基于虛擬儀器的濁度測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0 引 言
??? 濁度是工業(yè)水處理(除鹽水)檢驗(yàn)水質(zhì)要求的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)除鹽水的水質(zhì)要求較高。目前，濁度的測(cè)定大部分都是停留在傳統(tǒng)儀器的模式下，沒(méi)有擺脫獨(dú)立使用，手動(dòng)操作的模式。隨著科技的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的處理能力，虛擬儀器在測(cè)定系統(tǒng)中正被廣泛采用，它可以利用虛擬儀器的多面板能滿足多功能的測(cè)量要求，同時(shí)提高檢測(cè)的精度和可靠性；利用虛擬儀器良好的人機(jī)交互性和在線幫助功能使測(cè)量具有很大的靈活性，操作簡(jiǎn)便。將測(cè)試結(jié)果圖形化形式顯示出來(lái)，使測(cè)試的結(jié)果更加直觀明了；隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，虛擬儀器還能滿足今后更多功能的擴(kuò)展和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的要求。基于此設(shè)計(jì)了基于虛擬儀器的濁度測(cè)試系統(tǒng)，利用LabVIEW圖形化的編程語(yǔ)言和編程環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了對(duì)濁度數(shù)據(jù)的顯示、標(biāo)定和報(bào)警等功能。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
1．1 測(cè)量電路的設(shè)計(jì)
??? 中央處理器采用C8051F020。C8051F單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)，具有與8051兼容的高速CIP-51內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容。片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬、數(shù)字外設(shè)及其他功能部件，內(nèi)置FLASH程序存儲(chǔ)器、內(nèi)部RAM。C8051F單片機(jī)還具有片內(nèi)調(diào)試電路，通過(guò)4腳的JTAG接口可以進(jìn)行非侵入式、全速的在線系統(tǒng)調(diào)試。放大后的信號(hào)由C8051F020內(nèi)的交叉開(kāi)關(guān)選通，調(diào)節(jié)增益后送ADC0進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)。
1．1．1 主控制板電路
??? 主控制板電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理和輸出功能。它由C8051F020單片機(jī)處理電路、傳感和模擬信號(hào)處理電路、AT45DB081數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、DS18B20溫度監(jiān)控電路、RS 232通信電路、液晶顯示和鍵盤(pán)電路、報(bào)警電路、標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA工業(yè)信號(hào)輸出電路幾部分構(gòu)成。濁度儀的核心控制器件是Cygnal公司新出產(chǎn)的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)C8051F020。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，并且通常最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為12 MHz。而對(duì)于CIP-51內(nèi)核，70％的指令執(zhí)行時(shí)間為1或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，沒(méi)有執(zhí)行時(shí)間超過(guò)8個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期的指令。可見(jiàn)C8051F020單片機(jī)的指令執(zhí)行速度是標(biāo)準(zhǔn)8051單片機(jī)的10倍，因此測(cè)量時(shí)間非常短，可以滿足在線實(shí)時(shí)測(cè)量的要求。該單片機(jī)片內(nèi)集成了Cygnal公司獨(dú)創(chuàng)的CIP-51的CPU內(nèi)核，指令系統(tǒng)與MCS-51完全兼容。它具有如下特點(diǎn)：集成度高、抗干擾能力強(qiáng)、速度高、可靠性高、擴(kuò)展功能強(qiáng)等。本儀器中選用C8051F020單片機(jī)，可以使電路在設(shè)計(jì)上結(jié)構(gòu)緊湊，并能夠提高儀器的抗干擾能力。C8051F020的原理圖如圖1所示。

1．1．2 傳感和模擬信號(hào)處理電路
??? 光電轉(zhuǎn)換元件采用的是TCZ 6×6型硅光電池，此種型號(hào)硅光電池的光電特性，其短路電流與入射光強(qiáng)有良好的線性關(guān)系。但是其轉(zhuǎn)換信號(hào)僅為10-7A數(shù)量級(jí)，必須進(jìn)行放大處理，因此，在電路設(shè)計(jì)中采用了輸入阻抗高的運(yùn)算放大器LF353來(lái)獲取電流信號(hào)，并進(jìn)行濾波放大處理。如圖2所示。

1．2 C8051F020與虛擬儀器的實(shí)現(xiàn)
??? 串口通信雖然傳輸速度較慢，但是由于簡(jiǎn)單易行，并且現(xiàn)有的微機(jī)都具備串行通信口，因而得到了廣泛的應(yīng)用。本文在濁度測(cè)試系統(tǒng)中利用串口實(shí)現(xiàn)了對(duì)單片機(jī)的通信控制。
1．2．1 系統(tǒng)硬件配置
??? 本文通信系統(tǒng)采用C51F020作為下位機(jī)，PC機(jī)作為上位機(jī)，二者通過(guò)RS 232串口接收或發(fā)送數(shù)據(jù)和指令。傳輸介質(zhì)為二芯屏蔽電纜。RS 232信號(hào)和單片機(jī)串口信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換采用MAX232，它是具有雙驅(qū)動(dòng)器、雙接收器的通信器接口電路，不需外接電容而進(jìn)行倍壓及電壓極性轉(zhuǎn)換，只需+5 V供電，電源電流為5 mA，傳輸率為200 Kb／s。串行接口電路原理見(jiàn)圖3。

??? 系統(tǒng)中PC機(jī)承擔(dān)主控任務(wù)，負(fù)責(zé)該測(cè)控系統(tǒng)的通信參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)的采集處理及對(duì)單片機(jī)運(yùn)行的控制，程序采用LabVIEW編寫(xiě)。其通信協(xié)議為：采用RS 232異步通信方式，51單片機(jī)串行口共有4種工作方式，這里采用單片機(jī)串口通信的方式1，該方式為8位異步串行通信方式，其波特率是可變的，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)，若晶振頻率為11．059 2 MHz，取波特率為4 800 Kb／s。下位機(jī)按接收到的指令工作，若主控機(jī)發(fā)出無(wú)效或錯(cuò)誤指令，將不作任何控制。
1．2．2 程序設(shè)計(jì)
??? 主機(jī)通信程序：在主機(jī)通信程序設(shè)計(jì)中，采用圖形化語(yǔ)言LabVIEW作為編程語(yǔ)言。它把高級(jí)語(yǔ)言中的函數(shù)封裝為圖形功能模塊，圖標(biāo)間的連線表示各個(gè)功能模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞。編程方式簡(jiǎn)單、直觀、便于使用。串口通信功能模塊包括串口初始化模塊、串口讀模塊以及串口寫(xiě)模塊，通過(guò)這些模塊就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的控制。
??? LabVIEW串口子VI是通過(guò)RS 232實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的。LabVIEW串口子VI共有5個(gè)串行通信節(jié)點(diǎn)，分別實(shí)現(xiàn)串口初始化、串口寫(xiě)、串口讀、檢測(cè)串口緩存、中斷等功能。
??? C8051F020單片機(jī)的程序采用匯編語(yǔ)言寫(xiě)成。利用匯編語(yǔ)言直接對(duì)相關(guān)硬件進(jìn)行操作，具有開(kāi)銷小、效率高的特點(diǎn)。在編寫(xiě)單片機(jī)程序時(shí)應(yīng)當(dāng)注意的是必須保證PC機(jī)與單片機(jī)串口通信時(shí)的波特率一致。如果兩者不同的話，就無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸而導(dǎo)致通信失敗。所以，在單片機(jī)程序中初始化時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)單片機(jī)晶振和串口通信方式對(duì)寄存器進(jìn)行設(shè)置。

2 軟件開(kāi)發(fā)
??? 該系統(tǒng)由C8051F單片機(jī)、ADC0809 A／D轉(zhuǎn)換器組成的小系統(tǒng)作為前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并通過(guò)RS 232串行總線將采集到的數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)，用Lab-VIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)的接受與處理。其結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。

2．1 菜單設(shè)計(jì)
??? 在整個(gè)程序設(shè)計(jì)中，首先完成了各子功能(子VI)的程序，將其做成單個(gè)模塊，每個(gè)單個(gè)模塊是由更小的模塊組成，每一級(jí)的模塊均刻以圖標(biāo)形式放置在程序流程圖中，這樣增加了程序的可維護(hù)性和可讀性，使流程圖更加清晰明了，同時(shí)避免了大量重復(fù)編程工作。系統(tǒng)的主界面設(shè)計(jì)中，利用LabVIEW中提供的EDITMENU菜單，先將要實(shí)現(xiàn)的功能作為菜單選項(xiàng)的內(nèi)容，以便在運(yùn)行時(shí)調(diào)用，然后在框圖中對(duì)各項(xiàng)菜單的調(diào)用通過(guò)CASE循環(huán)進(jìn)行選擇，使各項(xiàng)菜單對(duì)應(yīng)于各項(xiàng)子VI，在各子VI中vi set up的execution options中選定show front panel when called選項(xiàng)，這樣在運(yùn)行中，當(dāng)選擇了菜單中的某些內(nèi)容時(shí)，該子VI就被選中調(diào)用。圖5為菜單后面板程序設(shè)計(jì)流程圖。菜單中包括文件操作(讀取、存儲(chǔ)、打印)通道顯示和信號(hào)分析以及幫助，程序分別調(diào)用相應(yīng)功能的子VI程序，完成相應(yīng)操作。下面簡(jiǎn)要介紹本采集程序中采用的幾個(gè)典型模塊。

2．2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)
??? 本設(shè)計(jì)采用VISA編寫(xiě)儀器控制程序，程序在運(yùn)行時(shí)VISA就會(huì)根據(jù)實(shí)際接口類型自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的接口驅(qū)動(dòng)程序例程，完成通信操作。串口通信模塊包括串口初始化模塊、串口寫(xiě)模塊、串口讀模塊，通過(guò)這些模塊就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的控制。圖5為串口設(shè)置后面板程序框圖。如圖5所示，主程序運(yùn)行后，設(shè)置串口波特率為9 600，通道選著串口1，采用默認(rèn)通信協(xié)議(1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位)，串口緩存大小設(shè)置為16 368 B。

2．3 保存模塊設(shè)計(jì)
??? 本設(shè)計(jì)采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及對(duì)歷史數(shù)據(jù)查詢回放，其特點(diǎn)表現(xiàn)在：關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的SQL語(yǔ)言是非過(guò)程性語(yǔ)言，對(duì)數(shù)據(jù)的查詢或操作簡(jiǎn)單；利用數(shù)據(jù)庫(kù)管理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的獨(dú)立性好；Access數(shù)據(jù)庫(kù)使用方便，操作簡(jiǎn)單，能夠滿足數(shù)據(jù)庫(kù)管理的需要。利用LV的ActiveX功能，調(diào)用Microsoft ADO控件，既可以利用SQL語(yǔ)言又可以利用ADO提供的各種方法和屬性，方便靈活地實(shí)現(xiàn)對(duì)Access數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)。在LV功能模塊中含有ActiveX子模板，子模板中包含用作與ActiveX服務(wù)器相連接的自動(dòng)化節(jié)點(diǎn)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操縱。ADO主要有三個(gè)主體對(duì)象，分別為Connection，Command和RecordSet對(duì)象。訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)步驟為：連接到數(shù)據(jù)源一指定訪問(wèn)數(shù)據(jù)源的命令一執(zhí)行命令。本設(shè)計(jì)建立兩個(gè)數(shù)據(jù)源分別用來(lái)存放歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)及相對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

3 軟件實(shí)現(xiàn)功能
??? 利用LabVIEW這種圖形化的編程語(yǔ)言和編程環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了對(duì)濁度數(shù)據(jù)的顯示、標(biāo)定和報(bào)警等功能。濁度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖、歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖、歷史數(shù)據(jù)查詢和報(bào)警歷史記錄分別如圖6所示。

??? 實(shí)時(shí)曲線是通過(guò)調(diào)用LV軟件中Chart子模板來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它將數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中實(shí)時(shí)、逐點(diǎn)(或一次多個(gè)點(diǎn))地顯示出來(lái)，可以反映被測(cè)物理量的變化趨勢(shì)，與傳統(tǒng)的模擬示波器、波形記錄儀的顯示方式相仿。在實(shí)時(shí)曲線界面中，有單片機(jī)采集數(shù)據(jù)及向LV發(fā)送數(shù)據(jù)的控制按鈕，可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)數(shù)據(jù)的采集控制。另外，該模版具有上限、下限報(bào)警監(jiān)視、報(bào)警限設(shè)定功能，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生報(bào)警后，實(shí)時(shí)值字體顯示顏色立即發(fā)生改變，可以方便用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視。
??? 歷史曲線是通過(guò)調(diào)用LV軟件中Graph子模板來(lái)實(shí)現(xiàn)的。用戶可以調(diào)整X Scale及Y Scale顯示方式，如顯示時(shí)間刻度、數(shù)據(jù)顯示格式、顯示刻度是否自動(dòng)縮放、曲線顏色等。通過(guò)游標(biāo)(如圖6(b)，Cursor)，可以讀取波形上某一點(diǎn)的確切坐標(biāo)值。歷史曲線界面還具有歷史曲線查詢及歷史趨勢(shì)刷新功能。點(diǎn)擊“歷史曲線查詢按鈕”，可以彈出“歷史趨勢(shì)查詢”子VI模板，用戶根據(jù)需要設(shè)定查詢時(shí)間，便可得到需要的數(shù)據(jù)以便分析。點(diǎn)擊“歷史趨勢(shì)刷新”按鈕可以直接顯示當(dāng)前歷史趨勢(shì)。
??? 歷史報(bào)警表調(diào)用LV中Table控件進(jìn)行顯示。表中有報(bào)警序號(hào)、報(bào)警名稱、報(bào)警值、報(bào)警進(jìn)入時(shí)間以及狀態(tài)顯示項(xiàng)目。該表記錄了高限、低限時(shí)報(bào)警值及恢復(fù)正常值的時(shí)間及報(bào)警值，通過(guò)滾動(dòng)條用戶可以方便查詢報(bào)警歷史數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語(yǔ)
??? 本文使用了C8051F單片機(jī)進(jìn)行前端的數(shù)據(jù)采集，通過(guò)RS 232串口實(shí)現(xiàn)與LabVIEW的強(qiáng)大的信號(hào)分析處理功能實(shí)現(xiàn)了濁度的歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的查詢和分析，同時(shí)設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)報(bào)警，當(dāng)濁度超過(guò)某個(gè)值時(shí)迅速報(bào)警。實(shí)踐證明，采用虛擬儀器不論是在技術(shù)上或是在經(jīng)濟(jì)上都能夠取得良好的效果。