基于LabVIEW的干燥过程果蔬内部温度测试

黄俭花 张绪坤 祝树森 徐 刚 徐建国

(南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室1，江西 南昌 330063;江西省科学院2，江西 南昌 330029)

基于LabVIEW的干燥过程果蔬内部温度测试

黄俭花1张绪坤1祝树森1徐 刚2徐建国2

(南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室1，江西 南昌 330063;江西省科学院2，江西 南昌 330029)

温度是影响果蔬干燥过程的重要参数之一。采用探针法设计了一种测试干燥过程果蔬内部温度的系统。该系统以LabVIEW为平台开发虚拟面板，实时显示图形数值温度数据并进行数据保存，有效运用Tab控件实现菜单式友好用户界面;NI9205模块采集信号经过A/D转换，经下位机NI CompactDAQ的USB总线传送至计算机，构建完整的USB数据采集过程。实际应用表明，系统能实时监测干燥过程果蔬内部的温度变化，为干燥过程果蔬内部热传递现象的研究提供有效途径。

果蔬 干燥过程 温度测试 LabVIEW 选项控件 数据采集

0 引言

在干燥过程中，果蔬会发生一系列物理性质、化学性质和营养成分的变化，这些都与果蔬内部温度的分布密切相关。温度作为干燥过程中的重要参数，其对干燥过程和干燥产品有直接影响。过低的干燥温度延长干燥时间，增加干燥成本，与节能干燥相背离，另外长时间的低温干燥促使微生物滋生较快，对干燥产品质量有较大影响;过高的干燥温度使果蔬内部的酶、蛋白质、维生素等营养物质和细胞结构发生不可逆变化，直接影响干燥产品的质量和口味。因此，准确测量果蔬内部的温度分布及变化规律，是了解干燥过程果蔬内部传热传质有效和直观的手段，它能为正确认识果蔬内部传热传质现象提供依据，对干燥产品质量和干燥生产状况有着重要影响［1］。

LabVIEW强大的图形化功能，能为数据采集、仪器控制、测量分析与数据显示等各种应用提供必要的开发工具［2-3］。本文设计了一套基于LabVIEW干燥过程果蔬物料内部温度的测试系统。

1 系统硬件设计

本文设计的干燥过程果蔬内部温度测试系统中，计算机是虚拟仪器硬件平台核心，软件是主宰，高质量的采集卡和高精度传感器是关键［4］。系统硬件结构主要由温度测试对象、温度传感器、NI CompactDAQ9174机箱、NI9205数据采集卡和安装有LabVIEW的计算机组成。

1.1 计算机

计算机是数据采集系统的中央控制单元，也是完成系统功能的核心部件。数据采集系统使用的计算机会极大地影响连续采集数据的最大速度。PCI总线和USB接口是目前绝大多数计算机的标准设备。目前，绝大多数个人计算机可以使用直接内存访问传送方式。数据采集系统使用专门的硬件把数据直接传送到计算机内存，从而提高了系统的数据吞吐量［5］。

1.2 温度传感器

系统中温度的测量主要分为干燥环境温度测量和干燥过程果蔬内部温度测量两个部分。干燥环境温度测量采用英国MICHELL的DS-333-XX-HTO温/湿度传感器，测温范围为0～100℃，精度为±0.3 K(全量程)，输出为0～10 VDC。果蔬内部温度测量采用WZPZB智能化温度变送器，测温范围为0～100℃，精度为±0.05 K(全量程)，输出为1～5 VDC。WZPZB智能化温度变送器具有温度漂移精密自我修正功能以及较强的抗干扰能力和长期的稳定性等优点。

1.3 数据采集卡

对于一个测试模块来说，其基础环节就是数据采集。系统采用NI CompactDAQ的C系列模块中的NI9205数据采集卡。该模块内集成了A/D转换器，具有信号调理和信号连接功能。NI9205数据采集卡安装于NI CompactDAQ9174机箱，用以构建一个自定义的、完整的USB数据采集系统，从而大大简化了安装和驱动。LabVIEW中含有的数据采集助手控件可以提供硬件驱动程序，使得数据采集卡可以轻松、便捷地实现软件和硬件的通信。

2 软件平台

“软件就是仪器”已经成为测试与测量技术发展的重要标志。美国国家仪器公司推出的虚拟仪器开发平台——LabVIEW以其直观、简便而通用的编程方式和模块化，为用户快捷地构建自己在实际生产中所需要的仪器系统创造了基础条件［6］。

LabVIEW程序主要分为三个部分:前面板、程序面板、图标/接线端口。前面板是LabVIEW程序的图形化用户界面，用来编制虚拟仪器的软面板，再现实体仪器面板，人性化的设计满足各种功能和外观的需要。本程序采用Tab控件规划前面板，使得前面板更简洁、清楚，可区分各部分功能控制，充分体现了菜单式用户界面的优点。程序面板依照要实现的功能选择适当的函数图标，并用线有序地连接为完整的数据流程图。图标主要是方便子程序调用，使程序模块化、结构化的实现成为可能［7］。

2.1 用户界面设计

目前，菜单式用户界面的设计主要有以下几种方法:采用编辑菜单的方式、采用子VI动态调用、采用数组函数调用子VI、基于事件编程模型的设计、利用Tab控件嵌套Case结构。考虑到本系统需要实时显示多个参量的曲线，要求多个面板显示，显示任务繁多，因此，本系统采用Tab控件实现多个面板化显示。

在利用菜单操作过程中，会弹出相应的窗口，如果不及时关闭这些窗口，势必会造成前面板杂乱。采用Tab控件可以有效地解决以上问题，只要选择所需要的功能选项就能显示相应内容［8］。

2.2 软件编程实现

基于LabVIEW的干燥过程果蔬内部温度测试系统采用模块化思想来编写，主要实现参数配置、通道选择、温度采集、数据显示和数据保存等功能，每个功能的实现均由一个子模块完成。

2.2.1 数据采集程序

数据采集是该系统软件的主要功能，也是其他程序进行的基础。LabVIEW采集数据并将采集的数据全部存储到指定的文件中，通过图形显示控件在计算机上实时逐点显示，形成数据波形［7］。系统采用的NI-9205数据采集卡，支持DAQmx驱动程序。选择“函数”→“测量I/O”→“DAQmx数据采集模块”编写程序，利用DAQmx函数采集数据。

由于不同通道的参数设置不同，因而编程时采用多个DAQ虚拟通道设置.VI进行并列设置，以满足测量多样化参量的需求。虚拟仪器后面板程序界面如图1所示。

图1 后面板程序界面Fig.1 Interface of rear panel program

2.2.2 数据存储

数据存储有两种机制:一种是基于文件的数据存储，就是利用LabVIEW提供的存储方法将所测得数据直接存为文本文件、电子表格格式文件、二进制文件或者波形文件;另一种是基于数据库的数据存储。本数据采集系统采用基于文件的数据存储，可以很好地满足实时性的要求，根据日期、时间等数据存储数据也比较方便［9］。

流式数据管理技术(technical data management streaming，TDMS)文件是NI主推的一种二进制记录文件，它兼顾了高速、易存取和方便等多种优势，能够在NI的各种数据分析或相关软件之间进行无缝交互，也能够提供一系列API函数供其他应用程序调用［10］。

TDMS的逻辑结构分为三层:文件(file)、通道组(channel groups)和通道(channels)，每一个层次上都可以附加特定的属性(properties)。编程时可以使用这三个逻辑层次定义测试数据，也可以任意检索各个逻辑层次的数据，使得数据检索有序且方便存取［11］。

程序把采集到的数据保存到 Excel里面，利用TDMS Excel Add-in for Microsoft Excel插件使采集到的数据能够在Excel中显示。这样保存的优点是在Excel中可以直接对数据进行统计、分析、计算等操作。

2.2.3 数据显示与参数设置

通过程序采集的数据，经过相应的比例函数后即为所要测量的温度值，在前面板上采用波形图表的方式实时显示。本系统实现两种不同的温度显示方式，一种是单参量显示，另一种是多参量的对比显示。单参量显示能够清晰地显示参量的准确读数，而多参量对比显示可以清晰地显示同类参量之间的差异。两者各有优势，用户可根据需要选择不同的显示面板。

NI9205数据采集卡连接信号源时有三种不同的方式:单端方式、差分方式、单端和差分的组合方式。NI9205数据采集卡可以提供32个单端模拟输入通道或16个差分模拟输入通道、1个数字输入通道、1个数字输出通道、COM以及AISENSE的连接。本系统中均采用单端方式，输入信号以共同的地线为基准，一个信号对应一个单端通道，在接线的同时，记录下各个参量接入NI9205数据采集卡的通道号，为设置通道做准备。如CDAQ1Mod4/ai1、ai2……表示是1号CDAQ机箱4号槽1通道、2通道……。这种连接方式成为多参量测量的前提。

参数设置主要包括采样率、电压量程设定等。采样率决定了每秒钟进行模数转换的次数，一个高采样率可以在给定的时间下采集更多数据，也能更好地反映原始信号。电压量程的设定可以由NI公司的数据采集设备灵活地进行选择配置。该套测温系统集成多种不同采集方式于一体，构建多参量实时监测系统。

2.2.4 子VI的调用

子VI是LabVIEW最基本的概念，包括前面板、程序框图、连接板和图标四个组成要素。LabVIEW中的子VI(SubVI)类似于文本编辑语言中的函数，可以把程序分割为一个个小的模块来实现。随着模块化编程思想的发展，构建和调用子VI能实现LabVIEW的层次化和模块化编程，把复杂的编程问题划分为多个简单的任务。

LabVIEW提供了两种方法创建子程序:一种是把一个完整的VI程序创建为子程序;另一种是把VI程序的一部分创建为子程序［12］。

果蔬内部测温系统通过功能模块化完成相应的功能操作。如在通道选择.VI中，先编写VI的主要程序，使得该程序成为一个独立的程序，然后定义连接端子编辑图标，通过连接端子可以实现程序与主程序之间的数据传送和接收。该程序可以作为一个完整的程序被调用，使程序结构变得更加清晰、层次更加分明、程序更易读、调试更方便。

本系统中多处运用了子VI，如DAQ采集程序、文件路径、队列程序、TDMS数据保存、数据处理程序和换算程序等。各子VI独立运行，采用图标封装，通过连线端子与程序进行数据交换。数据处理程序界面如图2所示。

图2 数据处理程序界面Fig.2 Interface of data processing program

3 结束语

系统以干燥过程果蔬内部温度为测试对象，采用计算机和NI9205数据采集卡作为硬件平台，以LabVIEW作为软件开发平台构建虚拟仪器，实现了对果蔬内部温度的精确测量。前面板的设计再现实体仪器，后面板程序支持前面板各种控件按钮的功能，完善数据采集、处理与显示等功能。该系统集多样化测量、多通道测量和高精度测量于一体，为干燥过程果蔬内部温度变化和分布的研究提供了保证。基于LabVIEW构建的虚拟仪器系统在课题中的运用取得了良好效果，具有设计灵活、界面友好、开发周期短和效率高的优点。

［1］江建军，刘继光.LabVIEW程序设计教程［M］.北京:电子工业出版社，2008:56-78.

［2］白云，高育鹏，胡小江.基于LabVIEW的数据采集与处理技术［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2009:34-38.

［3］谢启，温晓行，高琴妹，等.LabVIEW软件中菜单形式的用户界面设计与实现［J］.微计算机信息，2005，21(1):88-90.

［4］ Martynenko A I.Computer-vision system for control of drying processes［J］.Drying Technology，2006(24):879-888.

［5］ Wang Wenbin，Li Jangyuan，Wu Qijun.The design of a chemical virtual instrument based on LabVIEW for determining temperatures and pressures［J］.Journal of Automated Methods and Management in Chemistry，2007(10):623-630.

［6］ Silva M F，Carvalho V.Remote system of temperature monitoring and control［J］.International Jonrnal of Online Engineering，2008(4):372-375.

［7］王施平，张绪坤，张疆近.基于LabVIEW的热泵干燥数据采集系统设计与试验［J］.传感器技术，2010，343(8):40-42.

［8］郭丹.基于虚拟仪器的多点温度检测控制系统［J］.北京联合大学学报，2010，24(3):33-37.

［9］任德齐，谭中华.基于LabVIEW的温度测试系统的研究［J］.西南师范大学学报，2007，32(5):129-132.

［10］韩英，李景涛.基于LabVIEW的温度监控系统设计［J］.机械工程与自动化，2009，159(2):175-177.

［11］颜园园，张宏群.基于LabVIEW的温湿度测量系统［J］.测控技术，2009，288(1):120-122.

Internal Temperature Test Based on LabVIEW for Fruits and Vegetables in Drying Process

Temperature is one of the important parameters in drying process for fruits and vegetables.A system based on the means of probes to test the internal temperature of fruits and vegetables in drying process is designed.In the system，LabVIEW is used as the platform to develop virtual panel，the temperature data are shown in real-time with graphical figures and stored.Tab control is used effectively to implement the user-friendly interface with menu patterns.Through A/D conversion，the collected signals of NI9205 module are sent to computer via USB of the lower computer NI CompactDAQ，to construct a complete USB data collection process.Practical application shows that the real-time internal temperature variation of fruits and vegetables in drying process can be monitored by the system，thus the basis for researching the phenomenon of heat transfer inside fruits and vegetables in drying process is provided.

Fruits and vegetables Drying process Temperature test LabVIEW Option control Data acquisition

TP274

A

国家自然科学基金资助项目(编号:31060231);

无损检测技术教育部重点实验室开放基金资助项目(编号:ZD200629008)。

修改稿收到日期:2011-10-23。

黄俭花(1987-)，女，现为南昌航空大学机械电子工程专业在读硕士研究生;主要从事机电一体化以及新能源设备与技术的研究。