【導(dǎo)讀】對于溫度測試的結(jié)果有著很大影響，因此開發(fā)高性能的溫度測試儀是十分必要的?，F(xiàn)信號采集、分析、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示的系統(tǒng)。其次，對數(shù)據(jù)采集模塊和LabVIEW軟件模塊設(shè)計進行了詳細論述。的軟件模塊的設(shè)計，包括前面板和框圖程序的設(shè)計。最后，文中介紹了數(shù)據(jù)庫的原理、使用以及用Access數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)存取的方法。

　　

【正文】 溫度巡檢儀能完成對多點溫度的檢測，但只能對溫度進行數(shù)值顯示，對數(shù)據(jù)的保存讀取操作困難， 基于虛擬儀器的溫度巡檢儀，不僅能顯示溫度數(shù)值，而且能對溫度實時變化趨勢通過曲線顯示 ， 能給用戶 一 個 友 好的監(jiān)控界面。使用戶能很好的了解現(xiàn)場溫度變化情況，數(shù)據(jù)的存取操作簡單，只需通過按鈕便可實現(xiàn)操作。 用戶可以根據(jù)需要查詢某一時間段數(shù)據(jù)，以便進行數(shù)據(jù)分析 ， 還可根據(jù)現(xiàn)實需要進行參數(shù)修改。 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能 本論 文設(shè)計主要是解決多點溫度的巡回檢測，進行實時的顯示溫度值和溫度曲線。為了改善傳統(tǒng)溫度巡檢儀的功能。此虛擬溫度巡檢儀系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)以下功能： (1)密碼設(shè)定 :確保系統(tǒng)安全 ； (2)對熱電偶的型號、通道號 設(shè)置 及冷端溫度補償 ， 熱電偶傳感器的類型共有 K， E，S， T， J， R， B， N八種可供選擇 ； 設(shè)置溫度信號的輸入 方式 ； 輸入方式有差分輸入 ， 單端輸入和無參考地單端輸入； (3)檢測參數(shù) 的顯示 :如 檢測 時間、設(shè)定溫度、當(dāng)溫度超出某個范圍進行報警等 ； (4)溫度 實時曲線 顯示 ； 同時，具有數(shù)字顯示和波形圖顯示 ； (5)數(shù)據(jù)處理與分析 :可以進行在線分析。當(dāng)采集或讀入數(shù)據(jù)后，進行 線性化處理 ；選用不同的濾波器進行數(shù)字濾波。 (6)溫度 數(shù)據(jù)保存 :將采集到的數(shù)據(jù)保存 到 數(shù)據(jù)庫 中， 在數(shù)據(jù)庫中有 數(shù)據(jù)創(chuàng)建的時間， 通道 號等信息，便于數(shù)據(jù)采集后的讀取 處理 與數(shù)據(jù)分析 。 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 整個溫度巡檢儀的原理框圖如圖 所示，系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包括熱電偶溫度傳感器， 溫度信號調(diào)理模塊 ， PCI6221 數(shù)據(jù)采集卡（ DAQ）及 PC 機 4部分組成。軟件部分采用美國 NI 公司的 LABVIEW 虛擬儀器軟件平臺，來完成對采集進來的 八 路溫度信號進行數(shù)據(jù)分析和顯示 。本系統(tǒng)結(jié)果顯示形象直觀，操作方便，并且通過修改軟件還可以容易地擴展功能。針對溫度信號進行高精度地測試，整個系統(tǒng) 設(shè)計的核心 是溫度信號調(diào)理電路 的設(shè)計 以及以 LABVIEW 為 基礎(chǔ)的 軟件開發(fā)。 系 統(tǒng)基本工作原理： 傳感器 將感受到的 環(huán)境溫度 信號 以電壓形式輸出到信號調(diào)理電路，信號經(jīng)過調(diào)理后輸入到 數(shù)據(jù)采集卡進行 A／ D 轉(zhuǎn)換， A／ D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)直接進入微機，再由虛擬儀器系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理和 顯示。 多 路 溫 度 傳 感 器 信 號 調(diào) 理 電 路 P C I 6 2 2 1 數(shù) 據(jù) 采 集 卡主 機 L A B V I E W 軟 件 數(shù) 據(jù)分 析 和 顯 示被 測 信 號 圖 第五章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 本章主要 介紹虛擬溫度巡檢儀的硬件設(shè)計，首先介紹了系統(tǒng)的硬件組成，然后是溫度傳感器檢測元件的介紹、調(diào)理電路的設(shè)計、 PCI— 6221 數(shù)據(jù)采集卡的介紹。 系統(tǒng)硬件組成 本虛擬溫度巡檢儀首先通過溫度傳感器（熱電偶）通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)選通 經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)換到 05v、濾波器剔除噪聲再經(jīng)反向多路轉(zhuǎn)換開關(guān)單端接入數(shù)據(jù)采集卡，計算機進行運算處理。 圖 給出了 虛擬溫度巡檢儀硬件原理框圖 ： 8 路 熱 電 偶溫 度傳 感 器主 機L A B V I EW 軟 件數(shù) 據(jù) 分析 和 顯示P C I 6 2 2 1 數(shù)據(jù) 采 集 卡A D 5 9 0前 置放 大多 路 轉(zhuǎn)換 開 關(guān)C d 4 0 5 1低 通濾 波器前 置 放 大多 路 轉(zhuǎn)換 開 關(guān)C d 4 0 5 1電 流 u A電 壓 0 5 vVm V被 測 信 號環(huán) 境 溫 度 圖 系統(tǒng) 硬件原理框圖 溫度傳感器及調(diào)理電路 溫度傳感器 系統(tǒng)選擇 熱電偶作為溫 度傳感器 ，其結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、使用方便、測溫精度較高，可就地測量和遠傳。在工作時，只要與顯示儀表配合即可測量氣體、液體、固體的溫度。熱電偶可以用來測量 200℃ ～ 1600℃ 范圍內(nèi)的溫度，有些熱電偶甚至可 測 2020℃以上溫度。所以熱電偶是使用最廣泛的測溫元件之一。通過熱電偶冷端補償進行溫度測量是一種傳統(tǒng)、有效的方法，廣大技術(shù)工作人員在實際的測量檢測中已經(jīng)積累了較多的經(jīng)驗。 此課題采用鎳鉻一鎳硅熱電偶 (K 型 )其使用溫度范圍為 200℃ ～ 1300℃ 。 調(diào)理電路設(shè)計 從傳感器得到的信號大多要經(jīng)過調(diào)理才能進入數(shù)據(jù)采集設(shè)備，信 號調(diào)理功能包括放大、濾波、線性化等。由于不同傳感器有不同的特性，因此，除了這些通用功能，還要根據(jù)具體傳感器的特性和要求來設(shè)計特殊的信號調(diào)理功能。下面僅介紹信號調(diào)理的通用功能。 冷端 溫度 補償電路設(shè)計 由于連接熱電偶與 DAQ 板卡的引線要一起所謂的參考連接或冷端連接，這種連接如同熱電偶一樣也要產(chǎn)生輸出電壓 — 即所謂的參考電壓或冷端電壓。這樣，測量電壓就包括了熱電偶輸出電壓和冷端電壓兩部分。補償冷端電壓的方法就是所謂的冷端補償。 冷端補償是熱電偶測量中 信號調(diào)理 的首要 任務(wù)。常用的冷端補償方法有硬件補償方法 和軟件補償。 硬件補償是用一種特殊電路產(chǎn)生適當(dāng)?shù)碾妷簛淼窒涠穗妷?。因此每種熱電偶必須有可在所有環(huán)境溫度下正常工作的專用補償電路。這樣的補償電路是非常昂貴的，所以通常采用軟件方法進行溫度補償。 軟件補償?shù)脑硎怯昧硗庖粋€溫度傳感器 直接測量冷端環(huán)境溫度并根據(jù)標準的熱電偶表或多項式通過軟件計算出計算出所需的補償電壓，然后將測量電壓和補償電壓相加，在用標準的熱電偶多項式或查表法將補償后的電壓換算成溫度值。 本設(shè)計采用軟件冷端溫度補償 ，選擇 AD590 集成溫度傳感器檢測環(huán)境溫度。 AD590單片集成溫度傳感器，是電流型集 成溫度傳感器。其溫度測量范圍為 55℃～ 150℃，線性電流輸出靈敏度為 1uA/k。 AD590 以熱力學(xué)溫標零點作為輸出點， 在 0℃時的輸出電流為 uA。 假設(shè)環(huán)境溫度范圍為 0℃～ 50℃，按圖 所選定的電路參數(shù)，該電路的輸出靈敏度為 100mV/℃ 。因為 AD590 直接測量的是熱力學(xué)溫度（溫度單位為 k），因此為為了以攝氏溫度讀出，其輸出必須以 uA 偏置。令 AD590 的輸出電流流過 1kΩ 電阻，這樣 就將 1uA/k 的電流靈敏度轉(zhuǎn)換為 1mV/k 的電壓靈敏度。在將轉(zhuǎn)換后的輸出電壓連接到AD524 儀表放大 器的同相輸入端。基準電壓芯片 AD580 輸出的 基準電壓用電阻分壓到 ，接儀表放大器的反相輸入端，設(shè)置 AD524 的放大倍數(shù)為 100，這樣，經(jīng) AD524對兩輸入差值放大后，就可將 0℃～ 50℃的溫度輸入變換為 0— 5V 的電壓輸出，即該溫度測量電路的輸出電壓靈敏度為 100mV/℃。 A D 5 8 0+ 5 vA D 5 2 47 v1 kG = 1 0 01 k2 5 0 Ω1 0 k2 k采 集 卡a i 8A D 5 9 0+ 圖 冷端 溫度 補償電路 信號調(diào)理電路設(shè)計 微弱信號都要進行放大以提高分辨率和降低噪聲， 使 信號 調(diào)理后的電壓范圍和采集卡的電壓范圍相匹配。 信號調(diào)理 電路 如圖 所示 ： 1 2 3 8 A D 5 2 4二 階濾 波 器A D 5 8 0P C I 6 2 2 1數(shù) 據(jù)采 集 卡+ 5 vA D 5 2 47 v1 kG = 1 0 01 k2 5 0 Ω1 0 kC D 4 0 5 1C D 4 0 5 1A D 5 9 0G = 1 0 0++a i 8a i 0 : 8 圖 系統(tǒng) 信號調(diào)理電路圖 信號調(diào)理模塊應(yīng)盡可能靠近信號源或傳感器 ，使得信號在受到傳輸信號的環(huán)境噪聲影響之前已被放大，使信噪比得到改善。 濾波的目的是從所測量的信號中除去不需要的成分。大多數(shù)信號調(diào)理模塊有低通濾波器，用來濾除噪聲。通常還需要抗混疊濾波器，濾除信號中感興趣的最高頻率以上的所有頻率的信號。某些高性能的數(shù)據(jù)采集卡自身帶有抗混疊濾波器。 許多傳感器對被測量的響應(yīng)是非線性的，因而需要對其輸出信號進行線性化，以補償傳感器 帶來的誤差。但目前的趨勢是，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以利用軟件來解決這一問題。 PCI 數(shù)據(jù)采集卡 LabVIEW提供了 Measujrementamp。Automation軟件。該軟件可以自動檢測到與系統(tǒng) (PC機 )相連的設(shè)備 (如 DAQ 卡、 GPIB、 VLSA、 VXI 等硬件產(chǎn)品 )，并可調(diào)用相應(yīng)設(shè)備的設(shè)置軟件對設(shè)備參數(shù)進行設(shè)置。 數(shù)據(jù)采集卡的功能 一個典型的數(shù)據(jù)采集 卡 的功能有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字 I/O、計數(shù)器 /計時器等，這些功能分別由相應(yīng)的電路來實現(xiàn)。 模擬輸入是 采集 最基本的功能。它一般由多路開關(guān)（ MUX）、放大器、采樣 保持電路以及 A/D 來實現(xiàn)，通過這些部分，一個模擬信號就可以轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。 A/D 的性能和參數(shù)直接影響著模擬輸入的質(zhì)量，要根據(jù)實際需要的精度來選擇合適的 A/D。 模擬輸出通常是為 采集 系統(tǒng)提供激勵。輸出信號受數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ D/A）的建立時間、轉(zhuǎn)換率、分辨率等因素影響。建立時間和轉(zhuǎn)換率決定了輸出信號幅值改變的快慢。建立時間短、轉(zhuǎn)換率高的 D/A 可以提供一個較高頻率的信號。如果用 D/A 的輸出信號去驅(qū)動一個加熱器，就不需要使用速度很快的 D/A，因為加熱器本身就不能很快地跟蹤電壓變化。應(yīng)該根據(jù)實際需要選擇 D/A 的參 數(shù)指標。 數(shù)字 I/O 通常用來控制過程、產(chǎn)生測試信號、與外設(shè)通信等。它的重要參數(shù)包括：數(shù)字口路數(shù)（ line）、接收 (發(fā)送 )率、驅(qū)動能力等。如果輸出去驅(qū)動電機、燈、開關(guān)型加熱器等用電器，就不必用較高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率。路數(shù)要能同控制對象配合，而且需要的電流要小于采集卡所能提供的驅(qū)動電流。但加上合適的數(shù)字信號調(diào)理設(shè)備，仍可以用采集卡輸出的低電流的 TTL 電平信號去監(jiān)控高電壓、大電流的工業(yè)設(shè)備。數(shù)字 I/O 常見的應(yīng)用是在計算機和外設(shè)如打印機、數(shù)據(jù)記錄儀等之間傳送數(shù)據(jù)。另外一些數(shù)字口為了同步通信的需要還有“握手”線 。路數(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率、“握手”能力都是應(yīng)理解的重要參數(shù)，應(yīng)依據(jù)具體的應(yīng)用場合而選擇有合適參數(shù)的數(shù)字 I/O。 許多場合都要用到計數(shù)器，如定時、產(chǎn)生方波等。計數(shù)器包括三個重要信號：門限信號、計數(shù)信號、輸出。門限信號實際上是觸發(fā)信號 —— 使計數(shù)器工作或不工作；計數(shù)信號也即信號源，它提供了計數(shù)器操作的時間基準；輸出是在輸出線上產(chǎn)生脈沖或方波。計數(shù)器最重要的參數(shù)是分辨率和時鐘頻率，高分辨率意味著計數(shù)器可以計更多的數(shù)，時鐘頻率決定了計數(shù)的快慢，頻率越高，計數(shù)速度就越快。 信號采集系統(tǒng) 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。如圖 所示的框圖說明了被測信號的實時采集原理 。 P C I 6 2 2 1 數(shù) 據(jù) 采 集 卡主 機 L A B V I E W 軟 件 數(shù) 據(jù)分 析 和 顯 示被 測 信 號 圖 被測信號實時采集圖 在框圖中，計算機對數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出指令，啟動采集卡，采集卡將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，計算機對采集的數(shù)據(jù)進行存儲、處理和顯示。 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(wù)是物理信號的產(chǎn)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(zhuǎn)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 使 用信號調(diào)理 電路。根據(jù)實際需要，信號 調(diào) 理可以具有濾波、放大等功能 ， 另一方面，一塊 DAQ 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)字輸入輸出以及計數(shù)器 /定時器操作等。 數(shù)據(jù)采集 (DAQ)離不開 DAQ 驅(qū)動軟件。第一代 DAQ 驅(qū)動軟件出現(xiàn)在 20 世紀 80 年代后期，隨著 DAQ 技術(shù)不斷發(fā)展， 90 年代初期 Nl 推出第二代 DAQ 驅(qū)動軟件，隨后在2020 年 Nl 推出第三代 DAQ 驅(qū)動軟件 DAQmx。 Nl 一 DAQmx 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(wù)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(shè)備的同步等優(yōu)點。 Nl 一 DAQmx 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。 數(shù)據(jù)采集卡的軟件配置 一般說來，數(shù)據(jù)采集卡都有自己的驅(qū)動程序，該程序控制采集卡的硬件操作，當(dāng)然這個驅(qū)動程序是由采集卡的供應(yīng)商提供，用戶一般無須通過 底 層 就 能與采集卡硬件打交道。 NI 公司還提供了一個數(shù)據(jù)采集卡的配置工具軟件 — Measurement amp。 Automation Explorer， 它可以 配置 NI 公司的軟件和硬件，比如執(zhí)行系統(tǒng)測試和診斷、增加新通道和虛擬通道、設(shè)置測量系統(tǒng)的方式、察看所連接的設(shè)備等。 PCI— 6221 數(shù)據(jù)采集卡簡介及參數(shù)設(shè)置 PCI— 6221 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(shè)置包括，數(shù)據(jù)集卡的通道設(shè)置、被測信號的輸入方式和被測信號的輸入范圍設(shè)置 ； 我們主要用的是該采集卡的模