1 引言
虛擬儀器是基于計算機(jī)的儀器,。計算機(jī)和儀器密切結(jié)合,構(gòu)建虛擬儀器代替復(fù)雜笨重的模擬儀器是目前儀器發(fā)展的趨勢,。與傳統(tǒng)儀器相比,,虛擬儀器在智能化、處理能力,、性價比,、可操作性等方面都具有明顯優(yōu)勢,能將分散的儀器設(shè)備集中管理,,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程的自動化管理,,提高生產(chǎn)效率,降低成本,。
2 系統(tǒng)組成
本系統(tǒng)設(shè)計是一種新型的虛擬儀器測試系統(tǒng),,它是由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通訊子系統(tǒng)組成,其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是以C8051F120單片機(jī)為核心,,C8051F120單片機(jī)功能強(qiáng)大,可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)信號精確采集、數(shù)字濾波和通過串口RS-232高速向上位機(jī)傳輸采集的數(shù)據(jù)通訊,,上位機(jī)用LabVIEW完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理,、分析、顯示,。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)通過RS-232串口進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通訊,,插拔便捷。該虛擬儀器測試系統(tǒng)打破了LabVIEW等軟件平臺對虛擬儀器開發(fā)的束縛,。
2.1下位機(jī)設(shè)計
2.1.1下位機(jī)硬件設(shè)計
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將現(xiàn)場采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,,并進(jìn)行處理、傳輸,、存儲等操作,。該數(shù)據(jù)采集電路由嵌入式微處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器,、非易失性存儲器等器件組成,。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)用最小功耗設(shè)計理論,可在電池供電下采集,、記錄數(shù)據(jù),并能長時間工作,。
下位機(jī)硬件設(shè)計電路主要由高性能C8051F120單片機(jī),、A/D轉(zhuǎn)換接口電路、人機(jī)接口電路,、串口通訊電路,、電源電路、系統(tǒng)復(fù)位電路,、A/D轉(zhuǎn)換電壓基準(zhǔn)電路,、外部時鐘電路、JTAG接口電路等組成,。其硬件電路圖如圖2所示,。
2.1.2下位機(jī)各模塊設(shè)計
(1) C8051F120單片機(jī)
C8051F120單片機(jī)是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)SoC(System on Chip)級MCU器件,具有與MCS-51內(nèi)核及指令集完全兼容的高速,、流水線結(jié)構(gòu),。機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個系統(tǒng)時鐘周期降為1個系統(tǒng)時鐘周期,峰值可達(dá)25 MI/s,。除了具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件之外,,片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用模擬器件和其他數(shù)字外設(shè)及功能器件,兩個全雙工增強(qiáng)型串行通訊接口(UART),,真正12位,、100 Ks/s逐次逼近型(SAR)8通道ADC,完全能夠滿足高速、高精度,、多通道數(shù)據(jù)采集,,數(shù)字濾波,數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。此外,,片?nèi)還集成基于JTAG協(xié)議的調(diào)試電路,通過JTAG接口可實(shí)現(xiàn)對C8051F120單片機(jī)閃存的讀寫操作,,以及全速,、非侵入式在系統(tǒng)調(diào)試。
(2) A/D轉(zhuǎn)換接口電路
C8051F120單片機(jī)的ADC0~ADC1子系統(tǒng)各通道輸入電壓應(yīng)小于等于基準(zhǔn)電壓,,傳感器信號多為微弱電流信號,,根據(jù)信號采集傳感器的特點(diǎn),需在通道接口設(shè)計傳感器信號處理電路,、電壓轉(zhuǎn)換電路和插拔式接口,。
(3)人機(jī)接口電路
C8051F120單片機(jī)為100引腳TQFP封裝,具有標(biāo)準(zhǔn)8051的端口,,還具有附加的4個8位I/O端口,,這樣無需接口器件拓展I/O端口,采用在P0.2~P0.5 I/O端口連接發(fā)光二極管,,采用共陰極方式設(shè)計D1~D44個工作狀態(tài)指示燈,,在P1.0~P1.3 I/O端口使用按鍵開關(guān)設(shè)計KEY1~KEY4.4個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制按鍵,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,、數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)傳輸功能,。
(4)串口通訊電路
C8051F120單片機(jī)內(nèi)部集成了2個全雙工增強(qiáng)型串行通訊接口(UART0和UART1),支持通用異步協(xié)議(UART協(xié)議)和同步協(xié)議(SPI協(xié)議),。本系統(tǒng)采用UART協(xié)議,,通過RS-232接口器件SP3223E完成單片機(jī)TTL電平到RS-232電平的轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)C8051F120單片機(jī)與PC機(jī)的RS-232串口數(shù)據(jù)通信,。
(5)電源電路
本系統(tǒng)采用220 V~50 Hz,,5.5 VA/5 V~300 mA變壓器供電,電路通過電感外部供電轉(zhuǎn)化為5 V穩(wěn)定電壓輸出,,再通過硅整流二極管1N4001和電平轉(zhuǎn)換器AS1117把5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V穩(wěn)定電壓(DV與AV)輸出,,作為硬件系統(tǒng)工作電源。
(6)系統(tǒng)復(fù)位電路
在C8051F120單片機(jī)RST引腳設(shè)計復(fù)位電路,,利用電容的充放電控制單片機(jī)的復(fù)位RST引腳為低電平,,并保持2個機(jī)器周期以上,C8051F120單片機(jī)即可復(fù)位,。
(7)其他電路
A/D轉(zhuǎn)換電壓基準(zhǔn)電路和C8051F120單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器采用片內(nèi)基準(zhǔn)電壓,。該電路是由1.2 V,、15 ppm/℃(典型值)的帶隙電壓基準(zhǔn)發(fā)生器和帶有2倍增益的輸出緩沖放大器組成。內(nèi)部基準(zhǔn)電壓通過VREF引腳連接至應(yīng)用系統(tǒng)的外部器件,,在VREF引腳與AGND之間接人0.1μF和4.7μF的旁路電容,。
(8)外部時鐘電路
采用C8051F120單片機(jī)外部時鐘,晶體振蕩器頻率為18.432 MHz,,外部時鐘由外部諧振器,、并行方式的晶體、電容,、電阻連接到C8051F120單片機(jī)的XTAL1/XTAL2引腳,。JTAG接口電路將單片機(jī)C8051F120片內(nèi)JTAG邊界掃描和調(diào)試電路連接至C8051F120單片機(jī)開發(fā)調(diào)試程序下載軟硬件工具。
(9)溫度采集電路
采用Dallas公司的遵循一線通信協(xié)議溫度采集器件DS18B20,。DS18B20集成度高,,只有3個引腳,低功耗,,采樣溫度精度可達(dá)0.5℃,,廣泛應(yīng)用于各種動態(tài)參數(shù)的監(jiān)測電路。
2.1.3下位機(jī)軟件設(shè)計
下位機(jī)軟件設(shè)計流程圖軟件流程如圖3所示,。
2.2上位機(jī)設(shè)計
上電后,,單片機(jī)采集電流、電壓,、溫度等數(shù)據(jù),,通過串口傳送至上位機(jī)進(jìn)行模擬量信號顯示。
上位機(jī)虛擬儀器LabVIEW的編程環(huán)境分為前面板(panel)和流程圖(block diagram),。前面板分別為程序控制(輸入)和結(jié)果顯示(輸出)部分,形成如同傳統(tǒng)儀器前面板一樣的VI前面板,。在程序運(yùn)行期間,,用戶通過前面板控制、觀測,,如同使用一臺儀器,。程序?qū)崿F(xiàn)的代碼部分使用G語言在流程圖中編寫。G語言編程過程主要是將代表功能模塊(運(yùn)算符或VI)的一個個圖標(biāo)放置在流程圖中,,用戶按希望的數(shù)據(jù)傳遞次序和方向?qū)⑦@些模塊的輸入/輸出連接出來,。上位機(jī)軟件流程圖如圖4所示。
上位機(jī)設(shè)計包括以下關(guān)鍵模塊:
(1)串口連接通路
儀器本身支持與計算機(jī)的通信,,儀器和計算機(jī)之間存在適當(dāng)?shù)倪B接通路,,計算機(jī)在硬件上支持該連接通路,采用標(biāo)準(zhǔn)DB9串口電纜進(jìn)行連接,,直接利用計算機(jī)的串口,。
(2)波形操作模塊
波形函數(shù)位于Functions→All Functions→Waveform子模板,。數(shù)據(jù)采集中,要從每個通道中各采集一個波形,,這時數(shù)據(jù)采集函數(shù)輸出的數(shù)據(jù)類型就是一個波形數(shù)組,。獲得波形數(shù)組后,使用數(shù)組函數(shù)從數(shù)組中提取波形元素,,然后顯示波形數(shù)據(jù),。
(3)采樣定理的應(yīng)用
根據(jù)采樣定理,采樣頻率fs必須至少是測量信號所包含的最高頻率fm的2倍,,這樣采樣數(shù)據(jù)才能包含原始信號的所有頻率分量的全部信息,。如果信號中包含的頻率高于fs/2的成分,則信號將在0 Hz和fs/2之間發(fā)生畸變,。當(dāng)采樣頻率過低時,,由于所采樣的數(shù)據(jù)還原的信號頻率與原始信號不同,將發(fā)生混疊,。
3 結(jié)束語
使用本動態(tài)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)對某公司研制的新型模擬信號監(jiān)測系統(tǒng)信號進(jìn)行測試,,同時也為測定該系統(tǒng)的性能參數(shù)提供的可供參考的檢測手段,要求進(jìn)一步更新完善設(shè)計?,F(xiàn)場的試驗(yàn)與應(yīng)用表明,,該系統(tǒng)具有精度高、測試可靠,,操作簡單方便,、結(jié)果表達(dá)直觀等特點(diǎn)。
該系統(tǒng)擺脫了虛擬儀器開發(fā)對LabVIEW等軟件平臺的依賴和PCI總線等數(shù)據(jù)采集板卡的束縛,,具有一定的創(chuàng)新性和很高的實(shí)用性,。