【正文】 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。 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(duì)來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。其工作過程如下：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。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。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。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(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。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(duì)象修改成適合自己工作領(lǐng)域的控制對(duì)象。在這個(gè)平臺(tái)上各種領(lǐng)域的專業(yè)工程師和科學(xué)家們通過定義和連接代表各種功能模塊的圖標(biāo)來方便迅速地建立高水平的應(yīng)用程序。LabVIEW是一個(gè)高效的圖形化程序設(shè)計(jì)環(huán)境，它結(jié)合了簡單易用的圖形式開發(fā)環(huán)境與靈活強(qiáng)大的G編程語言。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(xué)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(xué)部門也開始用它來建立教學(xué)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使得教學(xué)方法也更加靈活了。當(dāng)前，氣敏傳感器正朝著快速響應(yīng)、小型化和經(jīng)濟(jì)化發(fā)展，這種發(fā)展趨勢(shì)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(gè)方面得到應(yīng)用：⑴虛擬儀器在測(cè)量方面的應(yīng)用虛擬儀器系統(tǒng)開放、靈活，可與計(jì)算機(jī)技術(shù)保持同步發(fā)展，將之應(yīng)用在測(cè)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(shí)間，因此已經(jīng)在測(cè)量領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。虛擬儀器技術(shù)在發(fā)達(dá)國家的推廣應(yīng)用十分普及。與以PC機(jī)為核心的虛擬儀器相比，在不遠(yuǎn)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(diǎn)、任意時(shí)刻獲取測(cè)量數(shù)據(jù)信息的愿望得到實(shí)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(gè)比較明確的提法，也沒有一個(gè)被測(cè)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(xiàng)前沿學(xué)科，代表著儀器發(fā)展的最新方向，不斷地被推向各個(gè)新的領(lǐng)域，在新的世紀(jì)將大行其道。靈活性，軟、硬件的標(biāo)準(zhǔn)化令其在儀器計(jì)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(shí)的數(shù)據(jù)處理和快速的數(shù)據(jù)傳輸使其在自動(dòng)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(fèi)時(shí)的語言編程簡化成用簡單圖標(biāo)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(cè)試要求和任務(wù)快速設(shè)計(jì)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(tái)。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(jī)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(jì)算機(jī)的性能價(jià)格比不斷提高，使得虛擬儀器的價(jià)格更能為廣大用戶所接受。當(dāng)各種與計(jì)算機(jī)相關(guān)的創(chuàng)新技術(shù)產(chǎn)生時(shí)，虛擬儀器的應(yīng)用便隨之被推向一個(gè)新的層次。構(gòu)成虛擬儀器的硬件平臺(tái)有兩種：①計(jì)算機(jī)虛擬儀器的硬件主體是電子計(jì)算機(jī)，是硬件平臺(tái)的核心。嵌入式虛擬儀器可以獨(dú)立完成特定的信號(hào)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(cè)試系統(tǒng)，完成復(fù)雜的測(cè)試功能。其中，嵌入式虛擬儀器從功能模塊上分為：信號(hào)調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、嵌入式控制模塊、存儲(chǔ)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(jì)按智能模塊的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行，智能模塊的作用是完成特定應(yīng)用的測(cè)試功能?？梢圆捎眯切偷耐?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建分布式測(cè)試系統(tǒng)。這種類型的虛擬儀器具有一定的缺點(diǎn)：由于基于PCI總線的虛擬儀器在插入時(shí)都需要打開機(jī)箱，操作不方便；并且測(cè)試信號(hào)直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)，各種現(xiàn)場(chǎng)的被測(cè)信號(hào)對(duì)計(jì)算機(jī)安全造成很大的威脅；同時(shí)，計(jì)算機(jī)內(nèi)部的強(qiáng)電磁干擾對(duì)被測(cè)信號(hào)也會(huì)造成很大的影向。信號(hào)通過PCI高速數(shù)據(jù)采集卡采樣的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)PCI總線送入計(jì)算機(jī)內(nèi)，通過LabVIEW軟件模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、處理，從而實(shí)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(tái)運(yùn)行的PC機(jī)上，可構(gòu)成一個(gè)功能強(qiáng)大的數(shù)字虛擬儀器。對(duì)大多數(shù)用戶來說，這種方案不但實(shí)用，而且具有很高的性能價(jià)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(hào)調(diào)理技術(shù)的發(fā)展，DAQ 的采樣速率己達(dá)1 Gb/s，精度高達(dá)24位，通道數(shù)高達(dá)64個(gè)，并能任意結(jié)合數(shù)字I/O，模擬I/O，計(jì)數(shù)器/定時(shí)器等通道。 DAQ（Data AcQuisition）虛擬儀器DAQ指的是基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算機(jī)的資源，大大增加了測(cè)試系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。PXI具有高度可擴(kuò)展性，可擴(kuò)展到256個(gè)擴(kuò)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(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價(jià)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(cè)試系統(tǒng)必須編制虛擬的“軟前面板”以完成對(duì)儀器系統(tǒng)的操作控制，當(dāng)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(tái)上構(gòu)造一個(gè)完全圖形化的用戶操作面板，實(shí)現(xiàn)測(cè)試控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示等功能，從而設(shè)計(jì)出各種操作方便的基于圖形用戶界面(GUI)的集成測(cè)試系統(tǒng)。在價(jià)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(duì)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(chǎng)。每臺(tái)GPIB儀器有單獨(dú)的地址，由計(jì)算機(jī)控制操作。GPIB是最早的儀器總線。因?yàn)榭梢酝ㄟ^不同測(cè)試功能軟件模塊的組合來實(shí)現(xiàn)多種測(cè)試功能，所以，在硬件平臺(tái)確定后，就有“軟件就是儀器”的說法，這也體現(xiàn)了測(cè)試技術(shù)與計(jì)算機(jī)深層次的結(jié)合。 (2)虛擬儀器測(cè)量功能是通過對(duì)圖形化軟件流程圖的編程來實(shí)現(xiàn)的。 傳統(tǒng)儀器面板上的器件都是“實(shí)物” ，是由“手動(dòng)”和“觸摸”進(jìn)行操作的；虛擬儀器前面板是外形與實(shí)物相像的“圖標(biāo)” ，每個(gè)圖標(biāo)的“通” 、“斷” 、“放大”等動(dòng)作通過用戶操作計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)或鍵盤來完成。因此，虛擬儀器的出現(xiàn)，模糊了測(cè)量儀器與計(jì)算機(jī)之間的界限。虛擬儀器的實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)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(dá)輸出檢測(cè)結(jié)果：利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算分析和處理；利用I/O接口設(shè)備完成信號(hào)的采集、測(cè)量與調(diào)理，從而完成各種測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。 虛擬儀器是現(xiàn)代儀器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。它利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的強(qiáng)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(chǔ)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(jì)算機(jī)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(cè)量結(jié)果可以直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。通過與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接，還可實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享，更好地發(fā)揮儀器的使用價(jià)值。 ⑵應(yīng)用性強(qiáng)，系統(tǒng)費(fèi)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(cè)試分析儀器，如同一個(gè)高速數(shù)字采樣器，可設(shè)計(jì)出數(shù)字示波器、邏輯分析儀、計(jì)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(qiáng)大、性價(jià)比高、可操作性好等明顯優(yōu)點(diǎn),具體表現(xiàn)為： ⑴智能化程度高，處理能力強(qiáng) 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?yàn)樗倪\(yùn)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(hào)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(cè)量的范圍較寬，如果不加該級(jí)電路會(huì)造成整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)分辨力不高而降低測(cè)量精度。根據(jù)目前單片機(jī)儀表的一般特點(diǎn)。第三章 熱電偶溫度巡檢儀方案選擇與設(shè)計(jì) 熱電偶溫度巡檢儀 基于單片機(jī)的溫度巡檢儀Intel公司的MCS51系列以其體積小、通用性強(qiáng)，性價(jià)比高，易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(jì)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(hào)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(diǎn)，可采用線性插值法進(jìn)行處理，并且可達(dá)到比較好的效果。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)現(xiàn)了將原特性曲線的線性化處理，這種方式在信號(hào)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(diǎn)，即除了曲線起始部分非線性較嚴(yán)重以外，其它部分線性較好。⑴ 模擬線性化 對(duì)來自熱電偶的輸出信號(hào)采用模擬線性化處理，實(shí)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(cè)及控制的要求。 熱電偶的線性化處理方法 熱電偶作為測(cè)溫元件，其輸出信號(hào)與溫度之間存在著一定程度的非線性關(guān)系，在進(jìn)行信號(hào)傳送及數(shù)據(jù)處理時(shí)，往往希望其特性為線性的，因而有必要對(duì)其非線性特性進(jìn)行線性化處理。⑷集成溫度傳感器補(bǔ)償利用各種高性能的半導(dǎo)體溫度傳感器實(shí)現(xiàn)測(cè)溫和補(bǔ)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(bǔ)償法該法利用不平衡電橋產(chǎn)生的電壓來補(bǔ)償熱電偶T0變化對(duì)輸出電勢(shì)的影響，是現(xiàn)場(chǎng)常用的冷端補(bǔ)償方法。此法較精確但繁瑣，尤其在現(xiàn)場(chǎng)冷端溫度隨時(shí)變化時(shí)，測(cè)量效率難以保證實(shí)時(shí)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(shí)驗(yàn)室，不便于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境使用。該過程稱為熱電偶的冷端補(bǔ)償。 熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償及線性化 熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償冷端溫度T0影響熱電偶的熱電勢(shì)，為使輸出電勢(shì)是被測(cè)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(biāo)準(zhǔn)熱電偶：S型、R型、B型、K型、N型、T型、E型和J型。所謂標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)保持熱電偶冷端溫度T0不變時(shí)，只要用儀表測(cè)得熱電勢(shì)EAB(T，T0)，就可求得被測(cè)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(shì)(T，T0)和EB(T，T0)及兩個(gè)接觸電勢(shì)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(kuò)散，最后使電子擴(kuò)散達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)所形成的電位差稱作溫差電勢(shì)。 ⑵單一導(dǎo)體中的溫差電勢(shì)溫差電勢(shì)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(shì)。NAT和NAT0為導(dǎo)體A在溫度分別為T和T0時(shí)的電子密度，NBT和NBT0為導(dǎo)體B在溫度分別為T和T0時(shí)的電子密度。這個(gè)電勢(shì)在A, B接觸處形成一個(gè)靜電場(chǎng)，阻礙擴(kuò)散作用的繼續(xù)進(jìn)行。電子擴(kuò)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(shì)是由兩部分組成：接觸電勢(shì)與溫差電勢(shì)。在兩個(gè)接點(diǎn)中，接點(diǎn)1是將兩電極焊在一起，測(cè)溫時(shí)將它放入被測(cè)對(duì)象中感受被測(cè)溫度，故稱之為測(cè)量端、熱端或工作端；接點(diǎn)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(cè)溫原理熱電偶是熱電偶溫度計(jì)的敏感元件，它測(cè)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(cè)量準(zhǔn)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(dòng)勢(shì)與兩端溫度有關(guān)，只需將冷端的溫度恒定，熱電動(dòng)勢(shì)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(diǎn)溫度相同，則回路中總的熱電勢(shì)不變。如果熱電偶回路中的兩個(gè)熱電偶材料相同，無論兩接點(diǎn)溫度如何，熱電動(dòng)勢(shì)均為零。這樣一定的熱電動(dòng)勢(shì)就對(duì)應(yīng)著一定的溫度，測(cè)量熱電動(dòng)勢(shì)，也就可以達(dá)到測(cè)溫的目的，應(yīng)用起來十分方便[1]。當(dāng)閉合回路的兩接點(diǎn)也就是熱電偶的工作端和自由端分別處