【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 司的提供的圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW的特點(diǎn)及應(yīng)用。3 總體設(shè)計(jì)本論文針對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)儀表功能由儀器廠商定義，與其它儀器設(shè)備的連接十分有限，圖形界面小，人工讀取數(shù)據(jù)信息量小，數(shù)據(jù)無(wú)法編輯、存儲(chǔ)，系統(tǒng)封閉、功能固定、可擴(kuò)展性差，技術(shù)更新慢，開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用較高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于LabVIEW的溫度檢測(cè)系統(tǒng)。此溫度檢測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的串口通信，能及時(shí)地將溫度數(shù)據(jù)傳給PC機(jī)，并將在上位機(jī)界面行程曲線，直觀的表現(xiàn)溫度變化。檢測(cè)參數(shù)的顯示:如測(cè)試時(shí)間、設(shè)定溫度、當(dāng)前溫度等，當(dāng)溫度超出某個(gè)范圍進(jìn)行報(bào)警等。溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線顯示，而且具有數(shù)字顯示和波形圖顯示。測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)保存：用戶可以將采集到的數(shù)據(jù)的一部分或者全部保存在Excel表格中，方便查詢和打印。 總體設(shè)計(jì)方案本論文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的是基于LabVIEW2010的溫度檢測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)從總體到局部的設(shè)計(jì)原則，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)功能的分析，將整個(gè)系統(tǒng)分解為實(shí)現(xiàn)不同功能的幾個(gè)部分，然后分別對(duì)每個(gè)部分設(shè)計(jì)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)所提出的各項(xiàng)具體功能，可以將整個(gè)系統(tǒng)分解為上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)部分:上位機(jī)為裝有LabVIEW2010軟件的PC機(jī)，下位機(jī)為單片機(jī)及外圍電路組成的小系統(tǒng)。兩個(gè)部分是通過(guò)PC機(jī)中的USB串口進(jìn)行通信的。其中下位機(jī)部分主要完成溫度信號(hào)的采集以及溫度數(shù)據(jù)的輸出。上位機(jī)部分完成對(duì)硬件的驅(qū)動(dòng)，數(shù)據(jù)顯示、處理與存儲(chǔ)，超溫報(bào)警及人機(jī)交互操作界面的生成。 總體設(shè)計(jì)框圖 本章小結(jié)本章主要討論了溫度檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。首先闡述了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)原則，即從整體到部分的設(shè)計(jì)思想，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要重點(diǎn)綜合考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、可靠性、可擴(kuò)展性及易操作性等性能指標(biāo)，再根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況提出本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。根據(jù)系統(tǒng)的主要功能將系統(tǒng)分解為兩大部分，即上位機(jī)部分和下位機(jī)部分，然后分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。兩部分是通過(guò)計(jì)算機(jī)的串口進(jìn)行通信的。同時(shí)選擇LabVIEW作為溫度檢測(cè)系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。在系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)中，軟件的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，也占大部分工作量。4 上位機(jī)LabVIEW的程序設(shè)計(jì) USB接口設(shè)計(jì)虛擬儀器系統(tǒng)的通信方式按總線類型可以分為以下三種方式：RS232串行總線體系結(jié)構(gòu)、通用儀器總線GPIB，VXI，PXI體系結(jié)構(gòu)和USB通用串行通信總線體系結(jié)構(gòu)。RS232總線是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA于1969年推出的一個(gè)串行通信標(biāo)準(zhǔn)，也是目前最常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通訊，多用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，幾乎所有計(jì)算機(jī)都配有RS232總線接口。而且編程簡(jiǎn)單，幾乎所有的開(kāi)發(fā)軟件都對(duì)其提供了良好的支持。但RS232總線傳輸距離一般小于15m，最大波特率小于20Kbps，不適合于高速場(chǎng)合。在通用儀器總線中，經(jīng)常用到三種總線:GPIB，VXI和PXI。GPIB是通用接口總線的簡(jiǎn)稱，HP公司在70年代推出的臺(tái)式儀器接口總線。數(shù)據(jù)傳輸速率一般為250500Kbps，最高可達(dá)1Mbps，傳輸距離不能大于20m。受發(fā)送器負(fù)載能力的限制，接口系統(tǒng)內(nèi)儀器數(shù)目最多不能超過(guò)15臺(tái)。GPIB盡管存在很多局限性，但目前仍是儀器、儀表及測(cè)控系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)互連的主流并行總線。VXI總線是“用于儀器的VME總線擴(kuò)展”的簡(jiǎn)稱。從根本上講，VXI就是把GPIB測(cè)量技術(shù)與插入式DAQ板及現(xiàn)代計(jì)算機(jī)等最佳技術(shù)結(jié)合在一起。VXI的基本概念是為模塊式電子儀器提供一個(gè)開(kāi)放的結(jié)構(gòu)，從而使所有儀器廠家提供的各種模塊可在同一個(gè)機(jī)箱中運(yùn)行。VXI總線是一種32位并行方式的內(nèi)總線，總線背板的數(shù)據(jù)傳輸速率理論上可以達(dá)到40Mbps。VXI系統(tǒng)綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、GPIB技術(shù)、PC儀器技術(shù)、接口技術(shù)、VME總線和模塊化結(jié)構(gòu)技術(shù)的成果，具有小型便攜、高速數(shù)據(jù)傳輸、模塊式結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)組建靈活等特點(diǎn)。PXI是PCI在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，它將PCI總線技術(shù)發(fā)展成適合于試驗(yàn)、測(cè)量與數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合應(yīng)用的機(jī)械、電氣和軟件規(guī)范，從而形成了新的虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)。PXI提供了與PCI一樣包括132Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率和即插即用功能的高性能電氣特性。雖然這些儀器總線的性能比較好，但儀器控制系統(tǒng)都需要配備專門的接口控制卡，或者NI公司的數(shù)據(jù)采集卡，用戶組裝系統(tǒng)時(shí)，需要打開(kāi)機(jī)箱，使用不方便。而且價(jià)格昂貴，尤其是VXI總線，不適用于低成本的場(chǎng)合。USB是通用串行總線 (Universal Serial Bus)的縮寫，是一種新的計(jì)算機(jī)串行總線。在高速傳輸下，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)482Mbps，在全速方式下，可達(dá)12Mbps。使用USB Hub實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展，最多可連接127個(gè)外設(shè)，系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)USB電纜為3m，使用低速傳輸方式時(shí)可為5m，通過(guò)Hub或中繼器可使傳輸距離達(dá)到30m。USB支持熱插拔和即用，所有USB設(shè)備均可隨時(shí)接入和拔離系統(tǒng)，USB主機(jī)能夠動(dòng)態(tài)地識(shí)別設(shè)備的狀態(tài)，并自動(dòng)為的設(shè)備分配地址和配置參數(shù)。此外，USB還支持錯(cuò)誤檢測(cè)與恢復(fù)處理功能，具有自動(dòng)檢測(cè)并隔離設(shè)備的能力。USB具有速度快、使用方便靈活、易于擴(kuò)展、支持即插即用、成本較低等一系列優(yōu)特性，使USB正逐步取代傳統(tǒng)的并行或串行接口，廣泛應(yīng)用于人機(jī)交互接口、音頻和視頻傳輸、量高速外存接口、寬帶接入、數(shù)據(jù)采集和虛擬儀器等領(lǐng)域。由于USB總線具有傳輸速度高，擴(kuò)展性好，連接方便等眾多優(yōu)點(diǎn)，而且價(jià)格適中，非常適合本設(shè)計(jì)的溫度檢測(cè)系統(tǒng)，因此我們采用了USB總線作為系統(tǒng)的通信方式。雖然調(diào)試USB驅(qū)動(dòng)程序比較復(fù)雜，但通過(guò)應(yīng)用集成度較高的專用芯片，可以大大簡(jiǎn)化程序的開(kāi)發(fā)工作。所以本設(shè)計(jì)采用USB接口進(jìn)行通信。 USB系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) USB系統(tǒng)概述USB系統(tǒng)主要由USB主機(jī)和USB設(shè)備構(gòu)成，所有的傳輸事務(wù)都是由主機(jī)發(fā)起的，USB設(shè)備是不能主動(dòng)向主機(jī)傳輸任何數(shù)據(jù)的，除非獲得主機(jī)的允許。，被分為了三個(gè)邏輯層:功能層、USB設(shè)備層、USB接口總線層，且每一層都由主機(jī)和USB設(shè)備的不同功能模塊組成。 USB系統(tǒng)的分層 USB主機(jī)在USB系統(tǒng)中只允許有一個(gè)主機(jī)，分為三個(gè)不同的功能模塊:客戶軟件、系統(tǒng)軟件、USB總線接口?？蛻糗浖嚎蛻糗浖?fù)責(zé)和USB設(shè)備的功能單元進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)其特定功能。客戶軟件不能直接訪問(wèn)USB設(shè)備，其與功能單元間的通信必須經(jīng)過(guò)USB系統(tǒng)軟件和USB總線接口才能夠?qū)崿F(xiàn)。它一般包括USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和界面應(yīng)用程序兩部分。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)和USB系統(tǒng)軟件進(jìn)行接口。通常，它向USB總線驅(qū)動(dòng)程序發(fā)出I/O請(qǐng)求包以啟動(dòng)一次USB數(shù)據(jù)輸入，這次傳輸可能是向USB設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)(輸出)，也可能是接收USB設(shè)備中的數(shù)據(jù)(輸入)。此外，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?，它還應(yīng)提供或空或滿的內(nèi)存緩沖區(qū)以存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)。而界面應(yīng)用程序負(fù)責(zé)和USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行接口，以操縱USB設(shè)備，并向用戶提供可視化的操作。它是最上層的軟件，只能看到像USB設(shè)備發(fā)送的原始數(shù)據(jù)和從USB設(shè)備接收的最終數(shù)據(jù)。這部分是本設(shè)計(jì)接口設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。USB系統(tǒng)軟件：USB系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)和USB邏輯設(shè)備進(jìn)行配置通信，并管理客戶軟件啟動(dòng)的數(shù)據(jù)傳輸。它一般包括USB總線驅(qū)動(dòng)程序、USB主控制器驅(qū)動(dòng)程序和非USB主機(jī)軟件三部分這些軟件通常由操作系統(tǒng)提供，所以這部分不是重點(diǎn)。USB總線接口：USB總線接口包括主控制器和根集線器兩部分。根集線器為USB系統(tǒng)提供連接起點(diǎn)。主控制器負(fù)責(zé)完成主機(jī)和USB設(shè)備間數(shù)據(jù)的實(shí)際傳輸。該模塊與USB系統(tǒng)軟件的接口依賴于主控制器的硬件實(shí)現(xiàn)，所以這部分也不是重點(diǎn)。 USB設(shè)備要為USB設(shè)備寫驅(qū)動(dòng)程序就必須知道USB設(shè)備的架構(gòu)。USB設(shè)備有三個(gè)功能模塊組成：USB總線接口、USB邏輯設(shè)備、功能單元。USB總線接口是USB設(shè)備中的串行接口引擎(SIE)；USB邏輯設(shè)備被USB系統(tǒng)軟件看做是一個(gè)端點(diǎn)的集合；功能單元被客戶軟件看做是接口的集合。其中SIE、端點(diǎn)、接口都是USB設(shè)備的組成單元。端點(diǎn)是USB設(shè)備中的實(shí)際物理單元，其一般由USB接口芯片來(lái)提供。USB設(shè)備中的每個(gè)端點(diǎn)都有唯一的一個(gè)短點(diǎn)好，各個(gè)端點(diǎn)所支持的數(shù)據(jù)傳輸方向也是確定的:或是輸入或是輸出。利用設(shè)備地址、端點(diǎn)號(hào)和傳輸方向就可以指定一個(gè)端點(diǎn)，并和它通信。在USB設(shè)備中端點(diǎn)分為了兩類:一類0號(hào)端點(diǎn)，也叫控制端點(diǎn)。它比較特殊是雙向通信，并且把0號(hào)端點(diǎn)所形成的數(shù)據(jù)流管道成為缺省管道。在USB設(shè)備連接、上電或復(fù)位后，USB系統(tǒng)軟件就使用該管道與USB邏輯設(shè)備進(jìn)行配置通信，在USB設(shè)備被正確配置后，客戶軟件也會(huì)擁有對(duì)該管道的使用權(quán)。另一類是非0號(hào)端點(diǎn)，這類端點(diǎn)都只有在USB設(shè)備被正確配置后才可以使用。 NIVISA概述 N1VISA簡(jiǎn)介VISA(Virtual Instrument Software Architecture)是一個(gè)用來(lái)與各種儀器總線進(jìn)行通訊的高級(jí)應(yīng)用編程接口（API）。它不受平臺(tái)、總線和環(huán)境的限制。換言之，與GPIB 設(shè)備進(jìn)行通訊的程序，無(wú)論是在運(yùn)行Windows 2000的機(jī)器上用LabVIEW開(kāi)發(fā)出來(lái)的，還是在運(yùn)行 Mac OS X的機(jī)器上用C語(yǔ)言編寫的，都可以使用同一個(gè)API。通用串行總線（USB）是一個(gè)基于信息的通訊總線。這表示PC機(jī)與USB設(shè)備通過(guò)發(fā)送指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行通訊，而這些指令和數(shù)據(jù)是通過(guò)總線以文本或二進(jìn)制數(shù)據(jù)的形式發(fā)送的。每個(gè)USB設(shè)備都有各自的指令集。您可以使用NIVISA 的讀寫功能向儀器發(fā)送這些指令，并讀取儀器的反饋。 NIVISA ，它有兩種VISA類函數(shù) (Resource Class) ，可以控制兩類USB設(shè)備：USB INSTR設(shè)備與USB RAW設(shè)備。USB INSTR設(shè)備是符合USBTMC協(xié)議的USB設(shè)備，可以通過(guò)使用USB INSTR類函數(shù)控制,通信時(shí)無(wú)需配置NIVISA；而USB RAW設(shè)備是指除了明確符合USBTMC規(guī)格的儀器之外的任何USB設(shè)備,通信時(shí)要配置NIVISA。 配置NIVISA的過(guò)程使用Driver Development wizard(驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)向?qū)?創(chuàng)建INF文檔；安裝INF文檔,并安裝使用INF文檔的USB設(shè)備；使用NIVISA Interactive Control(NIVISA互動(dòng)控制工具)對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試,以證實(shí)USB設(shè)備已正確安裝，并獲得USB設(shè)備的各屬性值。 與NlVISA相配合的LabVIEW模板中VI子節(jié)點(diǎn)ViOpen，打開(kāi)并指定VISA resource name的設(shè)備的連接。ViProperty，VISA設(shè)備的屬性子節(jié)點(diǎn)，可以設(shè)置端點(diǎn)或傳輸方式。ViWrite，向VISA resource name指定的設(shè)備寫入數(shù)據(jù)。ViRead，從VISA resource name指定的設(shè)備讀出數(shù)據(jù)。ViClose，結(jié)束設(shè)備讀寫并關(guān)閉與指定設(shè)備的連接。 USB設(shè)備讀寫的操作次序。 USB設(shè)備讀寫框圖 LabVIEW2010中串口的配置。 VISA配置串口控件通過(guò)VISA資源名稱指定插入的USB設(shè)備，進(jìn)而對(duì)該USB設(shè)備的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，時(shí)該設(shè)備做好接受上位機(jī)LabVIEW發(fā)送的指令。 VISA寫入控件該控件的功能是將寫入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫入VISA資源名稱指定的設(shè)備或者接口。 VISA讀取控件該控件的功能是從VISA資源名稱指定的設(shè)備或者借口中讀取指定數(shù)量的字節(jié)，并且使數(shù)據(jù)返回至讀取緩沖區(qū)。VISA清空I/。 VISA清空I/O緩沖區(qū)控件屏蔽指明要刷新的緩沖區(qū)。按位合并緩沖區(qū)屏蔽可同時(shí)刷新多個(gè)緩沖區(qū)。邏輯OR，也稱為 OR或加，用于合并值。接受緩沖區(qū)和傳輸緩沖區(qū)分別只用一個(gè)屏蔽值。該控件的作用是清空由屏蔽指定的I/O緩沖區(qū)。 VISA關(guān)閉控件該控件的作用是關(guān)閉VISA資源名稱指定的設(shè)備會(huì)話句柄或事件對(duì)象，完成一次數(shù)據(jù)采集過(guò)程。 上位機(jī)LabVIEW程序的前面板和程序框圖 數(shù)據(jù)處理VISA實(shí)質(zhì)上是一個(gè)I/O接口軟件庫(kù)及其規(guī)范的總稱。I/O接口軟件存在于儀器和儀器驅(qū)動(dòng)程序之間，完成對(duì)儀器內(nèi)部寄存器進(jìn)行直接存儲(chǔ)數(shù)據(jù)操作，并且為儀器與儀器驅(qū)動(dòng)程序提供信息傳遞的底層軟件。應(yīng)用labview的圖標(biāo)（即儀器驅(qū)動(dòng)程序）設(shè)置串口，讀串口里的數(shù)據(jù)。由于全部默任串口的設(shè)置(9600bps 8 位數(shù)據(jù),1 位停止,1 位起始,無(wú)握手信號(hào)) ,下位機(jī)采集程序遵守上述協(xié)議,直接用讀圖標(biāo)讀串口的數(shù)據(jù)。 上位機(jī)的流程圖這是最基本的流程圖，也是最重要的一步。需要注意的是系統(tǒng)從串口讀來(lái)的數(shù)據(jù)被自動(dòng)轉(zhuǎn)換為ASCII字符，要想得到數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)中還用到了一個(gè)子VI。 子VI前面板和程序框圖 LabVIEW的前面板和各個(gè)部分的功能前面板由輸入控件和顯示控件組成。這些控件是VI的輸入輸出端口。輸入控件是指旋鈕、按鈕、轉(zhuǎn)盤等輸入裝置。顯示控件是指圖表、指示燈等顯示裝置。輸入控件模擬儀器的輸入裝置，為VI的程序框圖提供數(shù)據(jù)。顯示控件模擬儀器的輸出裝置，用以顯示程序框圖獲取或生成的數(shù)據(jù)。上位機(jī)采用的是LabVIEW2010進(jìn)行設(shè)計(jì)，即上位機(jī)程序的前面板。總體功能是接收下位機(jī)采集得到的溫度數(shù)據(jù)，并且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和記錄，通過(guò)前面板限定溫度值，當(dāng)溫度超出限定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前面板前面板各個(gè)部分的具體功能介紹如下：溫度記錄表和溫度實(shí)時(shí)顯示框，用于記錄溫度，必要時(shí)可以生成Excel表格永久保存。VSIA配置控件的前面板顯示部分和采集次數(shù)顯示控件，可以直觀的知道進(jìn)行溫度采集的次數(shù)。操作框，可以進(jìn)行端口選擇，設(shè)置報(bào)警溫度的上限和下限值，可以停止程序運(yùn)行。程序運(yùn)行前，首先要選擇下位機(jī)的連接端口，才可以從下位機(jī)讀取溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)。時(shí)間顯示框，顯示當(dāng)前的實(shí)時(shí)時(shí)間。溫度波形圖表，直觀顯示溫度變化曲線。溫度報(bào)警指示燈，當(dāng)溫度大于上限設(shè)定值時(shí)，溫度過(guò)高燈變紅；當(dāng)溫度小于下限設(shè)定值時(shí)，溫度過(guò)低燈變紅；當(dāng)溫度處于上限制和下限值之間時(shí)，表明溫度正常，兩個(gè)指示燈均為綠色。實(shí)時(shí)溫度表，用于檢測(cè)溫度變化。