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摘 要： 首先根据真空热压烧结炉的技术参数和测控系统组成原理，提出两种系统构成方案，分别搭建两套适用于不同要求的硬件系统，并根据具体技术要求进行硬件选型，从信号调理，数据采集，到最后控制输出，构建出两套炉温测控系统的硬件平台，而后利用虚拟仪器开发语言LabVIEW搭建系统的软件平台，采用模块化设计思想，分别设计数据采集模块、测温通道和测温范围设置模块、数据显示分析模块、数据存储模块和温度控制模块，实现对炉温信号的采集、处理、分析、显示和存储。
关键词： 虚拟仪器；LabVIEW；炉温测控
中图分类号：TG155.1 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1220056－02
0 引言
目前的温度测控系统大多使用传统温度测量仪器，用户无法随意改变其结构和功能，硬件较多，测量时常伴着交错的电缆、繁多的器件，其测试手段及测试结果评定方法都比较落后，因此已不能适应现代化监测系统的要求[1]。利用目前最为流行的测控技术——虚拟测控技术，进行温度的测控，以LabVIEW作为软件开发平台，配以相应的传感器和信号调理设备，组成温度测控系统，因为软件集成了所有的采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能，这样，传统仪器的某些部分被计算机软件所代替，并且测控手段、结果评定方法更先进，数据处理更精确，数据表达更直观友好，而且可以使工作平台整洁化、操作有序化，使操作人员的工作简单化，组建集中和分布式温度测控系统更容易[2]。
1 炉温测控系统硬件设计方案
基于虚拟仪器技术的炉温测控系统由硬件和软件两大部分组成。硬件部分由温度传感器、信号调理系统、数据采集卡、计算机组成。根据不同情况下的应用需求，硬件部分分别采用了两种设计方案。软件部分采用美国NI公司的图形化编程软件LabVIEW，通过模块化编程思想来实现系统的各项检测和控制功能，包括测量、显示、分析、控制和存储等。这些模块主要包括数据采集模块，数据分析处理模块，温度控制模块，数据存储模块等，各模块之间的关系如图1所示。两种方案分别为，PCI-6221输出方案采用NI的产品做采集和输出以及信号调理，成本较高，但由于集成度好，所以精度和效果都较好；PLC输出方案属于控制成本的设计方式，采用PLC进行模拟量的输出，同时信号调理部分采用温度变送器，价格较低，方便使用，同时也是应用工业中广泛应用的仪器。PCI-6221输出方案所需仪器分别为：热电偶，NI SCXI-1112 8通道热电偶输入模块，SCXI-1000机箱，SCXI-1374机箱手柄，NI PCI-6221 M系列数据采集卡。
Fig.1 The software module structure
SHC68-68-EPM68针屏蔽电缆，SCB-68屏蔽接线盒。其技术参数如下：
S型热电偶测温范围：0-1600℃；NI SCXI-1112：8通道热电偶输入模块，每路通道具有冷端温度补偿；NI PCI-6221 M系列数据采集卡：16位，250KS/s，16路模拟输入，2路16位模拟输出（833KS/s）。
PCI-6221输出方案如图2所示。
Fig.2 System constitution of program PCI-6221 output
PLC输出方案如图3所示。
PLC输出方案所需仪器为：热电偶，温度变送器，NI PCI-6220 M系列数据采集卡，SHC68-68-EPM68针屏蔽电缆，SCB-68屏蔽接线盒，以及OMRON CJ1M-CPU11，CJ1W-DA08V。其技术参数为：
S型热电偶测温范围：0-1600℃；
NI PCI-6220 M系列数据采集卡：16位，250KS/s，16路模拟输入；
PLC主模块OMRON CJ1M-CPU11；
PLC模拟量输出模块 OMRON CJ1W-DA08V：8路电压输出。
Fig.3 System constitution of program PLC output
PLC模拟量输出模块 OMRON CJ1W-DA08V：8路电压输出。
2 软件总体设计方案
整个温度测控仪器的软件部分是由LabVIEW 8.2.1来实现的，LabVIEW 8.2.1提供了丰富的控件，如各种旋钮、开关、仪表盘、模拟数字示波器等，并可根据实际需要制定控件；在用户通过点击鼠标发出指令后，主控模块通过统一调度各功能模块实现用户意图[3]。虚拟炉温测控系统提供了类似于硬件仪器面板的形象逼真的仪器软面板如图4所示。
2.1 数据采集
DAQmx API函数引入了多态机制。所谓多态机制就是指允许不同的I/O接口共享一个函数来简化编程开发过程，即在函数给定的输入和输出端口可以接受不同类型的数据。当设计一个模拟量采集程序时，通常分为模拟输入和模拟输出两部分，用到的模拟输入VI有DAQmx Create Virtual Channel.vi（创建虚拟通道VI），DAQmx Timing.vi（定时VI），DAQmx Trigger.vi（触发VI），DAQmx Read.vi（读取VI），DAQmx Start Task.vi（启动任务VI），DAQmx Clear Task.vi（清除任务VI）；模拟输出VI有DAQmx Write.vi（写入VI）等。
根据模拟量输入输出过程，利用数据采集DAQmx 模块设计的数据采集，数据采集的程序模型如图5所示。
Fig5 The model of acquisition program
2.2 温度的图形和数值显示
虚拟仪器具有美观的仪器界面和多样化的数据显示方式[4]。本虚拟炉温测控系统秉承了这些优点，实现了温度的数字化显示，图形化显示和温度计显示几种模式。其当前温度，平均温度以及温度方差标准差等均采用这几种显示方式。这对于用户分析被测对象的温度变化情况有很好的参考价值，如图6所示。
Fig.6 The temperature graph
2.3 数据统计与分析
本系统数据统计与分析模块的特点是数据的个性化分析[5]和数据的图形显示。特征值分析主要包括分别计算一段时间内的温度最大、最小值及平均值、方差、标准差。同时图表上设置滚动条，以便历史温度的查询。
在温度的统计分析图表中，分别设置两个游标，红色游标只捕捉曲线上的点，黄色游标可捕捉空间上的任意点，以便于用户用以查询和分析数据。数据的统计采用多次测量取平均值的方式，描点绘图，使曲线平滑，如图7所示。
图
Fig.7 Statistical analysis of temperature data
该炉温测控系统中，平均每40秒钟进行一次数据的统计分析计算，分别得出该段时间内的最大、最小值，方差、标准差等。数据的统计分析便于用户更好地分析炉温的变化情况。综上所述，整个数据分析的流程如图8所示。
Fig.4.9 Statistics and analysis of furnace temperature
2.4 数据存储模块
LabVIEW提供的存储方法直接存为文本文件、电子表格格式文件、二进制文件或者波形文件。该方法可以很好的满足实时性的要求，根据日期、时间等数据存储数据也比较方便，但是，在用户自定义的数据格式和数据查询方面应用性不强，耗费大量系统时间。本文分别采用上述两种方法进行数据存储。在这里先介绍直接存储为文本文件的形式如图9所示，即与word通信，将所测数据存储为word格式或记事本格式。
关键词： 虚拟仪器；LabVIEW；炉温测控
中图分类号：TG155.1 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1220056－02
0 引言
目前的温度测控系统大多使用传统温度测量仪器，用户无法随意改变其结构和功能，硬件较多，测量时常伴着交错的电缆、繁多的器件，其测试手段及测试结果评定方法都比较落后，因此已不能适应现代化监测系统的要求[1]。利用目前最为流行的测控技术——虚拟测控技术，进行温度的测控，以LabVIEW作为软件开发平台，配以相应的传感器和信号调理设备，组成温度测控系统，因为软件集成了所有的采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能，这样，传统仪器的某些部分被计算机软件所代替，并且测控手段、结果评定方法更先进，数据处理更精确，数据表达更直观友好，而且可以使工作平台整洁化、操作有序化，使操作人员的工作简单化，组建集中和分布式温度测控系统更容易[2]。
1 炉温测控系统硬件设计方案
基于虚拟仪器技术的炉温测控系统由硬件和软件两大部分组成。硬件部分由温度传感器、信号调理系统、数据采集卡、计算机组成。根据不同情况下的应用需求，硬件部分分别采用了两种设计方案。软件部分采用美国NI公司的图形化编程软件LabVIEW，通过模块化编程思想来实现系统的各项检测和控制功能，包括测量、显示、分析、控制和存储等。这些模块主要包括数据采集模块，数据分析处理模块，温度控制模块，数据存储模块等，各模块之间的关系如图1所示。两种方案分别为，PCI-6221输出方案采用NI的产品做采集和输出以及信号调理，成本较高，但由于集成度好，所以精度和效果都较好；PLC输出方案属于控制成本的设计方式，采用PLC进行模拟量的输出，同时信号调理部分采用温度变送器，价格较低，方便使用，同时也是应用工业中广泛应用的仪器。PCI-6221输出方案所需仪器分别为：热电偶，NI SCXI-1112 8通道热电偶输入模块，SCXI-1000机箱，SCXI-1374机箱手柄，NI PCI-6221 M系列数据采集卡。
Fig.1 The software module structure
SHC68-68-EPM68针屏蔽电缆，SCB-68屏蔽接线盒。其技术参数如下：
S型热电偶测温范围：0-1600℃；NI SCXI-1112：8通道热电偶输入模块，每路通道具有冷端温度补偿；NI PCI-6221 M系列数据采集卡：16位，250KS/s，16路模拟输入，2路16位模拟输出（833KS/s）。
PCI-6221输出方案如图2所示。
Fig.2 System constitution of program PCI-6221 output
PLC输出方案如图3所示。
PLC输出方案所需仪器为：热电偶，温度变送器，NI PCI-6220 M系列数据采集卡，SHC68-68-EPM68针屏蔽电缆，SCB-68屏蔽接线盒，以及OMRON CJ1M-CPU11，CJ1W-DA08V。其技术参数为：
S型热电偶测温范围：0-1600℃；
NI PCI-6220 M系列数据采集卡：16位，250KS/s，16路模拟输入；
PLC主模块OMRON CJ1M-CPU11；
PLC模拟量输出模块 OMRON CJ1W-DA08V：8路电压输出。
Fig.3 System constitution of program PLC output
PLC模拟量输出模块 OMRON CJ1W-DA08V：8路电压输出。
2 软件总体设计方案
整个温度测控仪器的软件部分是由LabVIEW 8.2.1来实现的，LabVIEW 8.2.1提供了丰富的控件，如各种旋钮、开关、仪表盘、模拟数字示波器等，并可根据实际需要制定控件；在用户通过点击鼠标发出指令后，主控模块通过统一调度各功能模块实现用户意图[3]。虚拟炉温测控系统提供了类似于硬件仪器面板的形象逼真的仪器软面板如图4所示。
2.1 数据采集
DAQmx API函数引入了多态机制。所谓多态机制就是指允许不同的I/O接口共享一个函数来简化编程开发过程，即在函数给定的输入和输出端口可以接受不同类型的数据。当设计一个模拟量采集程序时，通常分为模拟输入和模拟输出两部分，用到的模拟输入VI有DAQmx Create Virtual Channel.vi（创建虚拟通道VI），DAQmx Timing.vi（定时VI），DAQmx Trigger.vi（触发VI），DAQmx Read.vi（读取VI），DAQmx Start Task.vi（启动任务VI），DAQmx Clear Task.vi（清除任务VI）；模拟输出VI有DAQmx Write.vi（写入VI）等。
根据模拟量输入输出过程，利用数据采集DAQmx 模块设计的数据采集，数据采集的程序模型如图5所示。
Fig5 The model of acquisition program
2.2 温度的图形和数值显示
虚拟仪器具有美观的仪器界面和多样化的数据显示方式[4]。本虚拟炉温测控系统秉承了这些优点，实现了温度的数字化显示，图形化显示和温度计显示几种模式。其当前温度，平均温度以及温度方差标准差等均采用这几种显示方式。这对于用户分析被测对象的温度变化情况有很好的参考价值，如图6所示。
Fig.6 The temperature graph
2.3 数据统计与分析
本系统数据统计与分析模块的特点是数据的个性化分析[5]和数据的图形显示。特征值分析主要包括分别计算一段时间内的温度最大、最小值及平均值、方差、标准差。同时图表上设置滚动条，以便历史温度的查询。
在温度的统计分析图表中，分别设置两个游标，红色游标只捕捉曲线上的点，黄色游标可捕捉空间上的任意点，以便于用户用以查询和分析数据。数据的统计采用多次测量取平均值的方式，描点绘图，使曲线平滑，如图7所示。
图
Fig.7 Statistical analysis of temperature data
该炉温测控系统中，平均每40秒钟进行一次数据的统计分析计算，分别得出该段时间内的最大、最小值，方差、标准差等。数据的统计分析便于用户更好地分析炉温的变化情况。综上所述，整个数据分析的流程如图8所示。
Fig.4.9 Statistics and analysis of furnace temperature
2.4 数据存储模块
LabVIEW提供的存储方法直接存为文本文件、电子表格格式文件、二进制文件或者波形文件。该方法可以很好的满足实时性的要求，根据日期、时间等数据存储数据也比较方便，但是，在用户自定义的数据格式和数据查询方面应用性不强，耗费大量系统时间。本文分别采用上述两种方法进行数据存储。在这里先介绍直接存储为文本文件的形式如图9所示，即与word通信，将所测数据存储为word格式或记事本格式。