基于LabVIEW的傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陸鵬

摘要：在LabVIEW下開發(fā)了基于鐵鳥試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)用的兩款新型傳感器測(cè)量的測(cè)控系統(tǒng)，內(nèi)部軟件部分通過串行接口與PC通信，研究了基于LabVIEW和RS485通信接口的軟、硬件設(shè)計(jì)方法，構(gòu)成基于LabVIEW的測(cè)控系統(tǒng)。通過兩款傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)分析，同時(shí)與其他加裝傳感器數(shù)據(jù)對(duì)比，表明基于LabVIEW的傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠完成對(duì)高溫壓力傳感器和油液品質(zhì)傳感器的精確測(cè)量。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；RS485；數(shù)據(jù)采集

LabVIEW是Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench的縮寫，即試驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)，是美國(guó)國(guó)家儀器公司為數(shù)據(jù)采集、儀器控制和虛擬測(cè)試等領(lǐng)域而研發(fā)的開發(fā)平臺(tái)。

LabVIEW程序又稱為虛擬儀器，它的表現(xiàn)形式和功能類似于實(shí)際的儀器，可用于采集、分析、顯示和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。程序主要由前面板、框圖程序和圖表連接端口組成，前面板中包含眾多控件，只需要將各個(gè)控件用鼠標(biāo)拖到前面板的指定區(qū)域，便可以使用該控件的功能。為用戶提供了簡(jiǎn)明、直觀、易用的圖形編程方式。

LabVIEW不僅可以與數(shù)據(jù)采集、視覺、運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備等硬件進(jìn)行通信，還可以與GPIB、PXI、VXI、RS232和RS485等儀器進(jìn)行通信。從1986年發(fā)布的LabVIEW1.0至今，每一個(gè)版本都對(duì)測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域帶來巨大幫助。使用LabVIEW開發(fā)的程序以其開發(fā)周期短，效率高，成本低的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被越來越多的采用和認(rèn)可。

本文基于RS485通信和LabVIEW軟件平臺(tái)研發(fā)了一套液壓油液溫度和油液品質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有可視化的監(jiān)測(cè)界面，可實(shí)時(shí)顯示液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并可供用戶查詢歷史數(shù)據(jù)以便進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

圖1為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，PC機(jī)主要對(duì)液壓系統(tǒng)中的油溫、壓力、介電常數(shù)、油液品質(zhì)等參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)及顯示。傳感器將環(huán)境參數(shù)和發(fā)電信息采集過來，通過A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)在傳感器內(nèi)部進(jìn)行將數(shù)據(jù)處理后緩存并通過RS485接口發(fā)送。傳感器與PC機(jī)之間采用RS485轉(zhuǎn)RS232通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。PC機(jī)將接受到的數(shù)據(jù)處理后保存并及時(shí)顯示。實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

測(cè)試中主要使用高溫壓力傳感器、新型油液品質(zhì)傳感器檢測(cè)，由于這些傳感器均安裝于液壓試驗(yàn)臺(tái)上，距離測(cè)控間距離大于50m。而PC機(jī)串行口為標(biāo)準(zhǔn)的RS232C接口，最大通信距離僅為15 m。無法適用于遠(yuǎn)距離的監(jiān)測(cè)。

選用RS485串行接口標(biāo)準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信管理。串口通信采用RS485協(xié)議進(jìn)行，其傳輸距離較長(zhǎng)，適用于從高溫壓力傳感器、新型油液品質(zhì)傳感器檢測(cè)到測(cè)試設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。RS485采用差分信號(hào)負(fù)邏輯，邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（2～6）V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（2～6）V表示。

RS485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。RS485最大的通信距離約為1219 m，最大傳輸速率為10Mb/s，傳輸速率與傳輸距離成反比。

2 軟件設(shè)計(jì)

傳感器輸出為RS485信號(hào)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為RS232后與PC機(jī)相連。由于兩類傳感器的通信方式均為RS485通信，除數(shù)據(jù)解析部分，軟件設(shè)計(jì)基本一致，以MEMS高溫壓力傳感器為例進(jìn)行說明。

使用串口前，串口配置參數(shù)必須確定：波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位。對(duì)于高溫壓力傳感器通信而言，波特率為9600，數(shù)據(jù)位8bit，無校驗(yàn)位，停止位1。設(shè)置完成后才能對(duì)串口進(jìn)行初始化，并等待200ms保證串口初始化已完成。

完成串口初始化后，清一次緩存，確保緩存中無數(shù)據(jù)后開始檢測(cè)串口讀緩存區(qū)的數(shù)據(jù)，由于高溫壓力傳感器的數(shù)據(jù)格式（ASCII碼）為：

P=±XX.XXX（空格0X20）T=±XXX.XX（回車0X0A）。

數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為38字節(jié)，故當(dāng)緩存區(qū)數(shù)據(jù)大于38字節(jié)時(shí)表明一包完整的數(shù)據(jù)已經(jīng)進(jìn)入緩存，此時(shí)開始讀取，以0X0A為標(biāo)志判斷數(shù)據(jù)結(jié)尾。由于數(shù)據(jù)位ASCII碼表示，故數(shù)據(jù)的前9字節(jié)為壓力數(shù)據(jù)，偏移2字節(jié)，讀取7字節(jié)，以ASCII碼轉(zhuǎn)換為即為壓力測(cè)量值。同樣地，偏移12字節(jié)后讀取7字節(jié)，以ASCII碼轉(zhuǎn)換后即為溫度測(cè)量值。

對(duì)于新型油液品質(zhì)傳感器而言，數(shù)據(jù)格式為

數(shù)據(jù)（介電常數(shù)） 數(shù)據(jù)（溫度） 結(jié)束

00 00 00 00 00 00 0A

數(shù)據(jù)發(fā)送由高位->低位順序發(fā)送，其中介電常數(shù)的轉(zhuǎn)換公式為：

介電常數(shù)=碼值×100/0XFFFFFF

溫度轉(zhuǎn)換公式：

溫度值=（碼值×0.0922237-1000）/3.85

新型油液品質(zhì)傳感器的數(shù)據(jù)共7字節(jié)，介電常數(shù)與溫度數(shù)據(jù)各3字節(jié)，最后以0X0A結(jié)尾。因此，取前3字節(jié)計(jì)算碼值按照介電常數(shù)公式計(jì)算出介電常數(shù)測(cè)量值。將數(shù)據(jù)偏移3字節(jié)后截取3字節(jié)，按照溫度轉(zhuǎn)換公式計(jì)算溫度測(cè)量值。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

當(dāng)傳感器處于工作狀態(tài)時(shí)，運(yùn)行VI程序。程序運(yùn)行過程控制可以控制數(shù)據(jù)開始采集、暫停/繼續(xù)采集、退出采集。數(shù)據(jù)采集及曲線設(shè)置實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集間隔、報(bào)警上下限以及對(duì)實(shí)時(shí)溫度曲線、溫度上下限曲線、平均溫度曲線顯示顏色的設(shè)置。通過對(duì)保存的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看到傳感器的數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)比加裝的其他傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，見圖3、圖4。

由圖4可以看出，在整個(gè)匹配性試驗(yàn)過程中，MEMS高溫壓力傳感器測(cè)得的壓力信號(hào)與P102傳感器處理后的數(shù)據(jù)趨勢(shì)、大小基本一致，能反映出泵出口壓力實(shí)際變化情況。

壓力差最大值為0.1986Mpa，出現(xiàn)在469s處。平均差值為0.1483MPa，相比于21.5Mpa的壓力穩(wěn)定值，其偏差百分比為：0.1483/21.5×100%=0.69%，

4 結(jié)束語

在測(cè)試計(jì)算機(jī)的VI中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在試驗(yàn)中，與其他的加裝傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，經(jīng)實(shí)際對(duì)比，數(shù)據(jù)精確可靠，所示。通過RS485實(shí)現(xiàn)了傳感器與測(cè)控計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)試驗(yàn)配置與管理、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙常壽，陳征詳，樊蓉.基于LabVIEW和NI-VISA的RS232串口通信程序設(shè)計(jì)[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2015，01：68-70.