《武汉工程大学学报》 2013年07期
81-86
出版日期：2013-07-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
虚拟仪器技术在温度采集系统中的应用
0引言随着电子技术的快速发展，测温的方法多种多样，应用单片机进行温度采集系统的设计也很多，结构也越来越简单.目前，诸多控制系统建立在以计算机技术为控制核心上，此时就需要充分利用计算机实现和扩展传统仪器和智能仪器的功能，这会使得系统的开发、实现更加简单方便.本文将介绍一种基于实验室虚拟仪器工程平台(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，以下简称：LabVIEW)和单片机的温度采集系统的设计与实现，系统由单片机和温度传感器搭建下位机系统、LabVIEW和个人计算机(Personal Computer，以下简称：PC机或PC)构成上位机系统，下位机系统采集温度由串口通信传输至PC机，上位机系统应用LabVIEW进行数据处理和分析，实现了“软件即是仪器”.1系统设计方案该系统由上位机和下位机构成主从式控制系统：单片机STC89C54RD+和数字温度传感器DS18B20搭建实时温度采集电路作为下位机；上位机为安装有LabVIEW应用软件的PC机.下位机采集温度数据由串口通信总线传输至PC机，PC机应用LabVIEW实时进行数据的显示、处理、分析和存储等操作.系统结构示意图如图1所示.图1系统结构示意图Fig.1Sketch map of the system2下位机系统设计下位机系统主要实现系统温度数据的采集，用于上位机处理.本文采用单片机STC89C54RD+为控制中心，单总线数字温度传感器DS18B20进行温度的采集.由于DS18B20构成的温度测量装置输出采集温度为数字值，使得设计比较简单，硬件实现容易.2.1硬件设计宏晶科技推出的STC89系列单片机低功耗、高速可靠、强抗干扰等特性显著，指令代码完全兼容51单片机，STC89系列单片机应用广泛\[1\].DS18B20具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强等特点，其测量温度的范围为-55～+125 ℃，可直接将温度转化成数字信号输出.本设计中，DS18B20工作在外部电源供电模式下，其工作电源由VDD引脚接入+5V，GND引脚接地，将DS18B20的数据输入/输出端DQ引脚与单片机STC89C54RD+的P1.0端口相连.在此方式下，DS18B20工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路简单.DS18B20与STC89C54RD+的连接电路如图2所示\[23\].图2DS18B20与STC89C54RD+的连接电路Fig.2Connection circuit of DS18B20 and STC89C54RD+第7期许钢，等：虚拟仪器技术在温度采集系统中的应用武汉工程大学学报第35卷2.2软件设计下位机主要是进行温度数据的采集，读出并处理DS18B20测量的温度值.由于DS18B20采用单总线协议方式，经过单线接口访问DS18B20 的协议如下：初始化、ROM操作命令、存储器操作命令和处理数据.下位机系统软件程序流程如图3所示.图3下位机系统软件设计Fig.3Design of the lower computer system software2.3软件仿真在仿真软件Proteus中按上位机系统设计绘制电路图，并正确连线，然后把生成的.hex文件加载到单片机中去，启动运行，下位机系统仿真结果如图4所示.图4下位机系统仿真结果Fig.4Simulation result of the lower computer system通过上述仿真可看出，下位机系统设计满足设计要求，具有现实可行性.3上位机系统设计上位机系统应用LabVIEW进行设计.LabVIEW具有高性能、无缝集成、扩展性强及开发时间短等优点，其用于系统的开发、测试及实现，可大大减少产品投放市场的时间，在汽车和航天航空技等众多工程应用领域深受用户的欢迎\[4\].虚拟仪器软件结构体系(Virtual Instrument Software Architecture，以下简称：VISA)，是用来与其他仪器总线进行通信的高级应用编程接口；VISA子模板主要有基本节点、指定接口、事件处理、高层寄存器读写、低层寄存器读写等部分\[5\].LabVIEW中所有的VISA节点都位于程序框图中，放置这些节点的具体操作为：Functions→All Functions→Instrument I/O→VISA.上位机系统的程序框图如图5所示.图5上位机系统的程序框图Fig.5Block diagram of the upper computer system在运行上位机应用程序前，用户必先输入用户名和登录密码，并设置好串口端号，此时点击左上角的运行按钮，系统闪烁提示“登录成功”、“欢迎使用”后方可进入上位机系统.若用户没有正确输入用户名、密码或没有正确选择串口号，则系统提示“登录错误”并自动退出关闭LabVIEW应用程序，此时无法进入上位机系统.系统采集温度值和采集时间戳数据存储在已设置路径的Excel表格中.用户登录成功界面如图6所示.图6用户登录界面Fig.6User login interface4系统通信设计上位机和下位机采用RS232串行总线数据通信，实现两者之间数据传输.目前，市场上大多数笔记本电脑并不带有RS232接口，为方便用户使用系统，采用Prolific公司生产的PL2303进行RS232USB接口转换，这样使用一根USB线就可以实现串口通信\[67\].图7可实现USB与RS232的信号转换，串口通信的程序流程如图8所示.图7USB/RS232接口转换电路Fig.7Interface circuit of USB/RS232 convertion图8串口通信流程图Fig.8Serial communication flowchart5实验结果与分析根据设计的温度采集系统，给下位机系统上电，各部分电路开始工作，PC机上打开上位机系统设计LabVIEW程序，进入LabVIEW操作界面.首先，在用户登录窗口输入正确的用户名和登录密码，选择正确的串口号，串口默认设置如表1所示.报警温度的上下限分别设置为85 ℃和15 ℃，设置存储数据的Excel表格路径为F:＼LabVIEW＼DataSheet.xls.表1串口默认参数设置Table 1Serial default parameter settings端口名称波特率数据位停止位校验位参数设置960081无校验上位机系统按表1参数设置，运行系统程序，当前运行程序的前面板如图9所示，系统存储数据Excel表如图10所示. 图9中系统指示灯为绿色，说明此时系统运行正常；上限报警和下限报警指示灯均为绿色且扬声器没有任何提示音，表明实时采集温度没有超出报警温度范围.由图9和图10可以看出：数据接收窗口每隔1 s进行一次采集温度值的记录，且接受窗口数据不停刷新；示波器绘制被测系统的温度趋势曲线图；指定路径下的Excel表格存储了系统运行期间采集的温度值；各温度单位之间的温度值进行在线实时转换显示.此外，还可以任意设置报警温度上下限值等，且超出报警温度范围系统会有红灯提示以及“嘀”、“嘀”的报警声.通过分析实验结果可以看出，本设计系统实现了实时温度采集的功能.图9上位机系统的前面板Fig.9Front panel of the upper computer system图10存储采集数据的Excel表Fig.10Excel sheet stored acquisition datas6结语本设计采用STC89C54RD+单片机和温度传感器DS18B20进行温度的采集，结合串口通信技术和虚拟仪器技术设计的基于LabVIEW和单片机的温度采集系统实现了对温度的实时采集、显示、分析处理以及存储等功能.较传统基于单片机的温度采集系统，本系统实现了与计算机的高度融合，降低了硬件制作的复杂度，灵敏性和灵活度都有了很大的提高，其减少单片机显示、按键等外围电路很大程度上有利于单片机嵌入到其他系统；与采用数据采集(DAQ)卡搭建的系统相比较\[8\]，本系统极大程度上减少了成本.若多点温度采集使用本系统则会大大缩小系统开发时间，减少费用.本系统人机交互界面友好美观，操作简单，易于观察实验结果；经多次实验测试，系统运行良好，实验结果理想.致谢安徽工程大学电气工程学院胡天水硕士在测试实验过程中给予了帮助，安徽省教育厅为本文提供了科研经费支持，在此一并致以衷心的感谢！