【正文】 ..................................... 39 程序模塊化設(shè)計(jì)概述 ............................................................................................... 39 軟件系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)原則 ........................................................................... 39 本設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)模塊劃分 ........................................................................... 40 系統(tǒng)各模塊應(yīng)用程序 ............................................................................................... 41 數(shù)據(jù)采集與顯示程序 ....................................................................................... 42 數(shù)據(jù)保存程序 ................................................. 43 歷史數(shù)據(jù)讀取程序 ............................................. 44 報警模塊 ..................................................... 45 參數(shù)設(shè)置模塊 ................................................. 45 第四章 系統(tǒng)軟件的具體實(shí)現(xiàn) ................................. 46 系統(tǒng)監(jiān)控界面 ..................................................... 46 實(shí)驗(yàn)步驟及其調(diào)試結(jié)果 ............................................. 47 歷史數(shù)據(jù)讀取 ..................................................... 48 第五章 總 結(jié) .............................................. 49 參 考 文 獻(xiàn) ............................................... 51 致 謝 .................................................. 52 第一章 緒 論 引言 在人們生產(chǎn)生活的過程中越來越多的涉及到液位控制和處理的問題。水量過多會導(dǎo)致不必要的浪費(fèi)，水量過少達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)而無法滿足要求，在很多情況下，即使是很小的測量相對誤差也會造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。 這些不同背景的實(shí)際問題我們都可以把他們簡化為某種水箱的液位控制和處理問題。特別是在動態(tài)的狀態(tài)下，采用合適的方法對液位進(jìn)行檢測與控制，能起到很好的生產(chǎn)效果。為了在這些實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行開展研究性實(shí)驗(yàn)，必須先將這些實(shí)驗(yàn)裝置改造為由計(jì)算機(jī)進(jìn)行液位檢測和控制。工業(yè)液位控制中 , 常常用到液位控制。 過去通用的方法是由工作人員分班定時監(jiān)測液位計(jì)的指示值 , 將指示值與規(guī)定液位數(shù)值比較 , 并算出兩者的差值 , 根據(jù)液位變化大小作出判斷、控制閥門的開度大小。 不能排除人為發(fā)生錯誤的因素 , 如記錄時的誤讀和誤記等 [2]。 課題背景 虛擬儀器技術(shù)的國外發(fā)展現(xiàn)狀 虛擬儀器技術(shù)目前在國外發(fā)展很快，以美國國家儀器公司（ NI 公司）為代表的一批廠商已經(jīng)在市場上推出了基于虛擬儀器技術(shù)而設(shè)計(jì)的商品化儀器產(chǎn)品。美國的斯福坦大學(xué)的機(jī)械工程系要求三、四年級的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時應(yīng)用虛擬儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)控制。最早和最具有影響力的開發(fā)軟件，是 NI 公司的 LABVIEW 軟件和Lab windows/CVI 開發(fā)軟件。 Lab windows/CVI 是為熟悉 C 語言的開發(fā)人員準(zhǔn)備的、在 windows 環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn) ANSI C 開發(fā)環(huán)境，除了上述優(yōu)秀的開發(fā)軟件之外，美國 HP 公司的HPVEE 和 HPTIG 平臺軟件，美國 Tektronix 公司的 EzTest 和 TekTNS 軟件，以及美國的 HEM Data 公司的 SnapMaster 平臺軟件，也是國際上公認(rèn)的優(yōu)秀虛擬儀器開發(fā)平臺軟件。世界各國的公司，特別是美國 NI 公司，為使虛擬儀器能夠適應(yīng)上述各種總線的配置，開發(fā)了大量的軟件以及適應(yīng)要求的硬件（插件），可以靈活的組建不同復(fù)雜程度的虛擬儀器自動檢測系統(tǒng)。美國 NI 公司在1997 年 9 月 1 日推出模塊化儀器的主流平臺 PXI，這是與 Compact PCI 完全兼容的系統(tǒng)。是目前已經(jīng)發(fā)布的最高傳輸速度。它們多數(shù)屬于中低頻范 圍，主要是工程應(yīng)用類儀器設(shè)備。 國內(nèi)已有部分院校的實(shí)驗(yàn)室引入了虛擬儀器系統(tǒng)，上海復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、廣州暨南大學(xué)、華中理工大學(xué)、四川聯(lián)合大學(xué)等。其中，華中理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院工程 測試實(shí)驗(yàn)室將其開發(fā)成果在網(wǎng)上公開展示。清華大學(xué)利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的汽車發(fā)動機(jī)檢測系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動機(jī)的出廠檢驗(yàn)。一臺發(fā)動機(jī)檢測完后，就可打印出完整的檢測報告。其主要產(chǎn)品有數(shù)字存儲示波器系列、任意波形發(fā)生器及頻率計(jì)系列、多通道大容量波 形 — 記錄系列。國內(nèi)將有大批企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。虛擬儀器技術(shù)的提出和發(fā)展，標(biāo)志著二十一世紀(jì)自動測試與電子測試儀器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個重要方向虛擬儀器技術(shù)發(fā)展趨勢 虛擬儀器是微電子、通信、計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物。有一種較普遍地說法將測量儀器的發(fā)展分為五個階段，如圖 所示。模擬儀器主要有模擬式電壓表、電流表等，這些儀表解決了當(dāng)時對某些量的測量的需求。這時電子控制集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)開始融為一體成為測量儀器的主要特征。伴隨微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展及在電工電子測量技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，測量儀器也不斷進(jìn)步和 發(fā)展，出現(xiàn)了智能儀器。這種內(nèi)置微處理器的儀器，既能進(jìn)行自動測試又能完成數(shù)據(jù)處理，可取代部分的腦力勞動。 但是在數(shù)字化儀器、智能儀器階段基本上沒有擺脫傳統(tǒng)儀器那種獨(dú)立使用、手動操作的模式，難以勝任更復(fù)雜、多任務(wù)的測量需求。人們發(fā)明制造出 CAMAC、 RS232 和 GPIB 等多種儀器通訊接口總線，用于將多臺智能儀器連在一起，以構(gòu)成更復(fù)雜的測試系統(tǒng)。伯克提出了微機(jī)化儀器的概念，也就是人們現(xiàn)在常提到的卡式儀器。 PC 總線儀器系統(tǒng)是卡式儀器的一種，它是利用 PC 機(jī)內(nèi)部的總線，把若干塊儀器卡插在 PC 機(jī)內(nèi)部或外部擴(kuò)展機(jī)箱內(nèi)而組成的。 雖然許多廠家通過定義新的儀器總線，不斷對卡式儀器進(jìn)行改進(jìn)，但其大多是在微機(jī)內(nèi)總線的插槽上進(jìn)行開發(fā)，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，且各廠家生產(chǎn)的插卡尺寸大小不一，設(shè)備兼容性較差。 1987年，美國的惠普和泰克等 5 家公司在 VME 總線的基礎(chǔ)上，聯(lián)合提出了一種新型總線系統(tǒng) VXI(VME eXtension For Instrumentation)總線，即由微機(jī)總線 VME 擴(kuò)展而成的微機(jī)化儀器專用總線。制定 PXI 規(guī)范的目的是為了將 PC 的性能價格比優(yōu)勢和 PCI 總線面向儀器領(lǐng)域的必要擴(kuò)展結(jié)合起來，以期形成一種主流的虛擬儀器測試平臺。這些以 PC 為核心、由測量功能軟件支持，具有虛擬控制面板、必要儀器硬件和通信能力的 PC 儀器或 VXI 儀器就是虛擬儀器。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(fèi)用更低，測量速度、準(zhǔn)確度及可復(fù)用性提高，且更便于相應(yīng)儀器系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)展 [3]。本文正是在虛擬儀器技術(shù)的基礎(chǔ)上對多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多路信號的采集，并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時顯示、記錄、分析處理。 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(biāo)準(zhǔn) C， Visual C++ ， Visual Basic 等通用程序開發(fā)語言。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。 LabWindows/CVI 是為熟悉 C 語言的開發(fā)人員準(zhǔn)備的，是在 Windows 環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn) ANSIC 開發(fā)環(huán)境。 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(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個標(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/PI、 ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)，是一個功能強(qiáng)大且靈活的軟件。 目前，在以 PC 機(jī)為基礎(chǔ)的測試和工控軟件中， Labview 的市場普及率僅次于 C++/C 語言。因此， Labview 受到越 來越多工程師、科學(xué)家的普遍青睞。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]。 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(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對象。 2）流程圖：流程圖提供 VI 的圖形化源程序。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(jié)構(gòu)和連線等。這種設(shè)計(jì)思想的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在兩方面： ① 類似流程圖的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的工程人員。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(yùn)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(yùn)行。 3）圖標(biāo) /連接設(shè)計(jì)：這部分的設(shè)計(jì)突出體現(xiàn)了虛擬儀器模塊化程序設(shè)計(jì)的思想。而在 Labview 中提供的圖標(biāo) /連接工具正是為實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)而準(zhǔn)備的。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在如下幾方面： ① 把一個復(fù)雜自動檢測系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，程序設(shè)計(jì)思路清晰，給設(shè)計(jì)者調(diào)試程序帶來了諸多的方便。 ② 一個復(fù)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(xì)節(jié)化，便于實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)用，大大節(jié)省軟件研發(fā)周期，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性。同時為實(shí)現(xiàn)虛擬儀器設(shè)計(jì)的靈活性提供了前提。 （ 1） 硬件設(shè)計(jì)：液位數(shù)據(jù)的顯示電路、鍵盤輸入及接口電路設(shè)計(jì)。 （ 3） 與總線系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)調(diào)試。 （ 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(jī)傳輸給 PC 機(jī)的數(shù)據(jù)信號，實(shí)現(xiàn)對液位的檢測控制。 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shù)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。它是計(jì)算機(jī)與外部物理世界連接的橋梁。實(shí)際采集時，噪聲也可能帶來一些 麻煩。 假設(shè)現(xiàn)在對一個模擬信號 x(t)每隔△ t 時間采樣一次。它的倒數(shù) l/△ t被稱為采樣頻率，單位是采樣數(shù) /每秒。所有 x(0)， x(△t)， x(2△ t)都是采樣值。采樣間隔是△ t，注意，采樣點(diǎn)在時域上是離散的。這個數(shù)列中僅僅用 下標(biāo)變量編制索引，而不含有任何關(guān)于采樣率 (或△ t)的信息。 根據(jù)采樣定理，最低采樣頻率必須是信號頻率的兩倍。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 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(jié)果是還原的信號的頻率看上去與原始信號不同。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。理論上設(shè)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(shí)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。本章主要的設(shè)計(jì)內(nèi)容是控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)。在這里只以單片機(jī)和 AD 采集芯片的選擇為例進(jìn)行說明。 單片機(jī)的選擇 本設(shè)計(jì)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(jī)即可。 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(guān)，是否內(nèi)部有基準(zhǔn)電源，使用是否方便，數(shù)據(jù)是串行還是并行等等。 實(shí)踐證明，我們對以上芯片的采用完全能夠達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，說明選擇是合理的，下面對這兩個芯片做詳細(xì)的說明。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。 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