【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 技術(shù)的發(fā)展具有相當(dāng)積極的意義。 研究背景 溫度是表征設(shè)備狀態(tài)的重要物理量，也是傳熱學(xué)中進(jìn)行分析計(jì)算的重要參數(shù)，溫度測(cè)試及記錄是工業(yè)應(yīng)用與教學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常遇到的問(wèn)題。 早期的溫度記錄儀都是有紙類(lèi)型的，隨著計(jì)算機(jī)的普及和廣泛應(yīng)用，無(wú)紙溫度記錄儀產(chǎn)生，并因?yàn)槠涓鼫?zhǔn)確地?cái)?shù)據(jù)記錄、更方便的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、更便捷的數(shù)據(jù)分析功能，所占市場(chǎng)份額 逐年猛增；近兩年推出的帶 USB 接口的無(wú)紙記錄儀更是極大的方便了數(shù)據(jù)的下載和保存 [4]。然而 由于在某些場(chǎng)合目前有關(guān)規(guī)定必須使用有紙溫度記錄儀 ， 比如：醫(yī)療上用的高溫殺菌鍋、內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)設(shè)計(jì)） 3 低溫冷藏、用于出口的食品生產(chǎn)等；以及有紙溫度記錄儀無(wú)須電腦知識(shí)而適用于一些低知識(shí)水準(zhǔn)員工操作場(chǎng)合的管理和控制， 因此 有紙溫度記錄儀一時(shí)還無(wú)法被無(wú)紙記錄儀完全替代。 進(jìn)入 21 世紀(jì)以來(lái)， 作為測(cè)試技術(shù)的一個(gè)分支， 虛擬儀器的開(kāi)發(fā)和研制在國(guó)內(nèi)得到了飛速的發(fā)展。虛擬儀器是利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能來(lái)模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板， 以多種形式表達(dá)輸出檢測(cè)結(jié)果， 利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析、處理，并利用I/O 接口設(shè)備完成信號(hào)的采集、測(cè)量與調(diào)理，從而完成各種測(cè)試功能的計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。 研究意義 隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)控制領(lǐng)域需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，例如在發(fā)電廠、鋼鐵廠、化工領(lǐng)域的生產(chǎn)中都需要對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采集，而溫度采集又是其中極為重要的部分。目前，溫度測(cè)量主要采用玻璃液體溫度計(jì)，人工觀測(cè)。這種測(cè)量方式，一方面給偏遠(yuǎn)地區(qū)的觀測(cè)人員帶來(lái)諸多不便；另一方面，測(cè)量精度受人為因素影響，測(cè)量誤差大。因此，有必要采用效率和自動(dòng)化水 平更高的新的測(cè)量手段。在農(nóng)業(yè)方面，溫度的變化影響作物的發(fā)芽、幼苗的成長(zhǎng)、作物的開(kāi)花、果實(shí)的成熟，等等。對(duì)于不同的作物，其適宜的生長(zhǎng)溫度總是在一個(gè)范圍。超過(guò)這個(gè)范圍，作物或許會(huì)成活，但是其生長(zhǎng)的規(guī)律將發(fā)生明顯的變化，這對(duì)于作物能夠優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的目標(biāo)相距甚遠(yuǎn)，因此， 實(shí)時(shí)獲取作物生長(zhǎng)的環(huán)境溫度，對(duì)超過(guò)作物生長(zhǎng)適宜范圍的溫度能夠報(bào)警非常重要。同時(shí)，作物的適宜溫度范圍可以由檢測(cè)人員根據(jù)實(shí)際情況加以改變。 以 LabVIEW 為代表的圖形化語(yǔ)言，又稱(chēng)為 G 語(yǔ)言。使用這種語(yǔ)言編程的時(shí)候，基本上不需要編寫(xiě)程序代碼，而是“繪制” 程序流程圖。利用 LabVIEW，可以產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件。它遵循“軟件即儀器”的概念，將計(jì)算機(jī)資源、儀器測(cè) /控硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過(guò)程通信及圖形用戶(hù)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(hù)的需要定義儀器功能和結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)用戶(hù)自己的儀器 [5]。所以，在熱電偶溫度記錄工作中，應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)可以提高工作效率，節(jié)約成本和提高準(zhǔn)確性。因此如何能將熱電偶溫度測(cè)量記錄及其技術(shù)有效的與 LabVIEW 虛擬儀器相結(jié)合就成了溫度測(cè)試領(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。 虛擬 儀器技術(shù) 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)的高速發(fā)展，儀器測(cè)量技術(shù)也開(kāi)始由傳統(tǒng)儀器向計(jì)算機(jī)化方向邁進(jìn)。 20 世紀(jì) 80 年代中期，美國(guó)國(guó)家儀器公司（ National Instrument 簡(jiǎn)稱(chēng) NI）首先提出了“軟件就是儀器”這一虛擬儀器簡(jiǎn)稱(chēng)概念，并隨之推出第一批實(shí)用成果。這一創(chuàng)內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)設(shè)計(jì)） 4 新使得用戶(hù)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(kāi)辟了測(cè)控技術(shù)的新紀(jì)元。 虛擬儀器的概念 所謂虛擬儀器，就是在通用的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上定義和設(shè)計(jì)等同常規(guī)儀器的各種功 能，用戶(hù)操作計(jì)算機(jī)的同時(shí)就是在使用一臺(tái)專(zhuān)門(mén)的電子儀器。虛擬儀器以計(jì)算機(jī)為核心，充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力，提供對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析處理和顯示功能。虛擬儀器技術(shù)強(qiáng)調(diào)軟件在測(cè)控系統(tǒng)中的重要的地位，但也并不排斥測(cè)試硬件平臺(tái)的重要性。虛擬儀器測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)采集設(shè)備和調(diào)理設(shè)備將計(jì)算機(jī)硬件和被測(cè)量硬件連接起來(lái)，再通過(guò)軟件取代常規(guī)儀器硬件，將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)地融合為一體，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯 示、存儲(chǔ)以及分析處理 [6]。 虛擬儀器的結(jié)構(gòu) 虛擬儀器由硬件和軟件兩部分組成。 虛擬儀器的硬件主體是電子計(jì)算機(jī)，通常是個(gè)人計(jì)算機(jī)，也可以是任何通用電子計(jì)算機(jī)。為計(jì)算機(jī)配置的電子測(cè)量?jī)x器硬件模塊是各種傳感器、信號(hào)調(diào)理器、模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC)、數(shù)字 /模擬轉(zhuǎn)換器 (DAC)、數(shù)據(jù)采集卡 (DAQ)等。電子計(jì)算機(jī)及其配置的電子測(cè)量?jī)x器硬件模塊組成了虛擬儀器測(cè)試硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)。虛擬儀器還可以選配開(kāi)發(fā)廠家提供的系統(tǒng)硬件模塊，組成更為完善的硬件平臺(tái)。 按照測(cè)控功能硬件的不同， VI 可分為 GPIB、 VXI、 PXI 和 DAQ 四種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。 （ 1） GPIB（ General purpose Interface Bus）通用接口總線，是計(jì)算機(jī)和儀器間的標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議。 GPIB 的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議己納入國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 和 IEEE 。它是最早的儀器總線，目前多數(shù)儀器都配置了遵循 IEEE 488 的 GPIB 接口。典型的 GPIB 測(cè)試系統(tǒng)包括一臺(tái)計(jì)算機(jī)、一塊 GPIB 接口卡和若干臺(tái) GPIB 儀器。 GPIB 儀器覆蓋了從比較便宜的到非常昂貴的儀器。但是 GPIB 的數(shù)據(jù)傳輸速度一般低于 500kb/s，不大適合于對(duì)系統(tǒng)速度要 求較高的應(yīng)用。 （ 2） VXI（ VME bus Extension for instrumentation）即 VME 總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，是1987 年在 VME 總線、 Euro card 標(biāo)準(zhǔn) (機(jī)械結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn) )和 IEEE 488 等標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，由主要儀器制造商共同制訂的開(kāi)放性?xún)x器總線標(biāo)準(zhǔn)。 VXI 系統(tǒng)最多可包含 256 個(gè)裝置，主要由主機(jī)箱、“ 0 槽”控制器、具有多種功能的模塊儀器、驅(qū)動(dòng)軟件和系統(tǒng)應(yīng)用軟件等組成。系統(tǒng)中各功內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)設(shè)計(jì)） 5 能模塊可隨意更換，即插即用，可隨意組成新系統(tǒng)。 VXI 的價(jià)格相對(duì)較高，適合于尖端的測(cè)試領(lǐng)域。 （ 3） PXI （ PCI extension for Instrumentation） PCI 在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，是 NI 公司于 1997年發(fā)布的一種新的開(kāi)放性、模塊化儀器總線規(guī)范。其核心是 Compact PCI 結(jié)構(gòu)和 Microsoft Windows 軟件。 （ 4） DAQ （ Data Acquisition）數(shù)據(jù)采集，指的是基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線（如 ISA、 PCI、PC/104 等）的內(nèi)置功能插卡。它更加充分地利用計(jì)算機(jī)的資源，大大增加了測(cè)試系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。利用 DAQ 可方便快速地組建基于計(jì)算機(jī)的儀器（ ComputerBased Instruments），實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多型”和“一機(jī)多用” [6]。 虛擬儀器的技術(shù)優(yōu)勢(shì) 虛擬儀器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展呈現(xiàn)兩條主線：一是 GPIB→VXI→PXI 總線方式 ,二是 PC 插卡式→LP T 并行口式 → 串口 USB 方式 →IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的 1394 口方式。 美國(guó) NI 公司開(kāi)發(fā)的 LabVIEW 和中國(guó) COINV 開(kāi)發(fā)的 DASP 虛擬儀器平臺(tái)是國(guó)內(nèi)外具有代表性的兩個(gè)平臺(tái)，其軟件各有特點(diǎn)，互相不能替代、功能互補(bǔ)。 LabVIEW 平臺(tái)是一個(gè)在國(guó)內(nèi)外具有相當(dāng)影響和大量用戶(hù)的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它對(duì)于一般儀器的開(kāi)發(fā)商、學(xué)校儀器制造專(zhuān) 業(yè)的教學(xué)以及一些特殊的用戶(hù)是適宜的，但由于它是用于虛擬儀器二次開(kāi)發(fā)的軟件，而非可最終直接使用的儀器，這對(duì)大量的一般直接用戶(hù)即只想用虛擬儀器馬上直接測(cè)試分析試驗(yàn)結(jié)果的用戶(hù)，有不方便的地方，也有局限性。 DASP 平臺(tái)它是直接面向最終用戶(hù)的虛擬儀器庫(kù)，直接可以使用，不需要再進(jìn)行編程加工，用起來(lái)非常的快捷方便，精度又很高，用戶(hù)拿起來(lái)就可直接使用，但對(duì)于專(zhuān)業(yè)儀器開(kāi)發(fā)商或者儀器行業(yè)自己需開(kāi)發(fā)虛擬儀器的用戶(hù)，有一定的局限性。 和常規(guī)儀器技術(shù)相比， NI 虛擬儀器技術(shù)有四大優(yōu)勢(shì) [7]： （ 1）性能高 虛擬儀器技術(shù)是在 PC 技術(shù)的基 礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，所以完全繼承了以現(xiàn)成即用的 PC 技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能超卓的處理器和文件 I/O，使您在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤(pán)的同時(shí)就能實(shí)時(shí)地進(jìn)行復(fù)雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來(lái)越快的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。 （ 2）擴(kuò)展性強(qiáng) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)設(shè)計(jì)） 6 NI 的軟硬件工具使得工程師和科學(xué)家們不再受硬件儀器的限制。這些都得益于 NI 軟件的靈活性，我們要做的只是更新計(jì)算機(jī)或測(cè)量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無(wú)需軟件上的升級(jí)即可改進(jìn)自己的系統(tǒng)。在利用最新科技的時(shí)候，還可以把它們集成到現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備 ，最終以較少的成本加速產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間。 （ 3）開(kāi)發(fā)時(shí)間少 在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上， NI 高效的軟件構(gòu)架能與計(jì)算機(jī)、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。 NI 設(shè)計(jì)這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶(hù)的操作，同時(shí)還提供了靈活性和強(qiáng)大的功能，使用戶(hù)輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護(hù)和修改高性能、低成本的測(cè)量和控制解決方案。 （ 4）無(wú)縫集成 虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個(gè)測(cè)量設(shè)備來(lái)滿(mǎn)足完整的測(cè)試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費(fèi)大量的時(shí)間。 NI 的 虛擬儀器軟件平臺(tái)為所有的 I\O 設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助用戶(hù)輕松地將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。 本章小結(jié) 溫度是表征設(shè)備狀態(tài)的重要物理量，也是傳熱學(xué)中進(jìn)行分析計(jì)算的重要參數(shù)，溫度采集及記錄是工業(yè)應(yīng)用與教學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常遇到的問(wèn)題。 為了解決上述這些問(wèn)題，早期儀器儀表的開(kāi)發(fā)者采用了有紙記錄儀，隨著計(jì)算機(jī)的普及和廣泛應(yīng)用，無(wú)紙溫度記錄儀產(chǎn)生，并因?yàn)槠涓鼫?zhǔn)確地?cái)?shù)據(jù)記錄、更方便的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、更便捷的數(shù)據(jù)分析功能，所占市場(chǎng)份額逐年猛增。進(jìn)入 21 世紀(jì)以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)的高速 發(fā)展，儀器測(cè)量技術(shù)也開(kāi)始由傳統(tǒng)儀器向計(jì)算機(jī)化方向邁進(jìn)。 和常規(guī)儀器技術(shù)相比，虛擬儀器技術(shù)有四大優(yōu)勢(shì)：性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)時(shí)間少、無(wú)縫集成。例如利用 LabVIEW，可以產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件。它遵循“軟件即儀器”的概念，將計(jì)算機(jī)資源、儀器測(cè) /控硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過(guò)程通信及圖形用戶(hù)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(hù)的需要定義儀器功能、結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)用戶(hù)自己的儀器。這一創(chuàng)新使得用戶(hù)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(kāi)辟了測(cè)控技術(shù)的新紀(jì)元。因此在熱電偶內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)設(shè)計(jì)） 7 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。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)設(shè)計(jì)） 8 第二章 溫度記錄儀 方案比較與選擇 有紙溫度記錄儀 有紙記錄儀以獨(dú)特的熱打印記錄方式和先進(jìn)的微處理器控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)與倫比的高記錄清晰度、高精度、高可靠性、多功能且便于操作?？蛇B續(xù)記錄和數(shù)字打印。 該儀表的每個(gè)通道均可直接選擇接收多種熱電偶、 熱電阻 、電壓和電流信號(hào)，并可對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字顯示及進(jìn)行 趨勢(shì)記錄和數(shù)字記錄，能在本身打印的 100mm 寬的紙格上同時(shí)記錄刻度值、時(shí)間及每一個(gè)信號(hào)的曲線，并將通道號(hào)印在各通道的軌跡旁?？赏ㄟ^(guò)鍵盤(pán)設(shè)定測(cè)量信號(hào)種類(lèi)、小數(shù)點(diǎn)位置、顯示范圍、記錄邊界、報(bào)警值、回差、系統(tǒng)誤差的校正、記錄標(biāo)尺、數(shù)據(jù)打印間隔、走紙速度、打印深度及時(shí)間等參數(shù)，并對(duì)所設(shè)參數(shù)加以保護(hù)。廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、石油、化工、冶金、電力等行業(yè)及科研單位。 STR1000 有紙記錄儀具有以下顯著特點(diǎn) ： 高可靠性 、 支持網(wǎng)絡(luò)功能 、 強(qiáng)大的運(yùn)算功能 、 多樣的顯示功能 、 友好的人機(jī)界面，操作更簡(jiǎn)便 、 豐富的報(bào)警功能 、 豐富的記錄和打印功 能 、 高可靠性 、 采用完全隔離技術(shù) [8]。 無(wú)紙溫度記錄儀 熱電偶測(cè)溫儀的硬件由熱電偶傳感器、集成溫度傳感器 AD590、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡及 PC 四部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 。 前 置 放 大 濾 波 A D 5 9 0P C I6 2 2 1數(shù) 據(jù) 采集 卡 P C 機(jī)前 置 放 大 圖 熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 熱電偶采集被測(cè)溫度信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)儀表放大器放大，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 PC。 集成溫度傳感器 AD590 測(cè)量實(shí)時(shí)環(huán)境溫度實(shí)現(xiàn)冷端溫度補(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 集成溫度傳感器的特點(diǎn)，測(cè)量誤差小、采用二次查表法加線性插值實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量與顯示 [9]。 方案比較與選擇 早期的溫度記錄儀都是有紙類(lèi)型的，隨著計(jì)算機(jī)的普及和廣泛應(yīng)用，無(wú)紙溫度記錄儀產(chǎn)內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)設(shè)計(jì)） 9 生，并因?yàn)槠涓鼫?zhǔn)確地?cái)?shù)據(jù)記錄、更方便的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、更便捷的數(shù)據(jù)分析功能，所占市場(chǎng)份額逐年猛增。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