【導(dǎo)讀】試是教學(xué)實(shí)驗(yàn)與工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的問(wèn)題?傳統(tǒng)的溫度測(cè)試儀器往往需要大量的手工。操作與計(jì)算,且存在體積較大?不可擴(kuò)展等缺點(diǎn)?設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于虛擬儀器的熱電偶溫度巡檢儀?熱電偶溫度信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路進(jìn)行相。應(yīng)的處理后,通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221送入計(jì)算機(jī)?溫度巡檢儀的前面板及相應(yīng)程序框圖的設(shè)計(jì),可以巡回檢測(cè)4路K型熱電偶溫度信號(hào)?冷端溫度等參數(shù),并可以實(shí)時(shí)顯示溫度。數(shù)值及曲線,當(dāng)溫度超限時(shí)給出報(bào)警提示?整個(gè)測(cè)量過(guò)程自動(dòng)進(jìn)行,不需要人工參與,不僅。儀器相比具有更廣闊的應(yīng)用前景?

　　

【正文】 勝枚舉 ?相信未來(lái) ,虛擬儀器將得到更多的發(fā)展 ,應(yīng)用范圍也將越來(lái)越廣 ?[5] 虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái) 開發(fā)虛擬儀器必須要有合適的軟件工具 ,目前的虛擬儀器軟件開發(fā)工具有如下兩類 :文本式編程語(yǔ)言如 Visual C++,VisualBASIC,Labwindows/CVI 等 。圖形化編程語(yǔ) 言如LabVIEW,HPVEE 等 ? LabVIEW 作為業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)軟件工具 ,我們選用它來(lái)開發(fā)虛擬儀器 ?LabVIEW 是一種基于圖形開發(fā) ?調(diào)試和運(yùn)行程序的集成化環(huán)境 ,是第一個(gè)借助于虛擬面板用戶界面和方框圖建立虛擬儀器的圖形程序設(shè)計(jì)系統(tǒng) ?LabVIEW 是一個(gè)高效的圖形化程序設(shè)計(jì)環(huán)境 ,它結(jié)合了簡(jiǎn)單易用的圖形式開發(fā)環(huán)境與靈活強(qiáng)大的 G 編程語(yǔ)言 ?提供了一個(gè)直覺(jué)式的環(huán)境 ,與測(cè)量緊密結(jié)合 ?在這個(gè)平臺(tái)上各種領(lǐng)域的專業(yè)工程師和科學(xué)家們通過(guò)定義和連接代表各種功能模塊的圖標(biāo)來(lái)方便迅速地建立高水平的應(yīng)用程序 ?針對(duì)測(cè)試測(cè)量和過(guò)程 控制領(lǐng)域提供了大量的儀器面板中的控制對(duì)象 ,如表頭 ?旋鈕 ?圖表等 ?通過(guò)控制編輯器可將現(xiàn)有的控制對(duì)象修改成適合自己工作領(lǐng)域的控制對(duì)象 ?使用圖表表示功能模塊 ,使用圖標(biāo) 間的連線表示在各功能模塊間傳遞的數(shù)據(jù) ,這樣使得編程過(guò)程與思維過(guò)程非常近似 ? 提供程序調(diào)試功能 ?可以在源代碼中設(shè)置斷點(diǎn) ,單步執(zhí)行源代碼 ,在源代碼中的數(shù)據(jù)流連線上設(shè)置探針 ,在程序運(yùn)行過(guò)程中觀察數(shù)據(jù)流的變化 ?繼承傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言中的結(jié)構(gòu)化和模塊化編程的優(yōu)點(diǎn) ,采用編譯方式運(yùn)行 32 位應(yīng)用程序 ,提高了運(yùn)行程序的速度 ? 支持多種系統(tǒng)平臺(tái) ?在任何一個(gè)平臺(tái)上開發(fā)的 LabVIEW應(yīng)用程序可直接移植到其它平臺(tái)上 ?提供了大量的函數(shù)庫(kù)供調(diào)用 ?具有實(shí)時(shí)性 ,支持?jǐn)?shù)據(jù)采集板和 GPIB?串口設(shè)備 ?VXI 儀器 ?PIC?工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線以及用戶特殊的板卡 ? 第四章 基于 LabVIEW的熱電偶溫度巡檢儀的設(shè)計(jì) 本 文設(shè)計(jì)的 基于 LabVIEW 的熱電偶溫度巡檢儀 ,它 主要由溫度 巡檢 電路 ?放大調(diào)理電路 ?一塊基于 PCI總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡 PCI6221?PC 機(jī) 及相應(yīng)的軟件組成 ?其工作過(guò)程如下 :溫度信號(hào)由 熱電偶溫度 傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào) ,經(jīng) 過(guò) 信號(hào)調(diào)理 電路 和數(shù)據(jù)采集卡 PCI6221 進(jìn)入計(jì)算機(jī) ,在 計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的 LabVIEW 程序?qū)斎氲臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理 ,結(jié)果由 虛擬儀器的前面板進(jìn)行顯示 ?原理框圖如圖 所示 ? 調(diào) 理 電 路計(jì) 算 機(jī)L a b V I E W數(shù) 據(jù) 采 集 卡P C I 6 2 2 11 熱 電 偶多 路 轉(zhuǎn) 換 開關(guān) C D 4 0 5 2+2 熱 電 偶+3 熱 電 偶+4 熱 電 偶+1 熱 電 偶2 熱 電 偶3 熱 電 偶4 熱 電 偶 圖 整體方框圖 系統(tǒng) 硬件電路 設(shè)計(jì) 溫度測(cè)量電路主要由溫度傳感器 ?多路轉(zhuǎn)換開關(guān)和放大調(diào)理電路 組成 ,用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度的檢測(cè) ,溫度傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后 ,通過(guò)采集卡的模擬通道輸入計(jì)算機(jī) ,并由 LabVIEW 程序計(jì)算得到溫度測(cè)量值 ?調(diào)理電路的作用是對(duì)來(lái)自模擬量輸入通道的信號(hào)進(jìn)行濾波和放大以滿足數(shù)據(jù)采集卡 A/D 輸入端電氣參 數(shù)要求 ?溫度測(cè)量電路的溫度測(cè)量范圍為 0℃ ~1200℃ ,電壓輸出為 0V~10V,輸出靈敏度為 50mV/℃ ,并可直接與A/D 接口兼容 ? C3R51POT2R9POT2R2100KR1100KR5100KR7100KR6100KR8100KAR?OPAMPAR?OPAMPAR?OPAMPR3100KR4100K+12+12+12121212CH1C4Et_+ 圖 硬件電路圖 多路選擇開關(guān) CD4052 CD4052 模擬數(shù)據(jù)選擇 /配器是數(shù)字控制的模 擬開關(guān) ,具有低導(dǎo)通阻抗和非常低的關(guān)斷泄漏電流 ?315 V的數(shù)字信號(hào)可以控制 15VPP的模擬信號(hào) ?例如 ,若 VDD =5 V, VSS = 0 V, VEE= 5V,則數(shù)字信號(hào)可以控制 5V~+5V的模擬信號(hào)輸入輸出 ?數(shù)據(jù)選擇器在整個(gè) VDDVSS和 VDDVEE范圍具有非常低的靜態(tài)功耗 ,而且與控制信號(hào)的邏輯狀態(tài)無(wú)關(guān) ?CD4052 其實(shí)是數(shù)字控制的雙向傳輸門 ,從總體功能上來(lái)看 ,從 X?Y 輸入 ,則是兩個(gè)一分四的數(shù)據(jù)分配器 。若從 X?Y 輸出 ,則是兩個(gè)四選一的數(shù)字選擇器 ?圖 所示為 CD4052 引腳分布圖 ? C D 4 0 5 21 6 1 51 41 31 21 1 1 0 98765321 4VD D2 X1 X X0 X 3 X A B0 Y2 YY 3 Y1 Y I N HVE EVS S 圖 CD4052 引腳圖 CD4052 是一個(gè)獨(dú)立的 4 通道數(shù)據(jù)選擇器 ,具有二進(jìn)制控制輸入端 A?B和一個(gè)禁止輸入 INH?A ?B 的四種二進(jìn)制組合狀態(tài)用來(lái)在四對(duì)通道中選擇其中的一對(duì) ,當(dāng)邏輯的“ 1”加到 INH 輸入端時(shí) ,所有的通道都關(guān)閉 ?CD4052 數(shù)字控制真值表見(jiàn)表 ? 表 CD4052 真值表 控制引腳狀態(tài) 導(dǎo)通通道 INH B A iX iY 0 0 0 0X 0Y 0 0 1 1X 1Y 0 1 0 2X 2Y 0 1 1 3X 3Y 1 * * 無(wú) 無(wú) CD4052 的器件特性為 : ⑴寬范圍的數(shù)字和模擬信號(hào)電平 :數(shù)字 315 V,模擬可達(dá) 15VPP? ⑵低導(dǎo)通阻抗 :在 VDDVEE=15V的條件下 ,整個(gè) 15VPP信號(hào)輸入范圍的典型值為 80Ω? ⑶高截止阻抗 :在 VDDVEE=10V的條件下 ,通道漏電流 的典型值為士 l0pA? ⑷邏輯電平轉(zhuǎn)換 :315V(VDDVEE=315V)的數(shù)字地址信號(hào)轉(zhuǎn)換成 15VPP (VDDVEE=15V)的開關(guān)模擬信號(hào) ? ⑸匹配開關(guān)特性 :在 VDDVEE=15V的條件下 ,RON的典型值為 5Ω? ⑹極低的靜態(tài)功耗 :在 VDDVSS=VDDVEE=10V條件下 ,靜態(tài)功耗的典型值為 1μW? ⑺片上二進(jìn)制地址解碼 ? 集成溫度傳感器 AD590 AD590 是集成溫度 傳感器 ?由于利用了 PN 結(jié)的伏安特性與溫度的線性關(guān)系 ,以集成電路技術(shù)為制造手段 。形成了帶有自動(dòng)補(bǔ)償?shù)募蓽囟葌鞲衅??因此 ,它具有集成度高 ,可靠性好 ,線性度好 ,接線簡(jiǎn)單 ,測(cè)量靈敏等諸多優(yōu)點(diǎn) ?AD590 是一個(gè)兩端式溫度 — 電流傳感器 ,所輸出的電流與絕對(duì)溫度成正比 ?該器件作為一個(gè)高阻抗器件供給電壓范圍是+4V—+30V,為把持續(xù)電流轉(zhuǎn)換成電壓 ,通常將 AD590 的輸出電流通過(guò) 1KΩ電阻 ,從而獲得 1mV/K 的輸出電壓 ?電阻采用激光修刻工藝 ,使在 +25℃ ()時(shí) ,器件輸出 ? AD590 可應(yīng)用于任何低于 +150℃的溫度測(cè)量范圍 ,該單塊集成電路固有的低價(jià)成為其作為許多溫度測(cè)量應(yīng)用中的首選 ?使用 AD590 進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)無(wú)需 采用線性電路 ?高精度放大器 ?阻抗測(cè)量電路以及冷端補(bǔ)償?shù)绕渌娐?? 熱電偶有熱端和冷端 ,它所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)為兩者的熱電勢(shì)之差 ,因此同環(huán)境溫度有關(guān)時(shí) ,測(cè)量結(jié)果需要加以修正 ?利用 AD590 的線性溫敏特性 ,可以給溫差電偶的參考端 (冷端 )提供溫度補(bǔ)償 ,使熱電偶的參考端在任何環(huán)境溫度下僅產(chǎn)生 0V電動(dòng)勢(shì) ? 數(shù)據(jù)采集卡 PCI6221 數(shù)據(jù)采集卡的主要功能是向被測(cè)電路和元器件傳送所需的數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào) ,同時(shí)又接收并處理來(lái)自被檢對(duì)象的狀態(tài)信號(hào) ?此外 ,它還完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ) ?本系統(tǒng)在綜合考慮 A/D 和 D/A 通道數(shù)目 ?采樣速率 ?輸入精度 ?A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換速度 ?分辨率與精度等技術(shù)指標(biāo)的情況下 ,選用 NI 公司的 PCI6221 型數(shù)據(jù)采集卡作為系統(tǒng)硬件的核心部分?它支持單極性和雙極性兩種模擬信號(hào)的輸入 ,信號(hào)輸入范圍分別為 10~+10V和 0~20V?它提供 16 路 16 位的模擬輸入通道 ,最大采樣速率為 250KS/s。2 路 16 位的模擬輸出通道 ,最大輸出頻率為 833KS/s,24 線的 TTL 型數(shù)字 I/O 及 32 位定時(shí)計(jì)數(shù)器等多種功能 ? 在使用前要進(jìn)行硬件安裝和軟件設(shè)置 ?硬件安裝就是將數(shù)據(jù)采集卡插入 PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)總線擴(kuò)展槽內(nèi) ,軟件安裝就是將 NI 公司數(shù)據(jù) 采集卡的驅(qū)動(dòng)軟件 NIDAQ 裝入 PC 機(jī) ?安裝 完畢后 ,要對(duì)數(shù)據(jù)采集卡 PCI6221 進(jìn)行測(cè)試與設(shè)置 ? 信號(hào)調(diào)理的功能 ⑴放大功能 放大是最為普遍的信號(hào)調(diào)理功能 ?例如 ,需要對(duì)熱電偶的信號(hào)進(jìn)行放大以提高分辨率和降低噪聲 ?為了得到最高的分辨率 ,要對(duì)信號(hào)放大以使調(diào)理后信號(hào)的最大電壓范圍和ADC 的最大輸入范圍相等 ?又例如 ,SCXI有多種信號(hào)調(diào)理模塊可以放大輸入信號(hào) ?在臨近傳感器的 SCXI 機(jī)箱內(nèi)對(duì)低電壓信號(hào)進(jìn)行放大 ,然后把放大后的高電壓信號(hào)傳送到 PC,從而最大限度地降低噪聲對(duì)讀數(shù)的影響 ? ⑵隔離功能 另一種常見(jiàn)的信號(hào)調(diào)理 應(yīng)用是為了安全目的把傳感器的信號(hào)和計(jì) 算機(jī)相隔離 ?被監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)可能產(chǎn)生瞬態(tài)的高壓 ,如果不使用信號(hào)調(diào)理 , 這種高壓會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)造成損害 ?使用隔離的另一原因是為了確保插入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備的讀數(shù)不會(huì)受到接地電勢(shì)差或共模電壓的影響 ?當(dāng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備輸入和所采集的信號(hào)使用不同的參考 “地線 ”,而一旦這兩個(gè)參考地線有電勢(shì)差 ,就會(huì)帶來(lái)麻煩 ?這種電勢(shì)差會(huì)產(chǎn)生所謂的接地回路 ,這樣就將使所采集信號(hào)的讀數(shù)不準(zhǔn)確 ?；蛘呷绻妱?shì)差太大 ,它也會(huì)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)造成損害 ?使用隔離式信號(hào)調(diào)理能消除接地回路并確保信號(hào)可以被準(zhǔn)確地采集 ?例如 ,SCXI1120 和 SCXI1121 模塊能提供高達(dá) 250 Vrms 的共模電壓隔離 ,SCXI1122 能提供高達(dá) 450 Vrms 電壓隔離 ? ⑶ 多路復(fù)用功能 多路復(fù)用是使用單個(gè)測(cè)量設(shè)備來(lái)測(cè)量多個(gè)信號(hào)的常用技術(shù) ?模擬信號(hào)的信號(hào)調(diào)理硬件常對(duì)如溫度這樣緩慢變化的信號(hào)使用多路復(fù)用方式 ?ADC采集一個(gè)通道后 ,轉(zhuǎn)換到另一個(gè)通道并進(jìn)行采集 ,然后再轉(zhuǎn)換到下一個(gè)通道 ,如此往復(fù) ?由于同一個(gè) ADC 可以采集多個(gè)通道而不是一個(gè)通道 ,每個(gè)通道的有效采樣速率和所采樣的通道數(shù)呈反比 ? ⑷ 濾波功能 濾波器的功能是指在您所測(cè)量的信號(hào)中濾除不需要的信號(hào) ?噪聲濾波 器用于如溫度這樣直流信號(hào) ,它可以衰減那些降低測(cè)量精度的高頻信號(hào) ?例如 ,許多 SCXI 模塊在使用數(shù)據(jù)采集設(shè)備對(duì)信號(hào)數(shù)字化前使用 4 Hz 和 10 kHz 的低通濾波器來(lái)濾除噪聲 ? ⑸ 激勵(lì)功能 對(duì)于某些傳感器信號(hào)調(diào)理也能提供激勵(lì)源 ?例如 ,應(yīng)力計(jì) ?熱敏電阻器和 RTD 需要有外部電壓或電流激勵(lì)信號(hào) ?用于這些傳感器的信號(hào)調(diào)理模塊常用來(lái)提供激勵(lì)信號(hào) ?RTD測(cè)量常使用電流源來(lái)把電阻上的變化量轉(zhuǎn)化為可測(cè)量電壓 ?應(yīng)力計(jì)是阻值非常低的電阻設(shè)備 ,常用于配有電壓激勵(lì)源的惠斯通電橋 ?SCXI1121 和 SCXI1122 有板載的激勵(lì)源 ,可配 置為電流或電壓激勵(lì) ,從而可用于壓力計(jì) ?熱敏電阻器或 RTD? ⑹線 性化功能 另一種常見(jiàn)的信號(hào)調(diào)理功能是線性化功能 ?許多傳感器 ,如熱電偶 ,對(duì)被測(cè)量的物理量的響應(yīng)是非線性的 ?NI的 NIDAQ?LabVIEW?Easurement Studio和 VirtualBench等應(yīng)用軟件包包含了應(yīng)用于熱電偶 ?壓力計(jì)和 RTD 的線性化功能 ? 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集原理 模擬信號(hào) y(t)經(jīng)過(guò)采樣開關(guān)抽樣成離散的模擬信號(hào) ,經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能接受的數(shù)字信號(hào) y(nT)?其中采樣信號(hào)可表示為 : 0( ) ( ) ( )niy t y n T t n T????? (4. 1) 其中 ,在 t=nT 時(shí) , ()t nT? ? ?? ,在 t ≠ nT時(shí) , ( ) 0t nT? ???采樣信號(hào) y(t)僅僅在采樣時(shí)刻 0,T, 2T......nT 有值 ,如第 k 時(shí)刻的值為 y(kT)?在采樣過(guò)程中 ,應(yīng)注重采樣周期T的選擇 (控制算法的精度與此有關(guān) )?即 : ⑴ T 的選擇應(yīng)滿足采樣定理 :Ws≥ 2Wmax。 ⑵ 從控制性能來(lái)考慮 :T 越小 ,越接近連續(xù)系統(tǒng) ,控制精度越高 ,但計(jì)算量越大 , 使可控制的回路數(shù)越小 ,且執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)不及響應(yīng) ? ⑶ T 的選擇影響因素較多 ,一般可根據(jù)對(duì)象來(lái)經(jīng)驗(yàn)選取 ? 多通道采樣方式 多數(shù)通用采集卡都有多個(gè)模入通道 ,但是并非每個(gè)通道配置一個(gè) A/D,而是大家共用一套 A/D,在 A/D 之前的有一個(gè)多路開關(guān) (MUX),以及放大器 (AMP)?采樣保持器 (S/H)等 ?通過(guò)這個(gè)開關(guān)的掃描切換 ,實(shí)現(xiàn)多通道的采樣 ?多通道的采樣方式有三種 :循環(huán)采樣 ?同步采樣和間隔采樣 ?在一次掃描 (scan)中 ,數(shù)據(jù)采集卡將對(duì)所有用到的通道進(jìn)行一次采樣