【導(dǎo)讀】試是教學(xué)實驗與工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的問題?傳統(tǒng)的溫度測試儀器往往需要大量的手工。操作與計算,且存在體積較大?不可擴展等缺點?設(shè)計開發(fā)了一種基于虛擬儀器的熱電偶溫度巡檢儀?熱電偶溫度信號經(jīng)調(diào)理電路進行相。應(yīng)的處理后,通過數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221送入計算機?溫度巡檢儀的前面板及相應(yīng)程序框圖的設(shè)計,可以巡回檢測4路K型熱電偶溫度信號?冷端溫度等參數(shù),并可以實時顯示溫度。數(shù)值及曲線,當(dāng)溫度超限時給出報警提示?整個測量過程自動進行,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 ,虛擬儀器將得到更多的發(fā)展 ,應(yīng)用范圍也將越來越廣 ?[5] 虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺 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 :文本式編程語言如 Visual C++,VisualBASIC,Labwindows/CVI 等 。圖形化編程語 言如LabVIEW,HPVEE 等 ? LabVIEW 作為業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)標準軟件工具 ,我們選用它來開發(fā)虛擬儀器 ?LabVIEW 是一種基于圖形開發(fā) ?調(diào)試和運行程序的集成化環(huán)境 ,是第一個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)計系統(tǒng) ?LabVIEW 是一個高效的圖形化程序設(shè)計環(huán)境 ,它結(jié)合了簡單易用的圖形式開發(fā)環(huán)境與靈活強大的 G 編程語言 ?提供了一個直覺式的環(huán)境 ,與測量緊密結(jié)合 ?在這個平臺上各種領(lǐng)域的專業(yè)工程師和科學(xué)家們通過定義和連接代表各種功能模塊的圖標來方便迅速地建立高水平的應(yīng)用程序 ?針對測試測量和過程 控制領(lǐng)域提供了大量的儀器面板中的控制對象 ,如表頭 ?旋鈕 ?圖表等 ?通過控制編輯器可將現(xiàn)有的控制對象修改成適合自己工作領(lǐng)域的控制對象 ?使用圖表表示功能模塊 ,使用圖標 間的連線表示在各功能模塊間傳遞的數(shù)據(jù) ,這樣使得編程過程與思維過程非常近似 ? 提供程序調(diào)試功能 ?可以在源代碼中設(shè)置斷點 ,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 ,在程序運行過程中觀察數(shù)據(jù)流的變化 ?繼承傳統(tǒng)的編程語言中的結(jié)構(gòu)化和模塊化編程的優(yōu)點 ,采用編譯方式運行 32 位應(yīng)用程序 ,提高了運行程序的速度 ? 支持多種系統(tǒng)平臺 ?在任何一個平臺上開發(fā)的 LabVIEW應(yīng)用程序可直接移植到其它平臺上 ?提供了大量的函數(shù)庫供調(diào)用 ?具有實時性 ,支持數(shù)據(jù)采集板和 GPIB?串口設(shè)備 ?VXI 儀器 ?PIC?工業(yè)現(xiàn)場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 本 文設(shè)計的 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 及相應(yīng)的軟件組成 ?其工作過程如下 :溫度信號由 熱電偶溫度 傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號 ,經(jīng) 過 信號調(diào)理 電路 和數(shù)據(jù)采集卡 PCI6221 進入計算機 ,在 計算機上運行的 LabVIEW 程序?qū)斎氲臄?shù)據(jù)進行分析處理 ,結(jié)果由 虛擬儀器的前面板進行顯示 ?原理框圖如圖 所示 ? 調(diào) 理 電 路計 算 機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 溫度測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 ,用于對現(xiàn)場溫度的檢測 ,溫度傳感器的輸出信號經(jīng)信號調(diào)理電路處理后 ,通過采集卡的模擬通道輸入計算機 ,并由 LabVIEW 程序計算得到溫度測量值 ?調(diào)理電路的作用是對來自模擬量輸入通道的信號進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 ?溫度測量電路的溫度測量范圍為 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)字信號可以控制 15VPP的模擬信號 ?例如 ,若 VDD =5 V, VSS = 0 V, VEE= 5V,則數(shù)字信號可以控制 5V~+5V的模擬信號輸入輸出 ?數(shù)據(jù)選擇器在整個 VDDVSS和 VDDVEE范圍具有非常低的靜態(tài)功耗 ,而且與控制信號的邏輯狀態(tài)無關(guān) ?CD4052 其實是數(shù)字控制的雙向傳輸門 ,從總體功能上來看 ,從 X?Y 輸入 ,則是兩個一分四的數(shù)據(jù)分配器 。若從 X?Y 輸出 ,則是兩個四選一的數(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 是一個獨立的 4 通道數(shù)據(jù)選擇器 ,具有二進制控制輸入端 A?B和一個禁止輸入 INH?A ?B 的四種二進制組合狀態(tài)用來在四對通道中選擇其中的一對 ,當(dāng)邏輯的“ 1”加到 INH 輸入端時 ,所有的通道都關(guān)閉 ?CD4052 數(shù)字控制真值表見表 ? 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 無 CD4052 的器件特性為 : ⑴寬范圍的數(shù)字和模擬信號電平 :數(shù)字 315 V,模擬可達 15VPP? ⑵低導(dǎo)通阻抗 :在 VDDVEE=15V的條件下 ,整個 15VPP信號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)字地址信號轉(zhuǎn)換成 15VPP (VDDVEE=15V)的開關(guān)模擬信號 ? 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 。形成了帶有自動補償?shù)募蓽囟葌鞲衅??因此 ,它具有集成度高 ,可靠性好 ,線性度好 ,接線簡單 ,測量靈敏等諸多優(yōu)點 ?AD590 是一個兩端式溫度 — 電流傳感器 ,所輸出的電流與絕對溫度成正比 ?該器件作為一個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 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 ,器件輸出 ? AD590 可應(yīng)用于任何低于 +150℃的溫度測量范圍 ,該單塊集成電路固有的低價成為其作為許多溫度測量應(yīng)用中的首選 ?使用 AD590 進行溫度測量時無需 采用線性電路 ?高精度放大器 ?阻抗測量電路以及冷端補償?shù)绕渌娐?? 熱電偶有熱端和冷端 ,它所產(chǎn)生的電動勢為兩者的熱電勢之差 ,因此同環(huán)境溫度有關(guān)時 ,測量結(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電動勢 ? 數(shù)據(jù)采集卡 PCI6221 數(shù)據(jù)采集卡的主要功能是向被測電路和元器件傳送所需的數(shù)據(jù)信號和控制信號 ,同時又接收并處理來自被檢對象的狀態(tài)信號 ?此外 ,它還完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和存儲 ?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的輸入 ,信號輸入范圍分別為 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 位定時計數(shù)器等多種功能 ? 在使用前要進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機的標準總線擴展槽內(nèi) ,軟件安裝就是將 NI 公司數(shù)據(jù) 采集卡的驅(qū)動軟件 NIDAQ 裝入 PC 機 ?安裝 完畢后 ,要對數(shù)據(jù)采集卡 PCI6221 進行測試與設(shè)置 ? 信號調(diào)理的功能 ⑴放大功能 放大是最為普遍的信號調(diào)理功能 ?例如 ,需要對熱電偶的信號進行放大以提高分辨率和降低噪聲 ?為了得到最高的分辨率 ,要對信號放大以使調(diào)理后信號的最大電壓范圍和ADC 的最大輸入范圍相等 ?又例如 ,SCXI有多種信號調(diào)理模塊可以放大輸入信號 ?在臨近傳感器的 SCXI 機箱內(nèi)對低電壓信號進行放大 ,然后把放大后的高電壓信號傳送到 PC,從而最大限度地降低噪聲對讀數(shù)的影響 ? ⑵隔離功能 另一種常見的信號調(diào)理 應(yīng)用是為了安全目的把傳感器的信號和計 算機相隔離 ?被監(jiān)測的系統(tǒng)可能產(chǎn)生瞬態(tài)的高壓 ,如果不使用信號調(diào)理 , 這種高壓會對計算機造成損害 ?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)不會受到接地電勢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使用不同的參考 “地線 ”,而一旦這兩個參考地線有電勢差 ,就會帶來麻煩 ?這種電勢差會產(chǎn)生所謂的接地回路 ,這樣就將使所采集信號的讀數(shù)不準確 ?；蛘呷绻妱莶钐?,它也會對測量系統(tǒng)造成損害 ?使用隔離式信號調(diào)理能消除接地回路并確保信號可以被準確地采集 ?例如 ,SCXI1120 和 SCXI1121 模塊能提供高達 250 Vrms 的共模電壓隔離 ,SCXI1122 能提供高達 450 Vrms 電壓隔離 ? ⑶ 多路復(fù)用功能 多路復(fù)用是使用單個測量設(shè)備來測量多個信號的常用技術(shù) ?模擬信號的信號調(diào)理硬件常對如溫度這樣緩慢變化的信號使用多路復(fù)用方式 ?ADC采集一個通道后 ,轉(zhuǎn)換到另一個通道并進行采集 ,然后再轉(zhuǎn)換到下一個通道 ,如此往復(fù) ?由于同一個 ADC 可以采集多個通道而不是一個通道 ,每個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量的信號中濾除不需要的信號 ?噪聲濾波 器用于如溫度這樣直流信號 ,它可以衰減那些降低測量精度的高頻信號 ?例如 ,許多 SCXI 模塊在使用數(shù)據(jù)采集設(shè)備對信號數(shù)字化前使用 4 Hz 和 10 kHz 的低通濾波器來濾除噪聲 ? ⑸ 激勵功能 對于某些傳感器信號調(diào)理也能提供激勵源 ?例如 ,應(yīng)力計 ?熱敏電阻器和 RTD 需要有外部電壓或電流激勵信號 ?用于這些傳感器的信號調(diào)理模塊常用來提供激勵信號 ?RTD測量常使用電流源來把電阻上的變化量轉(zhuǎn)化為可測量電壓 ?應(yīng)力計是阻值非常低的電阻設(shè)備 ,常用于配有電壓激勵源的惠斯通電橋 ?SCXI1121 和 SCXI1122 有板載的激勵源 ,可配 置為電流或電壓激勵 ,從而可用于壓力計 ?熱敏電阻器或 RTD? ⑹線 性化功能 另一種常見的信號調(diào)理功能是線性化功能 ?許多傳感器 ,如熱電偶 ,對被測量的物理量的響應(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 ?壓力計和 RTD 的線性化功能 ? 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計 數(shù)據(jù)采集原理 模擬信號 y(t)經(jīng)過采樣開關(guān)抽樣成離散的模擬信號 ,經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為計算機能接受的數(shù)字信號 y(nT)?其中采樣信號可表示為 : 0( ) ( ) ( )niy t y n T t n T????? (4. 1) 其中 ,在 t=nT 時 , ()t nT? ? ?? ,在 t ≠ nT時 , ( ) 0t nT? ???采樣信號 y(t)僅僅在采樣時刻 0,T, 2T......nT 有值 ,如第 k 時刻的值為 y(kT)?在采樣過程中 ,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 從控制性能來考慮 :T 越小 ,越接近連續(xù)系統(tǒng) ,控制精度越高 ,但計算量越大 , 使可控制的回路數(shù)越小 ,且執(zhí)行機構(gòu)來不及響應(yīng) ? ⑶ T 的選擇影響因素較多 ,一般可根據(jù)對象來經(jīng)驗選取 ? 多通道采樣方式 多數(shù)通用采集卡都有多個模入通道 ,但是并非每個通道配置一個 A/D,而是大家共用一套 A/D,在 A/D 之前的有一個多路開關(guān) (MUX),以及放大器 (AMP)?采樣保持器 (S/H)等 ?通過這個開關(guān)的掃描切換 ,實現(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)采集卡將對所有用到的通道進行一次采樣