【正文】 校有清華大學(xué)、中國科學(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)、國防科技大學(xué)、四川大學(xué)等數(shù)十所高校?？v觀我國虛擬儀器發(fā)展歷程，我國虛擬儀器堅(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)志我國成為嵌入式一體化虛擬儀器研發(fā)先行者。業(yè)內(nèi)人士根據(jù)市場需求統(tǒng)計(jì)預(yù)測，我國虛擬儀器行業(yè)的產(chǎn)值未來十年內(nèi)將超過儀器儀表行業(yè)總產(chǎn)值的50%。 本文主要研究內(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。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，采集來自單片機(jī)獲得的數(shù)據(jù)采集信號，并在LabVIEW上實(shí)時(shí)繪圖顯示，并通過設(shè)置數(shù)據(jù)采集信號數(shù)值上下限，當(dāng)采集信號高出或者低于預(yù)警線時(shí)，界面會出現(xiàn)相應(yīng)的提示，同時(shí)能夠?qū)Σ杉男盘栠M(jìn)行存儲，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。完成一個(gè)基于LabVIEW與傳感模塊的溫度檢測系統(tǒng)，要求實(shí)現(xiàn)具體功能如下：（溫度采集） 方案選擇數(shù)據(jù)采集作為系統(tǒng)信號輸入組成部分，從傳感器和其他待測設(shè)備將物理信號自動采集為電量或者非電量信號形式，并通過一定時(shí)鐘脈沖采集頻率和信號載波組合送于信號處理模塊分析處理。 數(shù)據(jù)采集的本質(zhì)是還原采集信號的真實(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)總會顯示出較大差異。根據(jù)采樣定理，最低的采樣頻率是信號頻率的兩倍，如果采樣頻率過分低于或者高于信號頻率兩倍，會出現(xiàn)信號畸變，并定義正確顯示信號而不發(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。在信號處理分析過程中一般設(shè)置信號采集樣本為510,采集樣本信息過大會導(dǎo)致處理數(shù)據(jù)量大，處理速度慢影響信號處理質(zhì)量。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器、信號調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集卡、驅(qū)動程序、應(yīng)用軟件和計(jì)算機(jī)等相關(guān)部分組成。 DS18B20介紹DS18B20作為測試系統(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，測溫范圍55℃~+155℃，誤差為177。DS18B20有三個(gè)PIN腳，分別為GND、I/O、VDD，在判別引腳時(shí)面對扁平那一面左負(fù)右正,一旦接反將會燒毀元器件并且溫度會一直顯示85℃，可編程分辨率為912位，讀出溫度時(shí)讀出16位，前五位為符號位，前五位為零時(shí)讀取溫度為正號，1時(shí)讀取溫度為負(fù)號，結(jié)構(gòu)如圖21所示。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)和的方式檢測傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與否。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22所示。具有采樣/保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換、串口數(shù)據(jù)輸出功能，工作溫度范圍40℃～+85℃。具體如圖23所示。 DS18B20測溫原理DS18B20溫度傳感器主要有64位ROM、高速緩沖存儲器、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。內(nèi)部計(jì)數(shù)器2是一個(gè)對溫度影響大的高溫度系數(shù)產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號振蕩器。DS18B20擁有64位ROM，低8位表示產(chǎn)品類型標(biāo)識，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，可以實(shí)現(xiàn)一根總線掛多個(gè)DS18B20。配置寄存器內(nèi)部8位，DD6位設(shè)置DS18B20轉(zhuǎn)換分辨率。℃/LSB形式表現(xiàn)出來，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。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，（0至15），最高位是符號位，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。 本章小結(jié)本章論述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案確定過程，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)信號采集模塊選擇上由傳統(tǒng)A/D和D/A信號采集轉(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量轉(zhuǎn)換數(shù)字信號量傳輸給單片機(jī)處理。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）通過溫度采集器件采集被測環(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，然后將測量結(jié)果送給數(shù)碼管或者液晶顯示出來，采集系統(tǒng)硬件組成示意圖如圖31所示。單片機(jī)通訊口上位機(jī)：個(gè)人計(jì)算機(jī)、專用計(jì)算機(jī)LCD顯示數(shù)字I/OAD/DA轉(zhuǎn)換 圖32 信號采集結(jié)構(gòu)圖虛擬儀器硬件分為基礎(chǔ)硬件平臺和外圍測試設(shè)備，其中基礎(chǔ)平臺包括計(jì)算機(jī)，外圍測試設(shè)備主要有GPIB系統(tǒng)、VXI系統(tǒng)、PXI系統(tǒng)、DAQ系統(tǒng)或者串口系統(tǒng)等，常用有RS232或USB串口總線的便捷式數(shù)據(jù)采集模塊。衡量硬件平臺的指標(biāo)有：，負(fù)責(zé)被測模擬信號轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識別數(shù)字信號，核心器件有A/D轉(zhuǎn)換器，常用采集速率、分辨率、輸入動態(tài)范圍、建立時(shí)間等指標(biāo)衡量；，將采集的外部輸入信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，向采集模塊產(chǎn)生符合要求的信號激勵(lì)，常見處理方式有信號隔離、限幅、衰減、放大、濾波等；，向外界提供測試激勵(lì)信號，核心器件有D/A轉(zhuǎn)換器，信號調(diào)理措施有信號隔離、放大、衰減等，最終生成用戶所需的信號；，信號測試需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、存儲，傳送于處理終端；，采集到的信號處理完成后通過數(shù)字I/O將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為功率信號，去實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制。串行通信接口電路一般由可編程串行接口芯片、波特率發(fā)生器、EIA與TTL電平轉(zhuǎn)換器以及地址譯碼電路組成。計(jì)算機(jī)或者其他USB主機(jī) USBCH340轉(zhuǎn)換芯片 單片機(jī)溫度采集圖33 通訊結(jié)構(gòu)圖 采用CH340轉(zhuǎn)換芯片具有以下特點(diǎn)： 1. 全速USB設(shè)備接口，兼容USB ,外圍器件需要晶體管和電容； ，升級、添加外圍串口設(shè)備方便； ； 、內(nèi)置緩沖區(qū)，支持多種通訊波特率； 、DTR、DCD、RI等； 、RS485等轉(zhuǎn)換接口； ； ； 開發(fā)板選用SOP16封裝形式的CH340G芯片實(shí)現(xiàn)串口通訊，基本組成如圖34所示。 采集模塊和上位機(jī)通訊采用串行通信，波特率設(shè)置為4800、采用奇偶校驗(yàn)，數(shù)據(jù)位為8位。系統(tǒng)指令進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取時(shí)，上位機(jī)和下位機(jī)在同一波特率下，溫度采集模塊將采集到了數(shù)據(jù)以8位形式發(fā)給SBUF，上位機(jī)讀取SBUF中的數(shù)據(jù)。 單片機(jī)最小系統(tǒng)介紹下位機(jī)包括硬件電路和單片機(jī)軟件編程兩個(gè)部分，整個(gè)數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)中主要起到溫度檢測和溫度數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換功能，相當(dāng)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的“眼睛”。A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊方便外接各類傳感器、熱敏電阻、光敏電阻，該模塊在開發(fā)板中實(shí)現(xiàn)模擬信號與數(shù)字信號處理、分析、顯示等。采用開發(fā)板進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是結(jié)合系統(tǒng)后期升級擴(kuò)展需要，例如在溫度采集閉塞環(huán)境中，需要降溫或者升溫可以通過開發(fā)板其他I/O口加上開發(fā)板上的電機(jī)驅(qū)動模塊實(shí)現(xiàn)，鍵盤可以實(shí)現(xiàn)下位機(jī)自身調(diào)試，實(shí)時(shí)模塊可以進(jìn)行下位機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄等。采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20和AT89C51單片機(jī)構(gòu)成溫度測量裝置，體積小，硬件實(shí)現(xiàn)簡單，安裝方便，不僅可以快速測溫，而且可以根據(jù)需要設(shè)定上下限溫度，實(shí)用性強(qiáng)，系統(tǒng)框圖如圖35所示[12]。圖36 DS18B20接口電路 振蕩與復(fù)位電路 單片機(jī)工作需要時(shí)鐘信號，AT89C51內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的單級反相放大器，引腳XTAL1為反相輸入端，XTAL2為反相器輸出端。復(fù)位的作用是使中央處理器以及其他功能部件都恢復(fù)到一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作[14]。 主電路圖 單片機(jī)硬件仿真系統(tǒng)設(shè)置采用LM016L顯示器，根據(jù)相應(yīng)的芯片對比，開發(fā)板采用LCD1602與LM016L測試原理和讀寫時(shí)序一樣，在進(jìn)行仿真變成過程只需對相應(yīng)資源進(jìn)行部分更改，主電路如圖38所示[16]。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信號采集。此外，系統(tǒng)硬件調(diào)試應(yīng)保持相對獨(dú)立性，根據(jù)實(shí)際情形設(shè)計(jì)出相應(yīng)電路。常見的虛擬儀器開發(fā)工具有文本式編程語言（C、VB、VCI等）、圖形化編程語言（LabVIEW、Agilent VEEE等）等。程序框圖提供VI程序的圖形化源程序，具體表現(xiàn)為函數(shù)、結(jié)構(gòu)、連線等，程序框圖如圖42所示。程序創(chuàng)建依靠三個(gè)模板分別為工具模板、控件模板、函數(shù)模板，工具模板負(fù)責(zé)創(chuàng)建、修改和調(diào)試VI程序，控件模板負(fù)責(zé)創(chuàng)建控制器和顯示器，函數(shù)模板創(chuàng)建流程圖程序。主程序主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實(shí)時(shí)顯示、讀出并處理DS18B20測量當(dāng)前溫度值，溫度測量采用間隔掃描讀出溫度值，溫度采集模塊軟件流程圖如圖43所示[17]。圖44 DS18B20的復(fù)位時(shí)序根據(jù)波形圖，復(fù)位脈沖由單片機(jī)拉低總線480960us產(chǎn)生，然后單片機(jī)釋放總線輸出高電平，總線在上拉電阻作用下恢復(fù)高電平，恢復(fù)時(shí)間為1560us,DS18B20器件接受到單片機(jī)發(fā)出來的復(fù)位脈沖信號后，向總線回應(yīng)應(yīng)答脈沖，應(yīng)答脈沖會拉低總線時(shí)間60240us，初始化DS18B20程序流程圖如圖45所示：DQ=0返回FLAG=1FLAG=0FLAG=1延時(shí)240usDQ=0？DQ=1 初始化DQ=1延時(shí)2us延時(shí)480960usDQ=1NYNY圖45 DS18B20初始化流程圖 讀寫時(shí)序函數(shù) DS18B20數(shù)據(jù)讀寫通過時(shí)序處理位確認(rèn)信息交換，寫時(shí)序由寫0時(shí)序和寫1時(shí)序組成，如圖46所示。 讀時(shí)序也是由讀1時(shí)序和讀0時(shí)序組成，如圖47所示。 溫度采集模塊程序 溫度采集模塊程序由DS18B20初始化函數(shù)、DS18B20讀寫字節(jié)函數(shù)和轉(zhuǎn)換溫度函數(shù)組成。根據(jù)溫度采集模塊設(shè)計(jì)流程圖，按以下步驟編程[18]： 第一步 在KEIL軟件中新建項(xiàng)目，并命名為PRO并保存； 第二歩 在項(xiàng)目中依次新建主函數(shù)main、溫度模塊函數(shù)temp、顯示函數(shù)lcd并編譯調(diào)試； 第三步 ，初步驗(yàn)證編程程序是否和硬件匹配，并進(jìn)行電路仿真，詳細(xì)的程序代碼見附件； 第四步 編輯好的程序植入溫度采集模塊中，并進(jìn)行初步調(diào)試； 第五步 驗(yàn)證溫度采集模塊測試溫度的準(zhǔn)確性，具體方法為采集模塊測試溫度與溫度計(jì)測試溫度對比；第六步 溫度采集模塊與上位機(jī)連接調(diào)試，具體如圖48所示。前面板作為用戶圖形界面展現(xiàn)，在系統(tǒng)主頁中設(shè)置掛件菜單選項(xiàng)，分別為主頁、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測控、歷史記錄，其中主頁下設(shè)置為用戶登錄界面，用戶可以輸入用戶名、密碼登錄數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測控為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)核心模塊，記載溫度采集采集情況；歷史記錄主要負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)測試記錄的保存。 前面板主頁界面主頁頁面主要是用戶登錄界面，用戶通過輸入用戶名、密碼進(jìn)入到溫度測試系統(tǒng)，同時(shí)在登錄過程中如果密碼或者用戶名輸入錯(cuò)誤將不能登錄，系統(tǒng)將阻止非用戶查看溫度數(shù)據(jù)資料信息，登錄界面如圖49所示。在進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試前需要將波特率設(shè)置為4800,溫度報(bào)警限度根據(jù)對被測環(huán)境溫度要求進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)被測溫度超過限度范圍，報(bào)警指示燈會變亮。溫度采集主要用保存采集溫度數(shù)據(jù)，在VI模塊中自動生成相應(yīng)的溫度記錄文件，如圖410實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測控界面所示[20]。圖411歷史記錄界面 用戶登錄界面程序框圖用戶登錄程序框圖主要負(fù)責(zé)進(jìn)行用戶名和密碼記錄，在用戶登錄時(shí)與用戶輸入的用戶名和密碼進(jìn)行對比，登錄系統(tǒng)后會顯示登錄成功和歡迎您，否則將不能進(jìn)入系統(tǒng)，具體如圖412所示。VISA讀取函數(shù)從VISA資源名稱指定的設(shè)備或接口中讀取指定數(shù)量的字節(jié)，并使數(shù)據(jù)返回至讀取緩沖區(qū)。關(guān)閉VISA資源名稱指定的設(shè)備會話句柄或者事件對象。圖413串口通訊程序框圖 溫度顯示和波形顯示模塊 溫度顯示和波形顯示模塊程序框圖主要是溫度記錄的顯示和波形顯示，記錄顯示主要包括實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)記錄顯示、溫度計(jì)顯示，波形顯示主要實(shí)時(shí)顯示溫度變化波形，具體如圖414所示。下位機(jī)程序由主函數(shù)、溫集采集函數(shù)，LCD顯示函數(shù)組成，上位機(jī)主要基于LabVIEW進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括通訊模塊和系統(tǒng)控制。圖51一次測試記錄 ，將傳感器放置于電腦散熱風(fēng)口并記錄參數(shù)測試準(zhǔn)確性驗(yàn)證，具體如圖52所示。圖53實(shí)時(shí)驗(yàn)證 ，具體如圖54所示。圖55歷史記錄回放 綜上所述，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)記錄可以進(jìn)行保存、調(diào)用，可以實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)記錄追溯，系統(tǒng)溫度采集與實(shí)際環(huán)境溫度有一定偏差，主要受到溫度采集模塊精度限制，偏差范圍在177。但是此系統(tǒng)不能進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，在生產(chǎn)生活中進(jìn)行溫度監(jiān)控的目的是保持溫度在一定限度范圍內(nèi)，當(dāng)溫度超出限度范圍需要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié)，保持溫度維持在限度范圍內(nèi)。只能進(jìn)行溫度顯示和超限度報(bào)警，不能勝任對溫度敏感工藝場所，無法完成溫度維持在某個(gè)限度范圍內(nèi)?？煽啃孕枰M(jìn)一步驗(yàn)證，測試環(huán)境有溫度要求。設(shè)置溫度補(bǔ)償功能，當(dāng)溫度高出預(yù)警值時(shí)候進(jìn)行溫度降溫處理，溫度低于預(yù)警值時(shí)候進(jìn)行升溫處理，具體做法可以通過設(shè)置電機(jī)控制模塊，溫度高時(shí)進(jìn)行驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行制冷處理，溫度低時(shí)驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行加熱處理維持溫度在限度范圍內(nèi)。結(jié)論 基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集、處理、分析、顯示等。為了提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用能力，在設(shè)計(jì)過程中將采集信號設(shè)置為溫度。于是我通過網(wǎng)上資料查詢最終決定買單片機(jī)開發(fā)板作為溫度采集模塊硬件部分，對于開發(fā)板其他模塊也可以用于我日后在工作之余進(jìn)行學(xué)習(xí)探究。后期經(jīng)過調(diào)試改善，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)基本可達(dá)到設(shè)計(jì)任務(wù)要求，主要成果如下：(1)實(shí)現(xiàn)了用STC89C52通過DS18B20測