0 引 言

　　濁度是工業(yè)水處理(除鹽水)檢驗水質(zhì)要求的一個重要參數(shù)，對除鹽水的水質(zhì)要求較高。目前，濁度的測定大部分都是停留在傳統(tǒng)儀器的模式下，沒有擺脫獨立使用，手動操作的模式。隨著科技的迅猛發(fā)展，計算機(jī)強大的處理能力，虛擬儀器在測定系統(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量要求，同時提高檢測的精度和可靠性；利用虛擬儀器良好的人機(jī)交互性和在線幫助功能使測量具有很大的靈活性，操作簡便。將測試結(jié)果圖形化形式顯示出來，使測試的結(jié)果更加直觀明了；隨著計算機(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?；诖嗽O(shè)計了基于虛擬儀器的濁度測試系統(tǒng)，利用 LabVIEW圖形化的編程語言和編程環(huán)境，實現(xiàn)了對濁度數(shù)據(jù)的顯示、標(biāo)定和報警等功能。

　　1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　1．1 測量電路的設(shè)計

　　中央處理器采用C8051F020。C8051F單片機(jī)是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(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程序存儲器、內(nèi)部RAM。C8051F 單片機(jī)還具有片內(nèi)調(diào)試電路，通過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。放大后的信號由C8051F020內(nèi)的交叉開關(guān)選通，調(diào)節(jié)增益后送ADC0進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換并存儲。

　　1．1．1 主控制板電路

　　主控制板電路實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理和輸出功能。它由C8051F020單片機(jī)處理電路、傳感和模擬信號處理電路、AT45DB081數(shù)據(jù)存儲電路、 DS18B20溫度監(jiān)控電路、RS 232通信電路、液晶顯示和鍵盤電路、報警電路、標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA工業(yè)信號輸出電路幾部分構(gòu)成。濁度儀的核心控制器件是Cygnal公司新出產(chǎn)的混合信號系統(tǒng)級單片機(jī)C8051F020。在一個標(biāo)準(zhǔn)的8051中，除 MUL和DIV以外所有指令都需要12或24個系統(tǒng)時鐘周期，并且通常最大系統(tǒng)時鐘頻率為12 MHz。而對于CIP-51內(nèi)核，70％的指令執(zhí)行時間為1或2個系統(tǒng)時鐘周期，沒有執(zhí)行時間超過8個系統(tǒng)時鐘周期的指令?？梢奀8051F020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，因此測量時間非常短，可以滿足在線實時測量的要求。該單片機(jī)片內(nèi)集成了Cygnal公司獨創(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：集成度高、抗干擾能力強、速度高、可靠性高、擴(kuò)展功能強等。本儀器中選用 C8051F020單片機(jī)，可以使電路在設(shè)計上結(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，此種型號硅光電池的光電特性，其短路電流與入射光強有良好的線性關(guān)系。但是其轉(zhuǎn)換信號僅為10-7A數(shù)量級，必須進(jìn)行放大處理，因此，在電路設(shè)計中采用了輸入阻抗高的運算放大器LF353來獲取電流信號，并進(jìn)行濾波放大處理。如圖2所示。

　　1．2 C8051F020與虛擬儀器的實現(xiàn)

　　串口通信雖然傳輸速度較慢，但是由于簡單易行，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。本文在濁度測試系統(tǒng)中利用串口實現(xiàn)了對單片機(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信號和單片機(jī)串口信號的電平轉(zhuǎn)換采用MAX232，它是具有雙驅(qū)動器、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圖3。

　　系統(tǒng)中PC機(jī)承擔(dān)主控任務(wù)，負(fù)責(zé)該測控系統(tǒng)的通信參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)的采集處理及對單片機(jī)運行的控制，程序采用LabVIEW編寫。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，無奇偶校驗，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)出無效或錯誤指令，將不作任何控制。

 　　1．2．2 程序設(shè)計

　　主機(jī)通信程序：在主機(jī)通信程序設(shè)計中，采用圖形化語言LabVIEW作為編程語言。它把高級語言中的函數(shù)封裝為圖形功能模塊，圖標(biāo)間的連線表示各個功能模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞。編程方式簡單、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模塊，通過這些模塊就可以實現(xiàn)對單片機(jī)的控制。

　　LabVIEW串口子VI是通過RS 232實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的。LabVIEW串口子VI共有5個串行通信節(jié)點，分別實現(xiàn)串口初始化、串口寫、串口讀、檢測串口緩存、中斷等功能。

　　C8051F020單片機(jī)的程序采用匯編語言寫成。利用匯編語言直接對相關(guān)硬件進(jìn)行操作，具有開銷小、效率高的特點。在編寫單片機(jī)程序時應(yīng)當(dāng)注意的是必須保證PC機(jī)與單片機(jī)串口通信時的波特率一致。如果兩者不同的話，就無法進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸而導(dǎo)致通信失敗。所以，在單片機(jī)程序中初始化時應(yīng)當(dāng)根據(jù)單片機(jī)晶振和串口通信方式對寄存器進(jìn)行設(shè)置。

　　2 軟件開發(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

　　在整個程序設(shè)計中，首先完成了各子功能(子VI)的程序，將其做成單個模塊，每個單個模塊是由更小的模塊組成，每一級的模塊均刻以圖標(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，同時避免了大量重復(fù)編程工作。系統(tǒng)的主界面設(shè)計中，利用LabVIEW中提供的 EDITMENU菜單，先將要實現(xiàn)的功能作為菜單選項的內(nèi)容，以便在運行時調(diào)用，然后在框圖中對各項菜單的調(diào)用通過CASE循環(huán)進(jìn)行選擇，使各項菜單對應(yīng)于各項子VI，在各子VI中vi set up的execution options中選定show front panel when called選項，這樣在運行中，當(dāng)選擇了菜單中的某些內(nèi)容時，該子VI就被選中調(diào)用。圖5為菜單后面板程序設(shè)計流程圖。菜單中包括文件操作(讀取、存儲、打印)通道顯示和信號分析以及幫助，程序分別調(diào)用相應(yīng)功能的子VI程序，完成相應(yīng)操作。下面簡要介紹本采集程序中采用的幾個典型模塊。

　　2．2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

　　本設(shè)計采用VISA編寫儀器控制程序，程序在運行時VISA就會根據(jù)實際接口類型自動調(diào)用相應(yīng)的接口驅(qū)動程序例程，完成通信操作。串口通信模塊包括串口初始化模塊、串口寫模塊、串口讀模塊，通過這些模塊就可以實現(xiàn)對單片機(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

　　本設(shè)計采用Access數(shù)據(jù)庫對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及對歷史數(shù)據(jù)查詢回放，其特點表現(xiàn)在：關(guān)系數(shù)據(jù)庫的SQL語言是非過程性語言，對數(shù)據(jù)的查詢或操作簡單；利用數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的獨立性好；Access數(shù)據(jù)庫使用方便，操作簡單，能夠滿足數(shù)據(jù)庫管理的需要。利用LV的ActiveX功能，調(diào)用 Microsoft ADO控件，既可以利用SQL語言又可以利用ADO提供的各種方法和屬性，方便靈活地實現(xiàn)對Access數(shù)據(jù)庫訪問。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)器相連接的自動化節(jié)點函數(shù)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的操縱。ADO主要有三個主體對象，分別為 Connection，Command和RecordSet對象。訪問數(shù)據(jù)庫步驟為：連接到數(shù)據(jù)源一指定訪問數(shù)據(jù)源的命令一執(zhí)行命令。本設(shè)計建立兩個數(shù)據(jù)源分別用來存放歷史數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)及相對應(yīng)的時間。

　　3 軟件實現(xiàn)功能

　　利用LabVIEW這種圖形化的編程語言和編程環(huán)境，實現(xiàn)了對濁度數(shù)據(jù)的顯示、標(biāo)定和報警等功能。濁度實時數(shù)據(jù)趨勢圖、歷史數(shù)據(jù)趨勢圖、歷史數(shù)據(jù)查詢和報警歷史記錄分別如圖6所示。

　　實時曲線是通過調(diào)用LV軟件中Chart子模板來實現(xiàn)的。它將數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中實時、逐點(或一次多個點)地顯示出來，可以反映被測物理量的變化趨勢，與傳統(tǒng)的模擬示波器、波形記錄儀的顯示方式相仿。在實時曲線界面中，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，可以方便地實現(xiàn)對下位機(jī)數(shù)據(jù)的采集控制。另外，該模版具有上限、下限報警監(jiān)視、報警限設(shè)定功能，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生報警后，實時值字體顯示顏色立即發(fā)生改變，可以方便用戶對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視。

　　歷史曲線是通過調(diào)用LV軟件中Graph子模板來實現(xiàn)的。用戶可以調(diào)整X Scale及Y Scale顯示方式，如顯示時間刻度、數(shù)據(jù)顯示格式、顯示刻度是否自動縮放、曲線顏色等。通過游標(biāo)(如圖6(b)，Cursor)，可以讀取波形上某一點的確切坐標(biāo)值。歷史曲線界面還具有歷史曲線查詢及歷史趨勢刷新功能。點擊“歷史曲線查詢按鈕”，可以彈出“歷史趨勢查詢”子VI模板，用戶根據(jù)需要設(shè)定查詢時間，便可得到需要的數(shù)據(jù)以便分析。點擊“歷史趨勢刷新”按鈕可以直接顯示當(dāng)前歷史趨勢。

　　歷史報警表調(diào)用LV中Table控件進(jìn)行顯示。表中有報警序號、報警名稱、報警值、報警進(jìn)入時間以及狀態(tài)顯示項目。該表記錄了高限、低限時報警值及恢復(fù)正常值的時間及報警值，通過滾動條用戶可以方便查詢報警歷史數(shù)據(jù)。

　　4 結(jié) 語

　　本文使用了C8051F單片機(jī)進(jìn)行前端的數(shù)據(jù)采集，通過RS 232串口實現(xiàn)與LabVIEW的強大的信號分析處理功能實現(xiàn)了濁度的歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)的查詢和分析，同時設(shè)計了實時報警，當(dāng)濁度超過某個值時迅速報警。實踐證明，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。