基于LabVIEW的液位测试处理系统系统设计

SHANDONG 毕业设计说明书 基于 LabVIEW 的液位测试处理 系统设计 学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 自动化 学生姓名： 陈 啸 学 号： 0812107284 指导老师： 邢雪宁 2012 年 6 月 中 文 摘 要 I 摘 要 虚拟仪器技术是当代计算机系统和仪器系统相结合的产物，是计算机辅助 测试领域的一项重要技术。它推动着传统仪器朝着数字化、智能化、模块化、 网络化的方向发展。 虚拟仪器系统利用了计算机系统的强大功能，极大的突破了传统仪器在数 据采集、处理、显示、存储等方面的限制，用户可以自由定义，自由组合计算 机平台、 硬件、软件以及完成系统功能所需的附件，可以方便的对其进行维 护、扩展、升级， “Soft is Instruments (软件就是仪器)的观念正逐步被人们接受。 因此，虚拟仪器 VI（Visual Instrument）正在成为当今世界流行的一种仪器构 成方案，它把计算机平台与具有标准接口的硬件模块及开发测试软件结合起来 构成系统。 本课题主要内容是研制以 LabVIEW 为主控制平台，以单片机为控制的智能 实时液位检测处理系统。该系统具有数据实时采集、采集数据实时显示、存储、 并通过数据采集卡输出控制信号对液位信号实时控制等功能。 本设计是虚拟仪器在测控领域的一次成功尝试。实践证明虚拟仪器是一种 优秀的解决方案，能够高效的实现各种测控任务。 关键字：虚拟仪器，液位控制，LabVIEW Abstract II Abstract Vrtual instrument technology is now the computer system and instrumentation system combining the product of todays computer-aided testing is an important technology area. It advances towards the traditional digital instrumentation, intelligent, modular, network-based direction. Nowadays the Visual Instrument (VI) is becoming a popular scheme of instruments constitution. It combines the computer platform with standard interface hardware modules and develops testing software to form a system. Utilizing the powerful function of computer system, the visual instrument system has dramatically broken through the limitation of traditional instruments in data acquisition, processing, displaying, storage, etc. The user can not only freely define and combine the computer platform, hardware, software and the required accessories to complete system functions, but also make maintenance, expansion and upgrading. Therefore people gradually accept the conception that software is the instrument. The main topic is to develop a control platform based on LabVIEW, and also a Intelligent real-time microcontroller for the control of liquid level detection processing system. This system has the functions of real-time data acquisition, real- time data displaying . Besides, it can output the control signal through the data- acquisition card to a real-time control of the liquid level, etc. This design is a successful attempt of the visual instruments in the testing and controlling field. Practice proves that the Visual Instrument is an excellent solution to efficiently fulfill various testing and controlling tasks. KEY WORDS: Visual instrument , Liquid-level control , LabVIEW 目 录 III 目目 录录 摘 要I ABSTRACT II 目 录III 第一章第一章 绪绪 论论1 1.1 引言 .1 1.2 课题背景1 1.2.1 虚拟仪器技术的国外发展现状1 1.2.2 国内虚拟仪器的研究现状.2 1.3 虚拟仪器的开发软件.5 1.3.1 虚拟仪器语言的开发5 1.3.2 图形化虚拟仪器开发平台LABVIEW5 1.3.3 基于 LABVIEW 平台的虚拟仪器程序设计5 1.4 本设计所做的工作 6 第二章第二章 系统设计理论及硬件平台系统设计理论及硬件平台 .7 2.1 硬件设计总体思路 7 2.2 物理结的设计 .8 2.2.1 液位计的分类.8 2.2.2 机械结构设计.8 2.3 硬件结构设计 .9 2.4 数据采集单元的设计.10 2.4.1 光电编码器的介绍10 2.4.2 MAX485 与 MAX491 的介绍.12 2.5 键盘以及复位电路的设计 .16 目 录 IV 2.5.1 键盘电路的设计 .16 2.5.2 复位电路的设计 .16 2.6 显示控制的设计17 2.7 电源整流电路 .20 2.8 微处理器的选取20 2.9 整体电路图设计20 第三章第三章 LABVIEWLABVIEW 平台的液位系统设计平台的液位系统设计.21 3.1 程序模块化设计概述.21 3.1.1 软件系统的模块化设计原则 .21 3.1.2 本设计的软件系统模块划分 .22 3.2 系统各模块应用程序.22 3.2.1 数据采集与显示程序23 3.2.2 数据保存程序.24 3.2.3 历史数据读取程序25 3.2.4 报警模块26 3.2.5 参数设置模块.26 第四章第四章 系统软件的具体实现系统软件的具体实现.28 4.1 系统监控界面 .28 4.2 实验步骤及其调试结果.28 4.3 历史数据读取 .29 总 结.30 参 考 文 献31 致 谢.32 第一章 绪 论 - 1 - 第一章 绪 论 1.1 引言 在人们生产生活的过程中越来越多的涉及到液位控制和处理的问题。比如， 在饮品生产、食品加工、化工生产、污水净化等各个领域，都会使用蓄液池， 而对于蓄液池内液体的高度控制要求也越来越精准。水量过多会导致不必要的 浪费，水量过少达不到标准而无法满足要求，在很多情况下，即使是很小的测 量相对误差也会造成较大的经济损失。因此，为了保证生产的效益和产品质量， 必须要有合适的控制器自动调节蓄液池内液体的流量，使液位保持在正常水平。 这些不同背景的实际问题我们都可以把他们简化为某种水箱的液位控制和 处理问题。在工业控制过程中，液位是一个很重要的参数。特别是在动态的状 态下，采用合适的方法对液位进行检测与控制，能起到很好的生产效果。 当今仪器实验室与测控技术设备共有 5 套液位测试处理实验装置，所有的 液位控制装置都是由传统模拟仪表来控制的。然而只有把实验设备改为利用计 算机来进行液位处理，才能进一步的对研究性实验进行探索。虚拟仪器 VI（Visual Instrument）作为一种能够把标准接口的硬件模块、计算机平台以及 开发测试的软件结合起来形成的系统，在世界范围内起着越来越重要的作用。 特别是在工业生产中，对液位的检测。液位作为控制系统中一个十分重要的参 数，在生产工程中必须对他进行实时的监控。以前采用的方法是人工分班进行 定时的液位监测，通过液位计测指示值与规定液位数值作差，控制阀门的开关。 但是这样会产生误读和误记的情况，而且由于缺乏实时性，不能够对突发情况 进行良好的处理。所以, 本毕业设计要设计一套实时、自动的液位控制监控系 统，并充分引入虚拟仪器的概念, 使所设计的监控系统结构清晰、概念简单。 第一章 绪 论 - 2 - 1.2 课题背景 1.2.1 虚拟仪器技术的国外发展现状 在国外，虚拟仪器技术飞速发展，美国国家仪器公司（NI 公司）等厂商不 断的在市场上推出了很多实用便捷的商品化仪器产品，这些产品都是以虚拟仪 器技术为基础的。在美国，很多学校都已开设虚拟仪器系统及其图形编程语言 的相关课程。美国的哈佛大学、麻省理工大学等高校很多专业都要求学生能够 熟练地运用虚拟仪器进行检测和控制。 近年来，为了使用户能够操作交互性较强的开发平台软件实现自己的虚拟 仪器或检测控制系统，各国许多虚拟仪器公司研发了大量的基于虚拟仪器的开 发平台软件。其中，美国国家仪器公司的 Lab windows/CVI 软件以及 LabVIEW 开发软件是应用最为广泛，影响力最大的开发平台。Lab windows/CVI 应用于 windows 系统中的标准 ANSI C 研发平台，并且由于有很多能够运用 C 语言的 用户使其具有了广泛的适用群体。LabVIEW 软件采用图形化编程的方法，使操 作更为便捷。除了美国国家仪器公司，美国 Hp 公司、Hem Data 公司、TEK Tromix 公司也先后推出了很多软件，如 Hp Vee 平台软件、Tesk-Tns 软件以及 Snap-Master 平台软件都得到了用户的肯定。 目前， USB 通用总线、IEEE1394 总线、GPIB 通用总线、RS232 总线、 VXI 总线是虚拟仪器开发广泛应用的几种类型。各个大型的公司，比如美国国 家仪器公司，开发了很多的软件和符合要求的插件，能够方便的创立复杂程度 不一的虚拟仪器测试处理系统，把这些总线与虚拟仪器良好的结合在一起配合 使用。 1.2.2 国内虚拟仪器的研究现状 现在应用较多的虚拟仪器有 VXI.PX，各种计算机通用总线以及各个类型 的总线标准的插卡和仪器模块间或有其他总线式的仪器模块，使用时大多是以 插入总线机箱里面或插入计算机的主机内的工作方式为主，有一小部分独立通 过接口形式和计算机进行连接。它们多以低频和中频范围为主，主要是工程应 用型仪器装置。 第一章 绪 论 - 3 - 目前，反映我国虚拟仪器发展的一个重要的因素是 VXI 总线技术，随着网 络的发展，使得数据共享有了质的提高，极大地发展了计算机远程技术和网络 技术以及虚拟仪器技术，传统的技术都不能够实现这些。虚拟仪器充分的发挥 了网络的优势，能够及时准确的把测量检测的数据实时传送到网络上面。 中国科技大学、上海复旦大学、北京交通大学、河北工业大学、华中科技 大学、清华大学等高校的实验室都先后的引入了虚拟仪器设备。与此同时，这 些高校积极进行研究开发，利用现有的条件，开发出了更加实用、更加便捷的 虚拟仪器系统。比如，华中科技大学电气学院自动化研究实验室把研发成果公 布在网络上进行展览。河北工业大学的教师利用虚拟仪器系统，开发了“工业 电台三线综合检测控制仪”将 9 台设备合并成一台，形成了一个具有庞大功能 的虚拟仪器系统，操作更加的灵活方便。虚拟仪器也被清华大学良好的运用， 针对汽车发动机出厂检查开发出了实用性发动机检测系统。能够准确测试出发 动机的负荷特性、功率等是否符合标准，并且出具一份完整的测试评估报告。 根据估计，我国将会出现更多的工厂会重视使用虚拟仪器实时监测生产装置的 运行状况。在很短的时间内，我国的工业设备中将有一半变为虚拟仪器设备。 虚拟仪器将会随着 PC 机的前进，慢慢替代传统测试仪和人工测试而成为测试 仪器的最重要的分支。虚拟仪器概念的提出和实现，预示着在这本世纪自动监 测和电子监测控制仪器将不断的向着虚拟仪器的趋势不断前进。 虚拟仪器是通信、微型计算机、互联网等现代科学技术高速发展的产物。 自从十八世纪七十年代年静电扭秤备库伦发明出来，十九世纪静电电表结构由 哈里斯提出以来，电子测量以及电子仪器相关技术不断的进步，各种仪器设备 的质量不断的提升，还有检测方法理论飞速的发展。人们通常习惯把测量仪器 的发展分为五个时间段，如图 1-1 所示。 模拟仪器虚拟仪器智能仪器数字仪器电子仪器 19世纪九十年代七十年代20世纪五十年代 图 1-1 测量技术的发展 第一章 绪 论 - 4 - 从 1900 年之后的两个世纪里，测量仪器发展成为了虚拟仪器，它经历了 电子仪器、智能仪器、数字仪器、模拟仪器几个发展阶段。模拟设备主要有模 拟电压表、电流表，解决一定量的测量需求的仪器。从 1900 年到 1950 年开始， 测量仪器的材料性能提高，电子技术、测量理论和控制技术结合起来。经过 50 年的发展，录音设备和电子仪器示波器不断出现，晶体管和集成电路及应用电 子技术不断发展，数字化技术成功地应用于测量仪器。这是电子控制集成电路 和计算机技术开始融入测量仪器的主要特点。在 70 年代初问世的微型计算机 技术飞速发展，在测量仪器的影响下，呈现出新的生机，同时微处理器取得了 质的提高。 伴随着计算机科技、微电子科技、互联网技术的飞速发展，电气和电子仪 器测量技术的应用也不断进步，智能工具仪器开始出现。智能仪器是内置于仪 器中，微电脑智能控制、记忆、计算、逻辑判断和自主性操作这些特性不断提 高，测量准确度，可靠性、灵活性、自动化程度加大，使用和解决测量技术能 力问题的横向、纵向双方面都取得重大进展。这个内置的微处理器设备，自动 化测试和数据处理完成后，可替代的一部分的精神劳动。微计算机技术，智能 仪表智力能性能伴随着电子信息技术和互联网的发展，水平不断提高。 总线仪器和系统的诞生能够改变在数字仪表、智能仪表阶段中的特点，在 这个阶段中，本质上并没有淘汰掉传统独立的，手动操作模式，不能做更复杂 的、多任务的测量要求。人们创造的 GPIB，CAMAC 和 RS-232 多个智能仪表 仪器通信接口总线在一起，形成一个更复杂的测试系统。德伯克是美国西北 仪器 CEO 在 1892 年提出了一个计算机化仪器的概念。也就是说，它现在通常 被称为卡式仪器。虚拟仪器的的原型就是卡仪器虚拟仪器，在传统的单机仪器 收集在一起的仪器功能卡接口部分测量电路的功能卡，该仪器插入到计算机的 内部插槽或外部插件。 PC 总线仪表系统是一种卡式设备，它是使用 PC 里面 的总线，块仪器卡插入电脑，形成内部或外部扩展机箱。 ，通过 GPIB 接口总线、 Rs-232 或以太网等进行 PC 机间与插卡总线机箱的联系。 各大厂家纷纷对卡式仪器进行提升和改进，这就使得在市场上没有统一的 标准，很多设备的兼容性很差。为了顺应市场的要求，美国惠普等五家公司一 第一章 绪 论 - 5 - 同提出了一个统一的标准，定义了 PIX 总线。后来又经过美国国家仪器公司的 完善与发展，在十九世纪末，虚拟仪器测试平台因其操作简单、成本低廉、携 带便捷等优势为人么所普遍接受。后来又经过不断的完善，虚拟仪器的系统开 发功能更加强大，开发周期不断缩短，成本费用更低，准确性、灵敏度不断提 高。利用这些操作平台能够让用户根据自己的需求，简便灵活的进行仪器设计， 可以自己定义所需的仪器来满足各种各样不同的要求。 虚拟仪器的问世和不断发展不仅为数据采集系统的发展指明了新的方向， 而且也克服了很多传统数据采集系统的缺点和弊端，可以对实验数据进行实时 的监控、检测、处理和记录。它的产生是仪器发展史上的一次革命，一个里程 碑，它将为信息技术的发展奠定一个良好的基础，为仪器采集的发展指明了一 条光明的康庄大道。 1.3 虚拟仪器的开发软件 1.3.1 虚拟仪器语言的开发 目前仪器系统开发的方式主要有两种形式，一种是程序语言编程，另一种 是图形化编程。我们熟悉的程序开发语言有标准 C 语言、Visual Basic、Visual C+,但是这几种程序语言要求专业性较强，不利于扩大用户的适用范围，使得 仪器系统开发不能够普及。为了顺应市场的要求，美国仪器公司开发了 LabVIEW 软件平台，用户可以通过形象的图形化编程的方式，简便灵活的完成 自己所需要的系统。与以前的程序语言相比，图形化编程更加易于掌握，风靡 整个市场。 1.3.2 图形化虚拟仪器开发平台LabVIEW 当前，LabVIEW 因为它易于掌握、操作方便、使用便捷等特点，在工业生 产、实验室操作、学术研究等各个领域所普及。它内部设置了数量庞大、功能 强大的函数库，能够为用户提供更多的程序功能。同时可以满足数据采集卡的 功能以及 RS-485 和 RS-232 协议的硬件。使用 LabVIEW 能够使得编程的过程 变得更加快捷更加方便。 第一章 绪 论 - 6 - 1.3.3 基于LabVIEW平台的虚拟仪器程序设计 LabVIEW 的应用程序由三部分组成，分别是前面板、流程图和图标/连接 器。下面对这三部分进行一个简单的介绍： （1）前面板：又称为 VI 虚拟仪器面板，它是用户进行模拟操作的平台。 在前面板，用户可以设置开关、旋钮、控制对象、显示对象等。主要的功能就 是进行用户的控制与输入，以及数据的显示、处理与输出。与之相对应的是控 制面板上的流程图。 （2）流程图：流程图中所呈现给我们的是图形化的源程序，通过这些图 形，对前面板上输入输出进行控制，表明他们的逻辑关系。前面板上每一个元 件在流程图上都会有对应的接线端子，接线端子之间依靠连线、函数、结构等 控制数据的流向和处理过程。这样，LabVIEW 就具备了更加直观、易于接受和 掌握、操作方便等传统仪器所不具备的优点。 （3）图标/连接设计：虚拟仪器模块化的设计思想在这一部分的设计中得 到了充分的体现。当用户需要开发是个庞大困难的系统时，就可以把大型系统 划分为几个子系统，通过这种模块化的思路，完成设计工作。这样不仅使设计 思路更加明晰，也有利于系统的维护。同时，体现了虚拟仪器的灵活性和复用 性。 1.4 本设计所做的工作 本课题研究的主要内容是研制以 LabVIEW 为主控制平台，以单片机为控 制的智能实时液位检测处理系统，主要研究内容有两个方面：一是硬件设计： 液位数据测量的硬件设计部分，包括显示电路、键盘及复位电路、报警电路、 电源整流电路的设计等；二是在 LabVIEW 平台下对液位数据进行的实时显示、 处理等操作。 第二章 系统设计理论及硬件平台 - 7 - 第二章 系统设计理论及硬件平台 本章重点展示了系统设计的总体思路，以及每个部分、每个模块的理论知 识、结构、功能、设计思路等。 2.1 硬件设计总体思路 在硬件平台的设计中，应注意满足以下几点： （1）对于测量精度进行从分考虑，选取能够满足精度要求的硬件。 （2）严格控制硬件制作的成本，要是设计出的系统的投入小于其他产品。 设计过程中，可以应用模块化思想，分别从机械结构、下位机设计、上位 机设计这个个方面入手，如图 2-1： 机械结构 测井 配重和浮子 导向轮 测量滑轮 下位机 设计 数据处理 判断单元 系 统 报 警 显 示 单 元 数据采集单 元 传输数据单元 数据 处理 判断 单元 上位机处 理 显示模块单 元 系 统 报 警 第二章 系统设计理论及硬件平台 - 8 - 图 2-1 硬件设计总思路 随着液面高度的变化，我们可以利用浮子、配重以及导向轮，将液位高度 变化转化为输入物理信号，信号进入编码器，将物理信号转化称为电信号。然 后，在下位机中经过数字处理，把这些数据转化成为实际的液位高度的数据， 通过上位机的处理，进行显示、报警。 2.2 物理结的设计 2.2.1 液位计的分类 随着液面高度的变化，我们可以利用浮子、配重以及导向轮，将液位高度 变化转化为输入物理信号，信号进入编码器，将物理信号转化称为电信号。然 后，在下位机中经过数字处理，把这些数据转化成为实际的液位高度的数据， 通过上位机的处理，进行显示、报警。 液位计种类繁多，常用的液位计有连通器式、吹泡式、差压式、电容式等。 下面我们对连通式以及浮力式液位计的特点和测量原理进行介绍： （1）连通器式：目前应用最为广泛的一种液位计，由于它的价格低、操作 方便、观察直观等特点，为人们所普遍接受。然而，表面容易玷污，仪器容易 破损，不利于远程控制。 （2）浮力式液位计：它包括恒浮力式液位计和变浮力式液位计两种 a恒浮力式液位计主要利用设备中的浮子或者是浮标，通过它们随液体液 位高度变化而变化物理位置。它适用于各种的罐状容器的测量，它的特点是结 构简单、价格便宜。 b变浮力式液位计的原理是：由于液位高度不一，使得沉筒浸于液体里面 的体积也不一样，这样就会因所受浮力大小不一而产生位移，然后通过物理结 构把位移量转化称为角度量。可以方便的用于远程控制和自动调节。 2.2.2 机械结构设计 针对本课题的要求，我们设计物理结构应该剧本结构简单、成本低、安装 简便等特点。如图 2-2 所示，采用非同轴的结构，设置三个定滑轮，两个导向 第二章 系统设计理论及硬件平台 - 9 - 轮直径为 30 毫米，中间的动滑轮直径 40 毫米。排列成倒 V 型，通过钢丝绳进 行连接，形成一个定滑轮组。充分发挥两边定滑轮的导向作用，中间的定滑轮 上放置一个编码器进行信号转换与输出。为了加大摩擦力，要求排线尽量的覆 盖定滑轮的全部周长，从而防止排线打滑的现象，减小机械结构在测量时产生 的误差，是结果更加准确。 图 2-2 机械结构图 2.3 硬件结构设计 为了满足本课题的功能要求，可将系统的硬件分为数据采集单元、传输数 据单元、单片机处理单元、键盘复位单元、报警单元、显示单元这几个大部分。 在数据采集单元中，为了符合精度要求，尽量减小在信号采集构成中产生 的误差，我们选取了 ROQ425 多转编码器，这种转换器动作电压为 5V，输出 码采用格雷码、纯二进制，最大机械转速为 10000 转每分钟，能共满足课题的 要求。 在硬件电路中，选用应用广泛的元器件，这样能过使得我们对元器件更加 合理的运用。为了降低成本，机械结构中采用浮力式液位计中的恒浮力式液位 计，而且能够进行简单的安装和便捷的维护。 编码器 导向轮 配重浮力 第二章 系统设计理论及硬件平台 - 10 - 在上位机系统中，安装 LabVIEW 系统，利用虚拟仪器的模拟、监控、显示 功能，对液位进行实时的监控、报警、显示。 图 2-3 机械结构图 2.4 数据采集单元的设计 2.4.1 光电编码器的介绍 光电编码器现在已经成为社会中应用最为广泛的一类传感器。它有两个组 成部分，分别是光电检测装置和光栅盘。光电编码器可以把输出轴上物理位置 变化量转化成为电信号，利用光电转换输出脉冲或者是数字量。它把圆盘均等 的分为若干块，并且每块上都有长方形的小孔叫做光栅盘。光栅盘随着电动机 等机械设备的运行一起转动，这样，就使得光栅盘保持着相同的转动速度。光 电检测就是在光栅盘转动个过程中，利用二极管等发光电子元器件的特性，记 录单位时间内透过长方形小孔的光脉冲的个数，并进行转换处理。简单来说， 就是利用光栅衍射的原理实现了物理位移与数字信号的转变。 根据光电编码器的信号输出的形式以及不同的刻度方法，人们把它分为增 量式、绝对式以及混合式三种。根据检测原理的不同，分为光学式、感应式、 磁式和电容式等等。 （1）增量式编码器 增量式编码器输出的是 A、B 和 Z 相三方波脉冲，是以光电转换原理为基 础；A、B 两组信号的相位并不是同步的，两者相差 90 度;，这就为转动方向的 键盘复位单元系统报警单元 单片机处理单元 显示单元 数据采集单元传输数据单元 第二章 系统设计理论及硬件平台 - 11 - 确认提供了依据。而 Z 相信号是为了更准确的定为基准点。 增量编码器的特点为使用便捷，结构简单，使用时间周期较长，可靠性能 较强，测量准确，能够很好地抵制外部的干扰，可以用于远程检测。但是不能 够确定转动轴的具体物理位置信息。 （2）绝对式编码器 绝对编码器有很多通信码道排列在圆形码盘之上，透光和不透光的不同的 扇形区相互交错组成各个码道，而且扇区数目有着一定的规律，相邻的两个扇 区为两倍的关系，二进制位数就是由码道数所决定的。光源和光敏元件分别位 于码盘的两侧；光敏元件受到光照时显示高电位，没有光照的时候显示地点为， 这样就能够输出对应的电平信号，形成二进制数字。不管在什么位置，都能够 输出一个数字。这就说明一个问题，仪器的分辨率是由码道的数目所决定的， 码道数目越多，分辨率就越高，要想输出多少位的二进制数字，就至少要有对 应数目的码道。当今应用最多的是十位和十四位两种。 绝对式编码器进行光电与数字转换的方式是利用二进制进行的，它的特点 是没有累积误差，并且能够直接的准确读出角度坐标的数值，即使是在电源断 电等突发情况中，也能够对数据进行良好的保存。 （3）混合式编码器 混合式编码器，结合了绝对式编码器和增量式编码器两种的特性。不仅可 以测试出具体物理位置，还具备了增量式编码器的所有优势，是性能最好的一 个类型。 根据课题的要求，综合考虑精度、成本、实用性等因素，本设计中我们选 用的是 ROQ425 编码器，这个编码器是由德国海德汉公司设计生产的绝对式编 码器，能够很好地满足我们的设计要求。编码器的时序图如图 2-4 所示，其他 具体的参数已经在 2.3 章节硬件设计思路中进行了介绍。 第二章 系统设计理论及硬件平台 - 12 - 图 2-4 编码器时序图 对于绝对式编码器，根据输出形式可以分为并行输出、串行输出、变送一 体型输出三种，下面对于这三种绝对式编码器的输出方式进行简单地介绍： （1）并行输出 并行输出这种输出方式虽然线路简单 ，但是传输效率很高。它 是通过 多个数据通道 同时工作，能够同时把 数据的所有位 上传到接收的仪器设备 之上。并行输出多用于计算机内部各部分之间的数据传输或者是外部设备与 计算机的数据传输，能够提高设备的运行效率。 （2）串行输出 串行通信是计算机内部各部分之间或者计算机外部设备之间数据传输的一 种方式，在发送和接受的时候每一次都只能传送一位，每一位是 1 或者是 0， 输出数据为二进制数字，也就是格雷码。如图 7 所示，串行输出一位一位的把 数据按顺序进行传送，只需要一根数据线，每个数据传输所用的时间和周期都 是一样的。必须保证每个接口都应该接触良好，否则会造成输出错误，影响结 果。在远距离传输时，假如传输数据位数过高往往会使得电缆芯数增加，不利 于便捷的安装、使用和维护。 （3）变动一体型输出 变送一体型输入型就是所测得的物理位置信号在编码器的内部变成四到 二十毫安的电流或者数字信号，转变之后的信号存在着方便输出的特性。在 使用变送一体型输出 编码器的过程中应该安装屏蔽电缆、接线器来避免外部 各种因素对结果的影响，对设备进行接地处理， 同时尽量采取测试避免电 第二章 系统设计理论及硬件平台 - 13 - 缆在接口处产生自感现象。 2.4.2 MAX485 与 MAX491 的介绍 MAX485 是一种广泛应用的 芯片接口类型，多用于 RS-422 与 RS-485 通信的收发器 。它的结构组成非常简单，每一个元件 中都包含着接收器和 驱动器。MAX485 能够做到在 2.5Mbps 的传输速度下正常的运行，它的一 个优点是它不受 驱动器的制约。在驱动器禁用 时，满载或没有负载的情况 中这些收发器，所消耗的是位于 120 度;A 至 400 度;A 之间电流。MAX485 的功能之一是把 TTL 电平变化成为 RS-485 电平。它的 额定工作电流为 300 A，额定工作电压为 5 V，采用的是半双工的通讯方式进行工作。 DE 的作用是发送使能端， 元件在发送数据的状态时 DE 的逻辑值为 1。/RE 的作用是接受使能端，元件在接受数据的状态时的 /RE 逻辑值为 0。RO 的作用是把数据从接收器中输出，与单片机连接时，与RXD 引脚 相连。DI 的作用是把数据输送到 驱动器中去，连接的时候与 和 TXD 相连。 我们仅使用单片机的一个管脚就能同时的控制MAX485 的两个引脚， 一个输入信号就能让它接受和发送信息， 这都是由它的工作方式决定的， MAX485 半双工的状态使得这种状况得以实现。它有接受和发送差分信号端， 分别为 A 端和 B 端。发送数据为 1 的时候，说明此时 A 端的电平要高于 B 端，反之，发送结果为 0 的时候，A 端低于 B 端的电平。 图 2-5 MAX485 引脚图 MAX485 使用了平衡线路，有很多好处 ，使得它具有以下几点优势。 第二章 系统设计理论及硬件平台 - 14 - 首先，能够进行远程的信号传送。其次，差动传送等够消除大部分的噪音， 减小测量的误差。第三，工作中它们在一定的范围里不受驱动器以及接收器 两者因为接地而产生的接地电势的影响。它的性能标准如下表所示： 表 2-1 MAX485 的参数及规格 规格规格MAX485 传 输 模 式平衡 电 缆 长 度 90Kbps4000ft（1200m） 电 缆 长 度 10Kbps50ft（15m） 发 送 器 负 载32 最 大 发 送 器 数 量32 最 小 差 动 输 出1.5V 最 大 差 动 输 出6V 接 收 器 敏 感 度0.2V 数 据 传 输 速 度10Mbos 为了构造 MAX485 直线拓扑网络，要求要设置上两个阻值与传输电缆 的特性阻抗相等的终端匹配电阻，在这里我们 选用阻值 120 欧的电阻。除 此之外，为了提高节点的可靠性能，还需要在输出模块配置上拉电阻和下 拉电阻。但是 由于本课题中距离较短、 波特率较低，加上实际条件的限值， 在设计中我们予以忽略 。 数据采集电路 如图 2-6 所示： 第二章 系统设计理论及硬件平台 - 15 - 图 2-6 数据采集电路 根据图 2-4 编码器的时序图可以看出当处在时钟信号下降的时候进行数据 输出，当时钟信号上升时进行数据传送，所以我们应采用 MAX491 这种速度较 快的芯片来满足设计的要求。它和 485 一样，含有一个驱动器和一个接收器， 适用 RS-422（四线制）以及 RS-485（两线制）通信，属于功率较低的收发器。 MAX491 系列产品采用 14 脚 PID 封装，其引脚说明如下： 1. 接收输入口 RO：同向接收器输入大于反相接收器输入时，接收输入口 为高电平；反之，为低电平。 2. 接收器输出使能端RE：当该端口为高电平时，接受输入口呈高阻值状态， 该端口为低电平时，接受输入口为有效。 3. 驱动器输入 DI：驱动器输入高电平时，同相驱动器输出为低，反相驱 动器输出为高；反之，同相驱动器输出为高，反相驱动器输出为低。 4. 接地 GND. 5. 电源正极接口 VCC：电源控制在 4.75V 到 5.25V。 6. 同相驱动输出 Y 与反相驱动器输出 X 7. 同相接收器输入 A 与反相接收器输入 B 第二章 系统设计理论及硬件平台 - 16 - 8. N.C.：无内部连接。 利用芯片 MAX485 设计出通讯电路如图 2-7 所示。输入输出使能端和单片 机串行输入输出使能端相连，使 P14 对 MAX485 使能端进行有效的控制。为了 提高 485 的可靠性能，设置上拉电阻和下拉电阻，防止芯片处于空闲状态时缺 失网络失效保护，将 485 的 A、B 两端分别于 R13 和 R8 相连。 图 2-7 MAX485 的通讯电路 2.5 键盘以及复位电路的设计 2.5.1 键盘电路的设计 键盘电路作为人工操作单片机进行干预的方法方式，对单片机进行指令控 制、数据输入，有着十分重要的意义。根据本设计中所用到的按键较少，因此 可以采用一对一的独立按键的形式对单片机进行直接控制。在与单片机交互的 过程中，采用的方式是程序扫描查询，当按下按键时，对应的 I/O 口呈现出低 电平的状态，I/O 端口对应按键没有被按下的，呈现出高电平的状态。基于这 种独立式键盘接口形式，设计出键盘电路如图 2-8 所示： 如图所示，途中 P12 和 P13 起到的作用是选择液位高低限位的模式以及确 认按键，然后经过初始化这个步骤，进入到测量的程序中去。P10 和 P11 的作 用是调节显示，实现液位上下限的设置。由于机械开关在开关时会有延时，我 第二章 系统设计理论及硬件平台 - 17 - 们还应该采用其他措施减小延时所造成影响。 图 2-8 键盘电路设计 2.5.2 复位电路的设计 对于复位电路的设置，在设计中，不仅采用了按键复位，同时也设置了电 复位。按下 5 按键，74LD04 输入为低电平，复位引脚呈现为高电平，完成复 位。同样，在通电的一瞬间，C5 并没有充电是低电平，进而使得单片机的复位 引脚呈现为高电平，保持一段时间后低下来，完成了复位。 2.6 显示控制的设计 根据课题的要求，我们选取 MAX7219 芯片进行控制，从而实现编码器数 值的显示。该芯片能够驱动 8 位的 7 段 LED 灯或者 64 个单独的 LED 灯，是 目前比较通用的串行显示管理芯片。 MAX7219 内含有静态 RAM、BCD 编码器、四线串行接口、扫描限制寄存 器、外部寄存器、段字驱动器和多路扫描回路。使用者在使用 MAX7219 可以 选择是否进行编码，可以单独的对某数位进行修改而不用影响其他数为，其芯 片形状如图 2-9 所示： 图 2-9 MAX7219 芯片 第二章 系统设计理论及硬件平台 - 18 - MAX7219 芯片的主要引脚介绍如下： 1. ISET：与电阻相连，对应段码的电流值进行确定。 2. DIG0-7 ：作为数字的驱动线，吸入显示器的电流。 3. LOAD：对输入数据进行装载，该引脚的电平为高时，就无法修改串行 输入数据。 4. SEG A-G，DP：段码驱动器。 5. DP：小数点驱动器。 6. GND：接地。 7. V+：5V 电源电压。 7219 寄存器中 XAH 是亮度寄存器，它的作用是调节发光二级管的亮度； X9H 称为译码方式寄存器，用来设定译码方式，设置为 1 的时候为 BCD 译码， 设为 0 为时为非 BCD 译码；显示测试寄存器对测试、正常两种模式进行切换； XB 是扫描界限寄存器，它的作用是对数据个数进行显示；D7 位置为 1 时，点 亮小数点。 7219 控制显示电路如图 2-10 所示： （a） （b） 第二章 系统设计理论及硬件平台 - 19 - （c） 图 2-10 显示电路及外部控制电路 在这里我们使用三极管设计外部控制电路，它能够保护单片机不受外部强 电的损坏和干扰。同时我们设置了两个限流电阻来保护三极管和 I/O 端口。当 I/O 端口是低电平时，三极管无法导通，输出也为低电平；反之，输出的是高 电平。 报警电路也同提供外部电平的控制方式一样，当 I/O 端口为低电平时，与 三极管连接的蜂鸣器通电，进行报警；当 I/O 端口为高电平时，三极管无法导 通，如图 2-11 所示。 图 2-11 蜂鸣器报警电路 第二章 系统设计理论及硬件平台 - 20 - 图 2-12 电源整流电路 2.7 电源整流电路 每一个芯片都有使用的电压范围，电压过高会使元器件受到不同程度的影 响，轻则会使测量结果不准确，严重的话损毁元器件，造成财产损失，因此电 源整流电路是十分必要的。通常原始电压为 220V 三相交流电，通过线圈分别 7V 和 15V，经过整流器和电容滤波后，将电压传送到稳压块，从而得到未定的 电压。整流电路如图 2-12 所示。 2.8 微处理器的选取 在每个设计中，微型控制器是保证系统运行的核心，我们要根据实际情况 和课题的具体要求进行选择，本次我们采用 STC89 单片机。它是一种新型 51 单片机，有着功耗极低、抗干扰能力强、电压范围宽的特点，为了防止人工的 影响，对复位、电源、时钟电路都做了特殊处理。同时，每一个输入输出端口 对电源和接地引脚进行了保护。 2.9 整体电路图设计 整体电路图设计如下： 第二章 系统设计理论及硬件平台 - 21 - 图 2-13 整体电路 第三章 LabVIEW 平台的液位系统设计 - 22 - 第三章 LabVIEW 平台的液位系统设计 3.1 程序模块化设计概述 在数据采集处理系统中，针对某些系统过于庞大、过于复杂，LabVIEW 的 图形/连接设计功能可以使用户把复杂的系统分为若干子系统，通过模块化的思 想完成设计任务。 3.1.1 软件系统的模块化设计原则 通过模块化的实现，不仅能使系统设计更加方便，同时也便于以后系统的 维护。模块化的设计原则有以下几条： （1）根据逻辑功能划分 a模块的分解：避免功能重复，增强模块内联系，降低模块间联系。 b模块的合并； c模块的复制。 （2）从上而下的设计方法 在设计的过程中如果缺乏对细节设计的掌控软件，可以利用抽象算法作进 一步的精确，从而进入下一层抽象。 （3）模块不可多入口 （4）作用范围应该属于模块的控制范围 （5）要想提高复用性和可扩充性，可以附加中间判断层 （6）调用关系要根据俄逻辑功能来定。 （7）模块接口要简洁明了 图 3-1（a） ，如果模块 A 运行时需要调用模块 B，以后扩充的时候还要调 用 C 如图 3-1（b） 。所以当扩展程序是，不仅要添加 C，还要对 A 进行调整。 图 3-1（c） ，我们添加中间判断层模块 F 之后，每次 A 调用程序的时候都 要经过 F，只要对 F 进行设置，就能完成 A 的修改。 第三章 LabVIEW 平台的液位系统设计 - 23 - A B A BC A Flag=? B A Flag=? BC (a)(b)(c)(d) 图 3-1 判断层次对模块的影响 3.1.2 本设计的软件系统模块划分 本系统程序的主要功能为模块划分的标准，其中包括数据采集，数据实时 显示，数据保存，历史数据的读取、系统报警等功能。具体结构见图 3-2 基于 虚拟仪器的液位控制系统功能模块图。 图 3-2 基于虚拟仪器的液位控制系统功能模块图 3.2 系统各模块应用程序 图 3-3 系统前面板 基于 LabVIEW 的液位测试处理系统 数据采集数据实时显示数据保存历史数据读取系统报警 第三章 LabVIEW 平台的液位系统设计 - 24 - 3.2.1 数据采集与显示程序 在这部分中，主要的模拟数据的采集以及实时显示，前面板见图 3-4，具 体程序见图 3-5。 图 3-4 实时数据显示 实时数据显示模板设计步骤： 控件选板-新式-列表、表格、树-表格； 开始采集（按钮）-控件选板-布尔-确定按钮； 上限-控件选板-新式-数值-数值显示控件； 下限-控件选板-新式-数值-数值显示控件； 报警灯-控件选板-新式-布尔-圆形指示灯； 函数选板-编程-定时-获取日期/时间（秒） ； 函数选板-编程-定时-格式化日期/时间字符串； 函数选板-编程-定时-等待（毫秒） ； 函数选板-编程-字符串-字符串/数值转换-数值至小数字符串转换； 函数选板-编程-数组创建数组； 第三章 LabVIEW 平台的液位系统设计 - 25 - 图 3-5 数据采集与数据实时显示程序 3.2.2 数据保存程序 数据保存是把采集来的数据保存到以时间命名的 excel 表里，每次运行， 因为时间不同所以会产生不同的 excel 表，不会丢失数据，具体程序见图 3-6。 图 3-6 创建以时间命名的 excel 表格 图 3-7 数据保存程序 第三章 LabVIEW 平台的液位系统设计 - 26 - 数据保存模板设计步骤： 函数选板-编程-定时-获取日期/时间（秒） ； 函数选板-编程-定时-格式化日期/时间字符串； 函数选板-编程-字符串-连接字符串； 函数选板-编程-文件 I/O-创建路径； 函数选板-编程-文件 I/O-文件常量-当前 VI 路径； 函数选板-编程-文件 I/O-写入电子表格文件； 3.2.3 历史数据读取程序 图 3-8 历史数据查询前面板图 历史数据查询，因为已经把采集的数据保存在 excel 里，所以历史数据只 需用读取程序读出来供计算时使用，每个数据的在时间上是唯一的。前面板见 图 23，具体程序见图 3-9。 图 3-9 历史数据查询程序 第三章 LabVIEW 平台的液位系统设计 - 27 - 历史数据读取模板设计步骤： 控件选板-新式-图形-波形图； 历史数据回放（按钮）-控件选板-布尔-确定按钮； 函数选板-编程-文件 I/O-读取电子表格文件； 函数选板-编程-数组-索引数组； 3.2.4 报警模块 当采集到的数据大于设置的上限或小于设置的下限的时候，就要报警，此时需 要点亮报警灯，具体实现如图 3-10： 图 3-10 报警模块程序设计 报警模块设计步骤： 函数选板-编程-比较-大于？； 函数选板-编程-比较-小于？； 函数选板-编程-布尔-或； 3.2.5 参数设置模块 数据采集前，需要对参数进行设置，主要包括串口选择，波特率，数据位， 奇偶校验，停止位的设置，同时还需要设置液面的上下限。前面板设置如图 3- 11，程序设计如图 3-12： 参数设计模块 上限-控件选板-新式-数值-数值显示控件； 下限-控件选板-新式-数值-数值显示控件； 第三章 LabVIEW 平台的液位系统设计 - 28 - 图 3-11 参数设置模块 参数设置（按钮）-控件选板-布尔-确定按钮； 参数设置（按钮）-控件选板-I/O-VISA 资源名称； 图 3-12 参数设置前面板及程序框图 第四章 系统软件的具体实现 - 29 - 第四章 系统软件的具体实现 4.1 系统监控界面 当系统运行时在监控界面中可以选择控制对象，可以输入上下限的值，界 面中显示实时控制曲线及实时数据。 图 4-1 系统监控界面 4.2 实验步骤及其调试结果 （1）根据本设计要求，在实验设备上连线，按要求组成单回路水箱液位控 制系统。 （2）设备运行前进行