.PAGE.XX大學畢業設計〔論文題目：基于LabVIEW的紅外傳感器的多路數據采集系統設計指導趙紅梅職稱：講師學生__逯靜丹__20092250118專業：電子信息科學與技術院〔系：物理工程學院完成時間：2013.5.242013年5月24日..摘要虛擬儀器是當前測控領域的技術熱點。LabVIEW是目前多數虛擬儀器系統所采用的開發軟件。它是一種圖形化的編程語言。在這種基于圖形化編程語言的開發環境中,LabVIEW可以高效、快速地編寫出相應的應用程序。本設計就是采用LabVIEW平臺,編程實現了數據采集、實時顯示以及數據存儲等功能。本文先對系統結構和LabVIEW虛擬儀器平臺作了簡要概述,并說明了本設計要完成了工作和要解決的問題。在第3節中簡述了串行通信的概念,介紹了LabVIEW中串行通信模塊中的一些功能函數,并解決了串行通信在LabVIEW中是如何實現的問題。在第4節中對本設計中用到的的ModbusASCII協議作了詳細說明,包括ModbusASCII模式、ModbusASCII幀、LRC校驗和的實現等。在第5節中,介紹了數據采集系統的整個框架,包括前面板設計和各個模塊的程序框圖設計步驟。最后對本設計的整個工作過程作了回顧與總結。關鍵詞：虛擬儀器；LabVIEW；數據采集；串行通信；ModbusASCII協議AbstractVirtualinstrumentisnowatechfadinthefieldofmeasurementandcontrol.LabVIEWisadevelopmentsoftwareusedbymostofthevirtualinstrumentsystemcurrently.Itisagraphicalprogramminglanguage.Inthisdevelopmentenvironmentbasedongraphicalprogramminglanguage,wecanprogramthecorrespondingapplicationwithLabVIEWfastandefficiently.Inthepaper,weprogramtoachievethefunctionofdataacquisition,real-timedisplay,anddatastorageusingtheplatformofLabVIEW.ThispaperfirstlygivesabriefoverviewofthestructureofthesystemandLabVIEWvirtualinstrumentplatform,andillustratestheworkwewillcompleteandtheproblemwewillsolve.Inthethirdsection,wedescribetheconceptofserialcommunication,introducesomefunctionsofserialcommunicationmoduleofLabVIEW,andsolvetheproblemhowtorealizetheserialcommunicationinLabVIEW.Inthefourthsection,wemakeadetailedexplanationforModbusASCIIprotocol,includingModbusASCIIpattern,ModbusASCIIframe,andLRCchecksumrealization.Inthefifthsection,weintroducethewholeframeworkofthedataacquisitionsystem,includingthedesignofthefrontpanelandthestepofprogramdiagramdesignofeachmodule.Finallywemakeareviewandsummaryofthewholedesignprocess.Keywords:Virtualinstrument;LabVIEW;Dataacquisition;Serialcommunication;ModbusASCIIcommunicationprotocol目錄摘要IAbstractII目錄III0引言11系統結構簡介22LabVIEW概述32.1圖形化虛擬儀器開發平臺—LabVIEW32.2基于LabVIEW平臺的虛擬儀器程序設計42.3本設計所做的工作53基于LabVIEW的簡單串行通信的實現63.1基本功能函數63.2串口通信步驟及程序框圖64ModbusASCII協議簡介84.1ModbusASCII模式84.2ModbusASCII幀84.3ModbusASCII校驗方式〔LRC校驗94.4ModbusASCII校驗方式在LabVIEW中的實現105數據采集系統設計115.1程序流程圖115.2前面板設計125.3地址搜索125.4濃度采集145.5溫度采集165.6數據保存166本設計的總結及研究意義176.1總結176.2研究意義18致謝19參考文獻20..0引言虛擬儀器<VirtualInstrument>是基于計算機的軟硬件測試平臺,已經在工業控制領域得到廣泛的應用。LabVIEW是由美國國家儀器公司推出的、主要面向計算機測控領域的虛擬儀器軟件開發平臺,是一種基于圖形開發、調試和運行的集成化環境。利用LabVIEW設計多路數據采集系統時,可配置NI公司的數據采集板卡模擬采集多路信號,但是數據采集板卡價格較貴。本設計選用smartGAS紅外氣體傳感器作為前端數據采集系統進行多路數據采集,然后通過RS-485串口通訊將數據傳輸至上位機,在LabVIEW開發平臺下,對各路數據進行處理和實時顯示,從而實現了一種在LabVIEW環境下的單片機多路數據采集系統。1系統結構簡介儀器控制是指通過PC上的軟件遠程控制總線上的一臺或多臺儀器。它比單純的數據采集要復雜得多,它需要將儀器或設備與計算機連接起來協同工作,同時還可以根據需要延伸和拓展儀器的功能。一個完整的儀器控制系統除了包括計算機和儀器外,還必須建立儀器與計算機的通路以及上層應用程序。RS-485接口在總線上是允許連接多達128RS-485接口方便地建立起設備網絡。但是PC上都不帶RS-485的接口,因此在接入電腦前需要通過485-232轉換器或485-USB轉換器才能接入PC。本設計測試時,選用的是485-232轉換器。多路數據采集系統框架如圖1所示。PC機PC機485-232轉換器RS485接口紅外傳感器紅外傳感器···RS485接口···圖1多路數據采集系統框架圖2LabVIEW概述現代技術的進步,特別是以計算機技術為代表的不斷革新的計算機技術,正從各個層面上影響并引導著各行各業的技術革新,基于計算機技術的虛擬儀器系統技術也正以不可逆轉的力量推動著測量控制技術、數據采集和分析等技術的發展。傳統儀器主要由信號采集與控制模塊、分析與處理模塊、以及測量結果的表達與輸出模塊這三大功能模塊組成。傳統儀器的這些功能都是以硬件形式存在的。而虛擬儀器則是將這些功能移植到計算機上完成。相對于傳統儀器,虛擬儀器具有性能高、擴展性強、開發時間少、完美的集成功能等特點。

LabVIEW是一款優秀的虛擬儀器軟件開發平臺。LabVIEW以其直觀、簡便的編程方式,眾多的源碼級設備驅動程序,多種多樣的分析和表達支持功能,可為用戶快捷地構建實際生產中所需要的儀器系統創造有力的基礎條件。其中數據采集與儀器控制是LabVIEW最具競爭力的核心技術。虛擬儀器是當前測控領域的技術熱點,它代表了未來儀器技術的發展方向。虛擬儀器的關鍵技術是軟件,通過虛擬儀器的軟件開發平臺,開發者無需了解過多的儀器專業知識,就可方便、快捷地開發出滿足應用的虛擬儀器。LabVIEW<LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench,實驗室虛擬儀器工程平臺>是目前多數虛擬儀器系統所采用的開發軟件。2.1圖形化虛擬儀器開發平臺—LabVIEWLabVIEW是一種圖形化的編程語言,它廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受,視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協議的硬件及數據采集卡通訊的全部功能。它還內置了便于應用TCP/PI、ActiveX等軟件標準的庫函數,是一個功能強大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器,其圖形化的界面使得編程及使用過程都更加形象化。傳統的文本式編程是一種順序的設計思路,設計者必須寫出執行的語句。而LabVIEW是基于數據流的工作方式,同時是基于圖形化的編程,這使得設計者不必掌握大量的編程語言和程序設計技巧便可設計出虛擬儀器系統。目前,在以PC機為基礎的測試和工控軟件中,LabVIEW的市場普及率僅次于C++/C語言。LabVIEW具有一系列無與倫比的優點：首先,LabVIEW作為圖形化語言編程,采用流程圖式的編程,運用的設備圖標與科學家、工程師們習慣的大部分圖標基本一致,這使得編程過程和思維過程非常相似；同時,LabVIEW提供了豐富的VI庫和儀器面板素材庫,近600種設備的驅動程序<可擴充>如GPIB設備控制、VXI總線控制、串行口設備控制、以及數據分析、顯示和存儲；并且LabVIEW還提供了專門用于程序開發的工具箱,使得用戶能夠設置斷點,調試過程中可以使用數據探針和動態執行程序來觀察數據的傳輸過程,更加便于程序的調試。因此,LabVIEW受到越來越多工程師、科學家的普遍青睞。利用LabVIEW,可產生獨立運行的可執行文件,它是一個真正的32編譯器。像許多通用的軟件一樣,LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、MacintoshOS等多種版本。2.2基于LabVIEW平臺的虛擬儀器程序設計所有的LabVIEW應用程序,即虛擬儀器<VI>,它包括前面板<FrontPanel>、流程圖<BlockDiagram>以及圖標/連結器<Icon/Connector>三部分。〔1前面板：前面板是圖形用戶界面,也就是VI的虛擬儀器面板,這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對象,具體表現有開關、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對象。但并非畫出兩個控件后程序就可以運行,在前面板后還有一個與之對應的流程圖。〔2流程圖：流程圖提供VI的圖形化源程序。在流程圖中對VI編程,以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。流程圖中包括前面板上的控件連線端子,還有一些前面板上沒有,但編程必須有的東西,例如函數、結構和連線等。如果將VI與傳統儀器相比較,那么前面板上的控件對應的就是傳統儀器上的按鈕、顯示屏等控件,而流程圖上的連線端子相當于傳統儀器箱內的硬件電路。在許多情況下,使用VI可以仿真傳統儀器,不僅在屏幕上出現一個惟妙惟肖的標準儀器面板,而且其功能也與傳統標準儀器相差無幾。這種設計思想的優點體現在兩方面：①類似流程圖的設計思想,很容易被工程人員接受和掌握,特別是那些沒有很多程序設計經驗的工程人員。②設計的思路和運行過程清晰而且直觀。如通過使用數據探針、高亮執行調試等多種方法,程序以較慢的速度運行,使沒有執行的代碼顯示灰色,執行后的代碼會高亮顯示,同時在線顯示數據流線上的數據值,完全跟蹤數據流的運行。這為程序的調試和參數的設定帶來諸多的方便。〔3圖標/連接設計：這部分的設計突出體現了虛擬儀器模塊化程序設計的思想。在設計大型自動檢測系統時一步完成一個復雜系統的設計是相當有難度的。而在LabVIEW中提供的圖標/連接工具正是為實現模塊化設計而準備的。設計者可把一個復雜自動檢測系統分為多個子系統,每一個都可完成一定的功能。這樣設計的優點體現在如下幾方面：①把一個復雜自動檢測系統分為多個子系統,程序設計思路清晰,給設計者調試程序帶來了諸多的方便。同時也對于將來系統的維護提供了便利。②一個復雜自動檢測系統分為多個子系統,每一個子系統都是一個完整的功能模塊,這樣把測試功能細節化,便于實現軟件復用,大大節省軟件研發周期,提高系統設計的可靠性。③便于實現"測試集成"和虛擬儀器庫的思想。同時為實現虛擬儀器設計的靈活性提供了前提。2.3本設計所做的工作在基于圖形化編程語言的開發環境中,LabVIEW可以高效、快速地編寫出相應的應用程序,完成諸如數據采集、數據處理、數據顯示以及儀器控制和通信等多種功能。本設計中利用LabVIEW開發平臺,編程實現對接入設備smartGAS紅外氣體傳感器的地址搜索、濃度和溫度采集,并在PC機上實時顯示采集到的數據,并具有數據存儲功能。3基于LabVIEW的簡單串行通信的實現串行通信是指計算機主機與外設之間以及主機系統與主機系統之間數據的串行傳送。使用一條數據線,將數據一位一位地依次傳輸,每一位數據占據一個固定的時間長度。其只需要少數幾條線就可以在系統間交換信息,特別適用于計算機與計算機、計算機與外設之間的遠距離通信。串行通信時,發送和接收到的每一個字符實際上都是一次一位傳送的,每一位為1或者為0。3.1基本功能函數在LabVIEW功能模版的函數>>儀器I/O>>串口程序庫中包含進行串行通信操作的一些功能模塊：〔1VISA配置串口：初始化VISAresourcename指定的串口通訊參數。〔2VISA寫入：將寫入緩沖區中的數據寫入到VISAresourcename指定的設備或接口中。〔3VISA讀取：從VISAresourcename指定的設備或接口中讀取指定數量的字節,并將數據返回至讀取緩沖區。〔4VISA串口字節數：返回指定串口的輸入緩沖區的字節數。〔5VISA關閉：關閉VISAresourcename指定的設備會話句柄或事件對象。3.2串口通信步驟及程序框圖通過對VISA節點的調用,可以方便、快速地實現系統上位機對下位機的實時監控。串口通信程序的實現采用平鋪式順序結構,逐步執行串口的參數設置、發送數據、接收數據、關閉串口等操作。程序框圖如圖2所示。〔1調用VISA配置串口節點完成串口參數的設置,包括串口號、波特率、數據位、停止位、奇偶校驗位等。本文中設置為：波特率2400bps、數據位7、停止位1、偶校驗。〔2在順序結構的第一個框圖中,調用VISA寫入節點將數據發送到指定的串口中。延時200ms,使得下位機能夠有足夠時間作出響應。注意：這個延時時間應根據實際情況而定,不可過長或過短。若延時時間過長,而串口儀器會不停地返回狀態,則會造成串口接收緩沖區堵塞,影響正常通信；若延時時間過短,則串口儀器還未返回準確的狀態字,程序就從串口緩沖區取走字符串,也會造成通信障礙。〔3在順序結構的第二個框圖中,調用VISA讀取節點將數據讀取到緩沖區。其中的VISA串口字節數節點返回串口輸入緩沖區中的字節數。〔4調用VISA關閉節點關閉串口。圖圖2串口通信程序框圖串口通信程序調試的幾點建議：〔1對自己編寫的協議,可以用串口助手來驗證上位機和下位機的程序是否正確。〔2若程序無法通過,首先檢查COM口的設置是否正確。〔3除了串口助手之外,還可以使用一些幫助串口調試的軟件,比如Ser232Mon,該軟件可以監視出入串口的數據。4ModbusASCII協議簡介Modbus通信協議是一種通用工業標準,通過此協議,我們可以快速地實現對不同生產現場的控制設備進行組網,便于集中控制。Modbus可編程控制器之間可相互通訊,也可與不同網絡上的其他設備進行通訊。當在Modbus網絡上進行通訊時,協議能使每一臺控制器知道它本身的設備地址,并識別對它尋址的數據,決定應起作用的類型,取出包含在信息中的數據和資料等,控制器也可組織回答信息,并使用Modbus協議將此信息傳送出去。控制器可使用ASCII或RTU通訊模式,在標準Modbus上通訊。在配置每臺控制器時,用戶須選擇通訊模式以及串行口的通訊參數。在Modbus總線上的所有設備應具有相同的通訊模式和串行通訊參數。本文采用ModbusASCII模式進行通訊。4.1ModbusASCII模式當控制器以ASCII模式在Modbus總線上進行通訊時,一個信息中的每8位字節作為一個ASCII碼〔兩個十六進制字符發送,此模式的主要優點在于允許字符之間的時間間隔長達1s,而不會出現錯誤。ASCII碼每一個字節的格式：編碼系統：十六進制,ASCII字符0-9,A-F,每個ASCII字符由一個十六進制字符組成。數據位：·1位起始位·7位數據位,低位先發送,高位后發送·1位奇偶校驗位〔本文中采用偶校驗·1位停止位錯誤校驗區：縱向冗余校驗4.2ModbusASCII幀在ASCII模式中,以":"冒號〔ASCII3AH表示信息開始,以回車換行鍵〔CRLF〔ASCII0D,0AH表示信息結束。對其它的區,允許發送的字符為十六進制字符0-9,A-F。網絡中設備不斷檢測并接收到一個冒號":"時,每臺設備對地址區解碼,找出要尋址的設備。字符之間的最大時間間隔為1s,若大于1s,則接收設備認為出現了一個錯誤。典型的信息幀如下表1：表1ASCII信息幀開始地址功能數據縱向冗余校驗結束1字符‘:’2字符2字符n字符2字符2字符4.3ModbusASCII校驗方式〔LRC校驗在ASCII模式中,采用縱向冗余校驗方式,即LRC校驗。錯誤校驗碼為一個8位二進制,也就是兩個ASCII字符。計算校驗碼時,只有地址、功能碼、數據位參與運算,開始位":"和結束位CRLF均不參與運算。由發送設備計算LRC校驗碼,然后和該塊數據一起傳送到接收端。接收設備在接收信息時計算LRC碼,并與收到的LRC碼進行比較,若二者不一樣,則說明該數據塊在傳輸過程中產生錯誤。校驗和的具體計算步驟為：〔1將設備地址、功能碼、數據位的每個ASCII字符用十進制表示出來,并將它們相加起來。轉換表如下表2所示。〔2將上一步所得結果對256求余。〔3用255減去上一步所得結果,再加1,結果用十六進制表示。表2ASCII轉換表ASCII0123456789ABCDEFHex30313233343536373839414243444546Dec.484950515253545556576566676869704.4ModbusASCII校驗方式在LabVIEW中的實現具體實現方法為：先放置for循環結構,然后添加移位寄存器。順次截取輸入字符串中的一個字符,將該ASCII字符用十進制表示出來,并逐個相加。所得結果再對256求余。用255減去前面所得結果后加1,將所得數值用兩位十六進制表示出來即為校驗和。程序框圖如下圖3所示。圖3LRC校驗和程序框圖5數據采集系統設計5.1程序流程圖本文所設計的數據采集系統包括地址搜索、濃度采集、溫度采集、數據存儲等功能。程序流程圖如下圖4所示。YNY搜到指定數量的地址？YNY搜到指定數量的地址？循環讀搜到的設備的濃度循環讀搜到的設備的溫度結束開始參數設置搜索地址停止？提示出錯并檢查線路連接N圖圖4整體程序流程框圖5.2前面板設計前面板上分三個區,顯示控件區、參數設置區以及開關按鈕區。在顯示控件區里,共有三組顯示控件,每一組有10個,分別為地址顯示控件、濃度顯示控件和溫度顯示控件。最多可以顯示10個傳感器的有關數據。參數設置區里,均為輸入控件。程序運行前,需先設置好參數,包括端口號、所連接的設備個數、要搜索的起始地址和終止地址等。在開關按鈕區,有校準按鈕、數據保存按鈕以及停止按鈕。數據采集系統前面板如下圖5所示。圖5數據采集系統前面板5.3地址搜索先設置搜索的初始地址和結束地址,然后用while循環在此區間內挨個搜索,發出地址搜索指令后,有回復的設備即為搜到的設備。每一次循環中,先計算LRC校驗和,然后按表1所示信息幀格式將指令發送到指定串口,等待200ms,讀取設備響應的數據,將地址分離出來,用索引數組顯示。采用索引數組時,若設備有響應,則顯示此設備地址；若設備無響應,則為空字符串。地址搜索程序框圖如下圖6所示。ab圖6地址搜索程序框圖將索引數組中的空字符串過濾掉,得到地址數組。若搜到的設備數量〔地址數組大小與指定的設備數量不相等,則結束程序；若相等,則將搜到的地址依次顯示在不同的顯示控件中。數組過濾與地址顯示程序框圖如下圖7所示。圖7數組過濾與地址顯示程序框圖圖7數組過濾與地址顯示程序框圖5.4濃度采集整體結構采用for循環結構實現。將地址數組連接至for循環中的地址輸入端,啟用索引。計算讀取濃度指令的校驗和,將讀取濃度的指令按表1所示格式發送到指定串口,等待200ms,讀取設備回復的數據。計算其校驗和,與讀取到的校驗和相比較,若不同,則重新發送；若相同,則從此信息幀中分離出濃度數據,并用十進制顯示在相應顯示控件中。流程框圖如下圖8所示。向串口發送指令向串口發送指令:Addr.03000A0001LRCCRLF開始計算LRC等待200ms讀取設備回復的數據讀取的校驗和=計算所得校驗和？分離出濃度數據并顯示指定數量的設備的濃度全部讀取？結束NYYN圖8濃度采集程序流程框圖5.5溫度采集采集濃度和采集溫度的程序采用平鋪式順序結構實現。在順序結構的一個框圖中為濃度采集的程序,在順序結構第二個框圖中為溫度采集的程序。溫度采集和濃度采集的程序基本相同。不同點僅在于：〔1若地址為01時,濃度采集程序的發送指令為":0103000A0001+校驗和+〔回車換行"；而溫度采集程序中,只需把000A換成0003即可,即發送指令為""。〔2溫度采集時,分離出的溫度數據轉換為十進制后,需再除以10。5.6數據保存檢測文件夾"數據采集系統"是否存在,若存在,則在此文件夾下創建新路徑；若不存在,則先創建文件夾"數據采集系統",然后再在此文件夾下創建路徑。先將傳感器編號寫入電子表格文件,當按下數據保存按鈕時,各個傳感器當前顯示的濃度和溫度均保存在該電子表格文件中。如下圖9所示。圖9數據保存程序框圖6本設計的總結及研究意義6.1總結本設計在研究虛假儀器技術以及軟件開發技術的基礎上,使用虛擬儀器技術實現了基于LabVIEW的紅外傳感器的數據采集系統的設計。通過測試,該設計方案可以方便、快捷地進行數據采集,并且具有實時顯示以及數據保存等功能。若有需要,亦可以很方便地實現儀器校準等功能。本設計的前期工作主要是對虛擬儀器的了解和對LabVIEW的學習。LabVIEW是一種程序開發環境,由美國國家儀器公司研制開發的,類似于C和BASIC開發環境,但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼,而LabVIEW使用的是圖形化的編輯語言G編寫程序,產生的程序是框圖的形式。從學習過程中也能看到這一點,利用框圖來編程序即形象又容易記憶,當熟悉各個框圖在什么地方時,編一個程序就變得容易很多了。然后再看參考書上的例子,從簡單到復雜,會越來越熟練。從編寫簡單的串口通信到用特定的協議編寫程序,慢慢領會到了一些結構比如while循環結構、for循環結構、平鋪順序結構、事件結構等的巧妙用法,并積累了自己的經驗。本設計大部分工作是程序的編寫,所涉及的硬件部分都有現成的。但是對硬件的了解也是必需要做的工作。包括對紅外傳感測試平臺、RS232接口以及RS485接口的了解。此外,了解Modbus協議也是必需要做的工作。在設計過程中,先設計各個子程序,測試其功能后再設計其他的子程序。在最后設計整個系統時,考慮了很多框架,比如平鋪順序結構,事件結構等。實際的主程序框架為多種結構的混合。網絡技術的飛速發展和遠程測試的需要,驅動虛擬儀器網絡化方向發展。以PC機或工作站為平臺,運用虛擬儀器技術構成實用的測