基于虛擬儀器技術設計館藏室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)

1 引言 　　虛擬儀器簡稱VI是具有虛擬面板的PC機儀器，由硬件設備與接口、PC機、設備驅(qū)動軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設備與接口可以是各種以PC機為基礎的內(nèi)置功能卡如DAQ、通用接口總線GPIB接口卡、串行口和VXI總線儀器接口等，或者其他可程控的外部測試設備設備驅(qū)動軟件是直接控制各種可控制硬件接口的驅(qū)動程序。虛擬儀器通過低層設備驅(qū)動軟件與真實的儀器系統(tǒng)進行直接通信，并通過虛擬儀器面板的形式在計算機屏幕上顯示真實儀器操作元素相對應的各種控件虛擬儀器面板應用程序負責對采集來的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析、圖像顯示、數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)打印等操作，面板上的按鈕對應各種功能，并伴有動態(tài)幫助，這樣不僅充分實現(xiàn)單鍵操作和OSD，而且用戶對虛擬儀器面的操作比對真實儀器的操作更為方便。 　　2 設計原理 　　一個具有一定規(guī)模的博物館或圖書館一般是由好幾個館藏室組成的。本設計采用計算機中分時系統(tǒng)中給多任務的各個任務分配時間片的原理，來實現(xiàn)用一臺計算機和一個數(shù)據(jù)卡對多個館藏室的溫度和濕度進行檢測與控制。利用數(shù)據(jù)采集卡中的模擬多路開關實現(xiàn)各個硬件數(shù)據(jù)通道之間的切換，來達到各個通道分時間片采樣和控制的目的。該方法適用于對時間變化不太敏感的參量的控制如溫度和濕度等。這樣可以一定程度地減少監(jiān)控系統(tǒng)的復雜程度。 　　館藏室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的結構如圖1所示，溫度與濕度等被控參數(shù)通過傳感器檢測后經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡送到計算機中，由計算機按照一定的控制算法進行數(shù)據(jù)處理與顯示，處理后輸出的控制信號再經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡送至執(zhí)行機構空調(diào)機與去濕機，達到控制館藏室溫濕度的目的。 　　3 硬件設計 　　系統(tǒng)的硬件主要由PC機、數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理電路、溫濕度傳感器和執(zhí)行機構空調(diào)機與去濕機等組成。 　　3. 1 　數(shù)據(jù)采集卡 　　數(shù)據(jù)采集的正確與否將直接影響整個虛擬儀器測控系統(tǒng)的精度。因此，在數(shù)據(jù)采集卡的選擇上，首先應該考慮采樣精度和采樣速度兩個基本指標。綜合考慮本系統(tǒng)待定參數(shù)的特征，以及數(shù)據(jù)采集卡的可靠性、精度和性價比等因素，選用PCI總線/100Ksps/12 位32 通道AD/2 通道DA 板/8 路輸入輸出板AD7202。 　　3. 2 　信號調(diào)理電路 　　信號調(diào)理電路中一般包括小信號的放大、濾波、零點校正、線性化處理、溫度補償、誤差修正和量程切換等電路。在本系統(tǒng)中加入前置放大電路對傳感器輸入的小信號進行放大和加入低通濾波器濾去高頻噪聲。 　　3. 3 　傳感器 　　溫度傳感器元件的選擇：選用AD590L溫度傳感器，測溫范圍為-55℃～ 125℃，其中在-10℃～ 85℃的范圍內(nèi)的測量精度為±0. 5℃，此傳感器可滿足館藏室溫濕度測控系統(tǒng)的工作要求。濕度傳感器的選擇：采用HONEYWELL公司生產(chǎn)的集成濕度傳感器IH3605，其測量濕度范圍為0～100RH,固有精度為±2 RH，工作的溫度范圍為- 40℃～ 85℃。 　　4 軟件設計 　　系統(tǒng)開發(fā)基于虛擬儀器技術，以圖形化編程語言LabView 8.2作為開發(fā)工具。采用計算機本身的PCI 總線，以傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、PC 機為基礎，組成儀器硬件平臺的插卡式虛擬系統(tǒng)。系統(tǒng)借助于傳感器，對館藏室溫濕度進行測量，同時對采集到的數(shù)據(jù)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換、結果顯示、控制算法處理、數(shù)據(jù)查詢及控制信號輸出等操作。本系統(tǒng)的主要功能模塊和結構框圖如圖2 所示。 　　4.1 參數(shù)設置模塊 　　由于系統(tǒng)的硬件資源比較多，在進行信號采集之前應首先對數(shù)據(jù)采集卡上的數(shù)字通道進行初始化。AD卡進行數(shù)據(jù)采集時有兩種采集方式：單緩沖方式和多緩沖方式。本檢測系統(tǒng)中AD卡采用的是多緩沖方式。館藏室溫濕度測控系統(tǒng)需要對采集信號的通道個數(shù)、采樣頻率、總的緩沖區(qū)的數(shù)目、每個緩沖區(qū)的采樣點數(shù)等參數(shù)進行設置。通過對這些參數(shù)的綜合設置可以得到合適的信號采集時間和總的采樣點數(shù)。它們之間滿足下面的關系： 　　共采集到的點數(shù) = 頻率 × 采集時間 　　共采集到的點數(shù) = 每個緩沖區(qū)采集的點數(shù) × n 個緩沖區(qū) 　　4.2 數(shù)據(jù)采集模塊 　　數(shù)據(jù)采集模塊主要包括信號采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換兩部分。由于所使用的A/D數(shù)據(jù)采集卡均可以直接應用于LabView軟件平臺中的.dll 格式的統(tǒng)一接口ADCard驅(qū)動程序。這樣就避免了應用其它語言開發(fā)驅(qū)動程序，只需正確調(diào)用ADCard下的相關函數(shù)。數(shù)據(jù)采集中應用的數(shù)據(jù)傳輸原理是：數(shù)據(jù)采集卡在驅(qū)動程序的控制下, 將采集到的外部信號先存放在采集卡上的緩沖區(qū)中，驅(qū)動程序再將采集卡緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)放到驅(qū)動程序的緩沖區(qū)中，再經(jīng)過動態(tài)連接庫接口函數(shù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴蠈討�用軟件的�?shù)據(jù)內(nèi)存中。 　　在LabView的后臺程序中，使用LabView提供的調(diào)用動態(tài)連接庫方法來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的輸入。整個采集過程分為調(diào)用DllInitial函數(shù)初始化采集功能、調(diào)用DllStartIntr函數(shù)啟動A/D 卡開始數(shù)據(jù)采集、調(diào)用DllADResult函數(shù)讀取數(shù)據(jù)采集結果和調(diào)用DllStopIntr函數(shù)停止數(shù)據(jù)采集幾個步驟完成。 　　4.3 數(shù)據(jù)處理模塊 　　館藏室的溫濕度不僅受室外環(huán)境變化的影響，而且文物、書籍和文獻資料的隨機存入與取出都將影響?zhàn)^藏室的溫濕度，這給溫濕度的控制帶來困難，并難以用數(shù)學模型來表達。 　　本系統(tǒng)由LabView虛擬儀器軟件實現(xiàn)智能控制原理中的模糊控制方法。其基本思路是：當采集的數(shù)據(jù)在設定值的閾值范圍內(nèi)時，系統(tǒng)不調(diào)節(jié)當采集的數(shù)據(jù)偏離給定值的閾值范圍，新采集的數(shù)據(jù)與上次采集的數(shù)據(jù)進行比較，若其變化趨向設定值，系統(tǒng)仍然不調(diào)節(jié)若其變化偏離設定值，系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)。由于被控參數(shù)的時滯大，該調(diào)節(jié)機理能夠在保證控制精度的前提下，不僅避免了執(zhí)行機構動作頻繁引起系統(tǒng)振蕩，而且可以延長執(zhí)行機構的使用期限。 　　為防止意外情況如執(zhí)行機構失效發(fā)生，本系統(tǒng)還設計了溫濕度的上下限報警功能。通過虛擬儀器的前面板和框圖程序可實現(xiàn)聲光報警，提醒工作人員及時處理意外情況。 　　4.4 數(shù)據(jù)顯示模塊 　　在數(shù)據(jù)顯示模塊中，采集到的數(shù)據(jù)和報警信號可以曲線、數(shù)值兩種方式顯示出來，以便進行人機交互。另外設置了數(shù)據(jù)存盤函數(shù)，保存采集數(shù)據(jù)以備后用。圖形和數(shù)據(jù)的顯示可以從虛擬儀器面板上看到，如圖3所示。數(shù)據(jù)存盤的實現(xiàn)在后臺框圖程序里體現(xiàn)出來，選用函數(shù)- 文件 I/O - 寫入電子表格文件節(jié)點完成對數(shù)據(jù)存儲功能。 　　4.5 信號輸出模塊 　　采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)控制算法處理后，將產(chǎn)生相應的控制信號，系統(tǒng)采用兩種方式進行輸出，若是對圖書館館藏室的溫濕度進行監(jiān)控，則相應的控制要求比較低，可以采用開關量來進行控制，故輸出的是一個開關量信號若是對珍藏有珍貴文物的博物館的溫濕度進行監(jiān)控，則相應的控制要求比較高，則采用模擬量進行控制，這時輸出的是一個模擬電壓信號，通過調(diào)整空調(diào)機或去濕機的轉(zhuǎn)速來達到實時控制的目的。