【正文】 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)。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)。 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。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)。 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 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。前面板作為用戶圖形界面展現(xiàn)，在系統(tǒng)主頁中設(shè)置掛件菜單選項(xiàng)，分別為主頁、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)控、歷史記錄，其中主頁下設(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。 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。常見的虛擬儀器開發(fā)工具有文本式編程語言（ C、 VB、 VCI 等）、圖形化編程語言（ LabVIEW、 Agilent VEEE 等）等。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]。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。 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。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，采集系統(tǒng)硬件組成示意圖如圖 31 所示。配置寄存器內(nèi)部 8 位， D D6 位設(shè)置 DS18B20 轉(zhuǎn)換分辨率。具體如圖23 所示。 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。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。 本文主要研究內(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。國家自然科學(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。在與傳統(tǒng)儀器 廠商競(jìng)爭中， 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]。隨著插入式計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理卡（ DAQ）出現(xiàn)和 VXI 儀器總線標(biāo)準(zhǔn)確立，虛擬儀器功能更加豐富，不僅可以可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理和顯示，還可以實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的分享，一定意義上促進(jìn)了技術(shù)開發(fā)和合作。 1983 年， Apple 公司推出了世界上第一款圖形界面的微型計(jì)算機(jī)Macintosh,標(biāo)志著在計(jì)算機(jī)屏幕上模擬儀器成為可能 [5]。例如一些技術(shù)水平不高，經(jīng)濟(jì)實(shí)力弱的公司在進(jìn)行產(chǎn)品分析時(shí)，對(duì)于購置高檔臺(tái)式儀器如數(shù)字示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀等儀器表現(xiàn)出一定壓力。 從第一臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)至今應(yīng)有 60 年歷史，計(jì)算機(jī)應(yīng)用由最初的國防事業(yè)蔓延至各行各業(yè)，加上電子技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，為現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)發(fā)展提供了技術(shù)保障。在生活中，溫度的顯著變化超出人的適應(yīng)范圍導(dǎo)致身體不適，容易引發(fā)感冒、中暑等癥狀。 LabVIEW 是一種圖像化的編程語言，在數(shù)據(jù)采集和儀器控制上得到了學(xué)術(shù)界、工業(yè)界認(rèn)可，為實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了方便的途徑。設(shè)計(jì)中通過 LabVIEW 構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件平臺(tái)，將采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)判斷。因此，溫度數(shù)據(jù)采集作為系統(tǒng)采集參數(shù)具有現(xiàn)實(shí)意義。在上世紀(jì) 90 年代，由美國 NI 公司提出了新概念 —虛擬儀器，標(biāo)志著測(cè)量技術(shù)向一個(gè)新的方向轉(zhuǎn)變。而采用虛擬儀器技術(shù)僅需采購必要的通用數(shù)據(jù)采集硬件來完成自己的儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了進(jìn)一步提高測(cè)試系統(tǒng)，以杰夫 ?科多斯基為首的工程師們于 1986 年通過 NI 公司推出了基于蘋果機(jī)環(huán)境下著名的圖形化編程工具 LabVIEW[6]。 第三階段：虛擬儀器框架最終確定與成熟。 在國外高校和研究所，虛擬儀器運(yùn)用也極其廣泛，在麻省理工、加州大學(xué)伯克利分校、伊利諾伊大學(xué)、弗吉尼亞理工、德州大學(xué)奧斯汀分校、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)等美國高等工程院校均將虛擬儀器技術(shù)的教學(xué)列入正常的教學(xué)計(jì)劃當(dāng)中，相應(yīng)學(xué)科有電氣、自動(dòng)化、通信、醫(yī)學(xué)、機(jī)械、土木等，教學(xué)和研究成果頗豐。在企事業(yè)單位中，也涌現(xiàn)了一批研究和從事虛擬儀器的公司和學(xué)校。該設(shè)計(jì)中將溫度作為主要采集對(duì)象，溫度傳感器 DS18B20 作為溫度采集器件，通過下位機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)顯示出來并傳送到上位機(jī)進(jìn)行處理分析。在工程過程中，為了準(zhǔn)確地捕捉信號(hào)信息，會(huì)通過信號(hào)濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)濾波處理，并提高采用頻率倍數(shù)，縮小采樣頻率周期。 圖 21 DS18B20 結(jié)構(gòu)圖 DHT11 介紹 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器采用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，包括電阻式感濕元件和 NTC 測(cè)溫元件，與高性能 8 位單片機(jī)連接。 圖 23 XPT2046 模擬輸入特性 9 方案確定 綜合兩種傳感器器件，在采集溫度功能上，兩個(gè)傳感器均可以實(shí)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)初期采用 DS18B20 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，簡單方便、測(cè)量準(zhǔn)確性高，測(cè)試原理雷同采用 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，權(quán)衡比較最終選擇了DS18B20 作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳感器。 圖 25 DS18B20 測(cè)溫內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 測(cè)試參數(shù)分析 DS18B20 檢測(cè)完溫度后，溫度值通過符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼（ 16位）形式寄存于高速存儲(chǔ)器 MSB 和 LSB 對(duì)應(yīng)字節(jié)中，讀取出的二進(jìn)制必須先轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制值，才能用于字符的顯示， DS18B20 的轉(zhuǎn)換精度通過設(shè)置配置寄存器 D6D5 位獲得，為了提高精度設(shè)置為 7FH,對(duì)應(yīng)分辨率 12位，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換時(shí)間 750ms。 圖 31 系統(tǒng)硬件構(gòu)成示意圖 A/D 和 D/A 模塊設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩大部分，硬件主要是獲取現(xiàn)實(shí)環(huán)境的被測(cè)信號(hào)，為信號(hào)采集與控制提供物理傳輸通道，軟件用來控制測(cè)試環(huán)境的數(shù)據(jù)采集、處理、分析、顯示等物理功能，通過不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同虛擬儀器功能，測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 32 所示。 圖 34 CH340G 通訊結(jié)構(gòu)圖 CH340 芯片內(nèi)置上拉電阻， UD+和 UD分別連接至 USB 總線上，配置電源上電復(fù)位電路， XI 和 XO 引腳外接 12MHZ 晶體振動(dòng)器，為芯片提供 12MHZ 時(shí)鐘信號(hào)， TXD 引腳和 RXD 引腳負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用 ULN20xxA 驅(qū)動(dòng)芯片，接五相四線步進(jìn)馬達(dá)， 接口引出，也可以實(shí)現(xiàn) PWM 脈沖控制電機(jī)。 圖 37 振蕩與復(fù)位電路 復(fù)位電路一般有上電復(fù)位、手動(dòng)開關(guān)復(fù)位、自動(dòng)復(fù)位等 幾種復(fù)位形式形式，一般單片機(jī)系統(tǒng)模塊中復(fù)位電路由上電復(fù)位和手動(dòng)開關(guān)復(fù)位組成，上電復(fù)位是單片機(jī)上電后 RST 引腳瞬間獲得高電平，隨著電容 C 充電完成后形成短路，復(fù)位引腳電平開始下降最終由高電平變?yōu)榈碗娖?，?shí)現(xiàn)復(fù)位動(dòng)作，復(fù)位變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，單片機(jī)開始執(zhí)行程序，振蕩與復(fù)位電路如圖37 所示 [15]。 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。 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。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]。 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)。 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。 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)試過過程中還面臨以下問題點(diǎn)： ，不能適應(yīng)對(duì)溫度要求變化小的測(cè)試場(chǎng)所。下位機(jī)主要通過單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集模塊， 采集來自單片機(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。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。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)。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。