAQ是 基于插入式数据采集卡 (PC-DAQ:Personal Computer Data Acquisition)的简称 ， 它是 据采集系统 中 一种典型的虚拟仪器 ,它用计算机软件实现数据分析与处理，它的显示与控制面板可以在计算机显示器上实现 4。 DAQ仪器以 微型计算机为平台，配以总线，用于测量和测试功能的数据采集卡 及计算机软件，以实现测量和测试功能 4。 PC-DAQ 的数据采集系统最大特点是利用软件 代替 仪器来实现 一些 功能 ，软件是整个测试系统的核心 ,体现了 “软件就是仪器 ”的特点 ,系统功能扩展性好 ,大大减少了测试设备。 PC-DAQ式虚拟仪器 具有 灵活 的 功能 且其 通用性强 与 可靠性 很 高 ，这 种 高性价比而且 实用的虚拟仪器结构方案 的 应用非常广泛 。 虚拟仪器基于虚拟仪器 的温度检测系统 6 和其他例如 数字化仪器、智能仪器 的出现于发展取决于 微电子技术和计算机技术、网络技术的迅速发展，正是这些技术在电子测量方面的应 用 使虚拟仪器 单台仪器逐步发展到叠加式仪器系统、虚拟仪器系统等 5。 DAQ仪器与智能仪器不同点是它不需要专门的微处理系统。 硬件设计主要是仪器插板，除了这些专业的仪器插板也可以直接使用数据采集卡，采集卡性能优秀技术成熟，可很好的与虚拟仪器配合使用。软件设计可利用 LabVIEW等虚拟仪器开发系统。这样一 来 DAQ仪器设计的周期可以大大缩短。 在 DAQ仪器中，测试过程的控制可以最大限度地实现自动化，这在长时间 连续测试和反复巡回检测的应用场合特别有用， DAQ仪器可以方便地实现频谱分析、相关分析、传递函数分析及时间序列 分析、模式识别等数据处理与分析功能 18。利用计算机的已有资源，还可以方便地实现测量数据的永久存储、数据压缩、远距离传输、打印等。 DAQ仪器的测量过程，如量程选择、开关选择、数据采集、传输、处理与显示输出等均可以由程序自动完成。测试过程可以采用人机交互式操作， 只要操作者熟悉一般 PC的操作方法，即可方便地操作 DAQ仪器。通常， DAQ仪器的操作可以通过键盘、鼠标、光笔和触摸屏来完成。应用多媒体技术，还可以采用语音命令来实现操作 18。 2.2 LabVIEW 简介 自 1990年代以来，计算机技术在飞快的发 展，所以许多技术都基于计算机技术有了新的发展。其中虚拟仪器技术是代表之一，它是测量技术发展的一个成果，向着通用化、智能化和网络化发展。 在虚拟仪器中，硬件 负责 信号的 采集与输出，软件 才是仪器的根本所在 ， 每 个使用者都可以 根据自己不同的需求对软件进行方便的修改 ， 以改变和 增减仪器系统的功能， 这正体现了 “软件就是仪器”这种说法 。 Labview 是由美国 NI 公司开发的 一种 基于图形化编程语言的虚拟仪器开发工具，是 测量 、 测试 和控制系统的开发工具 。 LabvIEw是当前流行的图形化 语言 开发环境，是一种功能强大的编程语言 (亦被 称为 G语言 ) 8。 它内置信号采集 、测量分析和数据显示功能，集开发 、 调试 、 运行于一体， 内置几乎所有的常用 信号处理函数 以及 大量现代的高级信号分析工具， 而且以 Lab-VIEW为平台 编写的虚拟仪器应用程序可以容易地与硬件集成， 同时也能连接到 大多数通用数据库链接，与几乎所有的 现场总线 建立通信 。 LabVIEW的良好界面对数据采集 可以 进行有效控制， 以及 在 LabVIEW里实时显示数据。 LabVIEW开发虚拟仪器支持的数据采集硬件往往价格比较昂贵，而 以基于虚拟仪器 的温度检测系统 7 单片机为核心的多点温度采集虽然硬件成本较低，但开发过程复杂，编程工 作量大，周期长，效率低 2。为提高系统的性价比， LabVIEW软件设置了 串口驱动程序 用来 实现串口功能， 这样就可以 将采集到的数据传送到 计算机 系统， 以便 在LabVIEW环境下对 接收到的 数据进行处理。这样 使 LabVIEW的 功能 得到了充分利用 ，又 有 单片机快速及灵活的特点，降低了系统的开发成本，提高了效率。 2.1.1 G 语言简介 G语言是一种图形化的程序语言，它的主要应用就是在 LabVIEW 中。 VI 就 在LabVIEW 开发平台编制的 虚拟仪器 程序称 的简 。 这种语言在编程时不需要编译程序代码，而用程序 流程图编译。 它利用 一些 技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念， 所以， LabVIEW 是一个面向最终用户的工具。 它能使使用者 构建科学和工程系统的能力 提高，时 仪器编程和数据采集 更为方便快捷 。 使用它设计仪器、测试系统程序和原理研究时，能提高工作的效率。 视为一个标准的数据采集和仪器控制软件 语言， G 语言如今已经被很广泛的应用在工业、学术和 研究实验室 等方面。 LabVIEW 集成了与满足 GPIB、 VXI、 RS-232 和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用 TCP/IP、 ActiveX 等软件标准的 库函数 17。利用 G 语言编程有强大地功能和很强的灵活性，它使虚拟仪器的构建更加简单，其图形化编程方式也比其他枯燥的程序语句生动。 LabVIEW 环境下的 G 语言由 程序前面板、框图程序和图标 /连接端口三个部分组成。其中程序前面板模拟真实仪表的前面板设计而成，用于设置输入数值和观察输出量。程序框图是对前面板功能的支持，用 G言语编写，是虚拟仪器的关键技术。图标是面板上的各种控制按钮与显示工具，能让测量结果更直观额显示给用户。 G语言图形化的编程语言，让熟悉各种仪器结构的人员很容易的编写程序，就像设计传统的电路图一 眼。对于初学者图形化的形式更便于理解，使学习过程变的简单生动。 2.1.3 工作流程 LabVIEW 编程时会将很多基本的模块组成完整的虚拟仪器功能，各模块有I/O 借口彼此分开工作又组成一个统一的整体。 它的软件工作流程如图 2-1所示。 基于虚拟仪器 的温度检测系统 8 图 2-1 软件工作流程图 基于虚拟仪器 的温度检测系统 9 过程参数 传感器 信号调理 传感器 传感器 传感器 传感器 信号调理 信号调理 信号调理 信号调理 接口 采样 / 保持 定时与逻辑控 制 模数转换 计算机 显示器 打印机 3.硬件系统设计 3.1 基于计算机的检测系统 基于计算机的检测 系统 的组成部分有 传感器、信号调理电路、模拟多路开关、放大器、采样 /保持器、模数转换器、计算机及外设等。 模拟多路开关 在计算机的软硬件控制下依次切换， 接通各路模拟输入信号，同时采样 /保持器和模数转换器也在计算机的控制下启动，转换后的数字信号被读入计算机，达到了巡回数据采集的目的。 图 3-1为基 于计算机的检测系统构成。 多路开关 放大器 数字信号 开关信号 图 3-1 基于计算机的检测系统的组成 （ 1）传感器 在测量系统中被测参数经常是非电量 ，但是计算机只能识别和处理电信号。两者之间不能直接的进行数据处理，所以需要一个中间环节将两者的信号统一，这样才能完成计算和测量。传感器正是这样一种原件，他负责被测参数信息的拾取，将非电量转换成电信号，然后才能做下一步的处理，实现了两种不同量之间的转换。 基于虚拟仪器 的温度检测系统 10 传感器有很多的种类，其中 温度传感器有热电偶、热敏电阻等，机械力传感器有压敏传感器、应变片等， 温湿度传感器有气敏传感器等。在传感器中把 传感器输出到模数转换器输出的这一段信号通道称为模拟量输入通道。 （ 2）信号调理 传感器采集各种数据之后输出信号，这些信号有很多不同的形式，主要分为电量和非电量，这些信号的幅值与频率也都是不同的。因为数据采集设备自能采集电压信号，信号的范围只有 如 、 、 、 等 几种。这是传感器传送过来的一些费电呀信号就能直接被接受，所以这些信号要经过一定的处理， 而信号调理环节就是 采集中传感器和数据采集设备间 的中间环节，它要将传感器输出的信号处 理后传送到采集设备中，使信号能够传递。 （ 3）放大器 放大器的作用是对模拟信号进行 幅度放大、阻抗匹配、噪声抑制等预处理等。因为在实际应用中需要根据被测对象的特性选择合适的传感器来完成非电量的转换，在一个采集任务中传感器输出的信号幅值经常很小，而且会噪声等干扰，这种信号很难直接进行数模转换。这时就需要放大器对信号进行相应 的处理 。 在幅值太小不能直接进行数模转换时 ， 信号 需经过放大器放大后，变换成标准电压信号，如 0 5V、 0 10V、 -5 5V等， 放大后的信号就可以在数模转换环节中转换。 放大器有很多的种类 以满足各类传感器输出情况的不同。其中差分放大器、测量放大器和隔离放大器等可以抑制输入信号的工频、静电和电磁耦合等共模干扰，斩波稳零运算放大器可以减小放大器输出的失调和漂移，量程可以变换的程控增益放大器可以使不同数量级的输入电压都具有最佳变换。 （ 4）模拟多路开关 模拟多回路开关是为了在要求高速的的场合实现多回路检测功能，就是 在数据采集系统中对对多个物理量进行采集，低速的数模转换器在实现这一功能时十分复杂，而在模拟多路开关中就可 以很简单的完成。 模拟多路开关可以在不同的时间选择一个时间将多个通道中的一个通 道选通，这样转换器中只有一路信号输入，使转换器工作不会出现很大误差。 因此一套 如采样 /保持电路、模数转换器及处理电路等 多路开关后的单元电路 就能完成多回路检测 ， 这使成本大大大的降低，设备也相对简单。 在 多路开关 中 有 2N个模拟输入端， N 个通道选择端， 选通信号控制选择其 通道开关闭合，使想要 的模拟输入端与多路开关的输出端 相 通， 使 该路模拟信号通过。 如果设计要求以 固定的序列周期闭合各个开关， 就要按一定规律 改变选通信基于虚拟仪器 的温度检测系统 11 号，这样 模数转换器分时复用 可以 构成 的 周期性分组的分时复用输出信号对各通道模拟信号进行转换。 （ 5）采样 /保 持器 因为在对模拟信号进行模数转换需要一些转换时间，在转换时要保持信号不变，变动的信号会使转换精度出现很大偏差。实时采集的信号总是在变化，尤其是在信号频率高时，转换偏差更多。 在模数转换器之前加入采样 /保持器可以保证模数转换精度。采样 /保持器 可以利用逻辑信号保持模拟输出信号的瞬态值，这样就给了模数转换足够额转换时间。 采样 /保持器以电容为储存原件保存逻辑信号值。 在模拟多路每个通道开关之前 添加 采样 /保持电路，也 可实现对瞬时信号进行同时采样。采样 /保持器 可以 大大提高数据采集系统的采样频率。 （ 6）模数转 换器 模数转换器 的主要功能是把模拟信号转换为数字信号。在系统中采样保持器输出的信号时模拟信号，而计算机只能处理数字信号，所以他们之间要加入模数转换器对信号进行转换。 它是模拟输入通道的关键 环节 ， 会很大程度上 影响数据采集系统采样速率和精度。 模数转换器 的 种类 有很多，能 应对输入信号变化速度不同 时 系统对分辨力、精度、转换速率及成本等要求。 在早期，设计人员要自己设计采样 /保持器与模数转换器 ，目前由于集成电路的高度发展，可以把它集成到单片机等器件上，这样也为系统设计提供了很大的方便。 当被测信号变化频率较高 时 ， 例如 微型计算机数据采集系统的模数转换器被共用，巡回采集多路模拟信号的数据， 此时就 需要 采用逐次逼近型模数转换器这种 转换速度较高的模数转换器。 （ 7）定时与逻辑控制电路 因为不合适的定时会影响系统的精确度，所以数据采集系统中对器件的定时关系要求比较严格，需要一个电路来控制 数据 。 定时与逻辑控制电路 中 定时电路负责 按照各个器件的工作次序产生各种时序信号，而逻辑控制电路 负责 依据时序信号产生各种逻辑控制信号。 （ 8）接口电 路 输入接口电路将从传感器送到计算机的信号进行必要的整形或者电平转换 。某些输出接口电路模块还 提供 如功率放大模块等 其他电路模块 ， 使 用户可以通过数据采集设备的数字 I/O直接控制电磁阀、继电器、电机等外设。 （ 9）计算机与外设 基于虚拟仪器 的温度检测系统 12 计算机 和外设 负责对数据采集系统的工作进行管理和控制，同时还具有显示、打印、报警、制表等功能。 计算机是数据采集系统的核心，它 能 按照预先安排好的程序，对输入信号自动进行信息处理、分析、计算，并做出相应的控制决策。然后通过输出通道发出控制命令 信息来 控制被控对象进行工作。 标准外设主要有三类：输入设备、输出设备和外部存储器。 3.2 系统硬件组成 本文 温度检测系统的 设计 主要使用 热电阻， 硬件 检测系统 组成如图 3-2 所示。 图 3-2 温度检测系统硬件组成 其中，温度检测传感器选用热电阻，信号调理由变送器完成， 模拟多路开关、放大器、采样 /保持器和模数转换器的功能由数据采集卡完成。 PCI-1710HG 多功能数据采集卡插到 PC 机中的 PCI 插槽中，并通过 PCL-10168 数据线缆与PCLD-8710 接线端子板连接。 3.3 温度传感器 本文选用 的传感器为 Pt100铂电阻。如图 3-3所示。 图 3-3 Pt100 热电阻 基于虚拟仪器 的温度检测系统 13 热电阻的工作原理是根据导体随温度变化特性 ，根据不同 温度的不同性能来测试温度。这种电阻对材料有很高的要求，热电阻材料要 电阻温度系数大，稳定性好，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。 其材料 要求 常用的热电阻有铂电阻 (650以内 )和铜电阻 (150以内 )。 铂电阻是 绕在线圈骨架上 的 0.05 0.07的铂丝封装在玻璃或陶瓷管等保护管内构成。在 0 650以内，它的电阻 Rt 与温度 t 的关系为：Rt=Ro(1+At+Bt2)，式中： Ro 系温度为 0时的电阻值 (本实验的铂电阻 Ro100 )。 A 3.9684 10 3， B 5.847 10 7 2 8 。 铂电阻 测量温度时一般采用 三线制，其中一端接一根引线 ， 另一端接二根引线，主要为远距离测量消除引线电阻对桥臂的影响 ，近距离测量时可用二线制，导线电阻忽略不计 。 3.4 温度变送器 在本文的设计中，信号调理的功能由温度变送器来完成，选用 AI-708人工智能调节器，如图 3-4 所示。温度变送器将电阻信号转换成 4 20mA直流电流输出，再通过跨接 250欧姆电阻，可转换成数据采集环节能接收的 1 5V直流电压信号。 图 3-4 AI-708 AI-708是 一种具备 0.2级的精度的 普及型仪表，可 编程输入规格， 如果要 选择热电偶、热电阻、线性电阻和电压（电流）的输入可以设置其参数 。它有很多功能和很广泛的应用，功能包 括位式调节、人工智能调节、通讯、变送和上限、下限、正偏差、负偏差等报警等，主要应用 适合作高精度测量显示、变送、位式调节或报警等用途， 它 具有可编程模块化输出，支持时间比例（继电器触点开关、SSR 电压、可控硅无触点开关及单相 /三相可控硅过零触发信号等）和线性电流（包括 0-10mA及 4-20mA）等多种输出方式 11。 3.5 数据采集卡 数据采集卡是一种集成电路，也就是在一块电路板上集成很 多功能模块，而在总体上能够实现一些功能。在数据采集卡电路中集成了很多总线接口电路包括基于虚拟仪器 的温度检测系统 14 多路开关、采样 /保持器、程控放大器、 A/D 和 D/A 转换器、控制逻辑、地址译码、光电隔离等电路 ，还有一些必不可少的应用电路。 本文选用研华 PCI-1710HG数据采集卡实现计算机检测系统中的过程通道。 PCI-1710HG数据采集卡 同其他采集可一样有很多 功能 ，是现在应用比较多的一款数据采集卡， PCI-1710HG 是 PCI 总线数据采集卡。 PCI-1710HG 数据采集卡及其配套的 PCL-10168 数据线缆和 PCLD-8710 接线端 子板 如图 3-5 所示。 PCI一 1710HG具有常用的测量和控制功能，如： 12位 A D转换、 D A转换、数字量输入、数字量输出及计数器定时器功能。 PCI一 1710HG支持即插即用， 能自动默认 地址和中断号都， 免去了 手工设置地址和中断号的跳线，使 用 简单方便。 图 3-5 PCI-1710HG 及其配套产品 基于虚拟仪器 的温度检测系统 15 4. LabVIEW 软件 模块设计 4.1 前面板 设计 软件主要完成对数据的采集与记录，硬件电路传过来的温度信号可以通过软件进行记录与分析。软件的前面板也就是用户界面是虚 拟仪器中很重要的一部分，而且可以根据不同的需求进行相应的调整，相对传统硬件仪表更经济更方便。本系统的软件设计可以连续的记录与处理温度信号，以温度为纵轴时间为横轴绘出温度时间曲线，温度与时间轴都可以根据用户需求做相应的调整。软件可以显示温度的当前值、平均值、最大最小值和累加值，同时也可以记录测量个数，设置温度上限值与下限值并设置提示灯，以便在温度达到上下限时用户可以直观发现。这些数值都会在前面板下方以数值方式显示。用户前面板如图 4-1所示。 图 4-1 软件前面板 基于虚拟仪器 的温度检测系统 16 4.2 程序 框图设计 4.2.1 系统总体框图 系统 的用户面板只是为用户提供一个直观观察数据的平台， LabVIEW 除了前面板还需要系统程序框图。程序框图是一个虚拟仪表的核心，通过编辑程序框图可以改变虚拟仪表的功能。图 4-2 是系统的系统总体框图。 图 4-2 系统总体框图 4.2.2 系统 功能模块设计说明 4.2.2.1 .采集卡选择部分 图 4-3 采集卡选择程序 基于虚拟仪器 的温度检测系统 17 SELECT DEVICE 是选择设备程序，选定设备之后由 deiver open 打开设备。SELECT Channel 和 SELECT Gain 分别是选择频道弹出和获取弹出选择。信号在经过 AIConfig 转换过后输入下一环节。 1. DeviceOpen 功能：开启数据采集卡 Input: DevNum 为给定的卡编号 。 Outputs: 1. DevHandle 是卡开启后电脑给卡的编号 。 2.error out开启过程中错误信息输出 。 （输入，输出由上到下依次为 1,2,3 ，下同） 2. AIConfig.vi 功能：设定单 AD转换的参数。 Inputs: 1. DevHandle 从 DeviceOpen 而 ， 代表这张卡的数字 。 2. Chain&Gain Channel 工作的单个 channel（装换器） ， 数值从 015。 Gain 依照先前 所述规格填入 Gain 值 决定输入范围 。 3. error in 由 DeviceOpen 而 ， 说明同前 。 图 4-4 为 vi前面板 图 4-4 VI前面板 基于虚拟仪器 的温度检测系统 18 Outputs: 1. DevHandle 将这张卡的数据继续传输到下一环节 。 2. Chain&Gain 將 输入 端所 设 定的 Chain&Gain 传到其他函数 。 3. error out 设定过程中错误信息输出 。 4.2.2.2 当前值和温度 曲线 显示部分 温度数值与曲线显示程序 如图 4-5所示 图 4-5 温度数值与曲线显示程序 经过 AICFG.C和 AIVOLI.C的 D/A转换过后信号变成数字信号，进过运算和放大分别输入到当前值和温度曲线。同时对数据进行累加。 1. AIVoltageIn.vi 功能： 读取进入装换器信号的电压值 。 Inputs: 1. DevHandle 从 AIConfig 而 。 2. Chain&Gain 从 AIConfig 而 ， 代表此 转换器 工作模式的 设定 。 3. TrigMode 无符号整数 ， 表示触发模式。 0为软件触发， 1为硬件触发。 4. error in 由 AIConfig 而 ， 说明 同前 。 Outputs: 1. DevHandle 说明同前 。 2. Voltage 是这个装换器 AD 之后所得到的信号福特值 。 3. error out 读取过程中错误信号输出 。 4.2.2.3 上下限模块 如图 4-6为上下限模块程序图 基于虚拟仪器 的温度检测系统 19 图 4-6 温度上 下限程序 程序中设定温度的上限和下限，当温度不在这个范围内时指示灯会由绿色变成红色，上限灯亮说明温度过高，下线灯亮说明温度过低。上限与下限的值都可以在图中上限值，下限值处修改，其大小也会在前面板显示。经过变换处理后的信号会与设置好的上下限数值进行比较，温度信号小于上限信号输入到信号灯为真，信号灯为绿，反之为红色，也就是温度超过上限值。温度信号大于下线信号输入到下线信号等的值为真，信号灯为绿，反之为红，也就是温度小于下限值。 4.2.2.4 停止部分 图 4-6 停止部分 停止部分程序图如图 4