基于LabVIEW的干燥過程果蔬內(nèi)部溫度測(cè)試

黃儉花 張緒坤 祝樹森 徐 剛 徐建國

(南昌航空大學(xué)無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1，江西 南昌 330063;江西省科學(xué)院2，江西 南昌 330029)

基于LabVIEW的干燥過程果蔬內(nèi)部溫度測(cè)試

黃儉花1張緒坤1祝樹森1徐 剛2徐建國2

(南昌航空大學(xué)無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1，江西 南昌 330063;江西省科學(xué)院2，江西 南昌 330029)

溫度是影響果蔬干燥過程的重要參數(shù)之一。采用探針法設(shè)計(jì)了一種測(cè)試干燥過程果蔬內(nèi)部溫度的系統(tǒng)。該系統(tǒng)以LabVIEW為平臺(tái)開發(fā)虛擬面板，實(shí)時(shí)顯示圖形數(shù)值溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，有效運(yùn)用Tab控件實(shí)現(xiàn)菜單式友好用戶界面;NI9205模塊采集信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)下位機(jī)NI CompactDAQ的USB總線傳送至計(jì)算機(jī)，構(gòu)建完整的USB數(shù)據(jù)采集過程。實(shí)際應(yīng)用表明，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)干燥過程果蔬內(nèi)部的溫度變化，為干燥過程果蔬內(nèi)部熱傳遞現(xiàn)象的研究提供有效途徑。

果蔬 干燥過程 溫度測(cè)試 LabVIEW 選項(xiàng)控件 數(shù)據(jù)采集

0 引言

在干燥過程中，果蔬會(huì)發(fā)生一系列物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和營養(yǎng)成分的變化，這些都與果蔬內(nèi)部溫度的分布密切相關(guān)。溫度作為干燥過程中的重要參數(shù)，其對(duì)干燥過程和干燥產(chǎn)品有直接影響。過低的干燥溫度延長干燥時(shí)間，增加干燥成本，與節(jié)能干燥相背離，另外長時(shí)間的低溫干燥促使微生物滋生較快，對(duì)干燥產(chǎn)品質(zhì)量有較大影響;過高的干燥溫度使果蔬內(nèi)部的酶、蛋白質(zhì)、維生素等營養(yǎng)物質(zhì)和細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆變化，直接影響干燥產(chǎn)品的質(zhì)量和口味。因此，準(zhǔn)確測(cè)量果蔬內(nèi)部的溫度分布及變化規(guī)律，是了解干燥過程果蔬內(nèi)部傳熱傳質(zhì)有效和直觀的手段，它能為正確認(rèn)識(shí)果蔬內(nèi)部傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象提供依據(jù)，對(duì)干燥產(chǎn)品質(zhì)量和干燥生產(chǎn)狀況有著重要影響［1］。

LabVIEW強(qiáng)大的圖形化功能，能為數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測(cè)量分析與數(shù)據(jù)顯示等各種應(yīng)用提供必要的開發(fā)工具［2-3］。本文設(shè)計(jì)了一套基于LabVIEW干燥過程果蔬物料內(nèi)部溫度的測(cè)試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的干燥過程果蔬內(nèi)部溫度測(cè)試系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)是虛擬儀器硬件平臺(tái)核心，軟件是主宰，高質(zhì)量的采集卡和高精度傳感器是關(guān)鍵［4］。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由溫度測(cè)試對(duì)象、溫度傳感器、NI CompactDAQ9174機(jī)箱、NI9205數(shù)據(jù)采集卡和安裝有LabVIEW的計(jì)算機(jī)組成。

1.1 計(jì)算機(jī)

計(jì)算機(jī)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的中央控制單元，也是完成系統(tǒng)功能的核心部件。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用的計(jì)算機(jī)會(huì)極大地影響連續(xù)采集數(shù)據(jù)的最大速度。PCI總線和USB接口是目前絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。目前，絕大多數(shù)個(gè)人計(jì)算機(jī)可以使用直接內(nèi)存訪問傳送方式。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用專門的硬件把數(shù)據(jù)直接傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存，從而提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量［5］。

1.2 溫度傳感器

系統(tǒng)中溫度的測(cè)量主要分為干燥環(huán)境溫度測(cè)量和干燥過程果蔬內(nèi)部溫度測(cè)量兩個(gè)部分。干燥環(huán)境溫度測(cè)量采用英國MICHELL的DS-333-XX-HTO溫/濕度傳感器，測(cè)溫范圍為0～100℃，精度為±0.3 K(全量程)，輸出為0～10 VDC。果蔬內(nèi)部溫度測(cè)量采用WZPZB智能化溫度變送器，測(cè)溫范圍為0～100℃，精度為±0.05 K(全量程)，輸出為1～5 VDC。WZPZB智能化溫度變送器具有溫度漂移精密自我修正功能以及較強(qiáng)的抗干擾能力和長期的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 數(shù)據(jù)采集卡

對(duì)于一個(gè)測(cè)試模塊來說，其基礎(chǔ)環(huán)節(jié)就是數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)采用NI CompactDAQ的C系列模塊中的NI9205數(shù)據(jù)采集卡。該模塊內(nèi)集成了A/D轉(zhuǎn)換器，具有信號(hào)調(diào)理和信號(hào)連接功能。NI9205數(shù)據(jù)采集卡安裝于NI CompactDAQ9174機(jī)箱，用以構(gòu)建一個(gè)自定義的、完整的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從而大大簡化了安裝和驅(qū)動(dòng)。LabVIEW中含有的數(shù)據(jù)采集助手控件可以提供硬件驅(qū)動(dòng)程序，使得數(shù)據(jù)采集卡可以輕松、便捷地實(shí)現(xiàn)軟件和硬件的通信。

2 軟件平臺(tái)

“軟件就是儀器”已經(jīng)成為測(cè)試與測(cè)量技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志。美國國家儀器公司推出的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)——LabVIEW以其直觀、簡便而通用的編程方式和模塊化，為用戶快捷地構(gòu)建自己在實(shí)際生產(chǎn)中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件［6］。

LabVIEW程序主要分為三個(gè)部分:前面板、程序面板、圖標(biāo)/接線端口。前面板是LabVIEW程序的圖形化用戶界面，用來編制虛擬儀器的軟面板，再現(xiàn)實(shí)體儀器面板，人性化的設(shè)計(jì)滿足各種功能和外觀的需要。本程序采用Tab控件規(guī)劃前面板，使得前面板更簡潔、清楚，可區(qū)分各部分功能控制，充分體現(xiàn)了菜單式用戶界面的優(yōu)點(diǎn)。程序面板依照要實(shí)現(xiàn)的功能選擇適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)圖標(biāo)，并用線有序地連接為完整的數(shù)據(jù)流程圖。圖標(biāo)主要是方便子程序調(diào)用，使程序模塊化、結(jié)構(gòu)化的實(shí)現(xiàn)成為可能［7］。

2.1 用戶界面設(shè)計(jì)

目前，菜單式用戶界面的設(shè)計(jì)主要有以下幾種方法:采用編輯菜單的方式、采用子VI動(dòng)態(tài)調(diào)用、采用數(shù)組函數(shù)調(diào)用子VI、基于事件編程模型的設(shè)計(jì)、利用Tab控件嵌套Case結(jié)構(gòu)。考慮到本系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)顯示多個(gè)參量的曲線，要求多個(gè)面板顯示，顯示任務(wù)繁多，因此，本系統(tǒng)采用Tab控件實(shí)現(xiàn)多個(gè)面板化顯示。

在利用菜單操作過程中，會(huì)彈出相應(yīng)的窗口，如果不及時(shí)關(guān)閉這些窗口，勢(shì)必會(huì)造成前面板雜亂。采用Tab控件可以有效地解決以上問題，只要選擇所需要的功能選項(xiàng)就能顯示相應(yīng)內(nèi)容［8］。

2.2 軟件編程實(shí)現(xiàn)

基于LabVIEW的干燥過程果蔬內(nèi)部溫度測(cè)試系統(tǒng)采用模塊化思想來編寫，主要實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置、通道選擇、溫度采集、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)保存等功能，每個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)均由一個(gè)子模塊完成。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集程序

數(shù)據(jù)采集是該系統(tǒng)軟件的主要功能，也是其他程序進(jìn)行的基礎(chǔ)。LabVIEW采集數(shù)據(jù)并將采集的數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)到指定的文件中，通過圖形顯示控件在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)逐點(diǎn)顯示，形成數(shù)據(jù)波形［7］。系統(tǒng)采用的NI-9205數(shù)據(jù)采集卡，支持DAQmx驅(qū)動(dòng)程序。選擇“函數(shù)”→“測(cè)量I/O”→“DAQmx數(shù)據(jù)采集模塊”編寫程序，利用DAQmx函數(shù)采集數(shù)據(jù)。

由于不同通道的參數(shù)設(shè)置不同，因而編程時(shí)采用多個(gè)DAQ虛擬通道設(shè)置.VI進(jìn)行并列設(shè)置，以滿足測(cè)量多樣化參量的需求。虛擬儀器后面板程序界面如圖1所示。

圖1 后面板程序界面Fig.1 Interface of rear panel program

2.2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有兩種機(jī)制:一種是基于文件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，就是利用LabVIEW提供的存儲(chǔ)方法將所測(cè)得數(shù)據(jù)直接存為文本文件、電子表格格式文件、二進(jìn)制文件或者波形文件;另一種是基于數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用基于文件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可以很好地滿足實(shí)時(shí)性的要求，根據(jù)日期、時(shí)間等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)也比較方便［9］。

流式數(shù)據(jù)管理技術(shù)(technical data management streaming，TDMS)文件是NI主推的一種二進(jìn)制記錄文件，它兼顧了高速、易存取和方便等多種優(yōu)勢(shì)，能夠在NI的各種數(shù)據(jù)分析或相關(guān)軟件之間進(jìn)行無縫交互，也能夠提供一系列API函數(shù)供其他應(yīng)用程序調(diào)用［10］。

TDMS的邏輯結(jié)構(gòu)分為三層:文件(file)、通道組(channel groups)和通道(channels)，每一個(gè)層次上都可以附加特定的屬性(properties)。編程時(shí)可以使用這三個(gè)邏輯層次定義測(cè)試數(shù)據(jù)，也可以任意檢索各個(gè)邏輯層次的數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)檢索有序且方便存取［11］。

程序把采集到的數(shù)據(jù)保存到 Excel里面，利用TDMS Excel Add-in for Microsoft Excel插件使采集到的數(shù)據(jù)能夠在Excel中顯示。這樣保存的優(yōu)點(diǎn)是在Excel中可以直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、計(jì)算等操作。

2.2.3 數(shù)據(jù)顯示與參數(shù)設(shè)置

通過程序采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過相應(yīng)的比例函數(shù)后即為所要測(cè)量的溫度值，在前面板上采用波形圖表的方式實(shí)時(shí)顯示。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩種不同的溫度顯示方式，一種是單參量顯示，另一種是多參量的對(duì)比顯示。單參量顯示能夠清晰地顯示參量的準(zhǔn)確讀數(shù)，而多參量對(duì)比顯示可以清晰地顯示同類參量之間的差異。兩者各有優(yōu)勢(shì)，用戶可根據(jù)需要選擇不同的顯示面板。

NI9205數(shù)據(jù)采集卡連接信號(hào)源時(shí)有三種不同的方式:單端方式、差分方式、單端和差分的組合方式。NI9205數(shù)據(jù)采集卡可以提供32個(gè)單端模擬輸入通道或16個(gè)差分模擬輸入通道、1個(gè)數(shù)字輸入通道、1個(gè)數(shù)字輸出通道、COM以及AISENSE的連接。本系統(tǒng)中均采用單端方式，輸入信號(hào)以共同的地線為基準(zhǔn)，一個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)單端通道，在接線的同時(shí)，記錄下各個(gè)參量接入NI9205數(shù)據(jù)采集卡的通道號(hào)，為設(shè)置通道做準(zhǔn)備。如CDAQ1Mod4/ai1、ai2……表示是1號(hào)CDAQ機(jī)箱4號(hào)槽1通道、2通道……。這種連接方式成為多參量測(cè)量的前提。

參數(shù)設(shè)置主要包括采樣率、電壓量程設(shè)定等。采樣率決定了每秒鐘進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的次數(shù)，一個(gè)高采樣率可以在給定的時(shí)間下采集更多數(shù)據(jù)，也能更好地反映原始信號(hào)。電壓量程的設(shè)定可以由NI公司的數(shù)據(jù)采集設(shè)備靈活地進(jìn)行選擇配置。該套測(cè)溫系統(tǒng)集成多種不同采集方式于一體，構(gòu)建多參量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.2.4 子VI的調(diào)用

子VI是LabVIEW最基本的概念，包括前面板、程序框圖、連接板和圖標(biāo)四個(gè)組成要素。LabVIEW中的子VI(SubVI)類似于文本編輯語言中的函數(shù)，可以把程序分割為一個(gè)個(gè)小的模塊來實(shí)現(xiàn)。隨著模塊化編程思想的發(fā)展，構(gòu)建和調(diào)用子VI能實(shí)現(xiàn)LabVIEW的層次化和模塊化編程，把復(fù)雜的編程問題劃分為多個(gè)簡單的任務(wù)。

LabVIEW提供了兩種方法創(chuàng)建子程序:一種是把一個(gè)完整的VI程序創(chuàng)建為子程序;另一種是把VI程序的一部分創(chuàng)建為子程序［12］。

果蔬內(nèi)部測(cè)溫系統(tǒng)通過功能模塊化完成相應(yīng)的功能操作。如在通道選擇.VI中，先編寫VI的主要程序，使得該程序成為一個(gè)獨(dú)立的程序，然后定義連接端子編輯圖標(biāo)，通過連接端子可以實(shí)現(xiàn)程序與主程序之間的數(shù)據(jù)傳送和接收。該程序可以作為一個(gè)完整的程序被調(diào)用，使程序結(jié)構(gòu)變得更加清晰、層次更加分明、程序更易讀、調(diào)試更方便。

本系統(tǒng)中多處運(yùn)用了子VI，如DAQ采集程序、文件路徑、隊(duì)列程序、TDMS數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)處理程序和換算程序等。各子VI獨(dú)立運(yùn)行，采用圖標(biāo)封裝，通過連線端子與程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)處理程序界面如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理程序界面Fig.2 Interface of data processing program

3 結(jié)束語

系統(tǒng)以干燥過程果蔬內(nèi)部溫度為測(cè)試對(duì)象，采用計(jì)算機(jī)和NI9205數(shù)據(jù)采集卡作為硬件平臺(tái)，以LabVIEW作為軟件開發(fā)平臺(tái)構(gòu)建虛擬儀器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)果蔬內(nèi)部溫度的精確測(cè)量。前面板的設(shè)計(jì)再現(xiàn)實(shí)體儀器，后面板程序支持前面板各種控件按鈕的功能，完善數(shù)據(jù)采集、處理與顯示等功能。該系統(tǒng)集多樣化測(cè)量、多通道測(cè)量和高精度測(cè)量于一體，為干燥過程果蔬內(nèi)部溫度變化和分布的研究提供了保證。基于LabVIEW構(gòu)建的虛擬儀器系統(tǒng)在課題中的運(yùn)用取得了良好效果，具有設(shè)計(jì)靈活、界面友好、開發(fā)周期短和效率高的優(yōu)點(diǎn)。

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Internal Temperature Test Based on LabVIEW for Fruits and Vegetables in Drying Process

Temperature is one of the important parameters in drying process for fruits and vegetables.A system based on the means of probes to test the internal temperature of fruits and vegetables in drying process is designed.In the system，LabVIEW is used as the platform to develop virtual panel，the temperature data are shown in real-time with graphical figures and stored.Tab control is used effectively to implement the user-friendly interface with menu patterns.Through A/D conversion，the collected signals of NI9205 module are sent to computer via USB of the lower computer NI CompactDAQ，to construct a complete USB data collection process.Practical application shows that the real-time internal temperature variation of fruits and vegetables in drying process can be monitored by the system，thus the basis for researching the phenomenon of heat transfer inside fruits and vegetables in drying process is provided.

Fruits and vegetables Drying process Temperature test LabVIEW Option control Data acquisition

TP274

A

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào):31060231);

無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(編號(hào):ZD200629008)。

修改稿收到日期:2011-10-23。

黃儉花(1987-)，女，現(xiàn)為南昌航空大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事機(jī)電一體化以及新能源設(shè)備與技術(shù)的研究。