基于LabVIEW軟件和LabJackU12的溫度數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的設(shè)計

1.引言

2o世紀(jì)8o年代美國國家儀器公司提出了虛擬儀器（Virtual Instrument,VI）的概念，它是電子技術(shù)和計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物.它是將傳統(tǒng)儀器裝入計算機，只將數(shù)據(jù)的采集交由硬件來做，而傳統(tǒng)儀器中復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理.分析.顯示則交由功能強大的計算機軟件來完成.這樣一來，虛擬儀器無論在功能.價格.攜帶上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越于傳統(tǒng)儀器.從二十世紀(jì)八十年代“虛擬儀器”的概念的提出一來，短短3o幾年的時間，虛擬儀器技術(shù)得到了很快的發(fā)展.虛擬儀器技術(shù)在工業(yè)過程控制.醫(yī)療衛(wèi)生.電子通信.航空航天.教育教學(xué)等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用.例如2oo8年北京奧運會的主會場鳥巢的結(jié)構(gòu)安全檢測及奧運會期間的天氣預(yù)報.山東大學(xué)醫(yī)學(xué)院研究的胸雙極立體心電圖及其三維可視系統(tǒng)都采用了虛擬儀器技術(shù).

差熱分析（Differential Thermal Analysis-DTA）法是一種重要的熱分析方法.它是指在程序控溫下，測量物質(zhì)和參比物的溫度差與溫度或者時間的關(guān)系的一種測試技術(shù).該技術(shù)廣泛應(yīng)用于測定物質(zhì)在熱反應(yīng)時的特征溫度以及吸收或放出的熱量，包括物質(zhì)相變.分解.化合.凝固.脫水.蒸發(fā)等物理或化學(xué)反應(yīng).差熱分析雖然操作簡單，但在實際工作中往往發(fā)現(xiàn)同一試樣在不同儀器上測量，或不同的人在同一儀器上測量，所得到的差熱曲線的結(jié)果有差異.鑒于虛擬儀器的強大的功能，本文設(shè)計了能實現(xiàn)差熱曲線自動檢測的溫度采集和處理系統(tǒng)，很大程度上消除了人為因素造成的誤差.

2.系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本設(shè)計系統(tǒng)中的溫度的采集，首先是利用熱電偶來測量被測物質(zhì)的溫度，由此輸出的信號再通過LabJack U12將信號輸入到計算機中，與此同時我們還采用數(shù)字溫度傳感器對熱電偶冷端（參比端）溫度進行實時測量，以此來實現(xiàn)對熱電偶的冷端補償，最后通過算法.查表法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的校正.如圖1所示.

本設(shè)計中差熱分析中的溫度的測量是通過熱電偶傳感器獲得的.熱電偶是基于物體的熱電效應(yīng)，把溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號的元件.

由熱電偶的測溫原理可知，熱電極A與B所構(gòu)成的熱電勢滿足：

若將參比端溫度保持一定，使Eab（to）等于常數(shù)C,這時熱電偶的熱電勢關(guān)系變成：

從理論上講，用式（2）關(guān)系測量，設(shè)法保持參比端溫度恒定是行之有效的，而且式（2）又是一個單值函數(shù)的關(guān)系，測量也變得比較簡單.然而在實際測量當(dāng)中，卻難以做到Eab（to）不變.由式（1）可得：

式（3）.（4）中，Eab（to）表示熱電偶的測量端溫度為t,參比端溫度為0℃時的熱電勢；Eab（to,o）表示熱電偶的測量端溫度為to,參比端溫度為0℃時的熱電勢；式（3）與式（4）相減，與式（1）比較，可得：

Eab（t,to）表示熱電偶的測量端溫度為t,參比端溫度為to時的熱電勢；也就是實際測到的熱電勢值.有了式（5），利用軟件處理方法，從對應(yīng)熱電偶的分度表中自動查出對應(yīng)于to的熱電勢Eab（to,o），再將這個熱電勢值與實際所測得的Eab（to,o）相加，得到的結(jié)果就是熱電偶的測量端的溫度為t,參比端溫度為0℃時對應(yīng)于的熱電勢Eab（t,o），最后再從分度表中自動查得對應(yīng)于Eab（t,o）的溫度值，這個溫度就是熱電偶測量端的實際溫度t.

3.系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本設(shè)計系統(tǒng)的LabVIEW程序的由一個大的條件結(jié)構(gòu)構(gòu)成，通過前面板的按鈕控制數(shù)據(jù)的讀取，其內(nèi)部由一個大While循環(huán)構(gòu)成，主要由信號數(shù)據(jù)采集.圖形顯示.實驗數(shù)據(jù)保存.歷史數(shù)據(jù)回顯.錯誤處理.打印圖形等模塊構(gòu)成，實現(xiàn)了高度的模塊化和自動測試的設(shè)計.

3.1 系統(tǒng)的主界面（Front Panel）

前面板是用戶操作儀器的控制界面，用戶與儀器進行通訊，輸入設(shè)置參數(shù)及輸出結(jié)果顯示的用戶接口，是一種利用虛擬儀器軟件制作的面向用戶的人機交互式界面.本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的前面板如圖2所示.

該前面板上放置了一個輸入控件“EnableStream”,點擊它就可以自動完成信號采集；一個圖形顯示控件用于實時顯示采集到的信號圖形；另外還有通道配置.采樣率.掃描次數(shù).演示.讀取歷史數(shù)據(jù).文件存儲路徑選擇等控件.下面簡要介紹其中的主要功能模塊.

3.2 系統(tǒng)的主要模塊

（1）數(shù)據(jù)采集模塊

在整個程序中至關(guān)重要.其參數(shù)設(shè)置正確與否，直接影響到后面的分析.處理.顯示等功能的實現(xiàn).這部分的參數(shù)設(shè)置主要包括設(shè)備與通道設(shè)置.采樣率.掃描次數(shù)設(shè)置等.

本設(shè)計數(shù)據(jù)采集所用的是AIStreamStart函數(shù)， 實現(xiàn)硬件定時的連續(xù)數(shù)據(jù)采集.

AIStreamStart函數(shù)進行數(shù)據(jù)連續(xù)采集時，先是將數(shù)據(jù)存放在LabJack的緩沖區(qū)內(nèi)，然后傳送到計算機的內(nèi)存中.調(diào)用該函數(shù)后必須不斷調(diào)用AIStreamRead函數(shù)（讀取等待可用的掃描信號數(shù)），最后調(diào)用AIStreamClear函數(shù)（此函數(shù)將停止連續(xù)數(shù)據(jù)的獲得，它必須在流程結(jié)束后調(diào)用）.注意在連續(xù)采集的過程中，LabJack是不能做任何的其它工作的.

（2）數(shù)據(jù)處理模塊

該數(shù)據(jù)處理模塊的功能主要是將采集到的各個時間點上的溫度或歷史保存的溫度數(shù)據(jù)按照時間順序生成數(shù)組，為后面的圖形的顯示作鋪墊.該模塊是使用層疊式順序結(jié)構(gòu)，通過調(diào)用LabJack U12安裝程序自帶的“applyformula to array.vi”程序?qū)崿F(xiàn)的.

（3）圖形顯示模塊

在這個程序中要把采集到的溫度與時間的關(guān)系以圖形的形式顯示出來，即圖形顯示的橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為溫度值，二者的值要一一對應(yīng)起來，在圖形形成一個點.各個點通過曲線擬合形成差熱曲線.在程序的設(shè)計過程中要特別注意圖形顯示的實時性，只要點擊前面板的開始采集按鈕，差熱曲線就根據(jù)采集到的溫度數(shù)值的變化而隨即變化.

4.結(jié)論

本文通過對LabJack的封裝程序LJStream函數(shù)的改動，設(shè)計了基于LabVIEW和LabJackU12的溫度數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng).經(jīng)調(diào)試證明可以很好地實現(xiàn)4通道數(shù)據(jù)的單端輸入或差分輸入的數(shù)據(jù)的采集.圖形的顯示.數(shù)據(jù)的保存.圖表的打印等功能.該系統(tǒng)給差熱分析工作帶來了很多方便，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集處理的模塊化和測試的自動化.實際上該系統(tǒng)已經(jīng)用于某公司的差熱曲線的自動測試中，且效果很好.另外該系統(tǒng)可移植來用于建筑物下沉位移量的自動測量.DTC的性能檢測或其它低頻信號的采集和數(shù)據(jù)處理中，具有很大的應(yīng)用價值.