【文章內容簡介】 司的提供的圖形化編程語言LabVIEW的特點及應用。3 總體設計本論文針對傳統(tǒng)檢測儀表功能由儀器廠商定義，與其它儀器設備的連接十分有限，圖形界面小，人工讀取數(shù)據(jù)信息量小，數(shù)據(jù)無法編輯、存儲，系統(tǒng)封閉、功能固定、可擴展性差，技術更新慢，開發(fā)和維護費用較高的特點，設計了一個基于LabVIEW的溫度檢測系統(tǒng)。此溫度檢測系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：實現(xiàn)單片機與PC機的串口通信，能及時地將溫度數(shù)據(jù)傳給PC機，并將在上位機界面行程曲線，直觀的表現(xiàn)溫度變化。檢測參數(shù)的顯示:如測試時間、設定溫度、當前溫度等，當溫度超出某個范圍進行報警等。溫度實時監(jiān)測曲線顯示，而且具有數(shù)字顯示和波形圖顯示。測試結果的數(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。 總體設計方案本論文設計開發(fā)的是基于LabVIEW2010的溫度檢測系統(tǒng)，根據(jù)從總體到局部的設計原則，通過對系統(tǒng)功能的分析，將整個系統(tǒng)分解為實現(xiàn)不同功能的幾個部分，然后分別對每個部分設計。為了能夠實現(xiàn)溫度檢測系統(tǒng)所提出的各項具體功能，可以將整個系統(tǒng)分解為上位機和下位機兩個部分:上位機為裝有LabVIEW2010軟件的PC機，下位機為單片機及外圍電路組成的小系統(tǒng)。兩個部分是通過PC機中的USB串口進行通信的。其中下位機部分主要完成溫度信號的采集以及溫度數(shù)據(jù)的輸出。上位機部分完成對硬件的驅動，數(shù)據(jù)顯示、處理與存儲，超溫報警及人機交互操作界面的生成。 總體設計框圖 本章小結本章主要討論了溫度檢測系統(tǒng)的總體設計方案。首先闡述了系統(tǒng)的總體設計原則，即從整體到部分的設計思想，在系統(tǒng)設計中要重點綜合考慮系統(tǒng)經(jīng)濟性、可靠性、可擴展性及易操作性等性能指標，再根據(jù)系統(tǒng)的實際情況提出本系統(tǒng)的總體設計方案。根據(jù)系統(tǒng)的主要功能將系統(tǒng)分解為兩大部分，即上位機部分和下位機部分，然后分別進行設計。兩部分是通過計算機的串口進行通信的。同時選擇LabVIEW作為溫度檢測系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺。在系統(tǒng)的整體設計中，軟件的設計是關鍵，也占大部分工作量。4 上位機LabVIEW的程序設計 USB接口設計虛擬儀器系統(tǒng)的通信方式按總線類型可以分為以下三種方式：RS232串行總線體系結構、通用儀器總線GPIB，VXI，PXI體系結構和USB通用串行通信總線體系結構。RS232總線是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA于1969年推出的一個串行通信標準，也是目前最常用的串行接口標準，用來實現(xiàn)計算機與計算機之間、計算機與外設之間的數(shù)據(jù)通訊，多用于點對點的通訊。它的優(yōu)點是結構簡單，幾乎所有計算機都配有RS232總線接口。而且編程簡單，幾乎所有的開發(fā)軟件都對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稱，HP公司在70年代推出的臺式儀器接口總線。數(shù)據(jù)傳輸速率一般為250500Kbps，最高可達1Mbps，傳輸距離不能大于20m。受發(fā)送器負載能力的限制，接口系統(tǒng)內儀器數(shù)目最多不能超過15臺。GPIB盡管存在很多局限性，但目前仍是儀器、儀表及測控系統(tǒng)與計算機互連的主流并行總線。VXI總線是“用于儀器的VME總線擴展”的簡稱。從根本上講，VXI就是把GPIB測量技術與插入式DAQ板及現(xiàn)代計算機等最佳技術結合在一起。VXI的基本概念是為模塊式電子儀器提供一個開放的結構，從而使所有儀器廠家提供的各種模塊可在同一個機箱中運行。VXI總線是一種32位并行方式的內總線，總線背板的數(shù)據(jù)傳輸速率理論上可以達到40Mbps。VXI系統(tǒng)綜合了計算機技術、GPIB技術、PC儀器技術、接口技術、VME總線和模塊化結構技術的成果，具有小型便攜、高速數(shù)據(jù)傳輸、模塊式結構、系統(tǒng)組建靈活等特點。PXI是PCI在儀器領域的擴展，它將PCI總線技術發(fā)展成適合于試驗、測量與數(shù)據(jù)采集場合應用的機械、電氣和軟件規(guī)范，從而形成了新的虛擬儀器體系結構。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，需要打開機箱，使用不方便。而且價格昂貴，尤其是VXI總線，不適用于低成本的場合。USB是通用串行總線 (Universal Serial Bus)的縮寫，是一種新的計算機串行總線。在高速傳輸下，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達482Mbps，在全速方式下，可達12Mbps。使用USB Hub實現(xiàn)系統(tǒng)擴展，最多可連接127個外設，系統(tǒng)的拓撲結構為樹狀結構。標準USB電纜為3m，使用低速傳輸方式時可為5m，通過Hub或中繼器可使傳輸距離達到30m。USB支持熱插拔和即用，所有USB設備均可隨時接入和拔離系統(tǒng)，USB主機能夠動態(tài)地識別設備的狀態(tài)，并自動為的設備分配地址和配置參數(shù)。此外，USB還支持錯誤檢測與恢復處理功能，具有自動檢測并隔離設備的能力。USB具有速度快、使用方便靈活、易于擴展、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，廣泛應用于人機交互接口、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域。由于USB總線具有傳輸速度高，擴展性好，連接方便等眾多優(yōu)點，而且價格適中，非常適合本設計的溫度檢測系統(tǒng)，因此我們采用了USB總線作為系統(tǒng)的通信方式。雖然調試USB驅動程序比較復雜，但通過應用集成度較高的專用芯片，可以大大簡化程序的開發(fā)工作。所以本設計采用USB接口進行通信。 USB系統(tǒng)的結構 USB系統(tǒng)概述USB系統(tǒng)主要由USB主機和USB設備構成，所有的傳輸事務都是由主機發(fā)起的，USB設備是不能主動向主機傳輸任何數(shù)據(jù)的，除非獲得主機的允許。，被分為了三個邏輯層:功能層、USB設備層、USB接口總線層，且每一層都由主機和USB設備的不同功能模塊組成。 USB系統(tǒng)的分層 USB主機在USB系統(tǒng)中只允許有一個主機，分為三個不同的功能模塊:客戶軟件、系統(tǒng)軟件、USB總線接口。客戶軟件：客戶軟件負責和USB設備的功能單元進行通信，以實現(xiàn)其特定功能。客戶軟件不能直接訪問USB設備，其與功能單元間的通信必須經(jīng)過USB系統(tǒng)軟件和USB總線接口才能夠實現(xiàn)。它一般包括USB設備驅動程序和界面應用程序兩部分。USB設備驅動程序負責和USB系統(tǒng)軟件進行接口。通常，它向USB總線驅動程序發(fā)出I/O請求包以啟動一次USB數(shù)據(jù)輸入，這次傳輸可能是向USB設備發(fā)送數(shù)據(jù)(輸出)，也可能是接收USB設備中的數(shù)據(jù)(輸入)。此外，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?，它還應提供或空或滿的內存緩沖區(qū)以存儲這些數(shù)據(jù)。而界面應用程序負責和USB設備驅動程序進行接口，以操縱USB設備，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設備發(fā)送的原始數(shù)據(jù)和從USB設備接收的最終數(shù)據(jù)。這部分是本設計接口設計的重點。USB系統(tǒng)軟件：USB系統(tǒng)軟件負責和USB邏輯設備進行配置通信，并管理客戶軟件啟動的數(shù)據(jù)傳輸。它一般包括USB總線驅動程序、USB主控制器驅動程序和非USB主機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。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。主控制器負責完成主機和USB設備間數(shù)據(jù)的實際傳輸。該模塊與USB系統(tǒng)軟件的接口依賴于主控制器的硬件實現(xiàn)，所以這部分也不是重點。 USB設備要為USB設備寫驅動程序就必須知道USB設備的架構。USB設備有三個功能模塊組成：USB總線接口、USB邏輯設備、功能單元。USB總線接口是USB設備中的串行接口引擎(SIE)；USB邏輯設備被USB系統(tǒng)軟件看做是一個端點的集合；功能單元被客戶軟件看做是接口的集合。其中SIE、端點、接口都是USB設備的組成單元。端點是USB設備中的實際物理單元，其一般由USB接口芯片來提供。USB設備中的每個端點都有唯一的一個短點好，各個端點所支持的數(shù)據(jù)傳輸方向也是確定的:或是輸入或是輸出。利用設備地址、端點號和傳輸方向就可以指定一個端點，并和它通信。在USB設備中端點分為了兩類:一類0號端點，也叫控制端點。它比較特殊是雙向通信，并且把0號端點所形成的數(shù)據(jù)流管道成為缺省管道。在USB設備連接、上電或復位后，USB系統(tǒng)軟件就使用該管道與USB邏輯設備進行配置通信，在USB設備被正確配置后，客戶軟件也會擁有對該管道的使用權。另一類是非0號端點，這類端點都只有在USB設備被正確配置后才可以使用。 NIVISA概述 N1VISA簡介VISA(Virtual Instrument Software Architecture)是一個用來與各種儀器總線進行通訊的高級應用編程接口（API）。它不受平臺、總線和環(huán)境的限制。換言之，與GPIB 設備進行通訊的程序，無論是在運行Windows 2000的機器上用LabVIEW開發(fā)出來的，還是在運行 Mac OS X的機器上用C語言編寫的，都可以使用同一個API。通用串行總線（USB）是一個基于信息的通訊總線。這表示PC機與USB設備通過發(fā)送指令和數(shù)據(jù)進行通訊，而這些指令和數(shù)據(jù)是通過總線以文本或二進制數(shù)據(jù)的形式發(fā)送的。每個USB設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設備：USB INSTR設備與USB RAW設備。USB INSTR設備是符合USBTMC協(xié)議的USB設備，可以通過使用USB INSTR類函數(shù)控制,通信時無需配置NIVISA；而USB RAW設備是指除了明確符合USBTMC規(guī)格的儀器之外的任何USB設備,通信時要配置NIVISA。 配置NIVISA的過程使用Driver Development wizard(驅動程序開發(fā)向導)創(chuàng)建INF文檔；安裝INF文檔,并安裝使用INF文檔的USB設備；使用NIVISA Interactive Control(NIVISA互動控制工具)對設備進行測試,以證實USB設備已正確安裝，并獲得USB設備的各屬性值。 與NlVISA相配合的LabVIEW模板中VI子節(jié)點ViOpen，打開并指定VISA resource name的設備的連接。ViProperty，VISA設備的屬性子節(jié)點，可以設置端點或傳輸方式。ViWrite，向VISA resource name指定的設備寫入數(shù)據(jù)。ViRead，從VISA resource name指定的設備讀出數(shù)據(jù)。ViClose，結束設備讀寫并關閉與指定設備的連接。 USB設備讀寫的操作次序。 USB設備讀寫框圖 LabVIEW2010中串口的配置。 VISA配置串口控件通過VISA資源名稱指定插入的USB設備，進而對該USB設備的各項數(shù)據(jù)進行初始化，時該設備做好接受上位機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)屏蔽可同時刷新多個緩沖區(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關閉控件該控件的作用是關閉VISA資源名稱指定的設備會話句柄或事件對象，完成一次數(shù)據(jù)采集過程。 上位機LabVIEW程序的前面板和程序框圖 數(shù)據(jù)處理VISA實質上是一個I/O接口軟件庫及其規(guī)范的總稱。I/O接口軟件存在于儀器和儀器驅動程序之間，完成對儀器內部寄存器進行直接存儲數(shù)據(jù)操作，并且為儀器與儀器驅動程序提供信息傳遞的底層軟件。應用labview的圖標（即儀器驅動程序）設置串口，讀串口里的數(shù)據(jù)。由于全部默任串口的設置(9600bps 8 位數(shù)據(jù),1 位停止,1 位起始,無握手信號) ,下位機采集程序遵守上述協(xié)議,直接用讀圖標讀串口的數(shù)據(jù)。 上位機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)從串口讀來的數(shù)據(jù)被自動轉換為ASCII字符，要想得到數(shù)據(jù)，本設計中還用到了一個子VI。 子VI前面板和程序框圖 LabVIEW的前面板和各個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)。上位機采用的是LabVIEW2010進行設計，即上位機程序的前面板?？傮w功能是接收下位機采集得到的溫度數(shù)據(jù)，并且對數(shù)據(jù)進行顯示和記錄，通過前面板限定溫度值，當溫度超出限定值時，系統(tǒng)會發(fā)出報警信號。 溫度監(jiān)測系統(tǒng)前面板前面板各個部分的具體功能介紹如下：溫度記錄表和溫度實時顯示框，用于記錄溫度，必要時可以生成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，可以直觀的知道進行溫度采集的次數(shù)。操作框，可以進行端口選擇，設置報警溫度的上限和下限值，可以停止程序運行。程序運行前，首先要選擇下位機的連接端口，才可以從下位機讀取溫度檢測數(shù)據(jù)。時間顯示框，顯示當前的實時時間。溫度波形圖表，直觀顯示溫度變化曲線。溫度報警指示燈，當溫度大于上限設定值時，溫度過高燈變紅；當溫度小于下限設定值時，溫度過低燈變紅；當溫度處于上限制和下限值之間時，表明溫度正常，兩個指示燈均為綠色。實時溫度表，用于檢測溫度變化。