基于labview的电子称系统.docx

基于labview的电子称系统工程应用软件课程设计 基于labview的电子称系统 1虚拟仪器介绍 用labview开发出的应用程序被称为VI(virtual instrument,即虚拟仪器)。VI是由图标、连线以及框图构成的应用程序，由front panel(前面板)和block diagram(两部分构成)。前面板是应用程序的界面，是人机交互的窗口，主要由controls和indicators构成。后面板是VI的代码部分，也是VI的核心。后面板主要由图标、连线和框图构成，这些图标、连线和框图实际上是一些常量、变量、函数、Vis，正是它们构成了VI的主体。 在LabVIEW的用户界面上，应特别注意它提供的操作模板，包括工具模板、控制模板和函数模板。这些模板集中反映了该软件的功能与特征。 工具模板 1 工程应用软件课程设计 该模板提供了各种用于创建、修改和调试VI程序的工具。如果该模板没有出现，则可以在Windows菜单下选择Show Tools Palette命令以显示该模板。当从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。当从Windows菜单下选择了Show Help Window功能后，把工具模板内选定的任一种工具光标放在流程图程序的子程序或图标上，就会显示相应的帮助信息。 控制模板 该模板用来给前面板设置各种所需的输出显示对象和输入控制对象。每个图标代表一类子模板。如果控制模板不显示，可以用Windows菜单的Show Controls Palette功能打开它，也可以在前面板的空白处，点击鼠标右键，以弹出控制模板。 功能模板(Functions Palette) 只有打开了流程图程序窗口，才能出现功能模板。该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。若功能模板不出现，则可以用Windows菜单下的Show Functions Palette功能打开它，也可以在流程图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出功能模板。 2 电子称系统的硬件部分简述 2.1.1 信号调理电路 电阻的变化可通过电桥电路转换为相应的电压信号，因此电压信号与压力(被测质量)近似成线性关系， 由于电桥输出信号较小且会受到外界信号的干扰，因此在电桥输出后需加上放大2 工程应用软件课程设计 电路和抗干扰电路具体硬件电路如图1-2： 图1-2硬件电路图 当压力传感器上压力变化时，其电阻也相应发生线性变化，从而压力桥式测量电路输出端电压发生变 化 ，该变化电压通过连接器J2 进入由LM324 的U8B、U8C、U8D 组成的差动放大电路进行一级放大，再经过LM324 的U8A 进行二级放大后在 CH2端输出一个与压力成正比的线性电压波形 。其中通过调节电位器RX4来改变差动放大倍数，在U8D输出端得到一级放大信号；通过调节电位器 RX5来调节电路对称性 ，实现对于干扰信号的抑制 经过测试 ，可得到经验方程 ： 质量 =145 * Ucm+50 2.1.3 数据采集 LabVIEW 的数据采集程序库包括了许多 NI 公司数据采集卡的驱动控制程序。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3 工程应用软件课程设计 序。本课程需要一块安装好的DAQ卡以及labview开发系统。 数据采集系统的组成：DAQ系统的基本任务是物理信号的产生或测量。但是要使计算机系统能够测量物理信号，必须要使用传感器把物理信号转换成电信号。有时不能把被测信号直接连接到DAQ卡，而必须使用信号调理辅助电路，先将信号进行一定的处理。总之，数据采集是借助软件来控制整个 DAQ 系统 包括采集原始数据、分析数据、给出结果等。 上图中描述了插入式DAQ卡。另一种方式是外接式DAQ系统。这样，就不需要在计算机内部插槽中插入板卡，这时，计算机与DAQ系统之间的通讯可以采用各种不同的总线，如并行口或者 PCMCIA 等完成。这种结构适用于远程数据采集和控制系统。 采集卡在设计中的作用 将得到的Ucm电压送到数据采集卡中进行数据采集，再通过 USB线将数据送人计算机，由计算机利用 软件平台labview进行控制和处理 数据采集卡(DAQ)主要由多路开关、放大器、采样保持器和 AD转换器等组成，它们与定时计数器、总线接口电路等做在一块印刷电路板上，完成对被测信号的采集、放大和模数转换任务 3 电子称系统软件设计 3.1 用户界面设计 3.1.1 程序前面板修饰 4 工程应用软件课程设计 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。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。 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 运用这两个设置可以轻松的编辑画面的颜色与字体。 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 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 5 工程应用软件课程设计 结合以上的三点就可以轻松的做出各种美观的界面了。 3.1.2 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0 g和20 g 2个标定系统)和控制按钮如图24所示 图2-4系统用户界面 6 工程应用软件课程设计 3.2. 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_4 J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 3.2.1 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) 程序运行过程分析： 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， 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， 初始化AD部件： 7 工程应用软件课程设计 2） 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8 工程应用软件课程设计 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。 3.2.2 数据采集模块 022参数：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。 数组：要使用这个数组，根据LabView的特点，应分配一个9 便可得到相应的数据（但设备对象句柄工程应用软件课程设计 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Index Array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： 数组内容的替换，将得到的电压图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； 10 工程应用软件课程设计 图2-8 如上图即U0=0g; 用0克砝码，既无法码放入时，软件认定为0克进行校准，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； 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11 工程应用软件课程设计 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； 12 工程应用软件课程设计 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和; 数组实现的是元素的输出； 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。 当按下程图如下： 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4. 电子称测试系统的调试 13 工程应用软件课程设计 4.1 硬件的安装调试 在调试时，我们用一台可调稳压电压源来模拟压力传感器的输出电压信号。把数据采集卡插到计算机主板上，从采集卡端子盒的输入端子引出两根导线分别与稳压电源的正负电极相连接，再从采集卡端子盒的输出端子引出两根导线分别与继电器的输入端正负极相连接，具体实验步骤如下： 1.接线：将压力传感器经J2 连接至压力桥式测量电路，将实验板模拟口XS1与采集卡模拟口XS2连接。 2.通过调节电位器RX4 来改变差动放大倍数，在U6D 输出端得到一级放大信号；通过调节电位器RX5 来调节电路对称性，实现对干扰信号的抑制。 3.最终结果是：在U8A 的输出端得到一个二级放大后的信号，该信号特点是：当压力增大时，该信号曲线显示增大的信息；当压力减小时，该信号曲线幅度也相应应减小。 4.通过LabView 编程来实现电子秤的功能，软件要求有“零”标定功能，即无砝码放入时,软件认定为0 克，通过提供的两个20 克的砝码来标定系统。阻值来观察继电器的离合。在软件环境下编程实现数据的采集和测试。 4.2 软件的调试 认真的进行软件调试是软件设计至关重要的环节，正是在一次次的调试过程中不断的改进程序，是程序越来越完善。每次程序的调试过程一般可分为几个步骤进行。 4.2.1 U28数据采集卡 14 工程应用软件课程设计 U28模板是USB总线兼容的数据采集板，可经USB电缆接入计算机，构成实验室、产品质量检验中心、特别是野外测控、医疗设备等领域的数据采集、波形分析和处理系统，也可构成工业生产过程控制监控系统。而且它具有体积小，即插即用等特点，因此是便携式系统用户的最佳选择。 U28板上设计有12Bit分辨率的A/D转换器和D/A转换器，提供了16路单端或8路双端的模拟输入通道和4路D/A输出通道，A/D转换器输入信号范围:±5V、±10V、010V，D/A转换器输入信号范围: 05V、010V、±5V、±10V。16路开关量输入，16路开关量输出且均能上电清零。使用本卡时最好通过板卡上EX_VCC插座接上外接电源。如本卡不能正常工作，必须接上外接电源。 注：使用外接电源时，应先接外接电源，后接USB电缆。拔掉时先拔USB电缆，后拔外接电源。 U28板主要由模/数转换(A/D)电路、数/模转换(D /A)电路、USB总线接口电路等部分电路的组合，力求满足用户各种用途的需求。 主要元件位置图、信号输入插座和开关量管脚定义 15 工程应用软件课程设计 3-1主要元件位置图 图3-1为U28板的主要跳线位置图， 此位置图上跳线设置为出厂标准设置。设置为：单端输入方式，模拟输入范围±5V，模拟输出范围±5V。 XS1: 模拟信号输入/输出引线插座 XS2：开关量输入/输出及8254接口引线插座 USBT：USB总线连接插座 RP5：4路DA输出电压零点调整电位器 RP1：DA0输出电压满度调整电位器 RP2：DA1输出电压满度调整电位器 RP3：DA2输出电压满度调整电位器 16 工程应用软件课程设计 RP4：DA3输出电压满度调整电位器 RP8：A/D电路单极性零点调整电位器 RP7：A/D电路双极性零点调整电位器 RP6：A/D电路满度调整电位器 XF1、XF5：模拟电压输入单端、双端选择 XF9、XF10：模拟电压输入量程选择 XF7、XF8：D/A输出极性选择 XF1、XF2、XF3、XF4：D/A输出量程选择 4.2.2 开启程序 在开启程序前，先将各个设计好的子VI与主程序放在同一个文件夹下， 以方便程序调用。在这个软件系统中，我们设计了一个主程序与3个子VI，3个子VI分别为“校准”子VI、“数据采集”子VI、“数据输出”子VI。开启程序，我们可以直接双击主程序图标，这时，可以看到，它会把主程序所用到的各个子VI自动载入，载入完全后，便出现程序的前面板界面，按快捷键“CTRL+E”便可以切换到后面板的程序界面进行程序的设计或修改。 4.2.3 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 17 工程应用软件课程设计 5 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。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。 18