【正文】 儀器的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 8 圖 圖 LABVIEW啟動(dòng) 安裝完畢后，重啟計(jì)算機(jī)，即可使用 labview 軟件完成設(shè)計(jì)， 執(zhí)行功能。 基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 9 LABVIEW 簡(jiǎn)介 LabVIEW 是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（ NI）公司研制開發(fā)的，類似于C和 BASIC 開發(fā)環(huán)境，但是 LabVIEW 與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而 LabVIEW 使用的是圖形化編輯語言 G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。 LabVIEW 的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、 GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) ，等等。 LabVIEW（ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標(biāo)代替文本 創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。 VI指虛擬儀器， 是 LabVIEW 的程序模塊。用戶界面在 LabVIEW 中被稱為前面板。這就是圖形化源代碼，又稱 G 代碼。 并且LABVIEW 具有如下特點(diǎn)； 盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是 軟件 。 用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。目前使用較多的是 IEEE488 或 GPIB 協(xié)議。 LabVIEW（ Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集 和儀器控制軟件。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用 TCP/IP、 ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的 函數(shù)。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生動(dòng)有趣。使用這種語言編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，取而代之的是 流程圖 或 框圖 。它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。 利用 LabVIEW，可產(chǎn)生獨(dú) 立運(yùn)行的 可執(zhí)行文件 ，它是一個(gè)真正的 32 位 /64 位 編譯器 。它主要的方便就是，一個(gè)硬件的情況下，可以通過改變軟件，就可以實(shí)現(xiàn)不 同的儀器儀表的功能，非常方便，是相當(dāng)于軟件即硬件！ 虛擬儀器 （ virtual instrument）是基于 計(jì)算機(jī) 的儀器。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化 的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。虛擬儀器主要是指這種方式。虛擬儀器的研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和 數(shù)字信號(hào)處理 。 虛擬儀器的起源可以追溯到 20世紀(jì) 70 年代，那時(shí)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)在國防、航天等領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。對(duì)虛擬儀器和 LabVIEW 長(zhǎng)期、系統(tǒng) 、有效的研究開發(fā)使得該公司成為業(yè)界公認(rèn)的權(quán)威。使用 LabVIEW 軟件，用戶可以借助于它提供的 軟件環(huán)境 ，該環(huán)境由于其數(shù)據(jù)流編程特性、 LabVIEW RealTime 工具對(duì) 嵌入式 平臺(tái)開發(fā)的多核支持，以及自上而下的為多核而設(shè)計(jì)的軟件層次，是進(jìn)行并行編程的首選。用它構(gòu)建的虛擬儀器或計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)性能不可能太高。每一種儀器是一個(gè)插卡，為了保證儀器的性能，又采用了較多的硬件，但這些卡式儀器本身都沒有面板，其面板仍然用虛擬的方式在計(jì)算機(jī)屏幕上出現(xiàn)。 VXI 儀器價(jià)格昂貴，目前又推出了一種較為便宜的 PXI 標(biāo)準(zhǔn)儀器。 其領(lǐng)域如下； 測(cè)試測(cè)量： LABVIEW 最初就是為測(cè)試測(cè)量而設(shè)計(jì)的，因而測(cè)試測(cè)量也就是現(xiàn)在 LABVIEW 最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。至今，大多數(shù)主流的測(cè)試儀器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備都擁有專門的 LabVIEW 驅(qū)動(dòng)程序，使用 LabVIEW 可以非常便捷的控制這些硬件設(shè)備。這些工具包幾乎覆蓋了用戶所需的所有功能，用戶在這些工具包的基礎(chǔ)上再開發(fā)程序就容易多了。 ：控制與測(cè)試是兩個(gè)相關(guān)度非常高的領(lǐng)域，從測(cè)試領(lǐng)域起家的 LabVIEW自然而然地首先拓展至控制領(lǐng)域。除此之外，工業(yè)控制領(lǐng)域常用的設(shè)備、數(shù)據(jù)線等通常也都帶有相應(yīng)的 LabVIEW 驅(qū)動(dòng)程序。 仿真： LabVIEW 包含了多種多樣的數(shù)學(xué)運(yùn)算 函數(shù) ，特別適合進(jìn)行模擬、 仿真 、原型設(shè)計(jì)等工作。在高等教育領(lǐng)域，有時(shí)如果使用 LabVIEW進(jìn)行軟件模擬，就可以達(dá)到同樣的效果，使學(xué)生不致失去實(shí)踐的機(jī)會(huì)。對(duì)于沒有任何計(jì)算機(jī)知識(shí)的兒童而言，可以把 LabVIEW 理解成是一種特殊的 “ 積木 ” ：把不同的原件搭在一起，就可以實(shí)現(xiàn)自己所需的功能。兒童經(jīng)過短暫的指導(dǎo)就可以利用 樂高積木 提供的積木搭建成各種車輛模型、機(jī)器人等，再使用 LabVIEW 編寫控制其運(yùn)動(dòng)和行為的程序。 快速開發(fā)：根據(jù)筆者參與的一些項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)，完成一個(gè)功能類似的大型應(yīng)用軟件，熟練的 LabVIEW 程序員所需的開發(fā)時(shí)間，大概只是熟練的 C程序員所需時(shí)間的1/5 左右。 跨平臺(tái)：如果同一個(gè)程序需要運(yùn)行于多個(gè)硬件設(shè)備之上，也可以優(yōu)先考慮使用 LabVIEW。 LabVIEW 的代碼不需任何修改就可以運(yùn)行在常見的臺(tái)式機(jī)操作系統(tǒng)上： Windows、 Mac OS 及 Linux。 基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 12 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件流程 設(shè)計(jì) 溫室大棚內(nèi)的溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)的安裝和連線， 以及對(duì)空調(diào)的控制 ，采用了三個(gè)溫度傳感器 、 三個(gè)數(shù)據(jù)采集卡 和三個(gè)空調(diào) ，傳到計(jì)算機(jī)內(nèi)，進(jìn)行LABVIEW 的檢測(cè)和控制 。溫度為被測(cè)對(duì)象，在利用溫度傳感器 DS18B20測(cè)溫，再通 過數(shù)據(jù)采集卡 USB2020把溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)內(nèi)，再在計(jì)算機(jī)內(nèi)開發(fā)軟件，在利用開發(fā)軟件控制設(shè)備，從而控制溫度。 圖 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 硬件電路設(shè)計(jì) （一） 硬件電路基本組成 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，虛擬儀器系統(tǒng)的硬件主要由個(gè)人計(jì)算機(jī)工作站和硬件接口模塊組成，其中計(jì)算機(jī)是主體，主要用來提供實(shí)施高校的數(shù)據(jù)處理性能，硬件接口模塊包括儀器和各種通用接口總線，主要用來采集，傳輸信號(hào)。 （二） 硬件電路基本功能描述 此硬件系統(tǒng)主要利用半導(dǎo)體來調(diào)節(jié)溫度大小，利用溫度傳感器來對(duì)溫度進(jìn) 行數(shù)據(jù)采集 ，對(duì)溫度測(cè)量而言，溫度傳感器的選擇是整個(gè)系統(tǒng)第一步，也是直接影響系統(tǒng)穩(wěn)被測(cè)對(duì)象 傳感器 數(shù)據(jù)采集卡 計(jì)算機(jī) 開發(fā)軟件 空調(diào)設(shè)備 基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 13 定性能的重要因素之一 。 )VXI 總線接口 ； VXI 總線數(shù)據(jù)采集器通?？梢岳脙煞N VXI 總線 ， 通用接口消息基接口和寄存器基接口。通用寄存器 基接口是 由寄存器簡(jiǎn)單的讀寫來控制儀器硬件的操作。 （ 2） 采樣通 道控制 為了滿足幾種典型系統(tǒng)通道控制的要求，使通道的數(shù)量足夠多，通道的選取比較靈活，可以利用寄存器電路、可預(yù)置計(jì)數(shù)器電路以及一些其他邏輯電路的配合，將采樣通道設(shè)計(jì)成最多 64 路、最少 2 路可以任意選擇，而且可以從任意一路開始采樣，也可以到任意一路結(jié)束采樣，只要截止通道號(hào)大于起始通道號(hào)就可以了。 （ 3） 定時(shí)采樣控制 由于不同的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)采樣時(shí)間間隔的要求不同，以及同一系統(tǒng)在不同的試驗(yàn)中需要的采樣時(shí)間間隔也不盡相同，故可以采用程控的方式將采樣時(shí)間間隔設(shè)置在2 μ s~13. 0 ms 之間任意選擇，可以增加或減少的最小單位是 2 μ s。 （ 4） 采樣點(diǎn)數(shù)控制 根據(jù)不同測(cè)試系統(tǒng)的需求，將采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)計(jì)成可在一個(gè)比較大的范圍中任意選擇，該選擇同樣是在軟面板上進(jìn)行。在硬件觸發(fā)采樣中又 包括同步 調(diào) 整周期采樣和非同步 調(diào) 整周期采樣，這 2 種采樣又可以是定時(shí)進(jìn)行的或等轉(zhuǎn)速差進(jìn)行的。 硬件 組成 部分 硬件電路 由 溫度傳感器、 數(shù)據(jù)采集卡 和計(jì)算機(jī)組成。 數(shù)據(jù)傳感器主要是 使 數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)。主要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同而改變其外觀。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。 (2)測(cè)溫范圍 － 55℃ ～ +125℃ ，固有測(cè)溫誤差 ℃ 。 (4)工作電源 : 3~5V (5)在使用中不需要任何外圍元件 (6)測(cè)量結(jié)果以 9~12 位數(shù)字量方式串行傳送 (7)不銹鋼保護(hù)管直徑 Φ6 (8)適用于 DN15~25, DN40~DN250 各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設(shè)備測(cè)溫 (9)標(biāo)準(zhǔn)安裝螺紋 M10X1, , G1/2” 任選 (10)PVC 電纜直接出線或德式球型接線盒出線 ,便于與其它電器設(shè)備連接。 (2)軸瓦，缸體，紡機(jī)，空調(diào)，等狹小空間工業(yè)設(shè)備測(cè)溫和控制。 (4)供熱 /制冷管道熱量計(jì)量，中央空調(diào)分戶熱能計(jì)量和工業(yè)領(lǐng)域測(cè)溫和控制 接線說明 ； 獨(dú)特的一線接口，只需要一條口線通信 。 可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為 V 至 V 無需備用電源 。華氏相當(dāng)于是 67 華氏度 到 257華氏度 。 ℃ 。由于DS18B20 是一條口線通信，所以中央微處理器與 DS18B20 只有一個(gè)一條口線連接。 因?yàn)槊恳粋€(gè)DS18B20 的包含一個(gè)獨(dú)特的序號(hào)，多個(gè) ds18b20s 可以同時(shí)存在于一條總線。它的用途很多，包括空調(diào)環(huán)境控制，感測(cè)建筑物內(nèi)溫設(shè)備或機(jī)器，并進(jìn)行過程監(jiān)測(cè)和控制。 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成： 64 位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。 DS18B20 的電源也可以從外部 3V5 .5V 的電壓得到。主要首先提供以下功能命令之一： 1 ）讀 ROM， 2 ） ROM 匹配， 3 ）搜索 ROM， 4 ）跳過 ROM， 5 ）報(bào)警檢查。 若指令成功地使 DS18B20 完成溫度測(cè)量，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 DS18B20 的存儲(chǔ)器。測(cè)量結(jié)果將被放置在 DS18B20 內(nèi)存中，并可以讓閱讀發(fā)出記憶功能的 指揮，閱讀內(nèi)容的片上存儲(chǔ)器。如果 DS18B20 不使用報(bào)警檢查指令，這些寄存器可作為一般的用戶記憶用途。寫 TH,TL 指令以及配置字節(jié)利用一個(gè)記憶功能的指令完成。所有數(shù)據(jù)的讀，寫都是從最低位開始。 64 位光刻 ROM 的排列是：開始 8 位（ 28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)， 接著的 48位是該 DS18B20 自身的序列號(hào)，最后 8 位是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（ CRC=X8+X5+X4+1）。 （ 2） DS18B20 中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以 12位轉(zhuǎn)化為例：用 16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以 ℃ /LSB 形式表達(dá)，其中 S為符號(hào)位。 DS18B20 工作原理 ； DS18B20 的讀寫時(shí)序和測(cè)溫原理與 DS1820 相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由 2s 減為 750ms。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器 1。計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在－ 55℃ 所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。圖 3 中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器 1的預(yù)置值 基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 17 DS1820 使用中注意事項(xiàng) ； DS1820 雖然具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題： （ 1） 較小的硬件開銷需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行 補(bǔ)償，由于 DS1820 與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此 ，在對(duì) DS1820 進(jìn)行讀寫編程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀寫時(shí)序，否則將無法讀取測(cè)溫結(jié)果。 （ 2） 在 DS1820 的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛 DS1820 數(shù)量問題，容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個(gè) DS1820，在實(shí)際應(yīng)用中并非如此。 （ 3） 連接 DS1820 的總線電纜是有長(zhǎng)度限制的。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離可達(dá) 150m，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正 常通訊距離進(jìn)一步加長(zhǎng)。因此，在用 DS1820 進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考 慮總線分布電容和阻抗匹配問題。這一點(diǎn)在進(jìn)行 DS1820 硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予 一定的重視。 DS18B20是美國 DALLAS半導(dǎo)體公司繼 DS1820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器?？梢苑謩e在 和 750ms 內(nèi)完成 9位和 2 位的數(shù)字量，并 且從 DS18B20 讀出的信息或?qū)懭?DS18B20 的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫，溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以想所掛接DS18B20 供電，而無需額外電源，因而使用 DS18B20 可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性高。 DS18B20 采用了 3 腳 PR— 35 封裝或 8 腳 SOIC 封裝，引腳排列如圖 。 UDD 是可供選用的外部電源端，不用時(shí)接地， GND 為地， NC 空腳。當(dāng)在 10℃ — +85℃范圍內(nèi)，可確保測(cè)量誤差不超過 ℃，在 55— +125℃范圍內(nèi)，測(cè)量誤差也不超過 2℃。 （ 3）、具有電源反接保護(hù)電路。但此時(shí)芯片無法正常工作。 （ 5）、采用 DALLAS 公司獨(dú)特的“單線總線”專有技術(shù)，通過串行通信接口（ I/O）直接輸出被測(cè)溫度值（ 9— 12 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，含符號(hào)位）。出廠前產(chǎn)品序號(hào)存入其 ROM 中。 （ 7）、用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值。 基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 19 圖 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20 主要包括 7 部分 ；