基于虚拟仪器的热电偶温度巡检仪的设计与实现Word格式.docx
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摘要
温度检测在工农业生产、科研等工作中占有重要地位，温度检测仪器的功能和质量对于温度测试的结果有着很大影响，因此开发高性能的温度测试仪是十分必要的。
虚拟仪器是以计算机为基础，配以相应测试功能的硬件作为信号输入输出的接口，利用虚拟仪器软件开发平台（如LabVIEW）在计算机上虚拟出仪器的面板并实现相应的功能，实现信号采集、分析、数据处理和结果显示的系统。
本文设计的虚拟热电偶温度巡检仪采用NIPCI-6221数据采集卡，可实现对八路温度数据的实时采集与实时显示、系统管理、数据处理、数据存取。
论文首先简单介绍了虚拟热电偶温度巡检仪研究的背景、目的及意义，并给出了虚拟热电偶温度巡检仪的总体设计方案，用户可根据需要在前面板对热电偶的型号进行选择。
其次，对数据采集模块和LabVIEW软件模块设计进行了详细论述。
基于LabVIEW的软件模块的设计，包括前面板和框图程序的设计。
最后，文中介绍了数据库的原理、使用以及用Access数据库实现数据存取的方法。
关键词：
虚拟仪器；
数据采集；
温度巡检仪；
LabVIEW；
Access；
DesignandImplementationofThermocoupleTemperaturedataloggingdevicesBasedonVirtualInstrument
Abstract
Temperaturedetectionoccupiesanimportantpositionintheindustrialandagriculturalproduction,scientificresearchandotherwork,thefunctionandqualityofthetemperaturedetectionapparatushavesignificantimpactsontheresultsofthetesttemperature,soitisverynecessarytodevelophigh-performancetemperaturemeasuringdevice.Basedoncomputerandwiththecorrespondingtestfunctionhardwareasasignalinputandoutputinterface,Virtualinstrumentisasystemusingvirtualinstrumentsoftwaredevelopmentplatform（eg,LabVIEW）tosimulatetheinstrumentpanelcomputer,toachievethecorrespondingfunctionsandtoachievesignalacquisition,analysis,dataprocessingandresultsdisplay.
ThevirtualthermocoupletemperaturedataloggingdevicesdesignedinthispaperusesNIPCI-6221dataacquisitioncardtofulfillthefunctionofeight-wayreal-timetemperaturedataacquisition,real-timedisplay,systemmanagement,dataprocessingaswellasdataaccess.Thispaperfirstbrieflyintroducesthebackground,purposeandsignificanceofvirtualthermocoupletemperaturedataloggingdevices,andgivesouttheoveralldesignprogramofthevirtualthermocoupletemperaturedataloggingdevices,usershavechoicesaccordingthefirstpanelonthethermocoupletypes.Secondly,thedataacquisitionmoduleandtheLabVIEWsoftwaremoduledesignarediscussedindetail.BasedonthedesignofLabVIEWsoftwaremodules,includingthedesignoffrontpanelandblockdiagramprocess,finally,thepaperintroducestheprincipleanduseofthedatabase,andthewaytoachievedataaccessbywayoftheAccessdatabase.
Keywords:
virtualinstrument;
dataacquisition;
temperaturedataloggingdevices;
LabVIEW;
Access;
第一章绪论
一.1课题研究背景、目的及意义
一.1.1课题研究背景
随着现代控制技术的发展，在工业控制领域需要对现场数据进行实时采集、控制，例如在发电厂、钢铁厂、化工领域的生产中都需要对大量数据进行现场采集，而温度采集又是其中极为重要的部分。
在极端恶劣工作环境下，温度的测量常伴有巨大的撞击力或高温气体的高速流动，其共同特点是温度高且是瞬态变化的，响应时间可达ms甚至us级，测量技术难度大。
常用的温度采集系统绝大部分是由集成的温度传感器和单片机构成的，该技术应用十分广泛，但其编程复杂，控制不稳定，系统的精度不高，这种方案人机界面不友好、调试期长、修改不方便，因此采用效率和自动化水平更高的新的测量手段，是温度测控系统的发展趋势。
目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展，小型、低功耗、高可靠性、低成本的温度传感器已经越来越受到关注，并广泛应用于工业控制和自动化测量系统中。
虚拟仪器技术充分利用计算机强大的运算处理功能，突破了传统仪器在数据处理、显示、传输、存储等方面的限制，它通过交互式图形界面进行系统控制和测量数据显示,并使用框图模块来指定各种功能。
采用集成电路温度传感器和虚拟仪器可以方便地构建一个温度测量系统，且外围电路简单，实现容易，系统硬件维护、功能扩展和软件升级非常方便。
一.1.2目的及意义
随着现代测试技术的不断发展，以LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngi-neeringWorkbench）为软件平台的虚拟仪器测量技术正在现代测控领域占据越来越重要的位置。
因此如何能将热电偶温度测量及技术有效的与LabVIEW虚拟仪器相结合就成了温度测试领域的一个新课题。
本课题就将在美国国家仪器公司（NationalInstruments）的虚拟仪器开发平台LabVIEW上进行，虚拟仪器是计算机技术和仪器测量技术相结合的产物，它充分利用计算机强大的运算处理功能，突破了传统仪器在数据处理、显示、传输、存储等方面的限制。
目前，基于PC的A/D及D/A转换，开关量输入/输出，定时计数的硬件模块，在技术指标及可靠性等方面已相当成熟，而且价格低廉。
常用传感器及相应的调理模块也趋向模块化、标准化，因而减少了硬件的重复开发，这使得我们可以方便地对其进行硬件维护、功能扩展和软件升级。
虚拟仪器技术从八十年代末开始，已经经历十几年的发展历程。
我国虚拟仪器的研究起步较晚，但近几年来也取得了长足进步。
目前虚拟仪器技术正处在一个高速发展的阶段，在其设计过程中所体现出的新颖、灵活的设计思想是对传统仪器设计思想的一次巨大冲击。
它顺应了现代测试仪器微小化、智能化、集成化的要求，所以进行基于虚拟仪器技术的检测系统的开发与研究势在必行，同时也是尽快缩小我国与其它发达国家电测水平差距的一条可行之路。
一.2论文的设计任务
虚拟温度巡检仪系统是基于虚拟仪器平台所开发的应用系统，论文的设计任务主要是利用虚拟仪器平台的功能构建一个集温度信号的采集、存储、分析、处理和显示为一体的温度检测系统，对工艺流程中各点的温度达到实时、可靠检测的目的。
本系统采用虚拟仪器开发平台—LabVIEW软件，采用模块化思想，通过NI公司的数据采集卡PCI—6221采集经热电偶温度传感器、信号调理电路输出的电压信号，并将此温度电压信号转换计算机能够识别的数字信号。
本系统采用热电偶作为温度检测元件，必然存在线性化问题，线性化采用软件处理，调用公式节点编写程序进行线性化。
由于采集来的是电压信号，而要显示温度值，所以就必须进行标度转换。
在数显示模块：
采用波形显示，数值显示，使温度数值更加直观的显示给用户，同时可以显示实时温度值与实时温度曲线，可以使用户对检测点的温度情况有更深入的了解。
此外该系统还具有温度数据的保存、历史温度查询回放等功能模块。
一.3论文研究的重点和难点
温度巡检仪故名思意就是对多路温度进行巡回检测，所以怎样实现多通道数据采集和数据显示是论文的重点。
多通道采样方式的设置同时也是论文中的难点，多数通用采集卡都有多个模入通道，但是并非每个通道配置一个A/D，而是大家共用一套A/D,在A/D之前的有一个多路开关（MUX），以及放大器（AMP）、采样保持器（S/H）等。
通过这个开关的扫描切换，实现多通道的采样。
多通道的采样方式有三种：
循环采样、同步采样和间隔采样。
怎样将采到的多路数据进行数据处理与显示也是论文难点，首先对采来数据进行拆分分别处理，再进行信号合并便可同时在一波形图上显示。
第二章虚拟仪器简介
二.1虚拟仪器概述
虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代，当时的计算机测控技术在国防、航天等领域已经具有了很快的发展速度，PC机的出现使仪器的计算机化成为可能。
虚拟仪器是计算机技术和仪器仪表技术结合的产物。
它把计算机、仪器硬件、固件与计算机软件结合起来。
除继承传统仪器的己有功能外，还增加了许多传统仪器所不能及的先进功能。
虚拟仪器的最大特点是其灵活性。
用户在使用过程中可以根据需要添加或删除仪器功能，以满足各种需求，并且能充分利用计算机丰富的软硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、表达、传送、存储方面的限制。
二.1.1虚拟仪器概念
所谓虚拟仪器（VirtualInstrumention，简称VI），在通用计算机平台上，根据需求定义和设计仪器的测试功能，使得使用者在操作计算机时，就像是在操作他自己设计的测试仪器一样，从而完成对被测试对象的采集、分析、判断、显示、数据存取等功能。
虚拟仪器概念的出现，打破了传统仪器由厂家定义功能的工作模式，使得用户可以根据自己的要求，设计自己的仪器系统。
在测试系统和仪器设计中尽量用软件代替硬件，充分利用计算机技术来实现和扩展传统测试系统与仪器的功能。
“软件就是仪器”是虚拟仪器概念最简单，也是最本质的表述。
虚拟仪器是现代计算机软件技术、通信技术和测量技术相结合的产物，它使得人类的测试技术进入了一个新的发展纪元。
随着计算机技术特别是计算机的快速发展，CPU处理能力的增强，总线吞吐能力的提高以及显示器技术的进步，人们逐渐意识到，可以把仪器的信号分析和处理、结果的表达与输出功能转移给计算机来完成。
这样，可以利用计算机的高速计算能力和宽大的显示屏更好地来完成原来的功能。
二.1.2虚拟仪器的特点及应用
（1）虚拟仪器特点
虚拟仪器是计算机技术介入仪器领域所形成的一种新型的、富有生命力的器种类。
在虚拟仪器中计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧地结合形成了一个有机整体，使得仪器的结构概念和设计观点等都发生了突性的变化。
虚拟仪器特点可以归结为以下五个方面:
①丰富和增强了传统仪器的功能；
②突出“软件就是仪器”的新概念；
③仪器由用户自己定义；
④开放的工业标准；
⑤便于构成复杂的测试系统，经济性好。
（2）虚拟仪器技术的应用
虚拟仪器技术作为计算机技术与仪器技术相结合的创新技术，应用前景十分广泛。
从总体而言，虚拟仪器是测量/测试领域的一个创新概念，改变了人们对仪器的传统观念，适应了现代测试系统网络化、智能化发展趋势。
虚拟仪器技术应用方式各种各样，尤其在工业自动化、仪器制造及实验室方面的应用前景良好，并取得可观的效益。
二.1.3虚拟仪器与传统仪器的比较
虚拟仪器具有传统仪器无法比拟的强大优势，因而必将成为未来仪器发展的趋势。
如表2.1所示虚拟仪器与传统仪器的比较：
表2.1虚拟仪器与传统仪器的比较
VI
传统仪器
开放、灵活，可与计算机技术
保持同步发展
封闭、固定
用户定义仪器功能
厂商定义仪器功能
关键是软件
关键是硬件
价格低、可复用与可重配置性强
价格昂贵
技术更新周期短（1～2年）
技术更新周期长（5～10年）
软件使得开发与维护费用降至最低
开发与维护开销高
与网络及其它周边设备方便互联的面向应用的仪器系统
功能单一、只可连有限的设备
友好的图形界面，计算机读数分析处理
图形界面小，人工读数，信息量小数
面向应用的系统结构，可方便地与外设连接与其他仪器设备的连接十分有限
与其他仪器设备的连接十分有限
二.2虚拟仪器的组成
虚拟仪器（ViurtalInsrtumnet）是基于计算机的仪器。
计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。
这种结合基本有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。
随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。
另一种方式是将仪器装入计算机。
以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能，虚拟仪器主要是指这种方式。
虚拟仪器的组成与传统仪器一样，如图2.1所示的数据采集与控制、数据分析和处理、结果显示三部分组成。
图2.1虚拟仪器的内部功能划分
对于传统仪器，这三个部分几乎均由硬件完成；
对于虚拟仪器，前一部分由硬件构成。
后两部分主要由软件实现。
与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化，设计工作量大大减小。
二.2.1虚拟仪器I/O接口设备
1/0接口设备主要用来完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。
可根据实际情况采用不同的1/0接口硬件设备，如数据采集卡版（DAQ）、GPIB总线仪器、VXI总线仪器、串口仪器、USB等。
虚拟仪器的构成主要有五种类型，如图2.2所示。
图2.2虚拟仪器构成方式
（1）DAQ归（DataAequisition）数据采集卡指的是基于计算机标准总线（如ISA、PCI、USB等）的内置功能插卡。
其中USB是最新技术的数据采集卡，具有精度高，可携性好等优点，它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性，更为详细的内容将在后面章节加以介绍；
利用DAQ卡可方便快速地构建虚拟仪器系统。
在性能上，随着A/D转换技术，滤波技术和信号调理技术的发展，DAQ卡的采样速率已达1GB/s，精度高达24位，通道数高达64个，并具有数字I/O，模拟I/O和计数器/定时器等通道。
各仪器厂家生产了大量的DAQ卡功能模块供用户选择，如示波器、串行数据分析仪。
动态信号分析仪、任意波形发生器等。
在计算机上挂接多个DAQ功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有多功能的测试仪器。
这种基于计算机的仪器，既具有高档仪器的测量品质，又能满足测量需求的多样性。
对我国大多数用户来说，它具有很高的性能价格比，是一种特别适合我国国情的虚拟仪器方案。
（2）GPIB（GeneraePurposeInetrafceBus）通用接口总线，是计算机和仪器间的标准通信协议。
GPIB的硬件规格和软件协议以纳入国际工业标准EIEE488.1和EIEE488.2，它是最早的仪器总线，目前多数仪器都配备了遵循IEEE488的GPIB接口。
典型的GPIB测试系统包括一台计算机，一块基于GPIB总线的接口卡和多台GPBI仪器软件及相应的传感模块硬件。
每台GPIB仪器有单独的地址，由计算机控制操作。
系统中的仪器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制软件作相应的改动。
基于GPIB总线结构的接口卡数据传输速率一般低于500kb/s，不适合与对系统速度要求较高的应用。
（3）VXI（VMEbuseXtensionforInsturmenattion）是VME总线在仪器领域的扩展，1993年VXI总线1.4版本被批准为EIEE1155标准，成为开放式工业标准。
仪器专用总线在吸收EIEE488的成功经验基础上，增加了10MHz时钟线，模拟和数字混合总线，星形总线等高速总线，定时关系严格，兼有计算机总线和仪器总线的优点。
（4）Pxl（PCIextensionforInstrumentation）是CompactPCI总线在仪器领域的扩展，是Nl公司于1997年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。
其核心是CompaetPCI结构和MierosotfWindows软件。
PXI是在PCI内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。
PXI增加了用于多板同步的触发总线和旧MHz参考时钟、用于精确定时的星形触发总线，以及用于相邻模块间高速通信的局部总线等，来满足实验和测量用户的要求。
PXI兼容CompactPCI机械规范，并增加了空气冷却装置、环境测试（温度、湿度、振动和冲击实验）等要求。
这样可保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性。
（5）串口系统：
串口系统是以Serial标准总线仪器与计算机为仪器精简平台组成的虚拟测试系统。
RS—232总线是早期采用的通用串行总线，将带有RS—232总线接口的仪器作为1/0接口设备，通过RS—232串口总线与计算机组成虚拟仪器系统目前仍然是虚拟仪器构成方式之一，主要适用于速度较低的测试系统。
二.2.2虚拟仪器的软件结构
虚拟仪器技术的核心是软件，其软件基本结构如图2.3所示。
用户可以采用各种编程软件来开发自己所需要的应用软件。
以美国Nl公司的软件产品LabVIEW和LabWindows/CVI为代表的虚拟仪器专用开发平台是当前流行的集成化开发工具。
这些软件开发平台提供了强大的仪器软面板设计工具和各种数据处理工具，再加上虚拟仪器硬件厂商提供的各种硬件的驱动程序模块，大大简化了虚拟仪器的设计工作。
随着软件技术的迅速发展，软件开发的模块化、复用化，和各种硬件仪器驱动软件的模块化、标准化，虚拟仪器软件开发将变得更加快速、方便。
图2.3虚拟仪器软件结构
二.3虚拟仪器的开发软件
二.3.1虚拟仪器的开发语言
虚拟仪器系统的开发语言有：
标准C，VisualC++，VisualBasci等通用程序开发语言。
但直接由这些语言开发虚拟仪器系统，是有相当难度的。
除了要花大量时间进行测试系统面板设计外，还要编制大量的设备驱动程序和底层控制程序。
这些工作对于那些不熟悉这方面知识的工程设计人员来说，要花费大量时间和精力，这样直接影响了系统开发的周期和性能。
除了通用程序开发语言以外，还有一些专用的虚拟仪器开发语言和软件，其中有影响的开发软件有:
NI公司的LabVIEW，LabWindowsCVI。
LabviEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。
LabWindowsCVI是为熟悉C语言的开发人员准备的，是在Windows环境下的标准ANSIC开发环境。
除此以外还有HP公司的HP—VEE，HP—TIG开发平台，美国Tektrornix公司的Ez-Test，Tek-TNs平台软件，这些都是国际上公认的优秀的虚拟仪器开发软件平台。
二.3.2虚拟仪器开发平台——LabVIEW
LabVIEW（LaboratoryVirtualinstrumentEngineering）是一种图形化的编
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