现代仪器课设(1).doc

武汉理工大学现代仪器设计课程设计说明书学 号： 0121204931603 课 程 设 计题 目基于LabVIEW的虚拟电压表设计学 院机电工程学院专 业测控技术与仪器班 级测控1202班姓 名王德龙指导教师黎水平2015年06月27日本科生课程设计成绩评定表姓 名王德龙性 别男专业、班级测控1202班课程设计题目：基于LabVIEW的虚拟电压表设计课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字： 年 月 日课程设计任务书学生姓名： 王德龙 专业班级： 测控1202班 指导教师： 黎水平 工作单位： 机电工程学院测控系 题 目: 基于LabVIEW的虚拟电压表设计初始条件：设计一个智能化的虚拟电压采集、测量、监控系统，该系统以单片机和虚拟仪器技术为核心并具有如下功能：1）能对0-5V范围变化的模拟信号进行连续采样，并在PC机中进行实时显示，采样频率不低于10Hz；2）具有数据记录功能，能够将采集到的数据以文件形式保存在PC机中；3）能对系统存在的随机误差和系统误差进行校正；4）系统具有自动量程选择功能，量程至少4档可调；5）具有自动电压监控功能，当采样值大于4V时，点亮报警指示灯。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1. 合理设计系统总体方案，并画出方框图；2. 正确选择A/D和PGA，要求系统测量最大量程时，测量分辨率达到1mV以内，最小量程时测量分辨率达到1uV以内；3. 要求系统具有随机误差和系统误差校正功能，具有自动量程选择功能；4. PC机软件由LabVIEW实现，要求操作方便，界面美观；5. 设计说明书应详细说明设计思路、特点和电路工作原理；6. 用A3纸绘制软件流程图，流程图要模块化并具有可读性（即根据流程图知道程序功能的实现过程）；编制模块化源程序，注释不少于1/3;7. 硬件电路图应详细标明所采用元件的型号、连线的引脚编号，要求采用Protel(Protues)软件绘制硬件电路图；8. 设计说明书应包括课程设计任务、总体方案设计、详细硬件、详细软件设计、软件流程图、程序清单、元器件清单7个部分；9. 按照学校课程设计说明书撰写规范提交一份课程设计说明书（6000左右）时间安排：序号阶段内容所用时间1布置课设任务，查阅资料 2天 2总体方案选择和设计2天 3A/D转换、单片机系统、串行通讯等单元设计4天 4LabVIEW软件设计4天5绘制电路原理图、撰写设计说明书2天6答辩1天合 计15天指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录摘要.21引言22LabVIEW与虚拟仪器简介3 2.1LabVIEW的简介3 2.2虚拟仪器系统概述33虚拟电压表总体设计44下位机信号采集的硬件设计44.18位单片机AT89C5154.216位模数转换器ADS782574.3PGA20484.4Max23295虚拟电压表的软件设计105.1总体函数面板105.2总体空间面板105.3Labview串口驱动VISE115.4二进制数据转换125.5误差校正135.6 数值显示.145.7 前面面板.155.8 数据保存.156 总结16参考文献17附录A：程序清单附录B：元器件清单附录C：硬件电路图附录D：软件流程图摘 要 本文设计了基于LabVIEW的虚拟电压表,利用单片机作为下位机采集卡,进行数据采集,PC机作为上位机,二者之间通过串口实现数据通讯.为此,设计了单片机采集和通讯电路,编制了相应的C语言程序,该电路利用16位A/D转换器ADS7825采集电位器输出的电压信号,把转换出的数字量通过RS232串口通讯送给上位机,同时在Labview开发平台上,设计了串口通讯、数据处理和电压显示的前面板和框图程序,开发了虚拟数字电压表.关键词: 串口通讯;Labview;单片机;数据采集;虚拟电压表1引言 虚拟仪器是在计算机基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的仪器。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。 电压是电路中常用的电信号，通过电压测量，利用基本公式可以导出其他的参数。因此，电压测量是其他许多电参数和非电参数量的基础。测量电压相当普及的一种测量仪表就是电压表，但常用的是模拟电压表。模拟电压表根据检波方式的不同。分为峰值电压表、均值电压表和平均值电压表，它们都各自做成独立的仪表。这样，使用模拟电压表进行交流电压测量时，必须根据测量要求选择仪表。另外，多数电压表的表头是按正弦交流有效值刻度的，而测量非正弦波时，必须经过换算才能得到正确的测量结果，从而给实际工作带来不便。采用虚拟电压表，可将表征交流电压特征的峰值、平均值和有效值集中显示在一块面板上，测量时可根据波形在面板上选择仪表，仅通过面板指示值就能对测量结果进行分析比较，大大简化了测量步骤。 虚拟电压表的设计平台采用了NI公司的LabVIEW。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。2 LabVIEW与虚拟仪器简介2.1 LabVIEW的简介 LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的简称，是目前功能最强、应用最广、发展最快的图形化软件开发环境，得到了工业界和学术界的普遍认可和好评。与 C 和 BASIC 一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。LabVIEW也是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而 LabVIEW 则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是 LabVIEW 的程序模块。LabVIEW 提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在 LabVIEW 中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G代码。LabVIEW 的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。2.2 虚拟仪器的简介 虚拟仪器（Virtual Instrument）是指通过应用程序将计算机与功能化模块结合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的仪器一样，从而完成对被测量数据的采集、分析、处理、显示、存储和打印。是由美国国家仪器（NI）公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。 LabVIEW软件是NI设计平台的核心，也是开发测量或控制系统的理想选择。 LabVIEW开发环境集成了工程师和科学家快速构建各种应用所需的所有工具，旨在帮助工程师和科学家解决问题、提高生产力和不断创新。其特点是：尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件，可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器，用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。LABVIEW有很多优点，尤其是在某些特殊领域其特点尤其突出： （1）测试测量：ABVIEW最初就是为测试测量而设计的，因而测试测量也就是现在LABVIEW最广泛的应用领域。经过多年的发展，LABVIEW在测试测量领域获得了广泛的承认。至今，大多数主流的测试仪器、数据采集设备都拥有专门的LabVIEW驱动程序，使用LabVIEW可以非常便捷的控制这些硬件设备。 （2）控制：控制与测试是两个相关度非常高的领域，从测试领域起家的LabVIEW自然而然地首先拓展至控制领域。LabVIEW拥有专门用于控制领域的模块-LabVIEWDSC。 （3）仿真：LabVIEW包含了多种多样的数学运算函数，特别适合进行模拟、仿真、原型设计等工作。 （4）儿童教育、快速开发、跨平台等。3 虚拟电压表总体设计 本文研究的基于LabVIEW的虚拟电压表，要想得到比较好的实验效果，首先要对虚拟仪表进行总体设计。在本系统的设计过程中，根据从总体到局部的设计原则以及对系统的功能分析，将整个系统分解为实现不同功能的几个部分，然后分别对每个部分进行设计。为了实现虚拟电压表的各项具体功能，可以将系统分解为上位机和下位机两个部分。其中上位机是装有LabVIEW软件的计算机，而下位机是单片机及外围电路组成的小系统。这两部分是通过计算机的串口进行通信的。其中上位机部分主要完成数据显示及存储，人机交互操作界面的生成，下位机部分主要完成电压信号的采集及输出。4 下位机信号采集的硬件设计 系统的硬件组成由以下几个部分组成：装有LabVIEW软件的计算机，AT89C51单片机，电平转换电路MAX232，ADS7825，PGA204AU。4.1 8位单片机AT89C51图1 AT89C51引脚图AT89C51主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。 主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX 和MOVC指令才能将ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 禁止位无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU 则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。图2AT89C51连接电路4.2 16位模数转换器ADS7825图3ADS7825引脚图ADS7825的管脚排列如图所示,各引脚功能如下:AIN0AIN3:4个模拟通道,可接受-10.010.0V的模拟输入电压;PAR/SER:该管脚为高电平时,数据在D0D7脚并行输出;为低电平时,数据在SDATA脚串行输出;BYTE:并行数据输出选择位,仅在数据作并行输出时使用。BYTE=1时,输出低8位D0D7,BYTE=0时,输出高8位D0D7;R/C:读数/启动转换,该管脚被一下降沿触发将保持前次的采样并启动下一次模数转换;上升沿触发,则允许读数;BUSY:状态标志位,只读管脚。在AD转换过程中,该管脚输出始终保持低电平。转换结束,数据锁存到输出寄存器后,该管脚输出高电平。当数据作并行输出时,必须使BUSY=1,才可读数。CONTC:选择转换模式。CONTC=0时,必须用CS及R/C来逐次启动AD转换;CONTC=1时,采样和读取数据在4个通道之间自动循环进行。SYNC:串行数据输出帧同步信号。SYNC为输出管脚,仅在数据作串行输出时使用。输出正脉冲时,其后沿标志着一帧数据的最高位开始输出。TAG:该脚仅在多个ADS7825联合工作、数据作串行输出且用外部时钟工作时才起作用。当电路中使用单个ADS7825时,可在TAG脚接低电平。当电路中ADS7825联合工作时,可将前一级ADS7825的SDATA脚接至后一级ADS7825的TAG脚。第一级ADS7825的TAG脚接地,最后一级ADS7825的SDATA脚输出数据,这样,最后一级ADS7825的SDATA脚将由后级至前级依次输出各个ADS7825的转换数据。图4 ADS7825连接图4.3 PGA204PGA204是美国Burr - Brown公司生产的低价格、多用途的可编程增益放大器, 可用两位TTL 或CMOS 逻辑信号A1、A0对其增益进行数字选择。PGA204的增益档级为1 、10 、100 、1000V/ V ,最大增益误差为0.1%; PGA205的增益档级为1 、2 、4 、8V/ V ,最大增益误差为0.05%。PGA204的最小电源电压为4.5V ,适用于电池供电,输入偏流最大为2nA , 静态电流为5.2mA。图5PGA204连接图4.4 Max232 MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电。图6 Max232引脚图 由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成电荷泵电路，功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。 TTL/CMOS数据从11引脚（T1IN）、10引脚（T2IN）输入转换成RS-232数据从14脚（T1OUT）、7脚（T2OUT）送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从13引脚（R1IN）、8引脚（R2IN）输入转换成TTL/CMOS数据后从12引脚（R1OUT）、9引脚（R2OUT）输出。15脚GND、16脚VCC（+5v）供电。图7Max232连接电路5 虚拟电压表的软件设计5.1总体labview函数面板 图7-8 5.2总体空间面板5.3labview串口驱动VISA： VISA是仪器编程的标准I/OAPI。VISA有多种用途，它可以控制GPIB、串口、USB、以太网、PX或VXI仪器。并根据使用仪器的类型调用相应的驱动程序，用户无需学习各种通信协议。VISA独立于操作系统。总线和编程环境。换而言之，无论使用何种设备、操作系统和编程语言均使用相同的API。单片机是通过串口与labview进行通信的，可以编写程序为： 可以看出VISA串口配置可以配置串口通信的波特率、数据比特、奇偶、停止位等，这些在单片机中也是可以通过编程实现的，将单片机中设置的数据和labview中的VISA串口配置相匹配既可以实现通信。其前面板的程序为： 图7-3前面的仅仅是串口的配置，当可以实现通信后，labview要从VISA资源中得到数据，这样就要利用串口的读写程序即VISA的读写：。其函数程序为：该程序可以对匹配到资源进行数据的读取。本次课程设计，讲过前面的硬件电路包括单片机的控制后，单片机所传送的代表模拟电压数据是一系列二进制的数，一共是18位。因此labview所设计的软件也一定是得到通过串口传送过来的一些二进制数。所以我们要将其转换成时间的数进行表示。5.4二进制数据的转换如图所示为二进制的函数程序： 图7-4Labview得到是二进制字符串，利用控件可以字符串至字节数组转换。利用是产生索引数组的控件。在经过后面的一系列的计算就可以得到所需要的十进制数值。5.5误差校正随机误差：一般是在相同的条件下多次测量同一量是，存在着其大小和符号随机变化的误差。一般由系统所在的环境温度、恶劣条件等影响产生的。系统误差：是指在相同条件下多次测量同一量时，存在着其大小和符号保持不变或按一定规律变化的误差。恒定系统误差:恒定不变的误差称为恒定系统误差,例如,在校验仪器时,标准表存在的固有误差、仪器的基准误差等。变化系统误差:仪表的零点(或基线）和放大倍数的漂移、温度变化而引入的误差等；例如,由仪器的零点漂移、放大倍数的漂移以及热电偶冷端随室温变化而引入的误差等。系统非线性（非比例）误差:传感器及检测电路（如电桥）被测量与输出量之间的非比例关系。减少系统误差可以用硬件电路的方法，也可以用系统复杂关系建模算法。建模的方法也有很多种，其中包括代数插值法，其中最常用的是最常用的多项式插值性插值、抛物线插值和分段插值法。还有一些比较常用的简单办法，如将得到多组数据求取平均值，或者直线的拟合的方法，多组数据求取平均值的方法误差校正不是特别准确但是简单易行。很容易实现。并且这种方法也对随机误差也有校正的功能：如图所示为函数编程面板：5.6数值显示其函数面板如图所示 图7-65.7前面面板 图7-75.8数据保存：数据保存空间能够完成的动作包括：保存至单个文件在单个文件中保存所有数据。提示用户选择文件显示文件对话框，提示用户选择文件。只有选择保存至单个文件时，该选项才可用。 仅询问一次仅提示用户选择文件一次。只有勾选提示用户选择文件复选框 时，该选项才可用。 每次循环时询问每次Express VI运行时都提示用户选择文件。只有勾选提示用户选择文件复选框时，该选项才可用。 保存至一系列文件（多个文件）在多个文件中保存数据。重置的值为TRUE，VI从序列中的第一个文件开始写入。例如，如保存test_001.lvm为test_004.lvm，配置多文件设置对话框现有文件选项的值可确定是否重命名、覆盖或忽略test_001.lvm。设置显示配置多文件设置对话框。只有选择保存至一系列文件（多个文件）选项时，该选项才可用。数据保存所用到的控件为：数据保存前面的文件名显示为：6 总结 在这次课程设计中，利用Labview虚拟仪器软件,进行了虚拟电压表的设计，在设计过程中，通过与通用电压表的对照测试,按本设计方法制作的虚拟数字电压表所测量的数据结果正确,达到了预期的设计目标。这次课程设计用到了单片机等知识，但是对于单片机的了解与运用非常有限，所以通过查阅资料、学习，又对单片机的运用有了进一步的掌握。过程运用到Labview。是我们刚学过的内容，但是真正运用起来也不简单，但是也却是锻炼了自己的能力，加强了对Labview的理解和熟练度。这次课设的设计内容比较多，难度还是挺大的，但在同学的帮助下，再加上自己的努力，最终还是完成了这次课设。完成过程中也是我学到了很多参考文献1张从雄.虚拟仪器技术分析与设计M.北京:电子工业出版社,2007 2王常廷.组建自己的虚拟仪器J.国外电子测量技术,1996,(6):22-223杨乐平,肖相生.LabVIEW程序设计与应用M.北京:电子工业出版社,2001.15-34.4林正盛.虚拟仪器技术及其应用J.微型机与应用,1997,(8):7-8. 5张桐,陈国顺,王正林.精通LabVIEW程序设计M.北京:电子工业出版社,20086张乃国.新型电子示波器M.北京:中国计量出版社,1990.81-84.附录A：程序清单#include#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharsbitbusy=P10;sbitRC=P11;sbitbyte=P12;sbitcs=P13;sbitA0=P14;sbitA1=P15;voidinit_qz();uintad_qz();voidbj_qz();voiddelay(uintz);voidmain()init_qz();while(1)bj_qz();voidinit_qz() /初始函数cs=0;/打开A/D的片选TMOD=0X20; /选择定时器1的工作方式2TH1=0XFD; /设置初值，波特率为9600TL1=0XFD;TR1=1; /打开定时器1REN=1; /打开串口接收数据使能端SM0=0;SM1=1;uintad_qz() /A/D转换函数ucharnData_H,nData_L;uintnData;RC=1; /给下降沿信号，启动转换delay(5);RC=0;while(!busy);/等待A/D转换完成RC=1; /给上升沿信号，打开A