基于LabVIEW的干燥過程果蔬內部溫度測試

黃儉花 張緒坤 祝樹森 徐 剛 徐建國

(南昌航空大學無損檢測技術教育部重點實驗室1，江西 南昌 330063;江西省科學院2，江西 南昌 330029)

基于LabVIEW的干燥過程果蔬內部溫度測試

黃儉花1張緒坤1祝樹森1徐 剛2徐建國2

(南昌航空大學無損檢測技術教育部重點實驗室1，江西 南昌 330063;江西省科學院2，江西 南昌 330029)

溫度是影響果蔬干燥過程的重要參數之一。采用探針法設計了一種測試干燥過程果蔬內部溫度的系統。該系統以LabVIEW為平臺開發虛擬面板，實時顯示圖形數值溫度數據并進行數據保存，有效運用Tab控件實現菜單式友好用戶界面;NI9205模塊采集信號經過A/D轉換，經下位機NI CompactDAQ的USB總線傳送至計算機，構建完整的USB數據采集過程。實際應用表明，系統能實時監測干燥過程果蔬內部的溫度變化，為干燥過程果蔬內部熱傳遞現象的研究提供有效途徑。

果蔬 干燥過程 溫度測試 LabVIEW 選項控件 數據采集

0 引言

在干燥過程中，果蔬會發生一系列物理性質、化學性質和營養成分的變化，這些都與果蔬內部溫度的分布密切相關。溫度作為干燥過程中的重要參數，其對干燥過程和干燥產品有直接影響。過低的干燥溫度延長干燥時間，增加干燥成本，與節能干燥相背離，另外長時間的低溫干燥促使微生物滋生較快，對干燥產品質量有較大影響;過高的干燥溫度使果蔬內部的酶、蛋白質、維生素等營養物質和細胞結構發生不可逆變化，直接影響干燥產品的質量和口味。因此，準確測量果蔬內部的溫度分布及變化規律，是了解干燥過程果蔬內部傳熱傳質有效和直觀的手段，它能為正確認識果蔬內部傳熱傳質現象提供依據，對干燥產品質量和干燥生產狀況有著重要影響［1］。

LabVIEW強大的圖形化功能，能為數據采集、儀器控制、測量分析與數據顯示等各種應用提供必要的開發工具［2-3］。本文設計了一套基于LabVIEW干燥過程果蔬物料內部溫度的測試系統。

1 系統硬件設計

本文設計的干燥過程果蔬內部溫度測試系統中，計算機是虛擬儀器硬件平臺核心，軟件是主宰，高質量的采集卡和高精度傳感器是關鍵［4］。系統硬件結構主要由溫度測試對象、溫度傳感器、NI CompactDAQ9174機箱、NI9205數據采集卡和安裝有LabVIEW的計算機組成。

1.1 計算機

計算機是數據采集系統的中央控制單元，也是完成系統功能的核心部件。數據采集系統使用的計算機會極大地影響連續采集數據的最大速度。PCI總線和USB接口是目前絕大多數計算機的標準設備。目前，絕大多數個人計算機可以使用直接內存訪問傳送方式。數據采集系統使用專門的硬件把數據直接傳送到計算機內存，從而提高了系統的數據吞吐量［5］。

1.2 溫度傳感器

系統中溫度的測量主要分為干燥環境溫度測量和干燥過程果蔬內部溫度測量兩個部分。干燥環境溫度測量采用英國MICHELL的DS-333-XX-HTO溫/濕度傳感器，測溫范圍為0～100℃，精度為±0.3 K(全量程)，輸出為0～10 VDC。果蔬內部溫度測量采用WZPZB智能化溫度變送器，測溫范圍為0～100℃，精度為±0.05 K(全量程)，輸出為1～5 VDC。WZPZB智能化溫度變送器具有溫度漂移精密自我修正功能以及較強的抗干擾能力和長期的穩定性等優點。

1.3 數據采集卡

對于一個測試模塊來說，其基礎環節就是數據采集。系統采用NI CompactDAQ的C系列模塊中的NI9205數據采集卡。該模塊內集成了A/D轉換器，具有信號調理和信號連接功能。NI9205數據采集卡安裝于NI CompactDAQ9174機箱，用以構建一個自定義的、完整的USB數據采集系統，從而大大簡化了安裝和驅動。LabVIEW中含有的數據采集助手控件可以提供硬件驅動程序，使得數據采集卡可以輕松、便捷地實現軟件和硬件的通信。

2 軟件平臺

“軟件就是儀器”已經成為測試與測量技術發展的重要標志。美國國家儀器公司推出的虛擬儀器開發平臺——LabVIEW以其直觀、簡便而通用的編程方式和模塊化，為用戶快捷地構建自己在實際生產中所需要的儀器系統創造了基礎條件［6］。

LabVIEW程序主要分為三個部分:前面板、程序面板、圖標/接線端口。前面板是LabVIEW程序的圖形化用戶界面，用來編制虛擬儀器的軟面板，再現實體儀器面板，人性化的設計滿足各種功能和外觀的需要。本程序采用Tab控件規劃前面板，使得前面板更簡潔、清楚，可區分各部分功能控制，充分體現了菜單式用戶界面的優點。程序面板依照要實現的功能選擇適當的函數圖標，并用線有序地連接為完整的數據流程圖。圖標主要是方便子程序調用，使程序模塊化、結構化的實現成為可能［7］。

2.1 用戶界面設計

目前，菜單式用戶界面的設計主要有以下幾種方法:采用編輯菜單的方式、采用子VI動態調用、采用數組函數調用子VI、基于事件編程模型的設計、利用Tab控件嵌套Case結構。考慮到本系統需要實時顯示多個參量的曲線，要求多個面板顯示，顯示任務繁多，因此，本系統采用Tab控件實現多個面板化顯示。

在利用菜單操作過程中，會彈出相應的窗口，如果不及時關閉這些窗口，勢必會造成前面板雜亂。采用Tab控件可以有效地解決以上問題，只要選擇所需要的功能選項就能顯示相應內容［8］。

2.2 軟件編程實現

基于LabVIEW的干燥過程果蔬內部溫度測試系統采用模塊化思想來編寫，主要實現參數配置、通道選擇、溫度采集、數據顯示和數據保存等功能，每個功能的實現均由一個子模塊完成。

2.2.1 數據采集程序

數據采集是該系統軟件的主要功能，也是其他程序進行的基礎。LabVIEW采集數據并將采集的數據全部存儲到指定的文件中，通過圖形顯示控件在計算機上實時逐點顯示，形成數據波形［7］。系統采用的NI-9205數據采集卡，支持DAQmx驅動程序。選擇“函數”→“測量I/O”→“DAQmx數據采集模塊”編寫程序，利用DAQmx函數采集數據。

由于不同通道的參數設置不同，因而編程時采用多個DAQ虛擬通道設置.VI進行并列設置，以滿足測量多樣化參量的需求。虛擬儀器后面板程序界面如圖1所示。

圖1 后面板程序界面Fig.1 Interface of rear panel program

2.2.2 數據存儲

數據存儲有兩種機制:一種是基于文件的數據存儲，就是利用LabVIEW提供的存儲方法將所測得數據直接存為文本文件、電子表格格式文件、二進制文件或者波形文件;另一種是基于數據庫的數據存儲。本數據采集系統采用基于文件的數據存儲，可以很好地滿足實時性的要求，根據日期、時間等數據存儲數據也比較方便［9］。

流式數據管理技術(technical data management streaming，TDMS)文件是NI主推的一種二進制記錄文件，它兼顧了高速、易存取和方便等多種優勢，能夠在NI的各種數據分析或相關軟件之間進行無縫交互，也能夠提供一系列API函數供其他應用程序調用［10］。

TDMS的邏輯結構分為三層:文件(file)、通道組(channel groups)和通道(channels)，每一個層次上都可以附加特定的屬性(properties)。編程時可以使用這三個邏輯層次定義測試數據，也可以任意檢索各個邏輯層次的數據，使得數據檢索有序且方便存?。?1］。

程序把采集到的數據保存到 Excel里面，利用TDMS Excel Add-in for Microsoft Excel插件使采集到的數據能夠在Excel中顯示。這樣保存的優點是在Excel中可以直接對數據進行統計、分析、計算等操作。

2.2.3 數據顯示與參數設置

通過程序采集的數據，經過相應的比例函數后即為所要測量的溫度值，在前面板上采用波形圖表的方式實時顯示。本系統實現兩種不同的溫度顯示方式，一種是單參量顯示，另一種是多參量的對比顯示。單參量顯示能夠清晰地顯示參量的準確讀數，而多參量對比顯示可以清晰地顯示同類參量之間的差異。兩者各有優勢，用戶可根據需要選擇不同的顯示面板。

NI9205數據采集卡連接信號源時有三種不同的方式:單端方式、差分方式、單端和差分的組合方式。NI9205數據采集卡可以提供32個單端模擬輸入通道或16個差分模擬輸入通道、1個數字輸入通道、1個數字輸出通道、COM以及AISENSE的連接。本系統中均采用單端方式，輸入信號以共同的地線為基準，一個信號對應一個單端通道，在接線的同時，記錄下各個參量接入NI9205數據采集卡的通道號，為設置通道做準備。如CDAQ1Mod4/ai1、ai2……表示是1號CDAQ機箱4號槽1通道、2通道……。這種連接方式成為多參量測量的前提。

參數設置主要包括采樣率、電壓量程設定等。采樣率決定了每秒鐘進行模數轉換的次數，一個高采樣率可以在給定的時間下采集更多數據，也能更好地反映原始信號。電壓量程的設定可以由NI公司的數據采集設備靈活地進行選擇配置。該套測溫系統集成多種不同采集方式于一體，構建多參量實時監測系統。

2.2.4 子VI的調用

子VI是LabVIEW最基本的概念，包括前面板、程序框圖、連接板和圖標四個組成要素。LabVIEW中的子VI(SubVI)類似于文本編輯語言中的函數，可以把程序分割為一個個小的模塊來實現。隨著模塊化編程思想的發展，構建和調用子VI能實現LabVIEW的層次化和模塊化編程，把復雜的編程問題劃分為多個簡單的任務。

LabVIEW提供了兩種方法創建子程序:一種是把一個完整的VI程序創建為子程序;另一種是把VI程序的一部分創建為子程序［12］。

果蔬內部測溫系統通過功能模塊化完成相應的功能操作。如在通道選擇.VI中，先編寫VI的主要程序，使得該程序成為一個獨立的程序，然后定義連接端子編輯圖標，通過連接端子可以實現程序與主程序之間的數據傳送和接收。該程序可以作為一個完整的程序被調用，使程序結構變得更加清晰、層次更加分明、程序更易讀、調試更方便。

本系統中多處運用了子VI，如DAQ采集程序、文件路徑、隊列程序、TDMS數據保存、數據處理程序和換算程序等。各子VI獨立運行，采用圖標封裝，通過連線端子與程序進行數據交換。數據處理程序界面如圖2所示。

圖2 數據處理程序界面Fig.2 Interface of data processing program

3 結束語

系統以干燥過程果蔬內部溫度為測試對象，采用計算機和NI9205數據采集卡作為硬件平臺，以LabVIEW作為軟件開發平臺構建虛擬儀器，實現了對果蔬內部溫度的精確測量。前面板的設計再現實體儀器，后面板程序支持前面板各種控件按鈕的功能，完善數據采集、處理與顯示等功能。該系統集多樣化測量、多通道測量和高精度測量于一體，為干燥過程果蔬內部溫度變化和分布的研究提供了保證?；贚abVIEW構建的虛擬儀器系統在課題中的運用取得了良好效果，具有設計靈活、界面友好、開發周期短和效率高的優點。

［1］江建軍，劉繼光.LabVIEW程序設計教程［M］.北京:電子工業出版社，2008:56-78.

［2］白云，高育鵬，胡小江.基于LabVIEW的數據采集與處理技術［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2009:34-38.

［3］謝啟，溫曉行，高琴妹，等.LabVIEW軟件中菜單形式的用戶界面設計與實現［J］.微計算機信息，2005，21(1):88-90.

［4］ Martynenko A I.Computer-vision system for control of drying processes［J］.Drying Technology，2006(24):879-888.

［5］ Wang Wenbin，Li Jangyuan，Wu Qijun.The design of a chemical virtual instrument based on LabVIEW for determining temperatures and pressures［J］.Journal of Automated Methods and Management in Chemistry，2007(10):623-630.

［6］ Silva M F，Carvalho V.Remote system of temperature monitoring and control［J］.International Jonrnal of Online Engineering，2008(4):372-375.

［7］王施平，張緒坤，張疆近.基于LabVIEW的熱泵干燥數據采集系統設計與試驗［J］.傳感器技術，2010，343(8):40-42.

［8］郭丹.基于虛擬儀器的多點溫度檢測控制系統［J］.北京聯合大學學報，2010，24(3):33-37.

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［10］韓英，李景濤.基于LabVIEW的溫度監控系統設計［J］.機械工程與自動化，2009，159(2):175-177.

［11］顏園園，張宏群.基于LabVIEW的溫濕度測量系統［J］.測控技術，2009，288(1):120-122.

Internal Temperature Test Based on LabVIEW for Fruits and Vegetables in Drying Process

Temperature is one of the important parameters in drying process for fruits and vegetables.A system based on the means of probes to test the internal temperature of fruits and vegetables in drying process is designed.In the system，LabVIEW is used as the platform to develop virtual panel，the temperature data are shown in real-time with graphical figures and stored.Tab control is used effectively to implement the user-friendly interface with menu patterns.Through A/D conversion，the collected signals of NI9205 module are sent to computer via USB of the lower computer NI CompactDAQ，to construct a complete USB data collection process.Practical application shows that the real-time internal temperature variation of fruits and vegetables in drying process can be monitored by the system，thus the basis for researching the phenomenon of heat transfer inside fruits and vegetables in drying process is provided.

Fruits and vegetables Drying process Temperature test LabVIEW Option control Data acquisition

TP274

A

國家自然科學基金資助項目(編號:31060231);

無損檢測技術教育部重點實驗室開放基金資助項目(編號:ZD200629008)。

修改稿收到日期:2011-10-23。

黃儉花(1987-)，女，現為南昌航空大學機械電子工程專業在讀碩士研究生;主要從事機電一體化以及新能源設備與技術的研究。