基于LabVIEW的温度监测系统及软件设计

付立华，王 刚，张晓玫

(河南工程学院 电气信息工程学院，河南 郑州 451191)

基于LabVIEW的温度监测系统及软件设计

付立华，王 刚，张晓玫

(河南工程学院 电气信息工程学院，河南 郑州 451191)

为提高温度测量的智能化水平并降低仪器成本，设计了一种虚拟温度监测系统.该系统用热电偶采集工作端温度，用AD590采集冷端温度，用神经网络算法实现了热电偶的冷端补偿和非线性校正.开发了基于LabVIEW的温度监测系统软件，该软件具有数据的采集、处理、分析、显示、保存以及温度的报警功能.仿真实验表明，该监测系统测温准确、稳定可靠，可满足实际需要，有较高的应用价值.

LabVIEW；Matlab；神经网络；热电偶；监测软件

温度是工业生产和科学研究中一个需要测量和控制的重要物理量.现代温度监测系统除了具有基本的显示实时温度的功能之外，还需要对温度数据进行统计、分析和保存.虚拟仪器技术以“软件即仪器”为宗旨，充分发挥了软件的强大功能，不仅可以降低仪器的成本，而且可以提高系统的智能化程度、可操作性和灵活性[1].

传统的以热电偶为敏感元件的测温通过硬件电路实现冷端补偿和非线性校正，软件补偿主要采用查表法、分段线性拟合法和分段多项式拟合法[2-3].目前，基于虚拟仪器的热电偶测温软件补偿主要是查表法，还有一些学者对采用神经网络的软件补偿方法进行了理论研究[4].

在部分传统测量技术的硬件条件下，采用PCI-6221数据采集卡完成温度信号采集，以美国国家仪器公司(NI)的图形化编程软件LabVIEW为开发平台，设计了虚拟热电偶温度监测软件系统.该系统采用神经网络实现热电偶的冷端补偿和非线性校正，并以实际电信号模拟热端和冷端温度信号进行仿真实验，实现了虚拟测温、数据分析及储存等功能.

图1 系统总体结构Fig.1 Block diagram of system structure

1 系统总体设计

系统的总体结构如图1所示，主要由硬件和软件两部分组成.硬件包括信号调理电路、数据采集卡、单片机和计算机，软件用LabVIEW 8.0作为开发平台.

2 系统软件设计

系统软件包括温度数据采集模块、温度分析模块、热电偶冷端补偿模块、非线性校正模块和控制模块，主要完成数据的采集、处理、显示、冷端补偿、与单片机通信等功能.

2.1温度数据采集模块

温度数据采集模块的LabVIEW程序如图2所示.DAQmx Create Virtual Channel. vi节点可以指定采集卡通道、测量电压的上下限值以及测量类型等.DAQmx Timing. vi节点用于配置采样数和采样率.温度数据的采集时间间隔可以通过前面板的延迟时间控件来控制.

图2 数据采集模块Fig.2 Data acquiring diagram

2.2冷端补偿和非线性校正模块

当热电偶的冷端温度恒定时，热电动势与工作端温度成单值函数关系，各种热电偶分度表都是以冷端温度为0 ℃时制作的.在实际测温中，冷端温度不是0 ℃，并且随环境温度而变化，需要进行冷端补偿.热电偶的输出电压与冷热端的温度差也不是线性关系，需要进行线性化处理.

当热电偶的冷端温度t0≠0 ℃时，可以由下式计算和修正测量误差：

EAB(t,0 ℃)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0 ℃)，

(1)

其中，EAB(t,t0)是直接测得的热电势值.修正时，先测出冷端温度t0，然后从该热电偶分度表中查出EAB(t0,0 ℃)，根据式(1)计算出EAB(t,0 ℃)，再在分度表中查出相应的温度值t.

以上的修正过程就是求解EAB(t,t0)，t0和t的一个非线性映射.理论上，一个3层BP网可以以任意精度逼近任意非线性函数，所以训练后的神经网络可以达到与实际的输入输出曲线几乎完全拟合.

本研究在Matlab环境中进行仿真实验，建立的BP神经网络结构为2-10-1型，其中输入层节点数为2，分别是热电偶工作端测量值和冷端温度值，隐层节点数为10，输出层节点数为1，即热电偶测量的温度值[5].BP神经网络的权值和阈值的初始值是随机数，无法准确获得.为此，引入遗传算法优化出最佳的初始权值和阈值.具体步骤是将神经网络算法作为遗传算法的一个目标函数，函数的输出是测试样本的误差范数，误差越小代表网络的拟合精度越高，在遗传算法部分得到的该个体适应度值越大.Matlab训练完成后存储网络，在实际测温中利用Labview函数模板中的Matlab节点直接调用训练好的神经网络，实现热电偶的校正和补偿.选择器接线端连接枚举型控件，用于选择所用热电偶的分度号，有K,E,N,S,T,B,J,R共8种热电偶可供选择.

2.3温度监测模块

温度监测模块主要完成数据的处理、分析、显示、保存、查询以及温度的报警功能.

2.3.1 数据的处理和分析

在实际应用中，温度信号混有一些尖峰或者非平稳的白噪声信号，小波分析能同时在时频域内对信号进行分析，有效地去除噪声.程序采用sym8小波对信号进行3层分解，对细节系数选择sure阈值模式[6]，小波去噪可在Matlab节点内实现.温度采集过程结束后，利用While循环框外的Array Max & Min函数和Mean函数计算温度的最大值、最小值和均值，并利用波形图表显示出温度历史趋势曲线.另外，还可以完成摄氏温度和华氏温度的转换、最高温度的设定和报警等功能.

2.3.2 数据的保存和查询

保存和读取文件是测量系统必须具备的基本功能.考虑到计算机硬盘的容量有限，连续的存盘不能维持太久.设计在正常温度条件下，只存储少量数据；在温度超过高限温度报警时，开始存储大量数据.两种数据文件分别建立两类文件进行保存，可以方便地检索到异常温度出现的位置，还可以用来回放异常温度的波形文件[7-9].

2.4控制模块

针对不同分度号的热电偶设置了8种放大倍数，控制方法有手动切换开关和单片机控制模拟开关两种.单片机控制模拟开关工作过程为计算机的LabVIEW通过RS-232串口发送控制命令给单片机，单片机根据不同的命令信号切换放大倍数.

使用VISA实现LabVIEW中的串行通信.VISA作为测试程序和数据传输总线的中间层，为应用程序和仪器总线的通信建立了通道.使用VISA编写仪器控制程序，不需要了解底层实际的接口类型，只需掌握VISA I/O的函数库，程序在运行时VISA就会根据实际接口类型自动调用相应的接口驱动程序，完成通信操作.

控制模块前面板如图3所示，控制模块程序框图如图4所示.

图3 控制模块前面板Fig.3 Front panel of control module

图4 控制模块程序框图Fig.4 Block diagram of control module

3 系统仿真实验研究

PCI-6221是一种基于PCI总线的M系列多功能数据采集卡，它采用的是一个A/D转换器，可实现分时多路采集.该板卡采样率为250 K，16位分辨率；16路模拟输入通道，2路模拟输出通道；24路数字I/O，2个32位定时器；最大电压为-10～+10 V，最小电压为-200～+200 mV.

3.1冷端为0℃时的实验

利用CSY2000型系列传感器与检测技术实验台提供的直流稳压电源模拟E型热电偶的工作端热电势，输入到数据采集卡PCI-6221的Dev1/ai1输入通道.Dev1/ai0输入通道短接后接地，模拟冷端为0 ℃的状态，实验结果如表1所示.

表1 冷端为0 ℃的实验数据Tab.1 Data of cold-junction at 0 ℃

3.2冷端为11.85℃时的实验

Dev1/ai0输入通道接入2.84 V电压.AD590的温度系数是1 μA/K，设计的AD590串联一个10 K电阻，所以计算出冷端温度为t0=100×2.84-273.15=11.85 ℃，实验结果如表2所示.

3.3实验结果分析

由实验结果可以看出，冷端为0 ℃时，系统测量的最大绝对误差为0.45 ℃，平均绝对误差为0.23 ℃，平均相对误差为0.23%；冷端为11.85 ℃时，系统测量的最大绝对误差为0.81 ℃，平均绝对误差为0.23 ℃，平均相对误差为0.45%.导致测量精度稍有降低的原因是冷端接入模拟信号电压时，增加了干扰及不稳定因素.系统总体的测量精度为±1 ℃，界面友好，运行稳定，完全可以满足实际工业中测温的需要，有较大的应用价值.

表2 冷端为11.85 ℃的实验数据Tab.2 Data of cold-junction at 11.85 ℃

4 结语

介绍了虚拟温度监测系统的组成，以LabVIEW 8.0为开发平台，进行了监测系统的软件设计.实验结果表明，系统可以完成温度测量、信号处理、数据存储和高限报警等功能.考虑到实验台稳压电源的精度和稳定性有限，在实际应用中，若能有效抑制对微弱温度信号的各种干扰，系统精度可进一步提高.

本设计使用稳压电源模拟热电偶冷端和热端的电信号，而如何设计实际的测量电路和抑制干扰还有待于进一步研究.

[1] 付立华，张晓玫，潘龙飞．基于LabVIEW的多通道温度实时监测系统[J].仪表技术，2012(12):34-36，40.

[2] 刘珂琴，潘雪涛．基于虚拟仪器的远程热电偶测温系统设计[J]．仪表技术与传感器，2007,23(3):162-164.

[3] 夏昌浩，杨力森，李宁，等．一种高精度热电偶模型及其测温虚拟实现[J]．微计算机信息，2010(6):27-29，103.

[4] 付立华．BP神经网络在虚拟测温中的应用与实现[J]．仪表技术，2013(9):17-19，22.

[5] 史峰，王辉，郁磊，等．Matlab智能算法30个案例分析[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2011:29-35.

[6] 张德丰．Matlab小波分析[M]．北京：机械工业出版社，2010:91-97.

[7] 岂兴明，田京京，夏宁．LabVIEW入门与实践开发100例[M]．北京：电子工业出版社，2011:344-348.

[8] 陈昌鑫，靳鸿，冯彦君，等．数据采集卡和虚拟示波器系统[J]．仪表技术与传感器，2012(3):67-69，72．

[9] 侯国屏，王坤，叶齐鑫，等．LabVIEW 7.1编程与虚拟仪器设计[M]．北京:清华大学出版社，2005:266-281.

TemperaturemonitoringsystemanddesignofsoftwarebasedonLabVIEW

FU Li-hua, WANG Gang, ZHANG Xiao-mei

(CollegeofElectricalInformationEngineering，HenanInstituteofEngineering，Zhengzhou451191，China)

To raise the intelligent level of temperature testing and reduce the cost of instruments, the temperature monitoring system was designed. Thermocouple was used to pick up the temperature information of hot-junction and AD590 measure the temperature of cold-junction. The thermocouple was compensated and corrected using BP neural network. The monitoring software was developed based on LabVIEW. The software system has functions of data acquisition, processing, analysis, display, store and alarm. Simulation experiments show the system is accuracy, stable and reliable and can meet the actual needs, having high application value.

LabVIEW；Matlab；neutral network; thermocouple; monitoring software

2013-11-08

付立华(1973-)，女，黑龙江双城人，讲师，主要研究方向为人工智能与虚拟测试技术.

TP273

A

1674-330X(2014)01-0067-04