虛擬儀器遠(yuǎn)程溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　自20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)在數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)測(cè)試和測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，促進(jìn)和推動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)量?jī)x器的設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)發(fā)生了深刻的變化。從定義上看，虛擬儀器似乎只是新一代的測(cè)量?jī)x器。然而虛擬儀器所具有的諸多特點(diǎn)使其早已突破測(cè)試領(lǐng)域的范圍，在控制領(lǐng)域也得到越來(lái)越廣泛的使用。目前，虛擬儀器在國(guó)外的應(yīng)用已經(jīng)非常普及，在控制領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越多，在國(guó)內(nèi)已有很多院校的實(shí)驗(yàn)室引入了虛擬儀器系統(tǒng)，清華大學(xué)汽車系利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的出廠檢驗(yàn)。
　　
　　LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)國(guó)家儀器公司（NATIONALINSTRUMENT，簡(jiǎn)稱NI）的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，是目前zui流行的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)。然而LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)中提供的驅(qū)動(dòng)程序均是面向NI公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡（DAQdataacquisitionboard）的。對(duì)于非NI公司的板卡，由于“Measurement＆Automation”軟件不可識(shí)別，所以LabVIEW環(huán)境下不能直接對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。而NI公司生產(chǎn)的板卡價(jià)位較高，對(duì)于國(guó)內(nèi)大多數(shù)用戶來(lái)說(shuō)難以接受。本文利用調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)機(jī)制在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)了對(duì)通用板卡UA201D的驅(qū)動(dòng)，解決了LabVIEW與國(guó)內(nèi)普通數(shù)據(jù)采集卡的尷尬局面。完成了在LabVIEW環(huán)境下利用普通數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信號(hào)的采集、調(diào)理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)量和控制，測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)和讀取，并能在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布。
　　
　　1、系統(tǒng)構(gòu)建方案
　　
　　根據(jù)采用總線的不同及其相應(yīng)的I/O接口硬件設(shè)備，虛擬儀器的構(gòu)成方式主要有5種類型：PC-DAQ系統(tǒng)、GPIB（GeneralPurposeInter-faceBus）系統(tǒng)、VXI（VMEBusExtensionsforInstrumentations）系統(tǒng)、PXI（PCIBusExtensionsforInstrumentation）系統(tǒng)和串口系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用了PC-DAQ方式，它是以數(shù)據(jù)采集板、信號(hào)調(diào)理電路及計(jì)算機(jī)為儀器平臺(tái)組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。
　　
　　本系統(tǒng)由溫度測(cè)量電路、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和溫度控制電路組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。　　
　　電阻爐是熱加工設(shè)備，其溫度為被控對(duì)象；溫度傳感器采用Pt100鉑熱電阻，用來(lái)測(cè)定電阻爐的溫度，測(cè)溫范圍設(shè)置為0～200℃；信號(hào)調(diào)理模塊將熱電阻輸出的微小電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)采集卡可識(shí)別的0～+5V的信號(hào)；數(shù)據(jù)采集卡采用北京優(yōu)采公司生產(chǎn)的PCI總線數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品UA201D，有效的將外部硬件設(shè)備與計(jì)算機(jī)相連；雙向晶閘管是執(zhí)行器件。爐溫由熱電阻測(cè)量，熱電阻輸出的電信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊放大、濾波后，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)爐內(nèi)實(shí)際溫度和系統(tǒng)的給定溫度求出偏差，再利用PID控制算法求出系統(tǒng)的輸出控制信號(hào)，并將此信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制后端電路工作的高低電平，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸出給外部雙向晶閘管，改變輸入給電阻爐的功率，從而改變爐內(nèi)的溫度，zui終達(dá)到控制溫度的作用。
　　
　　2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)
　　
　　系統(tǒng)硬件電路如圖2所示，上面部分是測(cè)溫電路，下面部分是溫控電路，這兩部分電路的設(shè)計(jì)主要涉及到測(cè)溫電路中傳感器鉑電阻的使用和溫控電路中執(zhí)行器件雙向晶閘管技術(shù)。　　
　　2.1Pt100的使用
　　
　　Pt100溫度檢測(cè)器是一種以白金（Pt）做成的電阻式溫度檢測(cè)器，屬于正溫度系數(shù)熱電阻傳感器。選用WZP-120型鉑電阻溫度傳感器。其主要技術(shù)參數(shù)如下：
　　
　　測(cè)量范圍：-200℃～+850℃；
　　
　　允許偏差值△℃：B級(jí)±（0.30+0.005|T|）；
　　
　　熱響應(yīng)時(shí)間<30s；
　　
　　允通電流≤5mA。
　　
　　2.2BTA12的使用
　　
　　本系統(tǒng)所用的執(zhí)行器件是雙向可控硅，又稱雙向晶閘管，型號(hào)為BTA12。控溫所用可控硅電路的任務(wù)是通過(guò)調(diào)壓來(lái)實(shí)現(xiàn)交流調(diào)功。通常，由晶閘管實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓的途徑有兩條：一是調(diào)相，二是脈沖調(diào)功，在此使其工作在脈沖調(diào)功方式，相對(duì)于前者而言，這種方式具有不對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染和干擾其它用電設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)。
　　
　　為了在使用時(shí)不必?fù)?dān)心由于外電路原因或誤操作引發(fā)計(jì)算機(jī)部件和采集卡的燒壞，需要在采集卡和強(qiáng)電設(shè)備之間設(shè)置電隔離，考慮到采集卡的輸出信號(hào)需要對(duì)后續(xù)電路的觸發(fā)，本系統(tǒng)的溫度控制電路主要由隔離、同步、觸發(fā)及負(fù)載等單元組成。為了方便起見，這里采用集隔離、過(guò)零檢測(cè)、過(guò)零觸發(fā)功能于一體的光電耦合器件MOC3041，可為大功率的晶閘管提供足夠的觸發(fā)電流。溫控電路的工作原理是：當(dāng)從數(shù)據(jù)采集卡的AO端輸入低電平時(shí)，雙向晶閘管導(dǎo)通，加熱絲加熱；當(dāng)輸入高電平時(shí)，即呈阻斷，加熱絲不工作。但因觸發(fā)電路是過(guò)零觸發(fā)，晶閘管的導(dǎo)通和截止時(shí)刻都將延遲到交流正弦波電壓零點(diǎn)交越附近。因此，負(fù)載電流為正弦波，減少了對(duì)電網(wǎng)的干擾。
　　
　　3、LabVIEW驅(qū)動(dòng)UA201D的實(shí)現(xiàn)
　　
　　UA201D數(shù)據(jù)采集卡是北京優(yōu)采公司生產(chǎn)的PCI總線數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，分辨率為12bit，zui高實(shí)用采樣頻率為125kHz，模人模出范圍為±5V。
　　
　　本系統(tǒng)利用CLF函數(shù)調(diào)用數(shù)據(jù)采集卡的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)UA201D.DLL來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。在此動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中被調(diào)用的函數(shù)主要包含以下幾個(gè)：StartDevice（shortstart），這個(gè)函數(shù)用于打開和關(guān)閉設(shè)備，當(dāng)設(shè)備不存在或者打開設(shè)備失敗時(shí)，會(huì)調(diào)用voidExit（intres）函數(shù)退出程序；AiStartContml（shortaistart）主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的打開和關(guān)閉；AiControl（shortaiacquiremode，unsignedcharaichannel，unsignedcharaigain，unsignedshortaicounter0_0）主要用于完成數(shù)據(jù)采集模式，采集通道，采集范圍等參數(shù)的設(shè)置，并對(duì)驅(qū)動(dòng)程序上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，zui后返回用戶界面可以識(shí)別的數(shù)據(jù)；AoStartControl（shortaostart）實(shí)現(xiàn)模擬輸出功能的打開與關(guān)閉；AoControl（shortaochannel，doubleaodata）實(shí)現(xiàn)模擬輸出通道的參數(shù)設(shè)置，并把模擬數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后發(fā)送給驅(qū)動(dòng)程序。
　　
　　4、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　
　　系統(tǒng)的軟件程序采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，即將系統(tǒng)劃分成幾個(gè)相互獨(dú)立的功能模塊，各模塊內(nèi)部分別完成確定的任務(wù)，模塊之間相對(duì)獨(dú)立而又通過(guò)系統(tǒng)的框架協(xié)議相互。為了使各模塊之間按照系統(tǒng)的框架協(xié)議協(xié)調(diào)動(dòng)作和相互通信，以及實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，設(shè)計(jì)了提供用戶接口的主控程序。在用戶通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤發(fā)出指令后，主控程序通過(guò)統(tǒng)一調(diào)度各功能模塊實(shí)現(xiàn)用戶意圖。根據(jù)電阻爐溫度控制系統(tǒng)的基本要求，將系統(tǒng)劃分為九個(gè)功能模塊：溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、PID控制模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊、數(shù)據(jù)查看模塊、數(shù)據(jù)打印模塊、錯(cuò)誤事件處理模塊和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。為每一個(gè)模塊創(chuàng)建SubVI程序，作為未來(lái)VI子程序的非功能性原型表征，同時(shí)SubVI程序定義圖標(biāo)和創(chuàng)建前面板，使其包含所需的輸入輸出接口，使這些SubVI程序去組裝頂層框圖。
　　
　　系統(tǒng)的主控模塊提供了溫度控制功能。它通過(guò)與其它模塊的通訊來(lái)完成數(shù)據(jù)采集與處理、PID控制、數(shù)據(jù)記錄與查詢等功能。根據(jù)模塊化的編程思想，用LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言，可以方便地寫出溫度控制系統(tǒng)的程序代碼。系統(tǒng)的前面板如圖3所示。　　
　　5、結(jié)束語(yǔ)
　　
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于系統(tǒng)控制對(duì)象的冷卻是自然冷卻過(guò)程，系統(tǒng)剛投入運(yùn)行時(shí)因?yàn)橄到y(tǒng)有一定的超調(diào)量，因此降溫時(shí)間較長(zhǎng)。但進(jìn)入下一個(gè)周期時(shí)很明顯有了很大的改善，因此總的來(lái)說(shuō)系統(tǒng)能夠較快地進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，超調(diào)量不大，穩(wěn)態(tài)誤差很小，控制精度比較高。并且本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用，將普通數(shù)據(jù)采集卡應(yīng)用在本系統(tǒng)中，大大降低了系統(tǒng)的成本和提高了LabVIEW的通用性。遠(yuǎn)程測(cè)控功能的實(shí)現(xiàn)也使得用戶操作起來(lái)非常方便，對(duì)于對(duì)象較小的溫度控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)本系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。