【正文】 ，設(shè)計(jì)者利用虛擬儀器開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、使用和管理的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，生產(chǎn)維護(hù)和開發(fā)費(fèi)用低，提高儀器市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和使用效率；五、構(gòu)建系統(tǒng)便捷，虛擬儀器既可以作為測(cè)試系統(tǒng)獨(dú)立使用，也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組成分布式測(cè)試系統(tǒng)、遠(yuǎn)程測(cè)試、監(jiān)控與故障診斷等，與軟件結(jié)合使用降低了開發(fā)成本；六、虛擬儀器 可編程性，虛擬具有強(qiáng)大的圖形用戶界面（ GUI），計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)、直接進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯，通過(guò)分析軟件進(jìn)行軟件編程的修改、編輯，也可以利用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)功能記錄數(shù)據(jù)、分享數(shù)據(jù)等 [4]。隨后，美國(guó) NI 公司提出 “軟件就是儀器 ”，開辟了虛擬儀器新方向。 第二階段：開放式儀器發(fā)展階段。 虛擬儀器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 國(guó)外發(fā)展情況 虛擬儀器概念起源于上世紀(jì) 80 年代，由美國(guó) NI 公司提出，一直成為發(fā)達(dá)國(guó)家自動(dòng)測(cè)控領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和應(yīng)用前沿。 1997 年， NI 公司首次推出基于計(jì)算機(jī)的開發(fā)式的模塊化測(cè)試系統(tǒng) PXI，與 HP 公司主導(dǎo) VXI 模塊化測(cè)試系統(tǒng)形成強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)， 2020 年， NI 公司推出 Compact RIO 以及嵌入式可編程采集控制器模塊 ,以高可靠性、高實(shí)時(shí)性、低功耗等優(yōu)點(diǎn)獲得業(yè)內(nèi)好評(píng)。以計(jì)算機(jī)為主體，配置檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與被控對(duì)象 (生產(chǎn)過(guò)程 )共 同構(gòu)成計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的檢測(cè)、監(jiān)督和控制功能，然而該系統(tǒng)通信協(xié)議不開放，檢控功能單一，因此這種測(cè)控系統(tǒng)是一個(gè)自封閉系統(tǒng) [11]。 傳統(tǒng)測(cè)控儀器在面對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題中，我國(guó)也積極開展引進(jìn)虛擬儀器產(chǎn)品。 NI 公司也已在 2020 年提出了 “NI 中國(guó)高校推廣計(jì)劃 ”，從而進(jìn)一步打開中國(guó)虛擬儀器發(fā)展市場(chǎng)。伴隨著虛擬技術(shù)發(fā)展推進(jìn)，也涌現(xiàn)出一批研究成果，如唐山大學(xué)基于ComXactPCIV PYI 研制的鍋爐供熱自動(dòng)控制系統(tǒng)成功地運(yùn)用在唐山市熱力 5 總公司項(xiàng)目上；清華大學(xué)基于 ComXactPCIV PYI 技術(shù)建設(shè)的實(shí)驗(yàn)熱工水利測(cè)控平臺(tái)研制成功了先進(jìn)的熱工測(cè)量技術(shù)和熱工仿真技術(shù)成功地完成了海水淡化等重要課題研究；國(guó)防科技大學(xué)基于 NaOVIEP 的分布式 VYI 儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制為 VYI 儀器廣泛進(jìn)入大學(xué)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造了條件；清華大學(xué)利用虛擬儀器構(gòu)建汽車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)出廠的 自動(dòng)檢測(cè)等。為了提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用能力，在設(shè)計(jì)過(guò)程中將采集信號(hào)設(shè)置為溫度。其中決定信號(hào)采集差異的主要為采集頻率，在一段完整連續(xù)模擬信號(hào)中，設(shè)置不同的采集周期導(dǎo)致采集 信號(hào)的差異顯著表現(xiàn)出來(lái)。信號(hào)采集完成需要進(jìn)行信號(hào)分析處理，根據(jù)采樣信息和控制中心設(shè)置相應(yīng)的信號(hào)處理 算法，控制中心根據(jù)算法結(jié)果做出一定決策來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的 7 最終目的?！?，可以多點(diǎn)組網(wǎng)、多點(diǎn)測(cè)溫，工作電源電壓為 3V~，應(yīng)用于一般工業(yè)測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)、家庭溫度測(cè)量等。傳感器工作電壓 3V~，濕度測(cè)量范圍 2090%RH，溫度測(cè)量范圍 050℃ ，運(yùn)用于暖通空調(diào)、氣象站等。 A/D 轉(zhuǎn)換通過(guò)采樣保持、量化和編碼實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入模擬電壓信號(hào)采用保持，在保持時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)電壓量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)化，并將轉(zhuǎn)化結(jié)果用編碼形式輸 出。 圖 24 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 DS18B20 內(nèi)部計(jì)數(shù)器 1 是一個(gè)對(duì)溫度影響小的低溫度系數(shù)產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)振蕩器，低溫時(shí)振蕩器的脈沖可以通過(guò)門電路，而當(dāng)?shù)竭_(dá)某一設(shè)置高溫時(shí)振蕩器的脈沖無(wú)法通過(guò)門電路。高速緩沖存儲(chǔ)器內(nèi)部有 9 個(gè)字節(jié)，第 2 字節(jié)存放轉(zhuǎn)換完成的溫度值，第 4 字節(jié)存放上、下限報(bào)警值 TH 和 TL，第 5 字節(jié)為配置寄存器，第 8 字節(jié)為保留字節(jié)， 9 字節(jié)是 CRC 校驗(yàn)碼，提高串行傳輸?shù)目煽啃?。通過(guò)觀察表 22 DS18B20 采樣值與溫度關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)十進(jìn)制和二進(jìn)制之間有很明顯的關(guān)系，就是把二進(jìn)制的高字節(jié)的低半字節(jié)和低字節(jié)的高半字節(jié)組成一個(gè)字節(jié)，這個(gè)字節(jié)的二進(jìn)制化為十進(jìn)制后，就是溫度值的百、十、個(gè)位值，而剩下的低字節(jié)的低半字節(jié)化成十進(jìn)制后，就是溫度值的小數(shù)部 分。 12 第 3章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)負(fù)責(zé)采集測(cè)試環(huán)境的溫度參數(shù)，采集的溫度參數(shù)通過(guò) 串口通訊傳輸?shù)缴衔粰C(jī) PC 端，上位機(jī)借用 LBVIEW 軟件構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， LabVIEW 前面板將 PC 端接受到的溫度參數(shù)顯示出來(lái)。一般通用硬件平臺(tái)具有兩種基本功能分別為采集信號(hào)和產(chǎn)生信號(hào)，它們分別以實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換和 D/A 轉(zhuǎn)換功能為核心，配置一定信號(hào)脈沖、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù) I/O 等功能，最終完成信號(hào)采集、產(chǎn)生、控制，完成模擬環(huán)境下數(shù)據(jù)測(cè)試。CH340 作為單片機(jī)開發(fā)板 USB 總線轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn) USB 轉(zhuǎn)串口功能，如圖 33 所示。單片機(jī)與上位機(jī)傳送連接由高到低排序分別為：?jiǎn)⒂媒K止符、終止符、超時(shí)、數(shù)據(jù)位（ 8 位）、奇偶校驗(yàn)位、錯(cuò)誤輸入、停止位、流控制、錯(cuò)誤輸出。下位機(jī)開發(fā)板 HC6800ES 是一款多用途產(chǎn)品，提供 15 串口通信方式，該串口集供電、編程、仿真、通信功能于一體，并提供 ISP 接口功能，外部資源豐富，通過(guò)功能配置可以實(shí)現(xiàn)以下功能： 個(gè) LED 顯示（接口可以實(shí)現(xiàn)跑馬燈、流水燈、花樣彩燈等）； 位靜態(tài)數(shù)碼管顯示； ； ； （ 74HC595 驅(qū)動(dòng)接口）； 、時(shí)鐘、萬(wàn)年歷試驗(yàn)； 、紅外線顯示； 、液 晶、蜂鳴器顯示試驗(yàn)； 、 LCD160 EEPROM 試驗(yàn)； 開發(fā)板 HC6800ES 硬件模塊資源豐富，主要有 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、 DS18B20 溫度采集模塊、無(wú)線接口模塊、獨(dú)立鍵盤模塊、 DS1302 萬(wàn)年歷顯示模塊、 LED 點(diǎn)陣模塊、 CPU 控制中心等。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要電路 采用數(shù)字溫度芯片 DS18B20 測(cè)量溫度，輸出信號(hào)數(shù)字化，單總線傳輸。單片機(jī)在開機(jī)時(shí)或在工作中因干擾而使程序失控或工作中程序處于某種死機(jī)循環(huán)狀態(tài)等情況下都需要復(fù)位。 圖 38 主電路 本章小結(jié) 本章 節(jié)主要進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)仿真和相關(guān)器件參數(shù)選擇。 18 第 4章 采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 虛擬儀器開發(fā)軟件 虛擬儀器的軟件包括操作系統(tǒng)、儀器驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用軟件，操作系統(tǒng)是虛擬儀器運(yùn)行基礎(chǔ)平臺(tái)，儀器驅(qū)動(dòng)是控制硬件接口驅(qū)動(dòng)程序，負(fù)責(zé)連接硬件與軟件通訊信號(hào)；應(yīng)用軟件負(fù)責(zé)虛擬儀器程序編程、調(diào)試等。圖標(biāo) /連接器作為圖形化參數(shù)，具體表現(xiàn)為子 VI 調(diào)用。 圖 43 程序流程圖 初始化程序 單片機(jī)與 DS18B20 器件進(jìn)行通信是以初始化開始，初始化序列包括單片機(jī)產(chǎn)生復(fù)位脈沖和 DS18B20 器件回應(yīng)的應(yīng)答脈沖，如圖 44 所示 。 圖 47 DS18B20 的讀時(shí)序 讀 操作時(shí)單片機(jī)首先拉低總線至少 1us，單片機(jī)釋放總線后，總線電平就由 DS18B20 器件決定，但 DS18B20 器件發(fā)出的數(shù)據(jù)僅能保持 15us，所以單片機(jī)應(yīng) 15us 內(nèi)采樣總線電平。 圖 48 溫度采集模塊程序 上位機(jī)程序設(shè)計(jì) 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)分為兩部分，前面板設(shè)計(jì)和程序框圖設(shè)計(jì)。 圖 49 主頁(yè)界面 23 前面板實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)控 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)控界面包括 VISA 設(shè)置、溫度報(bào)警限度設(shè)置、溫度數(shù)據(jù)顯示、溫度波形顯示、溫度計(jì)顯示、實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)顯示、溫度采集等。 圖 410 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)控界面 前面板歷史記錄 歷史記錄界面主要有回放按鈕，溫度采集記錄表和溫度采集波形圖，在進(jìn)行溫度采集完成后，系統(tǒng)會(huì)保存溫度采集記錄，通過(guò)回放功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度采集記錄的回放，有利于追溯被測(cè)環(huán)境溫度變化情況，如圖 411歷史記錄界面所示。 VISA 配置串口 VI 主要有 VISA 資源名稱確認(rèn)、波特率設(shè)置為 4800,、數(shù)據(jù)比特（ 8）以及奇偶（ 0）等，使 VISA 資源名稱指定的串口按特定設(shè)置初始化，通過(guò)連線數(shù)據(jù)至 VISA 資源名稱 輸入端口可確定要使用的多態(tài)實(shí)例。 圖 414 溫度顯示和波形顯示框圖 25 本章小結(jié) 本章主要進(jìn)行系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)，包括上位機(jī)和下位機(jī)程序編寫。 圖 52 二次測(cè)試記錄 27 實(shí)時(shí)性驗(yàn)證，具體如圖 53 所示?！?左右，基本可以實(shí)現(xiàn)溫度采集、波形顯示、數(shù)據(jù)處理等功能。 ，容易造成溫度測(cè)試參數(shù)被無(wú)關(guān)用戶刪除。 本章小結(jié) 系統(tǒng)調(diào)試主要是對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將溫度信號(hào)通過(guò)采集模塊傳輸至單片機(jī)，單片機(jī)將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)通訊線路上傳至上位機(jī)系統(tǒng)，根據(jù) 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 不 斷 優(yōu) 化 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 。 在設(shè)計(jì)溫度采集模塊這一方面，剛開始我是通過(guò)以前買的面包板和散裝的電子元器件進(jìn)行模塊制造，但是最終沒能成功。 30 致謝 該設(shè)計(jì)及學(xué)位論文是在孫克偉老師的帶領(lǐng)和悉心指導(dǎo)下完成的。 此外，我也感謝電子發(fā)燒友這個(gè)平臺(tái)，為我提供了大量的資料，論壇里面的前輩們更是對(duì)我悉心指導(dǎo)，讓我獲益匪淺，讓我想起一句話 “努力是自己的，成績(jī)是大家的 ”。在整個(gè)的設(shè)計(jì)中，許多老師、同學(xué)也參與其中，為我的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了許多指導(dǎo)性建議和意見。 現(xiàn)在即將揮別我的學(xué)校、老師、同學(xué)，還有我的大學(xué)生活，雖然依依不舍，但是對(duì)未來(lái)的路，我充滿了信心。最后要感謝的就是我的工作領(lǐng)導(dǎo)和同事，感謝在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)候給我提供時(shí)間，為我分擔(dān)工作任務(wù)。時(shí)光匆匆飛逝，大學(xué)的努力與付出，隨著畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成，給我的大學(xué)生涯劃下一個(gè)完美的句號(hào)。從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，孫老師給我提出了許多建議，特別是在系統(tǒng)功能方面，孫老師更是孜孜不倦。 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間學(xué)習(xí)和交流，我根據(jù)一些設(shè)計(jì)案例，慢慢模仿一些簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)例子，在技術(shù)論壇中我認(rèn)識(shí)一位熟悉 LabVIEW 編程的前輩，她對(duì)我進(jìn)行了很多輔導(dǎo)，導(dǎo)致最終系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊確定下來(lái)。下位機(jī)主要通過(guò)單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集模塊， 采集來(lái)自單片機(jī)獲得的數(shù)據(jù)采集信號(hào)，并在 LabVIEW 上實(shí)時(shí)繪圖顯示，并通過(guò)設(shè)置數(shù)據(jù)采集信號(hào)數(shù)值上下限，當(dāng)采集信號(hào)高出或者低于預(yù)警線時(shí)，界面會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的提示，同時(shí)能夠?qū)Σ杉男盘?hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，在進(jìn)行歷史記錄調(diào)用時(shí)候可以顯示出原始數(shù)據(jù)采集記錄。 在后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)系 統(tǒng)升級(jí)過(guò)程中需重點(diǎn)完成登錄界面功能，優(yōu)化測(cè)量程序和溫度采集模塊，減小溫度測(cè)量誤差。 28 系統(tǒng)評(píng)估升級(jí) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要面向?qū)ο笫菧囟?，在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)過(guò)程中還面臨以下問(wèn)題點(diǎn)： ，不能適應(yīng)對(duì)溫度要求變化小的測(cè)試場(chǎng)所。 圖 54 測(cè)試一致性驗(yàn)證 ，驗(yàn)證數(shù)據(jù)保存歷史記錄功能，具體如圖 55。 26 第 5章 數(shù)據(jù) 采集 系統(tǒng)調(diào)試 系統(tǒng)調(diào)試 根據(jù)設(shè)計(jì)程序和仿真結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，具體調(diào)試步驟如下： LabVIEW 軟件和 VISA 驅(qū)動(dòng)，在電腦桌面生成圖標(biāo) ； USB 串口連接到電腦，并安裝驅(qū)動(dòng)程序，在電腦設(shè)備管理器中出現(xiàn)顯示 ； OK 后，打開 LabVIEW 應(yīng)用軟件并開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時(shí)打開溫度模塊進(jìn)行溫度測(cè) 試； 設(shè)置好波特率4800 然后進(jìn)行數(shù)據(jù)溫度采集； ，測(cè)試記錄如下圖 51 所示 。如圖 413 串口通訊程序框圖所示 。 圖 412 用戶登錄界面 串口通訊程序框圖 串口通訊設(shè)置主要配置 VISA 串口函數(shù)、 VISA 讀寫串口函數(shù)、 VISA關(guān)閉串口函數(shù)。實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)顯示主要是對(duì)溫度采集模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度顯示，與溫度數(shù)據(jù)顯示一致。程序框圖設(shè)計(jì)主要負(fù)責(zé)上位機(jī)程序中算法、邏輯等功能，是程序運(yùn)行的核心 [19]。 KEIL C51 是作為單片機(jī) C 語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng)，提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個(gè)開發(fā)流程。 圖 46 DS18B20 的寫時(shí)序 寫 0 時(shí)序時(shí)單片機(jī)拉低總線并保持低電平至少 60us，然后釋放總線；寫 1 時(shí)序，單片機(jī)拉低總線，在 15us 內(nèi)要釋放總線。 圖 41 LabVIEW 前面板結(jié)構(gòu)圖 圖 42 LabVIEW 程序框圖 19 下位機(jī)程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)程序包括主程序、讀取溫度子程序、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序、顯示程序子程序等。 一個(gè)完整的 LabVIEW 開發(fā)環(huán)境由基本模塊和擴(kuò)展模塊組成，引擎部分是整個(gè)圖像化開發(fā)環(huán)境的核心，包括編輯模塊、運(yùn)行模塊和調(diào)試模塊，程序組成有前面板、程序框圖、圖標(biāo) /連結(jié)器，前面板是圖形用戶界面，負(fù)責(zé)用戶輸入和顯示輸出，具體表現(xiàn)為開關(guān)、按鈕、圖形等，前面板結(jié)構(gòu)圖如圖 41 所示。在設(shè)計(jì)過(guò)程需要進(jìn)行元器件選擇，以免在硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷。 圖 37 振蕩與復(fù)位電路