【文章內容簡介】 機和儀器的密切結合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。這種結合有兩種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經出現含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機。以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現各種儀器功能，這種方式的虛擬儀器可以很方便的進行數據的采集，傳輸，處理。當計算機外接不同功能的硬件，其定義的儀器性質與功能也發(fā)生相應的變化，很方便用戶的使用，而且基于計算機的這個強大的處理平臺，可以實現更形象生動地顯示數據，更快速地處理數據。虛擬儀器主要是指這種方式。 5 第三章 結溫測量儀整體系統(tǒng)設計 結溫測量儀的原理LED 作為一種半導體期間，主要以熱阻（ JXR?）表征其本身的熱學特性，根據文獻 熱阻的定義式為： HXJXPTR??? (1)式中 JX?是待測器件 PN 結打到指定環(huán)境之間的熱阻（ wc/?） ；T1 是測試條件穩(wěn)定時的待測器件的結溫（ c?） ；Tx 是指定溫度的參考溫度（ ） ； 是待測器件的耗Hp散功率[W]。因此，為了測定 LED 的熱阻須確定式（1 ）右邊的三個參數，而其中參數之一的結溫（T 1）則是測量中的重點，結溫的測量可以通過下式表示的方法進行 JJT???0 (2)SPK? (3)式中 0JT是待測器件未施加加熱功率前的初始結溫（ c?） ； JT?是因施加加熱功率引起的結溫變化量（ c?） ；K 是定義 JT?與 SP之間關系的常量（ c?/mV） ； SP?是溫度敏感參數值得變化量（mV） [1]。 硬件設計方案 各部分硬件功能簡述整個下位機系統(tǒng)采用增強型的帶 flash 內存的 AT89S52 單片機為處理核心，單片機主要有以下幾個功能：(1)通過 RS485 總線負責與 PC 機通訊，處理 PC 機發(fā)送來的命令與數據，設置好高電流與低電流各自的持續(xù)時間。(2)根據 PC 機的命令選擇 CD4051 不同的控制通道，通過不同通道的電壓來調節(jié)輸出電流的大小 6 (3)啟動 AD 轉換器，把采集到的電壓數據傳送回電腦。 壓控電流源部分電流是由運算放大器，反饋電阻和大功率達林頓管組成。電路采用了自舉反饋式，電路簡單可靠，易于調節(jié)。硬件系統(tǒng)的電路圖如圖 3－1 所示： 圖 3－1 硬件電路器件參數確定 單片機采用 ATMEL 的 AT89S52，此芯片具有在線可編程功能，內部 256 個單元的 RAM，方便數據的暫時存儲與處理。由于電流的切換要求下降沿足夠陡峭，因而壓控電流源的動作速度要足夠快，此部分的延時主要有 CD4051 通道的切換延時，運算放大器的反饋速度，達林頓管的開關速度，其中運算放大器占據主要地位，故運算放大器采用速度較快的 OP27[4]. 軟件設計方案 LabVIEW 平臺特性LabVIEW 是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件。LabVIEW 集成了與滿足GPIB、 VXI、 RS232 和 RS485 協(xié)議的硬件及數據采集卡通訊的全部功能。它還內置了便于應用 TCP/IP、ActiveX 等軟件標準的庫函數。這是一個功能強大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。 7 圖形化的程序語言，又稱為“Ｇ”語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術人員、科學家、工程師所熟悉的術語、圖標和概念，因此，LabVIEW 是一個面向最終用戶的工具。它可以增強你構建自己的科學和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現儀器編程和數據采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進行原理研究、設計、測試并實現儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。 利用 LabVIEW，可產生獨立運行的可執(zhí)行文件，它是一個真正的３２位編譯器。像許多重要的軟件一樣，LabVIEW 提供了 Windows、UNIX、Linux、Macintosh 的多種版本。 由于 LabVIEW 在工程實踐中具有如此方便高效的特點，因而在上位機軟件中采用它替代普通的 VC,VB 編程語言來進行界面的編程。 PC 機程序整體框架以及各部分功能模塊劃分 上位機軟件操作流程 整個上位機軟件的流程是：(1) 當用戶開始操作時，判別是處于輸入用戶和密碼狀態(tài)還是新用戶注冊狀態(tài)，并對輸入的用戶和密碼進行判別。(2) 進入串口以及數據采集參數的設置面板，此時應該判別輸入參數的合法性。(3) 將命令以及數據進行打包，并對其實現 CRC 校驗，通過 ModBus 協(xié)議發(fā)送給下位機。(4) 接收下位機回送的采集數據，先進行數據的校驗，再顯示數據。(5) 根據用戶設置來保存數據。實現這些步驟的流程圖如圖 3－2： 8 圖 3－2 系統(tǒng)功能模塊劃分 根據詳細的系統(tǒng)功能分析，PC 機的軟件主要分為以下四個部分：(1)用戶權限控制模塊：用戶設置密碼,防止非專業(yè)人員隨便操作程序，破壞有用的數據文檔。(2)命令控制模塊：接受用戶輸入的參數，判別其是否為合法的命令代碼，如果合法則產生對應的控制代碼，否則給出相應的出錯處理。(3)數據處理模塊：基于 ModBus 協(xié)議接收單片機回送的數據，進行 CRC 校驗，如果數據格式合法則執(zhí)行相應的處理。 9 (4)圖形顯示與存儲打印模塊：把數據以相應的曲線顯示出來，并提供相應的存儲打印服務，方便用戶操作。 上位機與下位機通訊接口協(xié)議 硬件協(xié)議RS485/422 采用平衡發(fā)送和差分接收方式實現通信：發(fā)送端將串行口的TTL 電平信號轉換成差分信號 A,B 兩路輸出，經過線纜傳輸之后在接收端將差分信號還原成 TTL 電平信號。由于傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，所以又極強的抗共模干擾的能力，總線收發(fā)器靈敏度很高，可以檢測到低至200mV 電壓 [5]。故傳輸信號在千米之外都是可以恢復。 軟件協(xié)議 Modbus 協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經由網絡（例如以太網）和其它設備之間可以通信。它已經成為一通用工業(yè)標準。有了它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業(yè)網絡，進行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個控制器能認識使用的消息結構,而不管它們是經過何種網絡進行通信的。它描述了一控制器請求訪問其它設備的過程，如果回應來自其它設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內容的公共格式。當在一 Modbus 網絡上通信時，此協(xié)議決定了每個控制器須要知道它們的設備地址，識別按地址發(fā)來的消息，決定要產生何種行動。如果需要回應，控制器將生成反饋信息并用 Modbus 協(xié)議發(fā)出。在其它網絡上，包含了 Modbus 協(xié)議的消息轉換為在此網絡上使用的幀或包結構。這種轉換也擴展了根據具體的網絡解決節(jié)地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。為了方便和加快數據的傳輸，本系統(tǒng)采用 ModBus 的 RTU 協(xié)議，消息發(fā)送至少要以 個字符時間的停頓間隔開始。在網絡波特率下多樣的字符時間，這是最容易實現的( 如下圖的 T1T2T3T4 所示)。傳輸的第一個域是設備地址?？梢允褂玫膫鬏斪址鞘M制的 0...9,A...F。網絡設備不斷偵測網絡總線，包括停頓間隔時間內。當第一個域（地址域）接收到，每個設備都進行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。在最后一個傳輸字符之后，一個至少 個字符時間的停頓標定了消息的結束。一個新的消息可在此停頓后開始。整個消息幀必須作為一連續(xù)的流傳輸。如果在幀完成之前有超過 個字符時間的停頓時間，接收設備將刷 10 新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個新消息的地址域。同樣地，如果一個新消息在小于 個字符時間內接著前個消息開始，接收的設備將認為它是前一消息的延續(xù) [6]。這將導致一個錯誤，因為在最后的 CRC 域的值不可能是正確的。一典型的消息幀如表 3－1 所示： 表 3－1起始位 設備地址 功能代碼 數據 CRC 校驗