摘要:虚拟仪器(VI) 是计算机技术和传统的仪器技术相结合的产物, 是仪器发展的一个重要方向。LabVIEW是一个基于图形化编程语言的虚拟仪器软件开发工具。本文重点介绍了虚拟仪器的界面, LabVIEW应用, 并设计了一个基于虚拟仪器的数字化温度测量和控制系统, 阐述了系统开发过程中数据的采集和软硬件的设计。
关键词:虚拟仪器;LabVIEW; 温度测量;数据采集
引言
虚拟 仪 器技 术, 就 是用 户 在 通用 计 算 机平 台 上, 根据 测 试任务的需要来定义和设计的测试功能, 其实质是充分利用计算机来实现和扩展传统仪器功能。"软件就是仪器"反映了虚拟仪器技术的本质特征。美国国家仪器公司生产的 NI- LabVIEW是目前最为成功, 应用最广泛的虚拟仪器软件开发系统。它一种基于 G 语言的 32 位编译型图形化编程语言, 其图形化界面可以方便的进行虚拟仪器的开发。在现代工业化生产中, 需要进行温度测量和控制的场合越来越多。测温的方法也是多种多样的。
1 虚拟仪器的特点
虚拟仪器设备可以由使用者自己定义, 这意味着可以自由地组合计算机平台, 硬件( 包括传统仪器) , 软件, 以及各种实现应用所需要的附件。这种灵活性在由供应商定义, 功能固定, 独立的传统仪器上是很难达到的。常用的数字万用表, 示波器, 信号发生器, 数据记录仪, 以及温度和压力监控仪器就是这种传统仪器的代表。从传统仪器设备向虚拟仪器设备的转变, 为现代实验带来了更多实际的利益, 同时也促进着实验手段不断更新。
2 系统设计
2.1 系统硬件结构
虚拟仪器系统的硬件主要是由个人计 算机或者工作站和硬件接口模块组成。其中计算机是主体, 主要用来提供实时高效的数据处理性能。硬件接口模块包括仪器硬件和各种通用接口总线, 主要用来采集, 传输信号。仪器硬件如各种传感器, 插入式数据采集卡( DAQ) , 信号调理器等, 通用接口总线用来把独立的仪器连接到计算机上。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统, GPIB一起控 制 系 统, VXI 仪器系统以及这三者之间的任意组合。
本系统利用半导体来调节温度的大小, 利用温度传感器来对温度进行数据采集, 利用 LabVIEW编程来实现半导体与 PC机之间的串行通讯以及虚拟面板的设计, 最后由 PC 机显示测量的溶液温度。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, 也直接影响系统性能的重要因素之一。金属铂的纯度可达 99.89%, 热性能稳定, 线性较好, 电阻温度系数分散性小, 因此在这里我们选择铂电阻作为温度传感器。图 1 给出了数据采集系统结构框图, 其中信号调节的主要作用是将传感器输出的信号与 A/D转换器相匹配。例如 A/D转换的输入电平是 0～5V, 而传感器输出信号通常很小, 这时必须采取放大措施减小量化误差, 相对误差也就减小了。如果传感器在输出信号和传输过程中混入虚假成分, 就需要进行滤波。
2.2 系统软件设计
2.2.1 标度变换
对于同一物理量, 用不同的传感器测量得到的不同的电压信号, 或者是 对 于 不同 的 物 理量, 不 同 的传 感 器 测量 得 到 的相同 的 电压 信 号, 为了 显 示 正确 的 物 理量, 就 需 要进 行 标 度转换。 因为被测对象的各种数据的量纲与 A/D转换的输入值是不一样的。例如, 温度的单位为℃, 压力单位为 Pa, 频率的单位为 Hz, 流量的单位 m3 /h 等等。这些参量并不等于原来带有量纲的参数值, 必须把它转化成带有量纲的数值后才能计算。一般的线性系统的标度变换公式为: