【正文】 DS18B20 檢測(cè)完溫度后，溫度值通過符號(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。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Ｓ?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。 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)振蕩器的脈沖無法通過門電路。 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。 A/D 轉(zhuǎn)換通過采樣保持、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。 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。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。 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?！?，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。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。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)果做出一定決策來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的 7 最終目的。在工程過程中，為了準(zhǔn)確地捕捉信號(hào)信息，會(huì)通過信號(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。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。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。為了提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用能力，在設(shè)計(jì)過程中將采集信號(hào)設(shè)置為溫度。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。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。 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(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)。 NI 公司也已在 20xx 年提出了 “NI 中國高校推廣計(jì)劃 ”，從而進(jìn)一步打開中國虛擬儀器發(fā)展市場(chǎng)。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。 傳統(tǒng)測(cè)控儀器在面對(duì)現(xiàn)實(shí)問題中，我國也積極開展引進(jìn)虛擬儀器產(chǎn)品。從服務(wù)對(duì)象而言，傳統(tǒng)獨(dú)立儀 器己遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能勝任大數(shù)量、高質(zhì)量的信息采集要求。以計(jì)算機(jī)為主體，配置檢測(cè)裝置 、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與被控對(duì)象 (生產(chǎn)過程 )共同構(gòu)成計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的檢測(cè)、監(jiān)督和控制功能，然而該系統(tǒng)通信協(xié)議不開放，檢控功能單一，因此這種測(cè)控系統(tǒng)是一個(gè)自封閉系統(tǒng) [11]。 在國外高校和研究所，虛擬儀器運(yùn)用也極其廣泛，在麻省理工、加州大學(xué)伯克利分校、伊利諾伊大學(xué)、弗吉尼亞理工、德州大學(xué)奧斯汀分校、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)等美國高等工程院校均將虛擬儀器技術(shù)的教學(xué)列入正常的教學(xué)計(jì)劃當(dāng)中，相應(yīng)學(xué)科有電氣、自動(dòng)化、通信、醫(yī)學(xué)、機(jī)械、土木等，教學(xué)和研究成果頗豐。 1997 年， NI 公司首次推出基于計(jì)算機(jī)的開發(fā)式的模塊化測(cè)試系統(tǒng) PXI，與 HP 公司主導(dǎo) VXI 模塊化測(cè)試系統(tǒng)形成強(qiáng)大競(jìng)爭， 20xx 年， NI 公司推出 Compact RIO 以及嵌入式可編程采集控制器模塊 ,以高可靠性、高實(shí)時(shí)性、低功耗等優(yōu)點(diǎn)獲得業(yè)內(nèi)好評(píng)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止到 1994 年 虛擬儀器生產(chǎn)合作廠商達(dá)到 90 余家，生產(chǎn) 1000 多種各式產(chǎn)品。 虛擬儀器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 國外發(fā)展情況 虛擬儀器概念起源于上世紀(jì) 80 年代，由美國 NI 公司提出，一直成為發(fā)達(dá)國家自動(dòng)測(cè)控領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和應(yīng)用前沿。 第三階段：虛擬儀器框架最終確定與成熟。 第二階段：開放式儀器發(fā)展階段。 根據(jù)虛擬儀器發(fā)展過程，虛擬儀器發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段 [8]： 第一階段 :傳統(tǒng)意義上的利用計(jì)算機(jī)增強(qiáng)虛擬儀 器功能。隨后，美國 NI 公司提出 “軟件就是儀器 ”，開辟了虛擬儀器新方向。為了進(jìn)一步提高測(cè)試系統(tǒng)，以杰夫 ?科多斯基為首的工程師們于 1986 年通過 NI 公司推出了基于蘋果機(jī)環(huán)境下著名的圖形化編程工具 LabVIEW[6]。 虛擬儀器是一種功能意義上的儀器，并不強(qiáng)調(diào)物理上的實(shí)現(xiàn)形式，在與傳統(tǒng)儀器同臺(tái)競(jìng)爭方面，概括起來如下：一、豐富和增加了傳統(tǒng)儀器的功能，用戶可以根據(jù)運(yùn)用環(huán)境需要靈活的定義儀器，組合不同硬件資源構(gòu)建多用途儀器；二、突出了軟件地位，虛擬 儀器與硬件交互限制較小，與其他設(shè)備通訊連接方便，在模擬分析時(shí)虛擬儀器漂移現(xiàn)象可控，無需定期校準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)化的總線通訊提高了測(cè)量精度、準(zhǔn)確度；三、開放的平臺(tái)，虛擬儀器用戶組建系統(tǒng)代碼，可以自由方便儀器功能、面板的修改，為用戶提供了寬范圍的使用空間；四、開放的工業(yè)對(duì)接標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)者利用虛擬儀器開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、使用和管理的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，生產(chǎn)維護(hù)和開發(fā)費(fèi)用低，提高儀器市場(chǎng)競(jìng)爭力和使用效率；五、構(gòu)建系統(tǒng)便捷，虛擬儀器既可以作為測(cè)試系統(tǒng)獨(dú)立使用，也可以通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組成分布式測(cè)試系統(tǒng)、遠(yuǎn)程測(cè)試、監(jiān)控與故障診斷等，與軟件結(jié) 合使用降低了開發(fā)成本；六、虛擬儀器可編程性，虛擬具有強(qiáng)大的圖形用戶界面（ GUI），計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)、直接進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯，通過分析軟件進(jìn)行軟件編程的修改、編輯，也可以利用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)功能記錄數(shù)據(jù)、分享數(shù)據(jù)等 [4]。微機(jī)及數(shù)字信號(hào)處理器運(yùn)算速度提升實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制要求，利用通用計(jì)算機(jī)來管理儀器、組建儀器系統(tǒng) ，進(jìn)而完成傳統(tǒng)儀器需要實(shí)現(xiàn)的功能。 虛擬儀器介紹 虛擬儀器的概念由美國儀器公司提出，在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上通過增加相關(guān)硬件和軟件構(gòu)成，具有可視化界面的儀器，利用高性能的模塊化硬件設(shè)計(jì)，結(jié)合功能高效的軟件來完成數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)處理與分析、數(shù)據(jù)顯示等物理功能。而采用虛擬儀器技術(shù)僅需采購必要的通用數(shù)據(jù)采集硬件來完成自己的儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器除了在性能、易用性、用戶可定制性等方面具有更多優(yōu)點(diǎn)外，在工程應(yīng)用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效 2 益方面也獨(dú)樹一幟。傳統(tǒng)意義上的儀器一般都由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)交互和顯示等幾個(gè)基本部分組成，如果測(cè) 試環(huán)境、測(cè)試物理量等發(fā)生變更則需要進(jìn)行儀器整體變更設(shè)計(jì)，增加了產(chǎn)品成本。具體到測(cè)量技術(shù)上是指在通用的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)，用戶操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)就可以對(duì)被測(cè)環(huán)境完成測(cè)試任務(wù)。在上世紀(jì) 90 年代，由美國 NI 公司提出了新概念 —虛擬儀器，標(biāo)志著測(cè)量技術(shù)向一個(gè)新的方向轉(zhuǎn)變。因此，溫度參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)具有實(shí)用價(jià)值，便于溫度超出正常范圍內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的溫度補(bǔ)償。另外，在大部分溫度控制系統(tǒng)環(huán)境中，增溫要比降溫實(shí)現(xiàn)方法簡單。為了促使生產(chǎn)系統(tǒng)與外界的熱能量交換盡可能的符合生產(chǎn)工藝要求，就需要采取控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部溫度處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定理想值。因此，溫度數(shù)據(jù)采集作為系統(tǒng)采集參數(shù)具有現(xiàn)實(shí)意義。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度波動(dòng)影響產(chǎn)品品質(zhì)，甚至?xí)?dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，在能源和生物領(lǐng)域，溫度不穩(wěn)定會(huì)造成能 源供應(yīng)系統(tǒng)受阻，生物產(chǎn)品不達(dá)標(biāo)等。 虛擬儀器介紹 ............................................................................................ 2 虛擬儀器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 ............................................................................ 3 國外發(fā)展情況 ..................................................................................... 3 國內(nèi)發(fā)展情況 ..................................................................................... 4 本文主要研究內(nèi)容 .................................................................................... 5 第 2 章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) ......................................................................................... 6 設(shè)計(jì)任務(wù) .................................................................................................... 6 方案選擇 .................................................................................................... 6 DS18B20 介紹 ..................................................................................... 7 DHT11 介紹 ......................................................................................... 7 XPT2046 介紹 ..................................................................................... 8 方案確定 .................................................................................................... 9 DS18B20 測(cè)溫原理 ............................................................................. 9 測(cè)試參數(shù)分析 ................................................................................... 10 本章小結(jié) .........................................