【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。虛擬儀器技術的出現(xiàn)，使得用戶可以自己定義儀器，靈活地設計儀器系統(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、準確度及可復用性提高，且更便于相應儀器系統(tǒng)的維護和擴展 [3]。 基于虛擬儀器技術的數(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的基礎上對多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了設計，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，并且是信息技術的重要領域擴充，對科學技術的發(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：標準 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)人員準備的，是在 Windows 環(huán)境下的標準 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、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數(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)置了便于應用 TCP/PI、 ActiveX等軟件標準的庫函數(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，運用的設備圖標與科學家、工程師們習慣的大部分圖標基本一致，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 種設備的驅動程序 (可擴充 )如 GPIB設備控制、 VXI 總線控制、串行口設備控制、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計 所有的 Labview 應用程序，即虛擬儀器 (VI)，它包括前面板 (Front Panel)、流程圖 (Block Diagram)以及圖標 /連結器 (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、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)、結構和連線等。 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于傳統(tǒng)儀 器箱內(nèi)的硬件電路。這種設計思想的優(yōu)點體現(xiàn)在兩方面： ① 類似流程圖的設計思想，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計經(jīng)驗的工程人員。 ② 設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)的設定帶來諸多的方便。 3）圖標 /連接設計：這部分的設計突出體現(xiàn)了虛擬儀器模塊化程序設計的思想。在設計大型自動檢測系統(tǒng)時一步完成一個復 雜系統(tǒng)的設計是相當有難度的。而在 Labview 中提供的圖標 /連接工具正是為實現(xiàn)模塊化設計而準備的。設計者可把一個復雜自動檢測系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，每一個都可完成一定的功能。這樣設計的優(yōu)點體現(xiàn)在如下幾方面： ① 把一個復雜自動檢測系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，程序設計思路清晰，給設計者調(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)軟件復用，大大節(jié)省軟件研發(fā)周期，提高系統(tǒng)設計的可靠性。 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)虛擬儀器設計的靈活性提供了前提。 本設計所做的工作 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） 硬件設計：液位數(shù)據(jù)的顯示電路、鍵盤輸入及接口電路設計。 （ 2） 軟件開發(fā)：硬件電路的相關程序，給定實際液位高度和廣電脈沖信號的算法關系等。 （ 3） 與總線系統(tǒng)的接口設計調(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計：直觀形象的顯示液位高度數(shù)值，使用戶能夠實時觀測液位數(shù)據(jù)，并能夠對液位數(shù)據(jù)進行存儲和顯示。 第二章 系統(tǒng)設計理論及硬件平臺 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)采集技術概論 在計算機廣泛應用的今天，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 下標變量編制索引，而不含有任何關于采樣率 (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)。本章主要的設計內(nèi)容是控制系統(tǒng)的硬件電路設計。 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，是否內(nèi)部有基準電源，使用是否方便，數(shù)據(jù)是串行還是并行等等。本設計系統(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，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，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，可方便地應用于各種 控制領域。 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：復位輸入端。當該引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平時單片機將復位。 5． ALE：當訪問外部存儲器時， 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 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動 8 個