【文章內(nèi)容簡介】 數(shù)量、高質(zhì)量的信 息采集要求。因此，由計算機(jī)控制配置控制模塊組成的測控系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)控制模塊單元通過各種總線互連實現(xiàn)信息的傳輸共享成為服務(wù)測控主流。 傳統(tǒng)測控儀器在面對現(xiàn)實問題中，我國也積極開展引進(jìn)虛擬儀器產(chǎn)品。國家自然科學(xué)基金委員會也曾將虛擬儀器研究作為現(xiàn)代機(jī)械工程科學(xué)發(fā)展前沿學(xué)科之一，列入為 “十五 ”期間優(yōu)先資助領(lǐng)域。在企事業(yè)單位中，也涌現(xiàn)了一批研究和從事虛擬儀器的公司和學(xué)校。據(jù)了解國內(nèi)展開虛擬儀器技術(shù)研究、教學(xué)和開發(fā)的學(xué)校有清華大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、重慶大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、國防科技大學(xué)、四川大學(xué) 等數(shù)十所高校。 NI 公司也已在 2020 年提出了 “NI 中國高校推廣計劃 ”，從而進(jìn)一步打開中國虛擬儀器發(fā)展市場?？v觀我國虛擬儀器發(fā)展歷程，我國虛擬儀器堅持走出一條自主創(chuàng)新的路子，具體表現(xiàn)為 863 項目 “虛擬儀器關(guān)鍵技術(shù)的研究及其產(chǎn)業(yè)化 ”中所研制的 “一體化虛擬儀器 ”，標(biāo)志我國成為嵌入式一體化虛擬儀器研發(fā)先行者。 隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，企業(yè)技術(shù)升級步伐也不斷提速，先進(jìn)虛擬設(shè)備需求表現(xiàn)尤為強(qiáng)勁，再加上我國個人計算機(jī)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，為虛擬儀器發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。業(yè)內(nèi)人士根據(jù)市場需求統(tǒng)計預(yù)測，我國虛擬儀器行業(yè)的產(chǎn)值未來 十年內(nèi)將超過儀器儀表行業(yè)總產(chǎn)值的 50%。伴隨著虛擬技術(shù)發(fā)展推進(jìn)，也涌現(xiàn)出一批研究成果，如唐山大學(xué)基于ComXactPCIV PYI 研制的鍋爐供熱自動控制系統(tǒng)成功地運(yùn)用在唐山市熱力 5 總公司項目上；清華大學(xué)基于 ComXactPCIV PYI 技術(shù)建設(shè)的實驗熱工水利測控平臺研制成功了先進(jìn)的熱工測量技術(shù)和熱工仿真技術(shù)成功地完成了海水淡化等重要課題研究；國防科技大學(xué)基于 NaOVIEP 的分布式 VYI 儀器教學(xué)實驗系統(tǒng)的研制為 VYI 儀器廣泛進(jìn)入大學(xué)實驗室創(chuàng)造了條件；清華大學(xué)利用虛擬儀器構(gòu)建汽車發(fā)動機(jī)檢測系統(tǒng)用于汽車發(fā)動機(jī)出廠的 自動檢測等。 本文主要研究內(nèi)容 本設(shè)計主要是研究基于虛擬儀器 LabVIEW 設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、分析、顯示等。該設(shè)計中將溫度作為主要采集對象，溫度傳感器 DS18B20 作為溫度采集器件，通過下位機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)顯示出來并傳送到上位機(jī)進(jìn)行處理分析。 6 第 2章 系統(tǒng)方案設(shè)計 設(shè)計任務(wù) 課題設(shè)計任務(wù)是利用 LabVIEW 的串口通信模塊，采集來自單片機(jī)獲得的數(shù)據(jù)采集信號，并在 LabVIEW 上實時繪圖顯示，并通過設(shè)置數(shù)據(jù)采集信號數(shù)值上下限，當(dāng)采集信號高 出或者低于預(yù)警線時，界面會出現(xiàn)相應(yīng)的提示，同時能夠?qū)Σ杉男盘栠M(jìn)行存儲，在進(jìn)行歷史記錄調(diào)用時候可以顯示出原始數(shù)據(jù)采集記錄。為了提高系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用能力，在設(shè)計過程中將采集信號設(shè)置為溫度。 完成一個基于 LabVIEW 與傳感模塊的溫度檢測系統(tǒng)，要求實現(xiàn)具體功能如下： （溫度采集） 顯示界面及與下位機(jī)的串口通信 軟件上溫度的實時顯示 方案選擇 數(shù)據(jù)采集作為系統(tǒng)信號輸入組成部分，從傳感器和其他待測 設(shè)備將物理信號自動采集為電量或者非電量信號形式，并通過一定時鐘脈沖采集頻率和信號載波組合送于信號處理模塊分析處理。采集信號的目的主要是測量電壓、電流、溫度、壓力、聲音等物理信息量，并將采集的信號信息傳輸?shù)叫盘柼幚砟K進(jìn)行信號處理，信號處理結(jié)果上傳至系統(tǒng)控制中心，控制中心根據(jù)采集信號做出相應(yīng)的決策。 數(shù)據(jù)采集的本質(zhì)是還原采集信號的真實值，不同類型的采集系統(tǒng)因采集模塊不同設(shè)計，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時總會顯示出較大差異。其中決定信號采集差異的主要為采集頻率，在一段完整連續(xù)模擬信號中，設(shè)置不同的采集周期導(dǎo)致采集 信號的差異顯著表現(xiàn)出來。根據(jù)采樣定理，最低的采樣頻率是信號頻率的兩倍，如果采樣頻率過分低于或者高于信號頻率兩倍，會出現(xiàn)信號畸變，并定義正確顯示信號而不發(fā)生畸變的最大頻率為奈奎斯特頻率，一般為采用頻率的一半。在工程過程中，為了準(zhǔn)確地捕捉信號信息，會通過信號濾波器對信號進(jìn)行信號濾波處理，并提高采用頻率倍數(shù)，縮小采樣頻率周期。在信號處理分析過程中一般設(shè)置信號采集樣本為 510,采集樣本信息過大會導(dǎo)致處理數(shù)據(jù)量大，處理速度慢影響信號處理質(zhì)量。信號采集完成需要進(jìn)行信號分析處理，根據(jù)采樣信息和控制中心設(shè)置相應(yīng)的信號處理 算法，控制中心根據(jù)算法結(jié)果做出一定決策來實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的 7 最終目的。 一個完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器、信號調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集卡、驅(qū)動程序、應(yīng)用軟件和計算機(jī)等相關(guān)部分組成。傳感器和變換器組合測量被測環(huán)境的物理信號量，并將模擬物理信號量轉(zhuǎn)換為電信號；信號調(diào)理設(shè)備可以對采集到的電信號進(jìn)行加工，使采集到的模擬物理信號量適合數(shù)據(jù)采集卡的需求；計算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡等獲得測量數(shù)據(jù)，軟件控制著整個測量系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對采集到的原始數(shù)據(jù)處理分析，并將最后結(jié)果表示成容易理解的方式，例如圖表、波形圖等。 DS18B20 介紹 DS18B20 作為測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集傳感器，采用即插即用元器件鏈接方式，便于數(shù)據(jù)采集，適應(yīng)性強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，測溫范圍 55℃ ~+155℃ ，誤差為 177?！?，可以多點(diǎn)組網(wǎng)、多點(diǎn)測溫，工作電源電壓為 3V~，應(yīng)用于一般工業(yè)測溫現(xiàn)場、家庭溫度測量等。 DS18B20 有三個 PIN 腳，分別為 GND、 I/O、 VDD，在判別引腳時面對扁平那一面 左負(fù)右正 ,一旦接反將會燒毀元器件并且溫度會一直顯示85℃ ，可編程分辨率為 912 位，讀出溫度時讀出 16 位，前五位為符號位，前五位為零時讀取溫度為正號， 1 時讀取溫度為負(fù)號，結(jié)構(gòu)如 圖 21所示。 圖 21 DS18B20 結(jié)構(gòu)圖 DHT11 介紹 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器采用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，包括電阻式感濕元件和 NTC 測溫元件，與高性能 8 位單片機(jī)連接。傳感器數(shù)據(jù)傳輸以濕度、溫度數(shù)據(jù)的 40Bit 為單位一次性傳給單片機(jī)，采用校驗和的方式檢測傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與否。傳感器工作電壓 3V~，濕度測量范圍 2090%RH，溫度測量范圍 050℃ ，運(yùn)用于暖通空調(diào)、氣象站等。 DHT11 溫濕度傳感器有四個引腳，引腳 1 與正電源相連接、引腳 4 接地、 DOUT 為輸出引 腳負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，第三引腳為空引腳，具體結(jié)構(gòu)如圖 DS18B20 1 2 3 8 22 所示。 圖 22 DHT11 結(jié)構(gòu)圖 XPT2046 介紹 XPT2046 作為 AD、 DA 轉(zhuǎn)換芯片，采用 逐步逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置溫度檢測電路、參考電壓源，外置外部時鐘，分為單端模式、差分模式。具有采樣 /保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換、串口數(shù)據(jù)輸出功能，接口電壓標(biāo)準(zhǔn)為，工作溫度范圍 40℃ ～ +85℃ ，功耗小于 。 A/D 轉(zhuǎn)換通過采樣保持、量化和編碼實現(xiàn)對輸入模擬電壓信號采用保持，在保持時間內(nèi)實現(xiàn)電壓量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)化，并將轉(zhuǎn)化結(jié)果用編碼形式輸 出。 具體如圖23 所示。 圖 23 XPT2046 模擬輸入特性 9 方案確定 綜合兩種 傳感器 器件，在采集溫度功能上，兩個傳感器均可以實現(xiàn)，在實驗初期采用 DS18B20 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，簡單方便、測量準(zhǔn)確性高， 測試原理雷同采用 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，權(quán)衡比較 最終選擇了DS18B20 作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳感器。 DS18B20 測溫原理 DS18B20 溫度傳感器主要有 64 位 ROM、高速緩沖存儲器、 CRC 生成器、溫度敏感器件、高低溫觸發(fā)器及配置寄存器等部件組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 24 所示。 圖 24 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 DS18B20 內(nèi)部計數(shù)器 1 是一個對溫度影響小的低溫度系數(shù)產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號振蕩器，低溫時振蕩器的脈沖可以通過門電路，而當(dāng)?shù)竭_(dá)某一設(shè)置高溫時振蕩器的脈沖無法通過門電路。內(nèi)部計數(shù)器 2 是一個對溫度影響大的高溫度系數(shù)產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號振蕩器。計數(shù)器 1 和溫度寄存器預(yù)置為 55℃ 時對應(yīng)相應(yīng)基數(shù)值，計數(shù)器 1 對低溫度系數(shù)晶振發(fā)出的固定頻率脈沖信號進(jìn)行減法計數(shù)處理，計數(shù)器 1 預(yù)設(shè)值減至 0 時且門電路未關(guān)閉，則溫度寄存器的值將 +1（溫度高于 55℃ ），同 時計數(shù)器 1 的預(yù)設(shè)值將被重新裝入開始新一輪采集低溫度系數(shù)晶振發(fā)出的固定頻率脈沖信號，循環(huán)至計數(shù)器 2 計數(shù)到 0 時，停止溫度寄存器值累加，溫度寄存器值為所測溫度，電路對振蕩器的溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，斜率累加器補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性信號量，其輸出用于修正計數(shù)器 1 的預(yù)設(shè)值，測溫內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 25 所示。 64位ROM及 一線總線接口 存儲器和控制器 高速緩沖 存儲器 8位 CRC生成器 溫度敏感元件 低溫觸發(fā)器 TL 高溫觸發(fā)器 TH 配置寄存器 電源檢測 10 DS18B20 擁有 64 位 ROM，低 8 位表示產(chǎn)品類型標(biāo)識，高 8 位表示低56 位循環(huán)冗余校驗碼，中間 48 位表示序列號，可以實現(xiàn)一根總線掛多個DS18B20。高速緩沖存儲器內(nèi)部有 9 個字節(jié)，第 2 字節(jié)存放轉(zhuǎn)換完成的溫度值，第 4 字節(jié)存放上、下限報警值 TH 和 TL，第 5 字節(jié)為配置寄存器，第 8 字節(jié)為保留字節(jié)， 9 字節(jié)是 CRC 校驗碼，提高串行傳輸?shù)目煽啃浴Ｅ渲眉拇嫫鲀?nèi)部 8 位， D D6 位設(shè)置 DS18B20 轉(zhuǎn)換分辨率。 圖 25 DS18B20 測溫內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 測試參數(shù)分析 DS18B20 檢測完溫度后，溫度值通過符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼（ 16位）形式寄存于高速存儲器 MSB 和 LSB 對應(yīng)字節(jié)中，讀取出的二進(jìn)制必須先轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制值，才能用于字符的顯示， DS18B20 的轉(zhuǎn)換精度通過設(shè)置配置寄存器 D6D5 位獲得，為了提高精度設(shè)置為 7FH,對應(yīng)分辨率 12位，對應(yīng)轉(zhuǎn)換時間 750ms。溫度值以 ℃ /LSB 形式表現(xiàn)出來，即溫度值為溫度寄存器里的二進(jìn)制乘以 ，就是實際的十進(jìn)制溫度值，DS18B20 采樣值與溫度關(guān)系如表 21 所示。通過觀察表 22 DS18B20 采樣值與溫度關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)一個十進(jìn)制和二進(jìn)制之間有很明顯的關(guān)系，就是把二進(jìn)制的高字節(jié)的低半字節(jié)和低字節(jié)的高半字節(jié)組成一個字節(jié)，這個字節(jié)的二進(jìn)制化為十進(jìn)制后，就是溫度值的百、十、個位值，而剩下的低字節(jié)的低半字節(jié)化成十進(jìn)制后，就是溫度值的小數(shù)部 分。小數(shù)部分因為是半個字節(jié)，所以二進(jìn)制值范圍是 0 至 F，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制小數(shù)值就是 的倍=0 =0 計 數(shù) 器 2 溫度寄存器 預(yù)置 比 較 低溫度系數(shù)晶振 高溫度系數(shù)晶振 計 數(shù) 器 1 斜率累加器 預(yù)置 11 數(shù)（ 0 至 15），最高位是符號位， 1 表示溫度為負(fù)（用補(bǔ)碼表示），將讀出采樣值取補(bǔ)再轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制表示溫度， 0 表示溫度為正。 表 21 DS18B20 采樣值與溫度關(guān)系 二進(jìn)制 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 十進(jìn)制 0 0 1 1 2 3 3 4 5 5 6 6 7 8 8 9 表 22 DS18B20 采樣值與溫度關(guān)系 二進(jìn)制采樣值 十六進(jìn)制表示 十進(jìn)制溫度 / ℃ 0000 0111 1101 0000 07D0H +125 0000 0001 1001 0001 0191H + 0000 0000 0000 0000 0000H 0 1111 1110 0110 1111 FE6FH 1111 1100 1001 0000 FC90H 55 例如： 07D0H 7DH=125 溫度值 125℃ ； 0191H 19H=25 1*= 溫度值 ℃ ； 0000H 溫度值為 0； FE6FH 1110 0110 1111 取補(bǔ)為 0001 1001 0001 (91H） 溫度值為 ℃ ； FC90H 1100 1001 0000 取補(bǔ)為 0011 0111 0000（ 370H） 37H=55 溫度值為 55℃ 。 本章小結(jié) 本章論述了系統(tǒng)設(shè)計方案確定過程，從系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)出發(fā)，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具體設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換數(shù)字信號量傳輸給單片機(jī)處理。 12 第 3章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)負(fù)責(zé)采集測試環(huán)境的溫度參數(shù)，采集的溫度參數(shù)通過 串口通訊傳輸?shù)缴衔粰C(jī) PC 端，上位機(jī)借用 LBVIEW 軟件構(gòu)建