基于LabVIEW的多功能虛擬測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 賀成佳 李 磊

LabVIEW則是NI公司基于虛擬儀器概念突出的第一款實(shí)用成果。通過LabVIEW軟件可以很方便的設(shè)計(jì)出系統(tǒng)所需的各種類型的虛擬儀器。LabVIEW不但集成了各種硬件通信協(xié)議，內(nèi)部還具有GPIB總線和VXI總線的參數(shù)與其他計(jì)算機(jī)語言開發(fā)環(huán)境不同的是，LabVIEW采用的是可視化編程語言，即我們所說的G語言。在降低研發(fā)成本的同時(shí)，壓縮了研發(fā)時(shí)間。

1.總體設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，多功能虛擬測量系統(tǒng)主要包括上位機(jī)下位機(jī)兩大部分。其中，上位機(jī)是基于LabVIEW設(shè)計(jì)的一款虛擬儀器；下位機(jī)為基于STC12C5A60S2單片機(jī)開發(fā)的測試電路，通過上位機(jī)對下位機(jī)進(jìn)行控制。兩部分共同構(gòu)成多功能虛擬測量系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

上位機(jī)主要有三個(gè)功能模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、數(shù)值分析模塊。通過上位機(jī)對下位機(jī)進(jìn)行控制，讀取各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，最終顯示在上位機(jī)的顯示模塊中。

2.多功能虛擬測量系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)基于STC12C5A60S2單片機(jī)的下位機(jī)系統(tǒng)，通過基于Lab-VIEW的虛擬儀器上位機(jī)系統(tǒng)對下位機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對溫度、電流、電壓、濕度的測量。下位機(jī)系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

2.1 下位機(jī)電壓電流檢測

電壓電流檢測電路通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行對電壓與電流的采集，因單片機(jī)STC12C5A60S2內(nèi)置了A/D轉(zhuǎn)換器，故在系統(tǒng)中不在使用其他外設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電壓與電流的測量。電路如圖3所示。

因?yàn)閱纹瑱C(jī)的片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器為電壓輸入型轉(zhuǎn)換器，故其可以直接讀出被測信號的電壓值。針對電流的檢測，需先將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號進(jìn)行測量，將測量得到的電流值通過歐姆公式計(jì)算得到電壓值。本系統(tǒng)中通過在測試端加5K的上拉電阻，將被檢測恒流電流轉(zhuǎn)化為R9的端電壓進(jìn)行測量。

圖2 下位機(jī)系統(tǒng)電路圖

圖3 電壓電流檢測傳感器

2.2 下位機(jī)溫濕度檢測

為達(dá)到精準(zhǔn)、快速、均衡采集溫濕度的目的，下位機(jī)采用DHT11作為采集溫濕度信號的傳感器。其電路圖如圖4所示。

圖4 DHT11傳感器電路圖

DHT11溫濕傳感器是一款具有較高集成度、可長期穩(wěn)定工作的數(shù)字輸出溫濕度傳感器，可不需通過其他數(shù)字或電平轉(zhuǎn)換器件，即可方便的與數(shù)字接口連接。DHT11采用單線的串行傳輸接口，從而使其可以方便的與各種設(shè)備相連，增加系統(tǒng)的集成程度。并且可以在較遠(yuǎn)的傳輸距離(20M)上保持不失真。

2.3 下位機(jī)顯示電路

為驗(yàn)證基于LabVIEW設(shè)計(jì)的多功能虛擬測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取真確，設(shè)立對照實(shí)現(xiàn)進(jìn)行驗(yàn)證。在下位機(jī)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)數(shù)碼管顯示電路，對下位機(jī)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，已驗(yàn)證基于LabVIEW設(shè)計(jì)的多功能虛擬測量系統(tǒng)顯示的數(shù)據(jù)是否正確。數(shù)碼管顯示電路如圖5所示。下位機(jī)采用三極管與74HC73鎖存器驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，三極管通過開關(guān)管的作用實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的位選，鎖存器實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的段選，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示。

圖5 數(shù)碼管顯示電路

3.基于LabVIEW多功能虛擬測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

虛擬測量功能結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。基于LabVIEW多功能虛擬測量系統(tǒng)主要有三個(gè)工功能模塊組成：顯示模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)值分析模塊。

圖6 虛擬測量功能結(jié)構(gòu)框圖

通過上位機(jī)發(fā)送指令給下位機(jī)，下位機(jī)接收并分析所接收到的指令，并根據(jù)指令反饋相應(yīng)參數(shù)的值給上位機(jī)，接著上位機(jī)分析所接收到的數(shù)據(jù)串，截取有效數(shù)據(jù)，顯示到顯示窗口即可。上位機(jī)的程序設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)圖

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)通過計(jì)算機(jī)上的串口，對下位機(jī)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。計(jì)算機(jī)采用RS232進(jìn)行串口通信，其采用的通信方式是異步通信方式。RS232九腳接口有公頭、母頭之分，如圖8所示。

圖8 RS232的公頭和母頭

LabVIEW串口通信設(shè)計(jì)：

LabVIEW作為采用可視化圖像編程語言的開發(fā)環(huán)境，其已經(jīng)在教學(xué)實(shí)驗(yàn)與行業(yè)生產(chǎn)中被廣泛的用于開發(fā)各種虛擬數(shù)據(jù)采集和儀器控制系統(tǒng)。由于相關(guān)的串口通信協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能已經(jīng)集成在LabVIEW中。這里只需要安裝LABVIEW官方自帶的驅(qū)動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)串口通信。

（1）VISA配置串口

如圖9所示VISA串口配置函數(shù)。其中VISA資源名稱由用戶自己選定，設(shè)置波特率為9600，數(shù)據(jù)比特為默認(rèn)的8位，不含奇偶校驗(yàn)，無流控制。

圖9 VISA配置串口

（2）VISA寫入

如圖10所示，通過寫入緩存將需要傳遞給下位機(jī)的命令，發(fā)送給下位機(jī)。在不同的需求下，有兩種通信模式，分別為同步通信與異步通信。可以通過單擊節(jié)點(diǎn)右鍵，在節(jié)點(diǎn)的功能菜單中國對I/O通信模式進(jìn)行切換。本設(shè)計(jì)使用異步通信模式。

圖10 VISA寫入

（3）“屬性”節(jié)點(diǎn)

如圖11所示，利用“屬性”節(jié)點(diǎn)檢測串口輸入緩存中的字節(jié)數(shù)。需要注意的是，將“VISA配置串口”節(jié)點(diǎn)的“VISA資源名稱”輸出端口連接到“屬性”節(jié)點(diǎn)的“引用”輸入端口后，應(yīng)用鼠標(biāo)右擊它，在彈出的快捷菜單中，選擇【屬性】—【Serial Setting】—【Number of Bytes at Serial Port】，這樣“屬性”節(jié)點(diǎn)的輸出端口才能定義為“串行通信的字節(jié)數(shù)”，將該輸出端口連接到“VISA讀取”節(jié)點(diǎn)的“字節(jié)總數(shù)”輸入端口，就可以控制接收數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。

圖11 “屬性”節(jié)點(diǎn)

（4）VISA讀取

圖12 VISA讀取

如圖12所示，此處讀取從串口接收到的整個(gè)數(shù)據(jù)串的頭四個(gè)字符同自定義的數(shù)據(jù)串起始位0XAA如果匹對相等則表明接收數(shù)據(jù)格式正確，則起始位后第二位即為系統(tǒng)需要的有效數(shù)據(jù)，一次讀取進(jìn)行分析。

由于要在不同指令下獲取不同的參數(shù)數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)采取條件結(jié)構(gòu)，在不同的指令條件下，對數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的處理。設(shè)計(jì)中以輸入的指令為條件，將條件結(jié)構(gòu)分為四種情況，默認(rèn)為電壓參量，緊接著電流、溫度和濕度四個(gè)參數(shù)。如整體程序框圖所示，通過截取字符串函數(shù)對數(shù)據(jù)串的參量數(shù)據(jù)進(jìn)行截取操作，并通過連接字符串函數(shù)得到完整的參量表達(dá)。然后傳遞給顯示窗口顯示。

3.2 串行通信協(xié)議

為實(shí)現(xiàn)通信有序、無誤的傳輸數(shù)據(jù)，下位機(jī)傳感器與基于Lab-VIEW設(shè)計(jì)相應(yīng)的多功能虛擬測量系統(tǒng)上位機(jī)之間的通信進(jìn)行協(xié)議設(shè)置。規(guī)定下位機(jī)與上位機(jī)通信時(shí)數(shù)據(jù)單元的信息、使用格式、含義，下位機(jī)與上位機(jī)通信連接方式，數(shù)據(jù)接收與發(fā)送的時(shí)序。

在返回的數(shù)據(jù)中如果沒有相應(yīng)參數(shù)數(shù)據(jù)，在這個(gè)參數(shù)相應(yīng)存儲空間位置返回為0。溫濕度用整數(shù)表示浮點(diǎn)，如：23.4℃，可用234表示，67.6%RH，可用676表示。在通信中溫度數(shù)據(jù)項(xiàng)為0, 濕度數(shù)據(jù)項(xiàng)為1,電壓數(shù)據(jù)項(xiàng)2, 電流數(shù)據(jù)項(xiàng)3。

3.3 溫濕度數(shù)據(jù)分析

下位機(jī)中溫濕度傳感器檢測到數(shù)據(jù)后，并不是以十六進(jìn)制形式傳送出來的，溫度與濕度的數(shù)據(jù)為為FLP(Floating Point)，經(jīng)式如下?lián)Q算才可轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制。

圖13 數(shù)據(jù)格式圖

如圖13所示，將FLP數(shù)據(jù)由十六進(jìn)制顯示轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制顯示。后八位為尾數(shù)，第一位表示數(shù)值正負(fù)，第二位至第七位表示指數(shù)。

如式(1-1)所示，n為尾數(shù)的二進(jìn)制的位數(shù)，以本次測量到的數(shù)據(jù)為例：

溫度數(shù)據(jù)位C5 D8其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制為1100010111011000則有：

3.4 數(shù)據(jù)處理與現(xiàn)實(shí)

3.4.1 虛擬儀器數(shù)據(jù)處理

由于接收到的一串字符串，根據(jù)上文所規(guī)定的字符串格式，通過前期的判斷，得到的數(shù)據(jù)串是正確的，接下來要解讀出所要顯示到顯示部分的數(shù)據(jù)，也就是參數(shù)的數(shù)值。本設(shè)計(jì)由于要在不同指令下獲取不同的參數(shù)數(shù)據(jù)，所以采取條件結(jié)構(gòu)，在不同的指令條件下，對數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的處理。設(shè)計(jì)中以輸入的指令為條件，將條件結(jié)構(gòu)分為四種情況，默認(rèn)為溫度參量，緊接著濕度、電壓和電流四個(gè)參數(shù)。這里以溫度參量為例，如圖14所示。

【指令】是作為條件判斷的前提，一旦輸入的指令和當(dāng)前窗口溫度的判定條件“溫度”相同，機(jī)會執(zhí)行溫度條件下的數(shù)據(jù)處理，如圖所示，通過【VISA讀取】將整個(gè)所接收到的數(shù)據(jù)全部讀取出來，這里利用【字符串至字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換】函數(shù)對所得字符串進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，將各項(xiàng)數(shù)據(jù)分離，[2][3]代表從數(shù)組中取得十位和個(gè)位的數(shù)據(jù)（濕度時(shí)同樣，電壓電流情況下分別代表整數(shù)位和小數(shù)位），將得到的數(shù)據(jù)通過【數(shù)值至十進(jìn)制數(shù)字符串轉(zhuǎn)換】函數(shù)，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)據(jù)。從圖中還可以看到，為了使數(shù)據(jù)顯示完整呈現(xiàn)，這里使用【連接字符串】函數(shù)，將溫度，小數(shù)點(diǎn)和單位與數(shù)值連接起來，整體顯示效果為（舉例）：溫度：27 ℃。同樣，濕度、電壓和電流的處理與溫度的處理相同，只是在不同參數(shù)情況下，連接字符串的格式有所區(qū)別而已。

圖14 溫度數(shù)據(jù)處理

3.4.2 虛擬儀器顯示

由于要在同一個(gè)顯示框內(nèi)顯示不同的數(shù)據(jù)類型，這里對顯示部分進(jìn)行的處理就是創(chuàng)建局部變量。通過函數(shù)選板的【編程】—【結(jié)構(gòu)】子選板來創(chuàng)建即可。同時(shí)由于所處理的數(shù)據(jù)為16進(jìn)制格式，為了使顯示的效果如“溫度：27 ℃”所示一樣，需要將數(shù)據(jù)部分以十進(jìn)制顯示，這里通過【數(shù)值至十進(jìn)制數(shù)字符串轉(zhuǎn)換】函數(shù)轉(zhuǎn)換得到十進(jìn)制數(shù)，再通過在前面板的在顯示窗口內(nèi)右擊選擇“正常顯示”方式即可顯示出來。

此外，在上位機(jī)前面板部分為了使【發(fā)送】和【停止】按鈕可以順利控制。本設(shè)計(jì)在程序框圖內(nèi)添加【事件結(jié)構(gòu)】，把【發(fā)送】按鈕作為值變換控制元素，把【停止】按鈕作為值變換控制停止元素。以實(shí)現(xiàn)把整個(gè)程序開啟和關(guān)閉操作。

4.結(jié)束語

本設(shè)計(jì)從理論、技術(shù)和實(shí)踐三方面全面探討虛擬儀器技術(shù)在測量中應(yīng)用的相關(guān)問題，從技術(shù)角度提出基于虛擬儀器的綜合測量系統(tǒng)的應(yīng)用方案，并給出相應(yīng)的技術(shù)設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)、開發(fā)一個(gè)綜合虛擬測量儀器。完成基于LabVIEW的電壓測量，基于LabVIEW的溫濕度測量。

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