基于LabVIEW的数据采集系统研究.pdf
?第 11 期?2010 年 11 月工矿自动化Industry and Mine AutomationNo.11?Nov.2010?文章编号:1671-251X(2010)11-0121-04基于 LabVIEW的数据采集系统研究李涛,?雷万忠(1.河南理工大学电气工程与自动化学院,河南 焦作?454003;2.河南工程学院电气信息工程系,河南 郑州?451191)?摘要:针对在虚拟仪器的使用过程中需要利用数据采集卡对实验数据进行采集,而专用数据采集卡价格较贵这一现实问题,提出了一种基于 LabVIEW 的数据采集系统的设计方案,介绍了该系统的硬件组成及软件设计。该系统采用双 51 单片机控制技术,通过 USB 接口实现多种数据采集对象的在线实时传送或离线大容量数据存储等功能,达到了取代专用数据采集卡的目的。关键词:数据采集;虚拟仪器;LabVIEW;51单片机?中图分类号:TD672;TP274?文献标识码:BResearch of Data Acquisition System Based on LabVIEWLI Tao,?LEI Wan?zhong(1.School of Electrical Engineering and Automation of H enan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China.2.Dept.of Electrical Information Engineering of Henan Institute of Engineering,Zhengzhou 451191,China)?Abstract:In view of problems that data acquisition card must be used to collect experimental data inuse of virtual instrument and price of private data acquisition card is very high,the paper put forward adesign scheme of data acquisition system based on LabVIEW and introduced the systems hardwareconfiguration and software design.T he system uses dual MCS51 control technology to achieve functions ofon?line data acquisition or off?line mass data storage through USB interface,which can displace private dataacquisition card.Key words:data acquisition,virtual instrument,LabVIEW,MCS51收稿日期:2010-06-21作者简介:李涛(1978-),男,山东乐陵人,讲师,硕士,2007 年毕业于河南理工大学,现主要从事控制理论与控制工程专业的教学与科研工作,已发表文章 10 余篇。E?mail:lthn 0?引言虚拟仪器的突出特点之一在于在很大程度上用系统软件的升级替代了仪器设备硬件的更换,这将节省大量的资金投入,代表了仪器仪表技术的发展方向。目前,虚拟仪器技术在国外已经得到了长足的发展,但是在国内,虚拟仪器技术的开发和应用尚属于起步阶段。如今,虚拟仪器已在超大规模集成电路测试、模拟/数字电路测试、现代家用电器测试、电子元件、电力电子器件测试以及军事、航天、生物医学、工厂测试、电工技术等领域的可移动式现场测试工作中得到应用。任何基于虚拟仪器技术的设备仍然需要利用数据采集卡实现数据的采集工作,以供系统进行进一步的分析处理。但是,数据采集卡往往价格昂贵,通常都在数千元或更多,这对于虚拟仪器技术的应用,特别是给虚拟仪器技术的学习、普及带来了不利影响。针对这一问题,笔者设计了一套基于 LabVIEW 虚拟仪器技术的低成本数据采集系统,整个系统包括下位机和上位机 2 个部分,其中,下位机部分以 51 单片机为核心,负责数据的采集工 作;上 位 机 部 分 以 PC 机 为 基 础,利 用LabVIEW 设计的上位机数据分析软件系统完成对数据的处理工作 1。1?数据采集系统硬件设计基于 LabVIEW 的数据采集系统以 51 单片机为核心,主要负责完成对模拟信号的采集和转换、采集数据的存储、与上位机的通信、数据传送等工作,其结构如图 1所示。图 1?基于 LabVIEW 的数据采集系统结构?该系统主要包括:(1)控制单元,负责采集数据的初步处理与存储以及整个系统的工作模式选择和运行控制等;(2)高速数据缓存单元,用于提高采集数据的传送速度;(3)USB 接口单元,负责下位单片机数据采集系统与上位 PC 机的通信;(4)上位PC 机利用 LabVIEW 设计的数据处理软件完成对采集数据的分析与处理功能。1.1?控制单元如图 1 所示,该数据采集系统的控制单元采用常见的 51 系列 AT89C52 单片机。但是,由于该数据采集系统需要对数据进行实时采集和传送,而51 单片机的处理速度有限,无法完全满足实时传递数据的需要,因此,本系统采用了双单片机系统设计,即由 2 片单片机分别完成不同的任务,提高系统的处理速度,以适应系统的实时性要求。其中 1 号单片机主要负责数据的采集,2 号单片机主要负责数据的存储、实时传送以及与上位机的通信 2。?为了提高系统的适应性,该系统设计了 2 种工作模式,即在线实时工作模式和离线独立工作模式。当系统工作在在线实时工作模式时,系统将采集数据经高速数据缓存单元直接通过 USB 接口单元实时传送给上位 PC 机,由上位机处理软件对采集数据进行实时处理;当系统工作在离线独立工作模式时,系统将采集数据经数据缓存单元存入大容量数据存储单元,在需要对数据进行分析时再传送给上位机进行后续分析。这些工作模式可以通过软件或硬件设置实现。1.2?高速数据缓存单元为了进一步提高系统的数据传送速度,增强数据采集系统的实时性,本系统采用了双端口的FIFO 存储芯片 IDT 7202 作为系统的高速数据缓存芯片。由各传感器采集的模拟量经信号调理和AD转换后可不再经过单片机而直接传送给缓存芯片进行缓存,随后根据不同的工作模式,该缓存单元可以直接向存储单元存储数据或经 USB 接口向上位机传送数据。在数据的传送过程中,2 个单片机仅仅负责控制高速数据缓存单元的工作状态,即由 1 号单片机控制芯片的写状态,完成数据从 A/D 的数据写入,由 2 号单片机控制芯片的读状态,完成数据的传送。在数据的传送过程中单片机不再进行数据的采集和传送工作,这将进一步提高数据的传送速度 3。其工作原理如图 2 所示。图 2?高速数据缓存单元工作原理1.3?USB 接口单元由于系统的接口单元是下位机(单片机数据采集系统)与上位机(PC 机)间进行通信的重要环节,特别是在数据交换方面起到独特的作用。当系统工作在实时数据采集模式时,下位机所采集的数据通过高速数据缓存单元直接经过通信接口将数据发送给上位机分析软件进行处理。而当系统工作在离线模式或非实时工作模式时,系统所采集数据将直接存入系统的 SD 大容量存储单元,将所有有效数据进行存储,当采集工作完成后,上位机通过 USB 接口直接将数据从下位机的 SD 存储单元读出,供上位机虚拟仪器进行后续分析、存储。因此,在进行通信接口设计时必须要对接口的稳定性和传送速度等因素进行充分的考虑。基于以上原因,在本系统的通信接口部分采用了 USB 接口设计,其 USB 接口芯片选用了 FX2 系列的 CY7C68013,该芯片支持USB2.0,同时向下兼容 USBl.1 规范的单片机,具有支 持 全 速 传 输(12 Mbit/s)和 高 速 传 输(480 Mbit/s)能力,而且 Cypress 公司为其提供了完善的软件开发工具包,不仅可以有效地降低开发难度,也加快了开发进程 4?5。2?上位机数据分析软件系统设计上位机数据分析软件系统采用 LabVIEW 软件进 行 开 发。LabVIEW是 美 国NI(NationalInstrument)公司推出的一种虚拟仪器开发软件,其采用的是一种独特的图形化 G 语言编程模式,在开发虚拟仪器方面具有较强的优势。?122?工矿自动化2010 年 11 月?2.1?LabVIEW 通信接口模块的实现原理由于没有采用专用数据采集卡,因此,在本系统的设计中,如何解决上位机虚拟仪器与下位机的通信是一个关键问题。传统的 USB 应用系统开发过程是先用 WindowsDDK(设备驱动程序开发包)或第三方开发工具(如 Driver Studio)开发 USB 驱动程序,然后用 Visual C+编写 DLL(动态链接库),最后再调有 DLL 来开发应用程序,但是这种方式对于不熟悉 Windows 和 Visual C+编程的人来说开发难度较大。NI 公司还推出了一种用来与各种仪器总线进行通信的高级应用编程接口软件NI-VISA(VirtualInstrumentSoftwareArchitecture,以下简称为 VISA)。VISA 总线 I/O软件是一个综合软件包,不受平台、总线和环境的限制,可用来对 USB、GPIB、串口、VXI、PXI 和以太网系统进行配置、编程和调试。VISA 是虚拟仪器系统 I/O 接口软件。基于自底向上结构模型的 VISA创造了一个统一形式的 I/O 控制函数集,通过它可以直接在 LabVIEW 环境下开发能驱动用户 USB系统的应用程序,完全避开了以前开发 USB 驱动程序的复杂性,从而极大地缩短了开发周期 6?7。配置 NI-VISA 的主要步骤如下:(1)使用驱动程序开发向导(Driver Develop?ment Wizard)创建 INF 文档;(2)安装 INF 文档,并安装使用 INF 文档的USB 设备;(3)使用 NI-VISA 互动控制工具(NI-VISAInteractive Control)对设备进行测试,以证实 USB设备已正确安装,并获得 USB 设备的各属性值。2.2?LabVIEW 程序设计使用 LabVIEW 进行设计时,主要包括虚拟仪器前面板设计和虚拟程序设计 2 个组成部分。其中,虚拟仪器前面板设计主要是对虚拟仪器的操作面板进行设计,包括主要的显示设备、仪器的操作控制器件、参数设定器件等。而程序设计部分则是对虚拟仪器利用独特的图形语言将要采取的数据处理方式、现实路径、现实模式、存储路径及格式等进行编写,是虚拟仪器设计的核心环节。本文设计的程序如图 3 所示。图 3?上位机数据处理程序?采集数据时,点击运行程序,VISA 会向外部端口发送字符串 OK!,等待外部设备响应。当外部设备准备就绪以后,发送字符串 OK!。当 VISA 接收到外部设备发来的字符串 OK!以后,跳出 while 循环,开始接收外部发来的字符串数据。当接收的字符串为空时结束接收程序,然后将字符串数据还原成数字,再经过变换成为数字波形,通过波形窗口在前面板上进行显示。数据回显时,首先读取已经存储的文本格式数据文件,并将十进制数据变换成布尔数组,然后将布尔数组转换成数字波形,最后将数字波形还原为模拟波形进行输出,最终显示到前面板上。?123?2010 年第 11 期李涛等:基于 LabVIEW 的数据采集系统研究?3?结语基于 LabVIEW 虚拟仪器技术的数据采集系统采用双 51 单片机控制技术,通过 USB 接口实现了多种数据的在线实时传送或离线大容量存储功能,达到了取代专用数据采集卡的目的。该系统具有在线与离线采集 2 种工作模式,结构简单,使用方便。实际应用证明,该系统具有较高的检测速度和精度,对于常用信号特别是低频信号的采集效果良好,具有较高的实用价值,同时对虚拟仪器技术的推广普及具有重要意义。参考文献:1?时秋兰,赵伟,侯国屏.基于LabVIEW环境开发虚拟仪器的几点体会J.电测与仪表,2001(12):29?33.2?高聪杰,李松岩,徐赫.基于 LabVIEW 的信号输出与数据采集系统J.微计算机信息,2008,24(7?1):135?136.3?余志荣,杨莉.基于 NI-VISA 与 LabVIEW 的 USB 接口应用设计 J.单片机与嵌入式系统应用,2007(1):66?69.4?肖金壮,张伟,王洪瑞,等.基于 LabVIEW 的单片机温度测控系统设计J.微计算机信息,2007,23(10-2):71?73.5?曾水生,谢云,易波,等.LabVIEW 实时数据采集系统的 USB2.0 接口实现J.机床与液压,2005(5):89?91.6?蔡共宣.基于 LabVIEW 的 单片机数据采集与处 理系统 J.郑州工业高等专科学校学报,2003(3):3?4.?第 11 期?2010 年 11 月工矿自动化Industry and Mine AutomationNo.11?Nov.2010?文章编号:1671-251X(2010)11-0124-05基于 Profibus-DP 的水泥自动配料系统设计朱俊林,?王祖麟,?刘晖(江西理工大学机电工程学院,江西 赣州?341000)?摘要:针对某水泥厂配料生产线使用的 PLC 控制系统存在连线多、距离远、故障点多等缺陷,提出了一种基于 Profibus-DP 的水泥自动配料系统的改造方案,详细介绍了系统的硬件与软件的设计。该系统以西门子 S7-300 PLC 为主控制器,具有配料系统运行状态监控、运行异常报警、运行参数修改、实时数据自动生成、历史数据报表查询或打印等功能。关键词:水泥厂;自动配料系统;调速秤;变频器;Profibus-DP?中图分类号:TP273?文献标识码:BDesign of Cement Automatic Batching System Based on Profibus?DPZHU Jun?Lin,?WANG Zu?Lin,?LIU H ui(School of Mechanical and Electrical Engineering of Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China)?Abstract:In view of existing defects of PLC control system used in cement batching production line ofa cement plant,such as many connections,long distance,many fault points and so on,the paper proposeda reform scheme of cement automatic batching system based on Profibus?DP,and introduced design of thesystems hardware and software in details.T he system takes Siemens S7?300 PLC as main controller,which has functions of running condition monitoring,unusual running warning,running parameterrevision,real?time data automatic production and inquiry or printing of historical datas report.收稿日期:2010-07-16作者简介:朱俊林(1967-),男,江西瑞金人,工程师,硕士,研究方向为工业生产过程自动化,主要从事水泥自动配料系统的研发工作。E?mail:besterfulitu
