焦運良，邢計元，岳 洋

(華北計算機系統(tǒng)工程研究所，北京 100083)

0 引言

溫度是表示物理冷熱的物理量，溫度監(jiān)控的重要性體現(xiàn)在日常生活、醫(yī)療生物、工業(yè)生產(chǎn)、軍事應(yīng)用、科學研究等各個行業(yè)。課題利用虛擬儀器技術(shù)靈活高效的特點，以監(jiān)控電腦機箱溫度作為背景，并使用電機驅(qū)動風扇的方式來調(diào)控溫度。區(qū)別于傳統(tǒng)的溫度檢測系統(tǒng)，課題使用NI-myRIO 1900作為核心控制器，使用LabVIEW清晰流暢的圖形化編程語言[1]編寫上位機的程序，使用戶可以直觀監(jiān)測到實時溫度；并根據(jù)實際環(huán)境與具體需求，實時調(diào)整溫度閾值，從而實現(xiàn)對溫度準確、實時和平穩(wěn)的控制。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

溫度監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。課題所設(shè)計的系統(tǒng)采用NI-myRIO 1900作為主要控制處理模塊，LabVIEW平臺作為核心開發(fā)環(huán)境，使用單片機對傳感器進行初始化設(shè)置和溫度數(shù)據(jù)的處理。由LabVIEW編寫系統(tǒng)控制程序并將其加載至核心控制設(shè)備中[2]。核心控制設(shè)備完成與單片機溫度采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互、控制降溫執(zhí)行器的運行并將實時數(shù)據(jù)傳輸至PC。

圖1 溫度監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的具體工作流程為：

(1)單片機對傳感器做初始化驅(qū)動，采集傳感器溫度數(shù)據(jù)，并做初步的數(shù)據(jù)處理。

(2)單片機完成處理后將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到核心控制模塊(即嵌入式硬件開發(fā)平臺)。

(3)核心控制模塊對數(shù)據(jù)進行最終處理，并且將處理結(jié)果發(fā)送至PC，呈現(xiàn)給用戶，使用戶可以調(diào)整系統(tǒng)的設(shè)置。

(4)核心控制模塊根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序算法對系統(tǒng)被控部分(執(zhí)行器)發(fā)出指令。

(5)執(zhí)行器收到指令后開始運行，使系統(tǒng)完成對溫度的檢測和控制。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件部分由溫度采集模塊、核心控制模塊和降溫執(zhí)行模塊三部分組成。

2.1 核心控制模塊

課題研究的是基于虛擬儀器的溫度監(jiān)控系統(tǒng)，所以核心控制模塊使用NI公司研發(fā)的NI-myRIO 1900嵌入式硬件開發(fā)平臺進行搭建。

NI-myRIO 1900功能強大，其內(nèi)嵌FPGA和ARM?CortexTM-A9處理器[3]，可以幫助用戶快速完成復(fù)雜工程的處理；內(nèi)嵌板載WiFi，支持無線網(wǎng)遠程通信；具有豐富的外設(shè)資源，包括10個模擬輸出通道、6個模擬輸入通道、音頻I/O通道和高達40條數(shù)字輸入輸出線；此外，LabVIEW包含很多集成的函數(shù)，其針對NI-myRIO 1900上的各種I/O接口提供經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的現(xiàn)成驅(qū)動函數(shù)，方便快速調(diào)用。

2.2 溫度采集模塊

溫度采集模塊是由DS18B20溫度傳感器和89C52單片機進行搭建。

DS18B20是一款單總線數(shù)字溫度傳感器，它最小測量精度為0.062 5 ℃，具有極高的精度；數(shù)字量輸出，操作簡單，易與單片機通信[4]。測溫范圍是-55 ℃～ + 125 ℃，測量溫度的分辨率為9位～12位，用戶可以根據(jù)具體需要自己進行選擇設(shè)定；采用特殊的單總線接口結(jié)構(gòu)，只需要一條接線就可以實現(xiàn)與微控制器的雙向通信；具有負壓特性，即電源正負極反接雖然不能正常工作，但也不會損毀芯片。

89C52單片機在溫度采集模塊中的作用是對DS18B20溫度傳感器進行初始化設(shè)置，使其能正常工作；并且將傳感器讀到的溫度數(shù)據(jù)換算成十進制的溫度數(shù)值，然后將其發(fā)送到核心控制模塊，以便核心控制模塊對整個系統(tǒng)進行調(diào)控操作。

2.3 降溫執(zhí)行模塊

降溫執(zhí)行模塊由步進電機驅(qū)動風扇來完成。核心控制模塊通過驅(qū)動模塊與電機相連，通過NI-MyRIO 1900的PWM端口控制電機。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

核心控制設(shè)備采集機箱溫度，上傳至上位機控制平臺，用戶能通過上位機控制平臺全程監(jiān)控系統(tǒng)的運行并對必要參數(shù)進行修改。上位機程序流程圖如圖2所示。

圖2 上位機程序流程圖

在監(jiān)控系統(tǒng)中軟件需要完成的功能是：控制溫度采集模塊將測得的溫度發(fā)送至NI-myRIO 1900、控制NI-myRIO 1900完成測量溫度與預(yù)設(shè)溫度的對比、控制NI-myRIO 1900對溫度對比結(jié)果產(chǎn)生響應(yīng)。所以上位機控制程序由溫度傳輸部分、溫度對比部分、電機驅(qū)動和報警部分組成。

3.1 溫度傳輸部分

通過UART串口將單片機讀出并轉(zhuǎn)換成ASCII碼[5]的溫度量值以字符串的形式讀入NI-myRIO 1900；調(diào)用“連接字符串”的函數(shù)，將每次讀入的字符串反饋，使每個字符串可以被保存和顯示；調(diào)用“截取字符串”函數(shù)，將每次讀取的字符串進行截取，根據(jù)用戶自行設(shè)定的截取起始位和截取長度，提取出用戶需求的字符串內(nèi)容并將其顯示；調(diào)用“十進制數(shù)字字符串至數(shù)字轉(zhuǎn)換”函數(shù)，將提取出的字符串轉(zhuǎn)換為8字節(jié)長的雙精度實數(shù)，即溫度數(shù)值。這部分函數(shù)被嵌套在一個“while循環(huán)”函數(shù)中，且循環(huán)終止條件為手動按鈕，故用戶可以根據(jù)實際情況自己選擇開啟或終止程序的運行。

3.2 溫度對比部分

溫度對比部分是系統(tǒng)軟件設(shè)計的核心部分，用戶根據(jù)具體需求自行設(shè)定系統(tǒng)啟動溫度、系統(tǒng)安全溫度上限和系統(tǒng)高危溫度三個溫度線，然后將讀取的實時溫度分別與三個溫度線做比較。如果實測溫度高于啟動溫度，系統(tǒng)會驅(qū)動降溫執(zhí)行器開始運行；如果低于啟動溫度，則不會執(zhí)行與后續(xù)溫度線的比較，轉(zhuǎn)而繼續(xù)比較下一個實時溫度與啟動溫度的大小。如果實測溫度高于溫度上限時，系統(tǒng)的危險指示燈會由綠變紅，直到實測溫度降低至低于溫度上限；若實測溫度高于系統(tǒng)高危溫度，除了危險指示燈繼續(xù)呈現(xiàn)紅色之外，系統(tǒng)還會調(diào)用報警程序，產(chǎn)生報警鈴聲，直到溫度降至低于系統(tǒng)高危溫度。這部分函數(shù)被嵌套在平鋪式順序結(jié)構(gòu)之中[6]，以便實時溫度按三個溫度線的順序分別做比較并運行相應(yīng)的響應(yīng)程序。

3.3 電機驅(qū)動和報警部分

電機驅(qū)動和報警部分是系統(tǒng)的執(zhí)行模塊。

通過調(diào)用LabVIEW內(nèi)部的PWM模塊，設(shè)定頻率、占空比和接口[7]；程序運行時，指定接口所接的電機就會啟動運行。電機的驅(qū)動程序嵌套在“條件結(jié)構(gòu)”函數(shù)下運行，當溫度比較結(jié)果為真，即實測溫度大于某一溫度線時，相應(yīng)的電機就會開始工作。電機驅(qū)動部分共由四個電機組成，第一個電機當實測溫度高于啟動溫度就立刻開始運行；第二個電機在實測溫度達到溫度上限與啟動溫度的中間點時開始運行；第三個電機將在實測溫度達到溫度上線時開始運行，第四個電機將在實測溫度達到系統(tǒng)高危溫度時開始運行。

聲音報警程序?qū)⒃趯崪y溫度高于系統(tǒng)高危溫度時被調(diào)用，播放報警鈴聲，其程序如圖3所示。將此程序的地址和預(yù)設(shè)音頻文件的地址融合成一個新地址，再與設(shè)備ID融合，調(diào)用系統(tǒng)“聲音播放程序”的模塊，警報鈴聲便會被播出；同樣聲音播出程序被嵌套在“while循環(huán)”函數(shù)中，循環(huán)條件是布爾量按鈕，用戶可以自行選擇關(guān)閉此程序。

4 結(jié)論

課題以計算機機箱溫度的監(jiān)控為背景，以虛擬儀器技術(shù)作為核心技術(shù)，以LabVIEW作為核心程序開發(fā)環(huán)境，以NI-myRIO 1900作為核心控制平臺，以單片機和DS18B20溫度傳感器作為溫度采集模塊，以電機驅(qū)動風扇作為執(zhí)行模塊，利用電機運行帶動風扇降低溫度且溫度降低會反作用于電機運行形成反饋控制[8]，使整個系統(tǒng)的溫度被時刻監(jiān)控且被控制在用戶設(shè)定的溫度上下浮動，實現(xiàn)了以下功能：

(1)由單片機控制溫度采集裝置，能夠準確地

圖3 聲音報警程序

采集電腦機箱內(nèi)的溫度。

(2)通過串口通信，把采集到的溫度傳輸?shù)胶诵目刂圃O(shè)備。

(3)上位機可以接收下位機發(fā)送來的溫度數(shù)據(jù)并顯示給用戶，用戶可以根據(jù)需求修改溫度閾值。

(4)智能識別系統(tǒng)啟動溫度，只在溫度高于正常溫度時才運行控制器件，減少能源損耗。

(5)具有報警功能，在實測溫度高于危險值時系統(tǒng)能對外發(fā)出警報，提醒用戶采取其他措施降溫。

(6)能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度較為準確、平穩(wěn)的控制。

虛擬儀器是測控技術(shù)領(lǐng)域新出現(xiàn)的一項具有劃時代意義的技術(shù)，它將計算機技術(shù)與電子測量技術(shù)完美地融合在了一起，是一項具有廣闊前景的電子儀器技術(shù)。隨著微型計算機技術(shù)的發(fā)展程度日益深入，功能作用日益強大，虛擬儀器技術(shù)必將逐步取代以傳統(tǒng)儀器為基點的測量與控制技術(shù)，成為主流的儀器儀表技術(shù)。