1.引言

2o世紀(jì)8o年代美國(guó)國(guó)家儀器公司提出了虛擬儀器（Virtual Instrument,VI）的概念，它是電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物.它是將傳統(tǒng)儀器裝入計(jì)算機(jī)，只將數(shù)據(jù)的采集交由硬件來(lái)做，而傳統(tǒng)儀器中復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理.分析.顯示則交由功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件來(lái)完成.這樣一來(lái)，虛擬儀器無(wú)論在功能.價(jià)格.攜帶上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越于傳統(tǒng)儀器.從二十世紀(jì)八十年代“虛擬儀器”的概念的提出一來(lái)，短短3o幾年的時(shí)間，虛擬儀器技術(shù)得到了很快的發(fā)展.虛擬儀器技術(shù)在工業(yè)過(guò)程控制.醫(yī)療衛(wèi)生.電子通信.航空航天.教育教學(xué)等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用.例如2oo8年北京奧運(yùn)會(huì)的主會(huì)場(chǎng)鳥巢的結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)及奧運(yùn)會(huì)期間的天氣預(yù)報(bào).山東大學(xué)醫(yī)學(xué)院研究的胸雙極立體心電圖及其三維可視系統(tǒng)都采用了虛擬儀器技術(shù).

差熱分析（Differential Thermal Analysis-DTA）法是一種重要的熱分析方法.它是指在程序控溫下，測(cè)量物質(zhì)和參比物的溫度差與溫度或者時(shí)間的關(guān)系的一種測(cè)試技術(shù).該技術(shù)廣泛應(yīng)用于測(cè)定物質(zhì)在熱反應(yīng)時(shí)的特征溫度以及吸收或放出的熱量，包括物質(zhì)相變.分解.化合.凝固.脫水.蒸發(fā)等物理或化學(xué)反應(yīng).差熱分析雖然操作簡(jiǎn)單，但在實(shí)際工作中往往發(fā)現(xiàn)同一試樣在不同儀器上測(cè)量，或不同的人在同一儀器上測(cè)量，所得到的差熱曲線的結(jié)果有差異.鑒于虛擬儀器的強(qiáng)大的功能，本文設(shè)計(jì)了能實(shí)現(xiàn)差熱曲線自動(dòng)檢測(cè)的溫度采集和處理系統(tǒng)，很大程度上消除了人為因素造成的誤差.

2.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的溫度的采集，首先是利用熱電偶來(lái)測(cè)量被測(cè)物質(zhì)的溫度，由此輸出的信號(hào)再通過(guò)LabJack U12將信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)中，與此同時(shí)我們還采用數(shù)字溫度傳感器對(duì)熱電偶冷端（參比端）溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶的冷端補(bǔ)償，最后通過(guò)算法.查表法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的校正.如圖1所示.

本設(shè)計(jì)中差熱分析中的溫度的測(cè)量是通過(guò)熱電偶傳感器獲得的.熱電偶是基于物體的熱電效應(yīng)，把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的元件.

由熱電偶的測(cè)溫原理可知，熱電極A與B所構(gòu)成的熱電勢(shì)滿足：

若將參比端溫度保持一定，使Eab（to）等于常數(shù)C,這時(shí)熱電偶的熱電勢(shì)關(guān)系變成：

從理論上講，用式（2）關(guān)系測(cè)量，設(shè)法保持參比端溫度恒定是行之有效的，而且式（2）又是一個(gè)單值函數(shù)的關(guān)系，測(cè)量也變得比較簡(jiǎn)單.然而在實(shí)際測(cè)量當(dāng)中，卻難以做到Eab（to）不變.由式（1）可得：

式（3）.（4）中，Eab（to）表示熱電偶的測(cè)量端溫度為t,參比端溫度為0℃時(shí)的熱電勢(shì)；Eab（to,o）表示熱電偶的測(cè)量端溫度為to,參比端溫度為0℃時(shí)的熱電勢(shì)；式（3）與式（4）相減，與式（1）比較，可得：

Eab（t,to）表示熱電偶的測(cè)量端溫度為t,參比端溫度為to時(shí)的熱電勢(shì)；也就是實(shí)際測(cè)到的熱電勢(shì)值.有了式（5），利用軟件處理方法，從對(duì)應(yīng)熱電偶的分度表中自動(dòng)查出對(duì)應(yīng)于to的熱電勢(shì)Eab（to,o），再將這個(gè)熱電勢(shì)值與實(shí)際所測(cè)得的Eab（to,o）相加，得到的結(jié)果就是熱電偶的測(cè)量端的溫度為t,參比端溫度為0℃時(shí)對(duì)應(yīng)于的熱電勢(shì)Eab（t,o），最后再?gòu)姆侄缺碇凶詣?dòng)查得對(duì)應(yīng)于Eab（t,o）的溫度值，這個(gè)溫度就是熱電偶測(cè)量端的實(shí)際溫度t.

3.系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的LabVIEW程序的由一個(gè)大的條件結(jié)構(gòu)構(gòu)成，通過(guò)前面板的按鈕控制數(shù)據(jù)的讀取，其內(nèi)部由一個(gè)大While循環(huán)構(gòu)成，主要由信號(hào)數(shù)據(jù)采集.圖形顯示.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存.歷史數(shù)據(jù)回顯.錯(cuò)誤處理.打印圖形等模塊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了高度的模塊化和自動(dòng)測(cè)試的設(shè)計(jì).

3.1 系統(tǒng)的主界面（Front Panel）

前面板是用戶操作儀器的控制界面，用戶與儀器進(jìn)行通訊，輸入設(shè)置參數(shù)及輸出結(jié)果顯示的用戶接口，是一種利用虛擬儀器軟件制作的面向用戶的人機(jī)交互式界面.本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的前面板如圖2所示.

該前面板上放置了一個(gè)輸入控件“EnableStream”,點(diǎn)擊它就可以自動(dòng)完成信號(hào)采集；一個(gè)圖形顯示控件用于實(shí)時(shí)顯示采集到的信號(hào)圖形；另外還有通道配置.采樣率.掃描次數(shù).演示.讀取歷史數(shù)據(jù).文件存儲(chǔ)路徑選擇等控件.下面簡(jiǎn)要介紹其中的主要功能模塊.

3.2 系統(tǒng)的主要模塊

（1）數(shù)據(jù)采集模塊

在整個(gè)程序中至關(guān)重要.其參數(shù)設(shè)置正確與否，直接影響到后面的分析.處理.顯示等功能的實(shí)現(xiàn).這部分的參數(shù)設(shè)置主要包括設(shè)備與通道設(shè)置.采樣率.掃描次數(shù)設(shè)置等.

本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集所用的是AIStreamStart函數(shù)， 實(shí)現(xiàn)硬件定時(shí)的連續(xù)數(shù)據(jù)采集.

AIStreamStart函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)連續(xù)采集時(shí)，先是將數(shù)據(jù)存放在LabJack的緩沖區(qū)內(nèi)，然后傳送到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中.調(diào)用該函數(shù)后必須不斷調(diào)用AIStreamRead函數(shù)（讀取等待可用的掃描信號(hào)數(shù)），最后調(diào)用AIStreamClear函數(shù)（此函數(shù)將停止連續(xù)數(shù)據(jù)的獲得，它必須在流程結(jié)束后調(diào)用）.注意在連續(xù)采集的過(guò)程中，LabJack是不能做任何的其它工作的.

（2）數(shù)據(jù)處理模塊

該數(shù)據(jù)處理模塊的功能主要是將采集到的各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的溫度或歷史保存的溫度數(shù)據(jù)按照時(shí)間順序生成數(shù)組，為后面的圖形的顯示作鋪墊.該模塊是使用層疊式順序結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)用LabJack U12安裝程序自帶的“applyformula to array.vi”程序?qū)崿F(xiàn)的.

（3）圖形顯示模塊

在這個(gè)程序中要把采集到的溫度與時(shí)間的關(guān)系以圖形的形式顯示出來(lái)，即圖形顯示的橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為溫度值，二者的值要一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，在圖形形成一個(gè)點(diǎn).各個(gè)點(diǎn)通過(guò)曲線擬合形成差熱曲線.在程序的設(shè)計(jì)過(guò)程中要特別注意圖形顯示的實(shí)時(shí)性，只要點(diǎn)擊前面板的開始采集按鈕，差熱曲線就根據(jù)采集到的溫度數(shù)值的變化而隨即變化.

4.結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)LabJack的封裝程序LJStream函數(shù)的改動(dòng)，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW和LabJackU12的溫度數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng).經(jīng)調(diào)試證明可以很好地實(shí)現(xiàn)4通道數(shù)據(jù)的單端輸入或差分輸入的數(shù)據(jù)的采集.圖形的顯示.數(shù)據(jù)的保存.圖表的打印等功能.該系統(tǒng)給差熱分析工作帶來(lái)了很多方便，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集處理的模塊化和測(cè)試的自動(dòng)化.實(shí)際上該系統(tǒng)已經(jīng)用于某公司的差熱曲線的自動(dòng)測(cè)試中，且效果很好.另外該系統(tǒng)可移植來(lái)用于建筑物下沉位移量的自動(dòng)測(cè)量.DTC的性能檢測(cè)或其它低頻信號(hào)的采集和數(shù)據(jù)處理中，具有很大的應(yīng)用價(jià)值.