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基于labview的数据采集系统的设计.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：2.36M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    1 绪 论
    1.1 课题背景
    1.2 虚拟仪器简介
    1.3 图形化编程语言LabVIEW的简介
    1.4 本论文任务
    2 温度控制设计方案
    2.1 硬件及软件的选择
    2.1.1硬件的选择
    2.1.2软件的选择
    2.2 硬件及软件设计方案
    2.2.1硬件设计方案
    2.2.2软件设计方案
    3 LabVIEW 开发环境以及PID和模糊控制模块简介
    3.1 LabVIEW前台显示面板与后台控制面板
    3.1.1 LabVIEW前台显示面板
    3.1.2 LabVIEW后台控制面板
    3.2 LabVIEW程序执行流程
    3.3 LabVIEW中的仪器控制和驱动
    3.3.1常用的仪器通信方式
    3.3.2 LabVIEW支持的GPIB、VXI、标准串口I/O仪器的驱动
    3.3.3 VISA简介
    3.4 PID控制模块简介
    3.5 模糊控制模块简介
    4 以单片机为核心的下位机的设计
    4.1 下位机设计方案
    4.2下位机的硬件设计
    4.2.1主控部分
    4.2.2 DS18B20测温部分
    4.2.3通信部分
    4.2.4程序下载部分
    4.3 下位机的软件设计
    4.3.1DS18B20工作原理及应用
    4.3.2单片机串口通信部分
    4.3.3单片机PWM功率控制部分
    5 基于PC的上位机编程设计
    5.1 方案设计与选择
    5.2 上位机各模块设计
    5.2.1串口通信模块设计
    5.2.2数据处理部分设计
    5.2.3 PID控制部分设计
    6 总结
    参考文献
    谢 辞
    附 录
    河南师范大学本科毕业论文（设计） 目 录 3 1 绪 论 ...............................................................................................................................................................1 1.1 课题背景 ..................................................................................................................................................1 1.2 虚拟仪器简介 ......................................................................................................................................... 2 1.3 图形化编程语言 LabVIEW 的简介...................................................................................................... 3 1.4 本论文任务..............................................................................................................................................3 2 温度控制设计方案 .......................................................................................................................................... 5 2.1 硬件及软件的选择 ................................................................................................................................ 5 2.1.1 硬件的选择................................................................................................................................. 5 2.1.2 软件的选择................................................................................................................................... 6 2.2 硬件及软件设计方案............................................................................................................................ 7 2.2.1 硬件设计方案............................................................................................................................. 7 2.2.2 软件设计方案............................................................................................................................. 7 LabVIEW 开发环境以及 PID 和模糊控制模块简介 .................................................................................... 11 3.1 LabVIEW 前台显示面板与后台控制面板........................................................................................... 11 3.1.1 LabVIEW 前台显示面板........................................................................................................... 11 3.1.2 LabVIEW 后台控制面板........................................................................................................... 11 3.2 LabVIEW 程序执行流程 ....................................................................................................................... 11 3.3 LabVIEW 中的仪器控制和驱动........................................................................................................... 11 3.3.1 常用的仪器通信方式............................................................................................................... 12 3.3.2 LabVIEW 支持的 GPIB、VXI、标准串口 I/O 仪器的驱动 ....................................................12 3.3.3 VISA 简介 ................................................................................................................................. 12 3.4 PID 控制模块简介 ............................................................................................................................... 13 3.5 模糊控制模块简介 .............................................................................................................................. 15 4 以单片机为核心的下位机的设计.................................................................................................................. 17 4.1 下位机设计方案.................................................................................................................................. 17 4.2 下位机的硬件设计 ............................................................................................................................... 17 4.2.1 主控部分................................................................................................................................... 17 4.2.2 DS18B20 测温部分................................................................................................................... 17 4.2.3 通信部分................................................................................................................................... 18 4.2.4 程序下载部分........................................................................................................................... 18 4.3 下位机的软件设计 .............................................................................................................................. 18 4.3.1DS18B20 工作原理及应用 ......................................................................................................... 19 4.3.2 单片机串口通信部分................................................................................................................. 20 4.3.3 单片机 PWM 功率控制部分 ......................................................................................................20 5 基于 PC 的上位机编程设计.......................................................................................................................... 23 5.1 方案设计与选择................................................................................................................................... 23 5.2 上位机各模块设计 ............................................................................................................................... 23 5.2.1 串口通信模块设计 ..................................................................................................................... 23 5.2.2 数据处理部分设计 ..................................................................................................................... 23 5.2.3 PID 控制部分设计 ......................................................................................................................24 6 总结...................................................................................................................................................................25 参考文献 ...............................................................................................................................................................26 谢 辞 .....................................................................................................................................................................27 附 录 .....................................................................................................................................................................28
    河南师范大学本科毕业论文（设计） 1 绪 论 现代计算机技术和信息技术的迅猛发展，冲击着国民经济的各个领域，也引起了测量 仪器和测试技术的巨大变革。人们曾为测量仪器从模拟化、数字化到智能化的进步而欣喜， 也为自动测试技术的日新月异的发展所鼓舞，当今虚拟仪器技术的出现又使得测量仪器进 步入了高科技的殿堂。 与传统的仪器不同，虚拟仪器（virtual instrument）是基于计算机和标准总线技术 的模块化系统，通常它是由控制模块、仪器模块和软件组成，在虚拟仪器中软件是至关重 要的，仪器的功能都要通过它来实现，因此软件是虚拟仪器的核心，“软件就是仪器”，从 本质上反映了虚拟仪器的特征。 从构成方式上讲，虚拟仪器可分为四大类：GPIB 体系结构、PC-DAQ 体系结构、VXI 体 系结构和 PXI 体系结构。 GPIB 体系结构是通过 GPIB 总线将具有 GPIB 接口的计算机和仪器集成的测试系统。组 建方便灵活、操作简单。 VXI 体系结构综合了。pib 和 vem 总线的优点，它集成的系统硬件集成度高、数据传 输率快、便携性好，是当今倍受业界关注的体系结构。 PXI 体系结构是以 PCI 总线为基础的体系结构，由于其总线吞吐率高、硬件的价格较 低被业内人士认为是符合国情的一种体系结构。 虚拟仪器应用程序的开发环境主要有两种。一种是基于传统的文本语言的软件开发环 境，常用的有 lab windows/cvi、.visual basidc=vc++等：一种是基于图形化语言的软件 开发环境，常用的有 LabVIEW 和 hp vee。其中图形化软件开发系统是用工程人员所熟悉的 术语和图形化符号代替常规的文本语言编程，界面友好，操作简便，可大大缩短系统开发 周期，深受专业人员的青睐。 1.1 课题背景 随着世界经济的发展，工业的迅速扩张，政府和企业家们花在设备上的投入越来 越多，这笔巨大的开销，极大地限制了企业的资金，从而制约着企业的发展。而虚拟仪器 技术凭借着其开发容易、开发成本低、开发周期短等明显的优点，渐渐地在工业测控领域 崭露头角。 它的出现使企业家们看到了降低成本的希望。本设计将就虚拟仪器怎样用在工业测控 中进行一番简单的探讨。 1
    1.2 虚拟仪器简介 河南师范大学本科毕业论文（设计） 随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术和现代测量技术的迅速发展， 一种新型的先进仪器——虚拟仪器成为当前系统研究的热点。 虚拟仪器通过软件开发平台将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融为一体，把计算机 强大的数据处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的显 示、存储及分析处理。 在对大规模、集成化、智能化及数字电子仪器需求愈加迫切的形势下，计算机技术、 仪器技术和通信技术相结合，产生了具有里程碑意义的新一代仪器——虚拟仪器。虚拟仪 器的出现开辟了仪器技术的新纪元，它是多门技术与计算机技术结合的产物，其基本思想 逐步代替仪器完成某些功能，如数据的采集、分析、显示和存储等，最终达到取代传统电 子仪器的目的。 虚拟仪器是计算机硬件资源、仪器硬件、数据分析处理、软件、通信软件极图形用户 界面的又效结合，具有传统仪器所具备的信号采集、信号处理分析、信号输出等功能。其 基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口和测试仪器等。 虚拟仪器以透明的方式把计算与传统仪器一样。虚拟仪器同样划分为数据采集与控 制、数据分析与处理、结果表达三大功机资源和仪器硬件的测试能力结合起来，实现了仪 器功能的运作。虚拟仪器的功能模块如图 1-1 所示。 PC—DAQ 采集器 信号处理 网络传输 串口仪器 GPIB 仪器 VXI 仪器 PXI 仪器 数字滤波 统计 分析 磁盘复制 文件 I/O 图形用户接口 图 1-1 虚拟仪器的功能模块 虚拟仪器用各种图标或控件来虚拟传统仪器面板上的各种器件。由各种开关图标实现仪器 电源的通断；由各种按钮图标来设置被测信号的“放大倍数”、“通道”等参数；由各种显 示控件以数值或波形的方式显示测量或分析结果；由计算机的鼠标和键盘操作来模拟传统 仪器面板上的实际操作；以对图形化软件流程图的编程来实现各种信号测量和数据分析功 能。如下是虚拟仪器与传统仪器的比较表，直观的反应了传统仪器和虚拟仪器各自的性能 2
    河南师范大学本科毕业论文（设计） 特点。 传统仪器和虚拟仪器的比较 传统仪器 虚拟仪器 仪器厂商定义 用户自己定义 硬件是关键 软件是关键 仪器的功能、规模均已固定 系统功能和规模可通过软件修改和增减 封闭的系统，与其它设备连接受 基于计算机的开放系统，可方便地同外设、网络及其它相 限制 价格昂贵 技术更新慢 应设备连接 价格低，可重复利用 技术更新快 开发和维护费用高 软件结构可大大节省开发和维护费用 多为实验室拥有 个人可拥有一个实验室 1.3 图形化编程语言 LabVIEW 的简介 LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench)是一种图形化的 编程语言和开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接收，被公认为是标准 的数据采集和仪器控制软件。 LabVIEW 不仅提供了与遵从 GPIB，VXI，RS-232 和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通 信的全部功能，还布置了支持 TCP/IP，ActiveX 等软件标准的库函数，而且图形化的编程 界面使编程过程变得生动有趣。LabVIEW 是一个功能强大且灵活的软件，利用他可以方便 的建立自己的虚拟仪器。 以 LabVIEW 为代表的图形化编程语言，又称为“G”语言。使用这种语编程时，基本 上不需要编写程序代码，而是“绘制”程序流程图。LabVIEW 尽可能利用工程技术人员所 熟悉的术语、图标和概念，因而它是一种面向最终用户的开发工具，可以增强工程人员构 建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用 它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。 利用 LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件。LabVIEW 是真正的 32 位编译器。像其 他软件一样，LabVIEW 提供了 Windows，UNIX，Linux 和 Macintosh 等多种版本。 1.4 本论文任务 （1）设计一个由微控制器控制的温度采集装置，使其能够准确地采集环境温度。 （2）通过某种通信协议，将采集到的温度送往上位机进行显示和处理。 （3）用 LabVIEW 编写上位机的程序，使其能够接受下位机发送来的温度信息数据，并 作出处理想，同时显示在 PC 屏幕上。 （4）使用 LabVIEW 编写 PID 控制程序，能实现对温度的比较准确的控制。 （5）使用 LabVIEW 编写模糊控制程序，能实现对温度的控制。 3
    河南师范大学本科毕业论文（设计） 图 1.2 上位机界面 图 1.2 硬件实物图 4
    河南师范大学本科毕业论文（设计） 2 温度控制设计方案 本设计采用 LabVIEW 和 AVR 单片机组成系统的主要模块。由下位机把单线式温度传感 器 DS18B20 测量到的温度，通过串口发送到的由 LabVIEW 构建的上位机去。然后在上位机 中进行处理和显示，通过 PID 或者模糊算法，计算出要输出的控制量，再由串口将数据发 送到下位机，交由下位机处理。下位机根据一定的关系，输出一定的信号来控制固态继电 器的通断。固态继电器的交流端就会因为通断而控制水泥电阻工作与否，以此达到控制温 度的目的。 2.1 硬件及软件的选择 2.1.1 硬件的选择 系统的硬件设计主要分为四个部分：主控部分、DS18B20 测温部分、通信部分、程序 下载部分。 在下位机控制器上，由于需要采用 PWM 技术对加热装置进行控制，而传统的 51 系列 单片由于其内部并不具有专门的 PWM 模块，当从上位机发送控制数据时，就必须采取中断 才能执行这个过程。由于 AVR 系列单片机内部均有现成的 PWM 模块，可以在进行采集温度 的同时，进行 PWM 控制。所以，本设计选择 Atmel 公司生产的 ATMega16 八位高性能微处 理器。AVR 单片机是 1997 年由 ATMEL 公司研发出的增强型内置 Flash 的 RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精简指令集高速 8 位单片机。AVR 的单片机可以广泛应用于计算机 外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域，它与 51 单片机、 PIC 单片机相比具有一系列的优点： (1)在相同的系统时钟下 AVR 运行速度最快； (2)芯片内部的 Flsah、EEPROM、SRAM 容量较大； (3)所有型号的 Flash、EEPROM 都可以反复烧写、全部支持在线编程烧写(ISP)； (4)多种频率的内部 RC 振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，零外围电 路也可以工作； (5)每个 IO 口都可以以推换驱动的方式输出高、低电平，驱动能力强； (6)内部资源丰富，一般都集成 AD、DA 模数器、PWM、SPI、USART、TWI、I2C 通信口、 丰富的中断源等。 目前支持 AVR 单片机编译器的语言主要有汇编语言、C 语言、BASIC 语言等。其中 C 编译器主要有 CodeVisionAVR、AVRGCC、IAR、ICCAVR 等，C 语言编译器由于它具有功能强 大、 运用灵活、代码小、运行速度快等先天性的优点，使得它在专业程序设计上具有不 可代替的地位。 测温部分，本设计采用美国 DALLAS 公司生产的一线式温度传感器 DS18B20（如图 2-1）。 数字式温度传感器 DS18B20 是美国 DALLAS 公司推出的一种可组网数字式温度传感器，采 用 1-wire 总线接口，测温范围为-55℃—+125℃，精度可达 0．067 5℃ ，最大转换时间 为 200ms 。DS18B20 能够直接读取被测物体的温度值，体积小，电压适用范围宽(3V~5V)， 5
    河南师范大学本科毕业论文（设计） 用户还可以通过编程实现 9--12 位的温度读数，即具有可调的温度分辨率。DS18B20 与单 片机的接口简单，只需将信号线与单片机的一位双向端口相连即可 。 系统中 DS18B20 采用外接电源方式，VDD 端用 3V～5．5V 电源供电。由于其测温分辨 率较高(12 位)，因此对时序及电特性参数要求较高，必须严格按照时序要求操作。其数据 的读写是由主机读写特定时间片来完成的，包括初始化、读时间片和写时间片。 DS18B20 的主要特征： ·全数字温度转换及输出。 ·先进的单总线数据通信。 ·最高 12 位分辨率，精度可达土 0.5 摄氏度。 ·12 位分辨率时的最大工作周期为 750 毫秒。 ·可选择寄生工作方式。 ·检测温度范围为–55°C ~+125°C ·内置 EEPROM，限温报警功能。 DS18B20 引脚功能： ·GND 电压地 ·DQ 单数据总线 ·VDD 电源电压 图 2-1 DS18B20 功率控制部分，本设计采用无锡天豪公司生产的 GTJ24-2A 固态继电器。电气参数为： 输入控制电压 3-14VDC（自动限流），关断电压 1.2VDC，开启电流 5mA,控制电流<25mA，工 作电压 24-240VAC。该固态继电器为过零型继电器，在电流过零时导通，过零时关断。相 对于随机型的固态继电器，使用过零型的固态继电器可以使本设计比较方便地控制固态继 电器中双向晶闸管的导通周期数，从而控制加热元件的工作时间。 通信部分，由于温度变化并不是一个很快的过程，所以并不需要很高的数据采集和发 送速度。而且，计算机的各种通信方式中，尤以串口通信方式最为简单，因此本设计采用 传统的 RS-232 串口通信。由于单片机的工作电平 TTL 电平，它要与计算机上的串口进行 通信，就必须转换成相应的计算机串口电平，也就是 RS-232 电平。在本设计中采用美国 MAXIM 公司生产的 MAX232 进行电平转换。 2.1.2 软件的选择 软件选择包括下位机程序的编译软件和上位机的编程软件。 下位机的编译软件，通常有 ICC AVR、WinAVR（也就是通常所说的 GCC）、IAR AVR、 CodeVision AVR、ATman AVR，在这里使用 ICC AVR 和 AVR Studio 的组合。这是因为市 面上(大陆)的教科书使用 ICC AVR 作为例程的较多，集成代码生成向导，虽然它的各方面 性能均不是特别突出，但使用较为方便；而 AVR Studio 集软硬件仿真、调试、下载编程于 一体，有效弥补了 ICC AVR 仿真能力的不足，同时还可以有效地对程序进行调试。 上位机方面，本设计采用目前 NI 最新的 LabVIEW 8.6 进行编程。结合上 NI 为工业控 制而开发的 PID 和模糊逻辑控制包，可以轻松地实现 PID 或模糊控制。 6
    河南师范大学本科毕业论文（设计） 2.2 硬件及软件设计方案 2.2.1 硬件设计方案 下图给出系统硬件组成框图，由计算机、单片机、测温电路及温度控制电路组成。该 系统集计算机、强大的图形化编程软件和模块化硬件于一体，建立灵活且以计算机为基础 的测量及控制方案，构建出满足需要的系统。利用传感器获取温度信号，再由单片机组成 的小系统对温度信号进行采集、处理和转换，然后通过 RS-232 串口将数据送给计算机．并 通过计算机运行的 LabVIEW 程序来分析处理输入数据．最终由计算机显示结果。 同时，通过计算机串口采样输入信号，利用 LabVIEW 中的 PID 控制算法，求出系统输 出信号的大小，再由串口将输出信号传输至外部温度控制电路，以实现温度控制。（如图 2-2） 温 度 测 控 对 象 2.2.2 软件设计方案 (1)PID 控制 温度测量电路 温度控制电路 单 片 机 计 算 机 图 2-2 系统组成框图 PID(Proportional Integral Derivative 比例微分积分)控制是控制工程中技术成熟， 应用广泛的一种控制策略，它经过长期工程实践，已形成了一套完整的控制方法和典型的 结构。 PID 控制器结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便（如图 2-3）。当被控对象的结 构和参数不能完全被掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用， 系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方 便。因此当不能完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参 数时，就是 PID 的用武之地。 PID 控制器 执行机构 被控对象 输出 期望值 反馈 测量装置 图 2-3 PID 控制系统 7
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