【正文】 統(tǒng)的硬件主要由AI通道+計算機系統(tǒng)(主機+常規(guī)外設)兩部分構成，本文介紹的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設計主要由數(shù)據(jù)調理卡，數(shù)據(jù)采集卡，軟件則由各種功能模塊構成，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是對檢定爐內的標準和被檢熱電偶參數(shù)(熱電動勢)進行定時采集、檢查(有效性及越限檢查)、處理(數(shù)字濾波、線性化等)、存儲、顯示、打印、報警等。數(shù)字計算機具有運算速度快，計算精度高，存儲信息量大，邏輯判斷功能強，以及靈活通用等特點。在控制領域中作為強有力的控制工具，極大地推動了自動控制技術的發(fā)展。在常規(guī)模擬控制系統(tǒng)中的控制器用計算機來代替，就構成了計算機控制系統(tǒng)， 在計算機控制系統(tǒng)中，通過運用計算機提供的多種指令，可編出符合各種技術要求的控制程序、管理程序及微處理器執(zhí)行程序，從而實現(xiàn)對被控參數(shù)的控制與管理(如顯示、打印、報警等)。在標準熱電偶微機自動檢定系統(tǒng)中，上位PC機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實現(xiàn)。所編寫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，它主要完成過程信息的采集、處理、運算、顯示、打印、控制輸出等實質性的功能，偏重算法效率、強調實時性且與系統(tǒng)的硬件關系密切。監(jiān)控軟件則起組織調度作用，專門用于協(xié)調各執(zhí)行模塊與操作者之間的關系，著眼全局、邏輯嚴密、操作使用方便。數(shù)據(jù)采集與調理部分包括信號調理模塊，PCI數(shù)據(jù)采集卡。信號調理模塊將熱電偶輸出的微小電壓轉換成數(shù)據(jù)采集卡可識別的010V的信號；PCI數(shù)據(jù)采集卡有效的將外部硬件設備與計算機相連。LabVIEW提供了Measurement amp。 Automation軟件。該軟件可以自動檢測到與系統(tǒng)(PC機)相連的設備(如DAQ卡、GPIB、VISA、 VXI等硬件產品)，并可調用相應設備的設置軟件對設備參數(shù)進行設置。數(shù)據(jù)采集是虛擬儀器獲取數(shù)據(jù)的主要方法，被測信號的實時采集，要使用數(shù)據(jù)采集卡。DAQ儀器是一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本任務是物理信號的產生和測量。要使計算機系統(tǒng)能夠測量物理信號，首先要使用傳感器把物理信號轉換成電壓或者電流之類的電信號。通常不能將被測信號直接連接到數(shù)據(jù)采集卡，而必須是用信號調理電路。根據(jù)實際需要，信號條理可以具有濾波、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)模轉換、模數(shù)轉換、數(shù)字輸入輸出以及計數(shù)器/定時器操作等。數(shù)據(jù)采集(DAQ)離不開DAQ驅動軟件。第一代DAQ驅動軟件出現(xiàn)在20世紀80年代后期，隨著DAQ技術不斷發(fā)展，90年代初期NI推出第二代DAQ驅動軟件，隨后在2003年NI推出第三代DAQ驅動軟件DAQmxo NIDAQmx具有很多的優(yōu)點，如擁有更簡單、更強大的編程接口；有DAQ助手，能進行交互式任務配置和自動代碼生成；有并發(fā)的DAQ操作功能；能進行更快的單點數(shù)據(jù)采集；支持即插即用傳感器和多種自動化設備的同步等優(yōu)點。NIDAQmx的這些優(yōu)點為本系統(tǒng)的研究在減少開發(fā)時間、降低開發(fā)成本和提高測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)采集卡進行溫度信號采集。 PCI6221是一種低廉的M系列數(shù)據(jù)采集卡，在計算機上使用的板卡。它可以采集模擬信號，數(shù)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(shù)據(jù)采集卡具有高性能的數(shù)據(jù)采集與控制功能。對于采集卡的設置包括，數(shù)據(jù)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；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)采集卡具有十六個模擬輸入通道，兩個模擬輸出通道。十六個模擬輸入通道ai0ai15，其內部模數(shù)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 )。我們設置的是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010V；選擇雙極性，輸入電壓范圍為5 到+5V。我們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0 到10V；雙極性輸出范圍為5到+5V。我們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。 信號調理模塊信號調理是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中最重要也是最易被忽視的一部分。信號調理模塊將熱電偶輸出的微小電壓轉換成數(shù)據(jù)采集卡可識別的010V的信號，許多傳感器都要求使用專門信號調理技術，而沒有哪種DAQ設備能為所有的傳感器提供各種類型的信號調理功能。比如說，熱電偶產生的是低電壓信號，它還需要進一步的放大、過濾、以及線性化等處理。NI提供了兩類信號調理模塊，一類為SCXI信號調理模塊，另外一類為SCC信號調理模塊。SCXI是一種高性能，USB可控制的多通道的信號調理和矩陣開關平臺，與M系列、S系列和模塊化儀器設備兼容。一套SCXI系統(tǒng)通常由一個或多個堅固的機箱組成，內裝多個信號調理模塊，可對傳感器信號或者高電壓信號做信號調理。SCC是適用于低通道應用便攜式的信號調理平臺。不象SCXI一個模塊同時處理一組信號，SCC平臺為每一個信號提供單獨的模塊。無論是SCXI，還是SCC平臺都有用于測量、激勵、隔離和過濾的模塊 。SCC是針對基于PC的測量和自動化系統(tǒng)所使用的高度模塊化、低成本的信號調理系統(tǒng)。它提供了一個緊湊、便攜式的系統(tǒng)，以便進行單/雙通道信號調理和連接。SCC系統(tǒng)可以調節(jié)各種模擬輸入和數(shù)字I/O信號。SCC是便攜式模塊化信號調理系統(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，還考慮成本應該較低。通過綜合分析，采用NI SCC信號調理模塊。第五章 檢定爐溫度控制系統(tǒng)的軟件設計基于LabVIEW 的溫度控制系統(tǒng)是采用模塊化的思想來編寫的，每個功能的實現(xiàn)由一個模塊完成，最后實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、顯示，記錄、打印、數(shù)據(jù)通過網絡傳輸?shù)裙δ堋?PID控制部分 PID控制程序圖PID控制器是系統(tǒng)的一個重要組成部分，實現(xiàn)對檢定爐溫度的控制。PID控制方案是經典控制理論中最典型的控制方法，它結構簡單，可靠性強，容易實現(xiàn)，并且可以消除穩(wěn)定誤差，本系統(tǒng)的PID算法是采用LabVIEW內部自帶的PID模塊。 系統(tǒng)驗證子VI本系統(tǒng)軟件設有系統(tǒng)登錄驗證模塊，對進入系統(tǒng)的用戶進行安全性檢查，防止非法用戶進入系統(tǒng)。只有合法的用戶在輸入正確的用戶名和密碼后，才可以進入系統(tǒng)。因此，簡潔、實用、友好、安全是設計時應當考慮到的風格。 數(shù)據(jù)采集模塊子VIA/D轉換部分是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的重要部件，它是測控現(xiàn)場的模擬量信號源與數(shù)字計算機之間的接口，其任務是把現(xiàn)場中的連續(xù)變化的被測信號轉換成離散信號，再由微機作進一步的數(shù)據(jù)處理及加工，因此它的轉換速率與精度應該滿足整個系統(tǒng)對采樣頻率及精度的要求。模擬量I/O系統(tǒng)中的另一個組成部分是D/A轉換。由于微機輸出的控制信號是二進制代碼的形式，而現(xiàn)場中的執(zhí)行機構可控硅觸發(fā)需要的是連續(xù)的控制信號因此，須將控制信號進行數(shù)/模轉換。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轉換器，以及兩個中斷源，滿足了設計要求。對于數(shù)據(jù)采集卡來說，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，可實現(xiàn)對檢定爐溫度的測量，LabVIEW可通過數(shù)據(jù)采集卡顯示實際信號波形。用數(shù)據(jù)采集卡采集實測信號時，得到一組離散的信號值，通過圖形顯示控件在計算機顯示器上逐點顯示并連線，即可實現(xiàn)被測信號的實時顯示。數(shù)據(jù)采集模塊，。熱電偶數(shù)據(jù)采集模塊通過板卡PCI6221采集到電壓信號，通過軟件內部的模塊將從板卡采集到的電壓信號轉換成溫度信號，然后進行顯示。 檢定爐溫度延時設定子VI延時給予檢定爐溫度設定值是熱電偶檢定過程中的必要條件。在檢定過程中，需要在一定的溫度上恒定一段時間，采集，讀取，檢定熱電偶。 檢定爐溫度報警子VI在熱電偶檢定爐升溫過程中，由于一些外界客觀原因的影響，可能會出現(xiàn)一些異常情況。報警系統(tǒng)子VI作為一種防范措施，是必不可少的。當標準偶溫度(實際爐溫)超過設定的溫度區(qū)間時，指示燈會由綠變紅，并發(fā)出閃爍。本報警系統(tǒng)旨在報警檢定爐最高溫度，使其在特殊情況下，發(fā)生超過檢定爐最高溫度時發(fā)出報警。 總系統(tǒng)VI對以上4個子AI的分析設計完畢后，即可以設計出總系統(tǒng)。前面板(Front Panel)設計窗口請見附錄A，程序圖后面板請見附錄B?？偨Y虛擬儀器LabVIEW是一門新興的學科，在自動化測量與控制領域有著非常大的發(fā)展?jié)摿?。由于時間的限制，本論文對虛擬儀器LabVIEW在自動化測控領域的設計只限于比較表面、簡單的研究，對于LabVIEW在測控領域的許多優(yōu)勢沒有發(fā)揮出來。在今后的工作和實踐中，將進一步的探討LabVIEW在工業(yè)測控方面的應用?；谔摂M儀器的測控系統(tǒng)的開發(fā)對于微機控制系統(tǒng)有非常重要的意義，虛擬儀器技術是當前測控領域應用和研究的重要方向之一，將其應用于實際檢測中，節(jié)省了項目投入，增強了系統(tǒng)的開放性。美國國家儀器公司（NI）推出的圖形化虛擬儀器開發(fā)運行環(huán)境LabVIEW，不僅功能強大，而且由于基于通用PC及其它標準軟硬件模塊，因而能有效提高構建測控系統(tǒng)的柔性、降低開發(fā)應用成本及保護投資。隨著現(xiàn)代自動控制技術以及計算機技術的迅猛發(fā)展和日臻完善，工業(yè)生產過程己經逐步走向標準化、自動化，同時對自動控制系統(tǒng)和檢測裝置提出了更高的要求。同樣地，對于國內的儀器儀表檢定行業(yè)以及生產和使用熱電偶測溫元件的廠家及企事業(yè)單位來說，檢定爐溫度控制技術也在不斷提高和發(fā)展。本論文雖然做了簡單的溫度控制系統(tǒng)，可以對工業(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自動控制系統(tǒng)設計的大致框架。 在工業(yè)控制過程中經常會碰到大滯后、時變、非線性的復雜系統(tǒng)。其中，有的參數(shù)未知或緩慢變化，有的存在滯后和隨機干擾，有的無法獲得精確的數(shù)學模型。PID的參數(shù)整定多依賴于人工經驗和具體的對象模型，整定往往很難達到理想結果。當然，檢定爐溫度控制系統(tǒng)在許多方面還尚未完善。參考文獻，袁芳，黃鄉(xiāng)生；基于虛擬儀器平臺的PID控制系統(tǒng)的設計，東華理工學院學報，何振江，邱健，饒明輝:基于LabVIEW的多路儀器溫度測控系統(tǒng)，國外電子測試技術，候立群:基于虛擬儀器的熱電偶自動計量檢定系統(tǒng)，傳感器技術，馬海潮著:計算機測試系統(tǒng)原理與應用，電子工業(yè)出版社，：機械工程測試技術，機械工業(yè)出版社，自動控制原理，北京：國防工業(yè)出版社，2001，現(xiàn)代檢測技術與測試系統(tǒng)設計，西安：西安交通大學出版社，1999，熱工過程自動控制，北京：清華大學出版社，2000，智能化集成溫度傳感器原理與應用，北京:機械工業(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：清華大學出版社，2002，工業(yè)熱電偶及補償導線技術手冊，北京：中國計量出版社，2003，傳感器與應用電路設計，北京：科學出版社，2003，溫度計量與測試，中國計量出版社，1998，標準熱電偶自動檢定系統(tǒng)的研制，山西電力技術，1998年2月，P8P 12，過程控制，清華大學出版社，1993，胡曉靜：智能化電阻爐溫度控制系統(tǒng)[J]，自動化儀表，1996, (10)： 31~33，黃海燕，張國興:高溫電阻爐的計算機控制[J]，自動化與儀器儀表，1999 (2)：17~19：虛擬儀器技術在測控領域中的應用[J]，電子工程師，吳斌：智能控制[M]，重慶大學出版社，房曉溪：IabVIEW圖像化編程與實例應用[M]，中國鐵道出版社， ，孔德仁，何云峰：傳感與測試技術[M]，北京航空航天大學出版社，周育才，吳奇志。熱電偶檢定爐爐溫模型參考自適應控制的研究。微計算機信息，2006,22 (9):87~89。，劉林輝。微計算機信息，2006, 22 (8):214~216。. What is virtual instrumentation? Instrumentationamp。Measurement MagazineIEEE Pages 1013，No. 4，Dec. 2000. W SPoelder. 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)設計完成之際，謹向那些曾教導我的師長、鼓勵我的前輩、幫助我的同學和朋友、默默支持我的親人，表達我最誠摯的謝意!本文從選定題日到定稿，歷時數(shù)月。在本論文完成之際，首先要向我的導師閆俊紅老師致以誠摯的謝意。在論文的寫作過程中，閆老師給了我許許多多的幫助和關懷。在我的整個系統(tǒng)設計與論文撰寫過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細節(jié)方面給予我的指導和幫助。對我的設計思路、構想及設計方案決定都給于了重要的指導，讓我少走了很多彎路。閆老師學識淵博、治學嚴謹，待人平易近人，在閆老師的悉心指導中，我不僅學到了扎實的專業(yè)知識，也在怎樣處人處事等方面收益很多；同時她對工作的積極熱情、認真負責、有條不紊、實事求是的態(tài)度，給我留下了深刻的印象，使我受益非淺。在此我謹向閆老師表示衷心的感謝和深深的敬意。感謝學院的各位領導、老師，正是由于他們的熱情指導和幫助，使得本課題在規(guī)定的時間內按要求得以完成。最后，向所有關心、理解、支持和幫助過我的老師、領導、同學和朋友們致以誠摯的謝意!