proteus和labview在计算机检测系统中的应用

1、Proteus和LabVIEW在计算机检测系统中的应用陈 雷1,高兴龙2,陈 爽3(1.大庆石油学院应用技术学院,河北秦皇岛066004; 2.燕山大学里仁学院,河北秦皇岛066004|3.河北科技师范学院计算机系,河北秦皇岛066004搞耍:利用Proteus仿真软件开发信号真有效值测量仪表,在PC机上采用虚拟仪器软件LabVIEW,对单片机采集到的数据进行显示和保存.设计信号处理电路,编写单片机程序和基于计算机的监控程序,在系统开发中采用Proteus、LabVIEW、Keil C51和虚拟串口连接软件进行联调。模拟整个系统的运行.仿真结果表明,该系统能够准确测量信号的真有效值,并可以实现

2、下位单片机系统与上位计算机的串口通信仿真.关奠词:ProteusLabVIEW;真有效值;虚拟串口,单片机中图分类号:TP319文献标识码:A 文章编号:10001891(2009050098一050引言完全利用计算机进行电子工程项目的前期仿真开发,是电子产品开发的趋势.与此同时,相关的仿真 软件功能越来越完善,加速了该技术普及.笔者利用先进的EDA仿真技术以及虚拟仪器技术进行电子系 统开发.EDA仿真开发平台采用Proteus软件,它提供上万种根据生产厂家所提供的技术参数建立的仿 真模型,具有模拟电路、数字电路以及各种微处理器、微控制器系统的仿真功能,且仿真与工程实际十分接 近.借助该软件进

3、行电子系统的设计、仿真等前期开发验证工作,可以节约成本,并且大幅度提高开发效 率1_2.现代仪器仪表和计算机的通信功能是电子系统开发必不可少的组成部分,虚拟仪器软件Lab-VIEW有一个具有完成任何编程任务的函数库,具有数据采集、串口控制、GPIB、数据分析等功能,并支持 现存的各种硬件接口规范,可实现与外部硬件接口.笔者采用LabVIEW软件完成计算机串口数据采集 系统的开发,实现计算机和下位机仪表的通信.1系统概述测量交流信号有效值通常采用AC/DC转换电路,利用集成运放和二极管组成的精密线性整流电路 实现,其电路简单、成本低.这种电路实际反映的是正弦电压的平均值,根据正弦电压平均值与有效

4、值的 关系换算后,得出交流电压的有效值.采用这种处理方法,当被测电压为标准正弦电压时,测量结果是准 确的,但随着正弦波失真度的增大,测量误差将明显增大,因此也就不能用来测量方波、三角波、锯齿波等 非正弦电压的有效值口.为实现对任意交流信号电压有效值的精密测量,而不必考虑被测波形的参数以及失真,可以采用真有 效值(TRMS转换技术.该技术根据真有效值的定义式,通过电路对输入交流电压进行“平方一求平均值 一开平方”的运算得到,即不通过平均折算而直接将交流信号的有效值按比例转换为直流信号.随着集成 电路的迅速发展,出现了各种真有效值AC/DC转换器,模拟器件公司的AD736是其中比较典型的一种.收稿

5、日期:2009一0323;审稿人:李龙l编辑:郑丽芹基金项目:黑龙江省高等教育学会高等教育科学研究“十一五”规划课题(115C一848作者简介:陈雷(1979一,男.顼士,讲师,主要从事检测与虚拟仪器技术方面的研究.98-第5期 陈雷等:Proteus和I盘bEw在计算机检测系统中的应用 AD736采用信号平方后积分的平均技术直接测得波形的真实有效值,其测量灵敏度、精确度 有很大改善引.文中分析采用该方案进行电压 的TRMS测量系统的仿真开发,该系统总体结 构见图1.盥 片 机图1TRMS测量系统结构框图2仿真电路基于Proteus技术,设计对被测信号进行真有效值测量的信号处理电路,见图2.该

6、电路完成对信号 的真有效值转换、精密放大、限幅和模数转换处理,经A/D转换的信号送单片机处理并显示.注意在设计 电路板时,要在IC的电源管脚附近加旁路电容,以有效抑制干扰.图2Proteus硬件仿真电路2.1测量电路AD736是一款8引脚封装的单片高精度的TRMS-DC转换器.输入信号满度值为200mV,若要测 量更大的信号,需要进行信号衰减处理;其输入阻抗很高,可达1012Q;测量信号的最大波峰因数(振幅与 有效值之比可达5;可以测量交流和直流信号的真有效值;最大只需要200弘A的供电电流,供电电压范 围宽。且可以单电源或双电源供电,适用于便携式仪表和电池供电的场合酯.采用精密电阻900MQ

7、,900,90,10kQ,通过的串联分压的方法实现200mV,2,20,200V四档量程 信号的测量.仿真电路中采用4档的拨动开关实现量程切换,4个档位的满量程输出均为200mV.由于 AD736输入阻抗很高,因此可以省略阻抗变换电路.另外实际电路输入端须采用二极管保护电路,防止输 入过压损坏器件.AD736引脚见图2.真有效值测量电路中,引脚5和引脚4之间接平均值电解电容cl,引脚6和引脚 3之间可以接电解电容C2,以实现低通滤波,使输出更加平稳.经仿真实验可知,平均值电容C,越大,测 量精度越高,但平均时间常数随输入信号的变小而线性增大,由于放电需要的时间长而使2次测试之间的 等待时间变长

8、.因此平均电容C。也不能太大,需在精度和稳定时间之间作出权衡.文中电路平均电容C-取33肛F,外接的滤波电容c2取10肛F.引脚1和引脚8之间可接交流耦合电容,用来确定输入信号的下 限截止频率.若不考虑输入信号下限频率,可不接此电容,将引脚1直接接地或悬空.该仿真验证的AD736功能:当外接平均值电容C。和滤波电容c2时,实现真有效值测量;只接滤波电 容C:时,实现平均值测量;既不接C。也不接C。时,可实现对输入信号的全波整流输出.2.2精密放大电路AD623是AD公司的一款8引脚封装的常用仪表放大器,可以采用±(2.56V的双电源供电,也 可以采用312V的单电源供电,双电源供电可

9、以达到更好的性能.引脚2和引脚3为输入端,引脚1和 引脚8间接增益电阻R。.根据电压放大倍数G和增益电阻R。的关系式R。一100/(G一1可知,放大10倍时应取输入电阻11.11kfl,实际电路中R。可采用精密可调电阻进行调试.99大庆石油学院学报 第33卷2009年将AD736输出的0-一200mV信号放大10倍,得到0"-一2V的信号,作为A/D转换芯片的输入.利用 AD公司提供的网上在线设计工具,并经仿真实验.若采用单电源供电,要达到2V的输出,引脚2和引脚 3间必须提供适当的共模电压,这样会使电路设计复杂化.采用±5V双电源供电时,输出可以达到±4.5 V

10、,完全满足本设计要求,因此该电路采用±5V双电源供电.为了便于单片机处理并显示数据,将转换后的实际数据扩大1000倍后,再进行显示.设扩大1000倍后的数据为m,m定义为无符号整型数据,按比例关系式ADdata. m矿一丽得m一9.804ADdata。 (1 计算m值,m转换成十进制后最多为4位有效数字,只要设定好小数点的位置,即可正确显示测量值.各量程的显示格式及单位见表1,其中,数据的最高位为0则消隐显示.2.3模数转换电路表1各量程对应的显示格式void AD549( if(D(ADdata J=0x01;SCLK=0,CS=0;-nop一(;一nop一(;一nop-(lnop

11、,(, SCI,K=0Ifor(i=o;i<8#i+-I- /传送1字节数据 CS=1;一nop-(Inop-(ISCLK=1; ADdata<<=1;在TLC549输入端采用稳压值为2.4V的稳压管1N5221B进行限幅,将输入电压限制在2.5V基准 电压之内.此外当单片机从TLC549采集的电压超过2V时,说明所测电压超出所选量程,根据AD转换 比例关系可知裸数据超过0xCC,据此可以判断为超量程.2.4液晶显示采用LCDl602字符型液晶显示模块显示测量结果.LCDl602可显示2行,每行16个字符.编程实 现的显示效果:第1行为提示语“the TRMS is:”,第2

12、行显示真有效值大小,若测量电压超出相应量程,则 显示”overflow”表示超量程。提示换档.2.5RS232接口模型COMPlM单片机和计算机可以通过RS232接口实现通信,电路中需要电平转换芯片MAX232进行RS232电 平和TTL电平转换.在Proteus仿真中,可以直接将51单片机的RXD和COMPIM的引脚2连接,TXD 和C(MPlM的引脚3连接,实现快速仿真.实际单片机串口工作时,9针接口的第5引脚接地,仿真模型中默认为接地,故可不设置.双击 COMPIM,进入属性设置界面,这里设置串口号为COM4,波特率为9600bit/s,其他参数采用默认值.串 口参数设计界面见图3.第5

13、期 陈雷等:Proteus和LabVIEW在计算机检测系统中的应用另外,Proteus中5l单片机的晶振设置与 振的情况下,在单片机程序中,定时器T1初值设为0xFD,可以实现精确的9600bit/s的串口波特率,即误差为0;但若采用12MHz晶振,会有8.51%的误差,造成数据传输错误.因此Proteus中51单片机属性的时钟频率(clock frequency也必须设为11.0592MHz,否则会仿真失败.3软件设计 图3串I:/参数设计界面LabVIEW程序设计主要分为串口通信程序和数据处理程序.针对计算机的标准串口,LabVIEW提 供一组子VI实现对串口的操作,对这些VI模块进行正确

14、的连接和配置就能开发出符合要求的串口通信 程序.模块详细功能文献6已有说明,不再赘述.LabVIEW数据处理程序采用While循环的方式,每隔18发送16进制数据0xAA,并读取单片机返 回的数据.单片机返回的数据由“键值”和“AD转换数据”2 部分.在LabVIEW中,采用“条件结构”根据收到的“键值”决定处理“AD转换数据”的方法.对应4个量程,根据式(1,将“AD转换数据”分别乘以相应系数,即可得到最终结果.基于LabVIEW的数据采集与处理程序见图4. 图4LabVIEW数据采集与处理程序此外,在LabVIEW监控系统中,采用LABSQL数据库访问工具包实现对Microsoft Acc

15、ess数据库 的访问,完成对采集数据的存储、查询、删除等操作,从而实现对采集数据的组织和管理.4PROTEUS与LabVIEW的连接从仿真的角度来说,Proteus仿真软件虽然可以仿真单片机硬件,但要进行单片机电路与计算机通过 RS232接口进行仿真的开发,必须将计算机监控软件与Proteus软件联系起来.文中使用一款虚拟串口 软件在计算机中虚拟出一对串口来实现该功能.打开该虚拟串口软件,在界面左边的浏览界面可以显示 出所用计算机已经存在的物理串口和已经虚拟出的串口;Add/Remove ports面板选择要连接的串口名 称,如COM3和COM4,点击add pair就可以在计算机内部虚拟出一

16、对内部连接好的COM3,-*COM4的 串口连接;如果要删除虚拟串口,在左边的浏览界面选中相应的虚拟串口名称,点击Delete pair即可.在 系统调试时,可以点击进入Additionalpair information界面,察看串口的详细工作状态,包括端口是否打开、收发的字节数、波特率等参数. 5仿真结果仿真实验表明,对于30Hz以上的信号,可以在采集仪表上稳定地显示输入信号的真有效值,而30Hz以下的信号显示则很不稳定,这是因为AD736有一定的频响范围.利用Proteus中提供的信号源作为 输入信号进行仿真,输入频率为1kHz,有效值分别为156.8mV,1.568,15.68,156

17、.8V的正弦信号,并101大庆石油学院学报 第33卷2009年切换相应的量程,在Proteus的LCDl602以及PC采集软件上显示的数据与所设定的输入信号有效值一 致,表明该方法是可行的.但文中Proteus仿真结果是在比较理想的情况下进行的,搭建实际的硬件电路 时,必须对硬件电路进行反复调试,并结合程序对输出进行参数校正才能达到设计要求.6结束语以电压真有效值检测系统的设计为例,分析应用Proteus仿真软件进行单片机系统开发,以及计算机 串口数据采集系统开发的方法,据此制作实际电路,并运行.实践证明,利用该方法开发类似的系统可以 大幅度提高开发效率,降低成本,有推广价值.参考文献:1周灵

18、彬,张靖武.PROTEUS的单片机教学与应用研究J.单片机与嵌入式系统系用,2008(1:7678.2张勇.基于PROTEUS平台的32位单片机LPC2114虚拟串口通讯仿真CJ.集成电路通讯。2008,26(3t8一12.4沙占友.新型数字电压表原理与应用M.北京:机械工业出版社.2006。100110.E5冯云梅,蒋秋华。史天运.AD736在机车信号智能监测中的应用J.电子产品世界,2005(11:9495.6彭庆华.虚拟仪器软件LabVIEW的串行口通信编程EJ.自动化仪表,2002,23(3。31-33.+4+4_J_¨_q_HqqHH、十_+_一-+_-+十- (上接第92页在黏土稳定剂的评价指标中,防膨率越大,溶失率、岩心伤害率越小,表明黏土稳定剂的防膨性能越 好.由表2可看出,在黏土稳定剂的有效质量分数为3.oH时,DN 1407型黏土稳定剂的防膨率较高,达到 了83.5