基于虛擬儀器的智能儀表實驗平臺開發

王紅梅，邊敦新

（山東理工大學電氣與電子工程學院，山東淄博255091）

智能儀表是自動化專業的主要課程，廣泛應用于化工、造紙、鋼鐵等行業，在生產實際中完成大量的信號檢測與控制，因此需要通過設計一系列的實驗使理論與實踐有機結合．通過實驗，不僅可以提高學生的動手能力，而且可以加深對所學知識的理解和吸收，提高其設計能力，為他們將來走上工作崗位打下全面基礎．但若采用傳統的方法，需要設計復雜的硬件電路，導致生產成本高；而且一旦設計完成其靈活性將大大降低．隨著計算機技術的迅速發展，虛擬儀器的概念逐漸成為測試技術和儀器儀表技術發展的重要方向，并在研究、開發等眾多領域得到廣泛的應用．本文設計的實驗平臺采用虛擬儀器加外圍電路的思想，充分利用虛擬儀器的優點，把部分硬件電路用軟件來代替，這樣，硬件投入少，且實驗過程中基本沒有元器件的損耗，經濟效益明顯；儀器性能的改進和功能擴展只需進行相關軟件的設計更新，而不需要購買新的儀器，可以大大縮短研制周期；同時，學生還可自主創新設計實驗，提高解決實際工程問題的能力．

1 實驗裝置

1．1 實驗平臺介紹

智能儀表實驗平臺信號檢測與調理部分采用CSY3000系列傳感器與檢測技術實驗臺，該平臺提供熱電偶、應變片、電容和霍爾元件等多個傳感器及其相應的信號處理模塊，其應用范圍廣，使用方便．數據采集部分選用NI公司的數據采集卡NI6009，其有8路14位模擬輸入，2路12位模擬輸出，32位計數器，12路數字I／O，并且接口為USB應用方便．智能儀表實驗平臺采用圖1結構，CSY3000系列傳感器及信號調理電路利用相關的傳感器將測量值轉換為電量，由信號調理電路將電量轉換為0～5V的電壓信號；數據采集卡NI6009將信號調理電路輸出電壓信號轉換為數字量傳輸給計算機，完成信號的數據采集功能；計算機利用Labview軟件實現信號的進一步處理

圖1 智能儀表實驗結構圖

1．2 實驗設計

1）硬件電路部分，包括模擬量的輸入和輸出、開關量的輸入和輸出等電路．

2）軟件部分，即數據處理部分，包括查找技術、非線性處理、隨機誤差處理等方法．

3）綜合設計部分，即軟、硬件聯機調試部分，包括數據采集、數據顯示和數據處理．

2 實驗內容

圖2 智能儀表實驗系統結構圖

其中，熱電偶溫度測量實驗可使學生理解采集系統的組成，如：熱電偶傳感器、信號處理電路、信號傳輸以及最終的信號顯示，重點側重是對硬件電路的認知．開關量輸入輸出實驗則是考察對數字信號傳輸過程的認知；熱電偶溫度查找實驗、鉑電阻線性處理實驗、遞推平均濾波實驗，以上三個實驗使學生理解如何完成常用的信號軟件處理方法，學生可利用Labview軟件完成軟件處理；采集系統綜合性實驗，主要完成硬件軟件相結合，實現完整的數據采集，有利于培養學生綜合應用知識的能力．溫度控制實驗，則是利用PID控制算法實現溫度控制，該實驗涉及溫度信號的采集、控制信號的輸出以及PID運算，既能培養動手能力又能提高學生的理論水平．

下面以鉑電阻線性處理實驗和采集系統綜合性實驗為例分別進行介紹．

鉑電阻線性處理實驗是以0～200℃的Pt100鉑熱電阻為例，完成線性化處理過程．本例中將其等間距分成兩段進行線性化處理．前面板可輸入電阻值和顯示處理后的溫度值，后面板則進行線性化處理，其處理程序如圖3所示．該實驗需要首先計算出0～100℃和100～200℃之間溫度和阻值的線性表達關系，

在Labview環境下利用前面板軟件提供的控件完成阻值輸入和溫度輸出，后面板編程實現線性化處理．首先用case語句判斷輸入的阻值是否超出0～200℃范圍，若在處理范圍之內則判斷電阻值在哪一段，并利用上述公式計算出實際溫度，否則提示電阻值超出處理范圍．該實驗，可使學生充分體會分段線性化的原理，并能熟悉Labview的使用．

圖3 鉑電阻線性化處理程序

采集系統綜合性實驗能實現七路溫度數據采集．溫度信號經熱電偶轉換為熱電勢，運用CSY3000提供的信號處理模塊放大處理后由NI6009采集到計算機，經濾波處理、溫度查找及標度變換轉換為溫度信號進行顯示．同時可以完成，信號的存儲、打印、回放以及通信等功能．該實驗要求學生理解采集系統的組成，能正確使用NI6009采集卡以及信號處理電路并能根據需要編寫遞推濾波和溫度查找等子程序實現信號的軟件處理．整個實驗綜合程度比較高，能充分挖掘學生的設計能力．圖4為采集系統實驗的前面板，通過該面板可以選擇通道，設定通道的參數，以及完成信號的存儲、打印、回放以及通信等功能；圖5為采集系統處理程序

圖4 數據采集系統前面板程序

3 實驗特點

相對于匯編語言來講，采用G語言更便于學生對該課程的理解，學生也可自主創新設計實驗，鍛煉解決實際工程問題的能力．由于該實驗采用了虛擬儀器技術，開發成本及實驗耗材都比較低，實驗進一步完善及開發周期亦會大大縮短．同時該項目充分利用了實驗室現有設備，比如檢測技術實驗室已有很多傳感器及其相應的信號處理模塊，虛擬儀器實驗室已具備的數據采集卡，能有效節約資源．

4 結束語

設計的智能儀表實驗平臺從實驗設備來講，采用虛擬儀器取代傳統的微處理器，充分利用虛擬儀器的優勢，使實驗的硬件成本降低，實驗功能增強，擴展性良好．從內容來講，實驗分為三部分：硬件部分（模擬量和開關量的輸入輸出單元）、軟件部分（數據處理和數據顯示）以及綜合部分，基本上涵蓋了該課程的主要知識點，使學生能比較全面的了解該課程，更加全面、深刻地理解智能儀表設計的一般原則，熟練掌握智能儀表與裝置的軟、硬件電路設計方法和軟硬件聯機調試技能．同時，可在此基礎上進一步設計網絡化智能儀表實驗平臺，其前景可觀．

圖5 數據采集系統處理程序

［1] 劉君華．基于Labview的虛擬儀器設計［M] ．北京：電子工業出版社，2003．

［2] 楊樂平，李海濤．Labview高級程序設計［M] ．北京：清華大學出版社，2003．

［3] 趙新民．智能儀器設計基礎［M] ．哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1999．

［4] 徐愛鈞．智能化測量控制儀表原理與設計［M] ．北京：北京航空航天大學出版社，1995．

［5] 姜闊勝，楊明亮，梁應選．基于虛擬儀器的機械傳動試驗臺測控系統［J] ．機械傳動，2010，34（3）：72－75．

［6] 方建華，顏建軍，蔡炯炯．基于LabVIEW的烘道溫度測試系統研究［J] ．計算機測量與控制，2009，17（6）：1025－1027．

［7] 王淑芳，杜飛明．基于虛擬儀器的多通道數據采集與處理系統設計［J] ．機床與液壓，2009，37（8）：306－308．

［8] 周玉宏，謝云芳，索雪松．基于虛擬儀器技術的溫室監控系統［J] ．農機化研究，2010（2）：104－106．