【正文】 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。 硬件電路圖 多路選擇開關(guān)CD4052CD4052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。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。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。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。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。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。提供程序調(diào)試功能。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。在這個平臺上各種領(lǐng)域的專業(yè)工程師和科學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。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。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。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。虛擬儀器還在其他很多領(lǐng)域包括航空、汽車、生物醫(yī)學等方面得到廣泛應(yīng)用。⑷虛擬儀器在教育方面的應(yīng)用現(xiàn)在，隨著虛擬儀器系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，越來越多的教學部門也開始用它來建立教學系統(tǒng)，不僅大大節(jié)省開支，而且由于虛擬儀器系統(tǒng)具有靈活、可重用性強等優(yōu)點，使得教學方法也更加靈活了。當前，氣敏傳感器正朝著快速響應(yīng)、小型化和經(jīng)濟化發(fā)展，這種發(fā)展趨勢引起了微電子氣敏傳感器的發(fā)展。虛擬儀器主要在以下幾個方面得到應(yīng)用：⑴虛擬儀器在測量方面的應(yīng)用虛擬儀器系統(tǒng)開放、靈活，可與計算機技術(shù)保持同步發(fā)展，將之應(yīng)用在測量方面可以提高精確度，降低成本，并大大節(jié)省用戶的開發(fā)時間，因此已經(jīng)在測量領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。虛擬儀器技術(shù)在發(fā)達國家的推廣應(yīng)用十分普及。與以PC機為核心的虛擬儀器相比，在不遠的將來，網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器將是儀器發(fā)展中的又一次革命。使用網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，可使在任何地點、任意時刻獲取測量數(shù)據(jù)信息的愿望得到實現(xiàn)。在國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器的概念目前還沒有一個比較明確的提法，也沒有一個被測量界廣泛接受的定義。隨著PC技術(shù)和相關(guān)科技的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)已成為一項前沿學科，代表著儀器發(fā)展的最新方向，不斷地被推向各個新的領(lǐng)域，在新的世紀將大行其道。靈活性，軟、硬件的標準化令其在儀器計量領(lǐng)域逐漸取代傳統(tǒng)儀器。 虛擬儀器的發(fā)展方向虛擬儀器精確的采樣，及時的數(shù)據(jù)處理和快速的數(shù)據(jù)傳輸使其在自動控制領(lǐng)域和工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。LabVIEW是一種編譯型圖形編程環(huán)境，它把復(fù)雜、煩瑣、費時的語言編程簡化成用簡單圖標提示的方法選擇功能，并用線條把各種圖形連接起來的圖形編程方式，使不熟悉編程的工程技術(shù)人員都可以按照測試要求和任務(wù)快速設(shè)計出自己的程序和儀器面板，大大提高了工作效率，減少了科研和工程技術(shù)人員的工作量，因此，LabVIEW是一種優(yōu)秀的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺。不同的總線有其相應(yīng)的I/O接口硬件設(shè)備，如利用PC機總線的數(shù)據(jù)采集卡/板DAQ、GPIB總線儀器、VXI總線儀器模塊、串行口式虛擬儀器等。而且由于計算機的性能價格比不斷提高，使得虛擬儀器的價格更能為廣大用戶所接受。當各種與計算機相關(guān)的創(chuàng)新技術(shù)產(chǎn)生時，虛擬儀器的應(yīng)用便隨之被推向一個新的層次。構(gòu)成虛擬儀器的硬件平臺有兩種：①計算機虛擬儀器的硬件主體是電子計算機，是硬件平臺的核心。嵌入式虛擬儀器可以獨立完成特定的信號處理和分析，又可以通過USB總線系統(tǒng)組合在一起，構(gòu)建大型的測試系統(tǒng)，完成復(fù)雜的測試功能。其中，嵌入式虛擬儀器從功能模塊上分為：信號調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、嵌入式控制模塊、存儲系統(tǒng)、液晶顯示模塊、USB總線接口邏輯等部分。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計按智能模塊的設(shè)計思路進行，智能模塊的作用是完成特定應(yīng)用的測試功能?？梢圆捎眯切偷耐負浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建分布式測試系統(tǒng)。這種類型的虛擬儀器具有一定的缺點：由于基于PCI總線的虛擬儀器在插入時都需要打開機箱，操作不方便；并且測試信號直接進入計算機，各種現(xiàn)場的被測信號對計算機安全造成很大的威脅；同時，計算機內(nèi)部的強電磁干擾對被測信號也會造成很大的影向。信號通過PCI高速數(shù)據(jù)采集卡采樣的數(shù)字信號，經(jīng)PCI總線送入計算機內(nèi)，通過LabVIEW軟件模塊對信號進行分析、處理，從而實現(xiàn)虛擬儀器的功能。⑴基于PCI總線的多功能虛擬儀器本類型虛擬儀器由一塊基于PCI的高速數(shù)據(jù)采集卡和相應(yīng)的軟件組成，將它們安裝在一臺運行的PC機上，可構(gòu)成一個功能強大的數(shù)字虛擬儀器。對大多數(shù)用戶來說，這種方案不但實用，而且具有很高的性能價格比，是一種特別適合于我國國情的虛擬儀器方案。在性能上，隨著A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)、儀器放大技術(shù)、抗混疊濾波技術(shù)與信號調(diào)理技術(shù)的發(fā)展，DAQ 的采樣速率己達1 Gb/s，精度高達24位，通道數(shù)高達64個，并能任意結(jié)合數(shù)字I/O，模擬I/O，計數(shù)器/定時器等通道。 DAQ（Data AcQuisition）虛擬儀器DAQ指的是基于計算機標準總線（如ISA、 PCI、 PC/104等）的內(nèi)置功能插卡，它更加充分地利用計算機的資源，大大增加了測試系統(tǒng)的靈活性和擴展性。PXI具有高度可擴展性，可擴展到256個擴展槽。 PXI總線方式的虛擬儀器 PXI ( PCI extension for Instrumention)是PCI在儀器領(lǐng)域的發(fā)展，是NI公司于1997年發(fā)布的一種新的開放性、模塊化的儀器總線規(guī)范。然而，組建VXI總線要求有機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高。 與GPIB儀器系統(tǒng)相比，VXI模塊沒有前操作面板，因此，應(yīng)用VXI總線組建測試系統(tǒng)必須編制虛擬的“軟前面板”以完成對儀器系統(tǒng)的操作控制，當今流行的可視化編程語言如Visual Basie，Visual C，Delphi等均可以在VXI平臺上構(gòu)造一個完全圖形化的用戶操作面板，實現(xiàn)測試控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示等功能，從而設(shè)計出各種操作方便的基于圖形用戶界面(GUI)的集成測試系統(tǒng)。在價格上，GPIB儀器覆蓋了從比較便宜的到異常昂貴的儀器，但由于GPIB的數(shù)據(jù)傳輸率般低于500kB/s，不適合對于系統(tǒng)速度要求較高的應(yīng)用，現(xiàn)在己經(jīng)逐步退出了市場。每臺GPIB儀器有單獨的地址，由計算機控制操作。GPIB是最早的儀器總線。因為可以通過不同測試功能軟件模塊的組合來實現(xiàn)多種測試功能，所以，在硬件平臺確定后，就有“軟件就是儀器”的說法，這也體現(xiàn)了測試技術(shù)與計算機深層次的結(jié)合。 (2)虛擬儀器測量功能是通過對圖形化軟件流程圖的編程來實現(xiàn)的。 傳統(tǒng)儀器面板上的器件都是“實物” ，是由“手動”和“觸摸”進行操作的；虛擬儀器前面板是外形與實物相像的“圖標” ，每個圖標的“通” 、“斷” 、“放大”等動作通過用戶操作計算機鼠標或鍵盤來完成。因此，虛擬儀器的出現(xiàn)，模糊了測量儀器與計算機之間的界限。虛擬儀器的實質(zhì)是利用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達輸出檢測結(jié)果：利用計算機強大的軟件功能實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算分析和處理；利用I/O接口設(shè)備完成信號的采集、測量與調(diào)理，從而完成各種測試功能的一種計算機儀器系統(tǒng)。 虛擬儀器是現(xiàn)代儀器技術(shù)和計算機技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，是當今計算機輔助測試領(lǐng)域的一項重要技術(shù)。它利用計算機系統(tǒng)的強大功能，結(jié)合相應(yīng)的硬件，大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送、存儲等方面的限制。在上述的背景下，出現(xiàn)了新的儀器概念—虛擬儀器。這此都使得儀器的可操作性大大提高而且易用、靈活。使用計算機的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡便、易于理解，測量結(jié)果可以直接進入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。通過與計算機網(wǎng)絡(luò)連接，還可實現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享，更好地發(fā)揮儀器的使用價值。 ⑵應(yīng)用性強，系統(tǒng)費用低 應(yīng)用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構(gòu)造多種不同功能的測試分析儀器，如同一個高速數(shù)字采樣器，可設(shè)計出數(shù)字示波器、邏輯分析儀、計數(shù)器等多種儀器。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有高效、開放、易用靈活、功能強大、性價比高、可操作性好等明顯優(yōu)點,具體表現(xiàn)為： ⑴智能化程度高，處理能力強 虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件水平。因為它的運行主要依賴軟件，所以修改或增加功能、改善性能都非常靈活，也便于利用PC的軟硬件資源和直接使用PC的外設(shè)和網(wǎng)絡(luò)功能。信號的切換是為多路要求而設(shè)置的，程控偏置的原因是考慮溫度測量的范圍較寬，如果不加該級電路會造成整個測量系統(tǒng)分辨力不高而降低測量精度。根據(jù)目前單片機儀表的一般特點。第三章 熱電偶溫度巡檢儀方案選擇與設(shè)計 熱電偶溫度巡檢儀 基于單片機的溫度巡檢儀Intel公司的MCS51系列以其體積小、通用性強，性價比高，易于擴展等特點，在實驗裝置的開發(fā)，各種智能儀表及控制系統(tǒng)和家用電器領(lǐng)域得到了日益廣泛的運用。這樣取法不僅精度可以得到保證，而且可節(jié)省所占用的內(nèi)存空間，加快計算速度。分段方法采取非等間距分段法。首先，根據(jù)熱電偶輸出的mV信號分度表，作出一條比較精確的輸入—輸出曲線。根據(jù)目前工業(yè)生產(chǎn)中常用的幾種熱電偶特性曲線變化均較平滑的特點，可采用線性插值法進行處理，并且可達到比較好的效果。在系統(tǒng)設(shè)計時，盡可能地用軟件代替硬件，以減少誤差及干擾來源，提高精度及可靠程度。從而實現(xiàn)了將原特性曲線的線性化處理，這種方式在信號處理稱“平滑近似法”。由于工業(yè)常用的幾種熱電偶的輸出特性曲線存在共同特點，即除了曲線起始部分非線性較嚴重以外，其它部分線性較好。⑴ 模擬線性化 對來自熱電偶的輸出信號采用模擬線性化處理，實現(xiàn)起來簡單且成本低廉，基本誤差可控制在2%以下，能滿足一般工業(yè)檢測及控制的要求。 熱電偶的線性化處理方法 熱電偶作為測溫元件，其輸出信號與溫度之間存在著一定程度的非線性關(guān)系，在進行信號傳送及數(shù)據(jù)處理時，往往希望其特性為線性的，因而有必要對其非線性特性進行線性化處理。⑷集成溫度傳感器補償利用各種高性能的半導(dǎo)體溫度傳感器實現(xiàn)測溫和補償，如電流輸出型器件AD590，電壓輸出型器件LM135，LM235，LM335系列。 ⑶電橋補償法該法利用不平衡電橋產(chǎn)生的電壓來補償熱電偶T0變化對輸出電勢的影響，是現(xiàn)場常用的冷端補償方法。此法較精確但繁瑣，尤其在現(xiàn)場冷端溫度隨時變化時，測量效率難以保證實時要求。雖然近年來已出現(xiàn)一種能使溫度恒定在0℃的半導(dǎo)體制冷器件，但此方法通常只適用于實驗室，不便于現(xiàn)場環(huán)境使用。該過程稱為熱電偶的冷端補償。 熱電偶的冷端溫度補償及線性化 熱電偶的冷端溫度補償冷端溫度T0影響熱電偶的熱電勢，為使輸出電勢是被測溫度T的單一函數(shù)，必須使冷端溫度固定。目前國際上規(guī)定了以下8種標準熱電偶：S型、R型、B型、K型、N型、T型、E型和J型。所謂標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。由此可見，當保持熱電偶冷端溫度T0不變時，只要用儀表測得熱電勢EAB(T，T0)，就可求得被測溫度。電子密度不僅取決于熱電偶材料特性，而且隨溫度的變化而變化，它們并非常數(shù)。 ⑶熱電偶閉合回路的總電勢(T，T0)和EB(T，T0)及兩個接觸電勢EAB(T)和EAB(T0)。因而，在同一導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生電位差，并阻止電子從高溫端向低溫端擴散，最后使電子擴散達到動態(tài)平衡，此時所形成的電位差稱作溫差電勢。 ⑵單一導(dǎo)體中的溫差電勢溫差電勢是基于湯姆遜效應(yīng)產(chǎn)生的，即同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢。NAT和NAT0為導(dǎo)體A在溫度分別為T和T0時的電子密度，NBT和NBT0為導(dǎo)體B在溫度分別為T和T0時的電子密度。這個電勢在A, B接觸處形成一個靜電場，阻礙擴散作用的繼續(xù)進行。電子擴散的速率與自由電子的密度和所處的溫度成正比。該熱電勢是由兩部分組成：接觸電勢與溫差電勢。在兩個接點中，接點1是將兩電極焊在一起，測溫時將它放入被測對象中感受被測溫度，故稱之為測量端、熱端或工作端；接點2處于環(huán)境之中，要求溫度恒定，故稱之為參考端、冷端或自由端。導(dǎo)體A和B叫做熱電極。 熱電偶測溫原理熱電偶是熱電偶溫度計的敏感元件，它測溫的基本原理是熱電效應(yīng)，又稱塞貝克效應(yīng)。熱電偶是一種重要的接觸式溫度傳感器，從結(jié)構(gòu)上看熱電偶是十分簡單的，但其理論卻比較復(fù)雜，它是一種能獲得高測量準確度的儀器，但也是一種容易出現(xiàn)誤差的儀器。由于熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢與兩端溫度有關(guān)，只需將冷端的溫度恒定，熱電動勢與熱端溫度構(gòu)成單值函數(shù)。在熱電偶中接入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體的兩接點溫度相同，則回路中總的熱電勢不變。如果熱電偶回路中的兩個熱電偶材料相同，無論兩接點溫度如何，熱電動勢均為零。這樣一定的熱電動勢就對應(yīng)著一定的溫度，測量熱電動勢，也就可以達到測溫的目的，應(yīng)用起來十分方便[1]。當閉合回路的兩接點也就是熱電偶的工作端和自由端分別處