付立華，王 剛，張曉玫

(河南工程學院 電氣信息工程學院，河南 鄭州 451191)

基于LabVIEW的溫度監(jiān)測系統(tǒng)及軟件設計

付立華，王 剛，張曉玫

(河南工程學院 電氣信息工程學院，河南 鄭州 451191)

為提高溫度測量的智能化水平并降低儀器成本，設計了一種虛擬溫度監(jiān)測系統(tǒng).該系統(tǒng)用熱電偶采集工作端溫度，用AD590采集冷端溫度，用神經網絡算法實現(xiàn)了熱電偶的冷端補償和非線性校正.開發(fā)了基于LabVIEW的溫度監(jiān)測系統(tǒng)軟件，該軟件具有數(shù)據的采集、處理、分析、顯示、保存以及溫度的報警功能.仿真實驗表明，該監(jiān)測系統(tǒng)測溫準確、穩(wěn)定可靠，可滿足實際需要，有較高的應用價值.

LabVIEW；Matlab；神經網絡；熱電偶；監(jiān)測軟件

溫度是工業(yè)生產和科學研究中一個需要測量和控制的重要物理量.現(xiàn)代溫度監(jiān)測系統(tǒng)除了具有基本的顯示實時溫度的功能之外，還需要對溫度數(shù)據進行統(tǒng)計、分析和保存.虛擬儀器技術以“軟件即儀器”為宗旨，充分發(fā)揮了軟件的強大功能，不僅可以降低儀器的成本，而且可以提高系統(tǒng)的智能化程度、可操作性和靈活性[1].

傳統(tǒng)的以熱電偶為敏感元件的測溫通過硬件電路實現(xiàn)冷端補償和非線性校正，軟件補償主要采用查表法、分段線性擬合法和分段多項式擬合法[2-3].目前，基于虛擬儀器的熱電偶測溫軟件補償主要是查表法，還有一些學者對采用神經網絡的軟件補償方法進行了理論研究[4].

在部分傳統(tǒng)測量技術的硬件條件下，采用PCI-6221數(shù)據采集卡完成溫度信號采集，以美國國家儀器公司(NI)的圖形化編程軟件LabVIEW為開發(fā)平臺，設計了虛擬熱電偶溫度監(jiān)測軟件系統(tǒng).該系統(tǒng)采用神經網絡實現(xiàn)熱電偶的冷端補償和非線性校正，并以實際電信號模擬熱端和冷端溫度信號進行仿真實驗，實現(xiàn)了虛擬測溫、數(shù)據分析及儲存等功能.

圖1 系統(tǒng)總體結構Fig.1 Block diagram of system structure

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)的總體結構如圖1所示，主要由硬件和軟件兩部分組成.硬件包括信號調理電路、數(shù)據采集卡、單片機和計算機，軟件用LabVIEW 8.0作為開發(fā)平臺.

2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件包括溫度數(shù)據采集模塊、溫度分析模塊、熱電偶冷端補償模塊、非線性校正模塊和控制模塊，主要完成數(shù)據的采集、處理、顯示、冷端補償、與單片機通信等功能.

2.1溫度數(shù)據采集模塊

溫度數(shù)據采集模塊的LabVIEW程序如圖2所示.DAQmx Create Virtual Channel. vi節(jié)點可以指定采集卡通道、測量電壓的上下限值以及測量類型等.DAQmx Timing. vi節(jié)點用于配置采樣數(shù)和采樣率.溫度數(shù)據的采集時間間隔可以通過前面板的延遲時間控件來控制.

圖2 數(shù)據采集模塊Fig.2 Data acquiring diagram

2.2冷端補償和非線性校正模塊

當熱電偶的冷端溫度恒定時，熱電動勢與工作端溫度成單值函數(shù)關系，各種熱電偶分度表都是以冷端溫度為0 ℃時制作的.在實際測溫中，冷端溫度不是0 ℃，并且隨環(huán)境溫度而變化，需要進行冷端補償.熱電偶的輸出電壓與冷熱端的溫度差也不是線性關系，需要進行線性化處理.

當熱電偶的冷端溫度t0≠0 ℃時，可以由下式計算和修正測量誤差：

EAB(t,0 ℃)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0 ℃)，

(1)

其中，EAB(t,t0)是直接測得的熱電勢值.修正時，先測出冷端溫度t0，然后從該熱電偶分度表中查出EAB(t0,0 ℃)，根據式(1)計算出EAB(t,0 ℃)，再在分度表中查出相應的溫度值t.

以上的修正過程就是求解EAB(t,t0)，t0和t的一個非線性映射.理論上，一個3層BP網可以以任意精度逼近任意非線性函數(shù)，所以訓練后的神經網絡可以達到與實際的輸入輸出曲線幾乎完全擬合.

本研究在Matlab環(huán)境中進行仿真實驗，建立的BP神經網絡結構為2-10-1型，其中輸入層節(jié)點數(shù)為2，分別是熱電偶工作端測量值和冷端溫度值，隱層節(jié)點數(shù)為10，輸出層節(jié)點數(shù)為1，即熱電偶測量的溫度值[5].BP神經網絡的權值和閾值的初始值是隨機數(shù)，無法準確獲得.為此，引入遺傳算法優(yōu)化出最佳的初始權值和閾值.具體步驟是將神經網絡算法作為遺傳算法的一個目標函數(shù)，函數(shù)的輸出是測試樣本的誤差范數(shù)，誤差越小代表網絡的擬合精度越高，在遺傳算法部分得到的該個體適應度值越大.Matlab訓練完成后存儲網絡，在實際測溫中利用Labview函數(shù)模板中的Matlab節(jié)點直接調用訓練好的神經網絡，實現(xiàn)熱電偶的校正和補償.選擇器接線端連接枚舉型控件，用于選擇所用熱電偶的分度號，有K,E,N,S,T,B,J,R共8種熱電偶可供選擇.

2.3溫度監(jiān)測模塊

溫度監(jiān)測模塊主要完成數(shù)據的處理、分析、顯示、保存、查詢以及溫度的報警功能.

2.3.1 數(shù)據的處理和分析

在實際應用中，溫度信號混有一些尖峰或者非平穩(wěn)的白噪聲信號，小波分析能同時在時頻域內對信號進行分析，有效地去除噪聲.程序采用sym8小波對信號進行3層分解，對細節(jié)系數(shù)選擇sure閾值模式[6]，小波去噪可在Matlab節(jié)點內實現(xiàn).溫度采集過程結束后，利用While循環(huán)框外的Array Max & Min函數(shù)和Mean函數(shù)計算溫度的最大值、最小值和均值，并利用波形圖表顯示出溫度歷史趨勢曲線.另外，還可以完成攝氏溫度和華氏溫度的轉換、最高溫度的設定和報警等功能.

2.3.2 數(shù)據的保存和查詢

保存和讀取文件是測量系統(tǒng)必須具備的基本功能.考慮到計算機硬盤的容量有限，連續(xù)的存盤不能維持太久.設計在正常溫度條件下，只存儲少量數(shù)據；在溫度超過高限溫度報警時，開始存儲大量數(shù)據.兩種數(shù)據文件分別建立兩類文件進行保存，可以方便地檢索到異常溫度出現(xiàn)的位置，還可以用來回放異常溫度的波形文件[7-9].

2.4控制模塊

針對不同分度號的熱電偶設置了8種放大倍數(shù)，控制方法有手動切換開關和單片機控制模擬開關兩種.單片機控制模擬開關工作過程為計算機的LabVIEW通過RS-232串口發(fā)送控制命令給單片機，單片機根據不同的命令信號切換放大倍數(shù).

使用VISA實現(xiàn)LabVIEW中的串行通信.VISA作為測試程序和數(shù)據傳輸總線的中間層，為應用程序和儀器總線的通信建立了通道.使用VISA編寫儀器控制程序，不需要了解底層實際的接口類型，只需掌握VISA I/O的函數(shù)庫，程序在運行時VISA就會根據實際接口類型自動調用相應的接口驅動程序，完成通信操作.

控制模塊前面板如圖3所示，控制模塊程序框圖如圖4所示.

圖3 控制模塊前面板Fig.3 Front panel of control module

圖4 控制模塊程序框圖Fig.4 Block diagram of control module

3 系統(tǒng)仿真實驗研究

PCI-6221是一種基于PCI總線的M系列多功能數(shù)據采集卡，它采用的是一個A/D轉換器，可實現(xiàn)分時多路采集.該板卡采樣率為250 K，16位分辨率；16路模擬輸入通道，2路模擬輸出通道；24路數(shù)字I/O，2個32位定時器；最大電壓為-10～+10 V，最小電壓為-200～+200 mV.

3.1冷端為0℃時的實驗

利用CSY2000型系列傳感器與檢測技術實驗臺提供的直流穩(wěn)壓電源模擬E型熱電偶的工作端熱電勢，輸入到數(shù)據采集卡PCI-6221的Dev1/ai1輸入通道.Dev1/ai0輸入通道短接后接地，模擬冷端為0 ℃的狀態(tài)，實驗結果如表1所示.

表1 冷端為0 ℃的實驗數(shù)據Tab.1 Data of cold-junction at 0 ℃

3.2冷端為11.85℃時的實驗

Dev1/ai0輸入通道接入2.84 V電壓.AD590的溫度系數(shù)是1 μA/K，設計的AD590串聯(lián)一個10 K電阻，所以計算出冷端溫度為t0=100×2.84-273.15=11.85 ℃，實驗結果如表2所示.

3.3實驗結果分析

由實驗結果可以看出，冷端為0 ℃時，系統(tǒng)測量的最大絕對誤差為0.45 ℃，平均絕對誤差為0.23 ℃，平均相對誤差為0.23%；冷端為11.85 ℃時，系統(tǒng)測量的最大絕對誤差為0.81 ℃，平均絕對誤差為0.23 ℃，平均相對誤差為0.45%.導致測量精度稍有降低的原因是冷端接入模擬信號電壓時，增加了干擾及不穩(wěn)定因素.系統(tǒng)總體的測量精度為±1 ℃，界面友好，運行穩(wěn)定，完全可以滿足實際工業(yè)中測溫的需要，有較大的應用價值.

表2 冷端為11.85 ℃的實驗數(shù)據Tab.2 Data of cold-junction at 11.85 ℃

4 結語

介紹了虛擬溫度監(jiān)測系統(tǒng)的組成，以LabVIEW 8.0為開發(fā)平臺，進行了監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計.實驗結果表明，系統(tǒng)可以完成溫度測量、信號處理、數(shù)據存儲和高限報警等功能.考慮到實驗臺穩(wěn)壓電源的精度和穩(wěn)定性有限，在實際應用中，若能有效抑制對微弱溫度信號的各種干擾，系統(tǒng)精度可進一步提高.

本設計使用穩(wěn)壓電源模擬熱電偶冷端和熱端的電信號，而如何設計實際的測量電路和抑制干擾還有待于進一步研究.

[1] 付立華，張曉玫，潘龍飛．基于LabVIEW的多通道溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)[J].儀表技術，2012(12):34-36，40.

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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

付立華(1973-)，女，黑龍江雙城人，講師，主要研究方向為人工智能與虛擬測試技術.

TP273

A

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