基于LabWindows/CVI多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

趙 亮

（陜西理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中 723003）

虛擬儀器技術(shù)是在計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)試技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其能夠充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算處理功能，突破傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳輸、存儲(chǔ)等方面的限制。在魔芋烘干的過(guò)程中，振動(dòng)流化床內(nèi)的溫度對(duì)魔芋烘干的品質(zhì)影響很大，為了更好地觀察魔芋在烘干的過(guò)程中流化床內(nèi)的溫度值，本文利用LabWindows/CVI軟件，開(kāi)發(fā)了對(duì)振動(dòng)流化床內(nèi)多點(diǎn)溫度進(jìn)行測(cè)量的測(cè)試系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)和顯示，并具有存儲(chǔ)的功能。

1 檢測(cè)系統(tǒng)的整體要求

系統(tǒng)要求對(duì)24點(diǎn)的溫度進(jìn)行檢測(cè)，且每6個(gè)檢測(cè)點(diǎn)為一個(gè)檢測(cè)單元，并能夠?qū)Σ杉臏囟戎翟诠た卦O(shè)備上進(jìn)行保存和實(shí)時(shí)顯示溫度曲線的功能。溫度觀測(cè)點(diǎn)到到現(xiàn)場(chǎng)溫度檢測(cè)點(diǎn)的距離最大不超過(guò)1 km。

2 檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)要求能夠?qū)Σ杉瘻囟戎颠M(jìn)行保存，并且能看到溫度的變化曲線，所以需要用組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)一個(gè)上位機(jī)界面，在本系統(tǒng)中使用NI公司的Lab Windows/CVI軟件進(jìn)行上位機(jī)界面的開(kāi)發(fā)。

根據(jù)要求，每六個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)為一個(gè)單元，所以要設(shè)計(jì)4塊檢測(cè)板以完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)溫度的檢測(cè)。考慮到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，在檢測(cè)電路板和工控設(shè)備之間選擇CAN總線的通信方式。系統(tǒng)總體工作原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)的過(guò)程為：每個(gè)溫度檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)每個(gè)單元的溫度值，通過(guò)CAN總線網(wǎng)絡(luò)發(fā)到工控設(shè)備，在工控設(shè)備上進(jìn)行溫度值的顯示，根據(jù)用戶的要求進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存和溫度曲線的顯示。

3 檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要為下位機(jī)硬件電路的設(shè)計(jì)，包括微處理器的選擇、溫度檢測(cè)電路和通信電路的設(shè)計(jì)。

3.1 微處理器的選擇

微處理器選用Silicon Lab公司生產(chǎn)的C8051F041單片機(jī)，C8051F041處理器是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU，具有高速、流水結(jié)構(gòu)8051兼容的CIP-51內(nèi)核。12位8通道ADC，并且片內(nèi)集成了一個(gè)CAN2.0控制器，可以方便組建CAN總線網(wǎng)絡(luò)；MCU內(nèi)部有JTAG接口和調(diào)試電路，可以通過(guò)JTAG接口使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。

3.2 測(cè)溫電路的設(shè)計(jì)

溫度傳感器選用熱電阻PT100，熱電阻測(cè)溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而變化的這一特性來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量的。PT100是是一種穩(wěn)定性和線性比較好的鉑絲熱電阻傳感器，可以在-200℃到600℃之間工作，而生產(chǎn)線流化床內(nèi)的溫度是80℃至120℃的范圍。在用熱電阻PT100進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，用溫度變送器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變成4-20 mA的電流信號(hào)，再通過(guò)調(diào)理電路到處理器C8051F041的A/D轉(zhuǎn)換的輸入端，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以方便計(jì)算機(jī)的處理。其電路圖如圖2所示。

圖2 溫度檢測(cè)電路

3.3 通信電路的設(shè)計(jì)

C8051F041微處理器具有CAN控制器，用CAN協(xié)議進(jìn)行串行通信，CAN控制器符合Bosch規(guī)范2.0A。CAN控制器包含一個(gè)CAN核、消息RAM、消息處理狀態(tài)機(jī)和控制寄存器。CAN是一個(gè)協(xié)議控制器，不提供物理層驅(qū)動(dòng)器。在本系統(tǒng)選用PCA82C250作為CAN通信的收發(fā)器，其電路圖如圖3所示。

圖3 通信電路

4 檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

按照前面硬件電路的設(shè)計(jì)，需編寫(xiě)程序完成對(duì)溫度的采集、處理和顯示等功能，所以在軟件上可分為上位機(jī)程序和下位機(jī)程序的設(shè)計(jì)。上位機(jī)程序主要完成溫度值的顯示、保存和曲線的顯示等功能；下位機(jī)程序完成對(duì)溫度的采集的功能。

4.1 上位機(jī)程序的設(shè)計(jì)

選用NI公司的Lab Windows/CVI交互式C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)將C語(yǔ)言與用于數(shù)據(jù)采集分析和顯示的測(cè)控專業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，開(kāi)發(fā)程序效率較高、可靠性好。軟件帶有豐富的數(shù)字信號(hào)處理庫(kù)函數(shù)，界面設(shè)計(jì)方便靈活，能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的軟件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，將功能劃分為系統(tǒng)的初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)值的保存和結(jié)果的顯示等部分。

上位機(jī)操作界面可以對(duì)采集的24點(diǎn)的溫度值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，且具有保存功能，保存路徑為軟件的安裝位置，可以定時(shí)自動(dòng)保存和也可以單次保存，方便了操作者觀察歷史溫度值。另外，其還具有對(duì)溫度值進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線顯示，觀察溫度的變化情況的功能。

圖4 上位機(jī)界面

4.2 下位機(jī)程序的設(shè)計(jì)

（1）溫度檢測(cè)程序

C8051F041單片機(jī)的ADC0子系統(tǒng)包括可編程模擬多路選擇器、可編程增益放大器和逐次逼近寄存器型ADC、集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測(cè)器。通過(guò)設(shè)置特殊功能寄存器來(lái)來(lái)選擇輸入通道、基準(zhǔn)電壓、放大倍數(shù)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式。其溫度檢測(cè)程序流程圖如圖5所示。

圖5 溫度檢測(cè)程序流程圖

（2）通信程序設(shè)計(jì)

CAN通信程序包括初始化程序、發(fā)送程序和接受程序。初始化程序主要是對(duì)消息對(duì)象進(jìn)行初始化、CAN控制寄存器初始化、位定時(shí)寄存器的初始化以及發(fā)送對(duì)象和接收對(duì)象的初始化。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用Lab Windows/CVI開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了上位機(jī)操作界面，具有可以對(duì)24點(diǎn)溫度進(jìn)行采集和實(shí)時(shí)顯示的功能，且界面的交互性比較好；采用CAN總線技術(shù)通信，提高了系統(tǒng)的可靠性。

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