1 引言

虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)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(shì)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器在智能化、處理能力、性?xún)r(jià)比、可操作性等方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)，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(dòng)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(jì)是一種新型的虛擬儀器測(cè)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(duì)目標(biāo)信號(hào)精確采集、數(shù)字濾波和通過(guò)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(guò)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(cè)試系統(tǒng)打破了LabVIEW等軟件平臺(tái)對(duì)虛擬儀器開(kāi)發(fā)的束縛。

2.1下位機(jī)設(shè)計(jì)

2.1.1下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將現(xiàn)場(chǎng)采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行處理、傳輸、存儲(chǔ)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(chǔ)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(jì)理論，可在電池供電下采集、記錄數(shù)據(jù)，并能長(zhǎng)時(shí)間工作。

下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)

(1) C8051F120單片機(jī)

C8051F120單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)SoC(System on Chip)級(jí)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(xiàn)結(jié)構(gòu)。機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期降為1個(gè)系統(tǒng)時(shí)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(gè)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(mǎn)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(guò)JTAG接口可實(shí)現(xiàn)對(duì)C8051F120單片機(jī)閃存的讀寫(xiě)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(hào)多為微弱電流信號(hào)，根據(jù)信號(hào)采集傳感器的特點(diǎn)，需在通道接口設(shè)計(jì)傳感器信號(hào)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(gè)8位I／O端口，這樣無(wú)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(jì)D1～D44個(gè)工作狀態(tài)指示燈，在P1.0～P1.3 I／O端口使用按鍵開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)KEY1～KEY4.4個(gè)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(gè)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(guò)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(guò)電感外部供電轉(zhuǎn)化為5 V穩(wěn)定電壓輸出，再通過(guò)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(jì)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(gè)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(guò)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(shí)鐘電路

采用C8051F120單片機(jī)外部時(shí)鐘，晶體振蕩器頻率為18.432 MHz，外部時(shí)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(kāi)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(xiàn)通信協(xié)議溫度采集器件DS18B20。DS18B20集成度高，只有3個(gè)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(dòng)態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)電路。

2.1.3下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖軟件流程如圖3所示。

2.2上位機(jī)設(shè)計(jì)

上電后，單片機(jī)采集電流、電壓、溫度等數(shù)據(jù)，通過(guò)串口傳送至上位機(jī)進(jìn)行模擬量信號(hào)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(hù)通過(guò)前面板控制、觀測(cè)，如同使用一臺(tái)儀器。程序?qū)崿F(xiàn)的代碼部分使用G語(yǔ)言在流程圖中編寫(xiě)。G語(yǔ)言編程過(guò)程主要是將代表功能模塊(運(yùn)算符或VI)的一個(gè)個(gè)圖標(biāo)放置在流程圖中，用戶(hù)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(lái)。上位機(jī)軟件流程圖如圖4所示。

上位機(jī)設(shè)計(jì)包括以下關(guān)鍵模塊：

(1)串口連接通路

儀器本身支持與計(jì)算機(jī)的通信，儀器和計(jì)算機(jī)之間存在適當(dāng)?shù)倪B接通路，計(jì)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(jì)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(gè)通道中各采集一個(gè)波形，這時(shí)數(shù)據(jù)采集函數(shù)輸出的數(shù)據(jù)類(lèi)型就是一個(gè)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(cè)量信號(hào)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(hào)的所有頻率分量的全部信息。如果信號(hào)中包含的頻率高于fs／2的成分，則信號(hào)將在0 Hz和fs／2之間發(fā)生畸變。當(dāng)采樣頻率過(guò)低時(shí)，由于所采樣的數(shù)據(jù)還原的信號(hào)頻率與原始信號(hào)不同，將發(fā)生混疊。

3 結(jié)束語(yǔ)

使用本動(dòng)態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)某公司研制的新型模擬信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)也為測(cè)定該系統(tǒng)的性能參數(shù)提供的可供參考的檢測(cè)手段，要求進(jìn)一步更新完善設(shè)計(jì)。現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)與應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有精度高、測(cè)試可靠，操作簡(jiǎn)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(kāi)發(fā)對(duì)LabVIEW等軟件平臺(tái)的依賴(lài)和PCI總線(xiàn)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。