摘要：為了降低系統的成本和提高LabVIEW的通用性，提出了采用普通數據采集卡來構建虛擬遠程溫度控制系統，可完成溫度測控、數據存取、曲線打印、錯誤事件處理和數據遠程通信等功能。實驗結果表明本系統有比較好的測試和控制效果，并可方便進行遠程測控，實現了LabVIEW與普通數據采集卡的完美結合，比傳統測控系統有更好的靈活性和開放性。
自20世紀90年代以來，隨著計算機技術的迅猛發展，虛擬儀器技術在數據采集、自動測試和測量儀器領域得到廣泛應用，促進和推動測試系統和測量儀器的設計方法與實現技術發生了深刻的變化。從定義上看，虛擬儀器似乎只是新一代的測量儀器。然而虛擬儀器所具有的諸多特點使其早已突破測試領域的范圍，在控制領域也得到越來越廣泛的使用。目前，虛擬儀器在國外的應用已經非常普及，在控制領域的應用也越來越多，在國內已有很多院校的實驗室引入了虛擬儀器系統，清華大學汽車系利用虛擬儀器技術構建的汽車發動機檢測系統，用于汽車發動機的出廠檢驗。
LabVIEW是實驗室虛擬儀器集成環境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的簡稱，是美國國家儀器公司(NATIONAL INSTRUMENT，簡稱NI)的創新軟件產品，是目前最流行的虛擬儀器開發平臺。然而LabVIEW驅動程序庫中提供的驅動程序均是面向NI公司生產的數據采集卡(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環境下不能直接對其進行驅動。而NI公司生產的板卡價位較高，對于國內大多數用戶來說難以接受。本文利用調用動態鏈接庫機制在LabVIEW中實現了對通用板卡UA201D的驅動，解決了LabVIEW與國內普通數據采集卡的尷尬局面。完成了在LabVIEW環境下利用普通數據采集卡實現對溫度信號的采集、調理，實現遠程測量和控制，測量數據的實時顯示、存儲和讀取，并能在網絡上發布。
1 系統構建方案
根據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、GPIB(General Purpose Inter-face Bus)系統、VXI (VME Bus Extensions for Instrumentations)系統、PXI (PCI Bus Extensions for Instrumentation)系統和串口系統。本系統采用了PC-DAQ方式，它是以數據采集板、信號調理電路及計算機為儀器平臺組成的插卡式虛擬儀器系統。
本系統由溫度測量電路、信號調理電路、數據采集卡、計算機和溫度控制電路組成。系統組成框圖如圖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℃；信號調理模塊將熱電阻輸出的微小電壓轉換成數采集卡可識別的0～+5V的信號；數據采集卡采用北京優采公司生產的PCI總線數據采集產品UA201D，有效的將外部硬件設備與計算機相連；雙向晶閘管是執行器件。爐溫由熱電阻測量，熱電阻輸出的電信號經信號調理模塊放大、濾波后，再經過數據采集卡進入計算機，計算機根據爐內實際溫度和系統的給定溫度求出偏差，再利用PID控制算法求出系統的輸出控制信號，并將此信號轉換為控制后端電路工作的高低電平，通過數據采集卡輸出給外部雙向晶閘管，改變輸入給電阻爐的功率，從而改變爐內的溫度，最終達到控制溫度的作用。
2 系統硬件設計中的關鍵技術
系統硬件電路如圖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
本系統所用的執行器件是雙向可控硅，又稱雙向晶閘管，型號為BTA12。控溫所用可控硅電路的任務是通過調壓來實現交流調功。通常，由晶閘管實現交流調壓的途徑有兩條：一是調相，二是脈沖調功，在此使其工作在脈沖調功方式，相對于前者而言，這種方式具有不對電網造成嚴重污染和干擾其它用電設備的優點。
為了在使用時不必擔心由于外電路原因或誤操作引發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電路的觸發，本系統的溫度控制電路主要由隔離、同步、觸發及負載等單元組成。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電流。溫控電路的工作原理是：當從數據采集卡的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。但因觸發電路是過零觸發，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，減少了對電網的干擾。
3 LabVIEW驅動UA201D的實現
UA201D數據采集卡是北京優采公司生產的PCI總線數據采集產品，分辨率為12bit，最高實用采樣頻率為125kHz，模人模出范圍為±5V。
本系統利用CLF函數調用數據采集卡的動態鏈接庫UA201D.DLL來實現數據采集功能。在此動態鏈接庫中被調用的函數主要包含以下幾個：Start Device(short start)，這個函數用于打開和關閉設備，當設備不存在或者打開設備失敗時，會調用void Exit(int res)函數退出程序；AiStartContml(short aistart)主要實現數據采集功能的打開和關閉；AiControl (short aiacquiremode，unsigned charaichannel，unsigned char aigain，unsigned shortaicounter0_0)主要用于完成數據采集模式，采集通道，采集范圍等參數的設置，并對驅動程序上傳的數據進行處理，最后返回用戶界面可以識別的數據；AoStartControl(short aostart)實現模擬輸出功能的打開與關閉；AoControl(short aochannel，double aodata)實現模擬輸出通道的參數設置，并把模擬數據經過處理后發送給驅動程序。
4 系統軟件設計
系統的軟件程序采用模塊化的設計方法，即將系統劃分成幾個相互獨立的功能模塊，各模塊內部分別完成確定的任務，模塊之間相對獨立而又通過系統的框架協議相互聯系。為了使各模塊之間按照系統的框架協議協調動作和相互通信，以及實現人機交互，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出指令后，主控程序通過統一調度各功能模塊實現用戶意圖。根據電阻爐溫度控制系統的基本要求，將系統劃分為九個功能模塊：溫度實時監控模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、PID控制模塊、數據記錄模塊、數據查看模塊、數據打印模塊、錯誤事件處理模塊和數據網絡傳輸模塊。為每一個模塊創建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據采集與處理、PID控制、數據記錄與查詢等功能。根據模塊化的編程思想，用LabVIEW圖形化編程語言，可以方便地寫出溫度控制系統的程序代碼。系統的前面板如圖3所示。
5 結束語
實驗結果表明，由于系統控制對象的冷卻是自然冷卻過程，系統剛投入運行時因為系統有一定的超調量，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，因此總的來說系統能夠較快地進入穩態，超調量不大，穩態誤差很小，控制精度比較高。并且本系統結構簡單、實用，將普通數據采集卡應用在本系統中，大大降低了系統的成本和提高了LabVIEW的通用性。遠程測控功能的實現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來說本系統具有良好的應用前景。
