用ＬａｂＶＩＥＷ實現溫度傳感器陣列采集的實驗室方法研究

[摘要]本文介紹了虛擬儀器軟件開發環境LabVIEW，設計了基于LabVIEW的溫度傳感器陣列數據采集的虛擬儀器。該系統具有功能強大、技術超前、采集方便，精度高、擴展性好等特點，對學生掌握虛擬儀器的設計方法具有很好的效果，適合在高校實驗室中推廣。

[關鍵詞]虛擬儀器 傳感器陣列 數據采集

一、前言

在空調溫度場測量系統和大型結構健康監測與評估系統中，很重要的一部分就是對多點實時采集溫度數據并對其進行顯示，存儲和總結測試結果。

由模擬溫度傳感器組成的傳感器陣列，電路復雜、可靠性差。由于制作的各個傳感器的靈敏度、線性測量范圍等特性不一致，需要對各個傳感器的性能參數分別進行綜合測試和定標校正。這些傳統儀器很難完成。由數字溫度傳感器和虛擬儀器技術建立的傳感器陣列數據采集和處理分析系統能較好地克服上述缺點。

本文使用美國國家儀器公司（nation instruments， IN）的LabVIEW (圖形化軟件開發平臺和數據采集（data acquisition， DAQ）板，采用虛擬儀器軟件方法，建立了一種新的傳感器陣列信號采集、顯示和處理分析方法，在實驗室條件下實現了溫度傳感器陣列在LabVIEW上進行多個溫度采集和顯示。這種方法使得由PC構成的數據采集系統的底層開發程序難度大大降低，開發維護費用低、技術更新周期短、用戶可定義功能以及與其它設備易連接。

二、LabVIEW的開發環境

LabVIEW是由美國國家儀器（National Instrument）公司研制開發的一種標準虛擬儀器開發平臺。LabVIEW中的虛擬儀器相當于常規語言（類似于C和BASIC）中的程序模塊。是一種基于G語言(Graphical programming language)的可視化(圖形化)優秀開發平臺，它使用“所見即所得”的可視化技術建立人機界面，使用圖標表示功能模塊，省卻了復雜、繁瑣、費時的代碼編寫輸入；連線表示數據傳遞，簡化了圖形編程方式；用數據流程語言編寫程序并且還提供調試功能，支持多種系統平臺，提供大量庫函數，包含有從底層VXI儀器、數據采集板到總線接口硬件和CPIB的程序的應用模塊。

LabVIEW的開發環境分為三部分:前面板、框圖程序和圖標/連接端口。前面板就是圖形化用戶界面，用于設置輸入數值和觀察輸出量。在前面板中，輸入量被稱為控制，輸出量被稱為指示，它們通過各種圖標如按鈕、旋鈕、開關、圖表等出現在前面板上，模擬真實儀器。框圖程序由節點和數據連線組成，它利用圖形語言對前面板上的控制對象即輸入量和輸出量進行控制，節點用來實現函數和功能調用，數據連線表示程序執行過程的數據流，它定義了程序框圖內的數據流動方向。圖標/連接端口用于把LabVIEW程序定義為一個子程序，從而實現模塊化編程，圖標是子程序在其它程序框圖中被調用的節點表現形式，連接端口則表示節點數據的輸入、輸出口。LabVIEW具有三個可移動的圖形化工具模板:工具模板、控件模板和功能模板。工具模板提供了用于圖形操作的各種工具，比如定位、標注、斷點、連線、文字注釋等;控件模板提供了前面板編輯所需的圖像圖標、一些特殊的圖形;功能模板則提供了一些基本的數學函數和其他功能函數。這三個模板是LabVIEW編程的主要工具。

三、數據采集系統

傳感器陣列信號采集即把待測信號通過傳感器變為電壓、電流等波形信號、通過A/D轉換為數字信號，通過計算機進行分析、顯示。該系統硬件部分由傳感器陣列、信號調理電路、數據采集（DAQ）卡、計算機幾部分組成。軟件部分負責對采集卡DAQ輸入的數據進行處理，使其變換成相應的溫值，然后在顯示器上顯示相應的圖線，并存入硬盤。本系統結果顯示形象直觀，操作方便，并且通過修改軟件還可以容易地擴展功能。

1.硬件結構

使用一種一線制數字溫度傳感器，組網成傳感器陣列，經恒電位儀將氧電極的電流轉換為電壓信號。典型的數據采集系統結構框圖如圖1所示。信號

其中信號調理電路的主要作用是使傳感器陣列輸出信號與A/D轉換器相適配。例如A/D轉換的輸入電平是0-5V，而傳感器輸出信號通常很小，這時必須采取放大措施以減小量化誤差，放大器輸出電平愈接近A/D輸入的滿標，相對誤差越小。如果傳感器陣列輸出信號中混入了虛假成分，還需要進行濾波、壓縮頻帶，用以降低采樣率。

2.軟件部分

軟件部分包括對傳感器信號顯示和控制的前面板的設計和對傳感器信號定標校正顯示處理的軟件設計。虛擬儀器的軟件設計在LabVIEW對LabJack u12數據采集卡自帶LabVIEW子VI（LabJack u12提供的LabVIEW環境下的驅動程序）進行調用的基礎上，分別實現數據采集、信號輸入、處理及信號顯示輸出功能。該系統的軟件結構可分為主模塊、信號采集器模塊、濾波模塊、顯示模塊、等幾個主要組成部分。在以上各模塊中，除了必要的硬件之外，主要靠軟件實現它的功能，因此簡化了硬件資源，它們既相互獨立又相互聯系，通過應用程序提供的儀器硬件接口，用戶可以以透明的方式來操作儀器硬件。

（1）主模塊。當運行程序時，首先，出現的是主模塊界面。在此界面里，明確顯示了主系統各功能按鈕的分布情況。由于本程序采用的軟件平臺是圖形化的編程語言LabVIEW，可通過交互式的圖形面板對系統進行控制，在該軟件的前面板體現的是軟件的界面，在圖表板中則是實際的程序設計，程序通過前面板上各種按鈕的響應執行相應的子例程，兩個示波器控件，準確的顯示采集到的信號波形，右邊的設置一欄，分別可以設置采樣的通道、采樣點數和信號頻率，同時，反應在軟件前面板上，主界面是一個總控模塊，它運行時一直循環等待數據的輸入。程序不斷在掃描前面板的按鈕，當EXIT按鈕按下時，程序就執行該按鈕所對應的子模塊例程，執行完后就會退回到編輯界面上。該虛擬儀器測控平臺有較強的可移植性，LabVIEW代碼的移植性也簡化了該平臺的維護與配置。數據采集模塊，本系統調用LabVIEW中自帶的子儀器AI Sample Channels.vi對指定的模擬量通道進行數據采集，并將溫度信號分別輸出。

（2）信號處理模塊。由于在溫度原始信號采集的過程中，容易受到脈沖干擾的影響，所以本模塊對輸入的溫度信號進行判斷，若為干擾則將其按一定算法進行處理，否則將輸入信號直接輸出?？梢圆捎冒吞匚炙嫉屯V波器處理采集的傳感器信號減少高頻干擾，判斷脈沖干擾的方法是，先根據實驗確定一閾值M，將當前輸入的信號值X同前一個采樣點值Y的差的絕對值小于M時，將X直接輸出，否則便認為X為脈沖干擾。

我們還要對傳感器及測量系統進行定標校正處理，這是因為傳感器制造條件的限制，各個傳感器間的一致性不是很好。在定標校正處理時，需要對在已知條件下的各傳感器放大信號進行基線、靈敏度和非線性測量。對各個傳感器的校正參數存儲，建立各個傳感器校準函數，再反饋到每個測量通道，使用校準函數對各個傳感器進行線性化校正，完成對各個傳感器信號的靈敏度和基線的歸一化處理。我們采用分析折線補償法，使用分段折線組成的曲線代替實際特性曲線，在整個量程范圍內分為7段進行校正，將傳感器的信號線性化。測量時，各個傳感器的處理軟件調用各自的校正數據，處理后的各傳感器的靜態特性基本一致，有助于實際測量結果的分析，可消除非目標參數對傳感器輸出結果的影響，有效地提高傳感器的輸出準確度。

（3）顯示模塊。本模塊以圖表的形式顯示溫度。在本系統的前面板中放入Waveform Chart，在流程圖中將與Waveform Chart對應的圖標和溫度的最終輸出相連，并在前面板上修改圖表坐標的刻度值，就可以顯示溫度的變化曲線了。

（4）數據存儲模塊。對傳感器測量的信號進行實時顯示和數據存儲以備以后使用；單路輸入波形圖數據將以一行的形式存儲；多路輸入波形將以多行的形式存儲，也可供其他數據處理軟件使用。

本子模塊調用LabVIEW自帶的子儀器Write Characters To File.vi將經過處理的溫濕度值存入一個電子表格文件中。

四、結語

本文介紹了如何使用LabVIEW和數據采集卡實現一個溫度測量的虛擬儀器系統。系統最終實現了溫度的測量，并將結果以曲線和數字兩種方式在顯示器屏幕上顯示。同時，顯示未經軟件處理的溫度電壓信號的曲線以做對比；最后，為了方便記錄數據，還擴展了數據存儲功能，系統會自動將數據存入一個電子表格文件中。利用虛擬儀器軟件的開發平臺，可方便地開發滿足各種需求的虛擬儀器，簡化系統的開發、更新和維護，具有很高的性能價格比，對于緩解高校實驗室資金緊張，減小成本大有裨益。

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（作者單位：浙江理工大學信息與電子學院）