LabVIEW是實驗室虛擬儀器集成環(huán)境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的簡稱，是美國國家儀器公司(NATIONAL INSTRUMENT，簡稱NI)的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，是目前最流行的虛擬儀器開發(fā)平臺。然而LabVIEW驅(qū)動程序庫中提供的驅(qū)動程序均是面向NI公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡(DAQ data acquisition board)的。對于非NI公司的板卡，由于“Measurement＆Automation”軟件不可識別，所以LabVIEW環(huán)境下不能直接對其進行驅(qū)動。而NI公司生產(chǎn)的板卡價位較高，對于國內(nèi)大多數(shù)用戶來說難以接受。本文利用調(diào)用動態(tài)鏈接庫機制在LabVIEW中實現(xiàn)了對通用板卡UA201D的驅(qū)動，解決了LabVIEW與國內(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)采集卡實現(xiàn)對溫度信號的采集、調(diào)理，實現(xiàn)遠程測量和控制，測量數(shù)據(jù)的實時顯示、存儲和讀取，并能在網(wǎng)絡上發(fā)布。
1 系統(tǒng)構建方案
根據(jù)采用總線的不同及其相應的I/O接口硬件設備，虛擬儀器的構成方式主要有5種類型：PC-DAQ系統(tǒng)、GPIB(General Purpose Inter-face Bus)系統(tǒng)、VXI (VME Bus Extensions for Instrumentations)系統(tǒng)、PXI (PCI Bus Extensions for Instrumentation)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、信號調(diào)理電路及計算機為儀器平臺組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。
本系統(tǒng)由溫度測量電路、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、計算機和溫度控制電路組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。
電阻爐是熱加工設備，其溫度為被控對象；溫度傳感器采用Pt100鉑熱電阻，用來測定電阻爐的溫度，測溫范圍設置為0～200℃；信號調(diào)理模塊將熱電阻輸出的微小電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)采集卡可識別的0～+5V的信號；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備與計算機相連；雙向晶閘管是執(zhí)行器件。爐溫由熱電阻測量，熱電阻輸出的電信號經(jīng)信號調(diào)理模塊放大、濾波后，再經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡進入計算機，計算機根據(jù)爐內(nèi)實際溫度和系統(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，并將此信號轉(zhuǎn)換為控制后端電路工作的高低電平，通過數(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，最終達到控制溫度的作用。
2 系統(tǒng)硬件設計中的關鍵技術
系統(tǒng)硬件電路如圖2所示，上面部分是測溫電路，下面部分是溫控電路，這兩部分電路的設計主要涉及到測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。
2.1 Pt100的使用
Pt100溫度檢測器是一種以白金(Pt)做成的電阻式溫度檢測器，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。其主要技術參數(shù)如下：
測量范圍：-200℃～+850℃；
允許偏差值△℃：B級±(0.30+0.005|T|)；
熱響應時間<30s；
允通電流≤5mA。
2.2 BTA12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，型號為BTA12?？販厮每煽毓桦娐返娜蝿帐峭ㄟ^調(diào)壓來實現(xiàn)交流調(diào)功。通常，由晶閘管實現(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，相對于前者而言，這種方式具有不對電網(wǎng)造成嚴重污染和干擾其它用電設備的優(yōu)點。
為了在使用時不必擔心由于外電路原因或誤操作引發(fā)計算機部件和采集卡的燒壞，需要在采集卡和強電設備之間設置電隔離，考慮到采集卡的輸出信號需要對后續(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)及負載等單元組成。為了方便起見，這里采用集隔離、過零檢測、過零觸發(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：當從數(shù)據(jù)采集卡的AO端輸入低電平時，雙向晶閘管導通，加熱絲加熱；當輸入高電平時，即呈阻斷，加熱絲不工作。但因觸發(fā)電路是過零觸發(fā)，晶閘管的導通和截止時刻都將延遲到交流正弦波電壓零點交越附近。因此，負載電流為正弦波，減少了對電網(wǎng)的干擾。
3 LabVIEW驅(qū)動UA201D的實現(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，最高實用采樣頻率為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)采集卡的動態(tài)鏈接庫UA201D.DLL來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。在此動態(tài)鏈接庫中被調(diào)用的函數(shù)主要包含以下幾個：Start Device(short start)，這個函數(shù)用于打開和關閉設備，當設備不存在或者打開設備失敗時，會調(diào)用void Exit(int res)函數(shù)退出程序；AiStartContml(short aistart)主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的打開和關閉；AiControl (short aiacquiremode，unsigned charaichannel，unsigned char aigain，unsigned shortaicounter0_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)的設置，并對驅(qū)動程序上傳的數(shù)據(jù)進行處理，最后返回用戶界面可以識別的數(shù)據(jù)；AoStartControl(short aostart)實現(xiàn)模擬輸出功能的打開與關閉；AoControl(short aochannel，double aodata)實現(xiàn)模擬輸出通道的參數(shù)設置，并把模擬數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后發(fā)送給驅(qū)動程序。
4 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)的軟件程序采用模塊化的設計方法，即將系統(tǒng)劃分成幾個相互獨立的功能模塊，各模塊內(nèi)部分別完成確定的任務，模塊之間相對獨立而又通過系統(tǒng)的框架協(xié)議相互聯(lián)系。為了使各模塊之間按照系統(tǒng)的框架協(xié)議協(xié)調(diào)動作和相互通信，以及實現(xiàn)人機交互，設計了提供用戶接口的主控程序。在用戶通過鼠標或鍵盤發(fā)出指令后，主控程序通過統(tǒng)一調(diào)度各功能模塊實現(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)劃分為九個功能模塊：溫度實時監(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、錯誤事件處理模塊和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸模塊。為每一個模塊創(chuàng)建SubVI程序，作為未來VI子程序的非功能性原型表征，同時SubVI程序定義圖標和創(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。它通過與其它模塊的通訊來完成數(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 結束語
實驗結果表明，由于系統(tǒng)控制對象的冷卻是自然冷卻過程，系統(tǒng)剛投入運行時因為系統(tǒng)有一定的超調(diào)量，因此降溫時間較長。但進入下一個周期時很明顯有了很大的改善，因此總的來說系統(tǒng)能夠較快地進入穩(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)結構簡單、實用，將普通數(shù)據(jù)采集卡應用在本系統(tǒng)中，大大降低了系統(tǒng)的成本和提高了LabVIEW的通用性。遠程測控功能的實現(xiàn)也使得用戶操作起來非常方便，對于對象較小的溫度控制系統(tǒng)來說本系統(tǒng)具有良好的應用前景.