【正文】 統(tǒng)的硬件主要由AI通道+計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(主機(jī)+常規(guī)外設(shè))兩部分構(gòu)成，本文介紹的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要由數(shù)據(jù)調(diào)理卡，數(shù)據(jù)采集卡，軟件則由各種功能模塊構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是對(duì)檢定爐內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)和被檢熱電偶參數(shù)(熱電動(dòng)勢(shì))進(jìn)行定時(shí)采集、檢查(有效性及越限檢查)、處理(數(shù)字濾波、線性化等)、存儲(chǔ)、顯示、打印、報(bào)警等。數(shù)字計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度快，計(jì)算精度高，存儲(chǔ)信息量大，邏輯判斷功能強(qiáng)，以及靈活通用等特點(diǎn)。在控制領(lǐng)域中作為強(qiáng)有力的控制工具，極大地推動(dòng)了自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展。在常規(guī)模擬控制系統(tǒng)中的控制器用計(jì)算機(jī)來(lái)代替，就構(gòu)成了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)， 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，通過(guò)運(yùn)用計(jì)算機(jī)提供的多種指令，可編出符合各種技術(shù)要求的控制程序、管理程序及微處理器執(zhí)行程序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控參數(shù)的控制與管理(如顯示、打印、報(bào)警等)。在標(biāo)準(zhǔn)熱電偶微機(jī)自動(dòng)檢定系統(tǒng)中，上位PC機(jī)扮演著管理控制者的重要角色。在檢定裝置所需的硬件連接好后，系統(tǒng)的功能則主要靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。所編寫(xiě)的軟件按功能可分為執(zhí)行軟件和監(jiān)控(管理)軟件。其中執(zhí)行軟件包括人機(jī)界面程序、通信接口程序和數(shù)據(jù)處理及算法程序，它主要完成過(guò)程信息的采集、處理、運(yùn)算、顯示、打印、控制輸出等實(shí)質(zhì)性的功能，偏重算法效率、強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性且與系統(tǒng)的硬件關(guān)系密切。監(jiān)控軟件則起組織調(diào)度作用，專門(mén)用于協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊與操作者之間的關(guān)系，著眼全局、邏輯嚴(yán)密、操作使用方便。數(shù)據(jù)采集與調(diào)理部分包括信號(hào)調(diào)理模塊，PCI數(shù)據(jù)采集卡。信號(hào)調(diào)理模塊將熱電偶輸出的微小電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集卡可識(shí)別的010V的信號(hào)；PCI數(shù)據(jù)采集卡有效的將外部硬件設(shè)備與計(jì)算機(jī)相連。LabVIEW提供了Measurement amp。 Automation軟件。該軟件可以自動(dòng)檢測(cè)到與系統(tǒng)(PC機(jī))相連的設(shè)備(如DAQ卡、GPIB、VISA、 VXI等硬件產(chǎn)品)，并可調(diào)用相應(yīng)設(shè)備的設(shè)置軟件對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。數(shù)據(jù)采集是虛擬儀器獲取數(shù)據(jù)的主要方法，被測(cè)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，要使用數(shù)據(jù)采集卡。DAQ儀器是一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本任務(wù)是物理信號(hào)的產(chǎn)生和測(cè)量。要使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠測(cè)量物理信號(hào)，首先要使用傳感器把物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓或者電流之類的電信號(hào)。通常不能將被測(cè)信號(hào)直接連接到數(shù)據(jù)采集卡，而必須是用信號(hào)調(diào)理電路。根據(jù)實(shí)際需要，信號(hào)條理可以具有濾波、放大等功能。另一方面，一塊數(shù)據(jù)采集卡往往具有多種功能，包括數(shù)模轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字輸入輸出以及計(jì)數(shù)器/定時(shí)器操作等。數(shù)據(jù)采集(DAQ)離不開(kāi)DAQ驅(qū)動(dòng)軟件。第一代DAQ驅(qū)動(dòng)軟件出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代后期，隨著DAQ技術(shù)不斷發(fā)展，90年代初期NI推出第二代DAQ驅(qū)動(dòng)軟件，隨后在2003年NI推出第三代DAQ驅(qū)動(dòng)軟件DAQmxo NIDAQmx具有很多的優(yōu)點(diǎn)，如擁有更簡(jiǎn)單、更強(qiáng)大的編程接口；有DAQ助手，能進(jìn)行交互式任務(wù)配置和自動(dòng)代碼生成；有并發(fā)的DAQ操作功能；能進(jìn)行更快的單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集；支持即插即用傳感器和多種自動(dòng)化設(shè)備的同步等優(yōu)點(diǎn)。NIDAQmx的這些優(yōu)點(diǎn)為本系統(tǒng)的研究在減少開(kāi)發(fā)時(shí)間、降低開(kāi)發(fā)成本和提高測(cè)量精度等方面起到事半功倍的作用。從成本方面考慮，本系統(tǒng)采用PCI6221型數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行溫度信號(hào)采集。 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；我們主要使用的是該采集卡的模擬輸入與模擬輸出的功能。PCI6221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ai0ai15，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 )。我們?cè)O(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010V；選擇雙極性，輸入電壓范圍為5 到+5V。我們?cè)O(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0 到10V；雙極性輸出范圍為5到+5V。我們?cè)O(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。 信號(hào)調(diào)理模塊信號(hào)調(diào)理是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中最重要也是最易被忽視的一部分。信號(hào)調(diào)理模塊將熱電偶輸出的微小電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集卡可識(shí)別的010V的信號(hào)，許多傳感器都要求使用專門(mén)信號(hào)調(diào)理技術(shù)，而沒(méi)有哪種DAQ設(shè)備能為所有的傳感器提供各種類型的信號(hào)調(diào)理功能。比如說(shuō)，熱電偶產(chǎn)生的是低電壓信號(hào)，它還需要進(jìn)一步的放大、過(guò)濾、以及線性化等處理。NI提供了兩類信號(hào)調(diào)理模塊，一類為SCXI信號(hào)調(diào)理模塊，另外一類為SCC信號(hào)調(diào)理模塊。SCXI是一種高性能，USB可控制的多通道的信號(hào)調(diào)理和矩陣開(kāi)關(guān)平臺(tái)，與M系列、S系列和模塊化儀器設(shè)備兼容。一套SCXI系統(tǒng)通常由一個(gè)或多個(gè)堅(jiān)固的機(jī)箱組成，內(nèi)裝多個(gè)信號(hào)調(diào)理模塊，可對(duì)傳感器信號(hào)或者高電壓信號(hào)做信號(hào)調(diào)理。SCC是適用于低通道應(yīng)用便攜式的信號(hào)調(diào)理平臺(tái)。不象SCXI一個(gè)模塊同時(shí)處理一組信號(hào)，SCC平臺(tái)為每一個(gè)信號(hào)提供單獨(dú)的模塊。無(wú)論是SCXI，還是SCC平臺(tái)都有用于測(cè)量、激勵(lì)、隔離和過(guò)濾的模塊 。SCC是針對(duì)基于PC的測(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)所使用的高度模塊化、低成本的信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)。它提供了一個(gè)緊湊、便攜式的系統(tǒng)，以便進(jìn)行單/雙通道信號(hào)調(diào)理和連接。SCC系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)各種模擬輸入和數(shù)字I/O信號(hào)。SCC是便攜式模塊化信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)，可與M系列、E系列和部分B系列的便攜式數(shù)據(jù)采集(DAQ)設(shè)備配合使用。本控制系統(tǒng)屬于單通道，且是與NI的M系列系列數(shù)據(jù)采集卡配合使用，還考慮成本應(yīng)該較低。通過(guò)綜合分析，采用NI SCC信號(hào)調(diào)理模塊。第五章 檢定爐溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基于LabVIEW 的溫度控制系統(tǒng)是采用模塊化的思想來(lái)編寫(xiě)的，每個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)由一個(gè)模塊完成，最后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、顯示，記錄、打印、數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ堋?PID控制部分 PID控制程序圖PID控制器是系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢定爐溫度的控制。PID控制方案是經(jīng)典控制理論中最典型的控制方法，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)，并且可以消除穩(wěn)定誤差，本系統(tǒng)的PID算法是采用LabVIEW內(nèi)部自帶的PID模塊。 系統(tǒng)驗(yàn)證子VI本系統(tǒng)軟件設(shè)有系統(tǒng)登錄驗(yàn)證模塊，對(duì)進(jìn)入系統(tǒng)的用戶進(jìn)行安全性檢查，防止非法用戶進(jìn)入系統(tǒng)。只有合法的用戶在輸入正確的用戶名和密碼后，才可以進(jìn)入系統(tǒng)。因此，簡(jiǎn)潔、實(shí)用、友好、安全是設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮到的風(fēng)格。 數(shù)據(jù)采集模塊子VIA/D轉(zhuǎn)換部分是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的重要部件，它是測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)的模擬量信號(hào)源與數(shù)字計(jì)算機(jī)之間的接口，其任務(wù)是把現(xiàn)場(chǎng)中的連續(xù)變化的被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散信號(hào)，再由微機(jī)作進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理及加工，因此它的轉(zhuǎn)換速率與精度應(yīng)該滿足整個(gè)系統(tǒng)對(duì)采樣頻率及精度的要求。模擬量I/O系統(tǒng)中的另一個(gè)組成部分是D/A轉(zhuǎn)換。由于微機(jī)輸出的控制信號(hào)是二進(jìn)制代碼的形式，而現(xiàn)場(chǎng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可控硅觸發(fā)需要的是連續(xù)的控制信號(hào)因此，須將控制信號(hào)進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換。本控制系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)采集卡PCI6221上集成了16位的AID和D/A轉(zhuǎn)換器，以及兩個(gè)中斷源，滿足了設(shè)計(jì)要求。對(duì)于數(shù)據(jù)采集卡來(lái)說(shuō)，它們的基本原理和操作方式都是基本類似。在數(shù)據(jù)采集模塊中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)檢定爐溫度的測(cè)量，LabVIEW可通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡顯示實(shí)際信號(hào)波形。用數(shù)據(jù)采集卡采集實(shí)測(cè)信號(hào)時(shí)，得到一組離散的信號(hào)值，通過(guò)圖形顯示控件在計(jì)算機(jī)顯示器上逐點(diǎn)顯示并連線，即可實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示。數(shù)據(jù)采集模塊，。熱電偶數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)板卡PCI6221采集到電壓信號(hào)，通過(guò)軟件內(nèi)部的模塊將從板卡采集到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成溫度信號(hào)，然后進(jìn)行顯示。 檢定爐溫度延時(shí)設(shè)定子VI延時(shí)給予檢定爐溫度設(shè)定值是熱電偶檢定過(guò)程中的必要條件。在檢定過(guò)程中，需要在一定的溫度上恒定一段時(shí)間，采集，讀取，檢定熱電偶。 檢定爐溫度報(bào)警子VI在熱電偶檢定爐升溫過(guò)程中，由于一些外界客觀原因的影響，可能會(huì)出現(xiàn)一些異常情況。報(bào)警系統(tǒng)子VI作為一種防范措施，是必不可少的。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)偶溫度(實(shí)際爐溫)超過(guò)設(shè)定的溫度區(qū)間時(shí)，指示燈會(huì)由綠變紅，并發(fā)出閃爍。本報(bào)警系統(tǒng)旨在報(bào)警檢定爐最高溫度，使其在特殊情況下，發(fā)生超過(guò)檢定爐最高溫度時(shí)發(fā)出報(bào)警。 總系統(tǒng)VI對(duì)以上4個(gè)子AI的分析設(shè)計(jì)完畢后，即可以設(shè)計(jì)出總系統(tǒng)。前面板(Front Panel)設(shè)計(jì)窗口請(qǐng)見(jiàn)附錄A，程序圖后面板請(qǐng)見(jiàn)附錄B?？偨Y(jié)虛擬儀器LabVIEW是一門(mén)新興的學(xué)科，在自動(dòng)化測(cè)量與控制領(lǐng)域有著非常大的發(fā)展?jié)摿?。由于時(shí)間的限制，本論文對(duì)虛擬儀器LabVIEW在自動(dòng)化測(cè)控領(lǐng)域的設(shè)計(jì)只限于比較表面、簡(jiǎn)單的研究，對(duì)于LabVIEW在測(cè)控領(lǐng)域的許多優(yōu)勢(shì)沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)。在今后的工作和實(shí)踐中，將進(jìn)一步的探討LabVIEW在工業(yè)測(cè)控方面的應(yīng)用?；谔摂M儀器的測(cè)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)對(duì)于微機(jī)控制系統(tǒng)有非常重要的意義，虛擬儀器技術(shù)是當(dāng)前測(cè)控領(lǐng)域應(yīng)用和研究的重要方向之一，將其應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)中，節(jié)省了項(xiàng)目投入，增強(qiáng)了系統(tǒng)的開(kāi)放性。美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）推出的圖形化虛擬儀器開(kāi)發(fā)運(yùn)行環(huán)境LabVIEW，不僅功能強(qiáng)大，而且由于基于通用PC及其它標(biāo)準(zhǔn)軟硬件模塊，因而能有效提高構(gòu)建測(cè)控系統(tǒng)的柔性、降低開(kāi)發(fā)應(yīng)用成本及保護(hù)投資。隨著現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和日臻完善，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程己經(jīng)逐步走向標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化，同時(shí)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)和檢測(cè)裝置提出了更高的要求。同樣地，對(duì)于國(guó)內(nèi)的儀器儀表檢定行業(yè)以及生產(chǎn)和使用熱電偶測(cè)溫元件的廠家及企事業(yè)單位來(lái)說(shuō)，檢定爐溫度控制技術(shù)也在不斷提高和發(fā)展。本論文雖然做了簡(jiǎn)單的溫度控制系統(tǒng)，可以對(duì)工業(yè)上幾種常用的熱電偶的檢定起到一定的幫助，但也只是完成了微機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大致框架。 在工業(yè)控制過(guò)程中經(jīng)常會(huì)碰到大滯后、時(shí)變、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)。其中，有的參數(shù)未知或緩慢變化，有的存在滯后和隨機(jī)干擾，有的無(wú)法獲得精確的數(shù)學(xué)模型。PID的參數(shù)整定多依賴于人工經(jīng)驗(yàn)和具體的對(duì)象模型，整定往往很難達(dá)到理想結(jié)果。當(dāng)然，檢定爐溫度控制系統(tǒng)在許多方面還尚未完善。參考文獻(xiàn)，袁芳，黃鄉(xiāng)生；基于虛擬儀器平臺(tái)的PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，東華理工學(xué)院學(xué)報(bào)，何振江，邱健，饒明輝:基于LabVIEW的多路儀器溫度測(cè)控系統(tǒng)，國(guó)外電子測(cè)試技術(shù)，候立群:基于虛擬儀器的熱電偶自動(dòng)計(jì)量檢定系統(tǒng)，傳感器技術(shù)，馬海潮著:計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)原理與應(yīng)用，電子工業(yè)出版社，：機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，自動(dòng)控制原理，北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2001，現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)與測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，西安：西安交通大學(xué)出版社，1999，熱工過(guò)程自動(dòng)控制，北京：清華大學(xué)出版社，2000，智能化集成溫度傳感器原理與應(yīng)用，北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002，肖圣兵，呂建平，工業(yè)常用傳感器選型指南，北京：清華大學(xué)出版社，2002，工業(yè)熱電偶及補(bǔ)償導(dǎo)線技術(shù)手冊(cè)，北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2003，傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計(jì)，北京：科學(xué)出版社，2003，溫度計(jì)量與測(cè)試，中國(guó)計(jì)量出版社，1998，標(biāo)準(zhǔn)熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)的研制，山西電力技術(shù)，1998年2月，P8P 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Virtual instrumentation and virtual envirorunentslnstrumentationamp。Measurement Magazine，IEEE ，Pages 1419, ，,Sep. 1999 Instruments： Labview User Manual，2003附錄A程序前面板附錄B程序圖后面板致謝值此畢業(yè)設(shè)計(jì)完成之際，謹(jǐn)向那些曾教導(dǎo)我的師長(zhǎng)、鼓勵(lì)我的前輩、幫助我的同學(xué)和朋友、默默支持我的親人，表達(dá)我最誠(chéng)摯的謝意!本文從選定題日到定稿，歷時(shí)數(shù)月。在本論文完成之際，首先要向我的導(dǎo)師閆俊紅老師致以誠(chéng)摯的謝意。在論文的寫(xiě)作過(guò)程中，閆老師給了我許許多多的幫助和關(guān)懷。在我的整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與論文撰寫(xiě)過(guò)程中都傾注了閆老師的大量心血，感謝她在課題的理論研究和技術(shù)細(xì)節(jié)方面給予我的指導(dǎo)和幫助。對(duì)我的設(shè)計(jì)思路、構(gòu)想及設(shè)計(jì)方案決定都給于了重要的指導(dǎo)，讓我少走了很多彎路。閆老師學(xué)識(shí)淵博、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，待人平易近人，在閆老師的悉心指導(dǎo)中，我不僅學(xué)到了扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，也在怎樣處人處事等方面收益很多；同時(shí)她對(duì)工作的積極熱情、認(rèn)真負(fù)責(zé)、有條不紊、實(shí)事求是的態(tài)度，給我留下了深刻的印象，使我受益非淺。在此我謹(jǐn)向閆老師表示衷心的感謝和深深的敬意。感謝學(xué)院的各位領(lǐng)導(dǎo)、老師，正是由于他們的熱情指導(dǎo)和幫助，使得本課題在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)按要求得以完成。最后，向所有關(guān)心、理解、支持和幫助過(guò)我的老師、領(lǐng)導(dǎo)、同學(xué)和朋友們致以誠(chéng)摯的謝意!