基于LabVIEW的红外传感器的多路数据采集系统设计.pdf
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1、郑州大学毕业设计(论文)题目:基于基于 LabVIEWLabVIEW 的红外传感器的多路数据的红外传感器的多路数据采集系统设计采集系统设计指导教师:赵红梅赵红梅职称:讲师讲师学生姓名:逯静丹学号: 20092250118专业:电子信息科学与技术院(系) :物理工程学院完成时间:2013.5.242013 年 5 月 24 日摘要摘要虚拟仪器是当前测控领域的技术热点。LabVIEW 是目前多数虚拟仪器系统所采用的开发软件。它是一种图形化的编程语言。 在这种基于图形化编程语言的开发环境中,LabVIEW 可以高效、快速地编写出相应的应用程序。本设计就是采用LabVIEW 平台,编程实现了数据采集、
2、实时显示以及数据存储等功能。本文先对系统结构和 LabVIEW 虚拟仪器平台作了简要概述, 并说明了本设计要完成了工作和要解决的问题。在第3 节中简述了串行通信的概念,介绍了LabVIEW 中串行通信模块中的一些功能函数,并解决了串行通信在 LabVIEW 中是如何实现的问题。在第 4 节中对本设计中用到的的 Modbus ASCII 协议作了详细说明,包括 Modbus ASCII 模式、Modbus ASCII 帧、LRC 校验和的实现等。在第5 节中,介绍了数据采集系统的整个框架,包括前面板设计和各个模块的程序框图设计步骤。最后对本设计的整个工作过程作了回顾与总结。关键词:关键词:虚拟仪
3、器;LabVIEW;数据采集;串行通信;Modbus ASCII 协议IAbstractAbstractVirtual instrument is now atech fad in the field of measurement andcontrol. LabVIEW is a development software used by most of the virtualinstrument system currently. It is a graphical programming language. Inthis development environment based on gr
4、aphical programming language, wecanprogramthecorrespondingapplicationwithLabVIEWfastandefficiently. In the paper, we program to achieve the function of dataacquisition, real-time display, and data storage using the platform ofLabVIEW.This paper firstly gives a brief overview of the structure of thes
5、ystem and LabVIEW virtual instrument platform, and illustrates the workwe will complete and the problem we will solve. In the third section, wedescribe the concept of serial communication, introduce some functionsof serial communication module of LabVIEW, and solve the problem how torealize the seri
6、al communication in LabVIEW. In the fourth section, wemake a detailed explanation for Modbus ASCII protocol, including ModbusASCII pattern, Modbus ASCII frame, and LRC checksum realization. In thefifth section, we introduce the whole framework of the data acquisitionsystem, including the design of t
7、he front panel and the step of programdiagram design of each module. Finally we make a review and summary ofthe whole design process.Keywords: Virtual instrument; LabVIEW; Data acquisition; Serialcommunication; Modbus ASCII communication protocolII目录目录摘要.IAbstract.II目录.III0引言.11系统结构简介.22 LabVIEW 概述
8、.32.1 图形化虚拟仪器开发平台LabVIEW .32.2 基于 LabVIEW 平台的虚拟仪器程序设计 .42.3 本设计所做的工作 .53基于 LabVIEW 的简单串行通信的实现.63.1 基本功能函数 .63.2 串口通信步骤及程序框图 .64 Modbus ASCII 协议简介 .84.1 Modbus ASCII 模式.84.2 Modbus ASCII 帧.84.3 Modbus ASCII 校验方式(LRC 校验) .94.4 Modbus ASCII 校验方式在 LabVIEW 中的实现.105数据采集系统设计.115.1 程序流程图 .115.2 前面板设计 .125.3
9、 地址搜索 .125.4 浓度采集 .145.5 温度采集 .165.6 数据保存 .166本设计的总结及研究意义.176.1 总结 .176.2 研究意义 .18致谢.19参考文献.20III 0 0引言引言虚拟仪器(VirtualInstrument)是基于计算机的软硬件测试平台,已经在工业控制领域得到广泛的应用。LabVIEW 是由美国国家仪器公司推出的、主要面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台,是一种基于图形开发、调试和运行的集成化环境。利用 LabVIEW 设计多路数据采集系统时,可配置 NI 公司的数据采集板卡模拟采集多路信号,但是数据采集板卡价格较贵。本设计选用 smartG
10、AS 红外气体传感器作为前端数据采集系统进行多路数据采集,然后通过 RS-485 串口通讯将数据传输至上位机,在 LabVIEW 开发平台下,对各路数据进行处理和实时显示,从而实现了一种在 LabVIEW 环境下的单片机多路数据采集系统。11 1系统结构简介系统结构简介仪器控制是指通过 PC 上的软件远程控制总线上的一台或多台仪器。它比单纯的数据采集要复杂得多,它需要将仪器或设备与计算机连接起来协同工作,同时还可以根据需要延伸和拓展仪器的功能。一个完整的仪器控制系统除了包括计算机和仪器外, 还必须建立仪器与计算机的通路以及上层应用程序。 RS-485 接口在总线上是允许连接多达 128 个收发
11、器,即具有多站能力。这样用户可以利用单一的 RS-485 接口方便地建立起设备网络。但是 PC 上都不带 RS-485 的接口,因此在接入电脑前需要通过 485-232 转换器或485-USB 转换器才能接入 PC。本设计测试时,选用的是 485-232 转换器。多路数据采集系统框架如图 1 所示。RS485 接口红外传感器红外传感器232转换RS485 接口器485-PC 机图 1多路数据采集系统框架图22 LabVIEW2 LabVIEW 概述概述现代技术的进步, 特别是以计算机技术为代表的不断革新的计算机技术,正从各个层面上影响并引导着各行各业的技术革新, 基于计算机技术的虚拟仪器系统技
12、术也正以不可逆转的力量推动着测量控制技术、 数据采集和分析等技术的发展。传统仪器主要由信号采集与控制模块、分析与处理模块、以及测量结果的表达与输出模块这三大功能模块组成。传统仪器的这些功能都是以硬件形式存在的。而虚拟仪器则是将这些功能移植到计算机上完成。相对于传统仪器,虚拟仪器具有性能高、扩展性强、开发时间少、完美的集成功能等特点。 LabVIEW 是一款优秀的虚拟仪器软件开发平台。LabVIEW 以其直观、简便的编程方式,众多的源码级设备驱动程序,多种多样的分析和表达支持功能,可为用户快捷地构建实际生产中所需要的仪器系统创造有力的基础条件。 其中数据采集与仪器控制是 LabVIEW 最具竞争
13、力的核心技术。虚拟仪器是当前测控领域的技术热点,它代表了未来仪器技术的发展方向。虚拟仪器的关键技术是软件,通过虚拟仪器的软件开发平台,开发者无需了解过多的仪器专业知识,就可方便、快捷地开发出满足应用的虚拟仪器。LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,实验室虚拟仪器工程平台)是目前多数虚拟仪器系统所采用的开发软件。2.12.1 图形化虚拟仪器开发平台图形化虚拟仪器开发平台LabVIEWLabVIEWLabVIEW 是一种图形化的编程语言,它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受,视为一个标准的数据采集和仪器控制软件
14、。 LabVIEW 集成了与满足GPIB、VXI、RS-232 和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用 TCP/PI、ActiveX 等软件标准的库函数,是一个功能强大且灵活的软件。 利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器,其图形化的界面使得编程及使用过程都更加形象化。传统的文本式编程是一种顺序的设计思路, 设计者必须写出执行的语句。而LabVIEW 是基于数据流的工作方式,同时是基于图形化的编程,这使得设计者不必掌握大量的编程语言和程序设计技巧便可设计出虚拟仪器系统。3目前,在以 PC 机为基础的测试和工控软件中,LabVIEW 的市场普及率仅次于 C+/C
15、语言。LabVIEW 具有一系列无与伦比的优点:首先,LabVIEW 作为图形化语言编程,采用流程图式的编程,运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致,这使得编程过程和思维过程非常相似;同时,LabVIEW 提供了丰富的 VI 库和仪器面板素材库,近 600 种设备的驱动程序(可扩充)如 GPIB设备控制、VXI 总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储;并且LabVIEW 还提供了专门用于程序开发的工具箱,使得用户能够设置断点,调试过程中可以使用数据探针和动态执行程序来观察数据的传输过程, 更加便于程序的调试。因此,LabVIEW 受到越来越多工程师、科学家的普遍青
16、睐。利用 LabVIEW , 可产生独立运行的可执行文件, 它是一个真正的 32 编译器。像许多通用的软件一样,LabVIEW 提供了 Windows、UNIX、Linux、Macintosh OS等多种版本。2.22.2 基于基于 LabVIEWLabVIEW 平台的虚拟仪器程序设计平台的虚拟仪器程序设计所有的 LabVIEW 应用程序,即虚拟仪器(VI),它包括前面板(Front Panel)、流程图(Block Diagram)以及图标/连结器(Icon/Connector)三部分。(1)前面板:前面板是图形用户界面,也就是 VI 的虚拟仪器面板,这一界面上有用户输入和显示输出两类对象,
17、具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制和显示对象。 但并非画出两个控件后程序就可以运行,在前面板后还有一个与之对应的流程图。(2)流程图:流程图提供VI 的图形化源程序。在流程图中对VI 编程,以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。 流程图中包括前面板上的控件连线端子, 还有一些前面板上没有, 但编程必须有的东西, 例如函数、 结构和连线等。如果将 VI 与传统仪器相比较,那么前面板上的控件对应的就是传统仪器上的按钮、 显示屏等控件, 而流程图上的连线端子相当于传统仪器箱内的硬件电路。在许多情况下,使用 VI 可以仿真传统仪器,不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板, 而且其功能也与
18、传统标准仪器相差无几。这种设计思想的优点体现在两方面: 类似流程图的设计思想,很容易被工程人员接受和掌握,特别是那些没4有很多程序设计经验的工程人员。 设计的思路和运行过程清晰而且直观。如通过使用数据探针、高亮执行调试等多种方法,程序以较慢的速度运行,使没有执行的代码显示灰色,执行后的代码会高亮显示, 同时在线显示数据流线上的数据值, 完全跟踪数据流的运行。这为程序的调试和参数的设定带来诸多的方便。(3)图标/连接设计:这部分的设计突出体现了虚拟仪器模块化程序设计的思想。在设计大型自动检测系统时一步完成一个复杂系统的设计是相当有难度的。而在 LabVIEW 中提供的图标/连接工具正是为实现模块
19、化设计而准备的。设计者可把一个复杂自动检测系统分为多个子系统,每一个都可完成一定的功能。这样设计的优点体现在如下几方面: 把一个复杂自动检测系统分为多个子系统,程序设计思路清晰,给设计者调试程序带来了诸多的方便。同时也对于将来系统的维护提供了便利。 一个复杂自动检测系统分为多个子系统,每一个子系统都是一个完整的功能模块, 这样把测试功能细节化, 便于实现软件复用, 大大节省软件研发周期,提高系统设计的可靠性。 便于实现“测试集成”和虚拟仪器库的思想。同时为实现虚拟仪器设计的灵活性提供了前提。2.32.3 本设计所做的工作本设计所做的工作在基于图形化编程语言的开发环境中,LabVIEW 可以高效
20、、快速地编写出相应的应用程序,完成诸如数据采集、数据处理、数据显示以及仪器控制和通信等多种功能。本设计中利用 LabVIEW 开发平台,编程实现对接入设备 smartGAS 红外气体传感器的地址搜索、浓度和温度采集,并在 PC 机上实时显示采集到的数据,并具有数据存储功能。53 3基于基于 LabVIEWLabVIEW 的简单串行通信的实现的简单串行通信的实现串行通信是指计算机主机与外设之间以及主机系统与主机系统之间数据的串行传送。使用一条数据线,将数据一位一位地依次传输,每一位数据占据一个固定的时间长度。其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息,特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远
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