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[摘要]本文介绍了虚拟仪器软件开发环境LabVIEW，设计了基于LabVIEW的温度传感器阵列数据采集的虚拟仪器。该系统具有功能强大、技术超前、采集方便，精度高、扩展性好等特点，对学生掌握虚拟仪器的设计方法具有很好的效果，适合在高校实验室中推广。
[关键词]虚拟仪器 传感器阵列 数据采集
一、前言
在空调温度场测量系统和大型结构健康监测与评估系统中，很重要的一部分就是对多点实时采集温度数据并对其进行显示，存储和总结测试结果。
由模拟温度传感器组成的传感器阵列，电路复杂、可靠性差。由于制作的各个传感器的灵敏度、线性测量范围等特性不一致，需要对各个传感器的性能参数分别进行综合测试和定标校正。这些传统仪器很难完成。由数字温度传感器和虚拟仪器技术建立的传感器阵列数据采集和处理分析系统能较好地克服上述缺点。
本文使用美国国家仪器公司（nation instruments, IN）的LabVIEW (图形化软件开发平台和数据采集（data acquisition, DAQ）板，采用虚拟仪器软件方法，建立了一种新的传感器阵列信号采集、显示和处理分析方法，在实验室条件下实现了温度传感器阵列在LabVIEW上进行多个温度采集和显示。这种方法使得由PC构成的数据采集系统的底层开发程序难度大大降低，开发维护费用低、技术更新周期短、用户可定义功能以及与其它设备易连接。
二、LabVIEW的开发环境
LabVIEW是由美国国家仪器（National Instrument）公司研制开发的一种标准虚拟仪器开发平台。LabVIEW中的虚拟仪器相当于常规语言（类似于C和BASIC）中的程序模块。是一种基于G语言(Graphical programming language)的可视化(图形化)优秀开发平台，它使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，使用图标表示功能模块，省却了复杂、繁琐、费时的代码编写输入；连线表示数据传递，简化了图形编程方式；用数据流程语言编写程序并且还提供调试功能，支持多种系统平台，提供大量库函数，包含有从底层VXI仪器、数据采集板到总线接口硬件和CPIB的程序的应用模块。
LabVIEW的开发环境分为三部分:前面板、框图程序和图标/连接端口。前面板就是图形化用户界面,用于设置输入数值和观察输出量。在前面板中,输入量被称为控制,输出量被称为指示,它们通过各种图标如按钮、旋钮、开关、图表等出现在前面板上,模拟真实仪器。框图程序由节点和数据连线组成,它利用图形语言对前面板上的控制对象即输入量和输出量进行控制,节点用来实现函数和功能调用,数据连线表示程序执行过程的数据流,它定义了程序框图内的数据流动方向。图标/连接端口用于把LabVIEW程序定义为一个子程序,从而实现模块化编程,图标是子程序在其它程序框图中被调用的节点表现形式,连接端口则表示节点数据的输入、输出口。LabVIEW具有三个可移动的图形化工具模板:工具模板、控件模板和功能模板。工具模板提供了用于图形操作的各种工具,比如定位、标注、断点、连线、文字注释等;控件模板提供了前面板编辑所需的图像图标、一些特殊的图形;功能模板则提供了一些基本的数学函数和其他功能函数。这三个模板是LabVIEW编程的主要工具。
三、数据采集系统
传感器阵列信号采集即把待测信号通过传感器变为电压、电流等波形信号、通过A/D转换为数字信号，通过计算机进行分析、显示。该系统硬件部分由传感器阵列、信号调理电路、数据采集（DAQ）卡、计算机几部分组成。软件部分负责对采集卡DAQ输入的数据进行处理,使其变换成相应的温值,然后在显示器上显示相应的图线,并存入硬盘。本系统结果显示形象直观,操作方便,并且通过修改软件还可以容易地扩展功能。
1.硬件结构
使用一种一线制数字温度传感器，组网成传感器阵列，经恒电位仪将氧电极的电流转换为电压信号。典型的数据采集系统结构框图如图1所示。信号
其中信号调理电路的主要作用是使传感器阵列输出信号与A/D转换器相适配。例如A/D转换的输入电平是0-5V，而传感器输出信号通常很小，这时必须采取放大措施以减小量化误差，放大器输出电平愈接近A/D输入的满标，相对误差越小。如果传感器阵列输出信号中混入了虚假成分，还需要进行滤波、压缩频带，用以降低采样率。
2.软件部分
软件部分包括对传感器信号显示和控制的前面板的设计和对传感器信号定标校正显示处理的软件设计。虚拟仪器的软件设计在LabVIEW对LabJack u12数据采集卡自带LabVIEW子VI（LabJack u12提供的LabVIEW环境下的驱动程序）进行调用的基础上，分别实现数据采集、信号输入、处理及信号显示输出功能。该系统的软件结构可分为主模块、信号采集器模块、滤波模块、显示模块、等几个主要组成部分。在以上各模块中，除了必要的硬件之外，主要靠软件实现它的功能，因此简化了硬件资源，它们既相互独立又相互联系，通过应用程序提供的仪器硬件接口，用户可以以透明的方式来操作仪器硬件。
（1）主模块。当运行程序时，首先，出现的是主模块界面。在此界面里，明确显示了主系统各功能按钮的分布情况。由于本程序采用的软件平台是图形化的编程语言LabVIEW，可通过交互式的图形面板对系统进行控制，在该软件的前面板体现的是软件的界面，在图表板中则是实际的程序设计，程序通过前面板上各种按钮的响应执行相应的子例程，两个示波器控件，准确的显示采集到的信号波形，右边的设置一栏，分别可以设置采样的通道、采样点数和信号频率，同时，反应在软件前面板上，主界面是一个总控模块，它运行时一直循环等待数据的输入。程序不断在扫描前面板的按钮，当EXIT按钮按下时，程序就执行该按钮所对应的子模块例程，执行完后就会退回到编辑界面上。该虚拟仪器测控平台有较强的可移植性，LabVIEW代码的移植性也简化了该平台的维护与配置。数据采集模块，本系统调用LabVIEW中自带的子仪器AI Sample Channels.vi对指定的模拟量通道进行数据采集,并将温度信号分别输出。
（2）信号处理模块。由于在温度原始信号采集的过程中,容易受到脉冲干扰的影响,所以本模块对输入的温度信号进行判断,若为干扰则将其按一定算法进行处理,否则将输入信号直接输出。可以采用巴特沃思低通滤波器处理采集的传感器信号减少高频干扰，判断脉冲干扰的方法是，先根据实验确定一阈值M,将当前输入的信号值X同前一个采样点值Y的差的绝对值小于M时,将X直接输出,否则便认为X为脉冲干扰。
我们还要对传感器及测量系统进行定标校正处理，这是因为传感器制造条件的限制，各个传感器间的一致性不是很好。在定标校正处理时，需要对在已知条件下的各传感器放大信号进行基线、灵敏度和非线性测量。对各个传感器的校正参数存储，建立各个传感器校准函数，再反馈到每个测量通道，使用校准函数对各个传感器进行线性化校正，完成对各个传感器信号的灵敏度和基线的归一化处理。我们采用分析折线补偿法，使用分段折线组成的曲线代替实际特性曲线，在整个量程范围内分为7段进行校正，将传感器的信号线性化。测量时，各个传感器的处理软件调用各自的校正数据，处理后的各传感器的静态特性基本一致，有助于实际测量结果的分析，可消除非目标参数对传感器输出结果的影响，有效地提高传感器的输出准确度。
（3）显示模块。本模块以图表的形式显示温度。在本系统的前面板中放入Waveform Chart，在流程图中将与Waveform Chart对应的图标和温度的最终输出相连，并在前面板上修改图表坐标的刻度值，就可以显示温度的变化曲线了。
（4）数据存储模块。对传感器测量的信号进行实时显示和数据存储以备以后使用；单路输入波形图数据将以一行的形式存储；多路输入波形将以多行的形式存储，也可供其他数据处理软件使用。
本子模块调用LabVIEW自带的子仪器Write Characters To File.vi将经过处理的温湿度值存入一个电子表格文件中。
四、结语
本文介绍了如何使用LabVIEW和数据采集卡实现一个温度测量的虚拟仪器系统。系统最终实现了温度的测量,并将结果以曲线和数字两种方式在显示器屏幕上显示。同时，显示未经软件处理的温度电压信号的曲线以做对比；最后，为了方便记录数据，还扩展了数据存储功能，系统会自动将数据存入一个电子表格文件中。利用虚拟仪器软件的开发平台，可方便地开发满足各种需求的虚拟仪器，简化系统的开发、更新和维护，具有很高的性能价格比，对于缓解高校实验室资金紧张，减小成本大有裨益。
参考文献：
[1]Gary W.Johnson. LabVIEW Graphical Programming: Practical applications in Instrumentation and control[M].2nd Ed.McGrawHill,1997.
[2]戴光智.基于虚拟仪器和传感器阵列技术的综合无损检测系统[J].无损探伤,2007,31(2).
[3]刘金颂,严洁.基于LabVIEW和单片机的空调温度场测量系统的研究[J].现代电子技术,2006，(1).
[4]郁翔,赵学增.数字温度传感器DS18B20在温度场测试中的应用[J].导弹与航天运载技术, 2004 ，(5).
[5]沙宪政.传感器阵列数据采集和处理的虚拟仪器设计[J].中国医学物理学杂志, 2004,11(1).
[6]M.Kostic. Data Acquisition and Control for an Innovative Apparatus Using LabVIEW Virtual Instrument[J]. LRA.,1998,（10）.
（作者单位：浙江理工大学信息与电子学院）
[关键词]虚拟仪器 传感器阵列 数据采集
一、前言
在空调温度场测量系统和大型结构健康监测与评估系统中，很重要的一部分就是对多点实时采集温度数据并对其进行显示，存储和总结测试结果。
由模拟温度传感器组成的传感器阵列，电路复杂、可靠性差。由于制作的各个传感器的灵敏度、线性测量范围等特性不一致，需要对各个传感器的性能参数分别进行综合测试和定标校正。这些传统仪器很难完成。由数字温度传感器和虚拟仪器技术建立的传感器阵列数据采集和处理分析系统能较好地克服上述缺点。
本文使用美国国家仪器公司（nation instruments, IN）的LabVIEW (图形化软件开发平台和数据采集（data acquisition, DAQ）板，采用虚拟仪器软件方法，建立了一种新的传感器阵列信号采集、显示和处理分析方法，在实验室条件下实现了温度传感器阵列在LabVIEW上进行多个温度采集和显示。这种方法使得由PC构成的数据采集系统的底层开发程序难度大大降低，开发维护费用低、技术更新周期短、用户可定义功能以及与其它设备易连接。
二、LabVIEW的开发环境
LabVIEW是由美国国家仪器（National Instrument）公司研制开发的一种标准虚拟仪器开发平台。LabVIEW中的虚拟仪器相当于常规语言（类似于C和BASIC）中的程序模块。是一种基于G语言(Graphical programming language)的可视化(图形化)优秀开发平台，它使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，使用图标表示功能模块，省却了复杂、繁琐、费时的代码编写输入；连线表示数据传递，简化了图形编程方式；用数据流程语言编写程序并且还提供调试功能，支持多种系统平台，提供大量库函数，包含有从底层VXI仪器、数据采集板到总线接口硬件和CPIB的程序的应用模块。
LabVIEW的开发环境分为三部分:前面板、框图程序和图标/连接端口。前面板就是图形化用户界面,用于设置输入数值和观察输出量。在前面板中,输入量被称为控制,输出量被称为指示,它们通过各种图标如按钮、旋钮、开关、图表等出现在前面板上,模拟真实仪器。框图程序由节点和数据连线组成,它利用图形语言对前面板上的控制对象即输入量和输出量进行控制,节点用来实现函数和功能调用,数据连线表示程序执行过程的数据流,它定义了程序框图内的数据流动方向。图标/连接端口用于把LabVIEW程序定义为一个子程序,从而实现模块化编程,图标是子程序在其它程序框图中被调用的节点表现形式,连接端口则表示节点数据的输入、输出口。LabVIEW具有三个可移动的图形化工具模板:工具模板、控件模板和功能模板。工具模板提供了用于图形操作的各种工具,比如定位、标注、断点、连线、文字注释等;控件模板提供了前面板编辑所需的图像图标、一些特殊的图形;功能模板则提供了一些基本的数学函数和其他功能函数。这三个模板是LabVIEW编程的主要工具。
三、数据采集系统
传感器阵列信号采集即把待测信号通过传感器变为电压、电流等波形信号、通过A/D转换为数字信号，通过计算机进行分析、显示。该系统硬件部分由传感器阵列、信号调理电路、数据采集（DAQ）卡、计算机几部分组成。软件部分负责对采集卡DAQ输入的数据进行处理,使其变换成相应的温值,然后在显示器上显示相应的图线,并存入硬盘。本系统结果显示形象直观,操作方便,并且通过修改软件还可以容易地扩展功能。
1.硬件结构
使用一种一线制数字温度传感器，组网成传感器阵列，经恒电位仪将氧电极的电流转换为电压信号。典型的数据采集系统结构框图如图1所示。信号
其中信号调理电路的主要作用是使传感器阵列输出信号与A/D转换器相适配。例如A/D转换的输入电平是0-5V，而传感器输出信号通常很小，这时必须采取放大措施以减小量化误差，放大器输出电平愈接近A/D输入的满标，相对误差越小。如果传感器阵列输出信号中混入了虚假成分，还需要进行滤波、压缩频带，用以降低采样率。
2.软件部分
软件部分包括对传感器信号显示和控制的前面板的设计和对传感器信号定标校正显示处理的软件设计。虚拟仪器的软件设计在LabVIEW对LabJack u12数据采集卡自带LabVIEW子VI（LabJack u12提供的LabVIEW环境下的驱动程序）进行调用的基础上，分别实现数据采集、信号输入、处理及信号显示输出功能。该系统的软件结构可分为主模块、信号采集器模块、滤波模块、显示模块、等几个主要组成部分。在以上各模块中，除了必要的硬件之外，主要靠软件实现它的功能，因此简化了硬件资源，它们既相互独立又相互联系，通过应用程序提供的仪器硬件接口，用户可以以透明的方式来操作仪器硬件。
（1）主模块。当运行程序时，首先，出现的是主模块界面。在此界面里，明确显示了主系统各功能按钮的分布情况。由于本程序采用的软件平台是图形化的编程语言LabVIEW，可通过交互式的图形面板对系统进行控制，在该软件的前面板体现的是软件的界面，在图表板中则是实际的程序设计，程序通过前面板上各种按钮的响应执行相应的子例程，两个示波器控件，准确的显示采集到的信号波形，右边的设置一栏，分别可以设置采样的通道、采样点数和信号频率，同时，反应在软件前面板上，主界面是一个总控模块，它运行时一直循环等待数据的输入。程序不断在扫描前面板的按钮，当EXIT按钮按下时，程序就执行该按钮所对应的子模块例程，执行完后就会退回到编辑界面上。该虚拟仪器测控平台有较强的可移植性，LabVIEW代码的移植性也简化了该平台的维护与配置。数据采集模块，本系统调用LabVIEW中自带的子仪器AI Sample Channels.vi对指定的模拟量通道进行数据采集,并将温度信号分别输出。
（2）信号处理模块。由于在温度原始信号采集的过程中,容易受到脉冲干扰的影响,所以本模块对输入的温度信号进行判断,若为干扰则将其按一定算法进行处理,否则将输入信号直接输出。可以采用巴特沃思低通滤波器处理采集的传感器信号减少高频干扰，判断脉冲干扰的方法是，先根据实验确定一阈值M,将当前输入的信号值X同前一个采样点值Y的差的绝对值小于M时,将X直接输出,否则便认为X为脉冲干扰。
我们还要对传感器及测量系统进行定标校正处理，这是因为传感器制造条件的限制，各个传感器间的一致性不是很好。在定标校正处理时，需要对在已知条件下的各传感器放大信号进行基线、灵敏度和非线性测量。对各个传感器的校正参数存储，建立各个传感器校准函数，再反馈到每个测量通道，使用校准函数对各个传感器进行线性化校正，完成对各个传感器信号的灵敏度和基线的归一化处理。我们采用分析折线补偿法，使用分段折线组成的曲线代替实际特性曲线，在整个量程范围内分为7段进行校正，将传感器的信号线性化。测量时，各个传感器的处理软件调用各自的校正数据，处理后的各传感器的静态特性基本一致，有助于实际测量结果的分析，可消除非目标参数对传感器输出结果的影响，有效地提高传感器的输出准确度。
（3）显示模块。本模块以图表的形式显示温度。在本系统的前面板中放入Waveform Chart，在流程图中将与Waveform Chart对应的图标和温度的最终输出相连，并在前面板上修改图表坐标的刻度值，就可以显示温度的变化曲线了。
（4）数据存储模块。对传感器测量的信号进行实时显示和数据存储以备以后使用；单路输入波形图数据将以一行的形式存储；多路输入波形将以多行的形式存储，也可供其他数据处理软件使用。
本子模块调用LabVIEW自带的子仪器Write Characters To File.vi将经过处理的温湿度值存入一个电子表格文件中。
四、结语
本文介绍了如何使用LabVIEW和数据采集卡实现一个温度测量的虚拟仪器系统。系统最终实现了温度的测量,并将结果以曲线和数字两种方式在显示器屏幕上显示。同时，显示未经软件处理的温度电压信号的曲线以做对比；最后，为了方便记录数据，还扩展了数据存储功能，系统会自动将数据存入一个电子表格文件中。利用虚拟仪器软件的开发平台，可方便地开发满足各种需求的虚拟仪器，简化系统的开发、更新和维护，具有很高的性能价格比，对于缓解高校实验室资金紧张，减小成本大有裨益。
参考文献：
[1]Gary W.Johnson. LabVIEW Graphical Programming: Practical applications in Instrumentation and control[M].2nd Ed.McGrawHill,1997.
[2]戴光智.基于虚拟仪器和传感器阵列技术的综合无损检测系统[J].无损探伤,2007,31(2).
[3]刘金颂,严洁.基于LabVIEW和单片机的空调温度场测量系统的研究[J].现代电子技术,2006，(1).
[4]郁翔,赵学增.数字温度传感器DS18B20在温度场测试中的应用[J].导弹与航天运载技术, 2004 ，(5).
[5]沙宪政.传感器阵列数据采集和处理的虚拟仪器设计[J].中国医学物理学杂志, 2004,11(1).
[6]M.Kostic. Data Acquisition and Control for an Innovative Apparatus Using LabVIEW Virtual Instrument[J]. LRA.,1998,（10）.
（作者单位：浙江理工大学信息与电子学院）