【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 件和用于數(shù)據(jù)分析、過(guò)程通信及圖形用戶界面的軟件進(jìn)行有效結(jié)合，從而大大減少了儀器的硬件資源，并可以按照用戶的需要定義儀器功能、結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)用戶自己的儀器。這一創(chuàng)新使得用戶能夠根據(jù)自己的需要定義儀器功能，而不像傳統(tǒng)儀器那樣受到廠商的限制。虛擬儀器的出現(xiàn)徹底改變了傳統(tǒng)的儀器觀念，開辟了測(cè)控技術(shù)的新紀(jì)元。因此在熱電偶溫度記錄工作中，如何能將熱電偶溫度采集記錄技術(shù)有效的與LabVIEW虛擬儀器相結(jié)合就成了溫度采集及記錄領(lǐng)域的一個(gè)新課題，對(duì)測(cè)控技術(shù)的發(fā)展具有相當(dāng)積極的意義。第二章 熱電偶溫度記錄儀方案選擇與設(shè)計(jì) 常用設(shè)計(jì)方案在資料收集及整理的過(guò)程中，目前只有以下三種方案在實(shí)際應(yīng)運(yùn)中使用比較普遍。下面進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，以便比較選擇。 基于單片機(jī)的溫度記錄儀設(shè)計(jì)虛擬儀器圖形溫度記錄儀的主要思想是：以AT89C51為中心，通過(guò)溫度傳感器DS18B20測(cè)試環(huán)境溫度，單片機(jī)讀入溫度值后通過(guò)MX232傳給上位機(jī)，然后上位機(jī)對(duì)接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并把分析的結(jié)果以圖形方式顯示出來(lái)[11] [12][13][14]。： 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖DS18B20是一線式數(shù)字溫度傳感器。它將地址、數(shù)據(jù)線和控制線組合為一根雙向串行傳輸數(shù)據(jù)的信號(hào)線，允許在這根信號(hào)線上掛接多個(gè)DS18B20；因此，單片機(jī)只需通過(guò)一根I/O線就可以與多個(gè)DS18B20通信。MAX232是一種雙組驅(qū)動(dòng)器/接收器，片內(nèi)含有一個(gè)電容性電壓發(fā)生器以便在單5V電源供電時(shí)提供EIA/TIA232E電平。，用戶可更換晶振以提高速度。 基于DSP的嵌入式溫度記錄儀DSP（digital signal processor）是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號(hào)來(lái)處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號(hào)，再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬(wàn)條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包含DS28EA00測(cè)溫、USB接口、SD卡接口、外擴(kuò)RAM、TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理等模塊[15]。其中，TMS320F2812控制溫度計(jì)DS28EA00順序采集各測(cè)量點(diǎn)溫度，經(jīng)處理后暫存至外擴(kuò)RAM，當(dāng)滿足特定條件后，通過(guò)USB接口將數(shù)據(jù)以文件形式存儲(chǔ)到U盤或SD卡中。 DSP 的嵌入式溫度記錄儀系統(tǒng)框圖 基于虛擬儀器的溫度記錄儀溫度傳感器采集被測(cè)物溫度信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)放大器放大，濾波電路濾波后輸入到數(shù)據(jù)采集卡，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，再應(yīng)運(yùn)LabVIEW程序?qū)?shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在計(jì)算機(jī)上完成數(shù)據(jù)的記錄顯示等功能。：圖 熱電偶溫度記錄系統(tǒng)框圖正如在第一章中所述，以LabVIEW 為代表的圖形化語(yǔ)言，又稱為G語(yǔ)言。他和常規(guī)儀器技術(shù)相比之下有，無(wú)縫集成、開發(fā)時(shí)間少、擴(kuò)展性強(qiáng)、性能高等優(yōu)點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的軟件設(shè)計(jì)中，用戶還可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能，設(shè)計(jì)出符合自己要求的儀器儀表來(lái)。這樣的虛擬儀器開發(fā)周期短，效率高，而且成本也低的多。 方案比較與選擇從基于單片機(jī)的溫度記錄儀設(shè)計(jì)方案中可以看出，從傳感器到CPU還有許多環(huán)節(jié)需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來(lái)設(shè)計(jì)，過(guò)程繁瑣、調(diào)試期長(zhǎng)、修改不方便，而本文借助LabVIEW圖形化軟件開發(fā)系統(tǒng)，用軟件代替DAQ數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)的這種虛擬溫度采集系統(tǒng)，比以前的更易修改且成本低、而且周期也短[16]從基于DSP的嵌入式溫度記錄儀設(shè)計(jì)方案中，可以看出它雖然有它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，但是與基于虛擬儀器的溫度記錄儀的設(shè)計(jì)相比較來(lái)看，還是有很多的不足之處。DSP這種獨(dú)特的微處理器，具有相對(duì)復(fù)雜的編程而且指令程序也相對(duì)復(fù)雜。虛擬儀器的設(shè)計(jì)中，硬件要求很低，成本低廉，程序?yàn)閳D形化語(yǔ)言，編程容易。這樣，在儀器儀表的設(shè)計(jì)中，就可以省不少開發(fā)時(shí)間和不必要的浪費(fèi)。除此之外，基于虛擬儀器的溫度記錄儀的設(shè)計(jì)中，用戶還可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能，設(shè)計(jì)出符合自己要求的儀器儀表來(lái)。這樣的虛擬儀器開發(fā)周期短，效率高。綜上所述，在本設(shè)計(jì)中采用第三種方案，即采用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)熱電偶溫度的記錄。第三章 基于虛擬儀器的熱電偶溫度記錄儀的硬件設(shè)計(jì)虛擬儀器測(cè)溫系統(tǒng)是用虛擬儀器技術(shù)改造傳統(tǒng)的測(cè)溫儀，使其具有更強(qiáng)大的功能。，系統(tǒng)通過(guò)前端感溫裝置熱電偶傳感元件，將被測(cè)對(duì)象的溫度轉(zhuǎn)換為電壓模擬信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行功率放大、濾波等處理后，變換為可被PCI6221數(shù)據(jù)采集卡采集的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。在數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。并在數(shù)據(jù)采集指令下將其送入計(jì)算機(jī)總線，在PC機(jī)內(nèi)利用已經(jīng)安裝的虛擬儀器軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行所需的各種處理。 虛擬熱電偶溫度測(cè)量框圖，集成溫度傳感器AD590測(cè)量實(shí)時(shí)環(huán)境溫度實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償。AD590是由美國(guó)模擬器件公司(AD)生產(chǎn)的恒流源式模擬集成溫度傳感器，其產(chǎn)生的電流與絕對(duì)溫度成正比,它可使用的工作電壓為4V～30V,檢測(cè)的溫度范圍為55℃～+150℃,它有非常好的線性輸出性能,溫度每增加1℃,其電流增加1μA[17]。它兼有集成恒流源和集成溫度傳感器的特點(diǎn)，測(cè)量誤差小、體積小、微功耗，適合遠(yuǎn)距離測(cè)溫，不需要進(jìn)行非線性校正。通過(guò)取樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)放大后，由數(shù)據(jù)采集卡采集進(jìn)入PC[18]。溫度由熱電偶從熱端進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后，將數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)采集卡。冷端補(bǔ)償由AD590實(shí)現(xiàn)，由于其輸出的信號(hào)是電流信號(hào)，需要轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)并將該電壓信號(hào)按電壓與溫度線性關(guān)系送到虛擬儀器中完成溫度補(bǔ)償，這部分在虛擬儀器中實(shí)現(xiàn)。AD590測(cè)量實(shí)時(shí)環(huán)境溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償后此時(shí)LabVIEW環(huán)境下，經(jīng)過(guò)程序模擬儀器，就可以在計(jì)算機(jī)中顯示出熱端測(cè)量到的實(shí)際溫度值。 ，虛擬熱電偶溫度記錄儀的硬件實(shí)現(xiàn)是有冷端溫度補(bǔ)償電路和信號(hào)調(diào)理電路兩部分組成。下面將分別介紹。 冷端補(bǔ)償調(diào)理電路此溫度測(cè)量系統(tǒng)以熱電偶中間溫度定律為基礎(chǔ)理論依據(jù)。在熱電偶冷熱端電勢(shì)關(guān)系中，有如下公式[26]：其中，t為實(shí)測(cè)溫度；t0為基準(zhǔn)溫度；，t1為冷端溫度；為了便于熱電偶分度表查詢計(jì)算，我們?nèi)』鶞?zhǔn)溫度t0為0℃，則以上公式可化簡(jiǎn)為：為冷端溫度為0℃時(shí)，熱電偶電勢(shì)輸出；為冷端溫度為t1℃時(shí)，熱電偶電勢(shì)輸出；為冷端補(bǔ)償電勢(shì)。上式中可以直接從熱電偶輸出中檢測(cè)到，只要獲取冷端溫度t1，就可以由分度表?yè)Q算出，進(jìn)而求出。完成了冷端電勢(shì)補(bǔ)償，并通過(guò)分度表可換算出實(shí)測(cè)溫度t。 冷端補(bǔ)償電路根據(jù)上述介紹的原理（）設(shè)計(jì)中選擇使用AD590完成的采集，其是由美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的恒流源式模擬集成溫度傳感器，其產(chǎn)生的電流與絕對(duì)溫度成正比,它可使用的工作電壓為4V～30V，檢測(cè)的溫度范圍為55℃～+150℃，它有非常好的線性輸出性能，溫度每增加1℃，其電流增加1μA[27]。由于AD590輸出是電流值，所以需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。而環(huán)境溫度變化一般在0～50℃之間，～。若選取標(biāo)準(zhǔn)電阻為1k，～，溫度每變化1℃，輸出電壓變化1mV。選用在0℃。使用熱電偶溫度轉(zhuǎn)換模塊即可以在程序中實(shí)現(xiàn)。硬件系統(tǒng)由前端感溫裝置(溫度傳感器)、數(shù)據(jù)采集卡、PC機(jī)系統(tǒng)等組成．主要實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)采集、轉(zhuǎn)化、處理等功能。本系統(tǒng)前端測(cè)溫裝置采用熱電偶。電路輸出電壓與溫度成正比。傳感器通常輸出的信號(hào)較小而且會(huì)帶有噪聲，必須采用合適的信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行信號(hào)放大和在程序?yàn)V波，盡量減小量化誤差。，調(diào)理電路由左往右依次由熱電偶、電壓跟隨器和放大器組成[21]。（1）電壓跟隨器的參數(shù)設(shè)置[22]：，U1A是電壓跟隨器。電壓跟隨器顧名思義，就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，就是說(shuō)，電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近1。其顯著特點(diǎn)就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來(lái)說(shuō)，輸入阻抗要達(dá)到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通常可以到幾歐姆，甚至更低。 在設(shè)計(jì)中，電壓跟隨器作為緩沖級(jí)及隔離級(jí)。因?yàn)椋凹?jí)的輸出阻抗一般比較高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果后級(jí)的輸入阻抗比較小，那么信號(hào)就會(huì)有相當(dāng)?shù)牟糠謸p耗在前級(jí)的輸出電阻中。在這個(gè)時(shí)候，就需要電壓跟隨器來(lái)從中進(jìn)行緩沖。起到承上啟下的作用。電壓跟隨器的另外一個(gè)作用就是隔離，關(guān)于負(fù)反饋的爭(zhēng)議已經(jīng)很久了，其實(shí)，如果真的沒(méi)有負(fù)反饋的作用，相信絕大多數(shù)的放大電路是不能很好的工作的。但是由于引入了大環(huán)路負(fù)反饋電路，反電動(dòng)勢(shì)就會(huì)通過(guò)反饋電路，與輸入信號(hào)疊加。造成信號(hào)模糊，清晰度下降，所以，有一部分功放的末級(jí)采用了無(wú)大環(huán)路負(fù)反饋的電路，試圖通過(guò)斷開負(fù)反饋回路來(lái)消除大環(huán)路負(fù)反饋的帶來(lái)的弊端。但是，由于放大器的末級(jí)的工作電流變化很大，其失真度很難保證。在這里，電壓跟隨器的作用正好達(dá)到應(yīng)用，把電路置于前級(jí)和功放之間，可以切斷反電動(dòng)勢(shì)對(duì)前級(jí)的干擾作用，使音質(zhì)的清晰度得到大幅度提高。（2）放大器LM324的參數(shù)設(shè)置[23]：，U1B與U1C分別是一級(jí)放大器和二級(jí)放大器。經(jīng)過(guò)查詢熱電偶分度表，在測(cè)量1300℃的時(shí)候，E型熱電偶輸出最大為76mV。所以為了保證八個(gè)通道溫度采集的精度，將毫伏級(jí)熱電偶的電壓信號(hào)放大100倍，使熱電偶的輸出電壓范圍在0V~8V之間，這也在是PCI6221板卡的輸入電壓范圍之內(nèi)。這里用到的LM324系列器件為價(jià)格便宜的帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。LM324的特點(diǎn)：短跑保護(hù)輸出、差動(dòng)輸入級(jí)、可單電源工作：3V~32V、低偏置電流：最大100nA、每封裝含四個(gè)運(yùn)算放大器、具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ?、共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列、輸入端具有靜電保護(hù)功能。 LM324引腳圖LM324采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如圖所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi（）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同。 這里選用LM324來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)放大功能。現(xiàn)在根據(jù)電路知識(shí)將本放大器的參數(shù)計(jì)算如下：在一級(jí)放大U1B中： 在二級(jí)放大U1C中： ， 這樣，經(jīng)過(guò)一級(jí)二級(jí)放大器的疊加后就可以將熱電偶的輸出信號(hào)放大100倍，將輸入信號(hào)的電壓值控制在0~8V之間。 PCI6221數(shù)據(jù)采集卡設(shè)置PCI6221是一種低廉的M系列數(shù)據(jù)采集卡，在計(jì)算機(jī)上使用的板卡。它可以采集模擬信號(hào)，數(shù)字信號(hào)，擁有定時(shí)器的功能，同時(shí)還具有模擬輸出的功能，該數(shù)據(jù)采集卡具有高性能的數(shù)據(jù)采集與控制功能。對(duì)于采集卡的設(shè)置包括，數(shù)據(jù)采集卡的通道設(shè)置、被測(cè)信號(hào)的輸入方式和被測(cè)信號(hào)的輸入范圍設(shè)置；設(shè)計(jì)中主要使用的是該采集卡的模擬輸入與模擬輸出的功能。PCI 6221數(shù)據(jù)采集卡具有十六個(gè)模擬輸入通道，兩個(gè)模擬輸出通道。十六個(gè)模擬輸入通道ai0～ai15，其內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器是16Bit逐步逼近式，可以將其設(shè)定為十六個(gè)單端信號(hào)輸入方式或八個(gè)差動(dòng)信號(hào)輸入方式。該卡具有三種不同的模擬輸入模式：?jiǎn)味擞袇⒖嫉剌斎?RSE)，單端無(wú)參考地輸入(NRSE)，差分輸入(DIFF)。這里設(shè)置的是RSE輸入模式。PCI6221的模擬輸入還可以選擇單極性或雙極性。選擇單極性，輸入電壓范圍為0V～10V；選擇雙極性，輸入電壓范圍為5V～+5VV。這里設(shè)置模擬輸入為單極性。兩個(gè)模擬輸出通道ao0和aol，可以設(shè)置模擬輸出通道為單極性或雙極性輸出。單極性輸出范圍為0V～10V；雙極性輸出范圍為5V～+5V。設(shè)計(jì)中設(shè)置的模擬輸出為雙極性。ao0對(duì)應(yīng)模擬輸出通道0，aol對(duì)應(yīng)模擬輸出通道1。AGND是這兩個(gè)模擬輸出端的參考地[28]。在本設(shè)計(jì)中，需要將熱電偶的電壓信號(hào)輸入板卡，為虛擬熱電偶溫度記錄儀輸入數(shù)據(jù)信號(hào)。由于硬件限制，沒(méi)有實(shí)際的熱電偶經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路向板卡送出數(shù)據(jù)，只能使用板卡的兩個(gè)輸出端ao0和aol模擬輸入信號(hào)輸入到板卡的兩個(gè)輸入端。以自發(fā)自收的形式，模擬出八通道溫度記錄儀的中的兩個(gè)通道。將板卡ao0和aol兩個(gè)輸出端分別與ai0與ai1兩個(gè)輸入端用導(dǎo)線相連接，將兩個(gè)地端相連接。本設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)對(duì)板卡的具體設(shè)置如下：，在Measurement amp。 Automation Measurement amp。 A