【文章內(nèi)容簡介】 5℃。 本章小結本章論述了系統(tǒng)設計方案確定過程，從系統(tǒng)設計任務出發(fā)，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具體設定為溫度采集，在系統(tǒng)信號采集模塊選擇上由傳統(tǒng)A/D和D/A信號采集轉換為芯片內(nèi)部集成A/D模塊的傳感器，直接將采集到的溫度模擬信號量轉換數(shù)字信號量傳輸給單片機處理。44第3章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計任務負責采集測試環(huán)境的溫度參數(shù)，上位機借用LBVIEW軟件構建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，LabVIEW前面板將PC端接受到的溫度參數(shù)顯示出來。溫度采集系統(tǒng)硬件機構主要有DS18B20溫度采集模塊，單片機（STC89C52）通過溫度采集器件采集被測環(huán)境溫度，模塊將模擬量溫度轉換為數(shù)字量送給模塊控制中心處理，然后將測量結果送給數(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。液晶顯示結果顯示模塊溫 度 采 集 模 塊數(shù)據(jù)處理 模塊LabVIEW系統(tǒng)圖31 系統(tǒng)硬件構成示意圖 A/D和D/A模塊設計 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計包括硬件和軟件兩大部分，硬件主要是獲取現(xiàn)實環(huán)境的被測信號，為信號采集與控制提供物理傳輸通道，軟件用來控制測試環(huán)境的數(shù)據(jù)采集、處理、分析、顯示等物理功能，通過不同的軟件實現(xiàn)不同虛擬儀器功能，測試系統(tǒng)結構如圖32所示。單片機通訊口上位機：個人計算機、專用計算機LCD顯示數(shù)字I/OAD/DA轉換 圖32 信號采集結構圖虛擬儀器硬件分為基礎硬件平臺和外圍測試設備，其中基礎平臺包括計算機，外圍測試設備主要有GPIB系統(tǒng)、VXI系統(tǒng)、PXI系統(tǒng)、DAQ系統(tǒng)或者串口系統(tǒng)等，常用有RS232或USB串口總線的便捷式數(shù)據(jù)采集模塊。一般通用硬件平臺具有兩種基本功能分別為采集信號和產(chǎn)生信號，它們分別以實現(xiàn)A/D轉換和D/A轉換功能為核心，配置一定信號脈沖、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)I/O等功能，最終完成信號采集、產(chǎn)生、控制，完成模擬環(huán)境下數(shù)據(jù)測試。衡量硬件平臺的指標有：，負責被測模擬信號轉換為計算機可識別數(shù)字信號，核心器件有A/D轉換器，常用采集速率、分辨率、輸入動態(tài)范圍、建立時間等指標衡量；，將采集的外部輸入信號進行調(diào)節(jié)，向采集模塊產(chǎn)生符合要求的信號激勵，常見處理方式有信號隔離、限幅、衰減、放大、濾波等；，向外界提供測試激勵信號，核心器件有D/A轉換器，信號調(diào)理措施有信號隔離、放大、衰減等，最終生成用戶所需的信號；，信號測試需要進行數(shù)據(jù)的處理、存儲，傳送于處理終端；，采集到的信號處理完成后通過數(shù)字I/O將數(shù)字信號轉化為功率信號，去實現(xiàn)設備控制。 串口通訊串口通信是外設和計算機間，通過數(shù)據(jù)信號線、地線、控制線等，按位進行傳輸數(shù)據(jù)的一種通訊方式。串行通信接口電路一般由可編程串行接口芯片、波特率發(fā)生器、EIA與TTL電平轉換器以及地址譯碼電路組成。CH340作為單片機開發(fā)板USB總線轉換芯片，實現(xiàn)USB轉串口功能，如圖33所示。計算機或者其他USB主機 USBCH340轉換芯片 單片機溫度采集圖33 通訊結構圖 采用CH340轉換芯片具有以下特點： 1. 全速USB設備接口，兼容USB ,外圍器件需要晶體管和電容； ，升級、添加外圍串口設備方便； ； 、內(nèi)置緩沖區(qū)，支持多種通訊波特率； 、DTR、DCD、RI等； 、RS485等轉換接口； ； ； 開發(fā)板選用SOP16封裝形式的CH340G芯片實現(xiàn)串口通訊，基本組成如圖34所示。圖34 CH340G通訊結構圖CH340芯片內(nèi)置上拉電阻，UD+和UD分別連接至USB總線上，配置電源上電復位電路，XI和XO引腳外接12MHZ晶體振動器，為芯片提供12MHZ時鐘信號，TXD引腳和RXD引腳負責進行數(shù)據(jù)傳輸。 采集模塊和上位機通訊采用串行通信，波特率設置為4800、采用奇偶校驗，數(shù)據(jù)位為8位。單片機與上位機傳送連接由高到低排序分別為：啟用終止符、終止符、超時、數(shù)據(jù)位（8位）、奇偶校驗位、錯誤輸入、停止位、流控制、錯誤輸出。系統(tǒng)指令進行數(shù)據(jù)讀取時，上位機和下位機在同一波特率下，溫度采集模塊將采集到了數(shù)據(jù)以8位形式發(fā)給SBUF，上位機讀取SBUF中的數(shù)據(jù)。停止位進行幀結束的停止位數(shù)量，奇偶校驗位進行傳輸數(shù)據(jù)校驗。 單片機最小系統(tǒng)介紹下位機包括硬件電路和單片機軟件編程兩個部分，整個數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)中主要起到溫度檢測和溫度數(shù)據(jù)格式轉換功能，相當于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的“眼睛”。下位機開發(fā)板HC6800ES ，該串口集供電、編程、仿真、通信功能于一體，并提供ISP接口功能，外部資源豐富，通過功能配置可以實現(xiàn)以下功能：（接口可以實現(xiàn)跑馬燈、流水燈、花樣彩燈等）；；；；（74HC595驅動接口）；、時鐘、萬年歷試驗；、紅外線顯示；、液晶、蜂鳴器顯示試驗；、 LCD160 EEPROM試驗；開發(fā)板HC6800ES ，主要有A/D和D/A轉換模塊、步進電機驅動模塊、DS18B20溫度采集模塊、無線接口模塊、獨立鍵盤模塊、DS1302萬年歷顯示模塊、LED點陣模塊、CPU控制中心等。A/D和D/A轉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)板中實現(xiàn)模擬信號與數(shù)字信號處理、分析、顯示等。步進電機驅動模塊采用ULN2003A驅動芯片，接五相四線步進馬達，接口引出，也可以實現(xiàn)PWM脈沖控制電機。采用開發(fā)板進行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計主要是結合系統(tǒng)后期升級擴展需要，例如在溫度采集閉塞環(huán)境中，需要降溫或者升溫可以通過開發(fā)板其他I/O口加上開發(fā)板上的電機驅動模塊實現(xiàn)，鍵盤可以實現(xiàn)下位機自身調(diào)試，實時模塊可以進行下位機實時數(shù)據(jù)記錄等。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要電路 采用數(shù)字溫度芯片DS18B20測量溫度，輸出信號數(shù)字化，單總線傳輸。采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20和AT89C51單片機構成溫度測量裝置，體積小，硬件實現(xiàn)簡單，安裝方便，不僅可以快速測溫，而且可以根據(jù)需要設定上下限溫度，實用性強，系統(tǒng)框圖如圖35所示[12]。LCD 顯示DS18B20溫度傳感器電 源 電 路復 位 電 路時鐘振蕩電路89C52圖35 硬件結構圖 DS18B20與單片機接口電路 ，向單片機傳送溫度測量值，1引腳接地，3引腳和數(shù)據(jù)端2引腳之間接一個電阻后接電源VCC，外接電阻主要是限流作用，防止電流過大燒毀傳感器，同時這樣實現(xiàn)對溫度的檢測，具體如圖36所示[13]。圖36 DS18B20接口電路 振蕩與復位電路 單片機工作需要時鐘信號，AT89C51內(nèi)部有一個用于構成振蕩器的單級反相放大器，引腳XTAL1為反相輸入端，XTAL2為反相器輸出端。單片機在開機時或在工作中因干擾而使程序失控或工作中程序處于某種死機循環(huán)狀態(tài)等情況下都需要復位。復位的作用是使中央處理器以及其他功能部件都恢復到一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作[14]。圖37 振蕩與復位電路 復位電路一般有上電復位、手動開關復位、自動復位等幾種復位形式形式，一般單片機系統(tǒng)模塊中復位電路由上電復位和手動開關復位組成，上電復位是單片機上電后RST引腳瞬間獲得高電平，隨著電容C充電完成后形成短路，復位引腳電平開始下降最終由高電平變?yōu)榈碗娖剑瑢崿F(xiàn)復位動作，復位變?yōu)榈碗娖綍r，單片機開始執(zhí)行程序，振蕩與復位電路如圖37所示[15]。 主電路圖 單片機硬件仿真系統(tǒng)設置采用LM016L顯示器，根據(jù)相應的芯片對比，開發(fā)板采用LCD1602與LM016L測試原理和讀寫時序一樣，在進行仿真變成過程只需對相應資源進行部分更改，主電路如圖38所示[16]。圖38 主電路 本章小結本章節(jié)主要進行系統(tǒng)硬件設計，包括系統(tǒng)仿真和相關器件參數(shù)選擇。系統(tǒng)硬件設計模塊主要負責數(shù)據(jù)信號采集。在設計過程需要進行元器件選擇，以免在硬件設計過程中出現(xiàn)設計缺陷。此外，系統(tǒng)硬件調(diào)試應保持相對獨立性，根據(jù)實際情形設計出相應電路。第4章 采集系統(tǒng)軟件設計 虛擬儀器開發(fā)軟件 虛擬儀器的軟件包括操作系統(tǒng)、儀器驅動和應用軟件，操作系統(tǒng)是虛擬儀器運行基礎平臺，儀器驅動是控制硬件接口驅動程序，負責連接硬件與軟件通訊信號；應用軟件負責虛擬儀器程序編程、調(diào)試等。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。一個完整的LabVIEW開發(fā)環(huán)境由基本模塊和擴展模塊組成，引擎部分是整個圖像化開發(fā)環(huán)境的核心，包括編輯模塊、運行模塊和調(diào)試模塊，程序組成有前面板、程序框圖、圖標/連結器，前面板是圖形用戶界面，負責用戶輸入和顯示輸出，具體表現(xiàn)為開關、按鈕、圖形等，前面板結構圖如圖41所示。程序框圖提供VI程序的圖形化源程序，具體表現(xiàn)為函數(shù)、結構、連線等，程序框圖如圖42所示。圖標/連接器作為圖形化參數(shù)，具體表現(xiàn)為子VI調(diào)用。程序創(chuàng)建依靠三個模板分別為工具模板、控件模板、函數(shù)模板，工具模板負責創(chuàng)建、修改和調(diào)試VI程序，控件模板負責創(chuàng)建控制器和顯示器，函數(shù)模板創(chuàng)建流程圖程序。圖41 LabVIEW前面板結構圖圖42 LabVIEW程序框圖 下位機程序設計 系統(tǒng)程序包括主程序、讀取溫度子程序、數(shù)據(jù)轉換子程序、顯示程序子程序等。主程序主要功能是負責溫度的實時顯示、讀出并處理DS18B20測量當前溫度值，溫度測量采用間隔掃描讀出溫度值，溫度采集模塊軟件流程圖如圖43所示[17]。 主程序讀溫度程序數(shù)據(jù)處理程序圖43 程序流程圖 初始化程序單片機與DS18B20器件進行通信是以初始化開始，初始化序列包括單片機產(chǎn)生復位脈沖和DS18B20器件回應的應答脈沖，如圖44所示。圖44 DS18B20的復位時序根據(jù)波形圖，復位脈沖由單片機拉低總線480960us產(chǎn)生，然后單片機釋放總線輸出高電平，總線在上拉電阻作用下恢復高電平，恢復時間為1560us,DS18B20器件接受到單片機發(fā)出來的復位脈沖信號后，向總線回應應答脈沖，應答脈沖會拉低總線時間60240us，初始化DS18B20程序流程圖如圖45所示：DQ=0返回FLAG=1FLAG=0FLAG=1延時240usDQ=0？DQ=1 初始化DQ=1延時2us延時480960usDQ=1NYNY圖45 DS18B20初始化流程圖 讀寫時序函數(shù) DS18B20數(shù)據(jù)讀寫通過時序處理位確認信息交換，寫時序由寫0時序和寫1時序組成，如圖46所示。圖46 DS18B20的寫時序 寫0時序時單片機拉低總線并保持低電平至少60us，然后釋放總線；寫1時序，單片機拉低總線，在15us內(nèi)要釋放總線。 讀時序也是由讀1時序和讀0時序組成，如圖47所示。圖47 DS18B20的讀時序讀操作時單片機首先拉低總線至少1us，單片機釋放總線后，總線電平就由DS18B20器件決定，但DS18B20器件發(fā)出的數(shù)據(jù)僅能保持15us，所以單片機應15us內(nèi)采樣總線電平。 溫度采集模塊程序 溫度采集模塊程序由DS18B20初始化函數(shù)、DS18B20讀寫字節(jié)函數(shù)和轉換溫度函數(shù)組成。KEIL C51是作為單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個開發(fā)流程。根據(jù)溫度采集模塊設計流程圖，按以下步驟編程[18]： 第一步 在KEIL軟件中新建項目，并命名為PRO并保存； 第二歩 在項目中依次新建主函數(shù)main、溫度模塊函數(shù)temp、顯示函數(shù)lcd并編譯調(diào)試； 第三步 ，初步驗證編程程序是否和硬件匹配，并進行電路仿真，詳細的程序代碼見附件； 第四步 編輯好的程序植入溫度采集模塊中，并進行初步調(diào)試； 第五步 驗證溫度采集模塊測試溫度的準確性，具體方法為采集模塊測試溫度與溫度計測試溫度對比；第六步 溫度采集模塊與上位機連接調(diào)試，具體如圖48所示。圖48 溫度采集模塊程序 上位機程序設計 上位機程序設計分為兩部分，前面板設計和程序框圖設計。前面板作為用戶圖形界面展現(xiàn)，在系統(tǒng)主頁中設置掛件菜單選項，分別為主頁、實時數(shù)據(jù)測控、歷史記錄，其中主頁下設置為用戶登錄界面，用戶可以輸入用戶名、密碼登錄數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)；實時數(shù)據(jù)測控為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)核心模塊，記載溫度采集采集情況；歷史記錄主要負責進行數(shù)據(jù)測試記錄的保存。程序框圖設計主要負責上位機程序中算法、邏輯等功能，是程序運行的核心[19]。 前面板主頁界面主頁頁面主要是用戶登錄界面，用戶通過輸入用戶名、密碼進入到溫度測試系統(tǒng)，同時在登錄過程中如果密碼或者用戶名輸入錯誤將不能登錄，系統(tǒng)將阻止非用戶查看溫度數(shù)據(jù)資料信息，登錄界面如圖49所示。 圖49 主頁界面 前面板實時數(shù)據(jù)測控實時數(shù)據(jù)測控界面包括VISA設置、溫度報警限度設置、溫度數(shù)據(jù)顯示、溫度波形顯示、溫度計顯示、實時溫度數(shù)據(jù)顯示、溫度采集等。在進行系統(tǒng)調(diào)試前需要將波特率設置為4800,溫度報警限度根據(jù)對被測環(huán)境溫度要求進行設置，當被測溫度超過限度范圍，報警指示燈會變亮。實時溫度數(shù)據(jù)顯示主要是對溫度采集模塊進行實時溫度顯示，與溫度數(shù)據(jù)顯示一致。溫度采集主要用保存采集溫度數(shù)據(jù)，在VI模塊中自動生成相應的溫度記錄文件，如圖410實時數(shù)據(jù)測控界面所示[20]。