基于上位机软件平台的数据采集装置的设计与应用_开题报告

一、文献综述- 1 -

1、国内研究现状- 3 -

2、国外研究现状- 4 -

二、^范文提纲- 5 -

摘要- 5 -

引言- 5 -

1、虚拟仪器的简述- 6 -

2、上位机LabVIEW的认识- 6 -

2.1、LabVIEW的简介- 6 -

2.2、LabVIEW语言的特点- 6 -

3、下位机Arduino的认识- 6 -

3.1、Arduino的概述- 6 -

3.2、Mega2560单片机参数- 6 -

3.3、Arduino通信与输入输出接口- 6 -

4、硬件系统架构- 6 -

4.1、系统总体概述- 6 -

4.2、硬件系统的构成- 6 -

5、LabVIEW软件平台设计- 6 -

5.1、LabVIEW用户前面板设计- 6 -

5.2、LabVIEW串口通信设计- 6 -

5.3、LabVIEW程序设计- 6 -

6、结论- 6 -

致谢- 6 -

参考文献- 6 -

文献综述

虚拟仪器技术作为全新结构概念的测试仪器最早出现于1986年，是由美国NI公司推出的图形化虚拟仪器软件LabVIEW。在数据采集装置中虚拟仪器技术表现出传统仪器无法比拟的优势，是整个装置的核心组成部分，

虚拟仪器就是有计算机，软件，模块式硬件组成，通过软硬件组合并配置后模拟了传统的硬仪器功能，充分利用通用计算机和模块化的硬件来搭建一台高性能的测量仪器。虚拟仪器充分发挥了计算机的能力，计算机软件平台有强大的数据处理能力，可以创造出功能更强大的仪器；用户可以根据自己的需要定义和搭建各种仪器，使用更加灵活。

数据采集装置上位机软件平台综述：

LabVIEW是一种利用图标替代文本行创建的应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序的执行顺序，而LabVIEW采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流决定了程序的执行顺序。它用图表表示函数，用连线表示数据流向。LabVIEW程序被称为VI（Virtual Instrument），即虚拟仪器，这是因为它的很多界面控件与操作都是模拟了现实世界中的仪器仪表，例如示波器与万用表等。LabVIEW的核心概念就是“软件即是仪器”即虚拟仪器的概念。

文献[10]中指出应用LabVIEW的数据处理库完成了对信号采集、处理、显示、存储和回放。这与传统的数据采集系统相比其价格低廉，使用性强，开发周期短，数据处理简单、方便，大大缩短了开发的周期。

上位机主要工作：LabVIEW将Arduino单片机采集到被测环境的二氧化碳、光照度，等模拟信号数据进行数据处理。然后将处理完的计算结果在LabVIEW上位机软件平台的虚拟仪器上进行数据显示。同时根据用户的需求设定二氧化碳浓度及光照度的上下限值，当二氧化碳浓度或光照度数据达到上限值或者下限值时，可通过LabVIEW上位机软件平台对现场需要联动的设备进行自动控制或手动控制，同时上位机将设备开启或关闭的反馈信号显示在面板上。

数据采集装置下位机硬件平台综述：

Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Arduino IDE)。由一个欧洲开发团队于2005年冬季开发。主要包含两个主要的部分：硬件部分是可以用来做电路连接的Arduino电路板；另外一个则是Arduino IDE，你的计算机中的程序开发环境。你只要在IDE中编写程序代码，将程序上传到Arduino电路板后，程序便会告诉Arduino电路板要做些什么了。

Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。板子上的微控制器可以通过Arduino的编程语言来编写程序，编译成二进制文件，烧录进微控制器。对Arduino的编程是利用 Arduino编程语言 (基于 Wiring)和Arduino开发环境(基于 Processing)来实现的。

下位机主要工作：Arduino单片机将二氧化碳、光照度传感器的模拟信号进行数据采集，通过串口通讯将采集的数据传递到上位机，同时判断上位机是否有数据指令下发，当上位机根据读取到的数据要对现场的设备进行控制时，上位机会对下位机发出控制指令，Arduino单片机读取到上位机指令时立即发出数字控制信号对现场相应的设备进行开启或关闭控制，同时将设备是否已开始或关闭的反馈信号传送到上位机。

LabVIEW与Arduino串口通信综述：

串口通信（Serial Communications）的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。比如IEEE488定义并行通行状态时，规定设备线总长不得超过20米，并且任意两个设备间的长度不得超过2米；而对于串口而言，长度可达1200米。典型地，串口用于ASCII码字符的传输。通信使用3根线完成，分别是地线、发送、接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。为了更好的实现通信，减少在通信的过程中出错，本系统中还制定如下的通信协议：校验帧+采集命令码，在数据采集帧中设置0x55和0xAA为校验帧。0x11为温度的命令码，0x12为湿度的命令码，0x13为光照度的命令码，0x14为开灯的命令码，0x15为关灯命令码。

文献[9]中指出运用串口通讯及虚拟仪器技术成功地实现对光强、温度等传感器信号的实时采集。试验表明，基于LabVIEW的串口数据采集与数据分析效率高、功能全、操作简单、功能强大，具有良好的可移植性，能够很好地满足用户要求。

文献[7]中指出基于LabVIEW开发了数据采集系统，该系统实时采样，实时显示，且精度较高，数据准确，能够对各种电源模块的电压、电流参数精确测量，再通过参数修正，保证了数据的准确性。通过实际检验，采用硬盘对数据高速存储防止了因上位机故障而数据丢失的问题，硬盘中数据准确，达到了高速存储的要求，信号数据准确，精度较高，其工作状态和性能良好，设备正常工作。

数据采集的应用：二氧化碳以及光照度的数据采集在实际生活中的各个领域都有应用，比如在国内目前的绿色建筑、智能建筑中应用最广泛的就是在建筑设备自动化系统，即智能建筑5A系统中的BAS系统；系统通过采集室内的二氧化碳含量来决定送风及排风设备的启停，以达到保证新风量同时又节能的目的。而光照度的数据应用在智能建筑的智能照明系统也得到广泛的应用，通过采集现场的光照度来实现智能控制灯光的开启、关闭以及灯光亮度强弱的自动调节。本装置通过对采集数据分析得出控制结论，并对设备进行联动控制；这种方式可应用领域有很多，可应用于工业，农业以及公共场所等。

根据以上所述，本设计采用了Arduino单片机作为数据采集，替换昂贵的DAQ数据采集卡，Arduino和LabVIEW将复杂繁琐的单片机设计和软件设计变得简单化，更加亲民。同时Arduino控制器需要简单的上位机，实现较为复杂的运算与显示功能；LabVIEW软件需要性价比高的下位机，复杂采集数据和输出执行的任务，本设计将两者结合起来组成上下位机采集装置，各司其职，分工协作，利用二氧化碳传感器和光照度传感器结合Atmel公司生产的AVR系列ATmega2560单片机采集被测环境的二氧化碳浓度、光照度。将测得的数据通过串口传给计算机。计算机利用LabVIEW的VISA读取串口数据并进行处理和显示，同时可通过采集的数据来对需要联动的设备进行联动控制，让采集到的数据得到合理的应用，实现基于LabVIEW与Arduino的数据采集装置的设计与应用。

国内研究现状

在国内，虽然虚拟仪器的上位机软件平台目前也有了很多国产品牌，而且目前的软件开发能力及技术水平与国外的没有太大差别，但最初我国对虚拟仪器的使用以及研究都是从美国NI公司产品的引进开始，虚拟仪器研究作为现代继续工程科学前沿学科之一。从早些年的国外引进消化到现在的自主创新，拥有自己的虚拟仪器技术，我国的现代化工程科学经历了一段艰辛的历程，目前我国已经是国际上的嵌入式一体化虚拟仪器研发的先行者。随着自动化设备的迅速发展，使用自动化测量系统需求也越来越大，同时虚拟仪器技术在我国的需求也越来越大。

1979年3月中国仪器仪表与测量控制科学技术工作者成立了“中国仪器仪表学会”，中国仪器仪表学会作为学术性、公益性、非营利性社团，主办7种仪器仪表及测量控制学术、技术类期刊。目前国内很多高校已经展开了对虚拟仪器技术领域的研究、开发和教学。从2011年开始中国仪器仪表学会、教育部高等学校仪器科学与技术教学指导委员会主办了“全国虚拟仪器设计大赛”，并定期每两年举办一次，已成为全国工科类院校公认的虚拟仪器领域最权威、最具影响力的大学生科技创新竞赛。

下面简单罗列一下国内就虚拟仪器的相关研究成果：

唐山大学基于ComXactPCIV PYI研制的锅和热工仿真技术成功地完成了海水淡化等重要课题研究。

天津大学研制的原油管道泄漏远程监测系统在胜利油田和华东石油管理局集输管线和长输管线得到应用。

北京航空航天大学完成了航空发动机压气机管道声模态及非定长特性测量的数据采集和分析课题。

国防科技大学基于NaOVIEP的分布式VYI仪器教学实验系统的研制为VYI仪器广泛进入大学实验室创造了条件。

重庆大学开发了虚拟实时噪声倍频程分析仪实现了对噪声总声压级各种计权声压级及相应倍频程的实时测量和分析。

清华大学利用虚拟仪器技术构建汽车发动机检测系统用于汽车发动机出厂前的自动检测。

国外研究现状

在国外研究的虚拟仪器最早、最出名的是图形化开发环境的平台LabVIEW，LabVIEW是美国国家仪器NI（National Instruments）公司研制开发，在1986年由美国NI公司提出。同时提出了“软件就是仪器”的口号，开辟了“虚拟仪器”的新概念。

许多发达国家的大学自动测控公司以及仪器公司也研发了很多虚拟仪器开发环境平台，但基于NI公司自动化平台的长期兼容性和完善的技术支持，以及NI产品拥有更快、更好、更省钱的特点，NI公司的测试测量与自动化平台仍然是发达国家在自动测控领域中研究及应用的首选。据不完全统计，目前全球超过25000多家公司购买了NI公司的测试测量与自动化平台。

国外就虚拟仪器的应用：

日本的Honda汽车测试。

澳洲的心脏起搏器设计/验证。

英国电信电话线路性能测试。

^范文提纲

摘要

引言

虚拟仪器的简述

上位机LabVIEW的认识

LabVIEW的简介

LabVIEW语言的特点

下位机Arduino的认识

Arduino的概述

Mega2560单片机参数

Arduino通信与输入输出接口

硬件系统架构

系统总体概述

硬件系统的构成

LabVIEW软件平台设计

LabVIEW用户前面板设计

LabVIEW串口通信设计

LabVIEW VISA插件使用

LabVIEW中串口通信基本步骤

LabVIEW程序设计

结论

致谢

参考文献

李全力,迟荣强.单片机原理与技术接口.高等教育出版社，2004.1

陈锡辉，张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通.清华大学出版社,2007.7

杰克·普德姆.Arduino C语言编程实战.人民邮电出版社，2013.10

 (英)Simon Monk|译者:刘椮楠. Arduino编程从零开始. 科学出版社, 2013.02

胡乾苗. LabVIEW虚拟仪器设计与应用. 清华大学出版社,2016.01

胡宝权,赵荣珍,马再超.基于LabVIEW的数据采集与反馈控制通讯系统[J]. 仪表技术与传感器,2011年,12期

王树东,何明, LabVIEW在数据采集系统中的应用研究[J].国外电子测量技术,2014年,06期

金维香.图形化程序设计G语言——LabVIEW与虚拟仪器[J].长沙电力学院学报，2002年,第17卷第1期

乔芳, 林小玲, 余渊等.基于LabVIEW实时数据采集系统的设计[J].中国市政工程,  2009年,第2期

孟武胜, 朱剑波, 黄鸿等.基于LabVIEW数据采集系统的设计[J].电子测量技术,  2008年,第11期

王建群,南金瑞,孙逢春,付立鼎. 基于LabVIEW的数据采集系统的实现[J]. 计算机工程与应用,2003年, 第21期