基于LabVIEW的温度采集系统设计.docx
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基于LabVIEW的温度采集系统设计
宁德师范学院
毕业设计(论文)
基于LabVIEW的温度采集
系统设计
院系:
物理与电气工程系
专业(班级):
电气工程及其自动化
姓名:
学号:
指导教师:
职称:
讲师
完成日期:
2015年5月
摘要
本论文按照软件工程的科学方法描述了温度采集系统的开发过程,以研究数据采集技术为目的,利用图形化编程工具LabVIEW编写了温度采集系统。
该系统中具体实现了用户登录,数据采集,数据存储与波形回放等功能.论文首先阐述了虚拟仪器的现状与发展前景,并与传统仪器对比,凸显它的优势,简述了数据采集系统的基本概念,还提出温度采集系统的设计要求。
主要从软件方面提出采集系统的设计方案,叙述了温度采集系统的核心模块、程序框图和人机交互界面。
最后对采集系统进行评估分析,提出一些可以改进完善的建议并对全文进行总结。
关键词:
虚拟仪器;LabVIEW;数据采集
Abstract
Inthispaper,accordingtothescientificmethodofsoftwareengineeringdescribesthedevelopmentprocessofthetemperatureacquisitionsystem,tostudythetechnologyofdataacquisitionforthepurposeofusingLabVIEWgraphicalprogrammingtoolsandwritethetemperatureacquisitionsystem.Thissystemrealizestheuserlogin,dataacquisition,datastorageandwaveformplayback.First,thisthesisintroducesthecurrentsituationanddevelopmentprospectofvirtualinstrument,andcomparedwithtraditionalinstrument,highlightingitsadvantages,andbrieflyintroducesthebasicconceptofthedataacquisitionsystem,thispaperputsforwardthetemperatureacquisitionsystemdesignrequirements。
Mainlyfromtheaspectofsoftwareproposedacquisitionsystemdesign,thecoremoduleofthetemperatureacquisitionsystem,diagramofprogramandman-machineinterfaceisdescribed。
Attheendoftheacquisitionsystemanalysisandevaluation,putforwardsomesuggestionsandsummary。
Keywords:
virtualinstrument;LabVIEW;dataacquisition
基于LabVIEW的温度采集系统设计
1引言
1.1测控技术现状与前景
测控技术在当代的科学技术诸多领域中都应用十分广泛,它的发展被认为是科学技术现代化的重要条件和明显标志.在曾经的工业现场,多种数据都是采用人工读数和记录,对大量的数据的实时采集和分析非常困难,几乎无法满足要求。
随着科学技术的发展,在国防、通信、航空、制造等科技领域,要求测试和处理的信息数据量越来越大、而速度要求也越来越快.另一方面,现代计算机技术和电子技术的快速崛起,配合高精度、高性能的数据采集仪器的推广应用,使得数据采集实现了高度的人工智能化,大批量数据实时采集和分析都可以让计算机同步进行,极大程度上提高了测量精度和测量速度.紧随着测控技术的不断迭代更新和突破,之后衍生了PC仪器、智能仪器以及虚拟仪器等自动测控系统,与此同时软件系统成为了计算机系统的重中之重.虚拟仪器LabVIEW程序就是计算机处理分析系统软件之一,它采用浅显易懂的图形化编程令用户更好的学习和应用,这也是使其成为普及率仅次于C++的编程语言的原因[1].
1.2虚拟仪器与传统仪器的对比
虚拟仪器在计算机硬件模块和电子测试仪器基础上构成的,而软件部分才是虚拟仪器的核心.
虚拟仪器技术具有四大优势:
1)性能高效:
虚拟仪器开发的是在计算机技术的基础上的,它的优势也继承于最新的商业现成的,现成的计算机技术的高效的性能优势,LED显示技术,高效的处理器和快速的文件处理能力,使用户进行复杂的分析,可以实时,而在高速的数据导入磁盘。
此外,互联网的快速成长,也使得虚拟仪器技术不断的进步发展,它的高效性也逐渐的得以体现。
2)可扩展性高:
可扩展性高的硬件和软件,使人们不在局限于当前的采集技术。
虚拟仪器的高灵活性,使得人们只需要更新计算机或测量硬件设备,可以将硬件升级成本降低到最小,不需要软件升级也可以提高用户的整个系统.当市场上产生了最新的测量技术并带来新型的硬件设备,用户只需要将最新的硬件替换老旧的设备,从而来更新仪器,达到升级和更新成本最小化的目的。
3)减少开发时间:
NI高效的软件结构,结合最新的计算机,仪器仪表和通信技术。
在驱动程序和应用两个层面上这一软件架构的设计,用来让用户的操作更加的简便,加上强大的功能和软件硬件搭配的灵活性,使得用户能够很轻松的自定义构建和维护一个多功能的测量仪器。
4)无缝集成技术:
虚拟仪器技术本质上是一个集成了多种硬件和分析软件的一个虚拟的仪器。
传统的测量仪器要实现更复杂的功能,以往需要多个特殊定制的测量仪器,才能满足测试要求,而将这些不同的设备连接起来使用需要花费大量的时间。
而虚拟仪器就可以完全避免浪费这些时间,虚拟仪器软件平台提供一个标准的接口,各种各样的测量硬件设备只需要接入在这个接口上,就可以轻松的整合到一个系统,实现了一个系统集成多个测量设备,提高了仪器的多样性,能够在复杂的需求中更好的完成自己的工作[2]。
虚拟仪器在计算机硬件模块和电子测试仪器基础上构成的,而软件部分才是虚拟仪器的核心。
图1-1是传统仪器与虚拟仪器的比较。
图1—1传统仪器与虚拟仪器的比较
1.3本设计的项目要求
要求和说明主要有以下几点:
1)具有登录界面:
登录失败禁止进入系统,登录成功后显示系统时间和上次登录时间。
包括管理员和普通用户2种权限,其中管理员可以对所有人员进行操作,普通用户只可以更改用户名和密码。
2)以波形记录实时数据,具有存储功能,保存内容包括用户名、采样时长、具体数值和波形图等。
3)数据回放功能,打开历史数据,显示历史记录波形和数值索引。
4)系统的使用帮助,退出按钮等.
2数据采集系统的概念
2.1数据采集系统的目标
数据采集系统的目标,就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号,然后传给计算机进行相应的处理,得出所需的数据。
与此同时,将得到的数据进行显示或打印,以便实现对某些物理量的检测和监视,其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量[3]。
数据采集系统性能的优劣,主要取决于它的精度和速度,采集精度高、速度快则优。
2。
2输入信号的类型
在数据采集应用领域,常将被测信号分为数字信号和模拟信号(也称连续时间信号)。
数字(二进制)信号分为开关信号或脉冲信号.模拟信号可分为直流、时域和频域信号,如图2-1所示。
图2-1信号的种类
1)数字信号
第一类数字信号是开关信号(On-Off),如图所示.一个开关信号运载的信息与信号的瞬间状态有关。
TTL电平信号就是一个开关信号,一个TTL电平信号如果在2.0V~5.0V之间,就定义它为逻辑高电平,如果在0~0.8V之间,就定义为逻辑低电平。
第二类数字信号是脉冲信号。
这种信号包括一系列的状态转换,信息就包含在状态转化发生的数目、转换速率、一个转换间隔或多个转换间隔的时间里.
2)模拟信号
模拟直流信号(DC)是静止的或变化非常缓慢的模拟信号。
直流信号最重要的信息是它在给定区间内运载的信息的幅度。
常见的直流信号有温度、流速、压力、应变等.采集系统在采集模拟直流信号时,需要有足够的精度以正确测量信号电平.
模拟频域信号与时域信号类似,但从频域信号中提取的信息是信号的频域内容,而不是波形的形状,也不是随时间变化的特性。
用于测量一个频域信号的系统必须有必要的分析功能,用于从信号中提取频域信息。
模拟频域信号也很多,比如声音信号、地球物理信号、传输信号等。
现实中的信号并不是互相排斥的,一个信号可能运载有不只一种信息,可以用几种方式来定义信号并测量它,用不同类型的系统来测量同一个信号,从信号中取出需要的各种信息。
模拟时域信号运载的信息不仅有信号的电平,还有电平随时间的变化。
在测量一个时域信号或者说是波形时,需要关注波形形状的特性,如斜度、峰值等。
为了测量一个时域信号,必须有一个精确的时间序列,间隔也要合适,以保证信号的有用部分被采集到。
现实中存在许多不同的时域信号,比如心脏跳动信号、视频信号等,测量它们通常是因为对波形的某些方面的特性研究[4]。
2.3数据采集模块
对计算机进行总线扩展以便将其用于实验室研究、工业控制、测试和测量、这些都要用到基于计算机的数据采集技术.一个数据采集系统的基本任务是测量和产生现实世界的物理信号。
数据采集,是指将外界的各种模拟和数字被测设备单元中的非电量或者电量信号经过传感器转换成为电信号后,然后进行自动采集,最后将采集到的数据传输至上位机中进行分析和处理。
数据采集包括传感器信号转换、信号采集、信号传输、信号处理和显示四个过程。
其中信号采集是其中最为核心的一部分.在模拟电子技术当中,一个在连续时间上不间断变化的模拟信号通过一系列的处理之后,转化成为与源信号相对应、具有相同特征性的的数字信号,这整个转换过程,一般称之为A/D(模拟-数字)转换过程。
如果将整个过程反过来进行逆转换则被称为D/A(数字-模拟)转换过程。
在数字信号处理领域,这些都是非常必要,而且是一个相当重要的过程[5]。
数字信号处理系统如图2—2所示。
图2-2数字信号的处理系统
2.4采集卡硬件简介
模拟信号在电脑无法直接识别,它不知道多大的模拟信号代表的是什么温度,这个时候就需要采集卡,它所做的就是将电脑不识别的信号转换为电脑可识别的信号,实际上,就是一个A/D转换器。
本设计所选用的USB采集卡,是一款基于ST(意法半导体)公司STM32系列处理器全功能评估开发板。
该STM32开发板具备丰富的硬件和软件资源,抗干扰强,内置过流过压保护。
它可以作为简单的USB采集板,可连接本设计所需要的传感器:
DS18B20数字温度传感器。
多种开发板供电方式.温度采集设计是采用USB连接线供电,内置500mA自恢复保险丝,有效保护用户USB接口和开发板的硬件。
2.5传感器简介
传感器是跟外界沟通的渠道,它把外界的各种物理信息如光、压力、温度、声音等物理信号转换为电信号。
因为只有将这些信息转换为电信号之后,才有被采集的可能。
传感器的任务就是把温度数值转换为模拟的电信号。
本设计所使用的传感器,直接采集需要的信息,不需要复杂的信号调理部分,故在设计中没有特别描述。
DS18B20是数字温度传感器,具有3引脚TO-92小体积封装形式,温度测量范围为:
-55℃~+125℃,可
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