教学材料《LabVIEW实验与应用》-第９章

９.１案例简介火炮身管内径检测要求准确地测量身管任意截面内径尺寸的变化，并实现数据快速实时处理和显示输出。检测硬件模块主要包括位移式传感器、激光测距仪、步进电动机和身管爬行机构。其中位移传感器和激光测距仪分别用于测量径向位移和轴向位移，并由身管爬行机构带动在火炮身管内行进。本案例是一个典型的串口总线仪器应用，由测径传感器产生的模拟信号经过匹配的通道箱后转化为数字信号输出，再通过串口读取至计算机。激光测距仪的输出为数字量，不用做Ａ／Ｄ转换，可以连接至串口，从而对内径测量实行轴向位置定位。利用标定环对测径传感器进行标定，得到标定系数，再利用标定系数可以计算出火炮身管的内径值。返回９.２软件实现火炮身管内径检测软件需要实现设备检测、信号的采集与保存、数据的处理以及打印功能。主程序由一系列顺序结构组成，将主程序分为图９.２.１（ａ）与图９.２.１（ｂ）两部分。主程序顺序框图外的布尔控件主要用来显示外接设备，布尔控件的属性节点可以使控件在禁用和使能状态进行切换。当给属性节点赋予０值时，控件使能；赋予２时，控件禁用。该主程序主要依靠顺序结构实现，根据时间发生的顺序将该程序划分为九个顺序结构，分别编号顺序结构一至顺序结构九。下面对这九个顺序结构依次详细解释说明。１.顺序结构一下一页返回９.２软件实现如图９.２.２（ａ）所示，顺序结构一实现了全局变量测量次数、测量位移以及数据的初始化赋值，并完成对外设的检测。检测外设子ＶＩ的程序框图如图９.２.２（ｂ）～（ｄ）所示。无论是外设检测，还是后面提到的子模块，都必须具备串口通信的功能，该程序的数据通信依靠ＶＩＳＡ实现，ＶＩＳＡ函数是一套可方便调用的函数，通过一个标准的、通用的驱动程序的编程模型简化了仪器的控制与通信。检测外设子ＶＩ由三个顺序结构组成，分别实现检测通道箱连接是否正确、检测激光测距仪连接是否正确，以及显示检索结果的功能。上一页下一页返回９.２软件实现以检测通道箱程序(即图９.２.２（ｂ）所示)为例，主要说明一下VISA串口通信的过程。首先使用ＶＩＳＡ查找资源函数与索引数组定位指定接口相关的设备,这里将通道箱连接至计算机上的ＣＯＭ１口，索引数组的索引值设为０就可以查找COM１口的设备；然后使用VISA配置串口函数配置串口,以查找到的资源为VISA资源名称，并设置好波特率、数据比特、奇偶校验位、停止位，将VISA查找资源的错误输出为错误输入；创建VISA的Instr串口比特数的属性节点，只要数据不为空，就通过VISA读取函数对串口进行读取操作，随后将读取的数据写入计算机，这里将其写入地址为4D0D的内存空间；经过一定的延时后，再将写入计算机的数据读取至缓冲区，再根据厂家所给的相关协议来判断通道箱是否连接成功，同时关闭VISA。上一页下一页返回９.２软件实现除了因协议不同引起的数据操作外，检测激光测距仪的程序与检测通道箱大致相同，这里不再一一赘述。显示检索结果部分共有三种处理情况，分别如图９.２.２（ｅ）～（ｇ）所示。第一种条件为测距仪、通道箱都连接成功，两个条件结构都为真（图９.２.２（ｅ）），此时通过对话框函数显示设备连接成功，并将数据写入新的缓冲区；第二种条件为测距仪连接成功，通道箱连接失败，即主条件为真，子条件为假（图９.２.２（ｆ）），此时通过对话框函数显示通道箱设备连接失败，并提供“重试”按钮和“取消”按钮供用户选择；第三种条件为激光测距仪检测失败，即主条件为假（图９.２.２（ｇ）），此时通过对话框函数显示测距仪连接失败，同时提供“重试”和“取消”显示功能。上一页下一页返回９.２软件实现２.顺序结构二该结构由Ｗｈｉｌｅ循环、顺序结构以及条件结构构成，总体来说分为两个顺序事件，即事件一，如图９.２.３（ａ）所示，按下“ＯＫ”按钮（“重新连接”）后，检测外设子ＶＩ触发，程序开始检测外部设备；事件二，如图９.２.３（ｂ）所示，测距仪与通道箱都成功检测后，二者真值相与，退出Ｗｈｉｌｅ循环，否则若有一种设备检测成功的状态值为假，则继续该循环。所以该顺序结构的功能在于重新检测设备，直到成功检测为止。３.顺序结构三上一页下一页返回９.２软件实现顺序结构三如图９.２.４（ａ）所示，通过打开ＶＩ引用来实现子ＶＩ的打开，属性节点的使用可以更好地设置程序运行状态，以ｗａｉｔｕｎｔｉｌｄｏｎｅ为例，在节点前面赋予值Ｆａｌｓｅ，可以使程序在结束前不用等待。打开的Ｂｉｎａｒｙｒｅａｄｓｙｓ子ＶＩ如图９.２.４（ｂ）所示。Ｂｉｎａｒｙｒｅａｄｓｙｓ子ＶＩ主要通过两大块函数完成文件的二进制读取。上一页下一页返回９.２软件实现第一块如图９.２.４（ｂ）左下角部分，先后使用读取当前路径、路径转换成字符串、搜索／拆分字符串、连接字符串、字符串转换为路径这些ＶＩ函数生成系统设置参数的文件目录；第二块使用读取ＳＧＬ文件子ＶＩ，可以将该路径下的文件读取出来，再根据相关协议，完成数据二进制读取，这里前四位作为阴线内径数据，后四位作为阳线内径数据。４.顺序结构四顺序结构四如图９.２.５（ａ）所示，与顺序结构三相似，该结构用来打开参数设置子ＶＩ。上一页下一页返回９.２软件实现参数设置子ＶＩ由三个顺序结构构成，如图９.２.５（ｂ）～（ｄ）所示，显然该程序用来设置参数，按下“ＯＫ”按钮，即“设置完成”后，跳出循环，设置结束。参数设置的前面板如图９.２.５（ｅ）所示，可以设置身管型号、身管编号、身管长度以及数据记录间隔这四项参数。５.顺序结构五顺序结构五为设置延时。６.顺序结构六该结构用来设置菜单栏，包含数据保存、控制、参数三项，同时激光初始化按钮使能，显示设备连接成功，程序框图如图９.２.６所示。上一页下一页返回９.２软件实现７.顺序结构七如图９.２.７（ａ）所示，该结构包含事件结构，按下“激光初始化”按钮后，激光初始化子ＶＩ开始触发，子程序的前面板如图９.２.７（ｂ）所示，程序框图如图９.２.７（ｃ）～（ｄ）所示。激光初始化主要是使用ＶＩＳＡ进行通信，图９.２.７（ｂ）程序根据协议将数据写入ＶＩＳＡ串口，图９.２.７（ｃ）按照协议算法将数据从串口读取出来并经由计算机显示。ＶＩＳＡ串口的通信过程前文已经详细说明，不再解释激光初始化程序的具体工作原理。８.顺序结构八上一页下一页返回９.２软件实现通过属性节点的调用使能“退出”“标定”“打印”“测试曲线”这四个按钮，同时禁用“激光初始化”按钮。９.顺序结构九该结构的主体是一个Ｗｈｉｌｅ循环，内嵌五个事件结构，程序框图如图９.２.８（ａ）～（ｅ）所示，五个事件结构依次为超时、打印、标定、测试曲线、退出。显然，“超时”子事件结构包含层叠式顺序结构，“打印”子事件结构调用“ｐｒｉｎｔ.ｖｉ”，“标定”子事件结构调用“标定.ｖｉ”，“测试曲线”子事件结构调用“测试曲线.ｖｉ”，“退出”子事件结构通过双按钮对话框的交会界面实现“退出”或“取消”功能。下面对各个子事件结构做详细说明。上一页下一页返回９.２软件实现１）“超时”事件结构的超时“接线端”接入１０，表示等待１０ｍｓ后触发超时事件，即超时子事件程序运行。该事件包含三个顺序结构，前两个顺序结构的程序框图分别如图９.２.９（ａ）和（ｂ）所示，第三个顺序结构内嵌条件结构，根据条件的不同，程序框图如图９.２.９（ｃ）和（ｄ）所示。第一个子顺序结构显示当前系统时间，并将外设状态通过顺序局部变量传递出去；第二个子顺序结构显示当前设备运行状态；第三个子顺序结构通过“外设”“ＹＥＳ”“ＮＯ”三者的逻辑运算来控制菜单项的设置。２）“打印”上一页下一页返回９.２软件实现通过按下“打印”按钮触发该事件，调用“ｐｒｉｎｔ.ｖｉ”。该子ＶＩ包含三个顺序结构，程序如图９.２.１０（ａ）～（ｄ）所示。其中图９.２.１０（ａ）所示为第一个顺序结构，通过按下“打印”按钮结束Ｗｈｉｌｅ循环，调用相关数组函数，将需要打印的数据合成打印数组；图９.２.１０（ｂ）和（ｃ）为第二个顺序结构，实现打印操作，其大致流程为：新建报表、设置报表页边距、添加报表文本、设置报表字体、报表换行、添加表格至报表、打印报表、处置报表。根据需要打印的数据调用相关打印函数，详细设置如图９.２.１０（ｂ）和（ｃ）所示；图９.２.１０（ｄ）所示为第三个顺序结构，用于打印完成后结束程序。整个打印操作的前面板如图９.２.１０（ｅ）所示。上一页下一页返回９.２软件实现３）“标定”标定是对测径传感器的标定，通过三个标定环的标定值与测试值来确定标定系数。阴线的标定与阳线的标定虽然根据协议提取的数据不同，但标定算法是一样的。这里简单介绍一下标定过程：测径时采用两个传感器对称布置来测量一组阴线或阳线值。设方程Ｙ＝ｄ０＋ｄ１Ｘ１＋ｄ２Ｘ２，ｄ１、ｄ２为传感器的线性输出系数，Ｘ１、Ｘ２为传感器输出响应，ｄ０为传感器初始零状态输出，Ｙ为测试输出值。依据三个标定环的标准值得到三组方程，可以利用矩阵相关算法，具体算法如图９.２.１１（ａ）所示，解算出参数ｄ０、ｄ１与ｄ２，完成标定。上一页下一页返回９.２软件实现阴线与阳线测试值的提取通过条件结构控制，“真”为阴线组，“假”为阳线组。其程序如图９.２.１１（ｂ）和（ｃ）所示。“标定”程序实际上是串口通信与数据处理，其主程序如图９.２.１１（ｄ）和（ｅ）所示，首先将串口数据读取出来并写入缓冲区，使用布尔开关控制条件结构，从而完成对阴线或阳线的测试数据读取，经过矩阵与数组计算得到标定参数ｄ０、ｄ１与ｄ２。接着调用Ｂｉｎａｒｙｓａｖｅｓｙｓ子ＶＩ将标定参数、采集步长、长度等相关数据保存起来。其程序操作流程与Ｂｉｎａｒｙｒｅａｄｓｙｓ子ＶＩ的流程刚好相反，如图９.２.１１（ｆ）所示。整个标定的前面板如图９.２.１１（ｇ）所示。上一页下一页返回９.２软件实现４）“测试曲线”该子程序依据顺序结构进行，依次为：打开通道箱Ｘ１７１５串口ＣＯＭ１、打开测距仪串口ＣＯＭ２、根据协议写入数据、读取数据并根据标定参数解算测试的内径值／测试位置、数据保存、关闭串口并退出程序。程序中多次用到ＶＩＳＡ读取、ＶＩＳＡ写入函数以及各类数组操作函数，由于该“测试曲线”子程序比较复杂，截图不便，这里仅给出程序的前面板（图９.２.１２），有兴趣的读者可以参考书本附的源程序自行阅读。上一页下一页返回９.２软件实现相信有了前面ＶＩＳＡ通信和标定算法说明的基础，理解起来并不会十分困难。５）“退出”通过“退出”按钮触发该事件，使用双按钮对话框实现人机界面交互。上一页返回９.３软件分析与总结本案例的软件由于需要实现外部设备检测、参数设置、激光初始化、标定、测试曲线、打印等功能，程序略显复杂，但是实质上，无非是顺序结构、条件结构、事件结构以及Ｗｈｉｌｅ循环和Ｆｏｒ循环的相互交错使用。串口通信上使用ＶＩＳＡ来实现，可以总结为配置ＶＩＳＡ、读取ＶＩＳＡ、写入ＶＩＳＡ、关闭ＶＩＳＡ这几个主要过程。设计完成后的软件前面板如图９.３.１所示。由于篇幅原因，读者可以通过阅读源程序并对照前文的介绍来熟悉整个软件的思想。返回图９.２.１主程序返回图９.２.２顺序结构一程序框图返回图９.２.２顺序结构一程序框图（续）返回图９.２.３顺序结构二程序框图返回图９.２.４顺序结构三程序框图返回图９.２.５顺序结构四程序框图及参数设置前面板返回图９.２.５顺序结构四程序框图及参数设置前面板（续）返回图９.２.６顺序结构六程序框图返回图９.２.７顺序结构七程序框图及前面板返回图９.２.７顺序结构七程序框图及前面板（续）返回图９.２.８顺序结构九程序框图返回图９.２.８顺序结构九程序框图（续）返回图９.２.８顺序结构九程序框图（续）返回图９