基于LabVIEW的傳感器數據采集系統設計

陸鵬

摘要：在LabVIEW下開發了基于鐵鳥試驗臺應用的兩款新型傳感器測量的測控系統，內部軟件部分通過串行接口與PC通信，研究了基于LabVIEW和RS485通信接口的軟、硬件設計方法，構成基于LabVIEW的測控系統。通過兩款傳感器的測量數據分析，同時與其他加裝傳感器數據對比，表明基于LabVIEW的傳感器數據采集系統能夠完成對高溫壓力傳感器和油液品質傳感器的精確測量。

關鍵詞：LabVIEW；RS485；數據采集

LabVIEW是Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench的縮寫，即試驗室虛擬儀器工程平臺，是美國國家儀器公司為數據采集、儀器控制和虛擬測試等領域而研發的開發平臺。

LabVIEW程序又稱為虛擬儀器，它的表現形式和功能類似于實際的儀器，可用于采集、分析、顯示和存儲數據。程序主要由前面板、框圖程序和圖表連接端口組成，前面板中包含眾多控件，只需要將各個控件用鼠標拖到前面板的指定區域，便可以使用該控件的功能。為用戶提供了簡明、直觀、易用的圖形編程方式。

LabVIEW不僅可以與數據采集、視覺、運動控制設備等硬件進行通信，還可以與GPIB、PXI、VXI、RS232和RS485等儀器進行通信。從1986年發布的LabVIEW1.0至今，每一個版本都對測試測量領域帶來巨大幫助。使用LabVIEW開發的程序以其開發周期短，效率高，成本低的優勢，已經被越來越多的采用和認可。

本文基于RS485通信和LabVIEW軟件平臺研發了一套液壓油液溫度和油液品質監測系統。該系統具有可視化的監測界面，可實時顯示液壓系統的工作狀態，并可供用戶查詢歷史數據以便進行統計分析。

1 系統結構及原理

圖1為系統總體結構，PC機主要對液壓系統中的油溫、壓力、介電常數、油液品質等參數進行采集、監控、統計及顯示。傳感器將環境參數和發電信息采集過來，通過A/D轉換將模擬信號變成數字信號在傳感器內部進行將數據處理后緩存并通過RS485接口發送。傳感器與PC機之間采用RS485轉RS232通信協議進行數據傳輸。PC機將接受到的數據處理后保存并及時顯示。實現對液壓系統參數的實時監測。

測試中主要使用高溫壓力傳感器、新型油液品質傳感器檢測，由于這些傳感器均安裝于液壓試驗臺上，距離測控間距離大于50m。而PC機串行口為標準的RS232C接口，最大通信距離僅為15 m。無法適用于遠距離的監測。

選用RS485串行接口標準可實現遠距離通信管理。串口通信采用RS485協議進行，其傳輸距離較長，適用于從高溫壓力傳感器、新型油液品質傳感器檢測到測試設備之間的數據傳輸。RS485采用差分信號負邏輯，邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（2～6）V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（2～6）V表示。

RS485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性好。RS485最大的通信距離約為1219 m，最大傳輸速率為10Mb/s，傳輸速率與傳輸距離成反比。

2 軟件設計

傳感器輸出為RS485信號，經過轉換器轉換為RS232后與PC機相連。由于兩類傳感器的通信方式均為RS485通信，除數據解析部分，軟件設計基本一致，以MEMS高溫壓力傳感器為例進行說明。

使用串口前，串口配置參數必須確定：波特率、數據位、校驗位和停止位。對于高溫壓力傳感器通信而言，波特率為9600，數據位8bit，無校驗位，停止位1。設置完成后才能對串口進行初始化，并等待200ms保證串口初始化已完成。

完成串口初始化后，清一次緩存，確保緩存中無數據后開始檢測串口讀緩存區的數據，由于高溫壓力傳感器的數據格式（ASCII碼）為：

P=±XX.XXX（空格0X20）T=±XXX.XX（回車0X0A）。

數據長度為38字節，故當緩存區數據大于38字節時表明一包完整的數據已經進入緩存，此時開始讀取，以0X0A為標志判斷數據結尾。由于數據位ASCII碼表示，故數據的前9字節為壓力數據，偏移2字節，讀取7字節，以ASCII碼轉換為即為壓力測量值。同樣地，偏移12字節后讀取7字節，以ASCII碼轉換后即為溫度測量值。

對于新型油液品質傳感器而言，數據格式為

數據（介電常數） 數據（溫度） 結束

00 00 00 00 00 00 0A

數據發送由高位->低位順序發送，其中介電常數的轉換公式為：

介電常數=碼值×100/0XFFFFFF

溫度轉換公式：

溫度值=（碼值×0.0922237-1000）/3.85

新型油液品質傳感器的數據共7字節，介電常數與溫度數據各3字節，最后以0X0A結尾。因此，取前3字節計算碼值按照介電常數公式計算出介電常數測量值。將數據偏移3字節后截取3字節，按照溫度轉換公式計算溫度測量值。

3 試驗驗證

當傳感器處于工作狀態時，運行VI程序。程序運行過程控制可以控制數據開始采集、暫停/繼續采集、退出采集。數據采集及曲線設置實現對數據采集間隔、報警上下限以及對實時溫度曲線、溫度上下限曲線、平均溫度曲線顯示顏色的設置。通過對保存的試驗數據進行分析，可以看到傳感器的數據，同時對比加裝的其他傳感器進行數據對比，見圖3、圖4。

由圖4可以看出，在整個匹配性試驗過程中，MEMS高溫壓力傳感器測得的壓力信號與P102傳感器處理后的數據趨勢、大小基本一致，能反映出泵出口壓力實際變化情況。

壓力差最大值為0.1986Mpa，出現在469s處。平均差值為0.1483MPa，相比于21.5Mpa的壓力穩定值，其偏差百分比為：0.1483/21.5×100%=0.69%，

4 結束語

在測試計算機的VI中對數據進行處理，在試驗中，與其他的加裝傳感器進行數據對比分析，經實際對比，數據精確可靠，所示。通過RS485實現了傳感器與測控計算機之間的數據傳輸，實現了數據試驗配置與管理、數據實時顯示、數據存儲的功能。

參考文獻：

[1]趙常壽，陳征詳，樊蓉.基于LabVIEW和NI-VISA的RS232串口通信程序設計[J].電腦編程技巧與維護，2015，01：68-70.