錢雨晴，付曾磊，張 胤，梁 森

成都理工大學(xué)

基于LabVIEW的機(jī)床無線測溫系統(tǒng)設(shè)計

錢雨晴，付曾磊，張 胤，梁 森

成都理工大學(xué)

采用LabVIEW的VISA串口通信技術(shù)，設(shè)計了一種基于LabVIEW的無線機(jī)床測溫系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件部分選用C8051F530單片機(jī)、DS18B20數(shù)字溫度傳感器、nRF無線數(shù)據(jù)傳輸模塊以及HB240128顯示模塊等進(jìn)行實時溫度采集處理；軟件部分采用Lab?VIEW設(shè)計個人電腦（PC）上位機(jī)系統(tǒng)界面，實現(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)的實時處理、波形顯示以及閾值報警等功能。經(jīng)測試該系統(tǒng)具有操作簡單、易于維護(hù)、性能穩(wěn)定、精度較高等特點。

LabVIEWC8051F530；nRF無線數(shù)據(jù)傳輸串口通信

前言

溫度監(jiān)測與控制在工業(yè)生產(chǎn)中有大量的應(yīng)用，一套可靠的測溫系統(tǒng)是機(jī)床持續(xù)穩(wěn)定工作的前提。基于LabVIEW的機(jī)床無線測溫系統(tǒng)以單片機(jī)作為硬件電路的核心，采用圖形化編程軟件LabVIEW，根據(jù)實際需求構(gòu)建實時溫度分析處理軟件，能大大降低系統(tǒng)的開發(fā)成本，實現(xiàn)通過硬件電路自身或上位機(jī)界面兩種方式對溫度的控制。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

該系統(tǒng)采用基于單片機(jī)C8051F530最小系統(tǒng)的低功耗高效控制方案，主要由單片機(jī)控制模塊、溫度采集模塊、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、閾值報警模塊、顯示模塊、電源管理模塊等組成。其系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

單片機(jī)上電后，系統(tǒng)首先通過溫度傳感器采集當(dāng)前溫度，將采集到的數(shù)據(jù)傳至C8051F單片機(jī)進(jìn)行存儲，經(jīng)由nRF無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊將溫度信息顯示在HB240128模塊，實現(xiàn)溫度的實時獲取與閾值報警操作。與此同時，另一無線數(shù)據(jù)接收控制模塊通過USBTTL模塊實現(xiàn)與LabVIEW上位機(jī)的信息交互。多點顯示無線測溫系統(tǒng)通過主從兩種方式實現(xiàn)溫度采集與控制，可適用于不同工作場合，為用戶提供更可靠的操作環(huán)境[1]。

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 單片機(jī)控制模塊

系統(tǒng)采用TI公司的SOC-C8051F530做主控芯片。除MCU最小系統(tǒng)配置外，該單片機(jī)通過I/O口與DS18B20連接，采用低電平驅(qū)動，從而防止單片機(jī)上電復(fù)位瞬間高電平引起的誤驅(qū)動，增強(qiáng)了電路的穩(wěn)定性和可靠性，完成溫度信息的采集。通過UART接口將上述采集到的信息傳送至WLK02F95無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，經(jīng)433MHz高頻調(diào)制載波后發(fā)射出去，并等待信息接收后解調(diào)得到對應(yīng)溫度值，完成信息的傳輸。單片機(jī)和無線傳輸模塊的3.3V電源由AMS1117-3.3V芯片實現(xiàn)。

2.2 nRF發(fā)送模塊

nRF發(fā)送模塊采用最新的433MHz WLK02F95模塊，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、快速，傳輸距離更大，穿透傳輸效應(yīng)得到加強(qiáng)，同時芯片的小封裝讓整體電路設(shè)計更加精簡，在同等傳輸要求下功耗進(jìn)一步降低[2]。WLK02F95模塊初始化后，模塊處于休眠等待狀態(tài)，當(dāng)接收到單片機(jī)傳輸?shù)降臄?shù)據(jù)后，模塊即會在1秒時間內(nèi)喚醒，并將數(shù)據(jù)按接收到的先后順序依次打包發(fā)送出去。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊與主控MCU之間采用串口傳輸數(shù)據(jù)方式，并置SETA，SETB引腳為低電平，其引腳與MCU連接方式如圖2所示。

圖2 nRF接收模塊與MCU連接方式

3 數(shù)據(jù)傳輸

溫度數(shù)據(jù)通過無線方式進(jìn)行傳輸與控制。設(shè)計中采用兩個接收控制模塊以實現(xiàn)多點顯示的功能，其中每個接收控制模塊包括一個nRF接收模塊和一個主控MCU。nRF接收模塊同樣使用433MHZ WLK02F95模塊，UART數(shù)據(jù)接口與MCU進(jìn)行無縫互聯(lián)。模塊平時處于休眠等待狀態(tài)，一旦收到數(shù)據(jù)，就把收到的數(shù)據(jù)通過UART輸出，這時用單片機(jī)的中斷接收函數(shù)把數(shù)據(jù)讀取存儲。

主控MCU使用低功耗的工業(yè)級SOC-C8051F530，接收控制模塊1的主控MCU控制nRF模塊完成數(shù)據(jù)接收，并實現(xiàn)HB240128的顯示、閾值報警、監(jiān)測控制等功能。它的一個串口控制nRF接收模塊，另外一個串口控制HB240128顯示模塊。當(dāng)單片機(jī)接收串口收到nRF模塊的數(shù)據(jù)時，先進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼、存儲及再編碼，最后發(fā)送串口控制HB240128數(shù)據(jù)的顯示。接收控制模塊2的主控MCU同接收控制模塊1完成數(shù)據(jù)的接收并實現(xiàn)與LabVIEW之間的通信。

4 數(shù)據(jù)顯示

4.1 HB240128顯示

HB240128模塊為16*16點陣顯示，采用標(biāo)準(zhǔn)RS232接口，缺省速率為9600bps。使用時，只需用到TXD和RXD兩條數(shù)據(jù)線和VDD,GND兩條電源線。測試中，HB240128模塊RXD端與接收模塊1主控MCU的TXD連接，實現(xiàn)串口的發(fā)送命令，完成溫度信息的顯示。

4.2 機(jī)床LabVIEW顯示

無線數(shù)據(jù)接收模塊將接收到的數(shù)據(jù)通過UART串口傳至接收模塊主控MCU，主控MCU使用I/O口模擬串口的方式通過電平轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)與PC機(jī)的通信。

4.2.1 I/O口擴(kuò)用

接收控制模塊2的主控MCU以串口方式接收WLK02F95無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的數(shù)據(jù)，并通過串口通信的方式實現(xiàn)與PC機(jī)的通信。然而C8051F530單片機(jī)內(nèi)部只有一個UART接口，但芯片總共有16個I/O口，在這種情況下可選擇串口擴(kuò)展芯片來解決，但是利用這種擴(kuò)展方法增大了硬件成本和電路的復(fù)雜程度。為簡化電路和降低成本，設(shè)計中采用計數(shù)法將通用I/O口模擬成串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[3]，根據(jù)單片機(jī)晶振和波特率計算計數(shù)器初值，計數(shù)器每指令周期加1，直至溢出，以此決定串口接收/發(fā)送的時序。

4.2.2 電平轉(zhuǎn)換電路

電平轉(zhuǎn)換電路由控制芯片PL2303HX實現(xiàn)單片機(jī)串口TTL電平與PC串口電平間的轉(zhuǎn)換。PL2303HX工作頻率為12MHZ，在工作模式和休眠模式時都具有很低的功耗。硬件電路如圖3所示。

圖3 電平轉(zhuǎn)換電路

4.2.3 LabVIEW實現(xiàn)

接收控制模塊2的主控MCU與PC機(jī)之間的通信采用圖形化編程語言LabVIEW完成。界面設(shè)計主要包括溫度采集模塊、溫度顯示模塊（溫度控件數(shù)值顯示以及波形圖表顯示）、歷史溫度數(shù)據(jù)存儲模塊、閾值報警模塊、串口通信設(shè)置模塊等5個模塊。其程序框圖如圖4所示。

圖4 上位機(jī)系統(tǒng)程序框圖

系統(tǒng)采用VISA串口實現(xiàn)LabVIEW和硬件電路之間的通信[4]。LabVIEW中所有VISA節(jié)點都位于程序框圖中。在串口設(shè)置的實現(xiàn)上選用枚舉下拉列表作為條件結(jié)構(gòu)的判斷語句以完成波特率，數(shù)據(jù)位等的選擇，實現(xiàn)與硬件電路的匹配。使用字符串連接函數(shù)將當(dāng)前時間，當(dāng)前溫度值存儲在歷史溫度數(shù)據(jù)中，方便直觀的對比和查詢每個時刻的實時溫度，其中歷史溫度數(shù)據(jù)的存儲和顯示采用移位寄存器來實現(xiàn)。設(shè)計中使用屬性節(jié)點“Bytes at Port”函數(shù)，這個屬性節(jié)點能讀取當(dāng)前串口緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù)，將它的輸出連接到VISA READ的“讀取字節(jié)數(shù)”輸入端上，就能實時讀取緩沖區(qū)字節(jié)，不會有任何等待。

5 測試結(jié)果

根據(jù)設(shè)計的溫度采集系統(tǒng)，首先給下位機(jī)系統(tǒng)上電，并將寫好的程序下載至單片機(jī)內(nèi)連續(xù)運(yùn)行，待各部分電路開始工作，打開LabVIEW操作界面，如圖5所示。首先選擇正確的串口號和串口參數(shù)，設(shè)置溫度上下限為40℃和20℃，開始數(shù)據(jù)的采集和處理，數(shù)據(jù)接收窗口不停刷新，實時顯示當(dāng)前時間及溫度值。同時采用溫度計顯示當(dāng)前時刻溫度值，并通過波形圖表對實時溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢圖的繪制。當(dāng)實時溫度超出設(shè)定上下線溫度范圍，系統(tǒng)就會有紅燈提示并發(fā)出報警聲。通過測試結(jié)果可以看出，系統(tǒng)較好地實現(xiàn)了溫度顯示與控制功能。

圖5 上位機(jī)測試結(jié)果

6 結(jié)論

基于單片機(jī)和LabVIEW軟件平臺設(shè)計了多點顯示無線溫度測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過硬件電路自身或上位機(jī)界面兩種方式實現(xiàn)溫度控制和處理，實現(xiàn)了與計算機(jī)的高度融合，增強(qiáng)了整個系統(tǒng)的靈敏度和靈活性，有利于解決故障干擾等問題，為用戶的使用提供了多重選擇。所設(shè)計的溫度采集軟件系統(tǒng)使用方便，成本低，為很多復(fù)雜的工程環(huán)境提供了簡便有效的測量途徑，經(jīng)多次實驗測試，系統(tǒng)運(yùn)行良好。

[1]Fan Yang,Guoping Li,Huipeng Li.Design&development of a remote temperature monitor system of web using virtual instrument[J]. advances in computer,information,and systems sciences and engi?neering.2006:449-452.

[2]徐治根.基于NRF2401的無線溫度傳感器的設(shè)計[J].科技資訊,2012,09:12-13.

[3]王新,周良民.利用單片機(jī)I/O端口線模擬串行口通訊[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2005,13（3）:67-68.

[4]劉其和,李云明.LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計與應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2011:253-260.

錢雨晴（1996-），女，漢族，四川眉山人；

付曾磊（1996-），男，漢族，四川成都人；

張胤（1995-），男，漢族，四川眉山人；

梁森（1994-），男，漢族，河北石家莊人。