基于NI PXI平台的多通道温度采集系统

       温度采集实验需要通过对实验区内不同距离的点位温度进行采集和分析。该试验要求搭建一套多通道温度采集系统，系统需提供不低于500通道的高速温度信号的实时同步采集，同时要求有友好的用户界面，方便查看测试结果，调试温度采集系统，尽早地发现和纠正测温过程中热电偶的故障点，降低系统开发成本,提高开发效率及开发质量。过去采用传统的温度测量仪器仅支持数通道的温度采集，由于单个仪器体积大，对于上百通道的采集工作已经无法胜任。且难以在多个采样点间进行同步，给数据的读取和记录工作造成了极大困扰。针对传统温度采集方案的弊端，新的采集系统希望达到以下效果：

 1.集成度高，在满足500多路温度采集的条件下尽可能节省空间

 2.高速同步，实现多路通道温度的高速和同步采集

 3.显示直观，通过曲线和3D图形直观地反映温度的变化趋势

 4.高效开发，在尽量短的周期内搭建一套满足要求的系统

 5.适应性强，能适应各种外场环境条件。

 根据温度采集系统的性能要求,和信号高速采样原理,基于NI公司的软硬件产品,我们选择了NI PXIe-4353 和NI PXIe-1075 18槽机箱作为信号采集系统, 选择了NI PXIe-8135处理器来处理信号。

 NI PXIe-4353温度采集卡具有32路通道，且每通道都配有3个24位模数转换器(ADC)并且按高速（90 S/s/通道）和高分辨率（1 S/s/通道）模式运作。其设计具有0.3 °C的典型高精度，适合模块和接线盒。模块既有用于偏移补偿的2路自动调零通道，也有用于识别断开的热电偶的热电偶开路检测。 该模块包含高精度测试以及同步功能，是通道数可扩展（从低通道数到高通道数）测量系统的理想选择。而NI PXIe-1075 18槽机箱集成了最新PXI规范的所有特性，包括内置10 MHz参考时钟，以及用于PXI Express模块的内置100 MHz参考时钟、SYNC 100和PXI星形差分触发等。满足各种高性能同步测试和测量应用的需求。

 NI PXIe-8135处理器。基于Intel Core i7-3610QE处理器的高性能嵌入式控制器，可用于PXI系统。 结合2.3 GHz基频、3.3 GHz（单核Turbo Boost模式）四核处理器和双通道1,600 MHz DDR3内存，该控制器非常适合用于处理器密集型模块化仪器和数据采集应用。 在实际的开发应用中表明:这样搭建起来的系统能够高速,多通道地采集并处理信号,进而为测温系统的研发和调试提供了很好的手段。

 图1为总体设计系统框原理示意图:

图1 系统原理图

  我们将17块PXIe4353数据采集卡插在带控制器的机箱中，同时通过线缆将采集卡和TC-4353机架式热电偶接线盒连接起来，每个接线盒的另一端与32个直插式热电偶连接，从而搭建该采集系统的硬件平台。当热电偶接收到温度信号后，通过采集板卡进行信号调理和采集，将所有544路通道的数据集中显示在屏幕上。整个系统封装在19寸标准机柜中，使用时只用将传感器插入系统背面一排排机架插孔即可实现温度采集，几乎没有操作门槛，且外观简洁美观。

图2-1 VS 500+多通道热电偶采集系统连线区

图2-2 VS 500+多通道热电偶采集系统控制区

图2-3 VS 500+多通道热电偶采集系统现场布线实景

  软件调试平台的建立：我们结合NI LabVIEW图形化编程软件，真正地发挥出PXI应有的功能，实现了544通道的热电偶并行实时温度数据的采集,记录,输出以及3D传感器映射。整个程序的框架采用了While循环+case结构联合。While循环+case结构联合是被LabVIEW应用程序广泛采用的核心骨架，它可以用来创建简单且功能强大、可扩展的应用程序框架。（程序主框图如下所示）它由一个主循环和两个条件结构组成，其中一个条件结构中还有一个采样循环。当用户激活上面的布尔开关以后，采样程序开始运行，采集数据，绘制曲线、图例。而下面的布尔开关被激活时，用户可以查看之前已保存的TDMS数据文件。

图3 热电偶采集系统主程序框图

根据功能不同，我们将用户界面分成了若干个窗口：

1、“控制及显示界面”：通过该界面用户可以设置采样频率，温度范围等信息，方便地读出所有热电偶温度中的最大值和最小值并检测传感器断点。

图4 “热电偶温度等高线示意图”

2、“3D传感器映射界面”:通过LabVIEW 3D Sensor Mapping功能VI创建的3D温度模型，通过该缩放的模型用户可直观地看到现实中热电偶探测元件的传感器温度分布及变化趋势。

图5“3D传感器映射界面”

3、“数据总览页面”：在这个页面，用户可以直观地找到出故障的热电偶在那块板卡哪一通道。

图6 “数据总览页面”

4、“单块板卡曲线显示页面”：用户在这个页面可以看到单块板卡上各通道的热电偶探测器的温度-时间图线。

图7 “单块板卡曲线显示页面”

 5.“所有通道曲线显示页面”：在这个页面，用户可以看到合计544个通道的热电偶探测器的温度-时间曲线。

图8 “所有通道曲线显示页面”

  在软件设计的过程中我们采用了模块化设计的方法，将系统分成：文件配置、数据采集、数据分析与综合、数据显示、数据存盘及报告生成六个模块。增加了软件的灵活性，提高了软件的整体效率。

总结：

传统的测控温度技术大多是用传统的温度测量仪器，其功能大多由硬件以及固化的软件实现，而且只能通过厂家来定义、设置，用户无法随意改变其结构和功能。该方案采用NI公司先进的PXI技术，将PXI驱动库DAQmx与NI LabVIEW软件开发平台无缝地衔接。相比起传统技术，该基于PXI的温度测试系统不仅将工程师从繁琐的布线以及无休止的单片机编程中解放出来，而且还具有以下优势：

1. 统一的硬件资源分配

我们将17个PXIe-4353板卡插入PXIe-1075 18槽机箱后，按照各板卡的接口地址进行统一的资源分配。

2. 统一的上位机软件控制界面

我们使用的NI LabVIEW2014图形化编程软件，规范统一了上位机软件编程界面，对各板卡的操作实现了模块化编程，整个系统开发时间仅为一周，大大提高了编程效率。

3. 紧凑的结构

该方案将整个系统封装在19英寸工业机柜中，使用方便，结构紧凑，采用NI PXI平台搭建系统较预计体积缩小了近一半。

4.高性价比

由于温度测试系统需要实现的功能较多，倘若都采用现实的仪器设备生产成本较高。然而这个系统采用了NI公司基于开放工业标准的计算机技术为基础的虚拟仪器技术仅花费了不到传统技术所搭建的系统的一半的费用就实现系统所要求的所有功能。