【文章內容簡介】 件和用于數據分析、過程通信及圖形用戶界面的軟件進行有效結合，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、結構，設計用戶自己的儀器。這一創(chuàng)新使得用戶能夠根據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。虛擬儀器的出現徹底改變了傳統(tǒng)的儀器觀念，開辟了測控技術的新紀元。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有效的與LabVIEW虛擬儀器相結合就成了溫度采集及記錄領域的一個新課題，對測控技術的發(fā)展具有相當積極的意義。第二章 熱電偶溫度記錄儀方案選擇與設計 常用設計方案在資料收集及整理的過程中，目前只有以下三種方案在實際應運中使用比較普遍。下面進行簡要介紹，以便比較選擇。 基于單片機的溫度記錄儀設計虛擬儀器圖形溫度記錄儀的主要思想是：以AT89C51為中心，通過溫度傳感器DS18B20測試環(huán)境溫度，單片機讀入溫度值后通過MX232傳給上位機，然后上位機對接受到的數據進行分析并把分析的結果以圖形方式顯示出來[11] [12][13][14]。： 系統(tǒng)基本結構圖DS18B20是一線式數字溫度傳感器。它將地址、數據線和控制線組合為一根雙向串行傳輸數據的信號線，允許在這根信號線上掛接多個DS18B20；因此，單片機只需通過一根I/O線就可以與多個DS18B20通信。MAX232是一種雙組驅動器/接收器，片內含有一個電容性電壓發(fā)生器以便在單5V電源供電時提供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）是一種獨特的微處理器，是以數字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉換為0或1的數字信號，再對數字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數字數據解譯回模擬數據或實際環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數據處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。該系統(tǒng)設計主要包含DS28EA00測溫、USB接口、SD卡接口、外擴RAM、TMS320F2812數字信號處理等模塊[15]。其中，TMS320F2812控制溫度計DS28EA00順序采集各測量點溫度，經處理后暫存至外擴RAM，當滿足特定條件后，通過USB接口將數據以文件形式存儲到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物溫度信號并將其轉化為電壓信號，經信號調理電路信號放大器放大，濾波電路濾波后輸入到數據采集卡，轉換為數字信號傳給計算機系統(tǒng)，再應運LabVIEW程序對數據采集卡的數據進行處理，在計算機上完成數據的記錄顯示等功能。：圖 熱電偶溫度記錄系統(tǒng)框圖正如在第一章中所述，以LabVIEW 為代表的圖形化語言，又稱為G語言。他和常規(guī)儀器技術相比之下有，無縫集成、開發(fā)時間少、擴展性強、性能高等優(yōu)點。在計算機系統(tǒng)中的軟件設計中，用戶還可以根據自己的需要定義儀器的功能，設計出符合自己要求的儀器儀表來。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的溫度記錄儀設計方案中可以看出，從傳感器到CPU還有許多環(huán)節(jié)需要系統(tǒng)設計者來設計，過程繁瑣、調試期長、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數據采集卡設計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計方案中，可以看出它雖然有它的強大數據處理能力和高運行速度，但是與基于虛擬儀器的溫度記錄儀的設計相比較來看，還是有很多的不足之處。DSP這種獨特的微處理器，具有相對復雜的編程而且指令程序也相對復雜。虛擬儀器的設計中，硬件要求很低，成本低廉，程序為圖形化語言，編程容易。這樣，在儀器儀表的設計中，就可以省不少開發(fā)時間和不必要的浪費。除此之外，基于虛擬儀器的溫度記錄儀的設計中，用戶還可以根據自己的需要定義儀器的功能，設計出符合自己要求的儀器儀表來。這樣的虛擬儀器開發(fā)周期短，效率高。綜上所述，在本設計中采用第三種方案，即采用虛擬儀器實現熱電偶溫度的記錄。第三章 基于虛擬儀器的熱電偶溫度記錄儀的硬件設計虛擬儀器測溫系統(tǒng)是用虛擬儀器技術改造傳統(tǒng)的測溫儀，使其具有更強大的功能。，系統(tǒng)通過前端感溫裝置熱電偶傳感元件，將被測對象的溫度轉換為電壓模擬信號，經信號調理電路進行功率放大、濾波等處理后，變換為可被PCI6221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。 虛擬熱電偶溫度測量框圖，集成溫度傳感器AD590測量實時環(huán)境溫度實現冷端補償。AD590是由美國模擬器件公司(AD)生產的恒流源式模擬集成溫度傳感器，其產生的電流與絕對溫度成正比,它可使用的工作電壓為4V～30V,檢測的溫度范圍為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，測量誤差小、體積小、微功耗，適合遠距離測溫，不需要進行非線性校正。通過取樣電阻將電流信號轉換為電壓信號，經放大后，由數據采集卡采集進入PC[18]。溫度由熱電偶從熱端進行采集，經過信號處理后，將數據送入數據采集卡。冷端補償由AD590實現，由于其輸出的信號是電流信號，需要轉化成電壓信號并將該電壓信號按電壓與溫度線性關系送到虛擬儀器中完成溫度補償，這部分在虛擬儀器中實現。AD590測量實時環(huán)境溫度進行溫度補償后此時LabVIEW環(huán)境下，經過程序模擬儀器，就可以在計算機中顯示出熱端測量到的實際溫度值。 ，虛擬熱電偶溫度記錄儀的硬件實現是有冷端溫度補償電路和信號調理電路兩部分組成。下面將分別介紹。 冷端補償調理電路此溫度測量系統(tǒng)以熱電偶中間溫度定律為基礎理論依據。在熱電偶冷熱端電勢關系中，有如下公式[26]：其中，t為實測溫度；t0為基準溫度；，t1為冷端溫度；為了便于熱電偶分度表查詢計算，我們取基準溫度t0為0℃，則以上公式可化簡為：為冷端溫度為0℃時，熱電偶電勢輸出；為冷端溫度為t1℃時，熱電偶電勢輸出；為冷端補償電勢。上式中可以直接從熱電偶輸出中檢測到，只要獲取冷端溫度t1，就可以由分度表換算出，進而求出。完成了冷端電勢補償，并通過分度表可換算出實測溫度t。 冷端補償電路根據上述介紹的原理（）設計中選擇使用AD590完成的采集，其是由美國模擬器件公司生產的恒流源式模擬集成溫度傳感器，其產生的電流與絕對溫度成正比,它可使用的工作電壓為4V～30V，檢測的溫度范圍為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，所以需要進行轉換。而環(huán)境溫度變化一般在0～50℃之間，～。若選取標準電阻為1k，～，溫度每變化1℃，輸出電壓變化1mV。選用在0℃。使用熱電偶溫度轉換模塊即可以在程序中實現。硬件系統(tǒng)由前端感溫裝置(溫度傳感器)、數據采集卡、PC機系統(tǒng)等組成．主要實現溫度信號采集、轉化、處理等功能。本系統(tǒng)前端測溫裝置采用熱電偶。電路輸出電壓與溫度成正比。傳感器通常輸出的信號較小而且會帶有噪聲，必須采用合適的信號調理電路進行信號放大和在程序濾波，盡量減小量化誤差。，調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）電壓跟隨器的參數設置[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，電壓跟隨器的電壓放大倍數恒小于且接近1。其顯著特點就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要達到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通?？梢缘綆讱W姆，甚至更低。 在設計中，電壓跟隨器作為緩沖級及隔離級。因為，前級的輸出阻抗一般比較高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果后級的輸入阻抗比較小，那么信號就會有相當的部分損耗在前級的輸出電阻中。在這個時候，就需要電壓跟隨器來從中進行緩沖。起到承上啟下的作用。電壓跟隨器的另外一個作用就是隔離，關于負反饋的爭議已經很久了，其實，如果真的沒有負反饋的作用，相信絕大多數的放大電路是不能很好的工作的。但是由于引入了大環(huán)路負反饋電路，反電動勢就會通過反饋電路，與輸入信號疊加。造成信號模糊，清晰度下降，所以，有一部分功放的末級采用了無大環(huán)路負反饋的電路，試圖通過斷開負反饋回路來消除大環(huán)路負反饋的帶來的弊端。但是，由于放大器的末級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到應用，把電路置于前級和功放之間，可以切斷反電動勢對前級的干擾作用，使音質的清晰度得到大幅度提高。（2）放大器LM324的參數設置[23]：，U1B與U1C分別是一級放大器和二級放大器。經過查詢熱電偶分度表，在測量1300℃的時候，E型熱電偶輸出最大為76mV。所以為了保證八個通道溫度采集的精度，將毫伏級熱電偶的電壓信號放大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。這里用到的LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性。LM324的特點：短跑保護輸出、差動輸入級、可單電源工作：3V~32V、低偏置電流：最大100nA、每封裝含四個運算放大器、具有內部補償的功能、共模范圍擴展到負電源、行業(yè)標準的引腳排列、輸入端具有靜電保護功能。 LM324引腳圖LM324采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如圖所示。它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。它有5個引出腳，其中“+”、“”為兩個信號輸入端，“V+”、“V”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi（）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。 這里選用LM324來實現電壓信號放大功能。現在根據電路知識將本放大器的參數計算如下：在一級放大U1B中： 在二級放大U1C中： ， 這樣，經過一級二級放大器的疊加后就可以將熱電偶的輸出信號放大100倍，將輸入信號的電壓值控制在0~8V之間。 PCI6221數據采集卡設置PCI6221是一種低廉的M系列數據采集卡，在計算機上使用的板卡。它可以采集模擬信號，數字信號，擁有定時器的功能，同時還具有模擬輸出的功能，該數據采集卡具有高性能的數據采集與控制功能。對于采集卡的設置包括，數據采集卡的通道設置、被測信號的輸入方式和被測信號的輸入范圍設置；設計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數據采集卡具有十六個模擬輸入通道，兩個模擬輸出通道。十六個模擬輸入通道ai0～ai15，其內部模數轉換器是16Bit逐步逼近式，可以將其設定為十六個單端信號輸入方式或八個差動信號輸入方式。該卡具有三種不同的模擬輸入模式：單端有參考地輸入(RSE)，單端無參考地輸入(NRSE)，差分輸入(DIFF)。這里設置的是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。這里設置模擬輸入為單極性。兩個模擬輸出通道ao0和aol，可以設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。設計中設置的模擬輸出為雙極性。ao0對應模擬輸出通道0，aol對應模擬輸出通道1。AGND是這兩個模擬輸出端的參考地[28]。在本設計中，需要將熱電偶的電壓信號輸入板卡，為虛擬熱電偶溫度記錄儀輸入數據信號。由于硬件限制，沒有實際的熱電偶經過信號調理電路向板卡送出數據，只能使用板卡的兩個輸出端ao0和aol模擬輸入信號輸入到板卡的兩個輸入端。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通道。將板卡ao0和aol兩個輸出端分別與ai0與ai1兩個輸入端用導線相連接，將兩個地端相連接。本設計中，計算機對板卡的具體設置如下：，在Measurement amp。 Automation Measurement amp。 A