【正文】 .......................................................................... II 第 1 章 緒論 ......................................................................................................... 1 課題研究背景 ............................................................錯誤 !未定義書簽。溫度數(shù)據(jù)無處不在存在于周圍環(huán)境，溫度實時變化對我們生活、生產(chǎn)產(chǎn)生重要影響。在生活中，溫度的顯著變化超出人的適應(yīng)范圍導(dǎo)致身體不適，容易引發(fā)感冒、中暑等癥狀。 在社會生產(chǎn)環(huán)境中，生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部與外界的熱傳遞總會以各種方式進行熱量交換，系統(tǒng)內(nèi)部熱源的干擾也是變化莫測。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，兩個溫度相同的系統(tǒng)之間可以通過一定控制技術(shù)達到熱平衡的，利用與目標系統(tǒng)溫度同步的隔離層，實現(xiàn)目標系統(tǒng) 與外界進行熱隔離 [1]。因此，對溫度的控制精度要求比較高的情況下，禁止出現(xiàn)溫度過沖現(xiàn)象，即不應(yīng)許實際溫度超過控制的目標溫度，特別是隔熱效果較好的系統(tǒng)環(huán)境，溫度一旦出現(xiàn)過沖，將難以迅速實現(xiàn)溫度下降。 從第一臺計算機出現(xiàn)至今應(yīng)有 60 年歷史，計算機應(yīng)用由最初的國防事業(yè)蔓延至各行各業(yè)，加上電子技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)代測量技術(shù)的發(fā)展，為現(xiàn)代測量技術(shù)發(fā)展提供了技術(shù)保障。虛擬儀器提出的主要思想是利用模塊化硬件設(shè)計，結(jié)合軟件完成各種測試、測量和自動化應(yīng)用。 傳統(tǒng)儀器由儀器設(shè)備生產(chǎn)廠商根據(jù)市場需求開發(fā)出滿足用戶需求的專用儀器，具有輸入輸出接口和儀器控制面板，該儀器呈現(xiàn)給用戶的表現(xiàn)為功能單一，測試環(huán)境封閉。然而，虛擬儀器只需在必要的數(shù)據(jù)采集硬件和通用計算機支持下，通過軟件設(shè)計實現(xiàn)儀器的全部功能變更。例如一些技術(shù)水平不高，經(jīng)濟實力弱的公司在進行產(chǎn)品分析時，對于購置高檔臺式儀器如數(shù)字示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀等儀器表現(xiàn)出一定壓力。用戶可以植入系統(tǒng)算法 應(yīng)用于虛擬儀器，提供傳統(tǒng)臺式儀器不具備的功能，而且完全可以通過軟件配置實現(xiàn)多功能集成于一體的儀器系統(tǒng)。虛擬儀器脫胎于數(shù)字存儲示波器，于 1986 年正式推出編程環(huán)境 LabVIEW，標志虛擬儀器基本成型 [2]。在機構(gòu)和功能上，虛擬儀器利用現(xiàn)代計算機技術(shù)，配置現(xiàn)代裁剪硬件和專用軟件，不僅具備普通儀器的基本功能，而且擁有一些普通儀器不具有的功能；在使用方面，虛擬儀器利用可視化的圖形開發(fā)環(huán)境，建立直觀、靈活、高效的虛擬儀器面板，可以有效地提高儀器使用效率 [3]。 1983 年， Apple 公司推出了世界上第一款圖形界面的微型計算機Macintosh,標志著在計算機屏幕上模擬儀器成為可能 [5]。 LabVIEW 軟件采 3 用圖形化語言代 替代碼編程，將傳統(tǒng)意義上的硬件設(shè)計和代碼語法轉(zhuǎn)化為軟件流程和整體功能布局，大大簡化了編程流程，提高了編程效能，以其獨特生命力贏得工程技術(shù)人員支持。隨著微軟基于圖形界面 Windows 的出現(xiàn)，LabVIEW 開始向 Windows 平臺移植，隨著虛擬儀器技術(shù)越來越廣的被開發(fā)運用，眾多儀器廠商可以專注虛擬儀器研發(fā)，大大推廣普及了虛擬儀器的發(fā)展 [7]。 GPIB 總線標準確立后只需將傳統(tǒng)儀器通過 GPIB 和 RS232 連接至計算機端口，用戶就可以從測量儀器獲取數(shù)據(jù)，借助計算機平臺和虛擬儀器軟件工具來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析處理與顯示。隨著插入式計算機數(shù)據(jù)處理卡（ DAQ）出現(xiàn)和 VXI 儀器總線標準確立，虛擬儀器功能更加豐富，不僅可以可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理和顯示，還可以實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的分享，一定意義上促進了技術(shù)開發(fā)和合作。隨著總線標準的確立和模塊化儀器架構(gòu)的出現(xiàn)，實現(xiàn)了模塊化儀器構(gòu)架通過總線通信協(xié)議標 準互聯(lián)成為系統(tǒng)，相對獨立儀器來說減少了系統(tǒng)集成時間，提高了響應(yīng)性和簡便性，此外虛擬儀器平臺不斷完善贏得行業(yè)認可，從而也為儀器工具標準化發(fā)展起到推動作用。隨著虛擬儀器的先進性、優(yōu)越性和廣闊的發(fā)展前景受到眾多商家的青睞，不少生產(chǎn)儀器廠商開始投入到虛擬儀器開發(fā)陣營中來，如美國 HP 公司、 Tektronix 公司等，使得虛擬儀器發(fā)展迎來了自己的春天。在硬件結(jié)構(gòu)上包羅了各種總線結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制模塊，軟件上表現(xiàn)為 NI 公司推出的 LabVIEW 和 LabWindows/CVI 和 HP 公司打造的 VEEE，他們在各自的領(lǐng)域服務(wù)并贏得了行業(yè)認可 [9]。在與傳統(tǒng)儀器 廠商競爭中， NI 公司作為一家年輕企業(yè)借助虛擬儀器平臺不斷發(fā)展，走 4 在了測試儀器發(fā)展前沿 [10]。 國內(nèi)發(fā)展情況 傳統(tǒng)的儀器測控系統(tǒng)采用獨立式儀器儀表集中對被測環(huán)境、設(shè)備進行參數(shù)監(jiān)控，用戶通過控制界面進行集中操作。 隨著中國社會的發(fā)展，涉足領(lǐng)域開始蔓延縱深方向，國防、通信、航天、航空、氣象、環(huán)境監(jiān)測、制造等領(lǐng)域?qū)τ跍y控和處理的信息量需求越來越大、速度越來越快，被測對象的空間位置日益分散，測控任務(wù)也由原來的單一性向現(xiàn)代的多元化轉(zhuǎn)變，測控系統(tǒng)更加復(fù)雜龐大，面對現(xiàn)實發(fā)展需求，要求檢測技術(shù)現(xiàn)場化、遠程化、網(wǎng)絡(luò)化等。因此，由計算機控制配置控制模塊組成的測控系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)控制模塊單元通過各種總線互連實現(xiàn)信息的傳輸共享成為服務(wù)測控主流。國家自然科學(xué)基金委員會也曾將虛擬儀器研究作為現(xiàn)代機械工程科學(xué)發(fā)展前沿學(xué)科之一，列入為 “十五 ”期間優(yōu)先資助領(lǐng)域。據(jù)了解國內(nèi)展開虛擬儀器技術(shù)研究、教學(xué)和開發(fā)的學(xué)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，我國虛擬儀器堅持走出一條自主創(chuàng)新的路子，具體表現(xiàn)為 863 項目 “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)計主要是研究基于虛擬儀器 LabVIEW 設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、分析、顯示等。 6 第 2章 系統(tǒng)方案設(shè)計 設(shè)計任務(wù) 課題設(shè)計任務(wù)是利用 LabVIEW 的串口通信模塊，采集來自單片機獲得的數(shù)據(jù)采集信號，并在 LabVIEW 上實時繪圖顯示，并通過設(shè)置數(shù) 據(jù)采集信號數(shù)值上下限，當采集信號高出或者低于預(yù)警線時，界面會出現(xiàn)相應(yīng)的提示，同時能夠?qū)Σ杉男盘栠M行存儲，在進行歷史記錄調(diào)用時候可以顯示出原始數(shù)據(jù)采集記錄。 完成一個基于 LabVIEW 與傳感模塊的溫度檢測系統(tǒng)，要求實現(xiàn)具體功能如下： （溫度采集） 顯示界面及與下位機的串口通信 軟件上溫度的實時顯示 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值，不同類型的采集系統(tǒng)因采集模塊不同設(shè)計，在進行數(shù)據(jù)采集時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)用軟件和計算機等相關(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，抗干擾能力強，精度高，測溫范圍 55℃ ~+155℃ ，誤差為 177。 DS18B20 有三個 PIN 腳，分別為 GND、 I/O、 VDD，在判別引腳時面對扁平那一面 左負右正 ,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，讀出溫度時讀出 16 位，前五位為符號位，前五位為零時讀取溫度 為正號， 1 時讀取溫度為負號，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，采用校驗和的方式檢測傳輸數(shù)據(jù)的準確與否。 DHT11 溫濕度傳感器有四個引腳，引腳 1 與正電源相 連接、引腳 4 接地、 DOUT 為輸出引腳負責數(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。具有采樣 /保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換、串口數(shù)據(jù)輸出功能，接口電壓標準為，工作溫度范圍 40℃ ～ +85℃ ，功耗小于 。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)部計數(shù)器 2 是一個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。 64 位ROM 及 一線總線接口 存儲器和控制器 高速緩沖 存儲器 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 10 DS18B20 擁有 64 位 ROM，低 8 位表示產(chǎn)品類型標識，高 8 位表示低56 位循環(huán)冗余校驗碼，中間 48 位表示序列號，可以實現(xiàn)一根總線掛多個DS18B20。配置寄存器內(nèi)部 8 位， D D6 位設(shè)置 DS18B20 轉(zhuǎn)換分辨率。溫度值以 ℃ /LSB 形式表現(xiàn)出來，即溫度值為溫度寄存器里的二進制乘以 ，就是實際的十進制溫度值，DS18B20 采樣值與溫度關(guān)系如表 21 所示。小數(shù)部分因為是半個字節(jié)，所以二進制值范圍是 0 至 F，轉(zhuǎn)換成十進制小數(shù)值就是 的倍=0 =0 計 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 數(shù) 器 1 斜率累加器 預(yù)置 11 數(shù)（ 0 至 15），最高位是符號位， 1 表示溫度為負（用補碼表示），將讀出采樣值取補再轉(zhuǎn)換為十進制表示溫度， 0 表示溫度為正。 本章小結(jié) 本章論述了系統(tǒng)設(shè)計方案確定過程，從系統(tǒng)設(shè)計任務(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處理。溫度采集系統(tǒng)硬件機構(gòu)主要有 DS18B20 溫度采集模塊，單片機（ 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。 圖 32 信號采集結(jié)構(gòu)圖 單 片 機 通訊口 上 位 機 ： 個 人 計 算機、專用計算機 LCD 顯示 數(shù)字 I/O AD/DA 轉(zhuǎn)換 液晶顯示 結(jié) 果 顯 示 模塊 溫 度 采 集 模 塊 數(shù)據(jù)處理 模塊 LabVIEW系統(tǒng) 13 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)平臺包括計算機，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有： ，負責被測模擬信號轉(zhuǎn)換為計算機可識別數(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、建立時間等指標衡量； 模塊，將采集的外部輸入信號進行調(diào)節(jié)，向采集模塊產(chǎn)生符合 要求的信號激勵，常見處理方式有信號隔離、限幅、衰減、放大、濾波等； 號產(chǎn)生模塊，向外界提供測試激勵信號，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； 陣列，信號測試需要進行數(shù)據(jù)的處理、存儲，傳送于處理終端； 號的 I/O 模塊，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。 圖 33 通訊結(jié)構(gòu)圖 采用 CH340 轉(zhuǎn)換芯片具有以下特點： 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； 計算機 或者 其他 USB 主機 USB