王紅梅，邊敦新

（山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東淄博255091）

智能儀表是自動化專業(yè)的主要課程，廣泛應(yīng)用于化工、造紙、鋼鐵等行業(yè)，在生產(chǎn)實(shí)際中完成大量的信號檢測與控制，因此需要通過設(shè)計(jì)一系列的實(shí)驗(yàn)使理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合．通過實(shí)驗(yàn)，不僅可以提高學(xué)生的動手能力，而且可以加深對所學(xué)知識的理解和吸收，提高其設(shè)計(jì)能力，為他們將來走上工作崗位打下全面基礎(chǔ)．但若采用傳統(tǒng)的方法，需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的硬件電路，導(dǎo)致生產(chǎn)成本高；而且一旦設(shè)計(jì)完成其靈活性將大大降低．隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬儀器的概念逐漸成為測試技術(shù)和儀器儀表技術(shù)發(fā)展的重要方向，并在研究、開發(fā)等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用．本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺采用虛擬儀器加外圍電路的思想，充分利用虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)，把部分硬件電路用軟件來代替，這樣，硬件投入少，且實(shí)驗(yàn)過程中基本沒有元器件的損耗，經(jīng)濟(jì)效益明顯；儀器性能的改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需進(jìn)行相關(guān)軟件的設(shè)計(jì)更新，而不需要購買新的儀器，可以大大縮短研制周期；同時，學(xué)生還可自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，提高解決實(shí)際工程問題的能力．

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1．1 實(shí)驗(yàn)平臺介紹

智能儀表實(shí)驗(yàn)平臺信號檢測與調(diào)理部分采用CSY3000系列傳感器與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺，該平臺提供熱電偶、應(yīng)變片、電容和霍爾元件等多個傳感器及其相應(yīng)的信號處理模塊，其應(yīng)用范圍廣，使用方便．?dāng)?shù)據(jù)采集部分選用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡NI6009，其有8路14位模擬輸入，2路12位模擬輸出，32位計(jì)數(shù)器，12路數(shù)字I／O，并且接口為USB應(yīng)用方便．智能儀表實(shí)驗(yàn)平臺采用圖1結(jié)構(gòu)，CSY3000系列傳感器及信號調(diào)理電路利用相關(guān)的傳感器將測量值轉(zhuǎn)換為電量，由信號調(diào)理電路將電量轉(zhuǎn)換為0～5V的電壓信號；數(shù)據(jù)采集卡NI6009將信號調(diào)理電路輸出電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳輸給計(jì)算機(jī)，完成信號的數(shù)據(jù)采集功能；計(jì)算機(jī)利用Labview軟件實(shí)現(xiàn)信號的進(jìn)一步處理

圖1 智能儀表實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖

1．2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1）硬件電路部分，包括模擬量的輸入和輸出、開關(guān)量的輸入和輸出等電路．

2）軟件部分，即數(shù)據(jù)處理部分，包括查找技術(shù)、非線性處理、隨機(jī)誤差處理等方法．

3）綜合設(shè)計(jì)部分，即軟、硬件聯(lián)機(jī)調(diào)試部分，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)處理．

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

圖2 智能儀表實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，熱電偶溫度測量實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生理解采集系統(tǒng)的組成，如：熱電偶傳感器、信號處理電路、信號傳輸以及最終的信號顯示，重點(diǎn)側(cè)重是對硬件電路的認(rèn)知．開關(guān)量輸入輸出實(shí)驗(yàn)則是考察對數(shù)字信號傳輸過程的認(rèn)知；熱電偶溫度查找實(shí)驗(yàn)、鉑電阻線性處理實(shí)驗(yàn)、遞推平均濾波實(shí)驗(yàn)，以上三個實(shí)驗(yàn)使學(xué)生理解如何完成常用的信號軟件處理方法，學(xué)生可利用Labview軟件完成軟件處理；采集系統(tǒng)綜合性實(shí)驗(yàn)，主要完成硬件軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)采集，有利于培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識的能力．溫度控制實(shí)驗(yàn)，則是利用PID控制算法實(shí)現(xiàn)溫度控制，該實(shí)驗(yàn)涉及溫度信號的采集、控制信號的輸出以及PID運(yùn)算，既能培養(yǎng)動手能力又能提高學(xué)生的理論水平．

下面以鉑電阻線性處理實(shí)驗(yàn)和采集系統(tǒng)綜合性實(shí)驗(yàn)為例分別進(jìn)行介紹．

鉑電阻線性處理實(shí)驗(yàn)是以0～200℃的Pt100鉑熱電阻為例，完成線性化處理過程．本例中將其等間距分成兩段進(jìn)行線性化處理．前面板可輸入電阻值和顯示處理后的溫度值，后面板則進(jìn)行線性化處理，其處理程序如圖3所示．該實(shí)驗(yàn)需要首先計(jì)算出0～100℃和100～200℃之間溫度和阻值的線性表達(dá)關(guān)系，

在Labview環(huán)境下利用前面板軟件提供的控件完成阻值輸入和溫度輸出，后面板編程實(shí)現(xiàn)線性化處理．首先用case語句判斷輸入的阻值是否超出0～200℃范圍，若在處理范圍之內(nèi)則判斷電阻值在哪一段，并利用上述公式計(jì)算出實(shí)際溫度，否則提示電阻值超出處理范圍．該實(shí)驗(yàn)，可使學(xué)生充分體會分段線性化的原理，并能熟悉Labview的使用．

圖3 鉑電阻線性化處理程序

采集系統(tǒng)綜合性實(shí)驗(yàn)?zāi)軐?shí)現(xiàn)七路溫度數(shù)據(jù)采集．溫度信號經(jīng)熱電偶轉(zhuǎn)換為熱電勢，運(yùn)用CSY3000提供的信號處理模塊放大處理后由NI6009采集到計(jì)算機(jī)，經(jīng)濾波處理、溫度查找及標(biāo)度變換轉(zhuǎn)換為溫度信號進(jìn)行顯示．同時可以完成，信號的存儲、打印、回放以及通信等功能．該實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生理解采集系統(tǒng)的組成，能正確使用NI6009采集卡以及信號處理電路并能根據(jù)需要編寫遞推濾波和溫度查找等子程序?qū)崿F(xiàn)信號的軟件處理．整個實(shí)驗(yàn)綜合程度比較高，能充分挖掘?qū)W生的設(shè)計(jì)能力．圖4為采集系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的前面板，通過該面板可以選擇通道，設(shè)定通道的參數(shù)，以及完成信號的存儲、打印、回放以及通信等功能；圖5為采集系統(tǒng)處理程序

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前面板程序

3 實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)

相對于匯編語言來講，采用G語言更便于學(xué)生對該課程的理解，學(xué)生也可自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，鍛煉解決實(shí)際工程問題的能力．由于該實(shí)驗(yàn)采用了虛擬儀器技術(shù)，開發(fā)成本及實(shí)驗(yàn)耗材都比較低，實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步完善及開發(fā)周期亦會大大縮短．同時該項(xiàng)目充分利用了實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備，比如檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)室已有很多傳感器及其相應(yīng)的信號處理模塊，虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室已具備的數(shù)據(jù)采集卡，能有效節(jié)約資源．

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的智能儀表實(shí)驗(yàn)平臺從實(shí)驗(yàn)設(shè)備來講，采用虛擬儀器取代傳統(tǒng)的微處理器，充分利用虛擬儀器的優(yōu)勢，使實(shí)驗(yàn)的硬件成本降低，實(shí)驗(yàn)功能增強(qiáng)，擴(kuò)展性良好．從內(nèi)容來講，實(shí)驗(yàn)分為三部分：硬件部分（模擬量和開關(guān)量的輸入輸出單元）、軟件部分（數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示）以及綜合部分，基本上涵蓋了該課程的主要知識點(diǎn)，使學(xué)生能比較全面的了解該課程，更加全面、深刻地理解智能儀表設(shè)計(jì)的一般原則，熟練掌握智能儀表與裝置的軟、硬件電路設(shè)計(jì)方法和軟硬件聯(lián)機(jī)調(diào)試技能．同時，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)化智能儀表實(shí)驗(yàn)平臺，其前景可觀．

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理程序

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