[摘要]本文介紹了虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境LabVIEW，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的溫度傳感器陣列數(shù)據(jù)采集的虛擬儀器。該系統(tǒng)具有功能強(qiáng)大、技術(shù)超前、采集方便，精度高、擴(kuò)展性好等特點(diǎn)，對(duì)學(xué)生掌握虛擬儀器的設(shè)計(jì)方法具有很好的效果，適合在高校實(shí)驗(yàn)室中推廣。

[關(guān)鍵詞]虛擬儀器 傳感器陣列 數(shù)據(jù)采集

一、前言

在空調(diào)溫度場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)和大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)中，很重要的一部分就是對(duì)多點(diǎn)實(shí)時(shí)采集溫度數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行顯示，存儲(chǔ)和總結(jié)測(cè)試結(jié)果。

由模擬溫度傳感器組成的傳感器陣列，電路復(fù)雜、可靠性差。由于制作的各個(gè)傳感器的靈敏度、線性測(cè)量范圍等特性不一致，需要對(duì)各個(gè)傳感器的性能參數(shù)分別進(jìn)行綜合測(cè)試和定標(biāo)校正。這些傳統(tǒng)儀器很難完成。由數(shù)字溫度傳感器和虛擬儀器技術(shù)建立的傳感器陣列數(shù)據(jù)采集和處理分析系統(tǒng)能較好地克服上述缺點(diǎn)。

本文使用美國國家儀器公司（nation instruments， IN）的LabVIEW (圖形化軟件開發(fā)平臺(tái)和數(shù)據(jù)采集（data acquisition， DAQ）板，采用虛擬儀器軟件方法，建立了一種新的傳感器陣列信號(hào)采集、顯示和處理分析方法，在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)了溫度傳感器陣列在LabVIEW上進(jìn)行多個(gè)溫度采集和顯示。這種方法使得由PC構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的底層開發(fā)程序難度大大降低，開發(fā)維護(hù)費(fèi)用低、技術(shù)更新周期短、用戶可定義功能以及與其它設(shè)備易連接。

二、LabVIEW的開發(fā)環(huán)境

LabVIEW是由美國國家儀器（National Instrument）公司研制開發(fā)的一種標(biāo)準(zhǔn)虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)。LabVIEW中的虛擬儀器相當(dāng)于常規(guī)語言（類似于C和BASIC）中的程序模塊。是一種基于G語言(Graphical programming language)的可視化(圖形化)優(yōu)秀開發(fā)平臺(tái)，它使用“所見即所得”的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面，使用圖標(biāo)表示功能模塊，省卻了復(fù)雜、繁瑣、費(fèi)時(shí)的代碼編寫輸入；連線表示數(shù)據(jù)傳遞，簡(jiǎn)化了圖形編程方式；用數(shù)據(jù)流程語言編寫程序并且還提供調(diào)試功能，支持多種系統(tǒng)平臺(tái)，提供大量庫函數(shù)，包含有從底層VXI儀器、數(shù)據(jù)采集板到總線接口硬件和CPIB的程序的應(yīng)用模塊。

LabVIEW的開發(fā)環(huán)境分為三部分:前面板、框圖程序和圖標(biāo)/連接端口。前面板就是圖形化用戶界面，用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量。在前面板中，輸入量被稱為控制，輸出量被稱為指示，它們通過各種圖標(biāo)如按鈕、旋鈕、開關(guān)、圖表等出現(xiàn)在前面板上，模擬真實(shí)儀器?？驁D程序由節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)連線組成，它利用圖形語言對(duì)前面板上的控制對(duì)象即輸入量和輸出量進(jìn)行控制，節(jié)點(diǎn)用來實(shí)現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，數(shù)據(jù)連線表示程序執(zhí)行過程的數(shù)據(jù)流，它定義了程序框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。圖標(biāo)/連接端口用于把LabVIEW程序定義為一個(gè)子程序，從而實(shí)現(xiàn)模塊化編程，圖標(biāo)是子程序在其它程序框圖中被調(diào)用的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)形式，連接端口則表示節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的輸入、輸出口。LabVIEW具有三個(gè)可移動(dòng)的圖形化工具模板:工具模板、控件模板和功能模板。工具模板提供了用于圖形操作的各種工具，比如定位、標(biāo)注、斷點(diǎn)、連線、文字注釋等;控件模板提供了前面板編輯所需的圖像圖標(biāo)、一些特殊的圖形;功能模板則提供了一些基本的數(shù)學(xué)函數(shù)和其他功能函數(shù)。這三個(gè)模板是LabVIEW編程的主要工具。

三、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

傳感器陣列信號(hào)采集即把待測(cè)信號(hào)通過傳感器變?yōu)殡妷?、電流等波形信?hào)、通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、顯示。該系統(tǒng)硬件部分由傳感器陣列、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集（DAQ）卡、計(jì)算機(jī)幾部分組成。軟件部分負(fù)責(zé)對(duì)采集卡DAQ輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使其變換成相應(yīng)的溫值，然后在顯示器上顯示相應(yīng)的圖線，并存入硬盤。本系統(tǒng)結(jié)果顯示形象直觀，操作方便，并且通過修改軟件還可以容易地?cái)U(kuò)展功能。

1.硬件結(jié)構(gòu)

使用一種一線制數(shù)字溫度傳感器，組網(wǎng)成傳感器陣列，經(jīng)恒電位儀將氧電極的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。信號(hào)

其中信號(hào)調(diào)理電路的主要作用是使傳感器陣列輸出信號(hào)與A/D轉(zhuǎn)換器相適配。例如A/D轉(zhuǎn)換的輸入電平是0-5V，而傳感器輸出信號(hào)通常很小，這時(shí)必須采取放大措施以減小量化誤差，放大器輸出電平愈接近A/D輸入的滿標(biāo)，相對(duì)誤差越小。如果傳感器陣列輸出信號(hào)中混入了虛假成分，還需要進(jìn)行濾波、壓縮頻帶，用以降低采樣率。

2.軟件部分

軟件部分包括對(duì)傳感器信號(hào)顯示和控制的前面板的設(shè)計(jì)和對(duì)傳感器信號(hào)定標(biāo)校正顯示處理的軟件設(shè)計(jì)。虛擬儀器的軟件設(shè)計(jì)在LabVIEW對(duì)LabJack u12數(shù)據(jù)采集卡自帶LabVIEW子VI（LabJack u12提供的LabVIEW環(huán)境下的驅(qū)動(dòng)程序）進(jìn)行調(diào)用的基礎(chǔ)上，分別實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)輸入、處理及信號(hào)顯示輸出功能。該系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)可分為主模塊、信號(hào)采集器模塊、濾波模塊、顯示模塊、等幾個(gè)主要組成部分。在以上各模塊中，除了必要的硬件之外，主要靠軟件實(shí)現(xiàn)它的功能，因此簡(jiǎn)化了硬件資源，它們既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，通過應(yīng)用程序提供的儀器硬件接口，用戶可以以透明的方式來操作儀器硬件。

（1）主模塊。當(dāng)運(yùn)行程序時(shí)，首先，出現(xiàn)的是主模塊界面。在此界面里，明確顯示了主系統(tǒng)各功能按鈕的分布情況。由于本程序采用的軟件平臺(tái)是圖形化的編程語言LabVIEW，可通過交互式的圖形面板對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，在該軟件的前面板體現(xiàn)的是軟件的界面，在圖表板中則是實(shí)際的程序設(shè)計(jì)，程序通過前面板上各種按鈕的響應(yīng)執(zhí)行相應(yīng)的子例程，兩個(gè)示波器控件，準(zhǔn)確的顯示采集到的信號(hào)波形，右邊的設(shè)置一欄，分別可以設(shè)置采樣的通道、采樣點(diǎn)數(shù)和信號(hào)頻率，同時(shí)，反應(yīng)在軟件前面板上，主界面是一個(gè)總控模塊，它運(yùn)行時(shí)一直循環(huán)等待數(shù)據(jù)的輸入。程序不斷在掃描前面板的按鈕，當(dāng)EXIT按鈕按下時(shí)，程序就執(zhí)行該按鈕所對(duì)應(yīng)的子模塊例程，執(zhí)行完后就會(huì)退回到編輯界面上。該虛擬儀器測(cè)控平臺(tái)有較強(qiáng)的可移植性，LabVIEW代碼的移植性也簡(jiǎn)化了該平臺(tái)的維護(hù)與配置。數(shù)據(jù)采集模塊，本系統(tǒng)調(diào)用LabVIEW中自帶的子儀器AI Sample Channels.vi對(duì)指定的模擬量通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將溫度信號(hào)分別輸出。

（2）信號(hào)處理模塊。由于在溫度原始信號(hào)采集的過程中，容易受到脈沖干擾的影響，所以本模塊對(duì)輸入的溫度信號(hào)進(jìn)行判斷，若為干擾則將其按一定算法進(jìn)行處理，否則將輸入信號(hào)直接輸出?？梢圆捎冒吞匚炙嫉屯V波器處理采集的傳感器信號(hào)減少高頻干擾，判斷脈沖干擾的方法是，先根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定一閾值M，將當(dāng)前輸入的信號(hào)值X同前一個(gè)采樣點(diǎn)值Y的差的絕對(duì)值小于M時(shí)，將X直接輸出，否則便認(rèn)為X為脈沖干擾。

我們還要對(duì)傳感器及測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)校正處理，這是因?yàn)閭鞲衅髦圃鞐l件的限制，各個(gè)傳感器間的一致性不是很好。在定標(biāo)校正處理時(shí)，需要對(duì)在已知條件下的各傳感器放大信號(hào)進(jìn)行基線、靈敏度和非線性測(cè)量。對(duì)各個(gè)傳感器的校正參數(shù)存儲(chǔ)，建立各個(gè)傳感器校準(zhǔn)函數(shù)，再反饋到每個(gè)測(cè)量通道，使用校準(zhǔn)函數(shù)對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行線性化校正，完成對(duì)各個(gè)傳感器信號(hào)的靈敏度和基線的歸一化處理。我們采用分析折線補(bǔ)償法，使用分段折線組成的曲線代替實(shí)際特性曲線，在整個(gè)量程范圍內(nèi)分為7段進(jìn)行校正，將傳感器的信號(hào)線性化。測(cè)量時(shí)，各個(gè)傳感器的處理軟件調(diào)用各自的校正數(shù)據(jù)，處理后的各傳感器的靜態(tài)特性基本一致，有助于實(shí)際測(cè)量結(jié)果的分析，可消除非目標(biāo)參數(shù)對(duì)傳感器輸出結(jié)果的影響，有效地提高傳感器的輸出準(zhǔn)確度。

（3）顯示模塊。本模塊以圖表的形式顯示溫度。在本系統(tǒng)的前面板中放入Waveform Chart，在流程圖中將與Waveform Chart對(duì)應(yīng)的圖標(biāo)和溫度的最終輸出相連，并在前面板上修改圖表坐標(biāo)的刻度值，就可以顯示溫度的變化曲線了。

（4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。對(duì)傳感器測(cè)量的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以備以后使用；單路輸入波形圖數(shù)據(jù)將以一行的形式存儲(chǔ)；多路輸入波形將以多行的形式存儲(chǔ)，也可供其他數(shù)據(jù)處理軟件使用。

本子模塊調(diào)用LabVIEW自帶的子儀器Write Characters To File.vi將經(jīng)過處理的溫濕度值存入一個(gè)電子表格文件中。

四、結(jié)語

本文介紹了如何使用LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)一個(gè)溫度測(cè)量的虛擬儀器系統(tǒng)。系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)了溫度的測(cè)量，并將結(jié)果以曲線和數(shù)字兩種方式在顯示器屏幕上顯示。同時(shí)，顯示未經(jīng)軟件處理的溫度電壓信號(hào)的曲線以做對(duì)比；最后，為了方便記錄數(shù)據(jù)，還擴(kuò)展了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)存入一個(gè)電子表格文件中。利用虛擬儀器軟件的開發(fā)平臺(tái)，可方便地開發(fā)滿足各種需求的虛擬儀器，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的開發(fā)、更新和維護(hù)，具有很高的性能價(jià)格比，對(duì)于緩解高校實(shí)驗(yàn)室資金緊張，減小成本大有裨益。

參考文獻(xiàn)：

[1]Gary W.Johnson. LabVIEW Graphical Programming: Practical applications in Instrumentation and control[M].2nd Ed.McGrawHill，1997.

[2]戴光智.基于虛擬儀器和傳感器陣列技術(shù)的綜合無損檢測(cè)系統(tǒng)[J].無損探傷，2007，31(2).

[3]劉金頌，嚴(yán)潔.基于LabVIEW和單片機(jī)的空調(diào)溫度場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，(1).

[4]郁翔，趙學(xué)增.數(shù)字溫度傳感器DS18B20在溫度場(chǎng)測(cè)試中的應(yīng)用[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)， 2004 ，(5).

[5]沙憲政.傳感器陣列數(shù)據(jù)采集和處理的虛擬儀器設(shè)計(jì)[J].中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志， 2004，11(1).

[6]M.Kostic. Data Acquisition and Control for an Innovative Apparatus Using LabVIEW Virtual Instrument[J]. LRA.，1998，（10）.

（作者單位：浙江理工大學(xué)信息與電子學(xué)院）