基于LabVIEW的测温系统设计

摘要：针对传统测温系统存在的若干问题，基于虚拟仪器技术，利用LabVIEW软件设计开发了温度测量系统。将传感器测量到的数据通过数据采集卡采集到计算机，再利用虚拟仪器开发软件LabVIEW进行编程，向用户提供操作界面和显示界面，实现了温度的数据采集、传送、分析和显示，并向用户提供历史查询功能。结果表明，系统结构简单、界面良好、易于操作，测量准确、稳定可靠、温度控制精度优于±0.3℃，可以满足工业测试的需要。
关键词：虚拟仪器；LabVIEW；软件设计；温度测量

    温度是机械工业生产和科学研究实验中的一个非常重要的参数，许多系统的工作都是在一定的温度范围内进行的，需要测量温度和控制温度的场合及其广泛。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，利用图形化可视软件hbVIEW为软件开发平台，来监测温度的变化情况，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。

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的三大核心技术，其中虚拟仪器是虚拟技术的一个重要组成部分。在虚拟仪器系统中，用灵活、强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，用人的智力资源代替许多物质资源，特别是在系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特征的解析，使仪器中的一些硬件甚至整件仪器从系统中“消失”，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能。
    LabVlEW是美国NI公司推出的一种基于G语言的虚拟仪器软件开发工具，是目前国际上应用最广泛的虚拟仪器软件平台之一，主要应用于仪器控制、数据采集、数据显示等领域，可应用于Windows、Macintosh、UNIX等多种操作系统平台。与传统程序语言不同，LabVIEW采用强大的图形化语言编程，面向测试工程师而非专业程序员，编程方便，人机交互界面直观、友好。设计者可以像搭积木一样，轻松组建测量系
统，构造自己的仪器面板，而无需进行任何烦琐的计算机代码的编写。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 系统设计方案
    虚拟温度测试仪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。其总体框架如图1所示。

    设计一个仪器，首先要考虑确定其功能，然后根据其功能确定需要设计前面板和程序框图。在虚拟仪器中“仪器”的面板需要显示在计算机屏幕上，根据需要可随时进行修改，本文设计的虚拟温度测试仪要实现如下功能：1)设置控制按钮和显示窗口，实时显示温度大小，可以对采集过程加以控制；2)设置预警信号，当温度超过某个预设的温度值时，该警示灯变亮；3)可以对采集到的温度信号进行显示、存储和
打印，对采集到的温度进行调用，以便分析处理和波形回放；4)以实时趋势图的形式直观地看出温度的变化过程，在实时趋势图中新数据连续扩展在已有数据的后面，波形连续向前推进。
2．1 传感器的选择
    对温度的测量而言，温度传感器的选择是整个系统的第一步，也是直接影响系统性能的重要因素之一。由于热电阻线性度好。在-200～+500℃的温度范围内获得广泛应用，因此，选择热电阻温度传感器。其工作原理为：热电阻测温仪是根据金属导体的电阻随温度变化的特征进行测温的。常用的铂电阻的特点是精度高，性能稳定可靠，被国际组织规定为-259～+500℃的温度测量。其阻值与温度的关系可以表示为：
    
    式中RT，R0分别为T℃和0℃时的电阻值；A，B为常数，A=3．908x10-3℃，B=5．802x10-7℃。
    热电阻传感器需要外加电源将电阻值转换为电压值进行测量。通常通过平衡电桥将热电阻温度变化转换为电压的变化输出。然后进行放大，通过测量电桥输出电压变化求得温度值。
    使用3根引线的热电阻如图2所示，其原理是：在使用平衡电桥对热电阻Rt进行测量时由电阻体引出3根导线，l根的电阻与电源E串联，不影响桥路的平衡，另外2根的电阻被分别置于电桥的两臂内，它们随环境温度变化对电桥的影响可以大部分抵消。

    本文所测温度变化范围：-20～+120℃，精度要求0．5级。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。
2．2 温度测试系统的信号调理
    此温度传感器用温度变送器进行信号调理，温度变送器的工作原理是：采用热电阻作为测温元件，从测温元件输出的信号送到变送模块，经过稳压滤波、运算放大、非线性校正和反方向保护等处理电路，转换为与温度成线性关系的4～20 mA电流信号输出，在信号输出端加一个220 Ω的电阻转换成0．88～4．4 V的电压信号输出。
2．3 温度测试系统的数据采集
    模块化设计数据采集，数据采集模块的设计对后续的数据显示和分析结果以及整个系统功能的实现，具有直接影响，利用NI公司的DAQ(Data Acquisition)卡及其驱动程序设计这一模块，充分利用集成的功能全面的DAQ函数库和子VI，设计可以实现对数据采集的控制，包括触发控制、通道控制等的数据采集模块。
2．4 温度测试系统的程序框图
    在进行温度测试时，先确定哪个通道对温度信号进行采集，然后对系统进行调试，调试好后开始数据采集及存储和备份，当温度超过用户所设定的极限值时，温度测试系统会报警提示，当温度在允许的范围内时，测试系统对所采集的信号进行滤波分析、波形显示、波形调整。程序设计包括前面板和程序框图两部分，系统前面板由参数设置和功能按钮组成。在后台有相应的程序模块与之对应，每个程序模块的运行状态对应着一个循环结构，用户利用前面板的按钮或控件选择状态，运行程序后后台执行其对应的状态。同时在前台对话框有供测试人员填写参数或者选择功能界面。为了便于后续人员按自己的要求进行小范围的修改，后面板程序框图也以直观简洁的方式进行设计。具体流程图和程序框图如图3、图4所示。

    图4程序框图中，case循环用来判断是否执行温度测试程序，选择哪种滤波，判断是否超限报警。

3 结论
    通过设置不同的前面板左边的参数设置部分，包括温度上下限设置和滤波设置，右边为波形显示部分，包括原始温度波形显示和调整后波形显示以及图形的局部细化、放大，还有指标值的数值显示。得到如图5所示的测量结果表明，该测量方法具有测量精度高、线性度好、时间短等优点。
    利用LabVIEW软件实现了虚拟温度测量系统，它在计算机上可以实时显示并实时控制温度，改善了工作条件，提高了精度，节约了时间，降低了成本。该系统具有较强的拓展性，根据自身对仪器作用的要求自行改变功能，轻松实现用户需要的操作，如实现对温度远程测控等。