【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(chǎng)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(xiàn)，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(xiàn)，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(xiàn)在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，是1987 年在 VME 總線(xiàn)、 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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)（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(xiàn)：一是 GPIB→VXI→PXI 總線(xiàn)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(chǎng)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。可連續(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(xiàn)，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(xiàn)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，在儀器儀表的設(shè)計(jì)中，就可以省不少開(kāi)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(hù)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(kāi)發(fā)周期短，效率高。 綜上所述，本設(shè)計(jì)采用 LabVIEW 來(lái)實(shí)現(xiàn)熱電偶溫度的記錄。 總體方案設(shè)計(jì) 在工業(yè)過(guò)程控制中，溫度是一個(gè)重要的測(cè)量參數(shù)，而熱電偶具有準(zhǔn)確度高、測(cè)溫范圍廣和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，使其成為工業(yè)應(yīng)用中溫度測(cè)量的首選。本設(shè)計(jì)針對(duì)傳統(tǒng)熱電偶非線(xiàn)性和冷端溫度補(bǔ)償方法的不足，為準(zhǔn)確測(cè)量溫度，將傳統(tǒng)的熱電偶測(cè)溫技術(shù)與 LabVIEW 相結(jié)合起來(lái)， 通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)行 LabVIEW 程序來(lái)分析處理輸入數(shù)據(jù)，最終由計(jì)算機(jī)顯示結(jié)果。 利用LabVIEW 實(shí)現(xiàn)了非線(xiàn)性和冷端溫度的高精度實(shí)時(shí)補(bǔ)償。 熱電偶對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度的測(cè)量、信號(hào)的調(diào)理到數(shù)據(jù)采集、數(shù) 據(jù)分析，數(shù)據(jù)處理，最后到執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成了一個(gè)完整的溫度測(cè)量與控制系統(tǒng)。 應(yīng)用 了 軟件 的特點(diǎn)直接進(jìn)行 溫度 的測(cè)量。硬件中只需要把 熱電偶 的兩個(gè) 接線(xiàn) 端口接到 數(shù)據(jù) 采 集 卡上就行。運(yùn)行 程序 ，就可以得出實(shí)際的溫度。 系統(tǒng)基本原理圖如圖 所示。 基 于 L T 1 0 2 5 的 K 型 熱電 偶 信 號(hào) 調(diào) 理 電 路 P C I 6 2 2 1 數(shù) 據(jù) 采 集 卡基 于 L T 1 0 2 5 的 K 型 熱電 偶 信 號(hào) 調(diào) 理 電 路基 于 L T 1 0 2 5 的 S 型 熱電 偶 信 號(hào) 調(diào) 理 電 路基 于 L T 1 0 2 5 的 S 型 熱電 偶 信 號(hào) 調(diào) 理 電 路P C( 基 于L a b V I E W的 熱 電 偶 溫 度記 錄 儀 )a i 0a i 1a i 2a i 3KKSS 圖 熱電偶溫度記錄儀系統(tǒng)原理圖 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。用基于 LT1025的信號(hào)調(diào)理電路 實(shí)現(xiàn)冷端溫度補(bǔ)償與線(xiàn)性化處理。 LT1025 是美國(guó) LINEAR 公司生產(chǎn)的低功耗熱電偶冷端補(bǔ)償專(zhuān) 用集成芯片，它既可用于 E、J、 K、 R、 S 和 T 型熱電偶的冷端補(bǔ)償，又可構(gòu)成攝氏溫度計(jì)，還可用于溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中。其溫度℃補(bǔ)償準(zhǔn)確度高達(dá) ℃ 。內(nèi)部自帶特殊的非線(xiàn)性校正電路，以確保在整個(gè)溫度測(cè)量范圍內(nèi) LT1025 都具有較高的補(bǔ)償準(zhǔn)確度。 LT1025 是專(zhuān)用的熱電偶冷端溫度補(bǔ)償集成電路芯片，內(nèi)部自帶特殊的非線(xiàn)性校正電路，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)） 10 在 0~70℃補(bǔ)償范圍內(nèi)具有很高的溫度補(bǔ)償準(zhǔn)確度，其補(bǔ)償絕對(duì)誤差小于 ℃；該芯片的補(bǔ)償輸出信號(hào)為低阻抗，且獨(dú)立于供電電壓；它可和各種熱電偶配套使用，所構(gòu)成的測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、不需要 調(diào)節(jié)，可廣泛應(yīng)用于電子測(cè)量、工業(yè)儀表等領(lǐng)域的溫度測(cè)量。 本系統(tǒng)采用 NI公司生產(chǎn)的 PCI6221數(shù)據(jù)采集卡，即應(yīng)用虛擬儀器 PC_DAQ系統(tǒng)。 PC_DAQ系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)采集板、信號(hào)調(diào)理電路和計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。采用 PCI 計(jì)算機(jī)本身的總線(xiàn)，故將數(shù)據(jù)采集卡 (DAQ)插入計(jì)算機(jī)的空槽中即可。 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。 本章小結(jié) 溫度記錄儀分為有紙記錄儀和無(wú)紙記錄儀，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。本設(shè)計(jì)采用基于 LabVIEW 的熱電偶溫度記錄