基于LabVIEW的環(huán)境溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計

鄭越，唐陽春，楊光

（1.北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100185；2.鄭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗測試中心，鄭州　450000）

基于LabVIEW的環(huán)境溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計

鄭越1，唐陽春2，楊光2

（1.北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100185；2.鄭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗測試中心，鄭州450000）

0　引言

虛擬儀器是將儀器技術(shù)、計算機技術(shù)、總線技術(shù)和軟件技術(shù)緊密地融合在一起，利用計算機強大的數(shù)字處理能力實現(xiàn)儀器的大部分功能，打破了傳統(tǒng)儀器的框架，形成的一種新的儀器模式。

溫度檢測是現(xiàn)代檢測技術(shù)的重要組成部分，在保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源和安全生產(chǎn)方面起著關(guān)鍵的作用。傳統(tǒng)的單片機構(gòu)成的溫度采集系統(tǒng)測量精度越來越高，響應(yīng)時間短，得到越來越多的運用。

本文利用熱電偶傳感器、PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡、NI ELVIS硬件平臺、PC以及LabVIEW 8.0軟件為基礎(chǔ)完成的采集環(huán)境溫度系統(tǒng)的設(shè)計，同時進一步觀察了采樣點數(shù)的改變對采樣速率和波形變化引起的改變。旨在通過本設(shè)計熟悉NI ELVIS硬件平臺、PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡以及程序編寫、采樣點數(shù)引起的波形變化等，并給予工程人員一些參考和啟示。

1　系統(tǒng)設(shè)計流程

在設(shè)計系統(tǒng)之前，要首先了解系統(tǒng)的總體設(shè)計流程圖。本設(shè)計是一個基于NI ELVIS硬件平臺的DAQ虛擬測試系統(tǒng)，采用LabVIEW語言編寫應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)PC與PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡溫度測控。要求使用DAQ采集溫度數(shù)據(jù)并對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，并在溫度超過一個預(yù)先設(shè)定（可調(diào)節(jié)）的報警門限時，輸出報警信號。系統(tǒng)總體流程圖如圖1所示：

圖1　系統(tǒng)的總體框圖設(shè)計

編寫完成整體的系統(tǒng)流程圖后，我們要進一步熟悉配置DAQ采集通道方法：

啟動DAQ助手，選擇“Express”→“輸入”→“DAQ助手”，流程如圖2-圖4。

圖2　DAQ助手迅捷VI方式

圖3　DAQ助手新建任務(wù)配置對話框

圖4　選擇熱電偶

圖5　選擇物理通道

2　硬件系統(tǒng)選擇與設(shè)計

熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件，當(dāng)兩接合點熱電偶溫度不同時，就會在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流。如果熱電偶的工作端與參比端有溫差，顯示儀表將會指示出熱電偶產(chǎn)生的熱電勢所對應(yīng)的溫度值。

由于熱電偶的材料一般都比較貴重，而測溫點到儀表的距離都很遠(yuǎn)，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本，通常采用補償導(dǎo)線把熱電偶的冷端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到儀表端子上。在使用熱電偶補償導(dǎo)線時必須注意型號相配，極性不能接錯，補償導(dǎo)線與熱電偶連接端的溫度不能超過100℃。

溫度采集系統(tǒng)設(shè)計中采用的溫度傳感器為J式熱電偶傳感器，它的溫度測量范圍在-20℃～150℃之間，采用冷端自動補償方式。

NI ELVIS（Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite，ELVIS）虛擬儀器教學(xué)實驗系統(tǒng)實際上就是將LabVIEW和NI的DAQ設(shè)備相結(jié)合，綜合應(yīng)用得到一個LabVIEW的教學(xué)實驗產(chǎn)物，它包括硬件和軟件兩部分：硬件包括一臺可運行LabVIEW的計算機，一塊多功能數(shù)據(jù)采集卡，一根68針電纜和NI ELVIS教學(xué)實驗操控工作臺；軟件則包括LabVIEW開發(fā)環(huán)境、NI-DAQ、可以針對ELVIS硬件進行程序設(shè)計的一系列LabVIEW API和一個基于LabVIEW設(shè)計虛擬儀器軟件包。該實驗套件可插入一塊原型實驗面板，非常適合教學(xué)實驗和電子電路原型設(shè)計與測試，以便完成測量儀器、電子電路、信號處理、控制系統(tǒng)輔助分析與設(shè)計、通信、機械電子、物理等學(xué)科課程的學(xué)習(xí)和實驗。

NI ELVIS包括工作臺、面包板、旋鈕、表筆孔等，其功能為可調(diào)直流電源（-12V-0、0-+12V）、信號發(fā)生器（Function Generator）（正弦、方波和三角波，幅度頻率可調(diào)，見面板）、DMM（Digital Multi-Meter，DMM）和示波器，如圖6所示。

圖6　NI ELVIS硬件平臺

實驗選用PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡，NI PCI-6251是一款高速M系列多功能DAQ板卡，在高采樣率下也能保持高精度。如需更高測量精度，可選擇高精度M系列設(shè)備，該設(shè)備采用18位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使分辨率提高了4倍。

硬件系統(tǒng)由PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡（16bits、8通道、雙極性（-20 V-+20V）、1MS/S）、NI ELVIS（NI Education Laboratory Virtual Instrumentation Suite，ELVIS）工作臺和68-Pin E Series Cable組成，具體連接圖如圖7所示。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計運用LabVIEW 8.0虛擬平臺進行開發(fā)。軟件設(shè)計分為前面板設(shè)計和程序框設(shè)計。程序框設(shè)計中包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲模塊。

為了驗證系統(tǒng)的實用性，我們在虛擬儀器實驗室內(nèi)對設(shè)計的實驗進行驗證，通過圖9可以看出，當(dāng)我們指定溫度上限為20℃時，報警燈開始報警，曲線大致成為一條直線，位于24℃附近，證明我們采集的室內(nèi)環(huán)境溫度的實用性。我們還驗證了如果用手接觸熱電偶，會看到溫度瞬間上升到29℃左右，之后會降到27℃，說明人體的接觸會帶來2℃左右的升高。

軟件系統(tǒng)的前面板設(shè)計包括溫度的上限設(shè)置，開始、暫停控制、溫度數(shù)據(jù)顯示、報警顯示等。

圖9　溫度采集系統(tǒng)前面板設(shè)計

軟件系統(tǒng)設(shè)計程序框圖采用模塊化思想，分別由溫度采集模塊、溫度顯示模塊和溫度保存模塊組成。

開始采集時，需要對采樣頻率和采樣點數(shù)進行設(shè)置，本實驗采樣率設(shè)置為1k，待寫入采樣數(shù)設(shè)置為100（表示每次向PC緩沖區(qū)寫入的采樣點數(shù)）溫度采集模塊如圖10所示。

系統(tǒng)采集到溫度數(shù)據(jù)傳入溫度顯示系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，并根據(jù)設(shè)定的溫度上限值判斷系統(tǒng)是否報警，溫度顯示模塊如圖11所示。

圖7　實驗硬件系統(tǒng)

圖8　設(shè)備引腳連線

圖10　溫度采集模塊

圖11　溫度顯示模塊

圖12　溫度保存模塊

將系統(tǒng)處理后的數(shù)據(jù)存入溫度保存模塊進行實時顯示與存儲。其中數(shù)據(jù)文件以文本文檔形式保存，溫度保存模塊如圖12所示。

將三個模塊單元在while循環(huán)中進行連接，得到最終的系統(tǒng)程序框圖。框圖的溫度采集采用了數(shù)組和簇結(jié)構(gòu)，采用移位寄存器對實時采集的環(huán)境溫度進行5次平均處理，得到所需的環(huán)境溫度。while中循環(huán)只要不斷地采集溫度，stop就一直為真，進行無限次循環(huán)。輸出的數(shù)據(jù)最后以二維數(shù)組的的形式進行保存。程序框圖如圖13所示:

圖13　系統(tǒng)程序框圖

4　采集系統(tǒng)運行

連接好硬件平臺，進行簡單的配置信息，獲取實時的室內(nèi)溫度，改變溫度設(shè)置上限，觀察溫度曲線看并觀察報警燈是否報警。運行結(jié)果如圖14、圖15所示。

將生成的溫度數(shù)據(jù)進行保存，并截取部分?jǐn)?shù)據(jù)，觀察實時采集的數(shù)據(jù)的變化，截取的數(shù)據(jù)如圖16所示。

圖14　溫度上限20℃報警燈顯示

圖15　溫度上限28℃　報警燈未顯示

圖16　截取的部分溫度采集數(shù)據(jù)報表

5　探討采樣參數(shù)的影響

以采樣點數(shù)為100，頻率為1000Hz的標(biāo)準(zhǔn)采樣的波形為標(biāo)準(zhǔn)采樣。

圖17　采樣點數(shù)為100，采樣頻率為1000Hz的標(biāo)準(zhǔn)采樣

改變采樣點數(shù)為1000，采樣頻率不變?yōu)?000Hz。可以看到采樣的波形顯示比較緩慢，圖形形態(tài)變化不太明顯，說明采樣的點數(shù)越多采樣的速度越慢，波形采集越密集。改變采樣點數(shù)為10，采樣頻率不變，為1000Hz。可以看到采樣的波形顯示比較快，圖形形態(tài)變化非常明顯，說明采樣的點數(shù)越少采樣的速度越快，波形采集越稀疏。

6　結(jié)語

LabVIEW作為虛擬儀器開發(fā)過程中最具代表性的圖形化編程語言，是目前國際上應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制開發(fā)環(huán)境之一。

本系統(tǒng)實現(xiàn)了基于LabVIEW平臺的溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計，利用熱電偶溫度傳感器實時采集環(huán)境溫度，通過PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡配置通道，實現(xiàn)了信號的顯示、存儲等，直觀地顯示室內(nèi)溫度信號波形，并通過手觸熱電偶，可以觀察到溫度升高2℃的溫度曲線。

同時，在系統(tǒng)設(shè)計過程中，對采樣點數(shù)和采樣頻率進行控制，觀察波形，直觀地認(rèn)識采樣點數(shù)和采樣頻率對數(shù)據(jù)采集速度和波形的影響。得出了采樣的點數(shù)越多采樣的速度越慢，波形采集越密集；采樣的點數(shù)越少采樣的速度越快，波形采集越稀疏的結(jié)論。

圖18　采樣點數(shù)為10，采樣頻率不變　

圖19　采樣點數(shù)為1000，采樣頻率不變

［1］黃福幸，艾延延，李長仁等.基于虛擬儀器的傳感器綜合實驗系統(tǒng)軟件設(shè)計［J］.儀器儀表學(xué)報，2006（s3）：1815-1816.

［2］李達(dá)，魏學(xué)哲，孫澤昌.LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.中國儀器儀表，2007（01）：49-52.

［3］（美）Robert H.Bishop.LabVIEW 8.0實用教程［M］.喬瑞麗，林欣等，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

［4］李勇偉，張婧婧.基于LabVIEW的虛擬溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計.現(xiàn)代計算機［J］，2013（12）.

［5］路敬祎，王冬梅，殷志偉等.基于LabVIEW的多點溫度采集實驗開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計.電子設(shè)計工程［J］，2013（12）:Vol.21

［6］賀 希，朱善華，秦斌等.基于 LabVIEW 的遠(yuǎn)程溫度采集系統(tǒng)設(shè)計.湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報.2013（11）：vol.27 No.6

［7］呂飛龍，陳照章，黃永紅．基于LabVIEW的虛擬儀器溫度檢測系統(tǒng)的設(shè)計［J］．微計算機信息.2007，23（1）：170-171．

［8］丁宗玲.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集卡控制及溫度采集方法的研究［J］.大學(xué)物理實驗，2013，（1）：170-171.

［9］詹建國，潘翔偉.基于LabVIEW的溫度采集系統(tǒng)的研究與開發(fā).科技資訊，2010，15.

［10］曾璐，陸榮雙.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計.電子技術(shù)，2004，12.

［11］劉平，趙勝會，陳堂賢．基于虛擬儀器技術(shù)的爐溫控制實驗系統(tǒng)．現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（17）:119-121.

［12］Salehi D，Brandt M．Melt pool temperature control using LabVIEW in Nd:YAG laser blown powder cladding process．The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2005（3）:273-278.

［13］付俐芳，晉帆，金小婷.基于LabVIEW的溫度采集和控制系統(tǒng).科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11（34）.

Temperature Acquisition；NI ELVIS；PCI-6251 Data Acquisition Card；LabVIEW8.0

Design of the Temperature Acquisition System Based on LabVIEW

ZHENG Yue1，TANG Yang-chun2，YANG Guang2
（1.School of Instrument Science and Optic-Electronic Engineering，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100185；2.Zhengzhou Quality and Technical Supervision and Testing Center，Zhengzhou 450000）

1007-1423（2015）19-0072-06

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.19.018

鄭越（1987-），男，山東濰坊人，碩士研究生，研究方向為電子測量技術(shù)、醫(yī)療儀器

唐陽春（1974-），男，河南鄭州人，本科，助理工程師，研究方向為溫度計量

楊光（1976-），男，河南鄭州人，本科，工程師，研究方向為衡器計量

2014-06-05

2015-06-10

以LabVIEW 8.0程序為基礎(chǔ)開發(fā)的一項基于檢測環(huán)境溫度的采集系統(tǒng)，實驗平臺的搭建在校內(nèi)虛擬儀器實驗室，環(huán)境溫度控制在25度左右。硬件平臺主要運用NI ELVIS及PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡，軟件平臺基于NI的LabVIEW 8.0，除了實現(xiàn)環(huán)境溫度采集系統(tǒng)之外，還提供讀者了解LabVIEW中DAQ VI的組織結(jié)構(gòu)和配置通道，學(xué)會數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計，實時地顯示溫度和保存數(shù)據(jù)。探討采樣參數(shù)的改變對波形采集的影響。

溫度采集；NI ELVIS；PCI-6251采集卡；LabVIEW 8.0

Based on the LabVIEW8.0 program，develops an acquisition system based on the temperature of the environment.Builds the experimental platform in the virtual instrument laboratory and temperature which is controlled in 25 degrees.Uses the hardware platform mainly by NI ELVIS and PCI-6251 data acquisition card，and the software platform is used by LabVIEW 8.0.Besides，provides the reader to understand the structure and configuration of channel in LabVIEW DAQ VI as well as designs institute for data acquisition system，temperature display and save the data in real time.Probes into the influence of sampling parameters on waveform acquisition.