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  • 使用LabVIEW設計和開發用于分離稀有細胞的自動化系統

    "DEPArray系統使用NI公司的硬件和軟件來管理高精密機械、微流體、現成可用的電子和自定義工具,以及視覺和圖像處理。" – S. Gianni, SILICON BIOSYSTEMS    圖1. 通過介電籠捕獲細胞 The Challenge: 設計、開發并制造一種能夠檢測和分離循環腫瘤細胞(CTCs)或母血中的胎兒細胞的工具,前者的目的是研究腫瘤學中的個體化治療,后者是為了實現無創性產前診斷。 The Solution: 開發一種名為“芯片實驗室”的專利技術,該技術利用活性硅襯底的微電子特性,可制造微型生物實驗室,借助NI嵌入式控制器對懸浮細胞分別單獨操作。  

    時間:2011-06-10 關鍵詞: LabVIEW iOS 于分離

  • 使用圖形化的開發環境——LabView開發嵌入式系統

    傳統設計模式所應對的挑戰 嵌入式系統正在滲入現代社會的各個方面,廣泛地應用于航空航天、通信設備、消費電子、工業控制、汽車、船舶等領域,據統計,在美國平均每個中產階級家庭要使用40~50個嵌入式系統。巨大的市場需求推動了嵌入式系統向更高的技術水平發展。設計師們一方面采用性能更強大的嵌入式處理器如32位、64位RISC芯片取代傳統的8位、16位微處理器;另一方面嵌入式系統也由單處理器單操作系統的傳統結構向混合型Multi-core系統發展,通過采用多個處理器和OS提高系統并行度來提高系統運行效能,并且設計師們往往同時采用MPU、DSP和FPGA等多種可編程器件來增強處理能力,滿足應用功能的升級。 嵌入式系統復雜性的不斷增加給設計師們帶來了很大的挑戰,代碼長度呈指數級增加,根據十年前的估計,嵌入式系統的平均代碼量為10萬行,到2001年實際已經超過了100萬,而現在估計為500萬。第三方獨立市場預測機構EMF在對900多名嵌入式系統開發人員進行調研后指出,超過50%的嵌入式設計比預期時間晚上市,而平均延遲高達4個月;在已發布的產品中,有近30%的設計未達到預期的功能和指標。由此可見,隨著嵌入式系統復雜性的不斷增加,軟件工程的重要性毋庸置疑,而大部分的嵌入式系統開發人員都缺乏這方面的專業訓練。與此同時,隨著嵌入式系統的廣泛應用,越來越多領域的專家比如機器人設計師、控制工程師、測試工程師需要使用嵌入式技術來構建他們的系統,他們既缺乏嵌入式系統的專業知識,也不一定經過軟件工程的專業訓練。因此,無論是嵌入式系統本身的發展,還是開發人員的專業限制,都需要一種新的設計模式和解決問題的途徑來應對目前的挑戰。 嵌入式系統開發工具的發展趨勢 隨著嵌入式系統的快速發展和復雜性的不斷增加,基于文本的編程方式所面臨的挑戰愈發嚴峻,這種編程模式在將來不可能徹底解決問題。加州大學伯克利分校嵌入式研究專家EdwardLee博士指出,現有的嵌入式系統的開發手段如基于文本編程和面向對象的工具都難以用來構建嵌入式實時系統,因為面向對象很難直觀地表達時間和平行性(parallelism),而時間和平行性或并行(concurrency)在現在的嵌入式系統中是必不可少的。面向角色(actor-oriented)的圖形化方法是更適合嵌入式軟件設計的工具。 應對嵌入式系統所面臨的挑戰,工程師們已經有了一些解決的方向,比如采用實時多任務編程技術和交叉開發工具技術來控制功能復雜性、簡化應用程序設計、保障軟件質量和縮短開發周期。但是現有的嵌入式系統開發工具非常多,全世界嵌入式處理器的品種總量已經超過1000種,流行體系結構有30多個系列,在其上運行的操作系統環境也非常多樣化,包括VxWorks、QNX、Linux、Nuclears、WinCE等等。不僅各種操作系統有各自的開發工具,在同一系統下開發的不同階段也有不同的開發工具。如在用戶的目標板開發初期,需要硬件仿真器來調試硬件系統和基本的驅動程序,在調試應用程序階段可以使用交互式的開發環境進行軟件調試,在測試階段需要一些專門的測試工具軟件進行功能和性能的測試等等。最合理的解決方案是向基于平臺的工具轉移,它能夠更好地表達整個系統,減少與特定硬件以及操作系統的相關性,使更多的軟件設計和算法容易理解并被重復使用;而從基于文本的工具向圖形化工具的轉移則可以直觀地表達系統,圖形化系統設計(GraphicalSystemDesign)的理念就是源于這兩大趨勢。通過簡化嵌入式編程的復雜性,降低了對工程師在嵌入式設計流程中各個步驟的要求;同時提供了從設計、原型到部署,從軟件調試、功能測試到生產檢測的統一環境,使得工程師們可以更快速地進行重復設計。 在嵌入式系統中實現圖形化已經成為大勢所趨,現在市場上的工具都在向圖形化的方向轉變,但往往僅限于基于嵌入式操作系統的圖形界面開發;而且由于它們是針對特定硬件或操作系統的工具,與硬件和操作系統平臺有很大的相關性,這不足以徹底解決行業將要面臨的挑戰的。現在市場需要的是一種完全的圖形化編程語言,提供足夠的靈活性和功能,以滿足更廣泛應用的需求。因此,圖形化系統設計的關鍵因素是圖形化編程。 對于時間和平行性的支持 20年來,科學家和工程師一直在使用LabVIEW為他們的設計實驗室、驗證實驗室和生產現場構建自動化數據采集和儀器控制解決方案,并在這些應用領域成為業界的事實標準。其核心在于,LabVIEW圖形化編程語言使沒有太多軟件背景的技術專家能夠快速搭建高級自動化測量和控制系統。和傳統的文本編程相比,LabVIEW天生是一種并行結構的編程語言,而時間和并行性在現在的嵌入式系統中是必不可少的。比如,LabVIEW在已有的定時循環結構上新加了硬件定時功能,它是一種表示時間和并行的語義,可以設置操作系統優先級、延時、循環速率等等,如圖1所示。如果我們將圖1所示的兩個并行任務的執行目標擴展到嵌入式對象,比如FPGA或微處理器,就可以發現通過編程環境的一致性和可升級性,LabVIEW能夠容易地實現和管理嵌入式系統的并行性。回想在文章前面所提到的向多處理器轉移的趨勢,現在我們可以憧憬使用可擴展的直觀圖形化編程來開發應用,并將處理過程分配到不同的處理器上。 圖1LabView對兩個并行任務的編程 支持多種算法設計 談到嵌入式系統設計,人們所指的其實包括兩部分工作:算法設計和固件設計。對于嵌入式系統設計來說,另一個關鍵要求是軟件平臺必須能夠兼顧實時嵌入式設計中常見的多種算法設計,即計算模型。這些計算模型符合系統設計師們籌劃系統時的方式,從而降低從“系統要求”轉換到“軟件設計”的復雜性。近年來LabVIEW已經包含了多種計算模型以更好地滿足不同專業背景的嵌入式系統開發者的需求。LabVIEW現在可以通過連續時間仿真、狀態圖、圖形化數據流模型和基于文本的數學語言mathscript等多種方式來表達各種算法,同時它提供了很多交互式的工具用來幫助數字濾波器、控制模型、通信系統的設計以及數字信號處理算法的開發,從而在這些頂層應用中進一步簡化設計師的工作。[!--empirenews.page--] 快速構建原型—溝通虛擬世界與物理世界的橋梁 如前所述,很多設計比預期時間晚上市,并且有一些在投入市場以后發現未達到預定的功能和指標,因此必須采取一定的措施來加快設計流程、提高設計質量。一種解決方案就是更早地將真實世界的信號和硬件引入到設計流程之中,進行更好的系統原型化,從而在早期就發現并修正潛在的問題。 但是在任何設計和開發流程中,基于軟件設計和仿真工具的虛擬世界與電子或機械測量的物理世界之間有一個很大的鴻溝,而LabVIEW平臺最明顯的價值就是在虛擬和物理世界的鴻溝上建一座橋梁。物理測量是與設計和仿真完全不同的挑戰,要求與廣泛的測量和控制硬件緊密集成,并以優化的性能處理大量的通道數或超高速吞吐量。LabVIEW平臺經過不斷演進,在物理測量領域具有很高的性能和靈活性。更重要的是,LabVIEW平臺是開放的,設計人員可以將測量數據與仿真結果相映射,甚至互換仿真和物理數據,以用于設計中的行為建模或者以仿真激勵驅動物理測試,從而更有效快速地進行系統原型構建。 嵌入式系統開發人員如果要定制硬件用于最終的發布,很難同時并行地開發軟件和硬件。而如果直到系統集成測試的時候才引入I/O用真實世界的信號檢驗設計,一旦發現存在問題,那就意味著很難在預期時間完成設計任務了。大多數設計師當前用評估板來進行系統的原型化,但是,原型板往往只具備少量的模擬和數字I/O通道,也很少支持視覺、運動或同步的功能。此外,設計師經常因為需要傳感器或特殊I/O的支持而花費大量時間來開發定制的原型板,而這些僅僅是為了設計概念的驗證。使用靈活的、商業化的原型平臺可以大大簡化這個過程,消除其中硬件驗證和板級設計的大量工作。對于大多數系統,原型化平臺必須包括最終發布系統的同樣部件,比如用于執行算法的實時處理器、用于高速處理的可編程邏輯器件,或者將實時處理器接口到其他部件。因此,如果這個商業化的系統不能滿足所有的要求,那么這個平臺必須是可擴展的,并且支持自定義。NI提供了各種硬件平臺與LabVIEW集成,完成從設計、原型到部署的全過程。例如使用LabVIEW和NI可重復配置I/O(RIO)設備或NICompactRIO平臺,可以快速而便捷地創建嵌入式系統的原型。 例如BostonEngineering公司要開發一種牽力控制機用于數碼照片打印系統。其中,彩色墨盒通過驅動馬達饋送到打印頭,由卷帶電機和推進電機來控制牽力。切割機底盤的振動、每次打印的照片數目和每個電機的速度變化都會影響到底層的牽力。控制系統通過兩個電機的位置來保證卷帶和推進的牽力處于設定范圍之內,否則就會有色差。設計的牽力控制硬件需要兩個脈寬調制輸出來控制電機,兩個編碼器將轉速反饋給電機,兩個模擬輸入通道連接霍爾傳感器用來測量位置,兩根數字線用于信令。傳統的原型板無法滿足這些要求,需要使用可以自定義I/O的原型平臺,因此他們使用CompactRIO平臺來進行原型化工作。他們在嵌入式控制器中運行管理程序,在FPGA中運行電機控制算法,這種資源配置使得原型化構建和最終系統發布在編程模式上是非常相似的。為了在FPGA中運行控制算法,他們將ZPK(zero-pole-gain)模型轉化為LabVIEW數字濾波器設計工具包中提供的一種濾波器,由于這個工具包支持LabVIEWFPGA代碼的自動生成和優化,所以原先的ZPK模型就可以直接轉化成能夠在FPGA上運行的代碼。另外,他們還使用這個工具包對原先的浮點算法進行了定點轉換,以節約FPGA資源,并對量化后的模型進行測試、驗證、修正從而得到預期的結果。通過這種原型化方式,他們節約了大量的開發時間。 發布到任何32位處理器 LabVIEW包括一個廣泛的工具集,該工具集構成了一個用于設計、控制和測試的圖形化開發平臺。新的NILabVIEW嵌入式開發模塊是LabVIEW圖形化編程環境的一款全新附加模塊,是一個開放的框架,它可以集成任意的第三方工具鏈,將生成的C代碼與LabVIEW運行庫函數和板卡支持程序包,編譯成為針對某一目標并能在之上運行的二進制代碼。通過LabVIEW嵌入式開發模塊和工具鏈,可以發布到運行任何操作系統的任何的32位處理器。該模塊包含了近千個內建的庫函數,涵蓋了高等算法、文件I/O、邏輯和信號處理各個方面。原先無法利用到嵌入式編程的工程師們都可以進入32位微處理器的領域之中,通過LabVIEW中附加的狀態圖、控制圖表、信號處理庫函數等這一完整的工具來設計他們的應用,解決各種問題。此外,通過LabVIEW嵌入式方式,工程師和科學家可以使用一種叫做內聯C節點(InlineCNode)的新特性,整合現有的嵌入式代碼,來保持LabVIEW的開放架構。另外,在LabVIEW嵌入式項目環境中,還可以直接添加用C或者匯編開發的源代碼,或者庫文件,幫助開發人員充分利用以前的工作成果。 圖2內聯C節點 LabVIEW嵌入式環境的調試功能非常強大。除了用于快速調試的圖形化用戶接口顯示件、探針、斷點和函數單點調試之外,LabVIEW嵌入式開發模塊為代碼調試提供了另外兩種無縫的接口。在嵌入式目標平臺上,工程師可以使用“儀器調試”通過TCP/IP、RS232或CAN進行調試。使用內建的片上調試接口,工程師可在不影響程序性能基礎上通過工業標準協議如JTAG、BDI和Nexus等進行調試。 減少與特定硬件以及操作系統的相關性 基于平臺的工具,需要能夠表達整個系統,而減少與特定硬件以及操作系統的相關性。在傳統的開發模式中,嵌入式目標本身要求程序員在編寫代碼之前對目標有深入的了解。程序需要知道板卡上各種關于內存映射和寄存器的信息,才能在板卡上執行他們的代碼。另外,大部分代碼是專為某一特定目標編寫的。這樣,在一塊板卡上使用不同的微處理器或是不同的外圍設備,可能就需要重新編寫大部分已有的代碼,或是完全從頭開始。這意味著最終產品的擴展性方面是有缺陷的。使用LabVIEW嵌入式開發模塊,工程師和科學家們不需要了解最終的目標就可以進行代碼開發,因為軟件生成的是LabVIEW應用的ANSIC代碼,而不是針對某個特定目標的二進制代碼。如圖3所示,灰色區域的部分對于開發員來說是透明的,他們在開發過程中不需要了解目標硬件上內存映射和寄存器的情況。同時,LabVIEW嵌入式方式是一個開放的框架,它可以整合任意的第三方工具鏈,將生成的C代碼、LabVIEW運行庫函數和板卡支持程序包(BSP)編譯成為針對某一目標并能在這個目標上運行的二進制代碼。BSP是一種作為C代碼與板上外圍硬件接口的底層代碼。因此,如果板卡需要升級,工程師可以簡單地將不同的BSP鏈接到LabVIEW中,在現有的圖形化代碼上作一小部分改動就可以完成。[!--empirenews.page--] 圖3LabView嵌入式模塊的開發流程 與目標無關的代碼開發意味著工程師和科學家不再需要等待硬件確定之后再開始設計算法。這樣并行的工作和效率的提升,使開發周期和產品上市時間大大縮短。最后,所生成的LabVIEW代碼不是針對某個特定平臺的,所以您很容易升級到新的硬件。 結語 LabVIEW為嵌入式系統開發提供了一個跨越多種、多代產品的連貫性的平臺,使設計人員能夠多年重復并改進其設計,而不必替換其整個工具集或者重新學習不同的設計方法,從而使設計的速度和質量得到提高。同時,其圖形化的編程模式使得更多的工程師和科學家可以使用他們的專業知識開發嵌入式應用,而不需要再依賴嵌入式方面的專家。使用統一的環境進行設計、原型到部署,LabVIEW為嵌入式系統開發提供了前所未有的革新方式。

    時間:2012-05-12 關鍵詞: WinCE LabVIEW

  • 基于LabVIEW8.6和S3C2440的手持數字波形表的界面設計

    將LabVIEW設計的虛擬儀器程序移植到運行 WindowsCE的便攜式手持設備上。可以極大地提高嵌入式系統軟件開發效率。具體提出一種有效解決數據波形交替顯示的界面設計,闡述了如何使用 LabVIEW的觸摸屏toueh panel模塊開發的數字波形表用于Windows CE 5.0設備的測試項目的案例。 1 開發平臺簡介 1.1 基礎平臺 本文設計的數字波形表采用高性能、低功耗、高集成度的S3C2440A微處理器。觸摸屏配合采用S3C2440A的高速處理器驅動,具有更好的視頻顯示效果。 1.2 軟件平臺 LabVIEW是美國國家儀器公司推出的一種虛擬儀器開發平臺。LabVIEW包含有很多的模塊,touch panel模塊是其中之一,它將LabVIEW的圖形化的開發環境擴展到了觸摸屏設備上,建立了用于運行Windows CE的觸摸屏設備的人機界面應用程序。 2 應用程序開發流程 2.1 界面設計方法的選擇 手持設備屏幕空間有限,要在一個屏幕上同時顯示多個測量數據和波形。可通過以下幾種方式實現:     1)整體風格界面設計 設計思路是將所有的數據和波形顯示放置在同一界面下,如圖l所示。但由于手持設備屏幕較小,同時顯示多個參數會使得界面過于擁擠,控件占有的面積過小,而不易操作。 2)彈出菜單式風格界面設計 設計思路是在主程序面板上設計兩個子功能按鈕分別顯示數據和波形,按下相應按鈕就彈出相應功能的子程序面板。子VI調用界面設計的優點在于結構清楚。但本設計功能較簡單,使用子VI調用方法,反而增加了編程的復雜性。 3)選項卡風格界面設計 設計思路是將數據與波形顯示分別放置在不同的選項卡中。此方法將多個控件分布放置在不同的界面中,與整體風格界面設計相比,單個界面更加簡潔,控件較少易于操作。本文設計采用此方法,使用控件Tab Control為手持數字波形表提供一種有效的界面設計。 2.2 數字波形表前面板設計 本文設計的數字波形表能測量被測信號的直流值、平均值、峰值和有效值,并顯示在虛擬儀器面板上。在前面板設計中,選擇 Modern>> Containers>>Tab Control,在屬性對話框中,選擇“在后面添加選項卡”,根據設計的要求,定義4個選項卡。選擇 Modern>>Graph>>XY Gr-aph顯示波形;選擇Modern>>Numeric>>Numeric Indicator示數據。數字波形表的界面如圖2所示。     2.3 數字波形表流程圖設計 選擇functions>>programming>>waveform>>analog waveform>>wave measurement>>Basic DC/RMS。Basic DC/RMS.vi計算輸入波形或波形數組的直流值DC和均方根值RMS。引腳DC value測量直流分量,RMS value測量有效值。 用公式     計算平均值。 選擇functions>>mathematic>>numeric>>絕對值.vi,使輸入信號u(t)返回絕對值,在mathematics>>probability and Statistics選擇均值趨勢.vi,引腳AV測量平均值。 交流電壓中的最大值即為峰值。通過數據比較求出最大值,在programming>>waveform>>analog waveform選擇波形最大最小值.vi,引腳Y最大測量峰值。連線成功后,數字波形表流程如圖3所示。 2.4 利用touch panel模塊建立應用項目 開發的流程是用LabVIEW的touch panel模塊建立應用項目,通過Microsoft ActiveSync將生成的可執行文件下載到WinCE5.0嵌入式系統的手持設備上運行。其開發流程如圖4所示。 通過touch panel模塊將LabVIEW8.6在PC上設計的虛擬數字波形表程序移植到運行Windows CE的便攜式手持設備上,數字波形表如圖5所示。     3 測試結果 表l給出仿真信號測試結果和理論結果。 4 結束語 使用LabVIEW編程比傳統的軟件開發方法效率高,利用touch panel模塊能快速開發觸摸屏項目,適用于開發手持設備應用程序。智能手持儀器本身具有便攜性、移動性、智能化等特點,通過它可以隨時隨地訪問獲得各種信息,因此這類設備應用廣泛。手持數字波形表具有體積小、成本低、穩定可靠等優點。

    時間:2012-09-12 關鍵詞: WinCE LabVIEW s3c2440 8.6

  • LabVIEW的GPIB的總線標準接口功能

    GPIB系統中設備與總線的交互作用定義為接口功能。GPIB標準共定義了10種接口功能,包括5種基本接口功能和5種輔助接口功能。 基本接口功能是GPIB接口總線功能要素的核心,用于管理和控制消息在數據線上雙向、異步、準確無誤地傳遞。5種基本接口功能分別為:源方和受方握手功能(SH和AH)、講者和聽者接口功能(T和L)、控者接口功能(C)。 SH功能保證消息在數據線上正確傳遞;AH功能保證正確地接收遠地消息;T功能把消息經數據線發送到其他設各;L功能從數據線上接收與自己相關的消息;C接口功能的目標是控制GPIB系統中設備間數據的傳遞。 輔助接口功能在設備與總線之間實現特殊的交互作用。5種輔助接口功能分別為:服務請求接口功能(SR)、遠程/本地控制接口功能(RL)、并行查詢接口功能(PP)、器件清除功能(DC)、器件觸發功能(DT)。 SR功能向控者提出服務請求,請求控者中斷當前的工作來對該設備進行服務;RL功能在兩種輸入操作控制信息之中選擇其一,即向器件表明應使用來自本地的操作控制信`患,或者應使用來自遠程的控制消息;PP功能響應控者發出的并行查詢;DC功能響應負責控者發出的DCL(Device Clear,設備清除)信號或SDC(Selected Device Clear,清除選定設備)信號,而使設備恢復到初始狀態;DT功能響應負責控者發出的GET(Group Execute Trigger,組執行觸發)信號,而觸發啟動某種設備功能操作。 這10種接口功能包括了GPIB總線提供的所有接口功能,每個設備的接口不必使用全部10種功能,可以根據需要選用其中的若干種功能。

    時間:2017-12-19 關鍵詞: LabVIEW 接口電路 gpib 總線標準接口

  • 基于LabVIEW和ARM嵌入式數據采集與遠程傳輸控制系統

        基于嵌入式網絡的遠程數據采集系統具有不受地理環境、氣候、時間的影響,小型便攜,使用靈活方便,交互操作性好,傳輸速率高,可靠性高,功耗低和移動性好等優點。目前常用的嵌入式CPU中,ARM由于性價比在同類產品中比較突出,目前用得越來越多,尤其是結合開源的嵌入式Linux操作系統以后,更是得到越來越多設計者的青睞。LabVIW作為一種功能強大,簡單易用和設計靈活的圖形化編程語言,已經廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受,越來越多地應用在虛擬儀器、測試測量、數據分析、信號處理以及遠程控制中。本設計中,遠程數據采集系統采用基于ARM和嵌入式Linux的方案來實現。采用高性能的ARM嵌入式微處理器Samsung S3C2440作為系統的核心,結合數據采集、下變頻、存儲模塊,實現了數據高速實時采集。同時,利用處理器外部配備的以太網控制器CS8900完成與主機上運行的LabVIEW服務器通信,實現數據的傳輸與系統的遠程控制。1 系統整體結構    采用SamsungS3C2440作為前端數據采集系統的核心控制器件。系統的整體設計任務分為信號采集與下變頻、數據存儲與傳輸、信號顯示與處理分析等。整體設計方案構架見圖1。信號采集部分采用ADI公司的AD9244完成,AD9244是一款14 bit,40/65 MSPS的高性能ADC。為了滿足AD9244差分輸入的要求,在信號的輸入端配合了AD8138低失真單端轉差分ADC驅動芯片。信號采集完成后,送至ADC6620正交數字下變頻器(Digital Down Conversion,DDC)處理,經過抽取和濾波后的I,Q兩路正交信號在其輸出的數據有效以及I/Q指示信號的配合下,由FPGA產生靜態隨機存取存儲器(static Random Access Memory,SRAM)存儲時序并存儲至64 K×16 bit的SRAM中。    在FPGA中主要完成SRAM讀寫時序產生、SRAM讀寫地址生成、數據通道選擇等工作,FPGA中的邏輯在一個16 bit的控制字寄存器的控制下有序地工作。當SRAM中存儲一定量的數據后產生中斷信號,提示ARM將數據取走。為了提高系統的速度,ARM采用直接數據存儲(Direct Memory Address,DMA)方式讀取數據。之后運行在ARM上的客戶端程序將數據通過網絡發送給遠程主機。遠程主機上的LabVIEW服務器程序對收到的數據進行顯示、頻譜分析、存儲回放等處理,同時遠程主機的控制信號以及為下變頻器ADC6620設計的濾波器文件也可以通過網絡發送給客戶端,實現遠程控制。2 現場數據采集系統的硬件設計2.1 ADC設計    外部模擬信號從SMA(Sub Miniature-A)接口輸入,隔離直流后進入AD8138 ADC驅動芯片,AD8138將單路輸入信號變成兩路差分信號,送至AD9244轉換。AD9244中幾個重要引腳的含義及接法:    a)CML(Common Mode Reference):串聯一個0.1μF的電容后接地。    b)DCS(Duty Cycle Stabilizer):接+5 V電源時表示轉換時鐘為50%占空比,接地表示轉換時鐘的上升沿與下降沿均由外界控制。本設計中DCS接+5 V電源。    c)SENSE(Internal Reference Control):接地時將輸入信號峰峰值的范圍限制為1 V,接VREF時將輸入信號峰峰值的范圍限制為2 V。本設計中SENSE接VREF。    d)DFS(Data Format Select):接+5 V電源時輸出數據格式為補碼,接地時為直接二進制碼輸出。由于ADC6620將其輸入數據解釋成補碼,本設計中DFS接+5 V電源。[!--empirenews.page--]2.2 ADC6620設計    AD6620的任務是將高速數據流變成當前可實時處理的中低速數據流。在本設計中,AD6620數據輸入端代表指數含義的3位(EXP0~EXP2)接地,且工作在單輸入通道模式下(A/B=3.3 V),以模式0接收來自于ARM的配置信息(MODE=GND),采用并行方式輸出數據(PAR/SER=3.3 V)。2.3 其它設計    本設計所采用的ARM開發板是由廣州友善之臂公司所生產的QQ2440V3,其上有一個44針的系統總線接口,它與FPGA連接起來完成數據與控制信息的傳輸。FPGA與SRAM的設計比較簡單,這里不再贅述。3 數據采集系統的軟件設計    為完成系統任務,需要實現幾個方面的軟件設計:    a)正交數字下變頻器AD6620濾波器以及控制寄存器設計。    b)在FPGA上實現系統控制、SRAM讀寫地址生成、數據通道選擇等功能的Verilog HDL程序。    c)ARM上基于嵌入式Linux操作系統的數據采集硬件驅動程序。    d)ARM上客戶端應用程序。    e)遠程主機上基于LabVIEW的服務器以及顯示、頻譜分析、存儲與回放程序。3.1 AD6620濾波器及控制寄存器設計    AD公司專門針對AD6620芯片推出了濾波器設計軟件fltrdsn以及監視控制軟件AD6620,但該軟件是基于計算機并口與AD6620芯片連接的,不適應設計中遠程數據傳輸與控制、多客戶端的任務要求。可以利用該軟件將設計成功的濾波器以及配置文件保存下來,利用LabVIEW的文件處理功能自動將信息提取出來,通過網絡遠程配置AD6620。3.2 FPGA邏輯設計    FPGA內部邏輯電路結構見圖2。考慮到后續設計的需要,FPGA內部使用ARM地址總線的低3位來選擇當前操作的模塊,具體的地址與內部模塊對應關系見表1。    圖2中各模塊功能進一步說明如下:     a)Input_db_part:雙向數據總線分離。配合由Control_register送來的控制信號,在Conf_6620有效時將數據總線上的數據送至Config_6620模塊,完成AD6620配置,在Fetch_sram信號有效時將讀SRAM得到的數據傳送至ARM數據總線。 [!--empirenews.page--]    b)Control_register:控制寄存器。內部模塊有序工作的核心,具體的控制定義見表2。    c)Config_6620:配置AD6620。此模塊在Conf 6620位有效時接收由ARM傳來的AD6620配置信息,完成DDC濾波器和控制寄存器配置。它除了本身使用ARM地址總線的3位ARM ADD[3:1]作為FPGA內部模塊選擇之外,還用了ARM ADD[6:4]作為AD6620的外部接口寄存器地址。Rdy in信號用于指示寫入操作成功,ARM檢測到此信號有效后,進行下一次的寫操作。     d)PII:鎖相環。Cyclone EP1C6Q240中有2個鎖相環模塊,設計中使用了其中的一個將20 MHz的時鐘倍頻至50 MHz,供AD9244,AD6620以及FPGA內部使用。    e)Ad_to_sram:AD6620輸出數據寫入SRAM時序產生模塊。AD6620工作在單通道模式時典型輸出時序見圖。    此模塊主要完成的功能有:用2個數據鎖存器在DV與IQ信號的控制下鎖存I路和Q路數據,產生寫SRAM所需的地址。由于AD6620抽取率較高的緣故,輸出數據率一般較低,在模塊中使用了狀態機在2次有效數據期間產生寫SRAM的時序。此外,當寫地址到達設定值時,模塊產生寫溢出中斷,提示ARM改變控制寄存器內容,讀取數據。    a)Read_add_gen:讀地址產生。在Fetch_sram位的控制下,產生讀SRAM時的地址,當讀地址到達設定值時,產生讀溢出中斷,提示ARM改變控制寄存器內容,進行下一步操作。    b)Control_logic:控制邏輯。模塊在Start_daq有效時選擇由Ad_to_sram模塊產生的寫SRAM的地址、數據與控制總線與SRAM相接,而在Fetch_sram有效時選擇讀SRAM的地址、數據與控制總線與SRAM相接。與DMA讀取有關的請求與響應信號也在此模塊中處理。3.3 嵌入式Linux驅動程序設計    驅動程序是硬件與應用程序的接口。針對設計任務與硬件特點,在驅動程序中設計了以下函數:    a) AD6620_read:申請DMA緩存,睡眠等待寫溢出中斷到來,DMA傳輸完成后,將數據從內核空間傳送至用戶空間,釋放DMA緩存。    b) AD6620_ioctl:核心是一個switch選擇結構,根據應用程序中用戶命令,完成初始化DMA,寫控制寄存器或者配置AD6620的工作。    c)AD6620 open:主要完成DMA通道參數設置,初始化IO端口和信號量。    d) AD6620 release:完成與AD6620_open相反的工作,主要是一些清理和釋放申請資源的工作。    函數編寫好后,通過下面的file_operations結構體聯系起來:        e) AD6620 init:初始化函數,完成驅動程序注冊、中斷與中斷處理函數注冊、創建設備文件節點等。其中的驅動程序注冊的核心就是上面的file_operations結構體。    驅動程序編寫好后,用戶就可以在應用程序中調用這些函數,實現通過一組標準化的調用來操作底層硬件。3.4 客戶端應用程序    客戶端應用程序為了保證數據與控制信息的可靠傳輸,采用的是基于TCP協議的Socket網絡編程。本次設計客戶端運行在ARM上,采用的是Linux下的C編程;而服務器端運行在遠程主機上,利用LabVIEW的圖形化語言實現。具體客戶端的通信與控制流程圖見圖4。可以看出。客戶端是依賴于讀取由遠程主機發送的控制字符來完成實時控制,實現與服務器端的交互操作的。因此,無論是客戶端還是服務器端,在每一次發送數據與控制信息時,都會發送一個控制字符,接收端就是依靠識別此字符來完成相應的操作。表3中給出了控制字符與所執行操作之間的對應關系。3.5 LabVIEW服務器程序設計    服務器端的完整程序見圖5。服務器在指定的端口上偵聽,等待遠程客戶端的連接。程序的核心是兩個循環框,上面的循環框完成發送數據和控制信息的任務,主要包括傳送AD6620濾波器設計與控制寄存器配置文件、實時改變AD6620可動態配置寄存器內容、開始數據采集以及停止系統控制等模塊。 [!--empirenews.page--]     數據與控制信息內容放在LabVIEW事件框圖中,當用戶單擊前面板上的控制按鈕時,相應的信息被發送,這樣就避免了系統無休止地查詢,節約了系統資源。下面的循環框完成讀SRAM數據接收、分離IQ信號、頻譜分析與顯示等,當用戶使得存儲文件路徑不為空時,可以將此時數據顯示控件上的數據保存下來;而當回放文件路徑不為空時,用戶可以回放之前保存的歷史數據。頻譜顯示控件有線性與對數顯示兩種格式,它受前面板上的一個系統復選框的控制。4 設計結果驗證    采用了3組實驗來驗證設計的正確性。實驗條件:現場數據采集系統IP地址192.168.1.230,遠程主機IP地址192.168.1.1,二者位于同一個局域網內。系統工作主頻50 MHz,AD6620濾波器為低通濾波器,通帶截止頻率10 kHz,阻帶截止頻率15 kHz,通帶內衰減0 dB,阻帶衰減-60 dB,三級濾波器的抽取系數分別為10,25,2。    第1組實驗的輸入信號為單頻信號,頻率1.005 MHz,幅度250 mV,AD6620中NCO頻率字設定為1 MHz。實驗恢復的I路信號及其頻譜分析見圖6(a)。從實驗結果來看,系統采集數據頻率準確,較好地恢復了信號。第2組實驗的輸入信號為調幅信號,載波頻率1 MHz,幅度250 mV,單音調制信號頻率為3 kHz,調制深度30%。AD6620中NCO頻率字設定為1 MHz。實驗恢復的信號與頻譜分析見圖6(b)。這時從頻譜圖上可以清晰地看出差頻之后,在零頻周圍300 Hz處有1根清晰的譜線。第3組實驗的輸入信號為單頻信號,頻率1.018 MHz,幅度250 mV,AD6620中NCO頻率字設定為1 MHz。實驗恢復的I路信號與頻譜分析見圖6(c)。此時由于信號處于濾波器通帶之外,衰減很大,不能恢復信號。I路信號顯示圖中類似于“毛刺”的信號是由于電路底噪聲在AD6620中運算所產生。綜合3組實驗的結果,本次設計較好地完成了設計任務。5 結論    數據采集與網絡遠程傳輸系統是一個高集成,特別講究軟硬件間相互配合的綜合系統,強調的是協調、穩定、高速、精準地完成各項數據采樣工作。本設計中,在合理設計硬件的基礎上,分別對FPGA,ARM以及遠程主機上的服務器程序精心設計,解決了以往系統在大量數據采集、傳輸、儲存、讀寫和處理時的速度以及靈活性問題。利用LabVIEW功能強大、簡單易用,設計靈活的圖形化編程語言,很容易地實現了對遠程數據采集終端的配置與控制。

    時間:2009-12-06 關鍵詞: ARM LabVIEW 程傳輸 設計教程

  • 采用LabVIEW 8.2的多用虛擬電壓表原理及設計

    概述:為了滿足不同測量的要求傳統的電壓表分別做成獨立的儀表,包括峰值電壓表、平均值電壓表和有效值電壓表。在此,提出采用虛擬儀器同時實現三種示值電壓表的方案;介紹了虛擬儀器軟件平臺LabVIEW的特點。對虛擬數字電壓表的設計和實現進行了詳細描述,包括基于LabVIEW 8.2的虛擬信號發生器的實現過程,它能產生正弦、方波、三角波及由輸入數學公式確定的復雜自編輯波形。最后,對設計的虛擬電壓表運行結果進行分析,驗證了虛擬電壓表設計方法的正確性。    虛擬儀器是隨著計算機技術、電子測量技術和通信技術發展起來的一種新型儀器。它充分利用計算機系統強大的數據處理和顯示能力,利用軟件完成數據的采集、控制、數據分析和處理以及測試結果的顯示等,通過軟、硬件的配合,實現傳統儀器的各種功能,真正實現了“軟件即儀器”的概念,用戶可以方便地對儀器進行維護和擴展。    電壓是電路中常用的電信號,通過電壓測量,利用基本公式可以導出其他的參數。因此,電壓測量是其他許多電參數和非電參數量的基礎。測量電壓相當普及的一種測量儀表就是電壓表,但常用的是模擬電壓表。模擬電壓表根據檢波方式的不同。分為峰值電壓表、均值電壓表和平均值電壓表,它們都各自做成獨立的儀表。這樣,使用模擬電壓表進行交流電壓測量時,必須根據測量要求選擇儀表。另外,多數電壓表的表頭是按正弦交流有效值刻度的,而測量非正弦波時,必須經過換算才能得到正確的測量結果,從而給實際工作帶來不便。    采用虛擬電壓表,可將表征交流電壓特征的峰值、平均值和有效值集中顯示在一塊面板上,測量時可根據波形在面板上選擇儀表,用戶僅通過面板指示值就能對測量結果進行分析比較,大大簡化了測量步驟。1 虛擬電壓表的設計思路    LabVIEw 8.2版本的工程技術比以往任何一個版本都豐富.它采用了中文界面,各個控件的功能一目了然。利用它全新的用戶界面對象和功能,能開發出專業化、可完全自定義的前面板。LabVIEW 8.2對數學、信號處理和分析也進行了重大的補充和完善,信號處理分析和數學具有更為全面和強大的庫,其中包括500多個函數。所以在LabVIEW 8.2版本下能夠更方便地實現虛擬電壓表的設計。    虛擬電壓表是基于計算機和標準總線技術的模塊化系統,通常它由控制模塊、儀器模塊和軟件組成,由軟件編程來實現儀器的功能。在虛擬儀器中,計算機顯示器是惟一的交互界面,物理的開關、按鍵、旋鈕以及數碼管等顯示器件均由與實物外觀相似的圖形控件來代替,操作人員只要通過鼠標或鍵盤操作虛擬儀器面板上的旋鈕、開關、按鍵等設置各種參數,就能根據自己的需要定義儀器的功能。在虛擬電壓表的設計中,考慮到儀器主要用于教學和實驗,使用對象是學生,因此將引言中提到的三種檢波方式的儀器合為一體,既簡化了面板操作,又便于直接對比。    該電壓表主要用于電路分析和模擬電子技術等實驗課的教學和測量儀器,能夠使學習者了解和掌握電壓的測量和電壓表對各種波形的不同響應。因此,虛擬電壓表應具備電源開關控制、波形選擇,以及顯示峰值、有效值和平均值三種結果,且輸入信號的大小可調節等功能。虛擬電壓表由硬件設備與接口、設備驅動軟件和虛擬儀器面板組成。其中,硬件設備與接口包括儀器接口設備和計算機,設備驅動軟件是直接控制各種硬件接口的驅動程序,虛擬儀器通過底層設備驅動軟件與真實的儀器系統進行通信,并以虛擬儀器面板的形式在計算機屏幕上顯示與真實儀器面板操作相對應的各種控件。在此,用軟件虛擬了一個信號發生器。該信號發生器可產生正弦波、方波和三角波,還可以輸入公式,產生任意波形。根據需要,可調節面板上的控件來改變信號的頻率和幅度等可調參數,然后檢測電壓表的運行情況。因此,在LabVIEW圖形語言環境下設計的虛擬電壓表主要分為兩個部分:第一部分是虛擬電壓表前面板的設計;第二部分是虛擬電壓表流程圖的設汁。2 前面板的設計    前面板模擬真實電壓表的前面板,用于設置輸入數值和觀察輸出量。由于虛擬面板直接面向用戶,是虛擬電壓表控制軟件的核心。設計這部分時,主要考慮界面美觀、操作簡潔,用戶能通過面板上的各種按鈕、開關等控件來控制虛擬電壓表進行測量工作。根據傳統電壓表面板控件的功能,利用LabVIEW中的控制模板,分別在設計面板上放入模擬實際電壓表控件的數據輸入控件、顯示器、數據輸出控件、開關、選擇器,顯示器用于顯示輸入的信號波形;數據輸入控件主要用于輸入被測信號的信號頻率、采樣頻率、采樣數、振幅和相位;數據輸出控件則用于輸出被測信號經過處理后得到的峰值、平均值和有效值及標準頻率的有效顯示。打開LabVIEW前面板的編輯窗口,點擊鼠標右鍵,顯示控制模板,選擇圖形一波形圖,作為電壓表的顯示器。在顯示器模板上點擊鼠標右鍵,對其進行屬性設置,例如根據示波器的頻率與幅度值的變化,利用工具模板中的文字工具,對示波器橫(時間)、縱(幅度)坐標的刻度進行重新設置。用Graph控件設計的示波器是完全同步的,且波形穩定。    選擇控件→數值→數值輸入控件/數值顯示控件,作為電壓表參數設置中輸入和測試結果的數據顯示。    選擇控件→下拉列表與枚舉→菜單下拉列表,放置對輸入波形選擇開關,在下拉列表中單擊鼠標右鍵,選擇“編輯項”對其進行編輯。    “電源開關”控件選擇經典→經典布爾→方形按鈕,當按下開關時,虛擬電壓表開始運行,同時電源開關的指示燈亮。同樣,當彈起開關時,虛擬電壓表停止運行。前面板如圖1所示。3 流程圖的設計    每一個前面板都對應一個流程圖程序。前面板的設計完成后,可對流程圖程序進行設計。打開LabVIEW設計環境中的窗口→顯示程序框圖,進入流程圖編輯窗口,與前面板各控件對應的端口圖標自動出現在流程圖編輯窗口中。利用LabVIEW中的功能模塊,根據虛擬示波器前面板各控件的作用和聯系,虛擬示波器運作后數據流的控制,分別在流程圖設計面板中放置各個功能模塊,合理擺放后,在用連線工具依次連接,以實現虛擬示波器的功能。數據流的編輯主要是對端口圖標的連接。用連線工具進行連線時,如果端口閃爍,說明相連的數據類型匹配,否則不能連接。3.1 虛擬信號發生器的實現    由于虛擬電壓表主要用于演示,所以為了方便,可直接利用LabVIEW軟件產生仿真信號。在該設計中,設置了正弦波、方波和三角波以及由公式確定的任意波形。在程序設計框圖中,使用一個Case(選擇)語句對四種波形進行選擇。Case語句中,每一個數字(0,1,2,3,4)都代表一種波形,與前面板控件中5種狀態相對應。至于Case語句的制作,只需將4個圖標中的一個,例如正弦波發生程序,用Case框起來,然后在上面的空白處寫上相應的數字,例如1;然后點擊箭頭,可以設置第二個圖標,如果要添加一個Case的話,可以點擊鼠標右鍵,直接添加,編輯相應的基本信號發生器VI中相應的節點即可。在添加公式波時,要把基本信號發生器VI換成公式波形VI,0代表默認狀態,表示無任何波形輸入。本文給出了Case結構的一個分支,公式波形的流程圖如圖2所示。該子Ⅵ可使用指定時間函數的公式字符串生成一個函數波形,它要求公式的自變量必須是t,它所支持的運算符和常用的函數詳見參考文獻。[!--empirenews.page--]    另外,在模擬狀態下,信號頻率以赫茲或者每秒周期數為單位。但是在數字系統中,通常使用數字頻率,它是信號頻率與采樣頻率的比值,被稱為標準頻率。所以,在框圖程序中,應當在信號頻率與采樣頻率之間加載一個除法器。 在波形發生程序按照規定的參數產生波形后,如果將波形直接輸入波形顯示控件,那將是錯誤的。因為波形顯示控件,并不像數據顯示控件那樣只需要一個或一組數據,因此波形能否按規定顯示出來,取決于輸入的幾組不同且具有決定性的數據,例如周期、相位等。在該設計中,將z軸起始坐標、周期、波形捆綁成一個數組,同時輸入到波形顯示控件中。3.2 數據處理部分    數據處理部分的作用,就是將產生出的信號通過不同形式的檢波、計算,得出規定的不同的結果。在該設計中同時顯示交流有效值、峰值和平均值。對于一個純粹的交流電壓,正半周期信號與負半周期信號對稱,U的平均值等于零,所以一般不直接測量平均值。在設計時,按函數→數值→絕對值取交流電壓的絕對值,然后求平均值,取全波平均值。交流電壓中的最大值,即為峰值。可以通過比較數據求出最大值,這需要使用波形最大、最小子虛擬儀器來處理框圖。有效值顯示:在函數→信號處理→波形測量中選擇基本平均直流均方根。其框圖符號如圖3所示。     圖3中,DC value為測量的直流分量;RMS為value測量有效值;reset用于重啟過去記錄的時間信號、平均測量的參數;averaging type是測量中的平均類型,在單個模塊VI中,可依據輸入記錄長度自動設置平均時間;Window是在DC/RMS計算之前,用于記錄時間的窗;erroe in是在該VI運行之前描述錯誤環境,默認值為no error。如果錯誤已經發生,該VI在errorout端返回錯誤代碼,子VI在無錯誤時才正常運行。3.3 開關部分    用一個while條件語句設計整個框圖程序,當模擬電壓開關為“1”時,虛擬電壓表工作,條件語句中的程序開始運行;當模擬開關為“0”即關時,條件語句中的程序停止運行,虛擬電壓表不工作。設計好的流程圖如圖4所示。4 結 語    經過實際使用,虛擬電壓表所有的控制鍵和功能正常,符合使用要求。需要指出的是,在設計該虛擬電壓表時,簽于教學使用的目的,僅從功能上考慮,并未對虛擬電壓表的技術指標進行深入研究。事實上,峰值是取樣值的最大值,而取樣點不可能取得太多,否則運行速度太慢,因此顯示的峰值與理論值是有差別的,在設計時應注意合理選擇參數。    在LabVIEW圖形化語言環境下設計的虛擬儀器簡單快捷,用戶完全可根據測試功能的需要,調用不同功能的軟件模塊,以組建自己的儀器。這對測量者,尤其是高等院校的實驗室是非常方便的。可在同一臺計算機中,根據不同的教學層次,設計不同檔次的儀器為教學服務。如何針對不同的教學目的,分別對硬件驅動程序部分、虛擬面板部分、信號的后期處理部分進行部分或完整的設計,信號的后期處理程序可以設計成一個獨立的功能模塊,能夠對采樣信號進行非實時的在現和離線分析,既滿足了學生的要求,又避免了設備的重復購置。

    時間:2010-03-26 關鍵詞: LabVIEW 8.2 設計教程 理及設

  • LabVIEW在暖通空調數據采集控制系統中的應用

    摘要: 暖通空調(HVAC)系統中建立一套對各種水閥、風閥、變風量箱、電加熱器、加濕器以及其他 控制元件進行準確測量及時控制的數據采集控制系統。使用NI公司的LabVIEW Developer Suite,把HVAC系統中各種不同設備統一起來,進行集中采集控制。建立一套基于PC的HVAC數據采集控制系統。 關鍵詞:abVIEW  數據采集 自動控制 暖通空調系統  PID控制 The Application of LabVIEW in the field of HVAC DAQ and Control System By Chen Qian,Weng Wengbing Build a suit of HVAC DAQ and Control System which could take precise data acquisition and control water valve, air valve, VAV box, electrical heater, humidifier and other control elements. Using National Instrument’s product LabVIEW Developer Suite, unite all different devices in HVAC system to take central control. Build a suit of HVAC DAQ and Control System based on PCs. Keywords:abVIEW  Data Acquisition Auto Control HVAC System  PID Control 引言 LabVIEW大量應用在自動控制領域,對于HVAC系統中采用LabVIEW作為上位端軟件還不多見,但隨著LabVIEW 7 Express的發布,LabVIEW已經開始逐漸滲透到各個領域。在筆者所在專業HVAC自動控制領域使用LabVIEW后發現,其功能十分強大,節省系統開發時間,非常適合工程開發人員使用。筆者結合近來開發的一套HVAC系統,對LabVIEW在HVAC數據采集控制系統的應用做個介紹。 1 系統總體結構 HVAC中有大量數據需要采集,通過對數據的采集,來對各項系統參數進行調整。本系統主要由水系統、風系統、控制系統組成。 ● 水系統包括:水冷式冷水機組,冷卻塔,膨脹水箱,冷凍水泵,冷卻水泵,三通調節閥、流量計等附件。 ● 風系統包括:組合式空調箱、送風管道、回風管道、排風管道、VAVBOX以及閥門和其他控制元件。空調箱包括新回風混合段、過濾器、表冷器、電加熱器、送風風機、蒸汽加濕器等。風機變頻控制。新回風管上分別裝有電動調節閥,可調節新回風比例,表冷器前后分別裝有溫濕度測點,空調箱內還裝有噴嘴,用于空氣流量的測量。 ● 控制系統包括:各處的壓力傳感器、溫度傳感器、控制元件、執行器、數據采集儀、計算機、觸摸屏等,可進行建筑環境與設備自動檢測與數據處理。 實驗系統房間共有兩間:Room1和Room2。Room1主要用于建立低溫環境實驗室,因此單獨配備了一套直接蒸發式水冷機組。每個房間內均有一個負荷發生器Ld,用于產生模擬負荷,并且有溫濕度測點。在Room1中,布置一組送回風口,頂送下側回;Room2中布置兩組送回風口,分別為頂送、側回。每個送、回風口上都裝有手動調節閥,可開關或進行調節。房間內布置一個壓差傳感器,可控制房間內的正壓。在兩個房間的送風管道上分別裝有一個壓力無關型VAVBOX。 通過對圖1系統原理圖,大家對系統能有個直觀的認識。 2 數據采集控制系統 系統分為兩部分:數據采集和系統控制。數據采集部分有各種不同數據采集設備。控制部分由PLC(可編程控制器)來完成。LabVIEW能很方便的對計算機串口進行操作,因此LabVIEW可方便的建立計算機串口與PLC串口之間的通信,便捷的獲得PLC中的數據,在計算機中進行PID神經模糊等復雜運算,從而得到需要的數字控制信號,對需要控制的設備進行控制,增強系統的通用性。并可開發出更加豐富的功能。從圖2中可以看出整個數據采集系統中用到的軟硬件部分及它們間的關系。 圖2 采集控制關系圖 [!--empirenews.page--]通過數據采集系統可得數據有:表冷器水流量,VAVBOX1、2風量反饋,送風濕度,新風溫濕度,低溫室壁掛式溫濕度計溫濕度,變頻壓縮機節流前后壓力,噴嘴壓差,表冷器前后干濕球溫度,蒸發機組壓縮機吸排氣溫度,變頻冷水機組壓縮機吸排氣溫度,冷水機組壓縮機吸排氣溫度,表冷器進出水溫度,熱水箱進水溫度,冷卻塔進水溫度,變頻冷水機組冷卻進出水溫度,變頻冷水機組進水溫度,冷水機組冷卻水進出水溫度,冷水機組進出水溫度。可見需要設置大量的不同得傳感器。 使用的末端傳感器有:PT100鉑電阻溫度傳感器,鉑電阻使用四線制可以提高測量精度,避免沿途數據線電阻對測量的影響。EE10室內溫濕度變送器,產生4~20mA的標準電流信號,為了便于數據采集儀測量和避免信號的失真,在其中加入250Ω的精密電阻,將電流信號轉換為標準的1~5V的電壓信號。壓力傳感器、風閥開度控制器、濕度等信號均是標準的1~5V的標準信號,或者經過轉換成為1~5V的標準信號,便于數據采集儀進行處理。這些信號均為線性或近似線性,可以通過增益和偏移(M×B)把標準信號轉換為我們熟悉的溫度濕度壓力值工程量。例如:采集到的信號為3V,此時的1V對應于0℃,5V對應于100℃,則可以通過: Y=MX+B 算出M=25,B=-25,再把3代入,可得Y=50℃。此部分只需通過使用LabVIEW的Database Toolset工具包和全局變量數據的交換,很容易實現信號的轉換。  數據采集儀:傳感器、變送器產生的標準信號直接進入數據采集儀。數據采集儀采用的是Agilent 34970A數據采集儀(附三塊HP 34901A 20通道銜鐵繼電器多路轉換器)。它可以直接測量熱電偶、電阻溫度測試器、熱敏電阻、直流電壓、直流電流、交流電流等。電源電流、電壓、功率和頻率通過PF9833三相PWM專用測試儀來測量。通過使用NI-VISA協議,可對串口讀寫操作,很方便的完成了數據的交換,見圖3。 圖3 LabVIEW中NI-VISA串口讀寫 控制系統PLC與PC的通信也同樣使用了NI-VISA協議進行通信。通過把命令請求寫入(Write)串口,設備對命令分析識別,把命令請求的數據通過RS-232接口返回到計算機,再通過對串口讀操作(Read),從而獲得設備采集的數據。對于不同設備有不通的命令。Agilent 34970A使用的是SCPI(Standard Commands for Programmable Instruments)可編程儀器標準命令集。PF9833則使用了另外的命令集。不同設備不管使用什么協議,通過NI-VISA都可和容易建立設備與計算機間的通信。對于PLC,需要編寫設備端程序。要求程序實現獲得命令后,對命令進行分析識別,把相應數據送出。 信號控制使用西門子SIMATICS7-300 PLC,部分對控制有影響的采集信號進入PLC,進行PID分析運算,產生控制信號,對風閥、風機、水泵、加熱器等進行控制。PLC帶有的RS-232通訊接口,直接與計算機建立通信。PC獲得進入PLC的各種信號,也可在計算機中進行更為復雜的運算,產生數字控制信號返回PLC,再由PLC對各種需要控制的設備進行控制。 本系統可通過觸摸屏對整個系統發出控制指令,觸摸屏的每個開關都對應于PLC各個開關觸點,相當于PLC的鍵盤,可對整個系統的各種參數進行調整。例如可以對風閥的開關,風機、水泵、電加熱器的啟停,各個PID控制設備P、I、D(比例、積分、微分)三個參數的設置進行相應的操作,系統流程圖可清晰的從中反映出來。 由于使用了大量的串口來進行數據的通信,需添置一塊多串口卡,用于連接多個串口設備。 3 LabVIEW程序 通過LabVIEW圖形化設計很容易設計出漂亮美觀的用戶界面。見下圖4所示。在使用Agilent 34970A數據采集儀時可對溫度、電壓、電流等各種參數進行測量,在進行采集時涉及到參數需要更改的情況,我們 使用了NI的數據庫連接工具包(Database Connectivity Toolset),直接在一個已經編輯好的數據庫(Hpsetting.mdb)里編輯所改變采集通道的參數,然后在運行程序時選擇是否需要下載新的設置到數據采集儀,使數據采集儀相應設置改變,以采集到正確的數據。設置參數有通道號、通道描述、輸入類型、范圍、周期、延遲、觸發、鉑電阻阻值以及標定等。只要是使用Agilent 34970A數據采集儀采集數據,程序就不需要進行大的修改,節省了開發成本和時間,提高程序的通用性。 控制上使用了NI PID工具包,可對需要進行控制的部件進行PID控制,利用該工具包可以節省我們大量開發時間。LabVIEW一個很大的特點就是提供了大量的可用控件,控件提供輸入輸出,通過線連接輸入數據,就可很方便的從輸出口得到需要的控制命令。 4 實驗 LabVIEW和眾多系統中各種傳感器配合,在系統調試中發揮了很大的作用。所需數據通過一臺普通裝有LabVIEW的計算機就能顯示出來。調試中的數據用LabVIEW來進行分析顯示,觀察系統是否達到了預定的要求。 在系統中使用了LabVIEW軟件,在硬件上不需要做太多的更改。各項所需測量控制參數在系統調試階段已經設置好,后面就只需在軟件界面和各項參數組合上做工作。   在冷水機組數據采集控制實驗中,界面如圖4,開啟空調系統,通過數據采集設備獲得當前溫濕度信號。獲得數據經過PID運算,輸出控制信號,最終通過對PID參數的調節(更改界面中的PID參數,經過PC對PLC的控制,達到控制設備的目的)使得溫濕度參數最終穩定在設定值附近,達到了實驗控制的目的。最后可以通過NI的報告生成工具包(Report generation toolset)把實驗中保存的數據以報表的形式打印出來。 硬件亦不需做大的調整,主要集中在軟件的編畫(LabVIEW為圖形化語言)上。因為縮短軟件的開發時間,使得整個數據采集控制系統的開發時間也大大縮短。 5 結論 LabVIEW在系統開發上有很大的優勢。從系統建設時間來看,用LabVIEW來進行軟件編程和同一系統的PLC編程相比,所花的時間更少、程序界面設計更容易更美觀。用PLC來編程,并使之通過可視的界面顯現出來(我們這里使用了MCGS嵌入式圖形界面),是兩個系統都需要進行設計的工作。而LabVIEW把兩者都集于一體,通過簡單的PC,就能對LabVIEW進行編程設計,最終在很短的時間內開發出我們需要的界面和功能,直至最終的產品。使用LabVIEW不僅在時間上優勢明顯,在系統的再開發上也有極大的優勢。如果系統需要開發一個新的功能項目,在系統中加入某一傳感器測量元件進行信號測量,然后再在LabVIEW中設計界面分析顯示,很快就能達到想要結果。對于筆者所做的這一需要不斷改進的系統,LabVIEW無疑是最好的選擇。

    時間:2010-06-07 關鍵詞: LabVIEW 設計教程 空調數

  • 基于LabVIEW的FIR數字濾波器設計

    介紹一種基于LabVIEW快速有效地設計常規FIR數字濾波器的方法,并給出了設計實例。因可以隨時對比設計要求調整參數,故有利于濾波器設計的最優化。   關鍵詞:FIR數字濾波器;LabVIEW;程序設計 Shanghai 200093, China)   一個截止頻率為ωc(rad/s)的理想數字低通濾波      由式(1)和(2)可以看出,這個濾波器在物理上是不可實現的,因為沖激響應具有無限性和因果性。為了產生有限長度的沖激響應函數,我們取樣響應為h(n),長度為N,其系數函數為H(z):   ?   用h(n)表示截取hd(n)后沖激響應,即h(n)=hd(n)W(n),式子中W(n)為窗函數,長度為N。當τ=(N-1)/2時,截取的一段h(n)對(N-1)/2對稱,可保證所設計的濾波器具有線性相位。   一般來說,FIR數字濾波器輸出y(n)的Z變換形式Y(z)與輸入x(n)的Z變換形式之間的關系如下:      實現結構如圖1所示。   從上面的Z變換和結構圖可以很容易得出FIR濾波器的差分方程表示形式。對式(4)進行反Z變換,可得:    ?   LabVIEW 7.1版本中,有兩個子模板涉及信號處理,分別是Analyze子模板和Mathematics子模板。進入Functions模板Analyze中的Signal Processing子模板,見圖2。        VI對于其參數在幫助中都有詳細的說明,并且還有相關的例子。 2.2前面板的設計   結合濾波器的形成原理,把濾波器類型分為低通,高通,帶通和帶阻,由于低通和高通只需要求截止頻率,而帶通和帶阻需要上下截止頻率,故把這四個類型分開設計。顯示幅值,相位和相關系數。如果設計的濾波器符合要求,可以把這個相關系數存盤,以便寫成濾波器的形式。具體的前面板程序見圖5。   ?   本例中,首先在Filter Type中選擇Bandpass(帶通濾波器);接著在Window選項中選取Hamming;在Order項中輸入31;在采樣頻率中輸入1000;由于采用窗函數法設計,只需給出通帶下限截止頻率fl和通帶上限截止頻率fh,輸入fl=100Hz,fh=200Hz。然后回車,即 可得到所設計的FIR濾波器,看到所設計濾波器的幅頻響應、相頻響應、濾波器系數,各種 特征如圖7所示。點擊save,選擇保存的路徑保存文件(后綴為text,也可以默認設置)。

    時間:2011-01-07 關鍵詞: LabVIEW fir 設計教程

  • 基于DSP+LabVIEW的特高壓驗電器設計方案

        隨著電力工業的發展和電網負荷需求的提高,我國正在大力發展特高壓、長距離輸電技術。高電壓導致強電場、電氣設備絕緣中的某些薄弱部分在強電場的作用下發生局部放電,同時當架空輸電線路表面的電場強度超過空氣分子的游離強度(一般在20~30 kV/cm),氣體會發生電離,出現電暈放電。因此,為了保障電網線路的穩定運行和停電檢修時的安全。采用先進的檢測技術對輸電線路的狀態進行檢測具有重要意義。   目前國內外500 kV電壓等級及其以下的驗電技術已較為成熟,但隨著電壓等級的提高,目前采用長桿上套裝電容型驗電器的驗電方法已難以滿足特高壓輸電系統發展的要求;同時利用紅外成像儀、紫外成像儀、超聲波探測儀等檢測方法存在成本高、操作復雜、靈敏度低,并對早期的放電危險難以預報,不能定量表示放電程度等缺點。而特高壓系統的絕緣要求更高,一般對地距離較遠,尤其特高壓輸電線路塔架高、跨距大、檢測地點有時受到地理位置限制。檢測距離可能大于80 m,故需要一種靈敏度高、檢測距離遠、成本低、易于掌握的特高壓放電檢測方法,根據紫外脈沖法在電氣檢測領域的研究經驗。采用基于紫外脈沖法的放電檢測技術。   通過極高靈敏度的日盲型紫外探頭,對高壓輸電線路的放電紫外光進行連續的在線檢測,通過計數紫外脈沖數,并結合檢測得到的環境參數,從而監測高壓輸電線路狀態。   1 系統總體設計及工作原理   基于紫外檢測法的智能型特高壓驗電器系統的總體結構如圖1所示。該系統采用DSP作為現場智能型特高壓驗電器的核心,其外圍由硬件電路組成,用于采集高壓輸電線路電暈放電信號,并將從紫外傳感器采集到的信號通過現場總線CAN傳送至上位機,上位機管理系統軟件由L-abVIEW開發,主要完成特高壓驗電器檢測參數的顯示和信號分析處理功能。 圖1 系統的總體結構   2 傳感器的選型   紫外線的波長范圍是10~400 nm,太陽光中也含紫外線。波長大于280 nm的部分被稱為UV-C,幾乎全部被大氣中的臭氧吸收,因此通過大氣傳輸的98%是315~400 nm的UV-A,2%是280~315 nm的UV-B,低于280 nm的波長區間稱為太陽盲區。高壓輸電線路放電產生的紫外線大部分波長在280~400 nm之內,也有小部分波長在230~280 nm之內,探測這部分波長的紫外線,可作為判斷放電的依據。   采用特定的紫外傳感器,利用太陽盲區,使儀器工作在波長185~260 nm,而對其他頻譜不敏感,去除可見光源的干擾。紫外傳感器光譜響應特性的上限取決于陰極材料表面的功函數,必須大于4.1eV,一般用W、Mo、Ni等做陰極材料;下限取決于管殼材料透紫波長,透紫玻璃的極限波長是185 nm,適合應用。[!--empirenews.page--]   經過比較分析,選用HAMAMATSU公司的日盲型紫外傳感器R2868,如圖2所示。其技術指標為光譜響應為185~260nm,放電起始電壓為280 VDC,工作電壓為325±25 VDC,工作電流小于30 mA,靈敏度為5 000 cps,背影噪聲小于10 cpm,該傳感器的工作波段采用太陽盲區中的185~260 nm波段,該波段不受太陽輻射的干擾,其靈敏度達5 000 cps,可有效檢測到電暈放電的紫外脈沖。 圖2 日盲型紫外傳感器R2868實物圖   3 系統硬件設計   本系統采用高性能的數字信號處理器TMS320F2812作為核心處理單元,擴展外圍功能電路,如圖3所示,主要包括:紫外傳感器及其驅動電路、溫濕度采集電路、時鐘電路、指示電路、存儲器擴展電路、JTAG接口電路和CAN通信接口電路等。 圖3 硬件系統結構圖[!--empirenews.page--]   3.1 紫外傳感器驅動電路   特高壓驗電器的核心器件是紫外傳感器,其工作電源可采用干電池或者太陽能電池,驅動電路如圖4所示,為了獲得325±25 VDC,前端必須進行DC/AC/DC轉換。逆變器U1輸入電壓為+3.3 V,驅動電路通過橋式整流對逆變器U1輸出的交流電壓進行整流,再通過C26、R3和R4組成的RC濾波電路進行濾波,調整R3和R4的值,將傳感器的工作電壓調到325V左右。紫外線入射時,紫外傳感器放電,電流由充電電容C27提供,并在電阻R7上產生瞬時電流,輸出一個脈沖電壓,引入電容C28可將輸出的脈沖電壓變得平滑穩定;停止放電后,電源向電容C27逐漸充電,陽極電位增加。達到放電起始電壓后,如再有紫外光照射到傳感器上則再次放電。驅動電路包括信號處理模塊,消除了由自然激勵光源引起的背景放電信號。 圖4 紫外傳感器驅動電路   3.2 溫濕度采集電路   高壓輸電線路的電暈放電是一個復雜的過程,利用紫外檢測法必須考慮到周圍環境的影響。具體表現為:空氣污染越嚴重,空氣密度越小,濕度越大,電暈放電越強。這里采用數字式溫濕度傳感器SHT71,在檢測高壓輸電線路電暈放電的同時,將溫度和濕度作為考慮因素,可以更好地檢測其放電情況。   3.3 時鐘電路   DSP工作是以時鐘為基準,如果時鐘質量不高,那么系統的可靠性、穩定性就很難保證。在TMS320F2812上,有基于PLL時鐘模塊,為器件及各種外設提供時鐘信號。鎖相環有4位倍頻設置位,可以為處理器提供各種速度的時鐘信號。時鐘模塊提供2種操作模式:   1)晶體工作模式,該模式允許通過外部晶體為芯片提供時鐘基準;2)外部時鐘源工作模式,此模式下內部的振蕩器將旁路。芯片設備的時鐘由外部時鐘源從XTAL1/CLKIN引腳上輸入。在這種情況下,XTAL1/CLKIN引腳將與外部晶體振蕩電路相連。   本系統用20 MHz外部晶體給DSP提供時鐘,并使用TMS320F2812片上PLL電路。PLL倍頻系數由PLL控制寄存器PLLCR的低4位控制,可由軟件動態地修改。   3. 4 指示電路   為了便于選擇檢測時間和控制背景光等的亮暗,設置了選擇、確認,繼續和背景燈控制3個按鍵。在現代顯示器件發展中,液晶顯示器件以其功耗低、體積小、色調柔和、可與CMOS電路直接匹配和易于實現大規模集成化生產等一系列優點而應用廣泛。這里采用了內藏T6963C控制驅動器圖形液晶顯示模塊MGL(S)-12864T實現特定的漢字顯示。   3.5 存儲器擴展電路   為方便調試和使用方便,設計擴展一個外部數據存儲器,采用ISSI公司的ISLV6416。該器件是一片64 Kx16 b的高速靜態RAM,采用3.3 V電源供電。這里3.3 V電壓信號由電源轉換器TPS75733轉換實現,該芯片可將+5 V電壓轉換成+3.3 V,供DSP工作。 [!--empirenews.page--]   4 系統軟件設計   4.1 下位機軟件設計   下位機軟件采用C語言與匯編語言混合編寫。系統主程序流程如圖5所示。系統上電后先進行各個模塊的初始化,然后開中斷等待中斷事件。當高壓輸電線路存在電暈放電時,DSP通過捕獲單元開始采集電暈放電脈沖數目,然后執行數據處理,最后將數據送液晶實時顯示并通過現場總線CAN上傳給上位機做進一步處理。 圖5 系統主程序流程   4.2 上位機管理系統軟件設計   上位機管理系統軟件的總體設計方案如圖6所示。該系統包含一個主界面,在主界面中主要實現對高壓輸電線路電暈放電紫外脈沖檢測參數和信號波形的顯示,并對信號波形采用小波分析的方法進行分析處理。 圖6 上位機總體設計方案   5 結論   針對特高壓輸電線路電暈放電檢測問題,采用DSP研制了一種基于紫外檢測法的智能型特高壓驗電器系統,經軟硬件聯調,實驗表明,該系統達到預期要求,具有界面友好、操作方便、多功能和抗干擾較強等特點。電暈放電檢測的難點在于如何排除輸電線路上的各種干擾,采用小波分析等信號處理的方法提取干擾信號下的電暈放電脈沖信號是下一步的主要研究工作。  

    時間:2011-03-15 關鍵詞: 方案 DSP LabVIEW 設計教程 高壓驗

  • 使用LabVIEW控制探索頻道望遠鏡

    "我們使用LabVIEW實現了快速原型開發和與外部應用程序庫以及內建調試工具的快速整合。" – Philip Taylor, Observatory Sciences Ltd The Challenge:     為大型光學望遠鏡設計并實現控制軟件,并與網絡分布式控制系統集成。 The Solution:     使用NI LabVIEW軟件創建控制望遠鏡固定控制硬件的系統。 Author(s):     Philip Taylor - Observatory Sciences Ltd Lowell天文臺和Observatory Sciences Ltd.正在與探索通信合作,開發孔徑4.2米的探索頻道望遠鏡(DCT),它將會成為美國的第五大望遠鏡。它是許多現代天體物理學的強大工具,涵蓋太陽系研究到天體、銀河系和外銀河系天文學的基礎工作。 我們使用LabVIEW用于大型物理控制應用,并且將它作為DCT控制系統的主要軟件開發工具,使用LabVIEW共享變量在分布式子系統之間通信。我們使用NI CompactRIO系統用于望遠鏡鏡像智能控制和圓頂控制。此外,我們在環境控制系統中使用NI Compact FieldPoint控制器。 我們選擇使用LabVIEW實現望遠鏡控制系統是因為它是一個集成開發環境,能夠方便地將因特網設施與遠程數據提供商集成,同時在過去類似的項目中,它也展現了快速原型開發功能,并帶來了生產力提升。 我們正在為多個望遠鏡制造控制系統,它們具有一些共同的特性,也包含一些每個望遠鏡所特有的特性和子系統。我們基于LabVIEW設計了靈活的軟件架構支持大規模分布式系統的開發。這提供了一組通用特性,可以大大降低每個望遠鏡定制軟件開發所需的時間。 通用軟件用于在不同的望遠鏡之間重用,并且可以在運行于Linux和Windows操作系統上的LabVIEW之間移植。我們使用LabVIEW開發了用于控制大型分布式控制系統的應用程序,并且創建了通用軟件體系結構,并在多個用于控制專業光學望遠鏡的大型軟件應用中進行了部署。DCT是我們使用這個體系結構完成的第一個系統。我們使用LabVIEW實現了快速原型開發和與外部應用程序庫以及內建調試工具的快速整合。  

    時間:2011-04-26 關鍵詞: LabVIEW 設計教程

  • 基于LabVIEW平臺的寒地日光溫室群遠程監控系統設計

    "通過使用NI產品,我們極大地縮短了系統開發周期和實驗的驗證時間。" – Fulu Wang, Northeast Agriculture University The Challenge:     以NI LabVIEW為軟件核心,集成PCI6221,NI WSN,第三方OMRON PLC 控制器等硬件,共同構建寒地日光溫室群遠程無線監控系統。 The Solution:     通過使用具有良好人機界面和易于編程的LabVIEW,結合基于ZigBee協議的NI-WSN,實現對溫室環境參數的無線測量,傳送,顯示和存儲。使用DSC工具包,通過OPC server易于對溫室控制器OMRON PLC 的讀寫,實現對執行機構快速準確的控制。使用WEB server實現監控系統的遠程監控。 Author(s):     Fulu Wang - Northeast Agriculture University 地處寒地地區(高于北緯43°的地區)的吉林省和黑龍江省是我國的農業大省,目前隨著日光溫室的迅速發展,該地區從國外引進并自行設計了大量日光溫室。經過調研走訪,由于高寒地區冬季惡劣的氣候條件,且溫室均以加溫溫室為主,在實際運行中存在著能耗大,自動運行故障率高,維修成本高,使溫室控制主要靠人工經驗手動管理,這是限制溫室作物高產、優質、高效生產的主要障礙。 本文基于LabVIEW軟件平臺構建上位機監控系統,結合基于ZigBee技術的無線傳感器,實現寒地日光溫室環境信息的無線采集,顯示,存儲。通過LabVIEW DSC Module 中的OPC SEVER,易于實現對PLC的讀寫,從而實時對現場設備進行監控,并通過WEB SEVER實現遠程監控。 監控系統設計     系統整體設計方案如圖1所示。無線傳感器網絡由布置在溫室中的環境溫、濕度傳感器,土壤濕度傳感器及二氧化碳和光照傳感器組成,各傳感器將非電量轉化成隨環境參數改變的電量,以無線的方式傳送至以太網關接收端,再通過以太網接口傳至上位機。上位機運行基于LabVIEW實現的監控界面,實現環境參數的實時顯示,數據庫存儲,打印輸出,參數設置,報警,歷史數據查詢等功能。下位機控制器選用PLC,梯形圖編程簡單,在寒地溫室復雜的環境條件下,控制器可靠性高。    圖1 系統整體方案框圖 監控系統硬件實現     無線傳感器網絡選用NI WSN-3202 。NI WSN-3202測量節點作為一款無線設備,提供4路±10 V模擬輸入通道和4路雙向數字通道。18針螺栓端子連接器可直接與傳感器連接;設備提供的12 V、20 mA電源輸出可以直接為需要外部電源的傳感器供電。直接使用4節1.5V、AA堿性電池為該測量節點供電,4節電池的電量可持續工作3年。采集節點在2.4 GHz頻段上以無線方式將數據傳輸至WSN以太網關;WSN以太網關進而通過以太網連接至其他網絡設備。WSN-3202可配置為網狀路由器(mesh router),以拓展網絡距離并且將更多節點連接至網關。最多8個終端節點(在星形拓撲中)或最多36個測量節點(在網狀拓撲中)可連接單一WSN網關,支持最遠300米戶外視距。 溫度傳感器選用SHT75,濕度傳感器選用SHT75。主要性能指標是:溫度測量范圍-40℃~+123.8℃;精度±0.3℃(在25℃時);響應時間<8s;功耗20Μw(平均值);濕度測量范圍:0-100%RH;精度±1.8RH;重復性精度:±0.1%RH;數字量輸出。土壤濕度傳感器選用5TE。光照度傳感器選用TBQ-6。主要性能指標是:測量范圍0-20萬Lux;光譜范圍400-700nm;測量誤差<2%;電源電壓12/24VDC;輸出可選4-20 mA 、0-20mV。CO2傳感器選用CGS-3100。主要性能指標是:測量范圍0-2000ppm;測量精度±30ppm±5%(0-50℃);響應時間<30s;電源9-18VDC;消耗電流平均50 mA;數字量輸出。 數據采集卡使用NI公司M系列數據采集(DAQ) PCI-6221 卡。PCI-6221是一款低廉的M系列數據采集卡,在計算機上使用。它可以采集模擬信號、數字信號,擁有定時器的功能,同時還具有模擬輸出的功能,該數據該數據采集卡具有高性能的數據采集與控制功能。我們主要使用的是該采集卡的模擬輸入、數字量輸入的功能。用于位置固定的傳感器(如室外氣象站監測)的有線測量以及設備狀態的監測。與無線傳感器網絡共同構建完整集成的有線和無線測量。PCI-6221數據采集卡具有16個模擬輸入通道,2個模擬輸出通道以及24個數字I/O。 下位機控制器選用OMRON PLC CPM2AH 60CDR A,該控制器可靠性高,性價比高,編程簡單,設計周期短。通過計算I/O,本系統一共需要29路輸入,13路輸出。 監控系統軟件設計     系統的軟件設計主要包括上位機軟件設計,和下位機梯形圖編程,本文主要介紹上位機軟件設計。上位機監控界面采樣NI LabVIEW 軟件編程。為了便于操作人員及時掌握現場情況,設計了簡單、自然友好的監視控制界面。軟件系統如圖2所示,其中包括用戶管理模塊、數據采集模塊、參數設置模塊、控制輸出模塊、數據處理與查詢模塊等。    圖2 軟件系統結構圖  數據實時顯示界面如圖3所示,可以實時顯示溫室環境各個參數的信息,并通過設定上下限,實現聲光報警的管理。   圖3實時數據顯示界面  機器狀態顯示與控制模塊如圖4所示,通過選擇手動和自動運行,使用這種虛擬儀器的方式,實現各種現場設備的遠程控制。[!--empirenews.page--]   圖4 機器運行狀態顯示與控制  利用LabVIEW用戶免費開放的數據庫訪問工具包LabSQL,通過Mircosoft ADO 控件和LabSQL語言實現數據庫的訪問。系統把監控的實時數據溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度及各執行器的狀態存入Access數據庫,操作人員可在數據查詢界面通過日期查詢。前面板及程序圖如圖5、圖6所示。   圖5歷史數據查詢   圖6數據查詢程序框圖 上位機軟件與PLC通信實現     NI LabVIEW軟件可以通過多種方式與任何可編程邏輯控制器(PLC)進行通信。用于過程控制的OLE(OPC)定義了在控制設備和人機界面(HMI)之間進行實時對象數據通信的標準。OPC服務器適用于幾乎所有PLC和可編程自動化控制器(PAC)。通過LabVIEW程序訪問PLC數據,可以在解決方案中加入強大的分析和控制功能。 本方案采用基于串口的傳統PLC OMRON CPM2AH。首先通過歐姆龍PLC編程軟件CX-Programmer,完成梯形圖程序的編寫,通過RS232串口線將PLC與上位機相連,上電運行,見梯形圖程序寫入PLC。接下來進行NI OPC服務器的設置。選擇開始》程序》National Instruments》NI OPCServers》NI OPCServers,啟動NI OPC服務器。如圖7所示。在device區單擊鼠標右鍵創建channel,設備驅動選擇omron host link,逐步選擇下一步,完成設置。在剛剛創建的通道PLC上單擊右鍵,選擇創建設備,輸入設備名稱CPM2AH,如圖8所示。這時在右側框,如圖左鍵單擊,添加tag,輸入tag名和地址,配置PLC地址。如圖9所示。至此OPC服務器的設置基本完成。   圖7 NI OPC SERVER 對話框   圖8 新建通道選擇設備驅動   圖9 添加tag 名稱及對應PLC地址  LabVIEW的DataSocket中隱含一個NI 的OPC Client,可通過OPC Client與OMRON的OPC Sever 進行通信,實現數據的交互。下面介紹如何在LabVIEW中利用OPC 建立與PLC的數據連接。在LabVIEW的前面板上生成需進行通信的控件,該控件的數據類型應與OPC中的數據類型一致。在該控件上單擊右鍵,彈出快捷菜單,選擇“屬性/數據綁定/數據綁定選擇/datasocket”設置相應的訪問類型和路徑,這樣將程序中的前面板控件連接到PLC相應的地址,實現對下位機的讀寫。運行LabVIEW程序,改變前面板控件的值,在OPC Scout中可觀察到PLC對應地址上數據的變化;同樣該地址對應的LabVIEW中的變量的值也會改變。至此,基于OPC的PC與PLC實時通信就實現了。 遠程監控實現     通過開啟LabVIEW的Web服務器,可以在網頁上發布LabVIEW程序,使本地或遠程的客戶端計算機可以實時瀏覽或控制Web服務器中的遠程面板,實現生產環境的遠程控制。 使用LabVIEW的Web發布工具:Tools/Options,在彈出的對話框中完成與Web服務器有關的設置和LabVIEW程序的發布。如圖10所示,分別設置Web服務器:配置;Web服務器:可見VI;Web服務器:瀏覽器訪問。通過Tools/Web Publishing Tools對話框,可以將Web內存中的程序,以網頁的形式發布,在客戶端進行瀏覽。 根據客戶端安裝軟件的不同,客戶端對遠程面板有不同的訪問方式。如在Web上瀏覽程序前面板;在Web上瀏覽HTML文件;通過網頁瀏覽器在網頁中操作遠程面板;在LabVIEW中監控遠程前面板;利用LabVNC實現遠程面板發布。 本文選擇使用網頁瀏覽器在網頁中操作遠程面板。需要注意的是客戶端計算機需要安裝免費的LabVIEW Run-Time Engine,安裝占空間約90M大小。 在LAN內,遠程面板的地址格式是:http:// pcname: port / viname.htm;在Internet上,遠程面板地址格式為http://ipaddress:port/viname.htm。 當遠程面板出現在瀏覽器上時,可右鍵單擊鼠標,在彈出的菜單中,可以請求vi控制權,如圖11所示。當多個客戶端同時監控服務器端時,可以多個同時監視,但只能有一個客戶端有控制權,其他的需等待釋放后獲得控制權。 在Web服務器上,通過Tools / Remote Panel Connection Manager,可以對所鏈接的客戶端計算機的連接信息與狀態進行查看和控制。   圖10 Web 服務器配置圖   圖11 遠程監控界面 結論     利用NI公司先進的軟硬件技術平臺,在極短的時間內開發出了一套系統可靠,運行穩定的寒地日光溫室控制系統。借助NI WSN系統,靈活創建完整集成的有線和無線測量解決方案,并通過LabVIEW開發環境訪問各類NI平臺。同時實現了與LabVIEW軟件開發平臺的無縫連接。選定NI公司的產品,無論是在開發的周期還是實驗的驗證都得到了很好的縮短。LabVIEW的開發便捷性在UI界面與系統的開發過程中得到了充分的發揮。通過LabVIEW程序訪問PLC數據,可以在解決方案中加入強大的分析和控制功能。

    時間:2011-04-26 關鍵詞: LabVIEW 程監控 設計教程 溫室群

  • LabVIEW與單片機串口在數據采集系統中的應用

    1.LabVIEW分析 LabVIEW是一種程序開發環境,由美國國家儀器(NI)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使用的是圖形化編輯語言G編寫程序,產生的程序是框圖的形式。 LabVIEW也有傳統的程序調試工具,如設置斷點、以動畫方式顯示數據及其子程序(子VI)的結果、單步執行等等,便于程序的調試。采用數據流編程方式,程序框圖中節點之間的數據流向決定了VI及函數的執行順序。 它主要的方便就是,一個硬件的情況下,可以通過改變軟件,就可以實現不同的儀器儀表的功能,非常方便,是相當于軟件即硬件!現在的圖形化主要是上層的系統,國內現在已經開發出圖形化的單片機編程系統(支持32位的嵌入式系統,并且可以擴展的),不斷完善中(大家可以搜索 CPUVIEW 會有更詳細信息;)。 1.1VISA簡介 VISI俗稱虛擬儀器軟件規范,是所有標準I/O函數庫及其相關規范的總稱,用于完成計算機與儀器之間的連接,實現對儀器的控制。VISI本身并不具備編程能力,是通過調用底層驅動程序來實現對儀器的編程,其層次如圖1所示。VISA是采用VPP標準的I/O接口軟件,其軟件結構包含三部分,如圖2所示。 VISA的I/O控制特點 ①適用于各種儀器類型(如VXI儀器、GPIB儀器、RS-232串行儀器、消息基器件、寄存器器件、存儲器器件等儀器); ②適用于各種硬件接口類型;適用于單、多處理器結構或分布式網絡結構; ③適用于多種網絡機制。 VISA的I/O軟件庫的源程序是唯一的,與操作系統及編程語言無關,只是提供了標準形式的API文件作為系統的輸出。 1.2VISA庫中的串口通訊函數 主要的串口通訊函數調用路徑為:Functions?Instrument I/O?VISA?VISA Advanced?Interface Specific?Serial。 ①VISA Configure Serial Port節點(圖3所示) 該節點主要用于串口的初始化。主要參數如下: VISA resource name:VISA資源名稱,本文指串口號。baud rate:波特率,默認為9600。 data bits:一幀信息中的位數,LabVIEW中允許5~8位數據,默認值為8位。 stop bits:一幀信息中的停止位的位數,可為1位、1位半或2位。 Parity:奇偶校驗設置。可為無校驗、奇校驗或偶校驗。 flow control:該參數數據類型為簇,用于串行通訊中的握手方式。 ②VISA Read節點(圖4所示)? 該節點為串口讀子VI,為本文中的主要節點,將串口中的數據讀出,然后利用LabVIEW的強大數據處理功能對其進行分析處理。主要參數意義如下: VISA resource name:VISA資源名稱,本文指串口號。baud rate:波特率,默認為9600。 byte count:用于設置所要讀的字符數。由于LabVIEW的串行通訊子VI只允許對字符串的讀寫,因此本文中在進行數據處理時,必須要實現字符串與數字之間的正確轉換。其次,若要讀入當前串口中的所有字符,則要執行“VISA Bytes at Serial Port”子VI,用以確定將要讀入的確切的字節數,然后將其輸出作為VISA Read節點的輸入即可。 ③VISA Close節點(圖5所示)? 該節點用于將打開的VISA資源關閉。只有一個主要參數: VISA resource name:VISA資源名稱,本文指串口號。baud rate:波特率,默認為9600。 本文所用LabVIEW串口通訊程序的波特率為9600,8位數據位,無奇偶校驗,1位停止位,硬件握手、禁止軟。 2單片機設計 2.1硬件 MCS-51單片機有一個全雙工串行口其功能非常強大。 該串行口有4種工作方式,由片內的定時器/計數器產生,接收、發送均可觸發中斷系統,使用十分方便,波特率還可用軟件設置。 有2個物理上獨立的接收、發送緩沖器SBUF,對外也有兩條獨立的收、發信號線RXD(P3.0)和TXD(P3.1)。 本文采用RS232串行接口標準,在電氣特性上,RS?232采用負邏輯,要求高低兩信號間有較大的幅度,標準為:邏輯“1”在-5V~-15V之間,邏輯“0”在+5V~+15V之間,通常采用-10V左右為邏輯1,+10V左右為邏輯0。由于MCS-51系統的信號輸入輸出為TTL電平,邏輯1為3.8V左右,邏輯0為0.4V左右,因此,必須外接電路實現TTL電平到RS?232電平的轉換。本文特別采用MAX232E實現此轉換。 采用TLC0831芯片進行數據的采集。TLC0831芯片為8位逐次逼近電壓型A/D轉換器,不需尋址,支持單信道輸入串口輸出,極性設置固定。其主要特點為:8位分辨率;5V的電源提供0~5V的可調基準電壓;輸入輸出可與TTL和MOS兼容。若要提高信號的采樣頻率,只需選擇轉換速度較快的A/D芯片即可。硬件部分原理圖如圖6。 2.2軟件 下面給出單片機軟件部分的主要程序。波特率設置為9600,用定時器1產生波特率,串口工作在方式1,無奇偶校驗。定時器0設定采樣的時間間隔。TLC0831為A/D轉換器數據采樣子程序,SEND為單片機發送子程序。   3結論 虛擬儀器研究的另一個問題是各種標準儀器的互連及與計算機的連接。目前使用較多的是 IEEE 488 或 GPIB協議,未來的儀器也應當是網絡化的。 LabVIEW是一種圖形化的編程語言的開發環境,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 [2]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/IP、ActiveX 等軟件標準的庫函數。這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生動有趣。 由單片機進行前端數據采集,在通過串口與LabVIEW的數據通訊,巧妙的利用LabVIEW強大的信號分析處理功能,開發了一套投資少、操作簡便的數據采集與信息分析系統(其虛擬面板如圖7所示)。從系統運行良好,可以看出本實驗很成功,可以投入市場。  

    時間:2011-12-25 關鍵詞: LabVIEW 設計教程

  • 基于LabVIEW的暖通空調數據采集控制系統設計

    摘要: 暖通空調(HVAC)系統中建立一套對各種水閥、風閥、變風量箱、電加熱器、加濕器以及其他 控制元件進行準確測量及時控制的數據采集控制系統。使用NI公司的LabVIEW Developer Suite,把HVAC系統中各種不同設備統一起來,進行集中采集控制。建立一套基于PC的HVAC數據采集控制系統。 關鍵詞:abVIEW  數據采集 自動控制 暖通空調系統  PID控制 The Application of LabVIEW in the field of HVAC DAQ and Control System By Chen Qian,Weng Wengbing Build a suit of HVAC DAQ and Control System which could take precise data acquisition and control water valve, air valve, VAV box, electrical heater, humidifier and other control elements. Using National Instrument’s product LabVIEW Developer Suite, unite all different devices in HVAC system to take central control. Build a suit of HVAC DAQ and Control System based on PCs. Keywords:abVIEW  Data Acquisition Auto Control HVAC System  PID Control 引言 LabVIEW大量應用在自動控制領域,對于HVAC系統中采用LabVIEW作為上位端軟件還不多見,但隨著LabVIEW 7 Express的發布,LabVIEW已經開始逐漸滲透到各個領域。在筆者所在專業HVAC自動控制領域使用LabVIEW后發現,其功能十分強大,節省系統開發時間,非常適合工程開發人員使用。筆者結合近來開發的一套HVAC系統,對LabVIEW在HVAC數據采集控制系統的應用做個介紹。 1 系統總體結構 HVAC中有大量數據需要采集,通過對數據的采集,來對各項系統參數進行調整。本系統主要由水系統、風系統、控制系統組成。 ● 水系統包括:水冷式冷水機組,冷卻塔,膨脹水箱,冷凍水泵,冷卻水泵,三通調節閥、流量計等附件。 ● 風系統包括:組合式空調箱、送風管道、回風管道、排風管道、VAVBOX以及閥門和其他控制元件。空調箱包括新回風混合段、過濾器、表冷器、電加熱器、送風風機、蒸汽加濕器等。風機變頻控制。新回風管上分別裝有電動調節閥,可調節新回風比例,表冷器前后分別裝有溫濕度測點,空調箱內還裝有噴嘴,用于空氣流量的測量。 ● 控制系統包括:各處的壓力傳感器、溫度傳感器、控制元件、執行器、數據采集儀、計算機、觸摸屏等,可進行建筑環境與設備自動檢測與數據處理。 實驗系統房間共有兩間:Room1和Room2。Room1主要用于建立低溫環境實驗室,因此單獨配備了一套直接蒸發式水冷機組。每個房間內均有一個負荷發生器Ld,用于產生模擬負荷,并且有溫濕度測點。在Room1中,布置一組送回風口,頂送下側回;Room2中布置兩組送回風口,分別為頂送、側回。每個送、回風口上都裝有手動調節閥,可開關或進行調節。房間內布置一個壓差傳感器,可控制房間內的正壓。在兩個房間的送風管道上分別裝有一個壓力無關型VAVBOX。 通過對圖1系統原理圖,大家對系統能有個直觀的認識。 2 數據采集控制系統 系統分為兩部分:數據采集和系統控制。數據采集部分有各種不同數據采集設備。控制部分由PLC(可編程控制器)來完成。LabVIEW能很方便的對計算機串口進行操作,因此LabVIEW可方便的建立計算機串口與PLC串口之間的通信,便捷的獲得PLC中的數據,在計算機中進行PID神經模糊等復雜運算,從而得到需要的數字控制信號,對需要控制的設備進行控制,增強系統的通用性。并可開發出更加豐富的功能。從圖2中可以看出整個數據采集系統中用到的軟硬件部分及它們間的關系。 圖2 采集控制關系圖 [!--empirenews.page--] 通過數據采集系統可得數據有:表冷器水流量,VAVBOX1、2風量反饋,送風濕度,新風溫濕度,低溫室壁掛式溫濕度計溫濕度,變頻壓縮機節流前后壓力,噴嘴壓差,表冷器前后干濕球溫度,蒸發機組壓縮機吸排氣溫度,變頻冷水機組壓縮機吸排氣溫度,冷水機組壓縮機吸排氣溫度,表冷器進出水溫度,熱水箱進水溫度,冷卻塔進水溫度,變頻冷水機組冷卻進出水溫度,變頻冷水機組進水溫度,冷水機組冷卻水進出水溫度,冷水機組進出水溫度。可見需要設置大量的不同得傳感器。 使用的末端傳感器有:PT100鉑電阻溫度傳感器,鉑電阻使用四線制可以提高測量精度,避免沿途數據線電阻對測量的影響。EE10室內溫濕度變送器,產生4~20mA的標準電流信號,為了便于數據采集儀測量和避免信號的失真,在其中加入250Ω的精密電阻,將電流信號轉換為標準的1~5V的電壓信號。壓力傳感器、風閥開度控制器、濕度等信號均是標準的1~5V的標準信號,或者經過轉換成為1~5V的標準信號,便于數據采集儀進行處理。這些信號均為線性或近似線性,可以通過增益和偏移(M×B)把標準信號轉換為我們熟悉的溫度濕度壓力值工程量。例如:采集到的信號為3V,此時的1V對應于0℃,5V對應于100℃,則可以通過: Y=MX+B 算出M=25,B=-25,再把3代入,可得Y=50℃。此部分只需通過使用LabVIEW的Database Toolset工具包和全局變量數據的交換,很容易實現信號的轉換。  數據采集儀:傳感器、變送器產生的標準信號直接進入數據采集儀。數據采集儀采用的是Agilent 34970A數據采集儀(附三塊HP 34901A 20通道銜鐵繼電器多路轉換器)。它可以直接測量熱電偶、電阻溫度測試器、熱敏電阻、直流電壓、直流電流、交流電流等。電源電流、電壓、功率和頻率通過PF9833三相PWM專用測試儀來測量。通過使用NI-VISA協議,可對串口讀寫操作,很方便的完成了數據的交換,見圖3。 圖3 LabVIEW中NI-VISA串口讀寫 控制系統PLC與PC的通信也同樣使用了NI-VISA協議進行通信。通過把命令請求寫入(Write)串口,設備對命令分析識別,把命令請求的數據通過RS-232接口返回到計算機,再通過對串口讀操作(Read),從而獲得設備采集的數據。對于不同設備有不通的命令。Agilent 34970A使用的是SCPI(Standard Commands for Programmable Instruments)可編程儀器標準命令集。PF9833則使用了另外的命令集。不同設備不管使用什么協議,通過NI-VISA都可和容易建立設備與計算機間的通信。對于PLC,需要編寫設備端程序。要求程序實現獲得命令后,對命令進行分析識別,把相應數據送出。 信號控制使用西門子SIMATICS7-300 PLC,部分對控制有影響的采集信號進入PLC,進行PID分析運算,產生控制信號,對風閥、風機、水泵、加熱器等進行控制。PLC帶有的RS-232通訊接口,直接與計算機建立通信。PC獲得進入PLC的各種信號,也可在計算機中進行更為復雜的運算,產生數字控制信號返回PLC,再由PLC對各種需要控制的設備進行控制。 本系統可通過觸摸屏對整個系統發出控制指令,觸摸屏的每個開關都對應于PLC各個開關觸點,相當于PLC的鍵盤,可對整個系統的各種參數進行調整。例如可以對風閥的開關,風機、水泵、電加熱器的啟停,各個PID控制設備P、I、D(比例、積分、微分)三個參數的設置進行相應的操作,系統流程圖可清晰的從中反映出來。 由于使用了大量的串口來進行數據的通信,需添置一塊多串口卡,用于連接多個串口設備。 3 LabVIEW程序 通過LabVIEW圖形化設計很容易設計出漂亮美觀的用戶界面。見下圖4所示。在使用Agilent 34970A數據采集儀時可對溫度、電壓、電流等各種參數進行測量,在進行采集時涉及到參數需要更改的情況,我們 使用了NI的數據庫連接工具包(Database Connectivity Toolset),直接在一個已經編輯好的數據庫(Hpsetting.mdb)里編輯所改變采集通道的參數,然后在運行程序時選擇是否需要下載新的設置到數據采集儀,使數據采集儀相應設置改變,以采集到正確的數據。設置參數有通道號、通道描述、輸入類型、范圍、周期、延遲、觸發、鉑電阻阻值以及標定等。只要是使用Agilent 34970A數據采集儀采集數據,程序就不需要進行大的修改,節省了開發成本和時間,提高程序的通用性。 控制上使用了NI PID工具包,可對需要進行控制的部件進行PID控制,利用該工具包可以節省我們大量開發時間。LabVIEW一個很大的特點就是提供了大量的可用控件,控件提供輸入輸出,通過線連接輸入數據,就可很方便的從輸出口得到需要的控制命令。 4 實驗 LabVIEW和眾多系統中各種傳感器配合,在系統調試中發揮了很大的作用。所需數據通過一臺普通裝有LabVIEW的計算機就能顯示出來。調試中的數據用LabVIEW來進行分析顯示,觀察系統是否達到了預定的要求。 在系統中使用了LabVIEW軟件,在硬件上不需要做太多的更改。各項所需測量控制參數在系統調試階段已經設置好,后面就只需在軟件界面和各項參數組合上做工作。   在冷水機組數據采集控制實驗中,界面如圖4,開啟空調系統,通過數據采集設備獲得當前溫濕度信號。獲得數據經過PID運算,輸出控制信號,最終通過對PID參數的調節(更改界面中的PID參數,經過PC對PLC的控制,達到控制設備的目的)使得溫濕度參數最終穩定在設定值附近,達到了實驗控制的目的。最后可以通過NI的報告生成工具包(Report generation toolset)把實驗中保存的數據以報表的形式打印出來。 硬件亦不需做大的調整,主要集中在軟件的編畫(LabVIEW為圖形化語言)上。因為縮短軟件的開發時間,使得整個數據采集控制系統的開發時間也大大縮短。 5 結論 LabVIEW在系統開發上有很大的優勢。從系統建設時間來看,用LabVIEW來進行軟件編程和同一系統的PLC編程相比,所花的時間更少、程序界面設計更容易更美觀。用PLC來編程,并使之通過可視的界面顯現出來(我們這里使用了MCGS嵌入式圖形界面),是兩個系統都需要進行設計的工作。而LabVIEW把兩者都集于一體,通過簡單的PC,就能對LabVIEW進行編程設計,最終在很短的時間內開發出我們需要的界面和功能,直至最終的產品。使用LabVIEW不僅在時間上優勢明顯,在系統的再開發上也有極大的優勢。如果系統需要開發一個新的功能項目,在系統中加入某一傳感器測量元件進行信號測量,然后再在LabVIEW中設計界面分析顯示,很快就能達到想要結果。對于筆者所做的這一需要不斷改進的系統,LabVIEW無疑是最好的選擇。

    時間:2012-03-07 關鍵詞: LabVIEW 設計教程 空調數

  • LabVIEW嵌入式心音身份識別系統方案

    心音身份識別是指一種利用人體心音信號進行身份識別的技術,心音是心臟及心血管系統機械運動狀況的反映,包含了心臟各個部分本身及相互之間作用的生理和病理信息。因此,心音信號在不同的人身上有著完全不同的特征并且具有極高的穩定性,可以用作生物識別技術的識別特征。心音信號除了很難偽裝,偽造及篡改外還具有容易獲取的優勢,因此人體心音信號可以為一種新型生物識別方法。 本文開發了一種基于LabVIEW的嵌入式心音身份識別系統,該系統使用方便靈活,能夠實現對用戶身份的注冊、辨識和確認。 1、心音信號身份識別原理 心音信號用于個人身份識別主要包括兩步:特征提取和模式匹配,特征提取是從心音信號中提取到唯一的表現被測者身份的有效且穩定可靠的特征,模式匹配是對訓練和鑒別時的特征模式做相似性匹配,本文采用基于梅爾頻率倒譜系數(MelFrequencyCepstrumCoefficient,MFCC)特征提取和矢量量化(VectorQuantization,VQ)模型匹配的識別算法設計心音身份識別系統。 MFCC主要運用于說話人識別,它將頻譜轉化為基于頻率的非線性頻譜,然后再轉換到倒頻譜上。 對MFCC做適當的改進,即可適用于心音的身份識別。根據心音信號的頻域特性,Mel濾波器組截止頻率選擇為500Hz;由于心音信號具有準周期性,沒有語音信號那么強的非平穩性,所以信號的幀長選擇為256ms而非語音信號的20ms;MFCC系數選擇為32階,并且心音信號的高階MFCC系數所含信息更多,加上一階差分的系數可使信號動態特性強。VQ是由標量量化推廣和發展而來的。標量量化是用若干個離散的數字值來表示每一個幅度具有連續取值的離散時域信號,矢量量化則是將若干個幅度連續取值的時域采樣信號分成一組,即構成矢量,然后用若干離散的數字值來表示各種矢量,在模式識別的研究中,需要完成對每一個所要識別的矢量進行分類的任務。基于VQ的心音身份識別模型,相對于其它的識別模型(如高斯混合模型)來說,計算簡單,具有實時性。 2、系統實現 2.1硬件系統實現 本系統硬件由上位機和下位機組成,整體結構如圖2所示。上下位機之間通過HC-06藍牙模組進行通信,HC-06藍牙模組采用CSRBC04藍牙技術,內置藍牙天線,發射功率為Class2,靈敏度可達-80dBm。 下位機以dsPIC數字信號處理器為核心來控制心音信號的采集、放大以及ADC,而后通過HC-06藍牙模組(從)將心音信號發送到上位機,下位機主要包括模擬電路和數字電路兩部分。模擬電路包括心音傳感器,30Hz高通、500Hz低通Butterworth濾波器和增益可調節音頻放大器。心音傳感器由聽診器探頭、駐極體話筒和導管組成;Butterworth濾波器都為4階,選用Sallen-Key結構,該結構可于進行獨立的增益設定。增益可調節音頻放大器選用LM4811,其CLOCK和UP/DN腳與dsPIC的RG6、RG7腳相連,實現對心音信號放大的控制。數字電路主要是dsPIC主控芯片和HC-06藍牙模組,選用dsPIC33FJ128MC506作為主控芯片,系統時鐘設為40MHz,采樣頻率設為2kHz,波特率設為11.5kbps;模擬信號經其12位ADC轉換為數字信號后由UART傳輸至HC-06藍牙模組(從)發送。 上位機是以工控主板為核心的終端,對心音信號進行顯示、分析、存儲和識別。包括HC-06藍牙模塊(主)、TTL-RS232電平轉換電路、工控主板以及液晶觸摸顯示屏,HC-06藍牙模塊(主)接收傳輸的心音信號通過電平轉換電路將TTL電平變為RS232電平;工控主板通過RS232接口連接藍牙模組(主)完成心音信號的接收工作;液晶觸摸顯示屏則作為人機交互設備,通過LVDS總線和USB總線與工控主板相連,LVDS總線傳輸視頻信號,USB總線傳輸觸摸信號。 2.2軟件系統實現 選用自行設計的WindowsEmbeddedStandard操作系統,由于它是組件化的XP系統,不需要設計文件系統和開發驅動程序,大大縮短了開發周期和開發難度。獨特的增強型寫過濾器技術將選定的磁盤I/O重新路由到內存或其它的存儲媒體,從而讓操作系統認為您的只讀存儲器是可寫的;可定制開機畫面和自定義殼作為系統啟動的運行Shell,防止人為惡意修改系統配置或是誤操作而破壞系統,保證平臺穩定和數據安全。 3、心音身份識別軟件開發 本文使用LabVIEW虛擬儀器開發基于MFCC特征提取和VQ模式匹配算法的心音身份識別軟件,軟件設計過程中需要用到NI公司的DatabaseConnectivityToolkit工具包,DatabaseConnectivityToolkit提供完整的SQL功能,使用MicrosoftADO技術與大多數常用數據庫連接,實現與本地或遠程數據庫的交互式操作。心音身份識別軟件實現3個功能:用戶注冊、用戶辨識和用戶確認,每個功能都有獨立的功能界面,利用Subpanel實現動態載入界面。 用戶注冊分為兩步:第一步為基本信息的輸入存儲,包括用戶名、年齡、性別等;第二步為采集心音信號,提取其MFCC特征參數,利用LBG算法生成一個最佳碼本存儲在本地的數據庫中。用戶辨識是1:N的模式,采集待識別的用戶的心音信號,提取MFCC特征參數,與本地數據庫中已經存在的所有用戶碼本進行比較,根據最小平均量化失真度準則,選擇最優碼本進行匹配。用戶確認則是1∶1的模式,首先用戶輸入已注冊的用戶名,而后采集待識別的用戶的心音信號,提取MFCC特征參數,與用戶指定身份的碼本進行比較,如果其平均量化失真度小于既定的閾值,則確認其身份。 今后將研究基于自適應增強技術的心音去噪方案,提高識別算法的魯棒性;雖然在本次小容量模板實驗情況下EER為6.67%,但在大容量模板情況下,為保證EER仍然是一個比較小的值,用戶確認模式下的閾值選取將是下一步研究的重點。 4、結束語 本文在MFCC特征提取和VQ模式匹配識別原理的基礎上,基于LabVIEW開發了一種嵌入式心音身份識別系統,具有用戶注冊、用戶辨識和用戶確認功能。在小容量心音模板下具有較高CRR和較低EER,充分證明了嵌入式心音身份識別技術的可行性,這將為當前社會所面臨的各種身份鑒定和信息安全問題提供一種準確率高、防偽能力強的生物識別新設備。

    時間:2012-04-17 關鍵詞: 方案 LabVIEW 設計教程

  • 使用圖形化的開發環境——LabView開發嵌入式系統

    傳統設計模式所應對的挑戰 嵌入式系統正在滲入現代社會的各個方面,廣泛地應用于航空航天、通信設備、消費電子、工業控制、汽車、船舶等領域,據統計,在美國平均每個中產階級家庭要使用40~50個嵌入式系統。巨大的市場需求推動了嵌入式系統向更高的技術水平發展。設計師們一方面采用性能更強大的嵌入式處理器如32位、64位RISC芯片取代傳統的8位、16位微處理器;另一方面嵌入式系統也由單處理器單操作系統的傳統結構向混合型Multi-core系統發展,通過采用多個處理器和OS提高系統并行度來提高系統運行效能,并且設計師們往往同時采用MPU、DSP和FPGA等多種可編程器件來增強處理能力,滿足應用功能的升級。 嵌入式系統復雜性的不斷增加給設計師們帶來了很大的挑戰,代碼長度呈指數級增加,根據十年前的估計,嵌入式系統的平均代碼量為10萬行,到2001年實際已經超過了100萬,而現在估計為500萬。第三方獨立市場預測機構EMF在對900多名嵌入式系統開發人員進行調研后指出,超過50%的嵌入式設計比預期時間晚上市,而平均延遲高達4個月;在已發布的產品中,有近30%的設計未達到預期的功能和指標。由此可見,隨著嵌入式系統復雜性的不斷增加,軟件工程的重要性毋庸置疑,而大部分的嵌入式系統開發人員都缺乏這方面的專業訓練。與此同時,隨著嵌入式系統的廣泛應用,越來越多領域的專家比如機器人設計師、控制工程師、測試工程師需要使用嵌入式技術來構建他們的系統,他們既缺乏嵌入式系統的專業知識,也不一定經過軟件工程的專業訓練。因此,無論是嵌入式系統本身的發展,還是開發人員的專業限制,都需要一種新的設計模式和解決問題的途徑來應對目前的挑戰。 嵌入式系統開發工具的發展趨勢 隨著嵌入式系統的快速發展和復雜性的不斷增加,基于文本的編程方式所面臨的挑戰愈發嚴峻,這種編程模式在將來不可能徹底解決問題。加州大學伯克利分校嵌入式研究專家EdwardLee博士指出,現有的嵌入式系統的開發手段如基于文本編程和面向對象的工具都難以用來構建嵌入式實時系統,因為面向對象很難直觀地表達時間和平行性(parallelism),而時間和平行性或并行(concurrency)在現在的嵌入式系統中是必不可少的。面向角色(actor-oriented)的圖形化方法是更適合嵌入式軟件設計的工具。 應對嵌入式系統所面臨的挑戰,工程師們已經有了一些解決的方向,比如采用實時多任務編程技術和交叉開發工具技術來控制功能復雜性、簡化應用程序設計、保障軟件質量和縮短開發周期。但是現有的嵌入式系統開發工具非常多,全世界嵌入式處理器的品種總量已經超過1000種,流行體系結構有30多個系列,在其上運行的操作系統環境也非常多樣化,包括VxWorks、QNX、Linux、Nuclears、WinCE等等。不僅各種操作系統有各自的開發工具,在同一系統下開發的不同階段也有不同的開發工具。如在用戶的目標板開發初期,需要硬件仿真器來調試硬件系統和基本的驅動程序,在調試應用程序階段可以使用交互式的開發環境進行軟件調試,在測試階段需要一些專門的測試工具軟件進行功能和性能的測試等等。最合理的解決方案是向基于平臺的工具轉移,它能夠更好地表達整個系統,減少與特定硬件以及操作系統的相關性,使更多的軟件設計和算法容易理解并被重復使用;而從基于文本的工具向圖形化工具的轉移則可以直觀地表達系統,圖形化系統設計(GraphicalSystemDesign)的理念就是源于這兩大趨勢。通過簡化嵌入式編程的復雜性,降低了對工程師在嵌入式設計流程中各個步驟的要求;同時提供了從設計、原型到部署,從軟件調試、功能測試到生產檢測的統一環境,使得工程師們可以更快速地進行重復設計。 在嵌入式系統中實現圖形化已經成為大勢所趨,現在市場上的工具都在向圖形化的方向轉變,但往往僅限于基于嵌入式操作系統的圖形界面開發;而且由于它們是針對特定硬件或操作系統的工具,與硬件和操作系統平臺有很大的相關性,這不足以徹底解決行業將要面臨的挑戰的。現在市場需要的是一種完全的圖形化編程語言,提供足夠的靈活性和功能,以滿足更廣泛應用的需求。因此,圖形化系統設計的關鍵因素是圖形化編程。 對于時間和平行性的支持 20年來,科學家和工程師一直在使用LabVIEW為他們的設計實驗室、驗證實驗室和生產現場構建自動化數據采集和儀器控制解決方案,并在這些應用領域成為業界的事實標準。其核心在于,LabVIEW圖形化編程語言使沒有太多軟件背景的技術專家能夠快速搭建高級自動化測量和控制系統。和傳統的文本編程相比,LabVIEW天生是一種并行結構的編程語言,而時間和并行性在現在的嵌入式系統中是必不可少的。比如,LabVIEW在已有的定時循環結構上新加了硬件定時功能,它是一種表示時間和并行的語義,可以設置操作系統優先級、延時、循環速率等等,如圖1所示。如果我們將圖1所示的兩個并行任務的執行目標擴展到嵌入式對象,比如FPGA或微處理器,就可以發現通過編程環境的一致性和可升級性,LabVIEW能夠容易地實現和管理嵌入式系統的并行性。回想在文章前面所提到的向多處理器轉移的趨勢,現在我們可以憧憬使用可擴展的直觀圖形化編程來開發應用,并將處理過程分配到不同的處理器上。 圖1LabView對兩個并行任務的編程 支持多種算法設計 談到嵌入式系統設計,人們所指的其實包括兩部分工作:算法設計和固件設計。對于嵌入式系統設計來說,另一個關鍵要求是軟件平臺必須能夠兼顧實時嵌入式設計中常見的多種算法設計,即計算模型。這些計算模型符合系統設計師們籌劃系統時的方式,從而降低從“系統要求”轉換到“軟件設計”的復雜性。近年來LabVIEW已經包含了多種計算模型以更好地滿足不同專業背景的嵌入式系統開發者的需求。LabVIEW現在可以通過連續時間仿真、狀態圖、圖形化數據流模型和基于文本的數學語言mathscript等多種方式來表達各種算法,同時它提供了很多交互式的工具用來幫助數字濾波器、控制模型、通信系統的設計以及數字信號處理算法的開發,從而在這些頂層應用中進一步簡化設計師的工作。[!--empirenews.page--] 快速構建原型—溝通虛擬世界與物理世界的橋梁 如前所述,很多設計比預期時間晚上市,并且有一些在投入市場以后發現未達到預定的功能和指標,因此必須采取一定的措施來加快設計流程、提高設計質量。一種解決方案就是更早地將真實世界的信號和硬件引入到設計流程之中,進行更好的系統原型化,從而在早期就發現并修正潛在的問題。 但是在任何設計和開發流程中,基于軟件設計和仿真工具的虛擬世界與電子或機械測量的物理世界之間有一個很大的鴻溝,而LabVIEW平臺最明顯的價值就是在虛擬和物理世界的鴻溝上建一座橋梁。物理測量是與設計和仿真完全不同的挑戰,要求與廣泛的測量和控制硬件緊密集成,并以優化的性能處理大量的通道數或超高速吞吐量。LabVIEW平臺經過不斷演進,在物理測量領域具有很高的性能和靈活性。更重要的是,LabVIEW平臺是開放的,設計人員可以將測量數據與仿真結果相映射,甚至互換仿真和物理數據,以用于設計中的行為建模或者以仿真激勵驅動物理測試,從而更有效快速地進行系統原型構建。 嵌入式系統開發人員如果要定制硬件用于最終的發布,很難同時并行地開發軟件和硬件。而如果直到系統集成測試的時候才引入I/O用真實世界的信號檢驗設計,一旦發現存在問題,那就意味著很難在預期時間完成設計任務了。大多數設計師當前用評估板來進行系統的原型化,但是,原型板往往只具備少量的模擬和數字I/O通道,也很少支持視覺、運動或同步的功能。此外,設計師經常因為需要傳感器或特殊I/O的支持而花費大量時間來開發定制的原型板,而這些僅僅是為了設計概念的驗證。使用靈活的、商業化的原型平臺可以大大簡化這個過程,消除其中硬件驗證和板級設計的大量工作。對于大多數系統,原型化平臺必須包括最終發布系統的同樣部件,比如用于執行算法的實時處理器、用于高速處理的可編程邏輯器件,或者將實時處理器接口到其他部件。因此,如果這個商業化的系統不能滿足所有的要求,那么這個平臺必須是可擴展的,并且支持自定義。NI提供了各種硬件平臺與LabVIEW集成,完成從設計、原型到部署的全過程。例如使用LabVIEW和NI可重復配置I/O(RIO)設備或NICompactRIO平臺,可以快速而便捷地創建嵌入式系統的原型。 例如BostonEngineering公司要開發一種牽力控制機用于數碼照片打印系統。其中,彩色墨盒通過驅動馬達饋送到打印頭,由卷帶電機和推進電機來控制牽力。切割機底盤的振動、每次打印的照片數目和每個電機的速度變化都會影響到底層的牽力。控制系統通過兩個電機的位置來保證卷帶和推進的牽力處于設定范圍之內,否則就會有色差。設計的牽力控制硬件需要兩個脈寬調制輸出來控制電機,兩個編碼器將轉速反饋給電機,兩個模擬輸入通道連接霍爾傳感器用來測量位置,兩根數字線用于信令。傳統的原型板無法滿足這些要求,需要使用可以自定義I/O的原型平臺,因此他們使用CompactRIO平臺來進行原型化工作。他們在嵌入式控制器中運行管理程序,在FPGA中運行電機控制算法,這種資源配置使得原型化構建和最終系統發布在編程模式上是非常相似的。為了在FPGA中運行控制算法,他們將ZPK(zero-pole-gain)模型轉化為LabVIEW數字濾波器設計工具包中提供的一種濾波器,由于這個工具包支持LabVIEWFPGA代碼的自動生成和優化,所以原先的ZPK模型就可以直接轉化成能夠在FPGA上運行的代碼。另外,他們還使用這個工具包對原先的浮點算法進行了定點轉換,以節約FPGA資源,并對量化后的模型進行測試、驗證、修正從而得到預期的結果。通過這種原型化方式,他們節約了大量的開發時間。 發布到任何32位處理器 LabVIEW包括一個廣泛的工具集,該工具集構成了一個用于設計、控制和測試的圖形化開發平臺。新的NILabVIEW嵌入式開發模塊是LabVIEW圖形化編程環境的一款全新附加模塊,是一個開放的框架,它可以集成任意的第三方工具鏈,將生成的C代碼與LabVIEW運行庫函數和板卡支持程序包,編譯成為針對某一目標并能在之上運行的二進制代碼。通過LabVIEW嵌入式開發模塊和工具鏈,可以發布到運行任何操作系統的任何的32位處理器。該模塊包含了近千個內建的庫函數,涵蓋了高等算法、文件I/O、邏輯和信號處理各個方面。原先無法利用到嵌入式編程的工程師們都可以進入32位微處理器的領域之中,通過LabVIEW中附加的狀態圖、控制圖表、信號處理庫函數等這一完整的工具來設計他們的應用,解決各種問題。此外,通過LabVIEW嵌入式方式,工程師和科學家可以使用一種叫做內聯C節點(InlineCNode)的新特性,整合現有的嵌入式代碼,來保持LabVIEW的開放架構。另外,在LabVIEW嵌入式項目環境中,還可以直接添加用C或者匯編開發的源代碼,或者庫文件,幫助開發人員充分利用以前的工作成果。 圖2內聯C節點 LabVIEW嵌入式環境的調試功能非常強大。除了用于快速調試的圖形化用戶接口顯示件、探針、斷點和函數單點調試之外,LabVIEW嵌入式開發模塊為代碼調試提供了另外兩種無縫的接口。在嵌入式目標平臺上,工程師可以使用“儀器調試”通過TCP/IP、RS232或CAN進行調試。使用內建的片上調試接口,工程師可在不影響程序性能基礎上通過工業標準協議如JTAG、BDI和Nexus等進行調試。 減少與特定硬件以及操作系統的相關性 基于平臺的工具,需要能夠表達整個系統,而減少與特定硬件以及操作系統的相關性。在傳統的開發模式中,嵌入式目標本身要求程序員在編寫代碼之前對目標有深入的了解。程序需要知道板卡上各種關于內存映射和寄存器的信息,才能在板卡上執行他們的代碼。另外,大部分代碼是專為某一特定目標編寫的。這樣,在一塊板卡上使用不同的微處理器或是不同的外圍設備,可能就需要重新編寫大部分已有的代碼,或是完全從頭開始。這意味著最終產品的擴展性方面是有缺陷的。使用LabVIEW嵌入式開發模塊,工程師和科學家們不需要了解最終的目標就可以進行代碼開發,因為軟件生成的是LabVIEW應用的ANSIC代碼,而不是針對某個特定目標的二進制代碼。如圖3所示,灰色區域的部分對于開發員來說是透明的,他們在開發過程中不需要了解目標硬件上內存映射和寄存器的情況。同時,LabVIEW嵌入式方式是一個開放的框架,它可以整合任意的第三方工具鏈,將生成的C代碼、LabVIEW運行庫函數和板卡支持程序包(BSP)編譯成為針對某一目標并能在這個目標上運行的二進制代碼。BSP是一種作為C代碼與板上外圍硬件接口的底層代碼。因此,如果板卡需要升級,工程師可以簡單地將不同的BSP鏈接到LabVIEW中,在現有的圖形化代碼上作一小部分改動就可以完成。[!--empirenews.page--] 圖3LabView嵌入式模塊的開發流程 與目標無關的代碼開發意味著工程師和科學家不再需要等待硬件確定之后再開始設計算法。這樣并行的工作和效率的提升,使開發周期和產品上市時間大大縮短。最后,所生成的LabVIEW代碼不是針對某個特定平臺的,所以您很容易升級到新的硬件。 結語 LabVIEW為嵌入式系統開發提供了一個跨越多種、多代產品的連貫性的平臺,使設計人員能夠多年重復并改進其設計,而不必替換其整個工具集或者重新學習不同的設計方法,從而使設計的速度和質量得到提高。同時,其圖形化的編程模式使得更多的工程師和科學家可以使用他們的專業知識開發嵌入式應用,而不需要再依賴嵌入式方面的專家。使用統一的環境進行設計、原型到部署,LabVIEW為嵌入式系統開發提供了前所未有的革新方式。

    時間:2012-05-12 關鍵詞: LabVIEW 設計教程

  • LabView嵌入式開發模塊五大技術要點

    無論使用什么設計語言,不良的編程技術都會給一個應用的性能帶來負面影響,對一個嵌入式應用尤其如此。盡管對于絕大部分應用來說,高效率的編程技術是重要的,但對于嵌入式應用所工作的資源極度缺乏的環境,則要求對性能和存儲器管理給予特別的關注。   本文的討論將圍繞著新的LabView嵌入式開發模塊進行,這種新工具為嵌入式應用開發人員提供了圖形化系統設計手段。該工具允許用戶直觀地設計算法 并進行交互式調試。下面是一些有助于編程師更有效使用LabView開發嵌入式應用的技巧。這些技巧中的許多也適用于其它高級工具。   動態分配存儲器技術   動態存儲器分配是一項編程師應盡可能避免的復雜操作。例如,如果動態分配出現在將數據存儲到數組內的一個循環內,那么它尤其有害。避免在一個循環內動態分配存儲器的常用方法是在該循環開始執行前,為每個數組預分配所需的存儲空間。   移位寄存器與隧道技術   LabView的移位寄存器與隧道使數據進/出循環。工程師還利用移位寄存器在一個循環的每次執行之間傳遞數據。當數據用一個輸入隧道傳進一個循環 時,LabView必須拷貝該數據并將該拷貝數據送出來進行下線修改。為了確保原始數據對該循環的下次迭代執行時保持不變,這樣做是必需的。工程師也可以 通過用一個移位寄存器把數據傳進該循環的方法來避免拷貝。這樣就消除了不必要的拷貝,從而加快了運行速度。   循環中的大常數技術   如果在循環內部放置一個常數,會使循環的每次執行都拷貝這個數據,從而加大執行時間和存儲器使用率。工程師可以避免這個情況,做法是把該常數移出該循環,或者用本地變量把數據傳遞到循環中。   數據類型強制轉換技術   LabView開發環境只要有可能就自動地處理數據類型的沖突,其做法是把較小的數據類型轉換成較大的數據類型。例如,如果在一個整數和一個浮點數之 間發生一個類型沖突,那么LabView就把該整數轉換成一個浮點數,隨后再執行運算操作。這個轉換的代價是昂貴的,而且在許多情況下是不必要的。在大多 數情況下,工程師可以通過為每個變量選取正確的數據類型來避免強制轉換。但是,如果該數據必須被強制轉換,則應在將其送去進行操作運算或函數計算前就完成 轉換,這樣效率將會更高些。   簇技術的應用   當把異構數據捆綁到易管理的數據包中時,簇是有用的,比如說C語言結構(C Structs)。然而,此時除了要考慮的全部數據外,數據內容的相關信息也必須和這些數據一起傳遞。因此,有的時候,尤其是在把數據傳到subVI時, 相對于一個捆綁的簇而言,未捆綁的數據元素可以增加用戶應用的運行速度。   盡管類似LabView這樣的高級編程語言有助于工程師更快地部署其應用,但注意可提高代碼性能的細節是很重要的。通過注意這些細節,有助于工程師快速開發一個高效率的應用。

    時間:2012-07-09 關鍵詞: LabVIEW 設計教程

  • 基于LabVIEW平臺和GPIB接口的測試系統開發及應用

    計算機技術和大規模集成電路技術的發展,促進了數字化儀器、智能化儀器的快速發展。與此同時,工程上也越來越希望將常用儀器設備與計算機連接起來組成一個由計算機控制的智能系統。而工程中常用儀器設備種類繁多、功能各異、獨立性強,一個系統往往需要多臺不同類型的儀器協同工作,應用一般串、并行接口難以滿足要求。為此,人們從60年代就開始著手研究能夠將一系列儀器設備和計算機連成整體的接口系統。GPIB正是這樣的接口,它作為橋梁,把各種可編程儀器與計算機緊密地聯系起來,從此電子測量由獨立的、傳統的單臺儀器向組成大規模自動測試系統的方向發展。GPIB的用途十分廣泛,現已廣泛用于計算機與計算機之間的通訊,以及對掃描儀、圖像記錄儀、數字存儲示波器、頻譜儀等儀器的控制中。 1 系統組成及特點 典型的GPIB測量系統由PC機、GPIB接口卡和若干臺(最多14臺)GPIB儀器通過標準GPIB電纜連接而成,如圖1所示。系統具有以下四個顯著特點:     (1)GPIB接口編程方便,減輕了軟件設計負擔,可使用高級語言編程; (2)提高了儀器設備的性能指標。利用計算機對帶有GPIB接口的儀器實現操作和控制,可實現各種自動標準、多次測量平均等要求,從而提高了測量精度; (3)便于將多臺帶有GPIB接口的儀器組合起來,形成較大的自動測試系統,高效靈活地完成各種不同的測試任務,而且組建和拆散靈活,使用方便; (4)便于擴展傳統儀器的功能。由于儀器與計算機相聯,因此可在計算機的控制下對測試數據進行更加靈活、方便的傳輸、處理、綜合、利用和顯示,使原來儀器采用硬件邏輯很難解決或無法解決的問題迎刃而解。 基于上述研究,利用GPIB接口卡和帶有GPIB接口的存儲示波器組成了測試系統,如圖2所示。 2 系統組態及功能 2.1 GPIB接口性能     GPIB是一個數字化24腳(扁型接口插座)并行總線,其中16根線為TTL電平信號線,包括8根雙向數據線、5根控制線、3根握手線,另8根為地線和屏蔽線。GPIB使用8位并行、字節串行、異步通迅方式,所有字節通過總線順序傳送。 2.2系統連接方式 圖3所示為GPIB總線與兩個獨立設備之間的連接圖。系統采用NIAT-GPIB/INT接口卡,它是NI公司配備的符合VISA標準的GPIB接口,在LabVIEW平臺上,利用NI提供的GPIB接口驅動程序和TDS420存儲示波器的驅動程序即可對系統進行組態與編程控制。系統中每個設備(包括接口卡),須有一個0到30之間的GPIB地址。GPIB接口卡設置為地址0,儀器的GPIB地址從1到30。GPIB由一個控者(PC機)控制總線,在總線上傳送儀器命令和數據,控者尋址一個講者,一個或多個聽者,數據串在總線上從講者向聽者傳送。LabVIEW的GPIB軟件包自動處理尋址和其他的總線管理功能。     2.3 系統應用軟件結構 測試系統應用軟件分為三類:與GPIB設備通訊的子VI;信號采集與處理子VI;處理各層界面和實現多媒體技術的子VI。 在LabVIEW平臺上的GPIB編程有兩種方式,即傳統的GPIB方式和針對即插即用協議的VISA方式。本系統采用VISA方式編程。VISA是虛擬儀器軟件結構體系的簡稱,它是在LabVIEW工作平臺上控制VXI、GPIB、RS-232以及其他種類儀器的單接口程序庫。采用了VISA標準,就可以不考慮時間及儀器I/O選擇項,驅動軟件可以相互兼容使用。大多數VISA功能模塊使用了VISA session參數,VISA session是每次程序操作過程的唯一邏輯標識符。它標識了與之通訊的設備名稱以及進行I/0操作必需的配置信息。 PC機通過AT-GPIB/INT接口卡與TDS420存儲示波器通訊的框圖程序如圖4所示。PC機通過GPIB接口卡給TDS420以命令,而TDS420又通過它把控者(PC機)要求的數據反饋給控者。通訊子VI包括VISA Open(打開通訊過程)、VISA Write(把數據串寫入指定設備)、VISA Read(從指定設備中讀入數據)、VISA Close(關閉由VISA session指定設備的通訊過程,釋放系統資源)等功能模塊,使用VISA功能模塊向指定設備(泰克TDS420數字存儲示波器GPIB接口)讀寫數據以實現通訊。 信號采集與處理及各層界面設計均在LabVIEW平臺上,利用其各種強有力的功能模塊可以快速靈活地實現各種功能。     2.4 測試系統功能 測試系統的具體功能如下: (1)系統可直接讀取TDS420示波器的時域測量數據。TDS420示波器可進行十七項時域指標測量,主要包括信號周期、頻率、峰—峰值、幅值、均值、有效值、時延、正負脈沖寬度等等;     (2)實時數據采集。 本系統可同時對兩路隨機噪聲信號進行實時數據采集,并可根據信號頻率設置采樣頻率和采樣點數; (3)利用LabVIEW的Advanced Analysis軟件庫進行信號的動態分析與處理。本系統利用其互相關分析模塊實現對兩路隨機信號的互相關分析, 從而找到時延τ,并確定固體表面速度:V=d/τ; (4)在軟面板上輸出顯示信號的時域波形、互相關函數波形及信號的頻譜,同時實時給出固體表面速度V的測試結果。 測試系統運行界面如圖5所示。圖中通道1、2所示時域波形為經GPIB接口卡通訊的實測隨機相關信號波形;經互相關處理后的互相關函數波形如圖所示;圖中渡越時間測試值為TDS420存儲示波器實測兩時域信號的延時值(單位:ms)并回送給控者(PC機);計算值則為在LabVIEW平臺上經信號分析計算后所得的兩時域信號間的延時值(單位:ms)。[!--empirenews.page--] 基于LabVIEW平臺的測試系統有兩個顯著特點:(1)采用NIAT-GPIB/INT接口卡實現對TDS420示波器的控制,從而完成實時測試;(2)采用VISA標準編程。作為通用I/0標準,VISA具有與儀器硬件接口無關的特性,VISA資源管理層是應用與儀器之間的橋梁,所有對儀器的操作都需要它來管理,從而保證測試系統有條不紊地運作,控制器對儀器的訪問都通過指針實現,這種面向對象的技術使獨立的系統很容易擴展成分布式系統,以適應各種測試領域的要求。

    時間:2012-10-16 關鍵詞: LabVIEW gpib 設計教程

  • 基于LabVIEW的SFP光模塊測試平臺的設計與實現

    基于LabVIEW的SFP光模塊測試平臺的設計與實現

    摘 要: 介紹了一種利用LabVIEW構建SFP(Small Form-factor Pluggable)光模塊測試平臺的方法。測試平臺通過讀寫計算機并口來映射地址上的數據,控制并口端口的邏輯電平實現計算機并口模擬I2C總線。計算機利用模擬的I2C總線與SFP光模塊實現通信。分析了生產者/消費者結構隊列狀態機并用于設計中,該設計模式可以及時響應前面板動作或外部事件,并且使得狀態機的狀態變換更加靈活多變。關鍵詞: SFP光模塊; 生產者/消費者結構隊列狀態機; 計算機并口模擬I2C總線  隨著近幾年光通信的迅速發展,光通信接入網對實現光電、電光轉換的光收發模塊的要求越來越高,光收發模塊的測試也越來越復雜。早期一般使用Visual Basic、Visual C++開發測試軟件,存在開發周期長、測試效率低等問題,本文提出了使用LabVIEW虛擬儀器技術來完成測試工作的方法,解決了測試成本高、測試效率低、測試系統松散等問題,同時它還具備遠程測試以及儀器定制或自制等特點。虛擬儀器技術已經深遠地影響著測試測量領域,是企業和科研單位的測試工作的重要解決方案之一。本文正是利用此項技術解決了SFP光模塊測試平臺開發的幾個關鍵問題。1 SFP光模塊測試軟件的設計1.1軟件結構  軟件由四個界面構成,實時監控界面、閾值設置界面、校準界面和光模塊信息設置界面。實時監控界面是軟件的主界面,它顯示數字診斷功能[1]中的五個模擬量與其Alarm和Warning標志;閾值設置界面的功能是設定Alarm與Warning閾值,當實時監控值不在閾值內時會出現工作異常警示;校準界面主要是解決數據漂移,從而保證測得數據準確;模塊信息設置界面是完成光模塊在出廠前信息設置。軟件運行的過程中用到的數據庫是由Access數據庫構成。如圖1所示為軟件結構圖。1.2計算機并口模擬I2C總線 I2C總線由四種信號組成:開始信號、停止信號、響應信號和數據發送。在計算機并口產生這些信號就要對數據地址、狀態地址和控制地址進行程序設計和控制。在LPT1端口中,它們對應的地址分別為0x378、0x379和0x37A。計算機并口中的8個數據端口分別對應0x378中的B7~B0;5個狀態端口分別對應0x379中的B7~B3;4個控制端口分別對應0x37A中的B3~B0。如果在以上地址的某一位上寫1,計算機并口的對應端口就會產生邏輯電平高。I2C總線的SDA和SCL分別需要并口的兩個端口模擬,這是因為計算機并口的特性,對地址中的數據的操作要么一直讀操作要么一直寫操作。 對LPT1端口地址操作要使用LabVIEW函數庫中的Out Port函數和In Port函數。Out Port函數和In Port函數是在指定的16位I/O端口地址讀取和寫入帶符號的整數。讀操作要先利用In Port函數讀取LPT1端口地址上的整數數據,再轉化為無符號數據并求出特定位的布爾量,最后得到該位對應端口的邏輯電平。寫操作就是先利用In Port函數讀取LPT1端口地址上的整數數據,再轉化為無符號數據并修改其中某一位的值,最后利用Out Port函數把修改后的數據轉化為整數數據并寫入LPT1端口地址,從而改變對應端口的邏輯電平。 I2C總線的四種信號通過SDA和SCL的組合形式如下:(1)開始信號:在SCL高電平期間,SDA由高變為低,將產生一個開始信號;(2)停止信號:在SCL高電平期間,SDA由低變高,將產生一個停止信號;(3)應答信號:傳輸一個字節后的第9個時鐘,若從設備把SDA拉低,表明有應答信號,反之則無;(4)數據傳輸:數據傳輸過程中,數據的改變都必須在SCL低電平期間,在SCL為高電平期間必須保持SDA信號的穩定[2]。 按照時序要求依次可以編寫出I2C start、I2C send、I2C ack和I2C stop四種I2C總線信號的vi,其中I2C send這個vi既能發送地址又能發送數據。最后由這些vi組成如圖2所示的完整I2C總線數據傳輸。1.3 生產者/消費者結構隊列狀態機 設計模式是在解決問題的過程中,由一些良好思路的經驗集成的。在LabVIEW中,它包括結構、函數、控件和錯誤處理的布局,它形成了一個通用的結構來完成一些常見的任務。設計模式可實現模塊重用,并提高軟件生產效率和質量[3]。 生產者/消費者結構是一種常用的設計模式,它主要用于數據采集系統。一般的數據采集系統包括數據采集、數據分析和結果顯示三個步驟。如果將這三個步驟按照常規的順序執行,則數據分析導致的時間延遲會增大數據采集的周期。采用生產者/消費者結構的數據采集系統,它通過并行的方式實現多個循環,可以很好地解決這一問題。一個循環不斷地采集數據(生產者),另一個循環不斷地處理數據(消費者),這兩個循環互相通信,但又不產生干涉。 隊列狀態機也是一種常用的設計模式,它對經典狀態機做了很大的改進。在經典狀態機中,移位寄存器的狀態轉移方式受限于每個循環間隔內一個指定新狀態或應用程序的狀態。而隊列狀態機則通過LabVIEW的隊列結構緩存一個隊列的多狀態,使得應用程序的任何狀態都可以通過調用Enqueue Element函數在該隊列的后端增加任意數量的新狀態,這類似于先進先出緩沖器。  生產者/消費者結構隊列狀態機最早是由Anthony Lukindo提出和改進,它結合以上兩種設計模式優點,其結構示意圖如圖3所示。 從圖中可以看出,該設計模式由四部分組成:隊列引用、事件循環、主循環和并行子vi。事件循環和并行子vi為生產者,主循環是消費者,生產者和消費者之間的消息與數據的傳遞是通過隊列引用來實現的。事件循環由Event結構和While循環組成。主循環由Case結構和While循環組成,其中Case結構有兩個,分別是主Case結構和錯誤Case結構。隊列引用是由LabVIEW中的隊列操作中的函數組成,其中最常用的函數為Obtain Queue、Enqueue Element、Dequeue Element和Release Queue等。圖中的虛線是指并行子vi可以不通過隊列引用而和主循環進行連接。 生產者/消費者結構隊列狀態機的實現如下:Obtain Queue函數和Enqueue Element函數在While循環左側初始化隊列。枚舉類型定義控件端子連接到Obtain Queue函數的數據類型端子,這樣就可以指定隊列的數據類型。枚舉常量由枚舉類型創建,并連線到Enqueue Element函數的端子。Initialize狀態是添加到隊列中的第一項,它是狀態機執行的第一個狀態。Dequeue Element函數位于主Case結構之外的錯誤Case結構的NO Error事例中。如果在錯誤簇中沒有出現錯誤,則下一狀態就會從隊列移出,并傳送到主Case結構的選擇器端子;如果發生錯誤,則有General Error Handle VI來報告錯誤,并且執行Shutdown狀態。Case結構的每個事例中,事件循環和并行子vi都可以使用Enqueue Element函數來增加其他的狀態。此外,為了能夠立即執行,可以使用Enqueue Element At Opposite End函數在隊列的前端增加一個狀態。這使得應用程序能夠及時響應高優先級的操作或事件。當用戶要退出應用程序時,必須利用Release Queue函數釋放隊列引用,同時釋放隊列所占用的內存空間。 當隊列中需要傳遞狀態和數據時,隊列元素數據類型就需要由一個簇組成,這個簇包括一個與變體打包到一起的枚舉類型定義。通常,該枚舉類型包含了事例選擇器中需要的狀態。變體用來將數據從時間循環或并行子vi傳遞給主循環,這些數據的傳遞體現了生產者/消費者結構。同時,這個變體可以是多種類型的數據,但是必須為其中每個成員指定一種數據類型。  SFP光模塊測試程序首先初始化隊列引用和主界面中的控件,然后進入檢測光模塊。如果檢測到光模塊的插入,則主程序會讀取數字診斷功能中電壓、溫度和偏置電流等。在大部分時間里,主程序都是在輪詢地讀取這些數據。如果用戶在前面板有操作,此時事件循環將利用Flush Queue函數把隊列清空,然后加載下幾個狀態,及時地響應用戶的操作并且最后回到讀取數字診斷功能中模擬量。2 測試與驗證2.1測試環境  測試平臺的硬件包括計算機、測試板、并口線、電源以及待測光模塊。首先在計算機中安裝本文開發的測試軟件,其次利用并口線把計算機和測試板連接起來,再次把待測光模塊插入到測試版中,并加載電源,最后打開測試軟件進行測試。  連接到I2C總線的器件輸出端要是漏極開路或集電極開路才能執行傳輸的功能。因為計算機并口不滿足這兩種結構,所以本設計中在并口外接2N3906使得SDA和SCL滿足集電極開路結構。2.2 I2C總線驗證  為了保證光模塊測試平臺穩定地工作,必須測試I2C總線通信的穩定性。利用 I2C總線對EEPROM進行連續讀或者連續寫。在圖4中,C1和C2信號是對Z1和Z2信號框內部分的放大,這部分是主設備向從設備寫數據。 主設備首先發送器件地址0xA0,在第9個時鐘,從設備給出了一個拉低SDA的應答信號。主設備然后發送寄存器地址0x00,同樣得到了應答信號。最后發送要寫入的數據0x55。圖中的兩個時間標尺測量出寫入數據操作距離下一次操作的時間,這個時間要大于等于5 ms。重復此讀寫過程10 000次,沒有錯誤則證明I2C總線非常穩定。2.3 光模塊測試軟件的驗證 如圖5所示,是對一個Maxim DS1856方案的光收發模塊的檢測結果。 其中5個模擬量的監控值直接反映光模塊的工作狀態。表1是DS1856方案實測值與軟件監控值對比。 在SFF-8472協議中規定了每個模擬量的精度范圍:溫度誤差在±3℃之內;電壓誤差不超過廠家標稱值的3%;偏置電流誤差不超過廠家標稱值的10%;發射功率誤差在±3 dBm之內;接收功率在±3 dBm之內。通過表1結果顯示,此測試軟件滿足SFF-8472協議規定的誤差范圍。 本文使用LabVIEW設計實現了針對SFP光收發模塊的測試平臺。重點介紹了測試軟件與SFP光模塊的I2C總線通信的實現,論述了生產者/消費者結構隊列狀態機設計模式,提供了對該設計模式的具體實現方法,并把它應用在SFP光模塊測試軟件。該測試平臺已經應用到企業的實際生產過程中,減少了對SFP光模塊測試工作量,提高了測試效率,并且保證了所需的測試精度,具有一定的工程應用價值。參考文獻[1] SFF-8472 specification for diagnostic monitoring interface for Optical Transceivers Rev 10.4[S]. 2009-01.[2] The I2C-Bus specification version 2.1[S]. 2000-01.[3] Blume, Peter A. The LabVIEW style book[M]. Prentice Hall, 2007-03.[4] 程社成.帶數字診斷功能的小封裝光模塊研究[D].武漢:武漢理工大學,2006.

    時間:2019-03-12 關鍵詞: 測試 模塊 LabVIEW 平臺 設計教程

  • LabVIEW嵌入式技術應用于ADI Blackfin處理器

      ADI公司和NI公司聯合宣布推出用于ADI Blackfin處理器的LabVIEW嵌入式模塊 的試用版本。這一產品的推出使得設計工程師能輕松地獲得一個無縫的、圖形化數據流開發示例,直接部署到ADI Blackfin處理器。有了這一直觀的軟件工具,更多工程師可以利用嵌入式技術提高工作效率,并縮短設計至應用所需的時間。       “對于與NI的合作,ADI感到非常愉快。通過將LabVIEW 圖形化開發環境和我們最先進的Blackfin處理器以及其他開發工具集成起來,極大地提高了嵌入式設計者的工作效率。”ADI公司集合平臺暨服務組總經理Jerry McGuire先生表示“全新LabVIEW嵌入式技術所提供的開發環境是行業最頂尖的技術,用于ADI Blackfin處理器的LabVIEW嵌入式模塊為域工程師帶來了簡化的嵌入式編程方式,并為傳統設計工程師帶來了高層的圖形化工具——幫助企業縮短產品上市時間。”      此次推出的試用版本基于LabVIEW嵌入式技術,并包含Blackfin專屬的、hand-optimized分析和信號處理功能、集成的I/O(例如視頻和音頻DAC、ADC和CODEC),以及on-chip調試功能。工程師們可以使用直觀的圖形化數據流開發示例設計他們的應用系統,并將C代碼集成到他們的LabVIEW圖例,獲得更多的功能。全新LabVIEW軟件通過無縫地集成ADI VisualDSP++開發和調試環境(可實時、直觀地進行調試,直接部署至Blackfin處理器),縮短應用所需時間。用于ADI Blackfin處理器的LabVIEW嵌入式模塊的試用版本還能輕松地連接到NI測試測量硬件,在開發過程的初段部署外部仿真和測試算法。       “從前,工程師們依賴一小部分專家通過低層的、基于文本的編程語言(例如匯編或C語言)為他們的嵌入式應用編程。”NI研發高級副總裁Tim Dehne先生表示“有了用于ADI Blackfin處理器的LabVIEW嵌入式模塊試用版本,NI和ADI將攜手幫助更多的工程師和科學家們開發嵌入式應用。采用ADI Blackfin處理器以及高效的LabVIEW軟件,更多的嵌入式設計理念和項目將變為現實。”      LabVIEW嵌入式技術加強了圖形化LabVIEW平臺,更好地應用于快速仿真、設計、原型、實施及驗證嵌入式應用。作為一個設計工具,LabVIEW通過強大的、高級的圖形化編程語言,極大地加快了原型開發和設計實施的速度。工程師和科學家們現在可以在Blackfin或者NI CompactRIO嵌入式控制系統上使用LabVIEW進行仿真和快速原型,然后再部署到他們自定義的目標硬件。      通過這一全新的LabVIEW模塊,更多工程師和科學家們可以使用ADI Blackfin處理器——此處理器是第一款專為滿足嵌入式音頻、視頻和通訊應用的計算要求和動力限制而設計的16/32位嵌入式處理器。ADI Blackfin處理器結合了一個帶有16位雙倍累計(MAC)信號處理功能的32位RISC-like指令組,和在通用微處理器中簡單易用的屬性。動態動力管理通過同步調整運行頻率和電壓,使得很多需要電池運行的應用獲得了動力上的突破。得益于代碼的可兼容性,所有Blackfin處理器都能提供設計上的便攜性能。      ADI和NI計劃年底推出正式的用于ADI Blackfin處理器的LabVIEW嵌入式模塊。工程師們可以訪問www.ni.com/info,輸入Blackfin,了解更多試用版信息。也可以訪問www.analog.com/blackfinlabview,了解更多Blackfin處理器信息。

    時間:2005-08-22 關鍵詞: adi LabVIEW blackfin 嵌入式技術

  • NI發布LabVIEW8.5控制設計與和仿真模塊

    最新版軟件為模式控制添加PID和模型預測控制功能 新聞發布-2008年4月-美國國家儀器有限公司(簡稱NI)宣布推出其NI LabVIEW8.5控制設與仿真模塊。作為LabVIEW圖形化系統設計平臺的擴展,該模塊可以幫助工程師和科學家們分析開環模型的狀況,設計閉環控制器,仿真系統以及創建實時操作。該模塊最新版本引入了全新的設計功能,如解析比例積分微分(PID)以提高系統的閉環的穩定性和對于多變量系統的模型預測控制。LabVIEW控制設計與仿真模塊還帶有18個全新的“.m”文件函數來擴展對LabVIEW MathScript的支持,以簡化諸如建模、定義模型如何連接和分析系統的穩定性等任務。 “LabVIEW控制設計與仿真模塊使得開發對開式船只(split hopper vessel)的動力定位的時間大大減少,” SEAPLACE(西班牙馬德里的一家遠洋海上工程公司)控制工程師Miguel Taboada說,“該模塊可以輕松模擬不同的控制算法,并且不需要使用任何硬件就能進行代碼測試。當在仿真中獲得滿意的結果,還能夠再使用模塊創建的圖形代碼,將它發布到實體硬件并進行調試。所有這一切僅需一天就能完成。”LabVIEW控制設計與仿真模塊提供了最新的省時特性,即解析PID。就經驗來看,工程師和科學家們必須通過實驗不斷調整控制器,以找出合適的PID控制器增益值。解析式PID,為工程師提供了自動尋找特定系統模型的一系列PID的增益值的功能,以避免設計時發生意料之外的結果,提高系統的穩定性。 最新版本的模塊還包含了模型預測控制(MPC)功能,這一算法被廣泛使用在復雜過程控制的工業應用中,以控制多輸入多輸出(MIMO)系統。工程師可以使用模型預測控制(MPC)功能構建控制器,在輸出的設定點(SetPoint)實際發生變動之前調整控制行動。這種預測模型行為的能力與傳統的反饋相結合能夠進行控制器的微調,以盡可能地獲得最優控制。 “模型預測控制是業界非常有效的一項技術,但是對對文本編程不熟悉的工程師而言卻不以上手,”Michael Grimble(ISC有限公司技術總監兼蘇格蘭格拉斯哥Strathclyde大學工業控制中心工業系統教授)說,“在LabVIEW控制設計與仿真模塊中加入模型預測控制(MPC)功能之后,NI以一個簡單的實施操作界面,提供了非常直觀的工具。工程師們可以更輕松地進行諸如汽車和航空航天領域中的過程控制或者機械控制應用,而學術界也能在開發高級控制時更方便地預測模型行為控” LabVIEW控制設計與仿真模塊能夠方便地和NI軟件集成,如LabVIEW狀圖模塊,可用于基于事件的控制設計和仿真;和LabVIEW實時模塊,用于快速控制原型設計和硬件在環應用以及系統發布。工程師和科學家們更可以將之與NI LabVIEW系統辨識工具包 以及NI I/O設備結合,來開發可靠的基于測量的控制器。 查找更多LabVIEW控制設計和仿真模塊信息,請訪問www.ni.com/embeddedcontrol 關于NI 美國國家儀器有限公司(National Instruments,簡稱NI)致力于為測試測量、自動化和嵌入式應用領域的工程師和科學家們帶來革命性的理念,從“虛擬儀器技術”提升到“圖形化系統設計”,幫助他們實現更高效和優化的設計、原型到發布。NI為遍布全球各地的25000家不同的客戶提供現成即用的軟件(如NI LabVIEW圖形化開發平臺),和高性價比的模塊化硬件。NI總部設在美國德克薩斯州的奧斯汀,在近40個國家和地區設有分支機構,共擁有4500多名員工。在過去連續9年里,NI被《財富》雜志評選為“全美最適合工作的100家公司之一”。想了解更多關于NI的信息,請訪問ni.com/china,或致電800-820-3622。

    時間:2008-05-05 關鍵詞: ni發布 LabVIEW 控制設計 8.5

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