虚拟温度测量系统设计

    温度是工业生产和科学研究实验中的一个非常重要的参数，物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关，许多生产过程都是在一定温度范围内进行的，需要测量温度和控制温度的场合极其广泛。目前的温度测量控制系统常采用单片机控制，该技术应用十分广泛，但其编程复杂，控制不稳定，系统的精度不高。而利用虚拟仪器技术开发和设计的温度测量系统，采用普通PC机为主机，利用图形化可视测试软件LabVIEW为软件开发平台，来监测温度变化情况，采集数据并进行处理、存储、显示等。设备成本低，使用方便灵活，适用于工农业生产和教学。
    1 虚拟仪器技术与LabVIEW简介
    虚拟技术、计算机通信技术与网络技术是信息技术三大技术，其中虚拟仪器是虚拟技术的一个重要组成部分。虚拟仪器（Virtual Instrument,简称VI）是突破传统仪器概念的一代测量仪器，它利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件，由用户自己定义来完成各种测试、测量和控制的应用。其本质特征是：“软件就是仪器”。它是基于计算机的软硬件测试平台，可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等;可集成于自动控制、工业控制系统;可自由构建成专有仪器系统。虚拟仪器技术具有性能高、扩展性强、开发时间少和出色的集成四大优势，使其成为现代测控技术的发展趋势。
    LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench实验室虚拟仪器工程平台）是一个程序开发环境。它使用图形化编程语言G在流程图中创建源程序，而非使用基于文本的语言来产生源程序代码。LabVIEW还整合了诸如满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485以及数据采集卡等硬件通讯的全部功能。内置了便于TCP/IP、Active X等软件标准的库函数。LabVIEW程序被称为虚拟仪器（VIs），是因为它们的外观和操作能模仿实际的仪器。即使用户没有多少编程经验，同样也能利用LabVIEW来开发自己的应用程序。
    2系统方案设计
    虚拟仪器测温系统是用虚拟仪器技术改造传统的测温仪，使其具有更强大的功能。系统框架如图1所示，仪器系统通过前端感温装置的传感元件，将被测对象的温度转换为电压或电流等模拟信号，经信号调理电路进行功率放大、滤波等处理后，变换为可被数据采集卡采集的标准电压信号。在数据采集卡内将模拟信号转换为数字信号，并在数据采集指令下将其送入计算机总线，在PC机内利用已经安装的虚拟仪器软件对采集的数据进行所需的各种处理。

    图1 温度测量系统原理框图

    基于虚拟仪器技术的测温系统由硬件和软件两大部分构成。
    2.1 硬件系统设计
    硬件系统由前端感温装置（温度传感器）、数据采集卡、PC机系统等组成，主要实现温度信号采集、转化、处理等功能。

    图2 测温系统硬件电路原理图

    本系统前端感温装置采用热敏电阻，热敏电阻RT1与R1串联分压，电路输出电压与温度成正比。传感器通常输出的信号较小，必须采用合适的信号调理电路（如放大），尽量减小量化误差。当温度变大时，热敏电阻RT1电阻变小，在分压点产生一线性电压，经电压跟随器保持后，经过LM324进行和二级放大，输出一个正向、与温度变化大小成正比的线性电压。测量电路输出的模拟电压送入数据采集卡，转化为数字信号再输入PC机。 　　2.2 软件系统设计
    软件部分主要是对数据进行后续处理、报警、显示等功能，具体实现采集卡参数设定、数据标定、实时显示、温限设定及报警和人机交互等功能。
    （1） 传感器的标定
    传感器的标定是通过实验以建立传感器输入量与输出量之间的关系。标定是仪器仪表在设计完成后，正式使用前必须要经过的一道校验程序。对于虚拟温度测量系统而言，标定就是为了获得电压和被测物体温度的函数关系，以便通过电压计算出温度。
    热敏电阻具有灵敏度高、体积小、重量轻、使用寿命长，适于远距离测量等优点，但其非线性误差较大，稳定性稍差，所以必须进行标定。

    通过曲线拟合法对系统进行标定，即可求出测温范围内任一电压对应的温度。
    （2） 前面板设计
    用户界面（前面板）是虚拟仪器的重要组成部分，仪器参数的设置、测试结果显示等功能都是通过软件实现，因此要求软件界面简单直接，便于使用。本系统采用LabVIEW8.2软件设计了用户界面如图3所示。该界面可显示经传感器检测、数据卡采集并转换得到的电压波形的变化，同时将标定后得到的温度值分别用波形、指针和数值三种方式显示出来，适应不同用户的需求，通过布尔量开关设置超限报警指示。

    图3 系统前面板（用户界面）

    （3） 程序框图设计
    LabVIEW的源程序为框图式的，且提供了非常丰富的库函数，从数据采集到仪器控制，从信号产生到信号处理，从数据分析到图形显示，从文件读写到网络通信，多种多样，大大提高了用户编程的效率，减轻了编程工作量。 　　本系统程序框图设计主要包括设备初始化、AD部件初始化、模拟数据读取、电压-温度转换、数据处理及显示、超限报警、AD部件释放、设备释放等模块，其中有些模块直接调用LabVIEW中的子模块（库函数），如乘法、减法、比较超限与否、定时器等;还有些如Create/Release ID、AD Int/Read/Close等模块由用户自定义设计实现。
    具体流程图和程序框图见图4、图5。

    图4 系统流程图

    图5 测温系统程序框图

    4 结束语
    利用LabVIEW软件实现了虚拟温度测量系统，改善了工作条件，提高了精度，节约了时间，降低了成本。该系统的扩展性很强，可进一步扩充其功能，如实现对温度远程测控等。该系统构建测控系统的方法，可推广到类似的应用中，有着十分重要的现实意义。
    本文创新点在于：采用虚拟仪器构建了温度测量系统，实现了测温的智能化，精度高，成本低，通用性和扩展性强。