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基于虚拟仪器的电子秤的设计
平顶山学院
虚拟仪器技术
考试论文报告
论文题目:
基于虚拟仪器的电子称设计
学生姓名:
狄源辉
学生学号:
101130137
所在班级:
(1)
所学专业:
测控技术与仪器
总评成绩:
基于虚拟仪器的电子称设计
摘要:
本文的主题是“基于虚拟仪器的电子称设计”,基于labview7.1express平台编程设计的。
主要阐述了硬件电路构成,软件设计的思想和具体实现,系统应用虚拟仪器进行数据采集、处理和显示,从而实现电子称的设计功能,它具有测量精度高、界面友好、运行稳定可靠、功能便于扩展。
且本论文对上述的功能模块逐一进行了分析,并进行了整个测试系统的程序调试与研究。
关键词:
电子称,虚拟仪器,数据采集,处理及显示
1设计的目的
随着人们对电子称测量数据的精确要求越来越高,电子称已成为现实生活中不可缺少的称重仪,即电子称是各行业对物料进行计量或工矿业在生产过程中对物料重量进行各种控制的新一代重量计量器具。
作为重量测量仪器,虚拟仪器电子秤在各行各业中开始显现其测量精度高[1],测量速度快,操作简单易学,可以实时监控的巨大优点,使其已经开始逐渐取代传统型的机械杠杆测量称,成为测重领域的主流产品.结合压力传感器技术[2]、数据采集技术和虚拟仪器技术开发设计了一种基于LabVIEW的虚拟仪器电子秤,该系统采用普通Pc机为主机,利用图形化可视测试软件LabVIEW为软件开发平台,将被测重量转换处理进行数据采集,实时进行处理、显示.设备成本低,使用方便灵活,适用于工厂企业和教学。
选择labview软件是因为LabVIEW是美国NationalInstruments(简称NI)公司推出的一个图形化软件开发环境[3],它是一个通用的软件开发平台,其最大优势在于测控系统的开发。
它不仅提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现代的高级信号分析工具,而且LabVIEW程序还很容易和各种数据采集硬件集成,可以和多种主流的工业现场总线通信以及与大多数通用标准的实时数据库链接。
这种编程方式强调信号处理的实际过程,编程简单,调试方便。
2虚拟仪器的背景
由于电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用,新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域及新的仪器结构不断出现,许多方面已经突破传统的仪器概念,电子测量仪器的功能和结构己经发生了质的变化。
在这种背景下,八十年代末美国率先研制了虚拟仪器(VirtualInstruments)。
虚拟仪器就是利用现有的计算机加上特殊设计的仪器硬件和专用软件,形成既有普通仪器的基本功能,又有一般仪器没有的特殊功能的高档、低价的新型仪器[4]。
虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境和在线帮助功能,建立虚拟仪器面板,完成对仪器的控制、数据分析与显示。
代替传统仪器,改变了传统仪器的使用方式,提高仪器的功能和使用效率,同时大大降低了仪器的价格,使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。
用于虚拟仪器的开发环境目前有两大类:
一是文本式的编程语言,如VisualBasic,VisualC++、LabWindow/CVI等,另一类是图形化编程语言,具有代表性的有LabVIEW,HPVEE。
其中影响最大的要数LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench,实验室虚拟仪器工程平台)语言,被称为“仪器仪表界面”,是专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的开发软件[5]。
3国内外发展状况及前景
早在八十年代,随着NI旗航产品LabVIEW的诞生,NI就提出“软件就是仪器的口号”,开辟了“虚拟仪器技术”的崭新测量概念。
从九十年代开始,国内一些大学在实验教学领域相继开展了虚拟仪器系统的研究与开发工作。
目前,我国部分高校还正在开展虚拟仪器的研究工作,重点在于研制具有自主知识产权的虚拟仪器软件平台,并开发响应的虚拟仪器设备。
2003年10月和2004年1月NI分别联合吉林大学和华中科技大学创建LabVIEW实验室;2004年12月清华大学与美国国家仪器公司在精密仪器和机械系新建虚拟仪器联合教学实验室。
LabVIEW作为一种模块化、图形化程序设计工具具有图形化程序设计编程简单、直观、开发效率高、测试系统开发完整等优点。
在国内外,航天、航空、通信、汽车、半导体、自动控制和生物医学等世界范围的众多领域内得到广泛应用使得非专业人员进行虚拟仪器开发变得容易[6]。
4.电子称系统软件设计
4.1用户界面设计
4.1.1程序前面板修饰
美观的界面设计是labview的一大亮点。
作为一种基于图形模式的编程语言,labview在图形界面的设计上有着得天独厚的优势,可以设计出漂亮、大方、而且方便、易用的程序界面(即程序的前面板)。
为了更好的进行前面板的设计,labview提供了丰富的修饰前面板的方法以及专门用于装饰前面板分控件。
(1)设置前面板对象的颜色以及文字风格:
“设置颜色”对话框与字体对话框如图2-1所示
图2-1“设置颜色”与字体对话框
运用这两个设置可以轻松的编辑画面的颜色与字体。
(2)设置多个对象的位置关系和大小:
这里可以应用的工具如图2-2所示
图2-2对象的位置关系和大小的设置工具
(3)用修饰控件装饰:
用于修饰前面板的控件位于控件模板中的Decoration(修饰子模块)中,包括一系列线、箭头、方形、圆形、三角形等形状的修饰模块,这些模块如同一些搭建美观的程序界面的积木,合理组织、搭配这些模块可以构造出绚丽的程序界面。
Decoration模块如图2-3
图2-3Decoration模块
结合以上的三点就可以轻松的做出各种美观的界面了。
4.1.2系统用户界面设计图
用户界面(前面板)是虚拟仪器的重要组成部分,仪器参数的设置、测试结果显示等功能都是通过软件实现,因此要求软件界面简单直接,便于使用.前面板主要由输人控制器(contro1)和输出指示器(indicate)组成。
可通过控制模板和工具模板创建.本系统设汁的用户界面主要包括将测量的重量用指针和数值
显示面板,系统校准和标定(有0g和20g2个标定系统)和控制按钮.如图2-4所示
图2-4系统用户界面(前面板)
4.2框图程序设计
框图程序相当于程序的源代码,只有创建了框图程序后,该程序才能真正运行.其设计主要是对节点、数据端口和连线的设计_4J.本系统采用模块化设计,可将不同测量内容设计成单独的功能模块.各子模块分别完成一定的功能,在主界面程序或其它的子程序中调用.各功能模块间的独立性较强,一般都可单独调试、修改和移植.所以整个系统软件层次清晰、易于理解、便于修改、利于开发新功能.
4.2.1主控模块
主控模块主要完成对系统的初始化、参数的设定、启动/释放数据采集卡、数据处理等功能(见图2-5)
图2-5主控模块设计流程
程序运行过程分析:
(1)为了拥有对该设备的控制权在使用设备的一切功能前,我们必须用CreateDevice函数创建一个设备对象句柄hDevice,如下图函数
我们只需要对这个pADPara参数结构体的各个成员简单赋值即可实现所有硬件参数和设备状态的初始化,
2)初始化AD部件:
功能:
它负责初始化设备对象中的AD部件,为设备操作就绪有关工作,如预置AD采集通道,采样频率等,然后启动AD设备开始AD采集,随后,我们便可以连续调用ReadDeviceAD读取USB设备上的AD数据以实现连续采集。
注意:
每次在InitDeviceAD之后所采集的所有数据,其第一个点是无效的,必须丢掉,有效数据从第二个点开始
返回值:
如果初始化设备对象成功,则返回TRUE,且AD便被启动。
否则返回FALSE,用户可用GetLastError捕
3)数据处理利用求取的平均值乘以校准时求得b的数值得到的电压值再加上a的在校准时得到的数值就实现了称重数据的读取
4)根据while循环变量是否为真来判断是否结束程序,如果为真继续执行,如果为假则推出程序。
5)释放设备
功能:
释放设备对象所占用的系统资源及设备对象自身。
返回值:
若成功,则返回TRUE,否则返回FALSE,用户可以用GetLastError捕获错误码。
应注意的是,CreateDevice必须和ReleaseDevice函数一一对应,即当您执行了一次CreateDevice,再一次执行这些函数前,必须执行一次ReleaseDevice函数,以释放由CreateDevice占用的系统软硬件资源,如系统内存等。
只有这样,当您再次调用CreateDevice函数时,那些软硬件资源才可被再次使用。
4.2.2数据采集模块
LabVIEW的数据采集(DataAcquisition)程序库包括了许多NI公司数据采集(DAQ)卡的驱动控制程序。
通常,一块卡可以完成多种功能-模/数转换,数/模转换,数字量输入/输出,以及计数器/定时器操作等。
用户在使用之前必须DAQ卡的硬件进行配置。
这些控制程序用到了许多低层的DAQ驱动程序。
本课程需要一块安装好的DAQ卡以及LabVIEW开发系统。
本次设计中数据采集模块主要完成模拟量与数字量的相互转换,实现数据的采集测量;
图2-6
图中
数组为初始化数组,
为初始值0,每次执行完后按下按钮数组自动恢复初始值,并依次循环,直到程序结束,
表示数组长度为了提高读取速率,根据特定要求,其长度必须指定为32字的整数倍长,如32、64、128……8192等字长,否则,USB设备对象将失败该读操作。
为创建一个ID设备对象句柄,并返回设备对象句柄;
函数可以使用创建句柄以初始化设备的AD部件并启动AD设备;
参数:
创建了设备对象句柄后,便可用
函数初始化AD部件,关于采样通道、频率等的参数的设置都是由这个函数的参数结构体决定的,对这个参数结构体的各个成员简单赋值0,2,2。
即可实现所有硬件参数和设备状态的初始化,然后这个函数启动AD设备
反复读取AD数据以实现连续不间断采样。
(注:
虽然主要面对批量读取,高速连续采集而设计,但亦可用它以少量点如32个点读取AD数据,以满足慢速采集需要
由于参数需要的是返回值,所以需要实现对AD设备的关闭;
关闭AD设备后,
便可得到相应的数据(但设备对象句柄依然存在)。
数组:
要使用这个数组,根据LabView的特点,应分配一个16字节的内存单元,每一个字节的内存单元对应相应位置上的开关量输入状态。
要使用这些状态,根据得到DI数据,将存放实际的当前开关量状态的内存单元用IndexArray数组操作控件将其每一路开关量状态分离出来,即可确定每一路开关输入状态。
详见开关量输入输出LabView演示部分。
数组的功能主要实现对
数组内容的替换,将得到的电压值输出从而实现对数据的采集;
校准标定模块
校准标定模块主要是对系统进行校准和标定模块如下:
图2-7
图中
为while循环结构,i为循环变量,右下端则为条件端子;
图2-8
如上图
用0克砝码,既无法码放入时,软件认定为0克进行校准,即U0=0g;
为分支结构图:
Case,其中?
表示条件端子,False表示子程序标识,当按下0克砝码按钮时,子程序标识为Ture,代表真说明校准成功;
图2-9
如上图
用20克砝码来标定系统时程序进行前的条件端子,即U20=20g;
为分支结构图:
Case,其中?
表示条件端子,False表示子程序标识,当按下2O克砝码按钮时,,子程序表示为Ture,代表真说明校准成功;
如上图
为延时计时器,且延时时间为2秒;
图2-10
如上图
校准是程序性进行前的条件端子;
为20克;
是
的一个局部变量;
是
的一个局部变量
为b的输出值
为a的输出值根据流程图和程序代码,我们对校准标定模块进行如下分析:
将标定数值20克除以两个局部变量的电压差即U20减去UO得到数值b,表达式为20/(20-0)=1g;0减去
乘以b的值得到数值a,表达式为0-U0*b=a;根据经验方程:
m=b*f+a得a=145g
数据处理模块
图2-10
的功能主要对采集数据输出的电压值求取平均数;
的局部变量
;
的局部变量
数组实现的是元素的输出;
和
是数据采集输出的两种方式其实现功能是用所得平均值乘以变量b值将得到的电压值加上变量a值,从而实现数据的输出。
当按下
时表示while循环结束;
把以上的各个加以模块综合就可以得到Labview完整的电子称设计流程图如下:
5程序的调试
一切就绪后,切换至前面板进行程序的调试了。
调试效果如图3-2
总结
本设计是基于虚拟仪器的电子称设计系统的软件设计部分,与硬件设计部分结合成一个整体。
在进行具体的软件设计之前,先学习了一些相关的知识,如完整的测试装置系统结构和运作原理以及软件设计所用的编程软件labview等。
有了这些必要的基础知识后,根据实际要求,先将整个软件系统模块化,按照不同功能划分为四大基本模块:
主控模块、数据采集模块、校准标定模块和仪器功能模块,然后对各个模块进行了具体的分析与设计,设计完成了各个模块的软件编程后,再将它们和协的组合成一个完整的程序就基本实现了本设计的内容。
在每个功能模块的设计过程中,都遇到了不少的难题,但在老师和同学的细心指导帮助下,将难题逐一解决了。
在每个功能模块设计完成后,将它们组合在一个主程序中,并对程序进行了一些必要的处理,如采集数据的滤波,增强程序的抗干扰能力等,最终基本实现了完整的程序系统设计。
本软件系统尚没有在真正的测试装置中进行调试,但在用稳压电源模拟压力传感器输出电压的调试中已经基本上实现了各功能测试,均表现良好,相信对电子称用压力传感器的性能测试有一定的应用价值,对生产、生活有着十分重要的现实意义。
参考文献
[1]童刚,樊凤英等,虚拟仪器实用编程技术--北京:
机械工业出版社,2008.1
[2]郁有文,常建.传感器原理及工程应用--西安:
西安电子科技大学出版社,2008.7
[3]雷勇编.虚拟仪器设计与实践[M].北京:
电子工业出版社,2009.
[4]高迎慧.基于LabVIEW和神经网络的压力传感器温度补偿系统[J].仪器仪表用户,2009.33—35
[5]杨乐平等.虚拟仪器技术概论[M].电子工业出版社.2007.3
[6]黄贤武,郑晓霞.传感器原理与应用[M].成都:
电子称科技大学出版社,2009
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