來源：微計(jì)算機(jī)信息，作者：王彥芳；封筠；賀海宏；韓江河

虛擬儀器（Virtual Instrument，或VI）是計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代測試技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它不僅具有傳統(tǒng)儀器、儀表的全部功能，同時(shí)還擁有計(jì)算機(jī)技術(shù)的全部優(yōu)勢，它能對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、統(tǒng)計(jì)并把結(jié)果以曲線、圖形、圖像的形式顯示出來；它還具有較高的測試速度、精度，且讀取數(shù)據(jù)方便、直觀；它能通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，使管理人員能及時(shí)掌握測試進(jìn)展并進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)；在測試結(jié)束時(shí)，不僅能得到直觀的測試結(jié)果還能將其打印出來或?qū)⒔Y(jié)果以文件的形式保存起來。利用現(xiàn)有的微型計(jì)算機(jī)，增加少量硬件設(shè)備，用戶就可以在虛擬儀器平臺(tái)上設(shè)計(jì)出自己的測量儀器。

1. 引言

在半導(dǎo)體器件和集成電路的生產(chǎn)過程中，為了提高器件參數(shù)的一致性的和產(chǎn)品成品率，必須定期對擴(kuò)散爐、合金爐的恒溫區(qū)進(jìn)行測量。測溫通常采用熱電偶。其原理是：將兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A和B焊接起來，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)接點(diǎn)之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生熱電動(dòng)勢，因而在回路中產(chǎn)生電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。此熱電勢差反映了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度差，當(dāng)兩點(diǎn)的溫差越大時(shí)，產(chǎn)生的溫差電勢也越大。用一臺(tái)直流電位差計(jì)或高精度毫伏計(jì)就可直接讀出熱電勢差的數(shù)值。通過查‘熱電偶電勢差－溫度’對照表，可知被測點(diǎn)的溫度。然后人工拉動(dòng)熱電偶，待熱電勢穩(wěn)定后進(jìn)行下一點(diǎn)溫度的測量，進(jìn)而手工繪出整個(gè)爐膛的溫度分布情況，找出恒溫區(qū)。該方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力且不能直接得到爐溫，加之人工計(jì)算的誤差和拉動(dòng)熱電偶時(shí)的操作誤差，最終影響到所測恒溫區(qū)分布圖的準(zhǔn)確性。為了提高測量的效率和精確度，本文提出用虛擬儀器直接得到恒溫區(qū)的分布圖，進(jìn)而指導(dǎo)生產(chǎn)過程。具體方案如下：

2. 系統(tǒng)構(gòu)成

測量系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。測量是基于PC機(jī)的LabVIEW平臺(tái)上進(jìn)行的，它是由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)熱電偶對爐膛內(nèi)的溫度逐點(diǎn)進(jìn)行取樣，獲得各點(diǎn)的電位差，經(jīng)信號(hào)調(diào)理（放大、濾波）后送入一塊由NI公司提供的DAQ硬件卡，完成電信號(hào)的采集，運(yùn)行程序就可得到所測的溫度曲線。

3. 基于LabVIEW的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

ＬabVIEW是美國國家儀器公司（NI）推出的一種面向儀器與測控過程的圖形化開發(fā)平臺(tái)。是用于數(shù)據(jù)提取、控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)表述、過程監(jiān)測、工廠自動(dòng)化等的軟件系統(tǒng)。在繼承傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)化的編程語言基礎(chǔ)上，LabVIEW采用數(shù)據(jù)流程的圖形化G編程技術(shù)，把復(fù)雜費(fèi)時(shí)的軟件編程簡化為菜單提示和圖標(biāo)連接調(diào)用。已編制的各種子程序（Sub VI）可用圖標(biāo)表示。通過修改、設(shè)定圖標(biāo)中的有關(guān)參數(shù)，完成圖形化程序的初步編輯。連接圖標(biāo)之間表示數(shù)據(jù)類型的輸入輸出線，實(shí)現(xiàn)子程序間的連接與調(diào)用（生成了block diagram）。應(yīng)用探針、運(yùn)行亮燈、斷點(diǎn)、暫停和單步執(zhí)行等對程序進(jìn)行調(diào)度和修改。ＬabVIEW和儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、分析、顯示部分一起協(xié)調(diào)工作。流程圖式的編程方法與其直觀的前面板的結(jié)合，是構(gòu)建虛擬儀器的理想工具。

ＬabVIEW使用圖形編程語言編寫的框圖（block diagram）程序，它類似于一臺(tái)儀器的內(nèi)部電路，或是一個(gè)大型儀表系統(tǒng)中的各個(gè)獨(dú)立的儀表單元。框圖中的程序可以看成程序節(jié)點(diǎn)，如循環(huán)控制，事件控制和算術(shù)功能等。這些基本單元之間用連線連接，非常接近實(shí)際物理儀器系統(tǒng)或電路系統(tǒng)中的“導(dǎo)線”，只不過這里的連線用于定義框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流方向。LabVIEW支持層次化程序結(jié)構(gòu)，且嵌套層次是無限制的。

ＬabVIEW中使用圖形編程語言編寫的框圖程序都伴有一個(gè)對應(yīng)的前面板，前面板是模擬真實(shí)儀表的前面板，用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量。輸入量稱為Controls，輸出量稱為Indicators。用戶可以使用多種圖標(biāo)，如旋鈕、開關(guān)、按鈕、圖表、文本框、圖形等，使前面板易看易懂。圖2是在LabVIEW5.0軟件平臺(tái)上的恒溫區(qū)程序的前面板。

4. 系統(tǒng)的工作原理

恒溫區(qū)測量程序采用如圖3所示的層次化結(jié)構(gòu)，它由三層構(gòu)成，即頂層模塊measure、第二層Temp及由子Read和calcu構(gòu)成的底層VI模塊。在屏幕上實(shí)時(shí)顯示各被測點(diǎn)溫度曲線的頂層VI （measure）結(jié)構(gòu)如圖4所示。它調(diào)用了溫度測量、處理子程序Temp，相應(yīng)的溫度值由Temperature History（T_history）顯示出來，啟動(dòng)使能開關(guān)（Eable），即可自動(dòng)以波形圖的形式（T-wave） 實(shí)時(shí)顯示不同位置處的爐溫。直至得到整個(gè)爐膛的溫度分布曲線，測出恒溫區(qū)段。

這里調(diào)整定時(shí)器的時(shí)間控制常量可以控制循環(huán)程序的執(zhí)行速率，其值應(yīng)大于新樣點(diǎn)溫度達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間。

系統(tǒng)的第二層是處理子程序（Temp子VI）內(nèi)部構(gòu)成如圖5所示，它調(diào)用了底層子VI Read和calcu。Read是溫度采集子程序，它對DAQ卡采集的被測電壓信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理（ e.g：濾波、擬合）；calcu是數(shù)值處理子程序，它對所得到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)值處理，把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值。從而得到各被測點(diǎn)的溫度值。

為了提高檢測精度和效率，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化，該系統(tǒng)用步進(jìn)電機(jī)代替人工拉動(dòng)熱電偶，電機(jī)的步進(jìn)長度事先由程序設(shè)定，熱電偶每次移動(dòng)結(jié)束后，經(jīng)過一段穩(wěn)定時(shí)間，系統(tǒng)開始對該點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。按下enable 開關(guān)，系統(tǒng)開始工作。各被測點(diǎn)的當(dāng)前溫度一方面用溫度計(jì)顯示出來，同時(shí)也顯示在前面板的T-wave波形中（其中，X軸為步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)的距離，Y軸為相應(yīng)點(diǎn)的溫度），隨著時(shí)間的推移，整個(gè)爐膛的溫度分布情況就直觀地以T_history波形顯示在T-wave窗口內(nèi)，工作人員根據(jù)爐溫的分布曲線對爐溫進(jìn)行調(diào)整或?qū)υO(shè)備進(jìn)行維修。為了長期保存所測結(jié)果，還可以將其打印出來或?qū)⑺鶞y數(shù)據(jù)存入文件中，建立設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檔案，以備后用。如果配置多個(gè)熱電偶還能同時(shí)進(jìn)行多臺(tái)爐溫的測量。

5. 結(jié)束語

恒溫區(qū)測量系統(tǒng)，不僅能自動(dòng)完成爐溫的測量，還能夠直觀、準(zhǔn)確地顯示爐溫的分布曲線和恒溫區(qū)長度，而且將程序稍加改動(dòng)還具有對測量日期，測量結(jié)果進(jìn)行保存、打印或?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)上傳送等功能，使生產(chǎn)管理人員及時(shí)了解設(shè)備的過去，現(xiàn)在的工作狀態(tài)。該測量系統(tǒng)能顯著降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。

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