【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(guó)內(nèi)展開(kāi)虛擬儀器技術(shù)研究、教學(xué)和開(kāi)發(fā)的學(xué)校有清華大學(xué)、中國(guó)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(guó)防科技大學(xué)、四川大學(xué)等數(shù)十所高校。 NI 公司也已在 20xx 年提出了 “NI 中國(guó)高校推廣計(jì)劃 ”，從而進(jìn)一步打開(kāi)中國(guó)虛擬儀器發(fā)展市場(chǎng)?？v觀我國(guó)虛擬儀器發(fā)展歷程，我國(guó)虛擬儀器堅(jiān)持走出一條自主創(chuàng)新的路子，具體表現(xiàn)為 863 項(xiàng)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(guó)成為嵌入式一體化虛擬儀器研發(fā)先行者。 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，企業(yè)技術(shù)升級(jí)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(guó)個(gè)人計(jì)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(chǎng)需求統(tǒng) 計(jì)預(yù)測(cè)，我國(guó)虛擬儀器行業(yè)的產(chǎn)值未來(lái)十年內(nèi)將超過(guò)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(dòng)控制系統(tǒng)成功地運(yùn)用在唐山市熱力 5 總公司項(xiàng)目上；清華大學(xué)基于 ComXactPCIV PYI 技術(shù)建設(shè)的實(shí)驗(yàn)熱工水利測(cè)控平臺(tái)研制成功了先進(jìn)的熱工測(cè)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(guó)防科技大學(xué)基于 NaOVIEP 的分布式 VYI 儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制為 VYI 儀器廣泛進(jìn)入大學(xué)實(shí)驗(yàn)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(dòng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)出廠的自動(dòng)檢測(cè)等。 本文主要研究?jī)?nèi)容 本設(shè)計(jì)主要是研究基于虛擬儀器 LabVIEW 設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、分析、顯示等。該設(shè)計(jì)中將溫度作為主要采集對(duì)象，溫度傳感器 DS18B20 作為溫度采集器件，通過(guò)下位機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)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(jì) 設(shè)計(jì)任務(wù) 課題設(shè)計(jì)任務(wù)是利用 LabVIEW 的串口通信模塊，采集來(lái)自單片機(jī)獲得的數(shù)據(jù)采集信號(hào)，并在 LabVIEW 上實(shí)時(shí)繪圖顯示，并通過(guò)設(shè)置數(shù) 據(jù)采集信號(hào)數(shù)值上下限，當(dāng)采集信號(hào)高出或者低于預(yù)警線時(shí)，界面會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的提示，同時(shí)能夠?qū)Σ杉男盘?hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，在進(jìn)行歷史記錄調(diào)用時(shí)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(jì)應(yīng)用能力，在設(shè)計(jì)過(guò)程中將采集信號(hào)設(shè)置為溫度。 完成一個(gè)基于 LabVIEW 與傳感模塊的溫度檢測(cè)系統(tǒng)，要求實(shí)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(shí)時(shí)顯示 方案選擇 數(shù)據(jù)采集作為系統(tǒng)信 號(hào)輸入組成部分，從傳感器和其他待測(cè)設(shè)備將物理信號(hào)自動(dòng)采集為電量或者非電量信號(hào)形式，并通過(guò)一定時(shí)鐘脈沖采集頻率和信號(hào)載波組合送于信號(hào)處理模塊分析處理。采集信號(hào)的目的主要是測(cè)量電壓、電流、溫度、壓力、聲音等物理信息量，并將采集的信號(hào)信息傳輸?shù)叫盘?hào)處理模塊進(jìn)行信號(hào)處理，信號(hào)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(hào)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(hào)的真實(shí)值，不同類型的采集系統(tǒng)因采集模塊不同設(shè)計(jì)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)總會(huì)顯示出較大差異。其中決定信號(hào)采集差異的主要為采集頻率，在一段完整連續(xù)模擬 信號(hào)中，設(shè)置不同的采集周期導(dǎo)致采集信號(hào)的差異顯著表現(xiàn)出來(lái)。根據(jù)采樣定理，最低的采樣頻率是信號(hào)頻率的兩倍，如果采樣頻率過(guò)分低于或者高于信號(hào)頻率兩倍，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)畸變，并定義正確顯示信號(hào)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(guò)程中，為了準(zhǔn)確地捕捉信號(hào)信息，會(huì)通過(guò)信號(hào)濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)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(hào)處理分析過(guò)程中一般設(shè)置信號(hào)采集樣本為 510,采集樣本信息過(guò)大會(huì)導(dǎo)致處理數(shù)據(jù)量大，處理速度慢影響信號(hào)處理質(zhì)量。信號(hào)采集完成需要進(jìn)行信號(hào)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(hào)處理算法，控制中心根據(jù)算法結(jié)果做出一定決策來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的 7 最終目的。 一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集卡、驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用軟件和計(jì)算機(jī)等相關(guān)部分組成。傳感器和變換器組合測(cè)量被測(cè)環(huán)境的物理信號(hào)量，并將模擬物理信號(hào)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；信號(hào)調(diào)理設(shè)備可以對(duì)采集到的電信號(hào)進(jìn)行加工，使采集到的模擬物理信號(hào)量適合數(shù)據(jù)采集卡的需求；計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡等獲得測(cè)量數(shù)據(jù)，軟件控制著整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)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(cè)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(cè)溫范圍 55℃ ~+155℃ ，誤差為 177?！?，可以多點(diǎn)組網(wǎng)、多點(diǎn)測(cè)溫，工作電源電壓為 3V~，應(yīng)用于一般工業(yè)測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)、家庭溫度測(cè)量等。 DS18B20 有三個(gè) PIN 腳，分別為 GND、 I/O、 VDD，在判別引腳時(shí)面對(duì)扁平那一面 左負(fù)右正 ,一旦接反將會(huì)燒毀元器件并且溫度會(huì)一直顯示85℃ ，可編程分辨率為 912 位，讀出溫度時(shí)讀出 16 位，前五位為符號(hào)位，前五位為零時(shí)讀取溫度 為正號(hào)， 1 時(shí)讀取溫度為負(fù)號(hào)，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(cè)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(yàn)和的方式檢測(cè)傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與否。傳感器工作電壓 3V~，濕度測(cè)量范圍 2090%RH，溫度測(cè)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(gè)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(cè)電路、參考電壓源，外置外部時(shí)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(guò)采樣保持、量化和編碼實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入模擬電壓信號(hào)采用保持，在保持時(shí)間內(nèi)實(shí)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(gè)傳感器均可以實(shí)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)初期采用 DS18B20 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，簡(jiǎn)單方便、測(cè)量準(zhǔn)確性高，測(cè)試原理雷同采用 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換模塊實(shí)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(cè)溫原理 DS18B20 溫度傳感器主要有 64 位 ROM、高速緩沖存儲(chǔ)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(jì)數(shù)器 1 是一個(gè)對(duì)溫度影響小的低溫度系數(shù)產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)振蕩器，低溫時(shí)振蕩器的脈沖可以通過(guò)門電路，而當(dāng)?shù)竭_(dá)某一設(shè)置高溫時(shí)振蕩器的脈沖無(wú)法通過(guò)門電路。內(nèi)部計(jì)數(shù)器 2 是一個(gè)對(duì)溫度影響大的高溫度系數(shù)產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)振蕩器。計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器預(yù)置為 55℃ 時(shí)對(duì)應(yīng)相應(yīng)基數(shù)值，計(jì)數(shù)器 1 對(duì)低溫度系數(shù)晶振發(fā)出的固定頻率脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)處理，計(jì)數(shù)器 1 預(yù)設(shè)值減至 0 時(shí)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(shí)計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)設(shè)值將被重新裝入開(kāi)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(hào)，循環(huán)至計(jì)數(shù)器 2 計(jì)數(shù)到 0 時(shí)，停止溫度寄存器值累加，溫度寄存器值為所測(cè)溫度，電路對(duì)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(cè)溫過(guò)程中的非線性信號(hào)量，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)設(shè)值，測(cè)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(chǔ)器和控制器 高速緩沖 存儲(chǔ)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(cè) 10 DS18B20 擁有 64 位 ROM，低 8 位表示產(chǎn)品類型標(biāo)識(shí)，高 8 位表示低56 位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，中間 48 位表示序列號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)一根總線掛多個(gè)DS18B20。高速緩沖存儲(chǔ)器內(nèi)部有 9 個(gè)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(bào)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(yàn)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(cè)溫內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 測(cè)試參數(shù)分析 DS18B20 檢測(cè)完溫度后，溫度值通過(guò)符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼（ 16位）形式寄存于高速存儲(chǔ)器 MSB 和 LSB 對(duì)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(guò)設(shè)置配置寄存器 D6D5 位獲得，為了提高精度設(shè)置為 7FH,對(duì)應(yīng)分辨率 12位，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換時(shí)間 750ms。溫度值以 ℃ /LSB 形式表現(xiàn)出來(lái)，即溫度值為溫度寄存器里的二進(jìn)制乘以 ，就是實(shí)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(guò)觀察表 22 DS18B20 采樣值與溫度關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)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(gè)字節(jié)，這個(gè)字節(jié)的二進(jìn)制化為十進(jìn)制后，就是溫度值的百、十、個(gè)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?yàn)槭前雮€(gè)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(jì) 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(jì) 數(shù) 器 1 斜率累加器 預(yù)置 11 數(shù)（ 0 至 15），最高位是符號(hào)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(jì)方案確定過(guò)程，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(hào)采集模塊選擇上由傳統(tǒng) A/D 和D/A 信號(hào)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(hào)量 轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)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(jì) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)負(fù)責(zé)采集測(cè)試環(huán)境的溫度參數(shù)，采集的溫度參數(shù)通過(guò) 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(lái)。溫度采集系統(tǒng)硬件機(jī)構(gòu)主要有 DS18B20 溫度采集模塊，單片機(jī)（ STC89C52）通過(guò)溫度采集器件采集被測(cè)環(huán)境溫度，模塊將模擬量溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送給模塊控制中心處理，然后將測(cè)量結(jié)果送給數(shù)碼管或者