基于LabVIEW的环境温度采集系统的设计

郑越，唐阳春，杨光

（1.北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京100185；2.郑州市质量技术监督检验测试中心，郑州　450000）

基于LabVIEW的环境温度采集系统的设计

郑越1，唐阳春2，杨光2

（1.北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京100185；2.郑州市质量技术监督检验测试中心，郑州450000）

0　引言

虚拟仪器是将仪器技术、计算机技术、总线技术和软件技术紧密地融合在一起，利用计算机强大的数字处理能力实现仪器的大部分功能，打破了传统仪器的框架，形成的一种新的仪器模式。

温度检测是现代检测技术的重要组成部分，在保证产品质量、节约能源和安全生产方面起着关键的作用。传统的单片机构成的温度采集系统测量精度越来越高，响应时间短，得到越来越多的运用。

本文利用热电偶传感器、PCI-6251数据采集卡、NI ELVIS硬件平台、PC以及LabVIEW 8.0软件为基础完成的采集环境温度系统的设计，同时进一步观察了采样点数的改变对采样速率和波形变化引起的改变。旨在通过本设计熟悉NI ELVIS硬件平台、PCI-6251数据采集卡以及程序编写、采样点数引起的波形变化等，并给予工程人员一些参考和启示。

1　系统设计流程

在设计系统之前，要首先了解系统的总体设计流程图。本设计是一个基于NI ELVIS硬件平台的DAQ虚拟测试系统，采用LabVIEW语言编写应用程序实现PC与PCI-6251数据采集卡温度测控。要求使用DAQ采集温度数据并对采集到的数据进行分析，并在温度超过一个预先设定（可调节）的报警门限时，输出报警信号。系统总体流程图如图1所示：

图1　系统的总体框图设计

编写完成整体的系统流程图后，我们要进一步熟悉配置DAQ采集通道方法：

启动DAQ助手，选择“Express”→“输入”→“DAQ助手”，流程如图2-图4。

图2　DAQ助手迅捷VI方式

图3　DAQ助手新建任务配置对话框

图4　选择热电偶

图5　选择物理通道

2　硬件系统选择与设计

热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件，当两接合点热电偶温度不同时，就会在回路内产生热电流。如果热电偶的工作端与参比端有温差，显示仪表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。

由于热电偶的材料一般都比较贵重，而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。

温度采集系统设计中采用的温度传感器为J式热电偶传感器，它的温度测量范围在-20℃～150℃之间，采用冷端自动补偿方式。

NI ELVIS（Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite，ELVIS）虚拟仪器教学实验系统实际上就是将LabVIEW和NI的DAQ设备相结合，综合应用得到一个LabVIEW的教学实验产物，它包括硬件和软件两部分：硬件包括一台可运行LabVIEW的计算机，一块多功能数据采集卡，一根68针电缆和NI ELVIS教学实验操控工作台；软件则包括LabVIEW开发环境、NI-DAQ、可以针对ELVIS硬件进行程序设计的一系列LabVIEW API和一个基于LabVIEW设计虚拟仪器软件包。该实验套件可插入一块原型实验面板，非常适合教学实验和电子电路原型设计与测试，以便完成测量仪器、电子电路、信号处理、控制系统辅助分析与设计、通信、机械电子、物理等学科课程的学习和实验。

NI ELVIS包括工作台、面包板、旋钮、表笔孔等，其功能为可调直流电源（-12V-0、0-+12V）、信号发生器（Function Generator）（正弦、方波和三角波，幅度频率可调，见面板）、DMM（Digital Multi-Meter，DMM）和示波器，如图6所示。

图6　NI ELVIS硬件平台

实验选用PCI-6251数据采集卡，NI PCI-6251是一款高速M系列多功能DAQ板卡，在高采样率下也能保持高精度。如需更高测量精度，可选择高精度M系列设备，该设备采用18位模数转换器，使分辨率提高了4倍。

硬件系统由PCI-6251数据采集卡（16bits、8通道、双极性（-20 V-+20V）、1MS/S）、NI ELVIS（NI Education Laboratory Virtual Instrumentation Suite，ELVIS）工作台和68-Pin E Series Cable组成，具体连接图如图7所示。

3　系统软件设计

系统软件设计运用LabVIEW 8.0虚拟平台进行开发。软件设计分为前面板设计和程序框设计。程序框设计中包括数据采集、数据处理、数据显示和数据存储模块。

为了验证系统的实用性，我们在虚拟仪器实验室内对设计的实验进行验证，通过图9可以看出，当我们指定温度上限为20℃时，报警灯开始报警，曲线大致成为一条直线，位于24℃附近，证明我们采集的室内环境温度的实用性。我们还验证了如果用手接触热电偶，会看到温度瞬间上升到29℃左右，之后会降到27℃，说明人体的接触会带来2℃左右的升高。

软件系统的前面板设计包括温度的上限设置，开始、暂停控制、温度数据显示、报警显示等。

图9　温度采集系统前面板设计

软件系统设计程序框图采用模块化思想，分别由温度采集模块、温度显示模块和温度保存模块组成。

开始采集时，需要对采样频率和采样点数进行设置，本实验采样率设置为1k，待写入采样数设置为100（表示每次向PC缓冲区写入的采样点数）温度采集模块如图10所示。

系统采集到温度数据传入温度显示系统进行数据处理，并根据设定的温度上限值判断系统是否报警，温度显示模块如图11所示。

图7　实验硬件系统

图8　设备引脚连线

图10　温度采集模块

图11　温度显示模块

图12　温度保存模块

将系统处理后的数据存入温度保存模块进行实时显示与存储。其中数据文件以文本文档形式保存，温度保存模块如图12所示。

将三个模块单元在while循环中进行连接，得到最终的系统程序框图。框图的温度采集采用了数组和簇结构，采用移位寄存器对实时采集的环境温度进行5次平均处理，得到所需的环境温度。while中循环只要不断地采集温度，stop就一直为真，进行无限次循环。输出的数据最后以二维数组的的形式进行保存。程序框图如图13所示:

图13　系统程序框图

4　采集系统运行

连接好硬件平台，进行简单的配置信息，获取实时的室内温度，改变温度设置上限，观察温度曲线看并观察报警灯是否报警。运行结果如图14、图15所示。

将生成的温度数据进行保存，并截取部分数据，观察实时采集的数据的变化，截取的数据如图16所示。

图14　温度上限20℃报警灯显示

图15　温度上限28℃　报警灯未显示

图16　截取的部分温度采集数据报表

5　探讨采样参数的影响

以采样点数为100，频率为1000Hz的标准采样的波形为标准采样。

图17　采样点数为100，采样频率为1000Hz的标准采样

改变采样点数为1000，采样频率不变为1000Hz。可以看到采样的波形显示比较缓慢，图形形态变化不太明显，说明采样的点数越多采样的速度越慢，波形采集越密集。改变采样点数为10，采样频率不变，为1000Hz。可以看到采样的波形显示比较快，图形形态变化非常明显，说明采样的点数越少采样的速度越快，波形采集越稀疏。

6　结语

LabVIEW作为虚拟仪器开发过程中最具代表性的图形化编程语言，是目前国际上应用最广的数据采集和控制开发环境之一。

本系统实现了基于LabVIEW平台的温度数据采集系统设计，利用热电偶温度传感器实时采集环境温度，通过PCI-6251数据采集卡配置通道，实现了信号的显示、存储等，直观地显示室内温度信号波形，并通过手触热电偶，可以观察到温度升高2℃的温度曲线。

同时，在系统设计过程中，对采样点数和采样频率进行控制，观察波形，直观地认识采样点数和采样频率对数据采集速度和波形的影响。得出了采样的点数越多采样的速度越慢，波形采集越密集；采样的点数越少采样的速度越快，波形采集越稀疏的结论。

图18　采样点数为10，采样频率不变　

图19　采样点数为1000，采样频率不变

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Temperature Acquisition；NI ELVIS；PCI-6251 Data Acquisition Card；LabVIEW8.0

Design of the Temperature Acquisition System Based on LabVIEW

ZHENG Yue1，TANG Yang-chun2，YANG Guang2
（1.School of Instrument Science and Optic-Electronic Engineering，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100185；2.Zhengzhou Quality and Technical Supervision and Testing Center，Zhengzhou 450000）

1007-1423（2015）19-0072-06

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.19.018

郑越（1987-），男，山东潍坊人，硕士研究生，研究方向为电子测量技术、医疗仪器

唐阳春（1974-），男，河南郑州人，本科，助理工程师，研究方向为温度计量

杨光（1976-），男，河南郑州人，本科，工程师，研究方向为衡器计量

2014-06-05

2015-06-10

以LabVIEW 8.0程序为基础开发的一项基于检测环境温度的采集系统，实验平台的搭建在校内虚拟仪器实验室，环境温度控制在25度左右。硬件平台主要运用NI ELVIS及PCI-6251数据采集卡，软件平台基于NI的LabVIEW 8.0，除了实现环境温度采集系统之外，还提供读者了解LabVIEW中DAQ VI的组织结构和配置通道，学会数据采集系统的设计，实时地显示温度和保存数据。探讨采样参数的改变对波形采集的影响。

温度采集；NI ELVIS；PCI-6251采集卡；LabVIEW 8.0

Based on the LabVIEW8.0 program，develops an acquisition system based on the temperature of the environment.Builds the experimental platform in the virtual instrument laboratory and temperature which is controlled in 25 degrees.Uses the hardware platform mainly by NI ELVIS and PCI-6251 data acquisition card，and the software platform is used by LabVIEW 8.0.Besides，provides the reader to understand the structure and configuration of channel in LabVIEW DAQ VI as well as designs institute for data acquisition system，temperature display and save the data in real time.Probes into the influence of sampling parameters on waveform acquisition.