【正文】 器的先進(jìn)性、優(yōu)越性和廣闊的發(fā)展前景受到眾多商家的青睞，不少生產(chǎn)儀器廠商開始投入到虛擬儀器開發(fā)陣營(yíng)中來(lái)，如美國(guó) HP 公司、 Tektronix 公司等，使得虛擬儀器發(fā)展迎來(lái)了自己的春天。在與傳統(tǒng)儀器 廠商競(jìng)爭(zhēng)中， NI 公司作為一家年輕企業(yè)借助虛擬儀器平臺(tái)不斷發(fā)展，走 4 在了測(cè)試儀器發(fā)展前沿 [10]。 隨著中國(guó)社會(huì)的發(fā)展，涉足領(lǐng)域開始蔓延縱深方向，國(guó)防、通信、航天、航空、氣象、環(huán)境監(jiān)測(cè)、制造等領(lǐng)域?qū)τ跍y(cè)控和處理的信息量需求越來(lái)越大、速度越來(lái)越快，被測(cè)對(duì)象的空間位置日益分散，測(cè)控任務(wù)也由原來(lái)的單一性向現(xiàn)代的多元化轉(zhuǎn)變，測(cè)控系統(tǒng)更加復(fù)雜龐大，面對(duì)現(xiàn)實(shí)發(fā)展需求，要求檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)化、遠(yuǎn)程化、網(wǎng)絡(luò)化等。國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)也曾將虛擬儀器研究作為現(xiàn)代機(jī)械工程科學(xué)發(fā)展前沿學(xué)科之一，列入為 “十五 ”期間優(yōu)先資助領(lǐng)域。縱觀我國(guó)虛擬儀器發(fā)展歷程，我國(guó)虛擬儀器堅(jiān)持走出一條自主創(chuàng)新的路子，具體表現(xiàn)為 863 項(xiàng)目 “虛擬儀器關(guān)鍵技術(shù)的研究及其產(chǎn)業(yè)化 ”中所研制的 “一體化虛擬儀器 ”，標(biāo)志我國(guó)成為嵌入式一體化虛擬儀器研發(fā)先行者。 本文主要研究?jī)?nèi)容 本設(shè)計(jì)主要是研究基于虛擬儀器 LabVIEW 設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、分析、顯示等。 完成一個(gè)基于 LabVIEW 與傳感模塊的溫度檢測(cè)系統(tǒng)，要求實(shí)現(xiàn)具體功能如下： （溫度采集） 顯示界面及與下位機(jī)的串口通信 軟件上溫度的實(shí)時(shí)顯示 方案選擇 數(shù)據(jù)采集作為系統(tǒng)信 號(hào)輸入組成部分，從傳感器和其他待測(cè)設(shè)備將物理信號(hào)自動(dòng)采集為電量或者非電量信號(hào)形式，并通過(guò)一定時(shí)鐘脈沖采集頻率和信號(hào)載波組合送于信號(hào)處理模塊分析處理。根據(jù)采樣定理，最低的采樣頻率是信號(hào)頻率的兩倍，如果采樣頻率過(guò)分低于或者高于信號(hào)頻率兩倍，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)畸變，并定義正確顯示信號(hào)而不發(fā)生畸變的最大頻率為奈奎斯特頻率，一般為采用頻率的一半。 一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集卡、驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用軟件和計(jì)算機(jī)等相關(guān)部分組成。 DS18B20 有三個(gè) PIN 腳，分別為 GND、 I/O、 VDD，在判別引腳時(shí)面對(duì)扁平那一面 左負(fù)右正 ,一旦接反將會(huì)燒毀元器件并且溫度會(huì)一直顯示85℃ ，可編程分辨率為 912 位，讀出溫度時(shí)讀出 16 位，前五位為符號(hào)位，前五位為零時(shí)讀取溫度 為正號(hào)， 1 時(shí)讀取溫度為負(fù)號(hào)，結(jié)構(gòu)如圖 21所示。 DHT11 溫濕度傳感器有四個(gè)引腳，引腳 1 與正電源相 連接、引腳 4 接地、 DOUT 為輸出引腳負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，第三引腳為空引腳，具體結(jié)構(gòu)如圖 DS18B20 1 2 3 8 22 所示。具體如圖23 所示。內(nèi)部計(jì)數(shù)器 2 是一個(gè)對(duì)溫度影響大的高溫度系數(shù)產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)振蕩器。配置寄存器內(nèi)部 8 位， D D6 位設(shè)置 DS18B20 轉(zhuǎn)換分辨率。小數(shù)部分因?yàn)槭前雮€(gè)字節(jié)，所以二進(jìn)制值范圍是 0 至 F，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制小數(shù)值就是 的倍=0 =0 計(jì) 數(shù) 器 2 溫度寄存器 預(yù)置 比 較 低溫度系數(shù)晶振 高溫度系數(shù)晶振 計(jì) 數(shù) 器 1 斜率累加器 預(yù)置 11 數(shù)（ 0 至 15），最高位是符號(hào)位， 1 表示溫度為負(fù)（用補(bǔ)碼表示），將讀出采樣值取補(bǔ)再轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制表示溫度， 0 表示溫度為正。溫度采集系統(tǒng)硬件機(jī)構(gòu)主要有 DS18B20 溫度采集模塊，單片機(jī)（ STC89C52）通過(guò)溫度采集器件采集被測(cè)環(huán)境溫度，模塊將模擬量溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送給模塊控制中心處理，然后將測(cè)量結(jié)果送給數(shù)碼管或者液晶顯示出來(lái)，采集系統(tǒng)硬件組成示意圖如圖 31 所示。衡量硬件平臺(tái)的指標(biāo)有： ，負(fù)責(zé)被測(cè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別數(shù)字信號(hào)，核心器件有 A/D 轉(zhuǎn)換器，常用采集速率、分辨率、輸入動(dòng)態(tài)范圍、建立時(shí)間等指標(biāo)衡量； 模塊，將采集的外部輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，向采集模塊產(chǎn)生符合 要求的信號(hào)激勵(lì)，常見處理方式有信號(hào)隔離、限幅、衰減、放大、濾波等； 號(hào)產(chǎn)生模塊，向外界提供測(cè)試激勵(lì)信號(hào)，核心器件有 D/A 轉(zhuǎn)換器，信號(hào)調(diào)理措施有信號(hào)隔離、放大、衰減等，最終生成用戶所需的信號(hào)； 陣列，信號(hào)測(cè)試需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)，傳送于處理終端； 號(hào)的 I/O 模塊，采集到的信號(hào)處理完成后通過(guò)數(shù)字 I/O 將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為功率信號(hào)，去實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制。 圖 33 通訊結(jié)構(gòu)圖 采用 CH340 轉(zhuǎn)換芯片具有以下特點(diǎn)： 1. 全速 USB 設(shè)備接口，兼容 USB ,外圍器件需要晶體管和電容； ，升級(jí)、添加外圍串口設(shè)備方便； 計(jì)算機(jī) 或者 其他 USB 主機(jī) USB CH340 轉(zhuǎn)換芯片 單片機(jī)溫度采集 14 window 操作系統(tǒng)應(yīng)用程序完全兼容性； 、內(nèi)置緩沖區(qū)，支持多種通訊波特率； MODEM 通訊聯(lián)絡(luò)信號(hào) RTS、 DTR、 DCD、 RI 等； RS23 RS485 等轉(zhuǎn)換接口； CH341 驅(qū)動(dòng)程序； 5V 電源電壓和 電源電壓； 開發(fā)板選用 SOP16 封裝形式的 CH340G 芯片實(shí)現(xiàn)串口通訊，基本組成如圖 34 所示。系統(tǒng)指令進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取時(shí)，上位機(jī)和下位機(jī)在同一波特率下，溫度采集模塊將采集到了數(shù)據(jù)以 8 位形式發(fā)給 SBUF，上位機(jī)讀取 SBUF 中的數(shù)據(jù)。A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換模塊方便外接各類傳感器、熱敏電阻、光敏電阻，該模塊在開發(fā)板中實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)處理、分析、顯示等。采用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 和 AT89C51 單片機(jī)構(gòu)成溫度測(cè)量裝置，體積小，硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，安裝方便，不僅可以快速測(cè)溫，而且可以根據(jù)需要設(shè)定 上下限溫度，實(shí)用性強(qiáng)，系統(tǒng)框圖如圖 35 所示 [12]。復(fù)位的作 用是使中央處理器以及其他功能部件都恢復(fù)到一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作 [14]。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信號(hào)采集。常見的虛擬儀器開發(fā)工具有文本式編程語(yǔ)言（ C、 VB、 VCI 等）、圖形化編程語(yǔ)言（ LabVIEW、 Agilent VEEE 等）等。程序創(chuàng)建依靠三個(gè)模板分別為工具模板、控件模板、函數(shù)模板，工具模板負(fù)責(zé)創(chuàng)建、修改和調(diào)試 VI 程序，控件模板負(fù)責(zé)創(chuàng)建控制器和顯示器，函數(shù)模板創(chuàng)建流程圖程序。 圖 44 DS18B20 的復(fù)位時(shí)序 根據(jù)波形圖，復(fù)位脈沖由單片機(jī)拉低總線 480960us 產(chǎn)生，然后單片機(jī)釋放總線輸出高電平，總線在上拉電阻作用下恢復(fù)高電平，恢復(fù)時(shí)間為1560us,DS18B20 器件接受到單片機(jī)發(fā)出來(lái)的復(fù)位脈沖信號(hào)后，向總線回 主程序 讀溫度程序 數(shù)據(jù)處理程序 20 應(yīng)應(yīng)答脈沖，應(yīng)答脈沖會(huì)拉低總線時(shí)間 60240us，初始化 DS18B20 程序流程圖如圖 45 所示： 圖 45 DS18B20 初始化流程圖 DQ=0 返回 FLAG=1 FLAG=0 FLAG=1 延時(shí) 240us DQ=0？ DQ=1 初始化DQ=1 延時(shí) 2us 延時(shí) 480960us DQ=1 N Y Y N 21 讀寫時(shí)序函數(shù) DS18B20 數(shù)據(jù)讀寫通過(guò)時(shí)序處理位確認(rèn)信息交換，寫時(shí)序由寫 0 時(shí)序和寫 1 時(shí)序組成，如圖 46 所示。 溫度采集模塊程序 溫度采集模塊程序由 DS18B20 初始化函數(shù)、 DS18B20 讀寫字節(jié)函數(shù)和轉(zhuǎn)換溫度函數(shù)組成。前面板作為用戶圖形界面展現(xiàn)，在系統(tǒng)主頁(yè)中設(shè)置掛件菜單選項(xiàng)，分別為主頁(yè)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)控、歷史記錄，其中主頁(yè)下設(shè)置為用戶登錄界面，用戶可以輸入用戶名、密碼登錄數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)控為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)核心模塊，記載溫度采集采集情況；歷史記錄主要負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試記錄的保存。在進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試前需要將波特率設(shè)置為 4800,溫度報(bào)警限度根據(jù)對(duì)被測(cè)環(huán)境溫度要求進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)被測(cè)溫度超過(guò)限度范圍，報(bào)警指示燈會(huì)變亮。 圖 411 歷史記錄界面 用戶登錄界面程序框圖 用戶登錄程序框圖主要負(fù)責(zé)進(jìn)行用戶名和 密碼記錄，在用戶登錄時(shí)與用戶輸入的用戶名和密碼進(jìn)行對(duì)比，登錄系統(tǒng)后會(huì)顯示登錄成功和歡迎 24 您，否則將不能進(jìn)入系統(tǒng)，具體如圖 412 所示。關(guān)閉 VISA 資源名稱指定的設(shè)備會(huì)話句柄或者事件對(duì)象。 下位機(jī)程序由主函數(shù)、溫集采集函數(shù)， LCD 顯示函數(shù)組成，上位機(jī)主要基于LabVIEW 進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括通訊模塊和系統(tǒng)控制。 圖 53 實(shí)時(shí)驗(yàn)證 性 ，具體如圖 54 所示。但是此系統(tǒng)不能進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，在生產(chǎn)生活中進(jìn) 行溫度監(jiān)控的目的是保持溫度在一定限度范圍內(nèi)，當(dāng)溫度超出限度范圍需要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié)，保持溫度維持在限度范圍內(nèi)。 ，可靠性需要進(jìn)一步驗(yàn)證， 測(cè)試環(huán)境有溫度要求。 29 結(jié)論 基于 LabVIEW 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 可以進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集、處理、分析、顯示等。于是我通過(guò)網(wǎng)上資料查詢最終決定買單片機(jī)開發(fā)板作為溫度采集模塊硬件部分，對(duì)于開發(fā)板其他模塊也可以用于我日后在工作之余進(jìn)行學(xué)習(xí)探究。他專注教學(xué)重視學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，務(wù)實(shí)拘謹(jǐn)不浮躁勇于創(chuàng)新，不拘泥于簡(jiǎn)單的產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能，重視產(chǎn)品設(shè)計(jì)的適應(yīng)能力，精益求精重視使用者用戶體驗(yàn)。 經(jīng)過(guò)半年的查資料、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)調(diào)試、整理材料、論文寫作、今天論文終于完成得以呈現(xiàn)。另外 ，我也要感謝在大學(xué)期間所有傳授我知識(shí)的老師，是你們的悉心教導(dǎo)使我擁有了良好的專業(yè)課知識(shí)，這也是論文得以完成的基礎(chǔ)。最后，感謝在大學(xué)期間認(rèn)識(shí)我和我認(rèn)識(shí)的所有人，有你們伴隨，才有我大學(xué)生活豐富多彩，絢麗多姿的篇章！ 31 參考文獻(xiàn) [1] 王磊，陶梅 .精通 [M].北京：電子工業(yè)出版社 ,20xx:20303. 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