关键词：虚拟仪器；LabVIEW；温度测量；数据采集
0 引言
虚拟仪器技术，就是用户在通用计算机平台上，根据测试任务的需要来定义和设计的测试功能，其实质是充分利用计算机来实现和扩展传统仪器功能。“软件就是仪器”反映了虚拟仪器技术的本质特征。美国国家仪器公司生产的NI-LabVIEW是目前最为成功，应用最广泛的虚拟仪器软件开发系统。它一种基于G语言的32位编译型图形化编程语言，其图形化界面可以方便的进行虚拟仪器的开发。在现代工业化生产中，需要进行温度测量和控制的场合越来越多。测温的方法也是多种多样的。
1 虚拟仪器的特点
虚拟仪器设备可以由使用者自己定义，这意味着可以自由地组合计算机平台，硬件（包括传统仪器），软件，以及各种实现应用所需要的附件。这种灵活性在由供应商定义，功能固定，独立的传统仪器上是很难达到的。常用的数字万用表，示波器，信号发生器，数据记录仪，以及温度和压力监控仪器就是这种传统仪器的代表。从传统仪器设备向虚拟仪器设备的转变，为现代实验带来了更多实际的利益，同时也促进着实验手段不断更新。
2 系统设计
2.1 系统硬件结构 虚拟仪器系统的硬件主要是由个人计算机或者工作站和硬件接口模块组成。其中计算机是主体，主要用来提供实时高效的数据处理性能。硬件接口模块包括仪器硬件和各种通用接口总线，主要用来采集，传输信号。仪器硬件如各种传感器，插入式数据采集卡（DAQ），信号调理器等，通用接口总线用来把独立的仪器连接到计算机上。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统，GPIB一起控制系统，VXI仪器系统以及这三者之间的任意组合。
本系统利用半导体来调节温度的大小，利用温度传感器来对温度进行数据采集，利用LabVIEW编程来实现半导体与PC机之间的串行通讯以及虚拟面板的设计，最后由PC机显示测量的溶液温度。对温度的测量而言，温度传感器的选择是整个系统的第一步，也直接影响系统性能的重要因素之一。金属铂的纯度可达99.89%，热性能稳定，线性较好，电阻温度系数分散性小，因此在这里我们选择铂电阻作为温度传感器。图1给出了数据采集系统结构框图，其中信号调节的主要作用是将传感器输出的信号与A/D转换器相匹配。例如A/D转换的输入电平是0～5V，而传感器输出信号通常很小，这时必须采取放大措施减小量化误差，相对误差也就减小了。如果传感器在输出信号和传输过程中混入虚假成分，就需要进行滤波。
图1 数据采集结构图
2.2系统软件设计
2.2.1 标度变换
对于同一物理量，用不同的传感器测量得到的不同的电压信号，或者是对于不同的物理量，不同的传感器测量得到的相同的电压信号，为了显示正确的物理量，就需要进行标度转换。 因为被测对象的各种数据的量纲与A/D转换的输入值是不一样的。例如，温度的单位为℃，压力单位为Pa，频率的单位为Hz，流量的单位
/h等等。这些参量并不等于原来带有量纲的参数值，必须把它转化成带有量纲的数值后才能计算。一般的线性系统的标度变换公式为：
2.2.2 数据采集子程序（SubVI）设计
LabVIEW图形编程语言中的基本编程单元是VI（Virtual Intrument，虚拟仪器），VI包括三个部分：前面板（Front Panel），框图程序（Blcok Diagram）以及图标（Icon）/连接器（Connector）。前面板既接受来自框图程序的指令，又是用户与程序代码发生联系的窗口。这个窗口模拟真实仪表的前面板，用于设置输入和观察输出，输入量称为控件（Controls），输出量称为指示器（Indicators）。当把一个控件或指示器放到前面板上时，框图上相应地放置一个端子（Terminals），这个端子不能随意被删除。用户可以使用多个图标，如旋钮，开换，按钮，图表，文本框，图形等等。
其显示和控制以各种图标形式出现在前面板上。图2是一个虚拟温度测量仪前面板（Thermometer VI）。
该面板通过对一个模拟温度计实时显示温度的大小，并接入一个布尔量开关（OFF/ON）可以对采集过程
加以控制。旁边绿色的为一个预警信号，当温度超过某个预设的温度值时，该警示灯变亮。
图2 虚拟温度测量仪前面板
图3 虚拟温度的示意图
如图3所示是计算机虚拟温度的示意图 温度传感器的信号通过A/D转换输入计算机，计算机内进行给定的函数运算，输出形式可以由使用者选定，要么选定为温度计，要么选定为指针式仪表，指针的刻度可以任选。运行时，显示器上就会出现一个指针式温度计，它的指针就会随着传感器上检测到的温度而变化。这个温度计并不存在，用计算机模拟的这个温度计仅是虚拟仪器的一种。
数据的采集离不开数据采集卡（DAQ）。DAQ的基本任务是对产生的物理信号进行提取和测量。但是要使计算机系统能够测量物理信号，必须要使用传感器把物理信号转换成电信号，例如热敏电阻，热电偶，光电管等。由于由传感器输出的电信号通常很弱，并且可能包含大量的噪声信号，所以要有信号调节装置，将信号进行一定的处理。总之，数据采集是借助软件来控制整个DAQ系统，包括采集原始数据，分析数据，给出结果等。本文我们要采用到的DAQ程序包括模拟输入，模拟输出，计数器操作或者数字输入/输出等，如图4，在框图程序窗口下选择Data Acquisition,在此子模板下，可以看到：Analog Input （模拟输入），Analog Output(模拟输出)，DigitalI/O，（数字I/O）和Signal Conditioning（信号调理）等6个子模板。
图4 Data Acquisition子模板
2.2.3 系统的闭环控制实现过程
我们将预先设计，编译和调试通过的控制模块程序下载到FP-2000中去，并通过FP-110模块对被测系统的温度能够进行定期的数据采集，由控制程序对采集到的温度数据进行处理和优化，同时根据温度要求，使用PID算法和相应的其它算法计算出控制量在，对控制模块再次进行D/A转换后，输出控制信号电压触发，调节可控硅执行器的导通角，驱动半导体加热器对系统进行加热，以实现系统的闭环控制。
控制模块中的PID调节，根据设定值和实际测的当前温度值。LabVIEW中Control toolkit中包括很多种PID算法以及改进型PID算法，我们通过调用对其中合适的算法，可以轻而易举地实现核心的控制功能，而不用深入研究烦琐的数值差分运算。
监控模块中温度控制程序的显示和存储，利用所提供的chart模块，控制程序可以把采集到的数据显示在计算机上，从而可以直观的看出温度的变化过程。
基于虚拟仪器的温度检测系统采用的就是LabVIEW在测试与测量方面的应用，它已经成为测试与测量领域的工业标准，通过VXI，GPIB，串行设备和插卡式数据采集卡可以构成实际的数据采集系统，本实验用到的是阿尔泰科技公司USB2013数据采集卡，USB2013采用的是PCI总线技术，单16/双8路，采样率为100K，硬件增益为1～500倍。
2.2.4 温度检测系统VI程序设计
设计一个仪器，首先要考虑确定其功能，然后根据其功能确定需要设计前面板框图。在虚拟仪器中“仪器”的面板需要显示在计算机屏幕上，根据需要可以随时进行修改，因此称为软面板。我们把前面板上的温度程序作为一个子程序用在当前新建程序里，当前程序的前面板如图4所示，先进行对温度的采集，然后把当前的程序运用到显示温度曲线，并在前面板上设定。
图5，温度检测系统前面板
图6 温度检测系统框图
由图5可以看出，这是一个不断给温度传感器加温的过程，每3秒钟测量一次，总共测量60次，最后一次测量的温度为85.64℃。图中分别可以从温度历史曲线观察温度的变化过程，并且从旁边的温度计图样中观察温度的温度值。通过布尔量开关可以控制程序的运行。如框图程序6所示，它把温度计程序放置在一个FOR循环里，每次循环过程采集一次测量结果，当循环执行了所设定的次数后。程序把采集到的数据送到前面板的框图上显示。
3 结论
本文作者创新观点：把Labview 应用于温度测量和控制，利用USB2013采集卡及相应的控制模块FP2000和FP110，加以对程序的编辑，可以实现对温度的采集精度更为精密。
LabVIEW是一个具有革命性的图形化开发环境，内置信号采集，测量分析和数据显示功能，摒弃了传统开发工具的复杂性，提供了强大功能的同时还保证了系统的灵活性。作为最先进的测量控制软件，目前在众多领域内都得到了广泛的应用，从最简单的仪器控制，数据采集和到最尖端的测试和工业自动化，都可以发现LabVIEW的成果和开发产品。本文就虚拟仪器的温度检测系统就是LabVIEW在测量和控制领域当中的应用。实验研究表明虚拟仪器技术的开发和应用在我国有着十分重要的意义。
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