基于LabVIEW数据采集系统设计毕业设计(34页).doc

-基于LabVIEW数据采集系统设计毕业设计-第 27 页毕 业 设 计 题 目： 基于LabVIEW数据采集系统设计 院、 系： 电气工程系 姓 名： 指导教师： 系 主 任： 2015年 6月20日基于LabVIEW数据采集系统设计摘 要工农业生产、现代科学研究及高新技术开发离不开温度参数的测量与分析。现代电子检测技术正朝着高集成度、低功耗、可编程以及数字化的方向发展，传统指针式仪器仪表不能进行温度参数数字化处理与分享。本设计介绍了一种基于LabVIEW编程软件数据采集系统设计方案，该方案采用了DS18B20温度传感器作为温度采集介质，处理器STC89C52作为温度采集模块的控制芯片。LabVIEW是一种图像化的编程语言，在数据采集和仪器控制上得到了学术界、工业界认可，为实现仪器编程和数据采集系统提供了方便的途径。设计中通过LabVIEW构建数据采集系统软件平台，将采集的温度数据进行处理并对处理结果进行相应判断。系统设计具有实用价值，可以完成医疗卫生、工农业生产、科学技术研究、公共交通和活动场所等领域的温度数据采集工作。系统设计完成后进行了性能测试，表明该系统能够对被测环境完成实时数据采集，存储、信号分析和实时图形显示等工作，系统设计简单、通用性好、可移植、易于操作、成品低可满足一部分市场需求。关键词 LabVIEW；温湿度传感器（DHT11）；温度传感（DS18B20）Design of Data Acquisition System Based on LabVIEWAbstract The measurement and analysis of the temperature parameters of the industrial and agricultural production, the modern scientific research and the hightech development. In modern times, the electronic measurement technology is developing towards the high degree of integration, low power consumption, programming and the direction of digital, traditional pointer type temperature indicator of temperature parameters of digital processing and sharing.本设计介绍了一种基于LABVIEW编程软件数据采集系统设计方案，该方案采用了DS18B20温度传感器作为温度采集介质，处理器STC89C52作为温度采集模块的控制芯片。LABVIEW是一种图像化的编程语言，在数据采集和仪器控制上得到了学术界、工业界认可，为实现仪器编程和数据采集系统提供了方便的途径。设计中通过LABVIEW构建数据采集系统软件平台，将采集的温度数据进行处理并对处理结果进行相应判断。系统设计具有实用价值，可以完成医疗卫生、工农业生产、科学技术研究、公共交通和活动场所等领域的温度数据采集工作。 This design introduces a kind of based on LabVIEW programmingsoftware data acquisition system design scheme, the scheme uses the temperature sensor DS18B20 as temperature gathering media processor STC89C52 as the control chip of the temperature acquisition module. provides a convenient way for the reali-zation of the instrument programming and data acquisition system. Through the LabVIEW, the software platform of the data acquisition system is built, the temperature data is processed and the corresponding judgment is made. The system design has the practical value, indu-strial and agricultural production, science and technology research, public transportation and activity place and so on domain temperature data collection work.系统设计完成后进行了性能测试，表明该系统能够对被测环境完成实时数据采集，存储、信号分析和实时图形显示等工作，系统设计简单、通用性好、可移植、易于操作、成品低可满足一部分市场需求。After the completion of the system design of performance test, show that the system is capable to was measured that the environment to complete the real-time data acquisition, storage, signal analysis and real-time graphical display work, the system design is simple, good versatility, portability, easy operation, low product can meet part of the market demand.Keywords LabVIEW；Temperature-Humidity sensor；Temperature sensor(DS18B20)目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究背景11.2 虚拟仪器介绍21.3 虚拟仪器技术发展现状31.3.1 国外发展情况31.3.2 国内发展情况41.4 本文主要研究内容5第2章 系统方案设计62.1 设计任务62.2 方案选择62.2.1 DS18B20介绍72.2.2 DHT11介绍72.2.3 XPT2046介绍82.3 方案确定92.3.1 DS18B20测温原理92.3.2 测试参数分析102.4 本章小结11第3章 数据采集系统硬件设计123.1 A/D和D/A模块设计123.2 串口通讯133.3 单片机最小系统介绍143.3.1 数据采集系统主要电路153.3.2 DS18B20与单片机接口电路163.3.3 振荡与复位电路163.3.4 主电路图163.4 本章小结17第4章 采集系统软件设计184.1 虚拟仪器开发软件184.2 下位机程序设计194.2.1 初始化程序194.2.2 读写时序函数214.2.3 温度采集模块程序214.3 上位机程序设计224.3.1 前面板主页界面224.3.2 前面板实时数据测控234.3.3 前面板历史记录234.3.4 用户登录界面程序框图234.3.5 串口通讯程序框图244.3.6 温度显示和波形显示模块244.4 本章小结25第5章 数据采集系统调试265.1 系统调试265.2 系统评估升级285.3 本章小结28结论29致谢30参考文献31附录32第1章 绪论1.1 课题研究背景 电压、电流作为控制系统中基本物理量，是数字控制系统得以实现的前提。温度数据无处不在存在于周围环境，温度实时变化对我们生活、生产产生重要影响。在工业生产过程中，温度波动影响产品品质，甚至会导致产品报废，在能源和生物领域，温度不稳定会造成能源供应系统受阻，生物产品不达标等。在生活中，温度的显著变化超出人的适应范围导致身体不适，容易引发感冒、中暑等症状。因此，温度数据采集作为系统采集参数具有现实意义。在社会生产环境中，生产系统内部与外界的热传递总会以各种方式进行热量交换，系统内部热源的干扰也是变化莫测。为了促使生产系统与外界的热能量交换尽可能的符合生产工艺要求，就需要采取控制技术来实现生产系统内部温度处于一个相对稳定理想值。根据热力学第二定律，两个温度相同的系统之间可以通过一定控制技术达到热平衡的，利用与目标系统温度同步的隔离层，实现目标系统与外界进行热隔离1。另外，在大部分温度控制系统环境中，增温要比降温实现方法简单。因此，对温度的控制精度要求比较高的情况下，禁止出现温度过冲现象，即不应许实际温度超过控制的目标温度，特别是隔热效果较好的系统环境，温度一旦出现过冲，将难以迅速实现温度下降。因此，温度参数实时检测具有实用价值，便于温度超出正常范围内进行相应的温度补偿。从第一台计算机出现至今应有60年历史，计算机应用由最初的国防事业蔓延至各行各业，加上电子技术、软件技术、网络技术和现代测量技术的发展，为现代测量技术发展提供了技术保障。在上世纪90年代，由美国NI公司提出了新概念虚拟仪器，标志着测量技术向一个新的方向转变。虚拟仪器提出的主要思想是利用模块化硬件设计，结合软件完成各种测试、测量和自动化应用。具体到测量技术上是指在通用的计算机平台上设计测试系统，用户操作这台计算机就可以对被测环境完成测试任务。传统仪器由仪器设备生产厂商根据市场需求开发出满足用户需求的专用仪器，具有输入输出接口和仪器控制面板，该仪器呈现给用户的表现为功能单一，测试环境封闭。传统意义上的仪器一般都由数据采集、数据分析、数据处理、人机交互和显示等几个基本部分组成，如果测试环境、测试物理量等发生变更则需要进行仪器整体变更设计，增加了产品成本。然而，虚拟仪器只需在必要的数据采集硬件和通用计算机支持下，通过软件设计实现仪器的全部功能变更。与传统仪器相比，虚拟仪器除了在性能、易用性、用户可定制性等方面具有更多优点外，在工程应用和社会经济效益方面也独树一帜。例如一些技术水平不高，经济实力弱的公司在进行产品分析时，对于购置高档台式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等仪器表现出一定压力。而采用虚拟仪器技术仅需采购必要的通用数据采集硬件来完成自己的仪器系统设计。用户可以植入系统算法应用于虚拟仪器，提供传统台式仪器不具备的功能，而且完全可以通过软件配置实现多功能集成于一体的仪器系统。1.2 虚拟仪器介绍虚拟仪器的概念由美国仪器公司提出，在计算机基础上通过增加相关硬件和软件构成，具有可视化界面的仪器，利用高性能的模块化硬件设计，结合功能高效的软件来完成数据采集与控制、数据处理与分析、数据显示等物理功能。虚拟仪器脱胎于数字存储示波器，于1986年正式推出编程环境LabVIEW，标志虚拟仪器基本成型2。微机及数字信号处理器运算速度提升实现了实时控制要求，利用通用计算机来管理仪器、组建仪器系统，进而完成传统仪器需要实现的功能。在机构和功能上，虚拟仪器利用现代计算机技术，配置现代裁剪硬件和专用软件，不仅具备普通仪器的基本功能，而且拥有一些普通仪器不具有的功能；在使用方面，虚拟仪器利用可视化的图形开发环境，建立直观、灵活、高效的虚拟仪器面板，可以有效地提高仪器使用效率3。虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，并不强调物理上的实现形式，在与传统仪器同台竞争方面，概括起来如下：一、丰富和增加了传统仪器的功能，用户可以根据运用环境需要灵活的定义仪器，组合不同硬件资源构建多用途仪器；二、突出了软件地位，虚拟仪器与硬件交互限制较小，与其他设备通讯连接方便，在模拟分析时虚拟仪器漂移现象可控，无需定期校准，标准化的总线通讯提高了测量精度、准确度；三、开放的平台，虚拟仪器用户组建系统代码，可以自由方便仪器功能、面板的修改，为用户提供了宽范围的使用空间；四、开放的工业对接标准，设计者利用虚拟仪器开放的工业标准实现设计、使用和管理的标准统一，生产维护和开发费用低，提高仪器市场竞争力和使用效率；五、构建系统便捷，虚拟仪器既可以作为测试系统独立使用，也可以通过计算机网络组成分布式测试系统、远程测试、监控与故障诊断等，与软件结合使用降低了开发成本；六、虚拟仪器可编程性，虚拟具有强大的图形用户界面（GUI），计算机可以实时、直接进行数据编辑，通过分析软件进行软件编程的修改、编辑，也可以利用计算机存储功能记录数据、分享数据等4。1983年，Apple公司推出了世界上第一款图形界面的微型计算机Macintosh,标志着在计算机屏幕上模拟仪器成为可能5。为了进一步提高测试系统，以杰夫科多斯基为首的工程师们于1986年通过NI公司推出了基于苹果机环境下著名的图形化编程工具LabVIEW6。LabVIEW软件采用图形化语言代替代码编程，将传统意义上的硬件设计和代码语法转化为软件流程和整体功能布局，大大简化了编程流程，提高了编程效能，以其独特生命力赢得工程技术人员支持。随后，美国NI公司提出“软件就是仪器”，开辟了虚拟仪器新方向。随着微软基于图形界面Windows的出现，LabVIEW开始向Windows平台移植，随着虚拟仪器技术越来越广的被开发运用，众多仪器厂商可以专注虚拟仪器研发，大大推广普及了虚拟仪器的发展7。根据虚拟仪器发展过程，虚拟仪器发展大致经历了三个发展阶段8：第一阶段:传统意义上的利用计算机增强虚拟仪器功能。GPIB总线标准确立后只需将传统仪器通过GPIB和RS232连接至计算机端口，用户就可以从测量仪器获取数据，借助计算机平台和虚拟仪器软件工具来实现对数据的分析处理与显示。第二阶段：开放式仪器发展阶段。随着插入式计算机数据处理卡（DAQ）出现和VXI仪器总线标准确立，虚拟仪器功能更加丰富，不仅可以可以实现数据分析处理和显示，还可以实现采集数据的分享，一定意义上促进了技术开发和合作。第三阶段：虚拟仪器框架最终确定与成熟。随着总线标准的确立和模块化仪器架构的出现，实现了模块化仪器构架通过总线通信协议标准互联成为系统，相对独立仪器来说减少了系统集成时间，提高了响应性和简便性，此外虚拟仪器平台不断完善赢得行业认可，从而也为仪器工具标准化发展起到推动作用。1.3 虚拟仪器技术发展现状1.3.1 国外发展情况虚拟仪器概念起源于上世纪80年代，由美国NI公司提出，一直成为发达国家自动测控领域研究的重点和应用前沿。随着虚拟仪器的先进性、优越性和广阔的发展前景受到众多商家的青睐，不少生产仪器厂商开始投入到虚拟仪器开发阵营中来，如美国HP公司、Tektronix公司等，使得虚拟仪器发展迎来了自己的春天。据不完全统计，截止到1994年虚拟仪器生产合作厂商达到90余家，生产1000多种各式产品。在硬件结构上包罗了各种总线结构的数据采集和仪器控制模块，软件上表现为NI公司推出的LabVIEW和LabWindows/CVI和HP公司打造的VEEE，他们在各自的领域服务并赢得了行业认可9。1997年，NI公司首次推出基于计算机的开发式的模块化测试系统PXI，与HP公司主导VXI模块化测试系统形成强大竞争，2004年，NI公司推出Compact RIO以及嵌入式可编程采集控制器模块,以高可靠性、高实时性、低功耗等优点获得业内好评。在与传统仪器厂商竞争中，NI公司作为一家年轻企业借助虚拟仪器平台不断发展，走在了测试仪器发展前沿10。在国外高校和研究所，虚拟仪器运用也极其广泛，在麻省理工、加州大学伯克利分校、伊利诺伊大学、弗吉尼亚理工、德州大学奥斯汀分校、卡内基梅隆大学等美国高等工程院校均将虚拟仪器技术的教学列入正常的教学计划当中，相应学科有电气、自动化、通信、医学、机械、土木等，教学和研究成果颇丰。1.3.2 国内发展情况传统的仪器测控系统采用独立式仪器仪表集中对被测环境、设备进行参数监控，用户通过控制界面进行集中操作。以计算机为主体，配置检测装置、执行机构与被控对象(生产过程)共同构成计算机测控系统，系统中的计算机实现生产过程的检测、监督和控制功能，然而该系统通信协议不开放，检控功能单一，因此这种测控系统是一个自封闭系统11。随着中国社会的发展，涉足领域开始蔓延纵深方向，国防、通信、航天、航空、气象、环境监测、制造等领域对于测控和处理的信息量需求越来越大、速度越来越快，被测对象的空间位置日益分散，测控任务也由原来的单一性向现代的多元化转变，测控系统更加复杂庞大，面对现实发展需求，要求检测技术现场化、远程化、网络化等。从服务对象而言，传统独立仪器己远远不能胜任大数量、高质量的信息采集要求。因此，由计算机控制配置控制模块组成的测控系统，系统内控制模块单元通过各种总线互连实现信息的传输共享成为服务测控主流。传统测控仪器在面对现实问题中，我国也积极开展引进虚拟仪器产品。国家自然科学基金委员会也曾将虚拟仪器研究作为现代机械工程科学发展前沿学科之一，列入为“十五”期间优先资助领域。在企事业单位中，也涌现了一批研究和从事虚拟仪器的公司和学校。据了解国内展开虚拟仪器技术研究、教学和开发的学校有清华大学、中国科学技术大学、哈尔滨工业大学、重庆大学、复旦大学、上海交通大学、国防科技大学、四川大学等数十所高校。NI公司也已在2006年提出了“NI中国高校推广计划”，从而进一步打开中国虚拟仪器发展市场。纵观我国虚拟仪器发展历程，我国虚拟仪器坚持走出一条自主创新的路子，具体表现为863项目“虚拟仪器关键技术的研究及其产业化”中所研制的“一体化虚拟仪器”，标志我国成为嵌入式一体化虚拟仪器研发先行者。随着国民经济的持续快速发展，企业技术升级步伐也不断提速，先进虚拟设备需求表现尤为强劲，再加上我国个人计算机业务的快速发展，为虚拟仪器发展奠定了技术基础。业内人士根据市场需求统计预测，我国虚拟仪器行业的产值未来十年内将超过仪器仪表行业总产值的50%。伴随着虚拟技术发展推进，也涌现出一批研究成果，如唐山大学基于ComXactPCIV PYI研制的锅炉供热自动控制系统成功地运用在唐山市热力总公司项目上；清华大学基于ComXactPCIV PYI技术建设的实验热工水利测控平台研制成功了先进的热工测量技术和热工仿真技术成功地完成了海水淡化等重要课题研究；国防科技大学基于NaOVIEP的分布式VYI仪器教学实验系统的研制为VYI仪器广泛进入大学实验室创造了条件；清华大学利用虚拟仪器构建汽车发动机检测系统用于汽车发动机出厂的自动检测等。1.4 本文主要研究内容本设计主要是研究基于虚拟仪器LabVIEW设计的数据采集系统，实现数据采集、处理、分析、显示等。该设计中将温度作为主要采集对象，温度传感器DS18B20作为温度采集器件，通过下位机将采集到的数据显示出来并传送到上位机进行处理分析。第2章 系统方案设计2.1 设计任务 课题设计任务是利用LabVIEW的串口通信模块，采集来自单片机获得的数据采集信号，并在LabVIEW上实时绘图显示，并通过设置数据采集信号数值上下限，当采集信号高出或者低于预警线时，界面会出现相应的提示，同时能够对采集的信号进行存储，在进行历史记录调用时候可以显示出原始数据采集记录。为了提高系统设计应用能力，在设计过程中将采集信号设置为温度。完成一个基于LabVIEW与传感模块的温度检测系统，要求实现具体功能如下：1.单片机（温度采集）2.单片机与上位机的串口通信3.LabVIEW显示界面及与下位机的串口通信4.LabVIEW软件上温度的实时显示5.温度超限提示功能6.历史记录存储回放功能2.2 方案选择数据采集作为系统信号输入组成部分，从传感器和其他待测设备将物理信号自动采集为电量或者非电量信号形式，并通过一定时钟脉冲采集频率和信号载波组合送于信号处理模块分析处理。采集信号的目的主要是测量电压、电流、温度、压力、声音等物理信息量，并将采集的信号信息传输到信号处理模块进行信号处理，信号处理结果上传至系统控制中心，控制中心根据采集信号做出相应的决策。 数据采集的本质是还原采集信号的真实值，不同类型的采集系统因采集模块不同设计，在进行数据采集时总会显示出较大差异。其中决定信号采集差异的主要为采集频率，在一段完整连续模拟信号中，设置不同的采集周期导致采集信号的差异显著表现出来。根据采样定理，最低的采样频率是信号频率的两倍，如果采样频率过分低于或者高于信号频率两倍，会出现信号畸变，并定义正确显示信号而不发生畸变的最大频率为奈奎斯特频率，一般为采用频率的一半。在工程过程中，为了准确地捕捉信号信息，会通过信号滤波器对信号进行信号滤波处理，并提高采用频率倍数，缩小采样频率周期。在信号处理分析过程中一般设置信号采集样本为5-10,采集样本信息过大会导致处理数据量大，处理速度慢影响信号处理质量。信号采集完成需要进行信号分析处理，根据采样信息和控制中心设置相应的信号处理算法，控制中心根据算法结果做出一定决策来实现数据信息的最终目的。一个完整的数据采集系统由传感器、信号调理设备、数据采集卡、驱动程序、应用软件和计算机等相关部分组成。传感器和变换器组合测量被测环境的物理信号量，并将模拟物理信号量转换为电信号；信号调理设备可以对采集到的电信号进行加工，使采集到的模拟物理信号量适合数据采集卡的需求；计算机通过数据采集卡等获得测量数据，软件控制着整个测量系统，负责对采集到的原始数据处理分析，并将最后结果表示成容易理解的方式，例如图表、波形图等。2.2.1 DS18B20介绍DS18B20作为测试系统的数据采集传感器，采用即插即用元器件链接方式，便于数据采集，适应性强，抗干扰能力强，精度高，测温范围-55+155，误差为±0.5，可以多点组网、多点测温，工作电源电压为3V5.5V，应用于一般工业测温现场、家庭温度测量等。DS18B20有三个PIN脚，分别为GND、I/O、VDD，在判别引脚时面对扁平那一面-左负右正,一旦接反将会烧毁元器件并且温度会一直显示85，可编程分辨率为9-12位，读出温度时读出16位，前五位为符号位，前五位为零时读取温度为正号，1时读取温度为负号，结构如图2-1所示。 DS18B201 2 3图2-1 DS18B20结构图2.2.2 DHT11介绍DHT11数字温湿度传感器采用数字模块采集技术和温湿度传感技术，包括电阻式感湿元件和NTC测温元件，与高性能8位单片机连接。传感器数据传输以湿度、温度数据的40Bit为单位一次性传给单片机，采用校验和的方式检测传输数据的准确与否。传感器工作电压3V5.5V，湿度测量范围20-90%RH，温度测量范围0-50，运用于暖通空调、气象站等。DHT11温湿度传感器有四个引脚，引脚1与正电源相连接、引脚4接地、DOUT为输出引脚负责数据传输，第三引脚为空引脚，具体结构如图2-2所示。图2-2 DHT11结构图2.2.3 XPT2046介绍XPT2046作为AD、DA转换芯片，采用逐步逼近型A/D转换器，内置温度检测电路、参考电压源，外置外部时钟，分为单端模式、差分模式。具有采样/保持、模数转换、串口数据输出功能，接口电压标准为1.5V-5.25V，工作温度范围-40+85，功耗小于0.75mW。A/D转换通过采样保持、量化和编码实现对输入模拟电压信号采用保持，在保持时间内实现电压量到数字量的转化，并将转化结果用编码形式输出。具体如图2-3所示。图2-3 XPT2046模拟输入特性2.3 方案确定 综合两种传感器器件，在采集温度功能上，两个传感器均可以实现，在实验初期采用DS18B20进行数据采集，简单方便、测量准确性高，测试原理雷同采用A/D、D/A转换模块实现数据采集，权衡比较最终选择了DS18B20作为系统数据采集传感器。2.3.1 DS18B20测温原理DS18B20温度传感器主要有64位ROM、高速缓冲存储器、CRC生成器、温度敏感器件、高低温触发器及配置寄存器等部件组成，内部结构图如图2-4所示。64位ROM及一线总线接口存储器和控制器高速缓冲存储器8位CRC生成器 温度敏感元件低温触发器TL高温触发器TH配置寄存器电源检测图2-4 DS18B20内部结构图 DS18B20内部计数器1是一个对温度影响小的低温度系数产生固定频率的脉冲信号振荡器，低温时振荡器的脉冲可以通过门电路，而当到达某一设置高温时振荡器的脉冲无法通过门电路。内部计数器2是一个对温度影响大的高温度系数产生固定频率的脉冲信号振荡器。计数器1和温度寄存器预置为-55时对应相应基数值，计数器1对低温度系数晶振发出的固定频率脉冲信号进行减法计数处理，计数器1预设值减至0时且门电路未关闭，则温度寄存器的值将+1（温度高于-55），同时计数器1的预设值将被重新装入开始新一轮采集低温度系数晶振发出的固定频率脉冲信号，循环至计数器2计数到0时，停止温度寄存器值累加，温度寄存器值为所测温度，电路对振荡器的温度系数进行补偿，斜率累加器补偿和修正测温过程中的非线性信号量，其输出用于修正计数器1的预设值，测温内部结构图如图2-5所示。DS18B20拥有64位ROM，低8位表示产品类型标识，高8位表示低56位循环冗余校验码，中间48位表示序列号，可以实现一根总线挂多个DS18B20。高速缓冲存储器内部有9个字节，第1、2字节存放转换完成的温度值，第3、4字节存放上、下限报警值TH和TL，第5字节为配置寄存器，第6、7、8字节为保留字节，9字节是CRC校验码，提高串行传输的可靠性。配置寄存器内部8位，D5、D6位设置DS18B20转换分辨率。=0=0计 数 器2温度寄存器预置比 较低温度系数晶振高温度系数晶振计 数 器1斜率累加器预置图2-5 DS18B20测温内部结构图2.3.2 测试参数分析 DS18B20检测完温度后，温度值通过符号扩展的二进制补码（16位）形式寄存于高速存储器MSB和LSB对应字节中，读取出的二进制必须先转换成十进制值，才能用于字符的显示，DS18B20的转换精度通过设置配置寄存器D6D5位获得，为了提高精度设置为7FH,对应分辨率12位，对应转换时间750ms。温度值以0.0625/LSB形式表现出来，即温度值为温度寄存器里的二进制乘以0.0625，就是实际的十进制温度值，DS18B20采样值与温度关系如表2-1所示。通过观察表2-2 DS18B20采样值与温度关系可以发现一个十进制和二进制之间有很明显的关系，就是把二进制的高字节的低半字节和低字节的高半字节组成一个字节，这个字节的二进制化为十进制后，就是温度值的百、十、个位值，而剩下的低字节的低半字节化成十进制后，就是温度值的小数部分。小数部分因为是半个字节，所以二进制值范围是0至F，转换成十进制小数值就是0.0625的倍数（0至15），最高位是符号位，1表示温度为负（用补码表示），将读出采样值取补再转换为十进制表示温度，0表示温度为正。表2-1 DS18B20采样值与温度关系二进制0123456789ABCDEF十进制0011233455667889表2-2 DS18B20采样值与温度关系二进制采样值十六进制表示十进制温度/ 0000 0111 1101 000007D0H+1250000 0001 1001 00010191H+25.06250000 0000 0000 00000000H01111 1110 0110 1111FE6FH-25.06251111 1100 1001 0000FC90H-55例如：07D0H 7DH=125 温度值125； 0191H 19H=25 1*0.0625=0.0625 温度值25.0625； 0000H 温度值为0； FE6FH 1110 0110 1111 取补为0001 1001 0001 (91H） 温度值为-25.0625； FC90H 1100 1001 0000取补为0011 0111 0000（370H）37H=55 温度值为-55。2.4 本章小结本章论述了系统设计方案确定过程，从系统设计任务出发，将数据采集系统具体设定为温度采集，在系统信号采集模块选择上由传统A/D和D/A信号采集转换为芯片内部集成A/D模块的传感器，直接将采集到的温度模拟信号量转换数字信号量传输给单片机处理。第3章 数据采集系统硬件设计数据采集系统设计任务负责采集测试环境的温度参数，采集的温度参数通过USB2.0串口通讯传输到上位机PC端，上位机借用LBVIEW软件构建数据采集系统，LabVIEW前面板将PC端接受到的温度参数显示出来。温度采集系统硬件机构主要有DS18B20温度采集模块，单片机（STC89C52）通过温度采集器件采集被测环境温度，模块将模拟量温度转换为数字量送给模块控制中心处理，然后将测量结果送给数码管或者液晶显示出来，采集系统硬件组成示意图如图3-1所示。液晶显示结果显示模块温 度 采 集 模 块数据处理 模块LabVIEW系统图3-1 系统硬件构成示意图3.1 A/D和D/A模块设计 数据采集系统设计包括硬件和软件两大部分，硬件主要是获取现实环境的被测信号，为信号采集与控制提供物理传输通道，软件用来控制测试环境的数据采集、处理、分析、显示等物理功能，通过不同的软件实现不同虚拟仪器功能，测试系统结构如图3-2所示。单片机通讯口上位机：个人计算机、专用计算机LCD显示数字I/OAD/DA转换 图3-2 信号采集结构图虚拟仪器硬件分为基础硬件平台和外围测试设备，其中基础平台包括计算机，外围测试设备主要有GPIB系统、VXI系统、PXI系统、DAQ系统或者串口系统等，常用有RS232或USB串口总线的便捷式数据采集模块。一般通用硬件平台具有两种基本功能分别为采集信号和产生信号，它们分别以实现A/D转换和D/A转换功能为核心，配置一定信号脉冲、数据存储、数据I/O等功能，最终完成信号采集、产生、控制，完成模拟环境下数据测试。衡量硬件平台的指标有：1.高速数据采集模块，负责被测模拟信号转换为计算机可识别数字信号，核心器件有A/D转换器，常用采集速率、分辨率、输入动态范围、建立时间等指标衡量；2.信号前端调理模块，将采集的外部输入信号进行调节，向采集模块产生符合要求的信号激励，常见处理方式有信号隔离、限幅、衰减、放大、滤波等；3.模拟信号产生模块，向外界提供测试激励信号，核心器件有D/A转换器，信号调理措施有信号隔离、放大、衰减等，最终生成用户所需的信号；4.存储器阵列，信号测试需要进行数据的处理、存储，传送于处理终端；5.数字信号的I/O模块，采集到的信号处理完成后通过数字I/O将数字信号转化为功率信号，去实现设备控制。 3.2 串口通讯串口通信是外设和计算机间，通过数据信号线、地线、控制线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。串行通信接口电路一般由可编程串行接口芯片、波特率发生器、EIA与TTL电平转换器以及地址译码电路组成。CH340作为单片机开发板USB总线转换芯片，实现USB转串口功能，如图3-3所示。计算机或者其他USB主机 USBCH340转换芯片 单片机温度采集图3-3 通讯结构图 采用CH340转换芯片具有以下特点： 1. 全速USB设备接口，兼容USB V2.0,外围器件需要晶体管和电容； 2.仿真标准串口，升级、添加外围串口设备方便； 3.与window操作系统应用程序完全兼容性； 4.全双工硬件串口、内置缓冲区，支持多种通讯波特率； 5.支持常用的MODEM通讯联络信号RTS、DTR、DCD、RI等； 6.提供RS232、RS485等转换接口； 7.兼容CH341驱动程序； 8.支持5V电源电压和3.3V电源电压； 开发板选用SOP-16封装形式的CH340G芯片实现串口通讯，基本组成如图3-4所示。图3-4 CH340G通讯结构图CH340芯片内置上拉电阻，UD+和UD-分别连接至USB总线上，配置电源上电复位电路，XI和XO引脚外接12MHZ晶体振动器，为芯片提供12MHZ时钟信号，TXD引脚和RXD引脚负责进行数据传输。 采集模块和上位机通讯采用串行通信，波特率设置为4800、采用奇偶校验，数据位为8位。单片机与上位机传送连接由高到低排序分别为：启用终止符、终止符、超时、数据位（8位）、奇偶校验位、错误输入、停止位、流控制、错误输出。系统指令进行数据读取时，上位机和下位机在同一波特率下，温度采集模块将采集到了数据以8位形式发给SBUF，上位机读取SBUF中的数据。停止位进行帧结束的停止位数量，奇偶校验位进行传输数据校验。3.3 单片机最小系统介绍下位机包括硬件电路和单片机软件编程两个部分，整个数据采集测试系统中主要起到温度检测和温度数据格式转换功能，相当于数据采集系统的“眼睛”。下位机开发板HC6800-ES V2.0是一款多用途产品，提供USB2.0串口通信方式，该串口集供电、编程、仿真、通信功能于一体，并提供ISP接口功能，外部资源丰富，通过功能配置可以实现以下功能：1.8个LED显示（接口可以实现跑马灯、流水灯、花样彩灯等）；2.8位静态数码管显示；3.独立按键输入显示；4.矩阵键盘扫描试验；5.数码管动态显示（74HC595驱动接口）；6.电机、时钟、万年历试验；7.温度、红外线显示；8.超声波测距、液晶、蜂鸣器显示试验；9.PWM、 LCD1602、 EEPROM试验；开发板HC6800-ES V2.0硬件模块资源丰富，主要有A/D和D/A转换模块、步进电机驱动模块、DS18B20温度采集模块、无线接口模块、独立键盘模块、DS1302万年历显示模块、LED点阵