基于LabView的數字溫度變換器檢定模塊的設計

鄭能方 鄭賓

【摘要】本文是針對YA8-98-5型數字溫度變換器設計的檢定系統。根據數字溫度變換器的工作原理，本檢定系統用0.01級的ZX92A電阻發生器模擬了8路PT100在不同溫度下的阻值，用C8051F單片機自帶的兩路DAC模擬了熱電偶在不同溫度下的輸出電壓。為控制單片機的兩路DAC輸出電流值和32路繼電器的選通，本文用C51語言設計編寫了下位機程序，實現上位機與下位機的通訊;并設計了基于LabVIEW設計了數字溫度變換器的檢定操作界面以及接口程序，使YA8-98-5型數字溫度變換器的檢定數據傳入上位機，易于操作和檢定。

【關鍵詞】溫度變換器;LabVIEW;PT100

1.引言

數字溫度變換器是用來將模擬信號轉換成數字信號的裝置。溫度變換裝置的主要功能是完成32路溫度參數的采集和傳輸，將信號調理電路、微處理器、通訊模塊和電源模塊組合為一個整體。正如產品在使用前要經過檢驗和測試一樣，在數字溫度變換器使用之前也要對其進行檢定。在對它的檢定過程中要依據其原理對其進行32路的信號的輸入。

本文尋求一種在實驗室條件下，運用適當的模擬溫度源激勵來檢定數字溫度變換器。這就要用到電壓或者電阻的變化來模擬溫度源。在模擬溫度源的激勵下。數字溫度變換器會將溫度變換成數字信號，將這些信號和標準值進行比較，就可以檢定出變換器的合格與否。通過檢定就可以保證數字溫度變換器在真正投入使用時的精度，以免在使用中得出不準確的數據和結論而對實驗或工作產生不利的影響。

2.檢定系統硬件設計

數字溫度變換器的主要功能是完成32路溫度參數的采集和傳輸，將信號調理電路、微處理器、通訊模塊和電源模塊組合為一個整體。根據它的功能和原理，需要引進32路的模擬激勵信號做輸入。變換器接收到模擬信號后會將其轉換成數字信號，最后數字信號會通過接口傳入計算機。本文的任務是實現8路的鉑電阻信號模擬和24路的熱電偶信號模擬然后通過RS422將數字信號傳入計算機。據此，其檢定系統原理圖如圖2.1所示。

圖2.1 檢測系統原理圖

根據原理圖設計的思路，需要尋找和比對合適的方法模擬鉑電阻和熱電偶，并且要選擇適合的開關。

眾所周知，鉑電阻傳感器是根據所受溫度變化，自身的阻值會隨之變化。模擬鉑電阻就是主要根據它的這個特性來模擬的。由于要求是要模擬8路pt100鉑電阻的阻值，且溫度變化范圍在-30～-50°。鉑電阻模擬用LM124、OP07等集成放大電路模擬鉑電阻測溫非線性修正，并將鉑電阻采用四線制測量方法接入電路變成線性單端輸出電壓信號的方法。其線性修正電路如下圖2.2所示：

圖2.2 四線制接入電路方法

其中運用了0.01級變阻箱來模擬鉑電阻的變化，選擇0.01級的5組變阻箱ZX92A電阻發生器。

熱電偶也是常用的溫度傳感器之一，它主要是利用隨著溫度的變化，輸出電壓會發生改變的原理工作的。熱電偶模擬用AD590M結合電阻的連接提供電壓信號。關于AD590的許多性能指標不需要太多贅述，只需知道AD590M可以在單片機的控制下提供uA級的電流，經過標準電阻的連接，可以提供毫伏級電壓信號。即用C8051F單片機內部有兩個電流模式數/模轉換器（IDAC）來實現。即IDAC輸出電流，然后經過V/I電路就可以實現電壓信號的傳輸。

根據待檢定的數字溫度變換器的特性，要將變阻箱與變換器的32路中的8路相連，但是要通過開關選通連接。要用到開關，就要選擇一種適當的，盡量能保證實驗精度的開關。由于繼電器導通電阻都是幾毫歐到十幾毫歐，而且繼電器開關的導通電阻比較穩定，不會像三極管那樣有所波動不穩定。所以開關選擇繼電器選擇JGC-6F開關。

由于要實現32路開關控制，選用C8051F單片機I/O口控制三八譯碼器74LS138來控制開關的選通。上位機PC與下位機C8051F之間選用RS232來連接。在RS232與C8051連接時需要MAS232這樣的TTL電平轉換芯片。本系統的RS422連接是在數字溫度變換器與上位機PC之間連接的，因為數字溫度變換器的內部本身集成RS422調理模塊，所以它能夠和計算機進行直接通信，不需要像上文的RS232那樣在C8051F與計算機之間還要連接MAX232來調理。所以只要一一對應接到計算機相應口上就可以了。

綜合上述，計算機控制C8051F輸出電流，經V/I電路的轉換可以給數字溫度變換器提供電壓信號;調節ZX92A向數字溫度變換器提供模擬鉑電阻阻值信號;多路模擬開關可控制32路模擬信號輸入數字溫度變換器;RS232實現單片機與計算機之間的通信;RS422實現數字溫度變換器與計算機的通訊。檢定系統的結構如圖2.3所示：

圖2.3 檢定系統結構圖

圖3.1 軟件流程圖

3.軟件設計

根據數據的選取和分析，本檢定系統的軟件設計步驟是：首先，上位機選擇要導通的通道。某一通道道通后，操作人員調節變阻箱輸入電阻值或控制下位機輸出對應電流。檢定結束后，操作人員可以按退出鍵讓程序結束。其流程圖如圖3.1所示。

Lab VIEW是一種程序開發環境，是計算機虛擬儀器（virtual instrumentation）的典型代表。由美國國家儀器（NI）公司研制開發的，類似于C和BASIC開發環境，但是Lab VIEW與其他計算機語言的顯著區別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程序是框圖的形式。用戶可以根據自己的需要定義和制造各種儀器。

本文設計出數字溫度變換器的檢定界面如圖3.2所示。

各按鍵及顯示框的功能是：鍵控制各路的導通;鍵控制單路/多路檢定;鍵控制檢測結束;框顯示數字溫度變換器的返回值（整型）;顯示連接的端口;調節顯示波特率。

它的控制流程是：第一步，操作人員先將系統開啟;第二步，選擇多路/單路測試開關;第三步，設置波特率;第四步，選則要測試的通道;第五步，檢定人員將返回值和數字溫度變換器檢定標準值比對表進行比較。第六步，檢定結束后可以按退出鍵結束。

4.結論總結

本文設計了一個對數字溫度變換器進行檢定的檢定系統，根據數字變換器的工作原理，熱電偶的工作原理以及熱電阻的工作原理，實現了用0.01級變阻箱模擬PT100鉑電阻阻值輸出;用C8051F的兩路DAC做電流源輸出電流，結合I/V電路輸出電壓信號，模擬熱電偶傳感器的輸出電壓，并且評定了各路所產生的誤差。基于G語言和C語言，本文還編寫了上位機和下位機的程序用以實現整個檢測系統的軟件功能。

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作者簡介：

鄭能方（1989—），男，湖南邵陽人，中北大學碩士研究生在讀，研究方向：動態測試與智能儀器。

鄭賓，中北大學教授。