【文章內(nèi)容簡介】 件和通信能力的 PC 儀器或 VXI 儀器就是虛擬儀器。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，使得用戶可以自己定義儀器，靈活地設(shè)計儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的實際需求。隨著虛擬儀器軟件開發(fā)平臺及硬件的發(fā)展， 基于虛擬儀器的儀器系統(tǒng)的開發(fā)周期更短，費用更低，測量速度、準(zhǔn)確度及可復(fù)用性提高，且更便于相應(yīng)儀器系統(tǒng)的維護和擴展 [3]。 基于虛擬儀器技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的提出在一定程度上解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集所面臨的問題，虛擬儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成為當(dāng)今數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。本文正是在虛擬儀器技術(shù)的基礎(chǔ)上對多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了設(shè)計，實現(xiàn)多路信號的采集，并對實驗數(shù)據(jù)進行實時顯示、記錄、分析處理。 虛擬儀器的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一場革命，代表著儀器發(fā)展的最新趨勢和新方向，并且是信息技術(shù)的重要領(lǐng)域擴充，對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)將產(chǎn)生不可估量的影響。 虛擬儀器的開發(fā)軟件 虛擬儀器的開發(fā)語言 虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)語言有：標(biāo)準(zhǔn) C， Visual C++ ， Visual Basic 等通用程序開發(fā)語言。但直接由這些語言開發(fā)虛擬儀器系統(tǒng)，是有相當(dāng)難度的。除了通用程序開發(fā)語言以外，還有一些專用的虛擬儀器開發(fā)語言和軟件，其中有影響的開發(fā)軟件有： NI 公司的 Labview， LabWindows/CVI。 Labview 采用圖形 化編程方案，是非常實用的開發(fā)軟件。 LabWindows/CVI 是為熟悉 C 語言的開發(fā)人員準(zhǔn)備的，是在 Windows 環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn) ANSIC 開發(fā)環(huán)境。除此以外還有 HP 公司的HPVEE ， HPTIG 開發(fā)平臺，美國 Tektronix 公司的 EzTest ， TekTNS 平臺軟件，這些都是國際上公認的優(yōu)秀的虛擬儀器開發(fā)軟件平臺 [11]。 圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺 —— Labview Labview(Laboratory Visual Instrument Engineering)是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受，視為一個標(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/PI、 ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)，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更加形象化。 目前，在以 PC 機為基礎(chǔ)的測試和工控軟件中， Labview 的市場普及率僅次于 C++/C 語言。 Labview 具有一系列無與倫 比的優(yōu)點：首先， Labview 作為圖形化語言編程，采用流程圖式的編程，運用的設(shè)備圖標(biāo)與科學(xué)家、工程師們習(xí)慣的大部分圖標(biāo)基本一致，這使得編程過程和思維過程非常相似；同時， Labview 提供了豐富的 VI庫和儀器面板素材庫，近 600 種設(shè)備的驅(qū)動程序 (可擴充 )如 GPIB設(shè)備控制、 VXI 總線控制、串行口設(shè)備控制、以及數(shù)據(jù)分析、顯示和存儲；并且Labview 還提供了專門用于程序開發(fā)的工具箱，使得用戶能夠設(shè)置斷點，調(diào)試過程中可以使用數(shù)據(jù)探針和動態(tài)執(zhí)行程序來觀察數(shù)據(jù)的傳輸過程，更加便于程序的調(diào)試。因此， Labview 受到越 來越多工程師、科學(xué)家的普遍青睞。 利用 Labview ，可產(chǎn)生獨立運行的可執(zhí)行文件，它是一個真正的 32 編譯器。像許多通用的軟件一樣， Labview 提供了 Windows、 UNIX、 Linux、 Macintosh OS等多種版本 [12]。 基于 Labview 平臺的虛擬儀器程序設(shè)計 所有的 Labview 應(yīng)用程序，即虛擬儀器 (VI)，它包括前面板 (Front Panel)、流程圖 (Block Diagram)以及圖標(biāo) /連結(jié)器 (Icon/Connector)三部分。 1）前面板：前面板是圖形用戶界面，也就是 VI 的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對象。但并非畫出兩個控件后程序就可以運行，在前面板后還有一個與之對應(yīng)的流程圖。 2）流程圖：流程圖提供 VI 的圖形化源程序。在流程圖中對 VI 編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。流程圖中包括前面板上的控件連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。 如果將 VI與傳統(tǒng)儀器相比較，那么前面板上的控件對應(yīng)的就是傳統(tǒng)儀器上的按鈕、顯示屏等控件，而流程圖上的連線端子相當(dāng)于傳統(tǒng)儀 器箱內(nèi)的硬件電路。這種設(shè)計思想的優(yōu)點體現(xiàn)在兩方面： ① 類似流程圖的設(shè)計思想，很容易被工程人員接受和掌握，特別是那些沒有很多程序設(shè)計經(jīng)驗的工程人員。 ② 設(shè)計的思路和運行過程清晰而且直觀。如通過使用數(shù)據(jù)探針、高亮執(zhí)行調(diào)試等多種方法，程序以較慢的速度運行，使沒有執(zhí)行的代碼顯示灰色，執(zhí)行后的代碼會高亮顯示，同時在線顯示數(shù)據(jù)流線上的數(shù)據(jù)值，完全跟蹤數(shù)據(jù)流的運行。這為程序的調(diào)試和參數(shù)的設(shè)定帶來諸多的方便。 3）圖標(biāo) /連接設(shè)計：這部分的設(shè)計突出體現(xiàn)了虛擬儀器模塊化程序設(shè)計的思想。在設(shè)計大型自動檢測系統(tǒng)時一步完成一個復(fù) 雜系統(tǒng)的設(shè)計是相當(dāng)有難度的。而在 Labview 中提供的圖標(biāo) /連接工具正是為實現(xiàn)模塊化設(shè)計而準(zhǔn)備的。設(shè)計者可把一個復(fù)雜自動檢測系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，每一個都可完成一定的功能。這樣設(shè)計的優(yōu)點體現(xiàn)在如下幾方面： ① 把一個復(fù)雜自動檢測系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，程序設(shè)計思路清晰，給設(shè)計者調(diào)試程序帶來了諸多的方便。同時也對于將來系統(tǒng)的維護提供了便利。 ② 一個復(fù)雜自動檢測系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，每一個子系統(tǒng)都是一個完整的功能模塊，這樣把測試功能細節(jié)化，便于實現(xiàn)軟件復(fù)用，大大節(jié)省軟件研發(fā)周期，提高系統(tǒng)設(shè)計的可靠性。 ③ 便于實現(xiàn)“測試集成”和虛擬儀器庫的思想。同時為實現(xiàn)虛擬儀器設(shè)計的靈活性提供了前提。 本設(shè)計所做的工作 本課題研究的主要內(nèi)容是研制以 Lab VIEW 為主控制平臺，以單片機為控制的智能實時液位檢測處理系統(tǒng)，主要研究內(nèi)容有： 第一， 單片機系統(tǒng)開發(fā)及智能檢測儀表的研制。 （ 1） 硬件設(shè)計：液位數(shù)據(jù)的顯示電路、鍵盤輸入及接口電路設(shè)計。 （ 2） 軟件開發(fā)：硬件電路的相關(guān)程序，給定實際液位高度和廣電脈沖信號的算法關(guān)系等。 （ 3） 與總線系統(tǒng)的接口設(shè)計調(diào)試。 第二， 在 Lab VIEW 平臺下編制程序，實現(xiàn)對液位的實時監(jiān)測監(jiān)控。 （ 1） 現(xiàn)場信息采集及控制：在 Lab VIEW 下編制串口程序，接受下位機傳輸給 PC 機的數(shù)據(jù)信號，實現(xiàn)對液位的檢測控制。 （ 2） 上位機檢測控制畫面設(shè)計：直觀形象的顯示液位高度數(shù)值，使用戶能夠?qū)崟r觀測液位數(shù)據(jù)，并能夠?qū)σ何粩?shù)據(jù)進行存儲和顯示。 第二章 系統(tǒng)設(shè)計理論及硬件平臺 數(shù)據(jù)采集理論 該部分主要包括數(shù)據(jù)采集技術(shù)概述，傳感器，輸入信號的分析、調(diào)理以及測量系統(tǒng)的選擇，下面分別予以說明。 數(shù)據(jù)采集技術(shù)概論 在計算機廣泛應(yīng)用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。它是計算機與外部物理世界連接的橋梁。各種類型信號采集的難易程度差別很大。實際采集時，噪聲也可能帶來一些 麻煩。數(shù)據(jù)采集時，有一些基本原理要注意，還有更多的實際的問題要解決。 假設(shè)現(xiàn)在對一個模擬信號 x(t)每隔△ t 時間采樣一次。時間間隔△ t被稱為采樣間隔或者采樣周期。它的倒數(shù) l/△ t被稱為采樣頻率，單位是采樣數(shù) /每秒。t＝ 0，△ t， 2△ t， 3△ t??等等， x(t)的數(shù)值就被稱為采樣值。所有 x(0)， x(△t)， x(2△ t)都是采樣值。這樣信號 x(t)可以用一組分散的采樣值來表示： {x(0)， x(△ t)， x(2△ t)， x(3△ t)，?， x(k△ t)，? } 圖 顯示了一個模擬信號和它采樣后的采樣值。采樣間隔是△ t，注意，采樣點在時域上是離散的。 圖 2. 1 模擬信號采樣圖 如果對信號 x(t)采集 N 個采樣點，那么 x(t)就可以用下面這個數(shù)列表示： X={x[0]， x[l]， x[2]， x[3]，?， x[N－ l]} 這個數(shù)列被稱為信號 x(t)的數(shù)字化顯示或者采樣顯示。這個數(shù)列中僅僅用 下標(biāo)變量編制索引，而不含有任何關(guān)于采樣率 (或△ t)的信息。所以如果只知道該信號的采樣值，并不能知道它的采樣率，缺少了時間尺度，也不可能知道信號x(t)的頻率。 根據(jù)采樣定理，最低采樣頻率必須是信號頻率的兩倍。反過來說，如果給定了采樣頻率，那么能夠正確顯示信號而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做恩奎斯特頻率，它是采樣頻率的一半。如果信號中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分，信號將在直流和恩奎斯特頻率之間畸變。圖 和圖 顯示了一個信號分別用合適的采樣率和過低的采樣率進行采樣的結(jié)果。 圖 2. 2 合適采樣率采樣波形 圖 2. 3 采樣率過低采樣波形 采樣率過低的結(jié)果是還原的信號的頻率看上去與原始信號不同。這種信號畸變叫做混疊。出現(xiàn)的混頻偏差是輸入信號的頻率和最靠近的采樣率整數(shù)倍的差的絕對值。為了避免這種情況的發(fā)生，通常在信號被采集 (A/D)之前，經(jīng)過一個低通濾波器，將信號中高于奈奎斯特頻率的信號成分濾去。理論上設(shè)置采樣頻率為被采集信號最高頻率成分的 2倍就夠了，但實際上工程中選用 510 倍，有時為了較好地還原波形，甚至更高一些。 本章首先介紹了本控制系統(tǒng)中的核心器件單片機和 AD 采集芯片，然后給出了控制系統(tǒng)的總體設(shè)計和總體框圖，最后詳細地給出了各個模塊的具 體硬件實現(xiàn)。本章主要的設(shè)計內(nèi)容是控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。 核心芯片的選擇及簡介 核心芯片的選擇 本控制系統(tǒng)中的核心芯片包括單片機、 AD 采集芯片、振蕩芯片和驅(qū)動芯片等。在這里只以單片機和 AD 采集芯片的選擇為例進行說明。市場上的芯片種類繁多，功能特性各異，選擇芯片的原則是針對自己所設(shè)計系統(tǒng)的功能需求對芯片的價格，封裝，性能，型號等等因素做綜合考慮。 單片機的選擇 本設(shè)計系統(tǒng)對內(nèi)部存儲器要求不高，對中斷源、 I／ O 口等各方面的要求也不高， 對其它性能也沒有什么特別的要求，所以選擇最普通的單片機即可?？紤]到 AT89S52 可以在線編程，且價格等各方面都滿足我們的設(shè)計需求，所以單片機就選擇了 Atmel公司的 AT89S52。 AD 采集芯片的選擇 AD 采集芯片的選擇所要考慮的因素包括：采集精度，采集通道數(shù)，是否內(nèi)部帶有多路開關(guān)，是否內(nèi)部有基準(zhǔn)電源，使用是否方便，數(shù)據(jù)是串行還是并行等等。本設(shè)計系統(tǒng)中，需要采集的通道數(shù)不超過 8 路，精度要求不是很高，這兩個條件 ADC08038 芯片完全合適，而且該芯片內(nèi)部集成了多路開關(guān)，所以我們選擇了 ADC08038 作為本系統(tǒng)的 AD 采集芯片。 實踐證明，我們對以上芯片的采用完全能夠達到系統(tǒng)設(shè)計的要求，說明選擇是合理的，下面對這兩個芯片做詳細的說明。 AT89S52 簡介 AT89S52 是一種低功耗／低電壓、高性能的 8 位單片機，片內(nèi)帶有一個 8K字節(jié)的 Flash，它采用了 CMOST 藝和 ATIVIEL 公司的高密度非易失性存儲器(NURAM) 技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與 Meg 一 51 兼容。片內(nèi)的 Flash存儲器允許在系統(tǒng)內(nèi)可改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲器編程器來編程。因此， AT89S52 是一種功能強，靈活性高且價格合理的單片機，可方便地應(yīng)用于各種 控制領(lǐng)域。 AT89S52 具有以下主要性能： 1． 8KB 在線可編程 (ISP)Flash 存儲器 (可經(jīng)受 1000 次的擦寫 ) 2． 與 MCS 一 51 系列兼容 3． ～ 5． 5V 工作電壓范圍 4．全靜態(tài)時鐘： 0Hz～ 33MHz 5．三級程序存儲器加密 6． 2568bit 內(nèi)部 RAM 7． 32 個可編程 I／ O 口線 8． 3 個 16 位定時器／計數(shù)器 9． 8 個中斷源 10．全雙工 uART 串行通信 11．片內(nèi)時鐘振蕩器 12．具有看門狗定時器 圖 41 AT89S52 的引腳分配圖 AT89S52 的引腳情況如圖 41 所示，其引腳功能描述如下： 1． Vcc：電源端。 2． GND：接地端。 3． XTALl、 XTAL2：外接晶體引腳。 4． RST：復(fù)位輸入端。當(dāng)該引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平時單片機將復(fù)位。 5． ALE：當(dāng)訪問外部存儲器時， ALE(地址鎖存允許信號 )的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。在對 Flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖。 6． PSEN ：程序存儲允許 (麗 )輸出信號是外部程序存儲器的讀選通信號。當(dāng)AT89s52 由外部程序存儲器取指令 (或常數(shù) )時，每個機器周期 PSEN 兩次有效 (即輸出 2 個 脈沖 )。 7． EA／ Vpp：外部訪問允許端。當(dāng) EA 端保持高電平 (接 Vcc 端 )時， cpu 則 執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的程序。在 Flash 存儲器編程期間，該引腳也用于施加 12V 的編程允許電源 Vpp(如果選用 12V 編程 )。 8． P0 端口 (P0． O～ P0． 7)： P0 口是～個 8 位漏極開路型雙向 I／ o 端口。作為輸出口用時，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動 8 個