【文章內(nèi)容簡介】 器的輸入裝置 ,并把數(shù)據(jù)提供給 VI 的方框圖 。輸出量被稱為指示器(Indicators),模擬了儀器的輸出裝置 ,并顯示由方框圖獲得或產(chǎn)生的數(shù)據(jù) ?控件和顯示是以各種圖標(biāo)形式出現(xiàn)在前面板上 ,如旋鈕 ?開關(guān) ?按鈕 ?圖表 ?圖形等 ,這使得前面板直觀易懂? LabVIEW 中有兩種類型的數(shù)據(jù)端口 ,其中一類是 控制端口和指示端口 。另一類是 節(jié)點端口 ?控制端口和指示端口用于前面板對象 ,當(dāng) VI 程序運行時 ,控制輸入的數(shù)據(jù)通過控制端傳遞到框圖程序 ,供其中的程序使用 ,產(chǎn)生的輸出數(shù)據(jù) 再 通過指示端口傳輸?shù)角懊姘鍖?yīng)的指示中顯示 ?每個節(jié)點端口都有一個或數(shù)個數(shù)據(jù)端口用于輸入或輸出 ? 用 LabVIEW 編制出的圖形化 VI 是分層次和模塊化的 ,可以將它用于頂層 (Top level)程序 ,也可用作其它程序或子程序的子程序 ?一個虛擬儀器的圖標(biāo)被放置在另一 個虛擬儀 器的流程圖中時 ,它 成了 個子儀器 (SubVI)?SubVI在調(diào)用它的程序中同樣是以一個圖標(biāo)的形式出現(xiàn)的 ?LabVIEW 依附并發(fā)展了模塊化程序設(shè)計的概念 ,用戶可以把一個應(yīng)用題目分解為一系列的子任務(wù) ,每個子任務(wù)還可以進一步分解成許多更低一級的子任務(wù) ,直到把一個復(fù)雜的題目分解為許多子任務(wù)的組合 , 首先設(shè)計 SubVI 完成每個子任務(wù) ,然后將之逐步組合成能夠解決最終問題的 VI? (Front Panel) 前面板是程序與用戶交流的窗口 ,用于設(shè)置各種輸入控制參數(shù)和觀察輸出量 ?前面板的作用相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器的 面板 ,在它上面有用戶輸入和顯示輸出兩類對象 ?具體表現(xiàn)為開關(guān) ?旋鈕 ?撥盤等用戶輸入的控制對象和圖形 ?圖表等顯示對象 ? 如圖 所示的是一個正弦函數(shù)產(chǎn)生和顯示 VI 的前面板 ,上面有一個顯示對象 ,圖形顯示控件 ,以曲線的方式顯示了一個正弦波 ?有兩個控件對象 ,即旋鈕和停止鍵 ,旋鈕用于調(diào)節(jié)產(chǎn)生的正弦波的幅值 ,停止 /啟動按鈕用于啟動和停止程序的運行 ? 圖 (Block Diagram) 每個前面板都有相應(yīng)的程序框圖與之對應(yīng) ?程序框圖是 VI 的圖像化源代碼 ,是實現(xiàn)程序的核心 ,可以把它 想象為傳統(tǒng)儀器機箱中用來實現(xiàn)功能的零部件 ,它可以控制和操縱定義在前面板的輸入和輸出功能 ?程序框圖由節(jié)點 ?端口和連線等要素組成 ?圖 所示的是一個正弦函數(shù)產(chǎn)生和顯示 VI 的程序圖 (與圖 相對應(yīng) )? 圖 波 產(chǎn)生和顯示 的程序框圖 第二章 硬件介紹 硬件是任何一個系統(tǒng)不可缺少的部分 ?本次設(shè)計中涉及到的主要硬件有 :PC 機 ?傳感器 ?DAQ 數(shù)據(jù)采集卡及其 I/O 端口 ? 數(shù)據(jù)采集卡介紹 一個典型的數(shù)據(jù)采集卡的功能 應(yīng) 有模擬輸入 ?模擬輸出 ?數(shù)字 輸入 /輸出端口 ?計數(shù)器 /計時器等 ,而 這些功能分別由相應(yīng)的電路來實現(xiàn) ? 模擬輸 入是采集最基本的功能 ?它一般由放大器 ?采樣保持電路以及 A/D 來實現(xiàn) ,通過這些部分 ,一個模擬信號就可以轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號 ?A/D 的性能和參數(shù)直接影響著模擬輸入的質(zhì)量 ,要根據(jù)實際需要的精度來選擇合適的 A/D? 模擬輸出通常是為采集系統(tǒng)提供激勵 ?輸出信號受數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (D/A)的建立時間 ?轉(zhuǎn)換率 ?分辨率等因素影響 ?建立時間和轉(zhuǎn)換率決定了輸出信號幅值改變的快慢 ?建立時間短 ?轉(zhuǎn)換率高的 D/A可以提供一個較高頻率的信號 ?如果用 D/A的輸出信號去驅(qū)動一個加熱器 ,就不需要使用速度很快的 D/A,因為加熱器本身就不能很快地跟蹤電壓變 化 ?應(yīng)該根據(jù)實際需要選擇 D/A 的參數(shù)指標(biāo) ? 數(shù)字 輸入 /輸出 通常用來控制過程 ?產(chǎn)生測試信號 ?與外設(shè)通信等 ?它的重要參數(shù)包括 :數(shù)字口路數(shù) (line)?接收 (發(fā)送 )率 ?驅(qū)動能力等 ?如果輸出去驅(qū)動電機 ?燈 ?開關(guān)型加熱器等用電器 ,就不必用較高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率 ?路數(shù)要 能同控制對象配合 ,而且需要的電流要小于采集卡所能提供的驅(qū)動電流 ,但 如果 加上合適的數(shù)字信號調(diào)理設(shè)備 ,仍可以用采集卡輸出的低電流的 TTL電平信號去監(jiān)控高電壓 ?大電流的工業(yè)設(shè)備 ?數(shù)字 I/O常見的應(yīng)用是在計算機和外設(shè)如打印機 ?數(shù)據(jù)記錄儀等之間傳送數(shù)據(jù) ? 計數(shù)器包括 三 個重要信號 :門限信號 ?計數(shù)信號 ?輸出 ?門限信號實際上是觸發(fā)信號—— 使計數(shù)器工作或不工作 。計數(shù)信號即信號源 ,它提供了計數(shù)器操作的時間基準(zhǔn) 。輸出 是在輸出線上產(chǎn)生脈沖或方波 ?計數(shù)器最重要的參數(shù)是分辨率和時鐘頻率 ,高分辨率意味著計數(shù)器可以 記載 更多的數(shù) ,時鐘頻率決定了計數(shù)的快慢 ,頻率越高 ,計數(shù)速度就越快? 采集卡在數(shù)據(jù)的采集與處理中應(yīng)滿足下面的 條件 : ,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確 ? ,能實現(xiàn)不同頻率下的采樣 ? ,得出分析結(jié)果 ? 簡單 方便 ,易于控制 ? 本次設(shè)計采用的是 M系列 PCI6221 型數(shù)據(jù)采集卡 ,這是一個基于 PCI 的同步數(shù)據(jù)采集卡 ,它可以充分利用計算機的資源增加測試系統(tǒng)的靈活性和擴展性 ,且用戶可以通過LabVIEW 應(yīng)用程序給驅(qū)動發(fā)送諸如采集 ?顯示和分析等指令 ,為用戶節(jié)省了編寫底層函數(shù)的時間和麻煩 ?它有 16路模擬量輸入通道 ,24個數(shù)字輸入 /輸出端口 ,2個 16位模擬輸出通道 ,兩個 32 位計數(shù)器 ,6 個 DMA 通道 ,且每個功能都有獨立的 DMA 控制器 ?而且 ,M 系列的新技術(shù)能提供更高的性能和更多的端口 ,具有更高的價值 ?NISTC2是專門為 M系列DAQ 設(shè)備設(shè)計的特定用途集成電路 (ASIC ),提高了設(shè)備的輸入 /輸出端口通道數(shù) ,數(shù)據(jù)吞吐率增強了 12 倍 ?NIMCaI 技術(shù)提供線性化和校準(zhǔn)引擎 ,很大程度地提高了整個輸入范圍內(nèi)精度 ? DAQmx 是 NI 公司開發(fā)的測量服務(wù)軟件 ,我們可 以把測量服務(wù)軟件看作是輸入 /輸出驅(qū)動軟件層 ,然而它不僅僅是一個驅(qū)動 ,這個軟件連通了虛擬儀器軟件和硬件 ,用以產(chǎn)生信號幫助測試程序的正確性 ? 此外 ,DAQmx 支持 NI公司的高性能新硬件產(chǎn)品 ,包括 M系列插入式 DAQ 設(shè)備 ,一些最新的 USBDAQ 設(shè)備 ,以及數(shù)以百計的傳統(tǒng) NIDAQ 所支持的 DAQ 設(shè)備 ?以 DAQmx 為兼容對象的產(chǎn)品將是采集 硬件發(fā)展的方向 ,NI 公司 M系列的產(chǎn)品以及以后開發(fā)的數(shù)據(jù)采 集產(chǎn)品都將以支持 DAQmx 為主 ,對于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集 VI 將逐漸被淘汰 ? 基于 DAQ的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不但實用 ,而且具有很高的性價比 ,且 PCI總線傳輸速率高 ,數(shù)據(jù)吞吐量大 ?加上 LabVIEW程序開發(fā)的方便快捷 ?友好的圖形化用戶界面 ,使得用它來開發(fā) DAQ 卡數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用 ,較其它開發(fā)環(huán)境的開發(fā)有著不可比擬的優(yōu)越性 ? 傳感器簡介 檢測技術(shù)是人們認識和改造世界的一種必不可少的重要技術(shù)手段 ,而傳感器是科學(xué)實驗和工業(yè)生產(chǎn)等活動中對信息資源的開發(fā)獲取 ?傳輸與處理的一種重要設(shè) 備 ?傳感器是只能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件和裝置 ?因此 ,傳感器又被稱為敏感元件 ?檢測器件 ?轉(zhuǎn)化器件等 ?如在電子技術(shù)中的熱敏元件 ?磁敏元件 ?光敏元件 。在機械測量中的轉(zhuǎn)矩 ?轉(zhuǎn)速測量裝置 。在超聲波技術(shù)中的壓電式換能器等都可以統(tǒng)稱為傳感器 ? 傳感器的基本功能是檢測信號和進行信號轉(zhuǎn)換 ?傳感器總是處于測試系統(tǒng)的最前端 ,用來獲取檢測信息 ,其性能的好壞直接影響整個測試系統(tǒng) ,對測量精度起著決定性作用 ?通常 ,其輸出量都是電信號 ,方便傳輸 ?轉(zhuǎn)換 ?處理 ?顯示等 ? 傳感器的組成按其定義一般分為敏感元件 ?轉(zhuǎn)換元件 ?信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路三部分 ,有時還需要外加輔助電源提供能量轉(zhuǎn)換 ?其組成如圖 所示 : 敏 感 元 件 轉(zhuǎn) 換 元 件 信 號 調(diào) 理 轉(zhuǎn) 換 電 路輔 助 電 源被 測 量 輸 出 圖 傳感器一般采用兩種方法分類 :一種是按照被測量參數(shù)分類 ,如對溫度 ?濕度 ?壓力 ?位移等的測量 ,相應(yīng)的有溫度傳感器 ?濕度傳感器 ?壓力傳感器 ?位移傳感器等 。另一種是 按傳感器的工作原理分類 ,如按應(yīng)變原理工作式 ?按電容原理工作式 ?按壓點原理工作式等 ,相應(yīng)的有應(yīng)變式傳感器 ?電容式傳感器 ?壓電式傳感器等 ? 傳感器選用是設(shè)計中要考慮的幾個重要問題之一 ,具體的可以從下面幾個方面考慮 : 要進行一次具體測量工作 ,首先要考慮采用何種原理傳感器 ,這需要分析多方面的因素之后才能確定 ?根據(jù)被測量的特點和傳感器的使用條件需要考慮下面的問題 :量程的大小 。被測量位置對傳感器體積的要求 。測量方式為接觸式還是非接觸式 。信號引出方法 ,是有線或是非接觸測量 ?在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器 ,再考慮傳感器具體性能指標(biāo) ? 通常 ,在傳感器的線性范圍內(nèi) ,希望傳感器的靈敏度越高越好 ?因為靈敏度高時 ,與被測量變化對應(yīng) 的輸出信號的值才比較大 ,有利于信號處理 ?但需要注意的是 ,傳感器靈敏度高 ,與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入 ,也會被系統(tǒng)放大 ,影響測量精度 ,因此要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比 ?盡量減少外界引入干擾信號 ? 傳感器線性范圍是指傳感器輸出與輸入成直線關(guān)系的范圍 ,從理論上講 ,在此范圍內(nèi) ,靈敏度保持定值 ?傳感器的線性范圍越寬 ,其量程越大 ,并且能保證一定的測量精度 ?選傳感器的種類以后首先看其量程是否滿足要求 ? 但實際上 ,任何傳感器都不能保證絕對的線性 ,其線性度也是相對的 ?所以在要求測量精度比較低時 ,在一定的范圍內(nèi) ,可將誤差較小的傳感器近似看作是線性的 ? 傳感器使用一段時間后 ,其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性 ?影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身的結(jié)構(gòu)外 ,主要是傳感器的使用環(huán)境 ?因此 ,要使傳感器有良好的 穩(wěn)定性 ,傳感器必須具有較強的環(huán)境適應(yīng)能力 ? 在選擇傳感器之前 ,應(yīng)對其使用的環(huán)境進行調(diào)查 ,并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器 ,或采取適當(dāng)?shù)拇胧?,減少環(huán)境影響 ? 精度是傳感器的一個重要性能指標(biāo) ,它是關(guān)系到整個測量系統(tǒng)精度的一個重要環(huán)節(jié) ?傳感器的精度越高 ,其價格越昂貴 ?因此 ,傳感器的精 度只要滿足整個測量系統(tǒng)的精度要求就可以 ,不必選得過高 ?可以再滿足同意測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器 ? 總之 ,選擇傳感器應(yīng)從其基本原理出發(fā) ,注意被測對象可能產(chǎn)生的負載效應(yīng) ?所選擇的傳感器 ,應(yīng)既能適應(yīng)被測物理量 ,又能滿足量程 ?測量結(jié)果的精度要求 ,同時還有具有可靠性高 ?適用性強 ,性價比高的特點 ? 本次設(shè)計主要是針對監(jiān)測農(nóng)業(yè)溫室的溫濕度 (農(nóng)業(yè)上良種培育需要的條件是 :溫度15~40℃ ,濕度 :40~75RH%),在考慮了上述的因素之后 ,本設(shè)計理論上應(yīng)該選擇 溫濕度 傳感器 HMP231,但由于條件的限制 ,最 終使用 模擬信號 進行了實驗 ? 第三章 基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集與控制 基于 LabVIEW 的數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)采集 ,又稱數(shù)據(jù)獲取 ,是利用一種裝置 ,從系統(tǒng)外部采集數(shù)據(jù)并輸入到系統(tǒng)內(nèi)部的一個接口 ?數(shù)據(jù)采集技術(shù)廣泛引用在各個領(lǐng)域 ?比如攝像頭 ?麥克風(fēng)等 ,都是常見的數(shù)據(jù)采集工具 ? 被采集數(shù)據(jù)是已被轉(zhuǎn)換為電信號的各種物理量 ,如溫度 ?水位 ?風(fēng)速 ?壓力等 ,可以是模擬量 ,也可以是數(shù)字量 ?采集的一般方式是隔一定時間 (稱采樣周期 )對同一點數(shù)據(jù)重復(fù)采集 ?采集的數(shù)據(jù)大多是瞬時值 ,也可是某段時間內(nèi)的一個特征值 ?數(shù)據(jù)采集含義很廣 ,包括對面狀連續(xù)物理量的采集 ?在計算機輔助制圖 ?測圖 ?設(shè)計中 ,對圖形或圖像數(shù)字化過程也可稱為數(shù)據(jù)采集 ,此時被采集的是幾何量 (或包括物理量 ,如灰度 )數(shù)據(jù) ? 在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)快速發(fā)展的今天 ,數(shù)據(jù)采集已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)及分布式領(lǐng)域 ,數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)生了重要的變化 ?首先 ,分布式控制應(yīng)用場合中的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在國內(nèi)外已經(jīng)取得了長足的發(fā)展 ?其次 ,總線兼容型數(shù)據(jù)采集插件的數(shù)量不斷增大 ,與個人計算機兼容的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)量也在增加 ?國內(nèi)外各種數(shù)據(jù)采集機先后問世 ,將數(shù)據(jù)采集帶入了一個全新的時代 ? 數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ) 虛擬儀器系統(tǒng)的典型硬件結(jié)構(gòu)是 :傳感器 ?信號調(diào)理器 ?數(shù)據(jù)采集設(shè)備和計算機 ?虛擬儀器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) ,如圖 : 傳 感 器信 號 調(diào) 理 器