【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能，這種方式的虛擬儀器可以很方便的進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，傳輸，處理。當(dāng)計(jì)算機(jī)外接不同功能的硬件，其定義的儀器性質(zhì)與功能也發(fā)生相應(yīng)的變化，很方便用戶的使用，而且基于計(jì)算機(jī)的這個(gè)強(qiáng)大的處理平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)更形象生動(dòng)地顯示數(shù)據(jù)，更快速地處理數(shù)據(jù)。虛擬儀器主要是指這種方式。 5 第三章 結(jié)溫測(cè)量?jī)x整體系統(tǒng)設(shè)計(jì) 結(jié)溫測(cè)量?jī)x的原理LED 作為一種半導(dǎo)體期間，主要以熱阻（ JXR?）表征其本身的熱學(xué)特性，根據(jù)文獻(xiàn) 熱阻的定義式為： HXJXPTR??? (1)式中 JX?是待測(cè)器件 PN 結(jié)打到指定環(huán)境之間的熱阻（ wc/?） ；T1 是測(cè)試條件穩(wěn)定時(shí)的待測(cè)器件的結(jié)溫（ c?） ；Tx 是指定溫度的參考溫度（ ） ； 是待測(cè)器件的耗Hp散功率[W]。因此，為了測(cè)定 LED 的熱阻須確定式（1 ）右邊的三個(gè)參數(shù)，而其中參數(shù)之一的結(jié)溫（T 1）則是測(cè)量中的重點(diǎn)，結(jié)溫的測(cè)量可以通過下式表示的方法進(jìn)行 JJT???0 (2)SPK? (3)式中 0JT是待測(cè)器件未施加加熱功率前的初始結(jié)溫（ c?） ； JT?是因施加加熱功率引起的結(jié)溫變化量（ c?） ；K 是定義 JT?與 SP之間關(guān)系的常量（ c?/mV） ； SP?是溫度敏感參數(shù)值得變化量（mV） [1]。 硬件設(shè)計(jì)方案 各部分硬件功能簡(jiǎn)述整個(gè)下位機(jī)系統(tǒng)采用增強(qiáng)型的帶 flash 內(nèi)存的 AT89S52 單片機(jī)為處理核心，單片機(jī)主要有以下幾個(gè)功能：(1)通過 RS485 總線負(fù)責(zé)與 PC 機(jī)通訊，處理 PC 機(jī)發(fā)送來的命令與數(shù)據(jù)，設(shè)置好高電流與低電流各自的持續(xù)時(shí)間。(2)根據(jù) PC 機(jī)的命令選擇 CD4051 不同的控制通道，通過不同通道的電壓來調(diào)節(jié)輸出電流的大小 6 (3)啟動(dòng) AD 轉(zhuǎn)換器，把采集到的電壓數(shù)據(jù)傳送回電腦。 壓控電流源部分電流是由運(yùn)算放大器，反饋電阻和大功率達(dá)林頓管組成。電路采用了自舉反饋式，電路簡(jiǎn)單可靠，易于調(diào)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(shù)確定 單片機(jī)采用 ATMEL 的 AT89S52，此芯片具有在線可編程功能，內(nèi)部 256 個(gè)單元的 RAM，方便數(shù)據(jù)的暫時(shí)存儲(chǔ)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(dòng)作速度要足夠快，此部分的延時(shí)主要有 CD4051 通道的切換延時(shí)，運(yùn)算放大器的反饋速度，達(dá)林頓管的開關(guān)速度，其中運(yùn)算放大器占據(jù)主要地位，故運(yùn)算放大器采用速度較快的 OP27[4]. 軟件設(shè)計(jì)方案 LabVIEW 平臺(tái)特性LabVIEW 是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用 TCP/IP、ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)。這是一個(gè)功能強(qiáng)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(dòng)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(shí)，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(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念，因此，LabVIEW 是一個(gè)面向最終用戶的工具。它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。 利用 LabVIEW，可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件，它是一個(gè)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(shí)踐中具有如此方便高效的特點(diǎn)，因而在上位機(jī)軟件中采用它替代普通的 VC,VB 編程語言來進(jìn)行界面的編程。 PC 機(jī)程序整體框架以及各部分功能模塊劃分 上位機(jī)軟件操作流程 整個(gè)上位機(jī)軟件的流程是：(1) 當(dāng)用戶開始操作時(shí)，判別是處于輸入用戶和密碼狀態(tài)還是新用戶注冊(cè)狀態(tài)，并對(duì)輸入的用戶和密碼進(jìn)行判別。(2) 進(jìn)入串口以及數(shù)據(jù)采集參數(shù)的設(shè)置面板，此時(shí)應(yīng)該判別輸入?yún)?shù)的合法性。(3) 將命令以及數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，并對(duì)其實(shí)現(xiàn) CRC 校驗(yàn)，通過 ModBus 協(xié)議發(fā)送給下位機(jī)。(4) 接收下位機(jī)回送的采集數(shù)據(jù)，先進(jìn)行數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，再顯示數(shù)據(jù)。(5) 根據(jù)用戶設(shè)置來保存數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)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(jù)詳細(xì)的系統(tǒng)功能分析，PC 機(jī)的軟件主要分為以下四個(gè)部分：(1)用戶權(quán)限控制模塊：用戶設(shè)置密碼,防止非專業(yè)人員隨便操作程序，破壞有用的數(shù)據(jù)文檔。(2)命令控制模塊：接受用戶輸入的參數(shù)，判別其是否為合法的命令代碼，如果合法則產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的控制代碼，否則給出相應(yīng)的出錯(cuò)處理。(3)數(shù)據(jù)處理模塊：基于 ModBus 協(xié)議接收單片機(jī)回送的數(shù)據(jù)，進(jìn)行 CRC 校驗(yàn)，如果數(shù)據(jù)格式合法則執(zhí)行相應(yīng)的處理。 9 (4)圖形顯示與存儲(chǔ)打印模塊：把數(shù)據(jù)以相應(yīng)的曲線顯示出來，并提供相應(yīng)的存儲(chǔ)打印服務(wù)，方便用戶操作。 上位機(jī)與下位機(jī)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(shí)現(xiàn)通信：發(fā)送端將串行口的TTL 電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào) A,B 兩路輸出，經(jīng)過線纜傳輸之后在接收端將差分信號(hào)還原成 TTL 電平信號(hào)。由于傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，所以又極強(qiáng)的抗共模干擾的能力，總線收發(fā)器靈敏度很高，可以檢測(cè)到低至200mV 電壓 [5]。故傳輸信號(hào)在千米之外都是可以恢復(fù)。 軟件協(xié)議 Modbus 協(xié)議是應(yīng)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(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu),而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了一控制器請(qǐng)求訪問其它設(shè)備的過程，如果回應(yīng)來自其它設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。當(dāng)在一 Modbus 網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，此協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識(shí)別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應(yīng)，控制器將生成反饋信息并用 Modbus 協(xié)議發(fā)出。在其它網(wǎng)絡(luò)上，包含了 Modbus 協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴(kuò)展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址、路由路徑及錯(cuò)誤檢測(cè)的方法。為了方便和加快數(shù)據(jù)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(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開始。在網(wǎng)絡(luò)波特率下多樣的字符時(shí)間，這是最容易實(shí)現(xiàn)的( 如下圖的 T1T2T3T4 所示)。傳輸?shù)牡谝粋€(gè)域是設(shè)備地址。可以使用的傳輸字符是十六進(jìn)制的 0...9,A...F。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測(cè)網(wǎng)絡(luò)總線，包括停頓間隔時(shí)間內(nèi)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)域（地址域）接收到，每個(gè)設(shè)備都進(jìn)行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。在最后一個(gè)傳輸字符之后，一個(gè)至少 個(gè)字符時(shí)間的停頓標(biāo)定了消息的結(jié)束。一個(gè)新的消息可在此停頓后開始。整個(gè)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(gè)字符時(shí)間的停頓時(shí)間，接收設(shè)備將刷 10 新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個(gè)新消息的地址域。同樣地，如果一個(gè)新消息在小于 個(gè)字符時(shí)間內(nèi)接著前個(gè)消息開始，接收的設(shè)備將認(rèn)為它是前一消息的延續(xù) [6]。這將導(dǎo)致一個(gè)錯(cuò)誤，因?yàn)樵谧詈蟮?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(shè)備地址 功能代碼 數(shù)據(jù) CRC 校驗(yàn)