基于Labview的数据采集系统的设计.doc

.沈 阳 工 程 学 院课 程 设 计设计题目：基于Labview的数据采集系统的设计 系 别 自动控制工程系 班级 测控本 学生姓名 学号 指导教师 职称 教授 起止日期：2011年 3 月 14 日起至 2011 年 3 月18 日止沈阳工程学院课程设计任务书课程设计题目： 基于Labview的数据采集系统设计 系 别 自动控制工程系 班级 测控本 学生姓名 学号 指导教师 职称 教授 课程设计进行地点： F430 任 务 下 达 时 间： 2011年 3月14日起止日期：2011年3月14日起至2011年3月18日止教研室主任 年 月 日批准1.设计主要内容及要求；设计基于Labview 的温度控制器。要求：1）掌握NI-DAQ使用方法。 2）了解温度测量以及控制方法。 3）设定温度，测量及显示温度，绘出温度曲线，PWM方式控制温度。2.对设计论文撰写内容、格式、字数的要求；（1）.课程设计论文是体现和总结课程设计成果的载体，一般不应少于3000字。（2）.学生应撰写的内容为：中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献等。课程设计论文的结构及各部分内容要求可参照沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范执行。应做到文理通顺，内容正确完整，书写工整，装订整齐。（3）.论文要求打印，打印时按沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范的要求进行打印。（4）. 课程设计论文装订顺序为：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献。3.时间进度安排；顺序阶段日期计 划 完 成 内 容备注13月22日教师讲解题目，学生查阅相关资料23月23日进行方案论证，确定程序流程，熟悉NI-DAQ使用方法33月24日程序设计43月25日调试程序53月26日撰写论文，成果验收沈 阳 工 程 学 院 虚拟仪器技术 课程设计成绩评定表系（部）： 自动控制工程系 班级： 测控本082班 学生姓名： 张国辉 指 导 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分调研论证能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排。0.15432工作能力态度工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作， 0.25432工作量按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。0.25432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.55432指导教师评审成绩（加权分合计乘以12） 分加权分合计指 导 教 师 签 名： 年 月 日评 阅 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分查阅文献查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力0.25432工作量工作量饱满，难度适中。0.55432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.35432评阅教师评审成绩（加权分合计乘以8）分加权分合计评 阅 教 师 签 名： 年 月 日.中文摘要虚拟仪器是基于是基于计算机技术发展起来的仪器测量技术，是计算机技术和仪器测量技术密切结合的产物，是将来仪器发展的重要方向。虚拟仪器技术是21世纪科学技术中的核心技术之一。它的出现导致传统仪器的结构，概念，和设计思想都发生了巨大的变革，代表着仪器发展的最新方向和潮流。虚拟仪器利用计算机软件代替传统仪器的硬件来实现信号分析，分析，数据处理和显示等多种功能，突破了传统仪器由厂家定义功能，用户无法改变的固定模式。虚拟仪器具有组建灵活，研制周期短，成本低，易维护，扩展方便和软件资源丰富的特点，“软件即仪器”最本质的刻画出虚拟仪器的特征。LabView由面板、流程方框图、图标/连接器组成。其中，面板是用户界面，流程方框图是虚拟仪器源代码，图标/连接器是调用接口。流程方框图包括输入/输出（I/O）部件、计算部件和子虚拟仪器部件，它们用图标和数据流的连线表示。这里利用LabVIEW作为语言开发平台设计系统软件并利用计算机串口与下位机串行通讯，实现温度的实时测量与控制。基于的数据采集系统，就是将被测对象的各种参数（物理量，化学量，生物量）通过各种传感器做适当转化后，再经信号调理，采集，编码，传输等步骤送到控制器进行数据处理或记录的过程控制器一般由计算机承担。计算机是数据采集系统的核心，它对整个系统进行控制，并对采集的数据进行加工处理。关键词 虚拟仪器，LabView，数据采集目录中文摘要I1设计任务描述11.1 设计题目11.2 设计要求11.2.1 设计目的11.3 基本要求12 设计思路22.1 数据的采集22.1.1 传感器22.1.3 数据采集卡22.2 软件功能的实现33 系统方框图44 温度控制器的硬件设计54.1 温度的测量54.2 数据采集卡55 温度控制器的软件设计65.1 温度控制器的软件流程图65.2 温度控制器前面版的设计75.3 温度显示程序框图的设计85.4 报警程序框图的设计95.5 PWM脉冲宽度调制升温105.6 PWM脉冲宽度调制降温105.7 温度控制器的完整程序框图115.8 运行程序125.8.1 外界温度值小于设定温度值时程序的运行125.8.2 外界温度值大于设定温度值时程序的运行126 程序的调试147 工作过程分析157.1 温度控制器的硬件部分157.2 温度控制器的软件部分158 温度控制系统的功能测试169 主要元器件和程序结构的介绍179.1 条件结构179.2 数据采集卡179.3 AD590集成传感器17小结19致谢20参考文献21附录A1温度控制器前面板22附录A2温度控制器程序框图231设计任务描述1.1 设计题目 基于LabView的温度控制器的设计1.2 设计要求1.2.1 设计目的1）掌握LabView的使用方法。2）了解数据采集仪的工作原理。1.3 基本要求1）掌握NI-DAQ使用方法。2）了解温度测量以及控制方法。3）设定温度，测量及显示温度，绘出温度曲线，PWM方式控制温度。2 设计思路我们的课设题目是数据采集系统的设计。数据采集，就是将被测对象的各种参量（物理量，化学量，生物量等）通过各种传感器做适当转化后，再经信号调理，采集，编码，传输等步骤送到控制器进行数据处理或记录的过程控制器一般由计算机承担。计算机是数据采集系统的核心，它对整个系统进行控制，并对采集的数据进行加工处理。一套完整的信号采集系统应当包括如下几部分：计算机数据采集卡信号调理传感器被测物理量 图2.1数据采集系统结构 数据采集系统主要由传感器，信号调理，和数据采集卡组成（通常集成模拟多路开关，程控放大器，采/保持器、定时器、A/D转换器及D/A转换器）计算机及外设等部分组成。其中，传感器是将被测信号转换成可用电信号的信号转换原件，由于传感器产生的电信号不可能直接输入到PC，必须进过调理才能被数据采集系统精确，无误的采集。信号调理就是将传感器输出地电信号进行放大，隔离，滤波等，以便数据采集卡实现数据的采集，一般而言，信号调理是计算机的通用数据采集系统不可缺少的一部分。 传感器是接收信号的装置，信号调理是把接收到的信号转化为计算机能够处理的电信号，主要包括放大、隔离、滤波、激励和线性化。其中滤波是信号调理电路的重中之重，数据采集卡是本次设计中用到的主要硬件，它有单通道和多通道数据采集功能，计数器和定时器的应用，本次设计我们的要求是通过多通道采集数据，因此我们用到了数据采集卡的模拟输入功能。该数据采集卡提供的电压是0到5伏直流电压，因此我们可以采集一路直流信号，另一路我们用函数信号发生器来模拟一个交流信号，但是鉴于工频50HZ的电源干扰，我选择用0到5伏的直流信号通过扩大它的倍数来模拟温度信号，进而实现多通道数据采集，因为干扰很大，因此我选择了低通滤波器，截止频率为40HZ。通过EXCEL实现对数据的存储功能。这就是整个设计的大体思路！开始3 系统方框图 直流电压信号采集 温度信号采集 存在干扰存在干扰Y Y N N 滤波 滤波 存储 存储 结束图3-1数据采集系统的结构图4 各部分软件程序设计4.1 前面板的设计 前面板是用户接口，即交互式界面，用于用户向程序中输入各种控制参数和观察输出量，在前面板中，使用了各种仿真图标，如开关、旋钮等，并以数字或实时趋势图等各种形式的输出测试结果来模拟真实仪器的面板。前面板的设计，充分发挥了LabVIEW的特长,即建立了友好的人机操作界面，是虚拟信号发生器的最上层。在使用中通过鼠标和键盘操作设定信号的相关参数。本次温度控制器的前面板主要由以下几个部分构成:温度计，报警灯，输入/输出控件，波形图表。此外，为了使设计的仪器更加形象、美观，还增加了许多修饰性的元件如面板上的边框，设计题目，生产公司，改变字体颜色等。尽量与真实仪器的使用界面相一致。启动LabVIEW8.5后，在启动界面上选择新建VI，创建一个新VI，然后按下面的步骤进行设计。（1）在控件选板的【经典】【经典数值】面板上选择 “温度计”控件，放置到前面版设计窗口的合适位置。（2）在控制选板的【经典】【经典波形】子选板中选择【波形图】控件，放置到前面板设计窗口的合适位置。（3）在控制选板的【经典】【经典】子选板中选择两个【波形】控件，放置到前面板设计窗口的合适位置。然后，用鼠标右键单击该控件，在弹出的快捷菜单中外观选项中“标签”选择可见，分别为“通道一波形数据”、“通道二波形数据”。（4）在控制选板的【经典】【经典布尔】子选板中选择“圆形按钮”控件，放置到前面板设计窗口的合适位置。然后，用鼠标右键单击该控件，在弹出的快捷菜单中，标签改为“滤波开关”。（5）在控件选板的【新式】【修饰】子选板中选择“标签”控件，放置到前面板设计窗口的合适位置，并输入文本“基于LABVIEW数据采集卡的多通道数据采集系统”。（6）在控件选板的【新式】【修饰】子选板中选择“平面凹框”控件，放置到前面板设计窗口的合适位置，并设置合适的大小。完成以上6个步骤后的虚拟数据采集系统的前面版如图4.1所示。图4.1数据采集前面板4.2 程序框图的设计4.2.1外部信号的输入及显示因为本次课程设计时间紧促，因此我们没用传感器接收外部非电信号，而是用0到5伏直流电压来模拟外部检测到的信号，并将其连接至模拟信号输入端。0到5伏直流电压作为我们要采集的第一路信号，我们还要采集第二路，因为设计要求实现多通道数据采集。我们可利用资源有限，因此第二路我用0到5伏直流电压扩大20倍来模拟温度信号，从而实现多路数据的采集。 多通道显示程序框图的设计步骤如下：首先要创建一个DAQ助手，在流程图设计窗口中打开【函数】模块,执行 以下步骤： 【函数】【express】【DAQ助手】调入DAQ后，用右键单击调入的“DAQ助手”，选择【属性】选项，就会出现如图4.2所示。在生成信号中选择【模拟输出】【电压】输出，选择通道a1和a0，设置模拟输入系统为，采样点数采样频率，DAQ创建完成。图4.2 创建DAQ将外部信号从DAQ导入，再将其分成两路就得到了两路信号，下图是本设计接收信号的程序框图的设计：图4.34.2.2信号的滤波处理由于外部输入信号有的干扰小些，有的干扰则大些，对于那些干扰较大的信号，我们必须滤波，滤波的目的就是从所要测量的信号中出去干扰信号，数据采集系统一般在现场环境中工作，而现场存在各种干扰。由于内部和外部的干扰的影响，在被测信号电压和电流中夹杂着干扰信号。这种干扰信号通常为噪声。噪声对被测信号存在严重的干扰，当被测信号很弱时，信号就很有可能被噪声淹没掉，导致较大的数据采集误差。在实际应用中几乎所有的数据采集系统都会不同程度的受到来自电源线的50HZ工频干扰。因此在设计程序框图时因该设置低通滤波器，最大限度的剔除50HZ噪声。交流信号往往需要抗混叠滤波器，它具有非常陡峭的截止频率，几乎可以将除了有用频率外的所有噪声信号剔除。下图是滤波器的程序框图设计：图4.4温度显示程序框图 我用条件结构来控制滤波功能的使用，为真时通过滤波器进行滤波，前面板有相应控制按钮。用来决定是否使用滤波功能。对此滤波器的设置如下：因为数据采集系统设计中涉及的最大干扰为50工频电压干扰，因此我选择了低通滤波器，并且设置其截止频率为HZ，目的是使干扰信号最大限度的剔除。4.2.3信号存储部分设计 设计要求我们对采集的数据进行存储，因此我想到了用电子表格对这些数据进行存储，电子表格是一种特殊的文件，数据记录文件只需进行少量处理，因而其读/写速度更快，数据记录文件将原始数据块作为一个记录重新读取，无需读取该记录之前的记录，因此简化了数据查询的过程。仅需记录号就可以访问记录。虚拟仪器的对文件的存储功能使编程者带来了很大的方便。 图4.5 当按下前面板的存储键时,开始对数据进行存储,再按一下则停止当前存储,我用条件结构来实现对存储数据的控制.上图中的电压值和温度值为创建的局部变量，用来实现与采集数据的同步，她们有循环中的循环次数构成数组，一起存入电子表格中，其中我把电压值存在盘的lxm1中，把温度值存在D盘的lxm2中。这样就可以对数据进行实时存储了。5 工作过程分析 首先我们需要采集两路信号，直流电压0到5伏，还有温度信号，因为我们没有适当的传感器设备，因此我们两路均用直流信号来模拟。下图是没添加滤波时的输入信号前面板波形显示： 因为数据采集卡上有两路模拟通道输入端，因此面板上显示两个波形，类似于正弦信号的波形是我们输入的到伏直流电压信号，理想状态下的输入信号应该为一条直线，因为存在较为严重的工频干扰，导致信号严重失真。波形是模拟输入的第二个通道，因为此通道没有连电源线，因此干扰较小，趋近于一条直线。波形图是没通过滤波器的结果，因此与图相同。由上图可以看出输入信号存在较为严重的干扰，因此需要对其进行滤波下图是滤波前与滤波后的两路波形对比图：从波形图的对比可以看出通过截止频率为的低通滤波器对信号的处理，基本上把高于的信号滤掉，使我们得到了较为准确的直流信号，并且通过电位器可以得到到伏之间的任何一个电压值。第二路温度信号的模拟显示：我通过对到伏直流电压扩大倍来模拟到的温度，从而实现多通道数据采集，温度显示控件显示当前温度数据。本设计还可以对温度进行设置，和报警系统。因为我们主要对数据进行采集，因此不作过多介绍。我通过条件结构对两路数据进行实时存储，分别存储在盘的lxm1和lxm2中，以下是我在excel中所存储的数据，第一组为电压数据，第二组为温度数据： 我采用前面板的波形控件对数据进行实时显示： 左面的为通道一采集的直流电压数据，右面的为采集的温度数据。6干扰来源及解决办法数据采集系统需要较高的准确度，否则将不能很好的分析有用信号，所以必须剔除干扰常见的干扰源如下：对于长期存在的自然干扰，由于能量微弱，可以忽略。但对与强烈的干扰，如大气层发生的雷电，则不能忽略其影响，应设法回避屏蔽。来自电器设备的干扰主要有大电流及电压变化引起的噪声，如大型感性负载通断时，在开关节点处产生电弧，高压输电线引起电晕放电等，这种瞬变过程形成的噪声可通过公共电源线传入信号电路，或通过相邻导线耦合到信号电路中。内部干扰主要是由于系统内部或系统的公共线与地下线引起的噪声。对于数据采集系统和计算机都有可能存在这类干扰。设备内部主要是设计不良或者是内部器件在工作时产生的热噪声、散粒噪声和散烁噪声等。各种噪声源产生的干扰电压，将会以串模或共模干扰进入测量系统，使测量结果产生误差。抑制干扰措施一般抑制干扰最根本的办法是消除或远离噪声源，如果受条件限制不能做到，就要采取防护措施，采用隔离、屏蔽、滤波及接地等措施。为抑制来自交流电网的瞬变噪声，可在个电子设备的电子设备的电源进线端加接电源滤波器。在直流电路中为抑制感性负载产生的瞬变噪声，最好的办法是在产生噪声的设备上，采取措施，如在几点两端加装抑制电路。共模噪声抑制为抑制共模噪声，一是采用屏蔽线作为信号传输线，同时要求屏蔽层正确接地。导线的屏蔽层在信号源端通过外壳接地，而在接受端则接到仪器内部屏蔽壳上，内外层屏蔽互相绝缘。二是在信号源端通过外壳接地，而在信号源与测试系统之间加装隔离变压器。本设计中采用低通滤波器剔除干扰。7 主要硬件及特殊控件介绍9.1 数据采集卡在设计的过程中，通过传感器把温度信号转换成电压信号，电压信号通过数据采集卡送到计算机系统。一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字I/O、计数器/定时器等，这些功能分别由相应的单元电路来实现。模拟输入是采集卡最基本的功能。它一般由多路开关（MUX）、放大器、采样/保持电路，以及A/D转换器来实现，通过这些部分，一个模拟信号就可以转化为数字信号。本次设计选用NI公司的SC-2075型数据采集卡作为系统硬件的核心部分数据采集助手DAQ是一个图形化的界面，主要用于交互式地创建、编辑和运行NI-DAQmx虚拟通道和任务。这个工具通过一个图形化接口来配置简单和复杂的数据采集任务，从而帮助用户无需编程序即可创建应用程序。DAQ是一个给予步骤的向导，它可以使用户无需编辑程序即可配置数据采集任务、虚拟通道以及实现缩放操作。数据采集助手DAQ是一个图形化的界面，主要用于交互式地创建、编辑和运行NI-DAQmx虚拟通道和任务。这个工具通过一个图形化接口来配置简单和复杂的数据采集任务，从而帮助用户无需编程序即可创建应用程序。DAQ是一个给予步骤的向导，它可以使用户无需编辑程序即可配置数据采集任务、虚拟通道以及实现缩放操作。9.2 条件结构条件结构是LabVIEW最基本的结构之一，条件结构类似于文本编成语言中的switch语句或ifthenelse语句。条件结构可从【结构】子选板中创建，条件结构包含选择端口和选择器标签，如图9-1所示。 选择器标签选择端口图9-1条件结构在条件结构中，选择端口相当于C语言的switch语句中的表达式，框图表示符相当于“表达式n”。编程时，将外部控制条件连接至选择端口上，程序运行时选择端口会判断送来的控制条件，引导选择结构执行相应框架中的内容。For循环For循环执行其框内的代码（我们又称其为子框图subdiagram），执行次数为初始设定的执行次数。该执行次数可以通过For循环结构左上方的计数端子（count terminal）进行设定。具体设定方法就是在该结构外面将一个整数值连线到这个端子。如果连接的整数值是0，那么这个循环就不执行。For循环结构如下图所示： 循环结构内部的计数值为当前已执行的循环的次数，第一次运行循环时该值为0，第二次运行循环时该值为1，直到N-1（N为设定的总循环次数）。小结新学期的第三周，我们开始了为期一周的虚拟仪器课程设计。通过上学期对该课程的学习，我已经慢慢了解了Labview的功能和用法。但经过一个寒假的打磨，应用起来已经有些吃力，所以所学的知识也在这段时间里成为了我要温习的内容。不仅如此，和单片机与C语言一样，Labview也是需要掌握汇编程序实现功能的。这一点也是这一周以来让我头疼的问题，如何达到用PWM控制温度变化呢？如何使输出的信号数据变化为各种波形呢？一周的时间很短暂，我们还要将报告写好，着实让人感到压力重重。但经过最后对题目的苦心钻研和大家的帮助后，我也能大致的做出程序的主架，这让我对自己的付出十分欣慰。下面介绍一下本次课设的大致过程。周一我们小组接到了课程设计的任务书，是基于Labview的温度控制器的设计。我们小组在老师的细心讲解后开始在网上、图书馆查阅各种有关资料，终于对这个课题有了大致的了解和认识。通过对课题的进一步分析与讨论，我对温度控制器的设计有了一部分自己的想法，但由于自己对知识掌握的不熟练，几次运行下来并没有什么起色。在组员同学的配合下，我渐渐找到了其中的规律，开始尝试着用自己的想法汇编程序，甚至能给组员同学一些恰当的建议。本次课设不仅让我重温了Labview的使用。同时，也培养了我的动手能力以及抗压能力，也锻炼了我独立思考和独立完成任务的能力。这次的虚拟仪器课程设计重点是理论与实际的相结合，不单单只是书上的一道道简单的例题。这次的设计使我认识对知识掌握的生疏，对于书本上的很多知识还不能灵活运用，有很多我们需要掌握的知识在等着我去学习，我会在以后的学习生活中弥补我所缺少的知识。本次的设计使我从中学到了一些很重要的东西，那就是如何从理论到实践的转化，怎样将我所学到的知识运用到我以后的工作中去。在大学的课堂的学习只是在给我们灌输专业知识，而我们应把所学的用到我们现实的生活中去，此次的温度控制设计给我奠定了一个实践基础，我会在以后的学习、生活中磨练自己，使自己适应于以后的竞争。 通过本次课程设计，我在各位老师的精心指导和严格要求下，获得了丰富的理论知识，极大地提高了实践能力。在此，忠心感谢吕老师以及许多同学的指导和支持。致谢本次课设虽然只有一周的时间，但却让我感触良多，收获良多。首先，最该感谢的还是我们本专业的教研组老师吕教授，这已经不是第一次上他的课设了，但吕老师给我的感动依然没有变过。吕老师在我心中，首先是位为学生颇费苦心，十分负责任的合格老师，其次才是一位学识渊博德高望重的知名教授。吕老师为我们的付出我们都看在眼里，以我为例，我在单片机和虚拟仪器等专业课的掌握并不到位，每次课设或者试验都会有大大小小的问题，每次问老师，吕老师都会不厌其烦的为我讲解，并且鼓励我，只要肯用心，一定可以得到自己想要的成绩。每每想起，总觉得心头暖暖的，不知道老师会不会感受到我每次接受他鼓励时眼中的感激，但真的很想说一句：吕老师，谢谢您。和组员同学同学的合作也让这次课设经历在我脑海中留下深刻的印象，组里只有我一个女生，大家在平时讨论问题时都很尊重我的想法和观点，能够及时的做出参考和反馈。不仅如此，在枯燥的钻研过程中，我们互相打气都没有放弃过，彼此成为最贴心的助手和战友。为此也深深的向我的伙伴们致谢。最后，也要感谢学校为我们提供的环境，让我们大大的提高了动手能力，将理论知识应用在实践当中，今后我将更加努力