教学材料《LabVIEW实验与应用》-第１６章

１６.１数据解码器的设计１６.１.１罗盘的基本知识数据解码器的解码对象为ＧＰＳ／ＩＮＳ紧密组合系统ＩＮＳ１２００，ＩＮＳ１２００小型化ＭＥＭＳ紧密组合导航系统采用紧耦合技术将高精度、低功耗、１６通道、单频ＧＰＳ接收机输出的原始载波相位及伪距和高精度ＭＥＭＳ惯性测量单元紧密组合，具有体积和质量小、性能优、价格相对低廉等特点。ＩＮＳ１２００紧密组合导航系统可提供水平姿态、航向等定姿信息，经度、纬度、高度等定位信息，以及三维加速度、角速度等惯性测量信息，并可通过扩展里程计、高度气压计等进一步提高系统精度和适用性，可广泛应用于无人机、交通工具导航、航空和平台稳定控制等领域。下一页返回１６.１数据解码器的设计ＩＮＳ系统由一个单片机、三个陀螺仪和三个加速度计组成。三个陀螺仪和加速度计被安装在三个正交的方向。系统的性能由传感器噪声、偏差、比例因子和系统校准决定。ＩＮＳ１２００在内部计时器的同步作用下，以给定的波特率通过ＲＳ２３２同步输出测得的导航模式、位置、速度和姿态等信息。ＩＮＳ１２００测量数据封装为５０字节，定义如表１６.１.１所示。ＩＮＳ１２００惯导组合系统的测量数据封装中，起始的字头位和最后的校验位用于同步通信。而数据位分别为配给导航模式、计时器、位置（纬度、经度和高度）、速度（北向速度、东向速度和上向速度）、姿态（横滚角、俯仰角和航向角）。具体为：上一页下一页返回１６.１数据解码器的设计字头：ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒ，十六进制的常数，０ｘＡＡ。模式：ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒ。导航模式测量值：ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒ。当模式为０时，没有导航信息；当模式为１时，只有姿态信息是有效的；当模式为２时，所有的导航信息（时间、位置、速度和姿态）均是有效的。时间测量：ｕｎｓｉｇｎｅｄｌｏｎｇ，测量数据封装的计时指示。该时间与ＧＰＳ的日时间同步（格林威治日时间）。该时间的比例因子为１ｍｓ。该测量数据的时间计算为：ＭＥＡＳ０.００１ｓ。上一页下一页返回１６.１数据解码器的设计纬度、经度测量：ｌｏｎｇ。纬度、经度测量的比例因子为（１０－７）°，所以纬度、经度值为ＭＥＡＳ

（１０－７）°。高度测量：ｌｏｎｇ。高度测量的比例因子为１０－３ｍ，所以高度值为ＭＥＡＳ１０－３ｍ。北向、东向、上向速度测量：ｌｏｎｇ。速度测量的比例因子为１０－３ｍ／ｓ，所以北向、东向、上向的速度值为ＭＥＡＳ１０－３ｍ／ｓ。横滚、俯仰角测量数据：ｓｈｏｒｔ。角测量的比例因子为１／１００°，因此，横滚、俯仰角度值为０.０１°ＭＥＡＳ。上一页下一页返回１６.１数据解码器的设计航向角测量数据：ｓｈｏｒｔ。航向角测量的比例因子为１／１００°，因此，该角度值为０.０１°ＭＥＡＳ。陀螺仪Ｘ、Ｙ、Ｚ测量数据：ｓｈｏｒｔ。测量比例因子为陀螺仪测量范围／（３２７６８°／ｓ）。因此，陀螺仪Ｘ、Ｙ、Ｚ测量值为陀螺仪测量范围／（３２７６８ＭＥＡＳ°／ｓ）。加速度计Ｘ、Ｙ、Ｚ测量数据：ｓｈｏｒｔ。测量比例因子为加速度计测量范围／（３２７６８ｍ／ｓ２）。因此，加速度计Ｘ、Ｙ、Ｚ测量值为加速度计测量范围／（３２７６８ＭＥＡＳｍ／ｓ２）。校验和：ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒ。按字节从ＦＬＡＧ到最后的加速度计Ｚ测量数据的无符号的总和，并以２８为模的余数值。上一页下一页返回１６.１数据解码器的设计１６.１.２ＬａｂＶＩＥＷ关于数据块处理函数本程序为某项目局部程序设计，设计解码程序的目的就是根据采集数据格式以及比例系数，得到物体实际状态变化数值。ＬａｂＶＩＥＷ提供了一系列与解码相关的函数，它们位于“函数”→“编程”→“字符串”子选板中，如图１６.１.１所示。而相关的文件操作函数位于“函数”→“编程”→“文件Ｉ／Ｏ”子选板中，如图１６.１.２所示。上一页下一页返回１６.１数据解码器的设计１６.１.３构建数据分析与处理软件基于ＬａｂＶＩＥＷ的ＩＳＮ１２００惯导信号数据解码处理共由４步组成。一是打开文件：二是从文件里找到正确的字头，并由字头开始截取适宜长度的字符串；三是对字符串进行分段处理，返回正确的数值；四是文件存储。如图１６.１.３前面板所示，其中共放置两个按键，当程序运行时，单击“选择文件”按钮，会自动跳出文件选择框，如图１６.１.４所示，这时就可以选择所需解码的文件，单击“确定”按钮；接着单击程序前面板的“执行解码”按钮，然后把解码文件放在想要放置的位置即可。程序框图如图１６.１.５所示，它是解码的程序面板，体现解码的核心思想。上一页下一页返回１６.１数据解码器的设计１.字头寻找循环等待，直到“选择文件”按钮按下，接着就是针对选择的文件，寻找惯导系统开始记录数据的固定字头“ＡＡ５７”，排除可能出现的干扰，接着就持续从“ＡＡ５７”字头来进行字符串的截取。字头寻找程序框图如图１６.１.６所示。２.索引剔除当然，取得的字符串不一定都是正确的字符串，在本程序解码器中，惯导系统采集时间很长时，采集到的数据有时会有缺陷的数据。上一页下一页返回１６.１数据解码器的设计根据惯导系统采集信息的基本特征，必须对数据长度进行检测，若以“ＡＡ５７”开始的数据达到所需的长度，就判定此数据为正常的数据，否则对非正常长度的字符串进行剔除，保留正确的字符串进行后续处理，如图１６.１.７所示。正确的字符串形式为“ＡＡ５Ｂ０１４Ｅ８３０１００６７７ＡＢＡ１７５Ｆ３Ｃ７３４５７５Ｃ４０５００００００００００００００００００００００００００Ｄ７ＦＦＢ９ＦＦ０１０００１０００１００ＦＡＦＦ５４００Ｄ１ＦＦ９６１９ＣＥＡＡ５Ｂ０１５８８３…”，由于每条信息包含的数据长度不同，因此必须对截取的字符串进行处理，截取计算出所需姿态数据。字符串解算程序框图如图１６.１.８所示。上一页下一页返回１６.１数据解码器的设计３.字符串解算在字符串分段解算过程中，由于惯导系统规定了字符串信息所在位置、所占用长度、数据类型、比例系数等，因此解算过程首先是从字头开始截取所占长度的子字符，然后是数据类型解算，调用相应的子程序把指定的数据类型转化为十进制数据，乘以相应比例系数，按照顺序整理到解码字符串即可。字符类型转化如图１６.１.９所示，为ｌｏｎｇ型转化为十进制数据程序框图。上一页下一页返回１６.１数据解码器的设计先把某指定长度字符串截取出来，再按照类型转换规则进行判断、转换，由于ｌｏｎｇ型数据最高位为数据正负标志位，因此必须对其进行判断，若ｌｏｎｇ型数据为正值，直接将字符串转换为十进制数即可；若ｌｏｎｇ型数据为负值，根据计算机二进制数存取格式需要把字符串二进制值按位取反再减一。４.文件保存如图１６.１.１０所示，字符串经过处理之后，当“执行解码”按钮按下时，程序会把解算后解码字符串保存在已命名的新建ｔｘｔ文件里面。上一页返回１６.２串口通信的上位机控制１６.２.１串口通信协议图１６.２.１所示为本例程选用的超声电机及其配套的驱动器组成的电机控制模块。控制电路对电机的控制是通过相应的电机驱动器实现的，驱动器可以实时接收控制电路的指令，对电机转速、方向等实时控制，同时，驱动器可以通过串口与上位机进行通信，在平台位移调整的过程中，上位机把控制指令发送到控制器，再由驱动器根据指令控制电机完成相应的指令，同时反馈电机驱动器接收到的信息。下一页返回１６.２串口通信的上位机控制如图１６.２.２所示，光栅尺数显表系统利用程序对传感器的输出信息进行读取是通过数显表来实现的，数显表具有ＲＳ２３２接口，方便与外部设备连接，光栅尺位移传感器的脉冲信号经过计数器处理后在数显表显示。数显表可以通过串口与上位机进行通信，上位机把相应指令发送到数显表，数显表即可把位置信息经过一定的数据格式发送到上位机。在ＬａｂＶＩＥＷ里，不需要了解底层实际接口的类型是什么，对于ＧＰＩＢ、ＵＳＢ、串口、ＰＸＩ、ＶＸＩ和以太网等接口，只需要掌握ＶＩＳＡＩ／Ｏ这一套函数库，程序在运行时会根据实际接口类型自动调节相应的接口驱动程序，完成通信操作。上一页下一页返回１６.２串口通信的上位机控制当ＬａｂＶＩＥＷ通过ＲＳ２３２串口线进行上位机通信控制时，首先要确定的是本计算机已经安装ＲＳ２３２串口驱动程序（否则计算机无法找到相应的ＣＯＭ口），然后必须确保安装ＶＩＳＡ驱动程序（否则ＬａｂＶＩＥＷ软件无法找到相应的ＣＯＭ口），最后需保证通信连接的正确性，即计算机的串口ＲＸＤ引脚连接的是驱动器的ＴＸＤ引脚，计算机的串口ＴＸＤ引脚连接的是驱动器的ＲＸＤ引脚，这点也是所有串口通信程序的首要任务。电机驱动器的使用指令格式为：（１）串行通信规约：波特率１１５.２Ｋｂｉｔ／ｓ、１ｂｉｔ起始位、８ｂｉｔ数据、１ｂｉｔ停止位、无校验位。上一页下一页返回１６.２串口通信的上位机控制（２）数据帧格式：命令（大写）＋空格（０ｘ２０）＋数据＋＜ＣＲ＞（０ｘ０Ｄ）＜ＬＦ＞（０ｘ０Ａ），均为ＡＳＣＩＩ码。（３）命令字：“Ｖ”，转速命令（＋空格＋数据）＋＜ＣＲ＞；“Ｕ”，ＣＷ启动命令＋＜ＣＲ＞；“Ｄ”，ＣＣＷ启动命令＋＜ＣＲ＞；“Ｓ”，ＳＴＯＰ停止运行命令＋＜ＣＲ＞；其中，数据字“×××”三位ＡＳＣＩＩ码，表示速度指令设置，包括“０”，速度范围为０～１００。启动器校验方式是在收到命令、数据后，返回对应的ＡＳＣＩＩ码（不含＼ｒ＼ｎ）。上一页下一页返回１６.２串口通信的上位机控制数显表的指令格式为：（１）串行通信规约：波特率９６００ｂｉｔ／ｓ、１ｂｉｔ起始位、８ｂｉｔ数据、１ｂｉｔ停止位、无校验位。（２）数据格式：“Ｘ：ｘｘｘ＋空格＋Ｙ：ｘｘｘ”ＡＳＣＩＩ码，发送数据到串口。（３）命令字：“Ｓ”，发送数据命令＋＜ＣＲ＞。其中，数据“ｘｘｘ”为ＡＳＣＩＩ码，是数显表反馈的位置信息，它包括７位，第４位为小数点位，其他是位置有效数据。上一页下一页返回１６.２串口通信的上位机控制１６.２.２ＬａｂＶＩＥＷ关于串口通信的函数本程序为某项目程序局部设计，ＬａｂＶＩＥＷ软件提供了一系列与串口操作相关的函数，它们位于“函数”→“仪器Ｉ／Ｏ”→“ＶＩＳＡ”→“高级ＶＩＳＡ”子选板以及“函数”→“仪器Ｉ／Ｏ”→“串口”子选板中，如图１６.２.３和图１６.２.４所示。１６.２.３构建上位机通信控制软件图１６.２.５所示为基于串口通信的电机控制前面板，图１６.２.６所示为基于串口通信的电机控制程序框图。上一页下一页返回１６.２串口通信的上位机控制程序首先对参数进行必要的初始化设置，然后寻找串口并根据相应的通信协议进行相关配置，接着对通信数据位进行设置，并查看通信连接的正确性，最后根据按键的状态判断程序的走向，若“开始”按键按下，程序会判断平台所在位置，并与设定的位置进行比较，若现在位置没有在设定位置一定误差范围内，程序就会发送相应的正转、反转指令到驱动器，同时会把位置数据传到指定的文件内。１.初始化及串口连接初始化是对程序中出现的一些状态变量的初始设置，初始化的存在是很必要的，这样可以使程序运行的过程中不会在程序开始运行时跳出拟定的控制规则，如果按照上次运行程序时的参数继续执行，就会出现错误。上一页下一页返回１６.２串口通信的上位机控制如图１６.２.７所示，ＬａｂＶＩＥＷ进行串口连接时先进行初始化，给后面的变量赋一个初值，接下来是串口配置与连接，根据电机驱动器及数显表通信格式，对其配置波特率、数据位、校验位、停止位等。驱动器串口测试时先发送一个“ｏｋ！”字符串，若驱动器返回同样的字符表示驱动器通信正常，否则表示通信错误。数显表串口通信测试时与驱动器测试类似，首先配置端口，然后向串口发送字符“Ｓ”，数显表返回字符串，若检测字符串不为空，表示数显表能够与上位机进行正常通信，否则表示不能进行正常通信。上一页下一页返回１６.２串口通信的上位机控制对串口进行配置连接后就进入循环程序，循环检测、显示平台当前位置，并根据当前位置发送相应的控制命令，同时根据例程需求，把位置数据按照一定的格式保存在文件里。２.位置数据读取系统显示程序的作用是使相应的结果更形象，实时显示出来。本程序具有实时显示的作用，不仅能够实时看到位置大小，还可观察到相应的运动曲线。数显表处理后的传感器位置数据按照一定的顺序排列，从串口读取的数据通过数据匹配节点，解算分离出每个方向的位置值。上一页下一页返回１６.２串口通信的上位机控制位置信息解算程序如图１６.２.８所示。可以根据数显表返回的数据格式进行解算、分离，进而得到正确的平台位置。本例程对数据分离选用的是位于“字符串”子选板中的“匹配模式”及“字符串／数值”子选板中的“分数／指数字符串至数值转换”。上位机发送“Ｓ”字符到数显表，数显表接收命令后就会返回当前显示的平台位置到上位机，然后就是对采集到的位置信息进行数据分离。根据数显表返回的数据格式：“Ｘ：ｘｘｘ：ｘｘｘＹ：ｘｘｘ：ｘｘｘ”，首先对字符串进行匹配，把“Ｘ：”后、“ｍｍ”前的字符串分离出来，再分离出“Ｙ：”后、“ｍｍ”前的字符串，最后将相应的字符转化为数值送到波形图表即可正确显示。上一页下一页返回１６.２串口通信的上位机控制２.电机指令判决在向驱动器发送具体指令之前，首先发送设定的速度指令“ＶＸＸＸ”到上位机，接着判断开始按键有没有按下，若按下，先判断当前Ｙ方向当前位置与设定位置的距离是否在误差允许范围内，若不在允许范围内，根据是否大于目标位置进行正反转的控制。同理，再判断Ｘ应发送的控制指令，指令判决框图如图１６.２.９所示。３.数据的保存图１６.２.１０所示为文件保存程序框图，为便于数据结果的观察、分析，程序从进入循环开始就把每次的位置保存在已命名的ｔｘｔ文件里，其中Ｙ和Ｘ方向数据以空格隔开。上一页返回１６.３传感器的标定部分１.传感器的标定对某型号压力传感器进行标定时，我们常常会做多组实验测量传感器在不同压力下数据的变化情况，根据不同点的测量数据，拟合出传感器的特性曲线，求出线性度和重复性。下面以三组标定数据为例，拟合一条一次多项式曲线，并求出标定数据的斜率、截距、线性度、重复性等。传感仪标定数据如表１６.３.１所示。２.标定的基本原理传感器在使用之前都需要进行一定的标定，建立输入量与输出量之间的对应关系，确定传感器的静态特性。下一页返回１６.３传感器的标定部分测试系统的静态特性是指响应与激励之间的对应关系，可以用一个多项方程式表示测量系统的数学模型：理想的测试系统是线性系统，即响应与激励呈线性关系，但在使用过程中会受到各种客观因素的影响，不是一种严格的线性关系，所以在标定过程中可以使用一条拟合的直线来代替实际的特性方程。常用的拟合方法有以下几种：端点连线法：取静态特性曲线上下两点，以两点之间的连线作为拟合直线。端点连线平移法：先确定两点法所得到的直线，取平行于两点法直线并且正负偏差的绝对值相等的直线作为拟合直线。上一页下一页返回１６.３传感器的标定部分最小二乘法：拟合的直线方程形式为ｙ＾＝ａ＋ｂｘ，且对于各个标定点（ｘｉ，ｙｉ），偏差的平方和

最小，式中，ａ和ｂ为回归系数，且ａ和ｂ两系数具有物理意义。过零最小二乘法：拟合的直线方程为ｙ＾＝ｂｘ，拟合直线的特性是对于实际的标定点偏差的平方和最小。使用ＬａｂＶＩＥＷ中“线性拟合.ｖｉ”，可方便地得到对线性模型的斜率和截距。误差存在于一切测量系统中，误差定义为测量结果减去被测量的真值：上一页下一页返回１６.３传感器的标定部分残余误差为测量结果减去被测量的最佳估计值：３.ＬａｂＶＩＥＷ标定程序设计图１６.３.２所示为标定程序的前面板，图１６.３.３所示为标定程序的程序框图。为方便程序的多次使用，我们把标定数据保存在一个工作表ｘｌｓ文件中，在程序的运行过程中，单击“读取文件”按钮，这时就会跳出一个文件选择框，选择确定所选工作表文件，然后程序就会把数组的斜率、截距、线性度、重复性等参数计算出来。上一页下一页返回１６.３传感器的标定部分１）均值与极差的计算在程序框图中放置位于“函数”→“编程”→“结构”子选板中的平铺式顺序结构，第一帧设计如图１６.３.４所示，首先是等待读取工作表文件，然后是对读取的数组的每一行求和，再除以组数以求取均值，最后对此行最大值和最小值求差，即求极差。２）拟合直线的计算计算三组数据的均值之后，根据最小二乘法对不同标定点的均值进行拟合，使用函数在“函数”→“数学”→“拟合”→“线性拟合”中，在这里，线性拟合函数可以对“Ｘ”“Ｙ”数组进行最佳线性拟合。上一页下一页返回１６.３传感器的标定部分线性拟合函数如图１６.３.５所示，该函数的“Ｙ”输入端子是由因变值组成的数组，注意“Ｙ”数组的长度必须大于等于未知参数的元素个数。该函数的“Ｘ”输入端子是由自变量组成的数组，“Ｘ”数组元素个数必须等于“Ｙ”数组元素个数。该函数的“权重”端子是观测点（Ｘ，Ｙ）的权重数组，“权重”的数组元素数必须等于“Ｙ”的数组元素数，若“权重”端未连线，ＶＩ将把权重数组的所有元素设置为１；若“权重”端中的某个元素小于０，ＶＩ将使用元素的绝对值。该函数的“容差”端子用以确定使用最小绝对残差或Ｂｉｓｑｕａｒｅ方法时，何时停止斜率和截距的迭代调整，对于最小绝对残差方法，如两次连续的交互之间残差的相对差小于容差，该ＶＩ将返回结果残差。上一页下一页返回１６.３传感器的标定部分对于Ｂｉｓｑｕａｒｅ方法，如两次连续的交互之间斜率和截距的相对差小于容差，该ＶＩ将返回斜率和截距，如容差小于等于０，ＶＩ将设置容差为０.０００１。该函数的“方法”端子用以指定拟合方法，其中，值为０表示使用最小二乘法进行拟合，这是系统默认的拟合方法；值为１表示使用最小绝对残差法进行拟合；值为２表示使用Ｂｉｓｑｕａｒｅ法进行拟合。该函数的“参数界限”包含斜率和截距的上下限，如知道特定参数的值，可设置参数的上下限为该值；斜率最小值为指定斜率的下限，当默认值为－Ｉｎｆ时，表示斜率没有下限。上一页下一页返回１６.３传感器的标定部分该函数的“最佳线性拟合”输出端返回拟合模型的Ｙ值。“斜率”端返回拟合模型的斜率。“截距”端返回拟合模型的截距。“错误”端返回ＶＩ的任意错误或警告。“残差”端返回拟合模型的加权平均误差，若拟合方法设为最小绝对残差法，则残差为加权平均绝对误差，否则残差为加权均方误差。本例程根据标准压力值与在此压力下的传感器数值进行线性拟合，选用最小二乘法求出斜率与截距。本例中把指定的压力作为“Ｘ”，把此压力下传感器输出均值作为“Ｙ”，这种情况求出的拟合函数斜率倒数为本例所求拟合斜率，最佳拟合函数的截距与斜率的比值的相反数为本例所求截距。根据斜率与截距，容易求出本例拟合直线。求取拟合直线的程序框图如图１６.３