基于LabVIEW的環境溫度采集系統的設計

鄭越，唐陽春，楊光

（1.北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院，北京100185；2.鄭州市質量技術監督檢驗測試中心，鄭州　450000）

基于LabVIEW的環境溫度采集系統的設計

鄭越1，唐陽春2，楊光2

（1.北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院，北京100185；2.鄭州市質量技術監督檢驗測試中心，鄭州450000）

0　引言

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

溫度檢測是現代檢測技術的重要組成部分，在保證產品質量、節約能源和安全生產方面起著關鍵的作用。傳統的單片機構成的溫度采集系統測量精度越來越高，響應時間短，得到越來越多的運用。

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

1　系統設計流程

在設計系統之前，要首先了解系統的總體設計流程圖。本設計是一個基于NI ELVIS硬件平臺的DAQ虛擬測試系統，采用LabVIEW語言編寫應用程序實現PC與PCI-6251數據采集卡溫度測控。要求使用DAQ采集溫度數據并對采集到的數據進行分析，并在溫度超過一個預先設定（可調節）的報警門限時，輸出報警信號。系統總體流程圖如圖1所示：

圖1　系統的總體框圖設計

編寫完成整體的系統流程圖后，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　硬件系統選擇與設計

熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件，當兩接合點熱電偶溫度不同時，就會在回路內產生熱電流。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生的熱電勢所對應的溫度值。

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，為了節省熱電偶材料，降低成本，通常采用補償導線把熱電偶的冷端（自由端）延伸到溫度比較穩定的控制室內，連接到儀表端子上。在使用熱電偶補償導線時必須注意型號相配，極性不能接錯，補償導線與熱電偶連接端的溫度不能超過100℃。

溫度采集系統設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）虛擬儀器教學實驗系統實際上就是將LabVIEW和NI的DAQ設備相結合，綜合應用得到一個LabVIEW的教學實驗產物，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，一塊多功能數據采集卡，一根68針電纜和NI ELVIS教學實驗操控工作臺；軟件則包括LabVIEW開發環境、NI-DAQ、可以針對ELVIS硬件進行程序設計的一系列LabVIEW API和一個基于LabVIEW設計虛擬儀器軟件包。該實驗套件可插入一塊原型實驗面板，非常適合教學實驗和電子電路原型設計與測試，以便完成測量儀器、電子電路、信號處理、控制系統輔助分析與設計、通信、機械電子、物理等學科課程的學習和實驗。

NI ELVIS包括工作臺、面包板、旋鈕、表筆孔等，其功能為可調直流電源（-12V-0、0-+12V）、信號發生器（Function Generator）（正弦、方波和三角波，幅度頻率可調，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數據采集卡，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系列設備，該設備采用18位模數轉換器，使分辨率提高了4倍。

硬件系統由PCI-6251數據采集卡（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　系統軟件設計

系統軟件設計運用LabVIEW 8.0虛擬平臺進行開發。軟件設計分為前面板設計和程序框設計。程序框設計中包括數據采集、數據處理、數據顯示和數據存儲模塊。

為了驗證系統的實用性，我們在虛擬儀器實驗室內對設計的實驗進行驗證，通過圖9可以看出，當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環境溫度的實用性。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。

軟件系統的前面板設計包括溫度的上限設置，開始、暫停控制、溫度數據顯示、報警顯示等。

圖9　溫度采集系統前面板設計

軟件系統設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進行設置，本實驗采樣率設置為1k，待寫入采樣數設置為100（表示每次向PC緩沖區寫入的采樣點數）溫度采集模塊如圖10所示。

系統采集到溫度數據傳入溫度顯示系統進行數據處理，并根據設定的溫度上限值判斷系統是否報警，溫度顯示模塊如圖11所示。

圖7　實驗硬件系統

圖8　設備引腳連線

圖10　溫度采集模塊

圖11　溫度顯示模塊

圖12　溫度保存模塊

將系統處理后的數據存入溫度保存模塊進行實時顯示與存儲。其中數據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循環中進行連接，得到最終的系統程序框圖。框圖的溫度采集采用了數組和簇結構，采用移位寄存器對實時采集的環境溫度進行5次平均處理，得到所需的環境溫度。while中循環只要不斷地采集溫度，stop就一直為真，進行無限次循環。輸出的數據最后以二維數組的的形式進行保存。程序框圖如圖13所示:

圖13　系統程序框圖

4　采集系統運行

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

將生成的溫度數據進行保存，并截取部分數據，觀察實時采集的數據的變化，截取的數據如圖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據報表

5　探討采樣參數的影響

以采樣點數為100，頻率為1000Hz的標準采樣的波形為標準采樣。

圖17　采樣點數為100，采樣頻率為1000Hz的標準采樣

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

6　結語

LabVIEW作為虛擬儀器開發過程中最具代表性的圖形化編程語言，是目前國際上應用最廣的數據采集和控制開發環境之一。

本系統實現了基于LabVIEW平臺的溫度數據采集系統設計，利用熱電偶溫度傳感器實時采集環境溫度，通過PCI-6251數據采集卡配置通道，實現了信號的顯示、存儲等，直觀地顯示室內溫度信號波形，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，在系統設計過程中，對采樣點數和采樣頻率進行控制，觀察波形，直觀地認識采樣點數和采樣頻率對數據采集速度和波形的影響。得出了采樣的點數越多采樣的速度越慢，波形采集越密集；采樣的點數越少采樣的速度越快，波形采集越稀疏的結論。

圖18　采樣點數為10，采樣頻率不變　

圖19　采樣點數為1000，采樣頻率不變

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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、醫療儀器

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程序為基礎開發的一項基于檢測環境溫度的采集系統，實驗平臺的搭建在校內虛擬儀器實驗室，環境溫度控制在25度左右。硬件平臺主要運用NI ELVIS及PCI-6251數據采集卡，軟件平臺基于NI的LabVIEW 8.0，除了實現環境溫度采集系統之外，還提供讀者了解LabVIEW中DAQ VI的組織結構和配置通道，學會數據采集系統的設計，實時地顯示溫度和保存數據。探討采樣參數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.