西安科技大学 监控系统课设报告.doc

监测监控系统设计报告 课题名称： 基于虚拟仪器的温度信息采集 与视频监控系统的设计 班 级： 自动化1001班 姓 名： * 完成日期： 2013年10月18日 11 摘 要 本设计是基于LabVIEW和DS1820的多点温度测试系统可分为上位机和下位机两部分，上位机采用LabVIEW编程，利用LabVIEW开发环境设计PC机上位机的监控界面，上位机通过串行口与下位机的单片机通信，从而实现对过程参数的测量和控制；下位机选用51系列单片机，利用DS18B20数字温度传感器和STC公司生产的STC89C52单片机采集被测环境温度，将测得的数据经串口传给PC机，用C语言编程，单片机外围电路将采集到的温度信息传给单片机，单片机再将其传导上位机。计算机利用LabV IEW的V ISA读取串口数据并进行处理和显示。该控制系统设计简单，简化了系统与硬件结构，并且易于修改，具有很好的可扩展性。视频监控是在LabVIEW 开发平台上，利用IMAQ USB 模块和普通的USB 摄像头实现视频采集的方法，且具有成本低廉、易于实现的优点，能满足一般的工业和民用需求。关键词：LabVIEW; 温度传感器; 串口通信; VISA; USB摄像头Abstract The subject design is based on LabVIEW and DS1820 single-point temperature test system, the system can be divided into two parts of the PC and the next-bit machine, the host computer is a PC, the lower machine microcontroller. Host computer using LabVIEW programming using LabVIEW development environment designed PC machine the host machines monitor interface to the host computer through the serial port and the next bit machines single-chip communication, enabling process parameter measurement and control; lower local selection of 51 series microcontroller, it DS18B20 digital temperature sensor and STC production STC89C52 SCM Acquisition measured ambient temperature, the measured data is transmitted to the computer via the serial port, the microcontroller using the C programming language, the peripheral circuits will be collected temperature information to the microcontroller, the microcontroller through the serial port then its conduction host computer, the PC machine call LabV IEW V ISA reads the serial data and the processing and display, V ISA serial port-based temperature acquisition and the acquisition to save the data to an Excel file. The simple design of the control system, to simplify the system and the hardware structure, and easy to modify, and has good scalability.Based on the test results，the new method is proved to be capable of saving different kinds of AVI files，satisfying both the basic engineering and daily needs.the method is also costless and adequately realizableKeywords: LabVIEW; temperature sensor; serial communication; VISA; IMAQ USB; USB camera引言 随着计算机技术尤其是单片微型机技术的发展，人们已越来越多地采用单片机来对一些工业控制系统中如温度、流量和压力等参数进行检测和控制。PC机具有强大的监控和管理功能，而单片机则具有快速及灵活的控制特点，通过PC机的RS-232串行接口与外部设备进行通信，是许多测控系统中常用的一种通信解决方案。LabVIEW是一个划时代的图形化编程系统，应用于数据采集与控制、信号分析等方面，它为不熟悉文本语言编程的专业科技工作者在测控领域建立计算机仪器系统虚拟仪器，提供了一个便捷、轻松的图形化设计环境。由于其灵活、简单易用、开发效率高等特点，正逐渐成为科技工作者进行仪器应用与开发的得力工具。数据采集是开发过程中一个重要的环节，采用以8位单片机AT89S51作为前端数据采集，通过串口进行与LabVIEW的数据通讯，就可实现低成本、灵活方便、接口简单的数据采集系统。这对于许多信号频率不是太高的场合，此方案无疑非常便利。本文所介绍的就是这样一种利用LabVIEW 对AT89S51的数据进行分析处理，并通过串口实现二者之间的数据交换、经济实用的数据采集及分析系统。 测控系统广泛应用于各行各业的数据采集与监控, 随着计算机硬件和软件技术的发展, 测控系统也发生了革命性的变化; 网络技术的飞速发展, 使得远程测控成为了可能。将现场测试数据及仪器设备的现场视频影像实时上网, 便可保证在任何时间、任何能接入因特网的地点都可以浏览到现场数据和现场状况, 从而实现数据共享和远程测量及监控。视频采集是指把模拟视频转换成数字视频。随着测控技术的不断发展，视频采集作为测控技术中的重要一环，愈来愈受到广大工程技术人员的重视。在视频采集工作中视频采集卡是主要设备，然而目前专业级的视频采集卡成本较高，往往使普通用户望而却步。通过使用NI IMAQ USB 模块可以实现对普通的USB 摄像头进行视频采集，大大减少了视频采集系统的成本投入，降低了对存储空间的需求。温度采集工作原理虚拟仪器(Virtual Instrument)是基于计算机的软硬件测试平台,它可代替传统的测量仪器。LabVIEW是由美国国家仪器公司(National Instruments )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设计的数据采集系统，可模拟采集各种信号，但是配备NI公司的数据采集板卡比较贵，因此，可以选择单片机小系统作为前端数据采集系统，进行采集数据，然后通过RS-232串口通讯将数据送给计算机,在LabVIEW开发平台下，对数据进行各种处理、分析并对信号进行存储、显示，从而实现了一种在LabVIEW环境下的单片机数据采集系统。 基于LabVIEW和DS1820的多点温度测试系统可分为上位机和下位机两部分。上位机采用LabVIEW编程，PC通信自带串行口，和单片机进行远程通信；下位机选用51系列单片机，C语言编程，单片机外围电路将采集到的温度信息传给单片机，单片机再将其传导上位机。上位机部分是利用LabVIEW开发环境设计PC机上位机的监控界面，上位机通过串行口与下位机的单片机通信，从而实现对过程参数的测量和控制。该控制系统设计简单，简化了系统与硬件结构，并且易于修改，具有很好的可扩展性。为了实现PC机和单片机的串行通信，还需要设计一个电平转换电路。系统组成框图如图1。图1 温度采集系统组成框图 上位机主要包括串口通信程序、温度预警系统、数据存储。另外，为了增加设计的完整性，还加了一个简单的LED显示图形和头像显示。上位机程序组成框图入图2所示。图2上位机程序组成框图图3 上位机程序图4 上位机温度显示界面 LabVIEW提供了功能强大的VISA库。VISA（Virtual Instrument Software Architecture虚拟仪器软件构架），是用于仪器编程的标准I/O函数库及其相关规范的总称。VISA库驻留于计算机系统中，完成计算机与仪器之间的连接，用以实现对仪器的程序控制，其实质是用于虚拟仪器系统的标准的API。VISA本身不具备编程能力，它是一个高层API，通过调用底层驱动程序来实现对仪器的编程，其层次如图5(a)所示。VISA是采用VPP标准的I/O接口软件，其软件结构应包含三部分，如图5(b)所示。 (a)VISA内部机制 （b）虚拟仪器的软件体系结构图5 VISA内部机制与虚拟仪器软件体系结构与其它现存的I/O接口软件相比，VISA的I/O控制功能具有如下几个特点：适用于各种仪器类型如VXI仪器、GPIB仪器、RS-232 串行仪器、消息基器件、寄存器器件、存储器器件等仪器）；适用于各种硬件接口类型；适用于单、多处理器结构或分布式网络结构；适用于多种网络机制。VISA的I/O的软件库的源程序是唯一的，其与操作系统及编程语言无关，只是提供了标准形式的API文件作为系统的输出。VISA库中的串口函数本文用到的主要的串口通讯函数调用路径为：函数 仪器I/OVISA串口。（1）VISA 串口配置（如图6所示）。图6 VISA串口配置图标及其端口该节点主要用于将VISA资源名称指定的串口按特定设置初始化。使用哪一个多态实例将由连接至VISA资源名称输入端的VISA类决定。主要参数意义如下：VISA资源名称：指定要打开的资源。该控件也可指定会话句柄和类。波特率：波特率是传输速率。默认值为9600。数据比特：数据比特是输入数据的位数。 数据比特的值介于5和8之间。默认值为8。奇偶：奇偶是指定要传输或接收的每一帧所使用的奇偶校验。奇偶校验位，默认值为无校验、偶校验等。停止位：停止位是指定用于表示帧结束的停止位的数量。设置停止位，可以为1、1.5、2。流控制：流控制用于设置传输机制使用的控制类型。VISA资源名称输出：VISA资源名称输出是由VISA函数返回的VISA资源名称的副本。（2）VISA读取（如图7所示）。图7 VISA读取设备并写入文件函数及其端口该节点为串口读子VI，为本文中的主要节点，将串口中的数据读出，然后利用LabVIEW的强大数据处理功能对其进行分析处理。主要参数意义如下：VISA资源名称：设置串口号，指定要打开的资源。该控件也可指定会话句柄和类。字节总数：字节总数是要读取的字节数量。该节点用于设置读取字节数。VISA资源名称输出：VISA资源名称输出是由VISA函数返回的VISA资源名称的副本。读取缓冲区：读取缓冲区是指从设备读取的数据。返回数：返回数是指包含实际读取的字节数。由于LabVIEW的串行通讯子VI只允许对字符串的读写，因此本文中在进行数据处理时，必须要实现字符串与数字之间的正确转换。此外，若要读入当前串口中的所有字符，则要先执行“组串”子VI，用以确定将要读入的确切的字节数，然后将其输出作为VISA读取节点的输入即可。（3）VISA写入节点（如图8所示）。 图8 VISA写入函数及其端口该模块用于将写入缓冲区的数据写入VISA资源名称指定的设备或接口中。VISA资源名称：VISA资源名称用于指定要打开的资源。该控件也可指定会话句柄和类。写入缓冲区：写入缓冲区用于设置要写入设备的数据。返回数：用于输入实际写入的字节数。4）VISA关闭 (图9所示)。该模块用于对串行端口进行关闭任务操作需要调用VISA关闭函数。图9 VISA关闭函数及其端口 VISA通信直接控制寄存器的方法在计算机串口通讯基本看不到了.只有在单片机中还采用这种方式.通过C51串口通讯,简单地介绍一下这种方法:/* 发送数据函数void SendData(uchar *buf)uchar i;uchar len;len=strlen(buf); /* 取得字符串长度for(i=0;iSBUF=bufi; /* SBUF是串口输出while(!TI);/* 等待发送完成TI=0; /* 复位中断标志远程测控系统总体设计图3 是基于LabVIEW 的远程系统结构图。一方面客户端PC 通过局域网或互联网访问服务器, 调用其内存中的LabVIEW 程序, 通过数据采集设备获取实验数据, 从而实现远程测量和数据共享; 另一方面远端客户PC 可通过网络控制实验仪器改变实验参数, 以获得最佳实验结果。图10 远程系统总体设计在此结构中, 视频系统( 虚线框标注) 协调远程数据采集和仪器控制两方面的工作。远端客户通过实时传送的视频, 观察现场仪器对控制命令的执行情况, 对比仪器显示数据和实际测量数据, 实施控制, 以更好地完成实验。根据应用需求的不同, 此视频系统在labVIEW 平台上能够实现多样化的功能。视频采集的实现USB 摄像头对图像进行抓取，使用IMAQ USB 模块，用户首选需要安装Vision Acquisition Software 与Vision Development Module，通过IMAQ USB Enumerate Cameras 子VI 输出一个包含连接于PC机全部USB摄像头的字符串数组。一般情况下，选择该数组的第一个元素，通过IMAQ USB Init 子VI 连接选定的摄像头，然后经由IMAQ USB Grab Setup 初始化USB 摄像头的图像抓取。USB 摄像头图像的抓取是通过IMAQ USB Grab Acquire 子VI 实现的，而该子VI 所需的缓冲空间需要使用IMAQ Create 子VI 进行设置。通过使用Image Display 控件可以显示抓取到的图像，通过手动控制拍照控件，选择一个路径保存图像，即可实现对视频图像的拍照。图11 视频采集程序显示时间模块： 图13温度实时保存程序框图：图14数据在excel表格中保存图15 3.2下位机 LCD液晶显示（图17）液晶显示屏显示时间和温度效果图数码管显示温度电路原理图图1