【正文】 ；四、開放的工業(yè)對接標準，設(shè)計者利用虛擬儀器開放的工業(yè)標準實現(xiàn)設(shè)計、使用和管理的標準統(tǒng)一，生產(chǎn)維護和開發(fā)費用低，提高儀器市場競爭力和使用效率；五、構(gòu)建系統(tǒng)便捷，虛擬儀器既可以作為測試系統(tǒng)獨立使用，也可以通過計算機網(wǎng)絡(luò)組成分布式測試系統(tǒng)、遠程測試、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，虛擬具有強大的圖形用戶界面（ GUI），計算機可以實時、直接進行數(shù)據(jù)編輯，通過分析軟件進行軟件編程的修改、編輯，也可以利用計算機存儲功能記錄數(shù)據(jù)、分享數(shù)據(jù)等 [4]。隨后，美國 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 國外發(fā)展情況 虛擬儀器概念起源于上世紀 80 年代，由美國 NI 公司提出，一直成為發(fā)達國家自動測控領(lǐng)域研究的重點和應(yīng)用前沿。 1997 年， NI 公司首次推出基于計算機的開發(fā)式的模塊化測試系統(tǒng) PXI，與 HP 公司主導(dǎo) VXI 模塊化測試系統(tǒng)形成強大競爭， 20xx 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、高實時性、低功耗等優(yōu)點獲得業(yè)內(nèi)好評。以計算機為主體，配置檢測裝置 、執(zhí)行機構(gòu)與被控對象 (生產(chǎn)過程 )共同構(gòu)成計算機測控系統(tǒng)，系統(tǒng)中的計算機實現(xiàn)生產(chǎn)過程的檢測、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，因此這種測控系統(tǒng)是一個自封閉系統(tǒng) [11]。 傳統(tǒng)測控儀器在面對現(xiàn)實問題中，我國也積極開展引進虛擬儀器產(chǎn)品。 NI 公司也已在 20xx 年提出了 “NI 中國高校推廣計劃 ”，從而進一步打開中國虛擬儀器發(fā)展市場。伴隨著虛擬技術(shù) 發(fā)展推進 ，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控制系統(tǒng)成功地運用在唐山市熱力 5 總公司項目上；清華大學(xué)基于 ComXactPCIV PYI 技術(shù)建設(shè)的實驗熱工水利測控平臺研制成功了先進的熱工測量技術(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；國防科技大學(xué)基于 NaOVIEP 的分布式 VYI 儀器教學(xué)實驗系統(tǒng)的研制為 VYI 儀器廣泛進入大學(xué)實驗室創(chuàng)造了條件；清華大學(xué)利用虛擬儀器構(gòu)建汽車 發(fā)動機檢測系統(tǒng)用于汽車發(fā)動機出廠的自動檢測等。為了提高系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用能力，在設(shè)計過程中將采集信號設(shè)置為溫度。其中決定信號采集差異的主要為采集頻率，在一段完整連續(xù)模擬 信號中，設(shè)置不同的采集周期導(dǎo)致采集信號的差異顯著表現(xiàn)出來。信號采集完成需要進行信號分析處理，根據(jù)采 樣信息和控制中心設(shè)置相應(yīng)的信號處理算法，控制中心根據(jù)算法結(jié)果做出一定決策來實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的 7 最終目的?！?，可以多點組網(wǎng)、多點測溫，工作電源電壓為 3V~，應(yīng)用于一般工業(yè)測溫現(xiàn)場、家庭溫度測量等。傳感器工作電壓 3V~，濕度測量范圍 2090%RH，溫度測量范圍 050℃ ，運用于暖通空調(diào)、氣象站等。 A/D 轉(zhuǎn)換通過采樣保持、量化和編碼實現(xiàn)對輸入模擬電壓信號采用保持，在保持時間內(nèi)實現(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)部計數(shù)器 1 是一個對溫度影響小的低溫度系數(shù)產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號振蕩器，低溫時振蕩器的脈沖可以通過門電路，而當?shù)竭_某一設(shè)置高溫時振蕩器的脈沖無法通過門電路。高速緩沖存儲器內(nèi)部有 9 個字節(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 校驗碼，提高串行傳輸?shù)目煽啃?。通過觀察表 22 DS18B20 采樣值與溫度關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)一個十進制和二進制之間有很明顯的關(guān)系，就是把二進制的高字節(jié)的低半字節(jié)和低字節(jié)的高半字節(jié)組成一個字節(jié)，這個字節(jié)的二進制化為十進制后，就是溫度值的百、十、個位值，而剩下的低字節(jié)的低半字 節(jié)化成十進制后，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 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)負責(zé)采集測試環(huán)境的溫度參數(shù)，采集的溫度參數(shù)通過 串口通訊傳輸?shù)缴衔粰C PC 端，上位機借用 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。一般通用硬件平臺具有兩種基本功能分別為采集信號和產(chǎn)生信號，它們分別以實現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換和 D/A 轉(zhuǎn)換功能為核心，配置一定信號脈沖、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù) I/O 等功能，最終完成信號采集、產(chǎn)生、控制，完成模擬環(huán)境下數(shù)據(jù)測試。CH340 作為單片機開發(fā)板 USB 總線轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn) USB 轉(zhuǎn)串口功能，如圖 33 所示。單片機與上位機傳送連接由高到低排序分別為：啟用終止符、終止符、超時、數(shù)據(jù)位（ 8 位）、奇偶校驗位、錯誤輸入、停止位、流控制、錯誤輸出。下位機開發(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，通過功能配置可以實現(xiàn)以下功能： 個 LED 顯示（接口可以實現(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)動接口）； 、時鐘、萬年歷試驗； 、紅外線顯示； 、液晶、蜂鳴器顯示試驗； 、 LCD160 EEPROM 試驗； 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、步進電機驅(qū)動模塊、 DS18B20 溫度采集模塊、無線接口模塊、獨立鍵盤模塊、 DS1302 萬年歷顯示模塊、 LED 點陣模塊、 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 測量溫度，輸出信號數(shù)字化，單總線傳輸。單片機在開機時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)主要進行系統(tǒng)硬件設(shè)計，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 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)動和應(yīng)用軟件，操作系統(tǒng)是虛擬儀器運行基礎(chǔ)平臺，儀器驅(qū)動是控制硬件接口驅(qū)動程序，負責(zé)連接硬件與軟件通訊信號；應(yīng)用軟件負責(zé)虛擬儀器程序編程、調(diào)試等 。圖標 /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 單片機與 DS18B20 器件進行通信是以初始化開始，初始化序列包括單片機產(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 的讀時序 讀操作時單片機首先拉低總線至少 1us，單片機釋放總線后，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，所以單片機應(yīng) 15us 內(nèi)采樣總線電平。 圖 48 溫度采集模塊程序 上位機程序設(shè)計 上位機程序設(shè)計分為兩部分，前面板設(shè)計和程序框圖設(shè)計。 圖 49 主頁界面 23 前面板實時數(shù)據(jù)測控 實時數(shù)據(jù)測控界面包括 VISA 設(shè)置、溫度報警限度設(shè)置、溫度數(shù)據(jù)顯示、溫度波形顯示、溫度計顯示、實時溫度數(shù)據(jù)顯示、溫度采集等。 圖 410 實時數(shù)據(jù)測控界面 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，在進行溫度采集完成后，系統(tǒng)會保存溫度采集記錄，通過回放功能可以實現(xiàn)對溫度采集記錄的回放，有利于追溯被測環(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、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) 本章主要進行系統(tǒng)軟件程序設(shè)計，包括上位機和下位機程序編寫。 圖 52 二次測試記錄 27 實時性驗證，具體如圖 53 所示?！?左右，基本可以實現(xiàn)溫度采集、波形顯示、數(shù)據(jù)處理等功能。 ，容易造成溫度測試參數(shù)被無關(guān)用戶刪除。 本章小結(jié) 系統(tǒng)調(diào)試主要是對周圍環(huán)境進行數(shù)據(jù)采集，將溫度信號通過采集模塊傳輸至單片機，單片機將采集的數(shù)據(jù)通過通訊線路上傳至上位機系統(tǒng)，根據(jù) 系 統(tǒng) 設(shè) 計 任 務(wù) 不 斷 優(yōu) 化 系 統(tǒng) 設(shè) 計 。在設(shè)計溫度采集模塊這一方面，剛開始我是通過以前買的面包板和散裝的電子元器件進行模塊制造，但是最終沒能成 功。 30 致謝 該設(shè)計及學(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)燒友這個平臺，為我提供了大量的資料，論壇里面的前輩們更是對我悉心指導(dǎo)，讓我獲益匪淺，讓我想起一句話 “努力是自己的，成績是大家的 ”。在整個的設(shè)計中，許多老師、同學(xué)也參與其中，為我的系統(tǒng)設(shè)計提供了許多指導(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，但是對未來的路，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)計時候給我提供時間，為我分擔(dān)工作任務(wù)。時光匆匆飛逝，大學(xué)的努力與付出，隨著畢業(yè)設(shè)計的完成，給我的大學(xué)生涯劃下一個完美的句號。從課題的選擇到項目的最終完成，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)過一段時間學(xué)習(xí)和交流，我根據(jù)一些設(shè)計案例，慢慢模仿一些簡單的設(shè)計例子，在技術(shù)論壇中我認識一位熟悉 LabVIEW 編程的前輩，她對我進行了很多輔導(dǎo)，導(dǎo)致最終系統(tǒng)設(shè)計模塊確定下來。下位機主要通過單片機作為數(shù)據(jù)采集模塊， 采集來自單片機獲得的數(shù)據(jù)采集信號，并在 LabVIEW 上實時繪圖顯示，并通過設(shè)置數(shù)據(jù)采集信號數(shù)值上下限，當采集信號高出或者低于預(yù)警線時，界面會出現(xiàn)相應(yīng)的提示，同時能夠?qū)Σ杉男盘栠M行存儲，在進行歷史記錄調(diào)用時候可以顯示出原始數(shù)據(jù)采集記錄。 在后續(xù)進行數(shù)據(jù)系統(tǒng)升級過程中需重點完成登錄界面功能，優(yōu)化測量程序和溫度采集模塊，減小溫度測量誤差。 28 系統(tǒng)評估升級 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要面向?qū)ο笫菧囟龋谙到y(tǒng)調(diào)試過過程中還面臨以下問題點： ，不能適應(yīng)對溫度要求變化小的測試場所。 圖 54 測試一致性驗證 ，驗證數(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)計程序和仿真結(jié)果進行系統(tǒng)調(diào)試，具體調(diào)試步驟如下： LabVIEW 軟件和 VISA 驅(qū)動，在電腦桌面生成圖標 ； USB 串口連接到電腦，并安裝驅(qū)動程序，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)，同時打開溫度模塊進行溫度測試； 設(shè)置好波特率4800 然后進行數(shù)據(jù)溫度采集； ，測試記錄如下圖 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)。實時溫度數(shù)據(jù)顯示主要是對溫度采集 模塊進行實時溫度顯示，與溫度數(shù)據(jù)顯示一致。程序框圖設(shè)計主要負責(zé)上位機程序中算法、邏輯等功能，是程序運行的核心 [19]。 KEIL C51 是作為單片機 C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個開發(fā)流程。 圖 46 DS18B20 的寫時序 寫 0 時序時單片機拉低總線并保持低電平至少 60us，然后釋放總線；寫 1 時序，單片機拉低總線，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 下位機程序設(shè)計 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。 一個完整的 LabVIEW 開發(fā)環(huán)境由基本模塊和擴展模塊組成，引擎部分是整個圖像化開發(fā)環(huán)境的核心，包括編輯模塊、運行模塊和調(diào)試模塊，程序組成有前面板、程序框圖、圖標 /連結(jié)器，前面板是圖形用戶界面，負責(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)計過程需要進行元器件選擇，以免在硬件設(shè)計過程中出現(xiàn)設(shè)計缺陷。