基于labview上下位机的led显示设计和LabVIEW的频率特性虚拟实验系统的设计

电控学院课程设计（论文）课程名称：LabVIEW程序设计教程题目：基于LabVIEW上下位机的LED显示设计院（系）：电气与控制工程学院专业班级：XXXXXXXXXXXXXXX姓名：XXXX学号：XXXXXX指导教师：XXXXX目录1设计任务 12系统方案选择 12.1整体设计 12.2通信协议 12.2.1数据信号线 22.2.2控制信号线 22.3下位机总体设计 32.4上位机总体设计 33下位机设计 33.1硬件 33.1.1时钟晶振模块 33.1.2复位模块 33.1.3LED显示模块 43.1.4串口通信模块 43.2软件设计 53.2.1主程序设计 53.2.2串口通信设计 54上位机设计 65系统调试 76结论 77总结 88参考文献 99附录 10基于labview的上位机与下位机之间的通信1设计任务此次设计所要完成的功能是使用AT89C52作为下位机，通过RS-232C串口与上位机相连，将编程所实现的跑马灯和端口设置数据显示在上位机上。上位机是通过LabVIEW软件绘制实现，上位机界面包括设置区、命令控件区、显示控件区、数据接收区。2系统方案选择2.1整体设计下位机使用AT89C52进行流水灯设计，上位机使用LabVIEW进行界面设计，显示出端口设置数据和8个LED灯的显示，通过RS232进行串口通讯传送数据到上位机中显示。ATAT89C52晶振时钟复位电路8位LED上位机显示控件区命令控件区端口设置区RS232串口图2.1设计框架2.2通信协议RS-232C标准定义了数据通信设备（DCE）与数据终端设备(DTE)之间进行串行数据传输的接口信息，规定了接口的电气信号和接插件的机械要求。RS-232C对信号开关电平规定如下：驱动器的输出电平为：逻辑“0”：+5～+15V；逻辑“1接收器的输入检测电平为：逻辑“0”：＞+3V；逻辑“1RS-232C采用负逻辑，噪声容限可达2V。RS-232是个人计算机上的通讯接口之一，由电子工业协会(ElectronicIndustriesAssociation，EIA)所制定的异步传输标准接口。通常RS-232接口以9个引脚(DB-9)或是25个引脚(DB-25)的型态出现，一般个人计算机上会有两组RS232接口，分别称为COM1和COM2。RS-232C接口定义了20条可以同外界连接的信号线，并对它们的功能作了具体规定。这些信号线并不是在所有的通讯过程中都要用到可以根据通信联络的繁杂程度选用其中的某些信号线。RS-232-C标准规定的数据传输速率为50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232C用作计算机与远程通信设备的数据传输接口，如图2.2所示，图中信号线分为数据信号线和控制信号线，分别说明如下：图2.2带RS-232C接口的通信设备连接2.2.1数据信号线“发送数据（TXD）”和“接收数据(RXD)”是一对数据传输信号。TXD用于发送数据，当无效数据发送时，TXD线上的信号为“1”。RXD用于接收数据，当无效数据发送或者接收数据间隔期间，RXD线上的信号也为“1”。2.2.2控制信号线“请求发送（RTS）”与“为发送清零(CTS)”信号线用于双工通信方式。半双工方式下发送和接收只能分时进行。当DTE有数据待发送时，先发“请求发送”，信号通知调制解调器，此时若调制解调器处于接收方式，则必须等到接收完毕转为发送方式时，才向DTE回送“为发送清零”信号。在全双工方式下，发送和接收能同时进行，不使用这两条控制信号线。“DCE就绪”（DSR）和“DTE就绪”（DTR）信号线分别表示DCE和DTE是否处于可供使用的状态。“保护地”信号线一般连接设备的屏蔽地。2.3下位机总体设计利用AT89C52芯片的P1口，以及软件编程实现跑马灯。2.4上位机总体设计对于labview处理主要包括前后面板的设计，包括三部分：参数设置部分、命令控制部分及显示部分。其中参数设置主要包括通讯口、波特率、数据位、校验位、停止位及接收周期的设置；命令控制主要包括启停数据接收、显示数据清空及退出运行等；显示界面主要包括接收数据显示、接收数据个数显示、当前下位机流水灯状态实时显示等。3下位机设计3.1硬件在硬件设计中主要为下位机的AT89C52所设计的流水灯，其中包括基本的时钟晶振模块，复位电路模块，8位LED灯模块和最重要的串口通讯模块。3.1.1时钟晶振模块外接晶振给单片机提供一个时钟信号（一个非常稳定的频率信号），使单片机各内部组件同步工作，并且在和外部设备通信时是也能达到同步。图3.1时钟晶振模块3.1.2复位模块手动开关复位使中央处理器CPU以及其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。除此之外，当单片机程序运行出现错误或系统处于死循环状态时，需要对单片机进行复位以及重新启动。图3.2复位电路3.1.3LED显示模块8位LED发光二极管实现流水灯操作。根据软件设计可得到1位LED循环左移，花样灯等。图3.38位LED显示3.1.4串口通信模块MAX232是一种把电脑的串行口RS232信号电平（-10，+10v）转换为单片机所用到的TTL信号点平（0，+5）的芯片。串口通讯模块使上位机与下位机得以通信，进行数据传送。图3.4串口通信3.2软件设计3.2.1主程序设计下位机程序设计中主要执行功能为流水灯显示和串口发送，主程序首先对系统的定时器和串口进行初始化，然后通过程序SBUF接收P1口的信号，每接收到一个P1口信号就对上位机进行一次数据传送，通过上位机的设计界面显示数据。整个系统的主流程图如下图所示。图3.5下位机程序流程图3.2.2串口通信设计系统的串口部分十分重要，主要是初始化部分对相应的寄存器进行设置，发送数据的时候只需要将数据写入SBUF里面即可，由发送中断标志位TI检测其数据发送结束。而接收则有中断方式和等待方式两种，本系统因为单片机所要完成的简单，所以采用等待的方式。串口的初始化程序流程图如图所示。开开始结束设置T1工作方式设置波特率设置串口工作方式允许串口中断图3.6串口初始化程序流程图4上位机设计端口设置区中包括五个部分，分别为：通讯口设置，波特率设置，数据位设置，校验位和停止位。通讯口中编辑项有COM1、COM2。波特率编辑项有300、600、1200、1800、2400、4800、7200、9600、14400、19200、28800、38400、56000、76800、115200。数据位中编辑项有6、7、8。校验位中编辑项有无、偶校验、奇校验。停止位中编辑项有1、1.5、2。其前、后面板显示如图所示。图4.1前面板设计图4.2程序框图设计5系统调试运行显示的过程是首先实现灯的左移右移，在实现等从中间点亮逐步向两边扩散再向中间聚拢，接着实现日期20140107与学号1006070108。其结果显示如下：图5.1运行结果图6结论本次课程设计题目是基于LabVIEW的跑马灯设计，主要进行的任务是用编程软件Keil编写跑马灯程序、烧写程序、使用LabVIEW设计上位机、下位机发送数据在上位机显示。此次设计使得我们对课本《LabVIEW程序设计教程》上的理论知识进一步加深，将之应用于实践，充分发掘学生们的潜力。首先是熟悉Keil编程软件的使用，使用单片机C语言编写跑马灯的程序，其中出现了一些问题，比如想要实现一个LED的左移点亮，只将其左移一位，即LED<<=1，并未考虑到左移后数据的最右端会自动赋0，这样灯的点亮顺序将不会达到所想要实现的效果，应该使用该语句LED=(LED<<1)|0x01，将最右端赋值1。另外，编译链接后出现两个警告，其原因未选择AddFilestoGroup‘SourceGroup1’，导致错误。使用LabVIEW软件绘制前面板和程序框图是一个很复杂的过程，首先是绘制前面板上的所要求的各显示和设置区，绘制完成后，在后面板上会主动生成一些相应的控件，然后补充所要用到的控件，并用导线将相应控件相连接。最终完成上位机的设计。最初绘制完成后运行时，数据显示区有数据，但LED灯显示区中无一LED亮，此问题的原因是为将接收到的数据经控件“字符串至字节数组转换”转换成字节数组，造成错误，鼠标放在数据接收区控件上，点右键选字符串选板中的“字符串至字节数组转换”控件，然后鼠标放在“字符串至字节数组转换”控件上，点击鼠标右键选择“索引数组”控件，用导线将对应的控件相连，再次运行，灯亮，数据显示区数据与下位机灯亮的顺序一致，但在前面板中的灯亮与灯灭正好与实际相反，为改正错误，在程序框图中的LED显示控件区中的各LED前加一个非门，从而将错误改正。此外，对于自身来说，此次设计中仍有些不足，如程序框图中有些控件仍不是太明白其含义和功能，希望自己以后会多加练习，争取更进一步地掌握LabVIEW软件的使用。7总结通过各方面努力，本次实习基本完成。在LabVIEW设计的学习下，设计出了上下位机的LED通讯灯动态显示方案。通过这次系统的项目设计提高了我运用所学的专业基础知识来解决面临实际问题的能力，同时也提高了我查阅各种文献资料、使用LabVIEW软件的水平。通过这次设计，我发现了自己的很多不足以及许多知识的漏洞。在设计过程中遇到了不少困难，庆幸的是我得到了许多人的帮助。首先我要感谢我的指导老师昝老师设计过程中，他给的指导，丰富的设计经验和严谨的制学态度，是我解决问题的关键所在。同时，还要感谢帮助我的所有同学。我想，本次实习对我们每个人都是影响很大的，它使我们基本掌握了LabVIEW通讯的设计方案，基本掌握了LabVIEW等软件的使用，并且对LabVIEW有了更深入的了解。在解决问题的过程中，我们不仅学到了很多专业的知识，还学会了分析问题，解决问题的方法。相信这些对我们以后的学习与工作都有很大的帮助。通过对自己在大学时间里所学的知识的回顾，并充分发挥对所学知识的理解和对课程设计的思考及书面表达能力，最终完成了这项实习。这次设计为我们今后进一步深化学习，积累了一定的宝贵经验。撰写论文的过程也是专业知识的学习过程，运用已有的专业基础知识，对其进行设计，分析和解决一个理论问题或实际问题，把知识转化为能力的实际训练，并且为以后的课程设计论文做好准备及铺垫。本次课题培养了我们运用所学知识解决实际问题的能力，确实也有所提高。通过这次实习发现，只有理论水平提高，才能够将课本知识与实践相整合，理论知识服务于教学实践，以增强自己的动手能力。通过这次设计，我们知道了理论和实际的距离，也知道了理论和实际想结合的重要性。我们的学习不但要立足于书本，以解决理论和实际教学中的实际问题为目的，还要以实践相结合，理论问题即实践课题，解决问题即课程研究，学生自己就是一个专家，通过自己的手来解决问题比用脑子解决问题更加深刻。学习就应该采取理论与实践结合的方式，理论的问题，也就是实践性的课题。这种做法既有助于完成理论知识的巩固，又有助于带动实践，解决实际问题，加强我们的动手能力和解决问题的能力。8参考文献[1]虚拟仪器实验指导书，彭倩编.西安科技大学出版社.[2]杨乐平，李海涛，赵勇等.LabVIEW高级程序设计.北京：清华大学出版社，2003.[3]王磊，陶梅.精通LabVIEW8.0.北京：电子工业出版社，2007.沈阳航空航天大学课程设计论文基于LabVIEW频率特性虚拟仪器实验系统设计第13页沈阳航空航天大学课程设计论文基于LabVIEW频率特性虚拟仪器实验系统设计第1页9附录图1下位机原理图程序清单#include<reg51.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintucharcodeLED1[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f};//定义流水灯点亮顺序ucharcodeLED2[]={0xfc,0xf9,0xf3,0xe7,0xcf,0x9f,0x3f,0x7e};ucharcodeLED3[]={0xf8,0xf1,0xe3,0xc7,0x8f,0x1f,0x3e,0x7c};ucharcodeLED4[]={0xe7,0xc3,0x81,0x00,0x00,0x81,0xc7,0xe7};ucharcodeLED5[]={0xfb,0xfe,0xfd,0xef,0xfe,0xfd,0xfe,0x7f};ucharcodeLED6[]={0xfe,0xff,0xff,0xc0,0xff,0x80,0xff,0xfe,0xff,0x00};voiddelay(uintx)//延迟函数{uchari;while(x--)for(i=0;i<120;i++);}voidPort(charc)//定义单片机向串口输出数据子函数{SBUF=c;while(TI==0);TI=0;}voidmain(void){SCON=0x50; //设置串口工作于方式1TMOD=0x20; //设置定时器工作于方式2PCON=0x00; //设置SMODTH1=0xfd; //设置波特率TL1=0xfd;TI=0;//允许向串口发送数据TR1=1;//启动TIwhile(1){uchari;for(i=0;i<8;i++) //正向点亮流水灯并将流水灯状态发送至串口{P1=LED1[i];Port(LED1[i]);delay(300);}for(i=7;i>0;i--) //反向点亮流水灯并将流水灯状态发送至口{P1=LED1[i];Port(LED1[i]);delay(300);}for(i=0;i<8;i++){P1=LED2[i];Port(LED2[i]);delay(300);}for(i=7;i>0;i--){P1=LED2[i];Port(LED2[i]);delay(300);}for(i=0;i<8;i++){P1=LED3[i];Port(LED3[i]); delay(300);} for(i=0;i<8;i++){P1=LED4[i];Port(LED4[i]);delay(500);} for(i=0;i<8;i++) //显示日期20140107{P1=LED5[i];Port(LED5[i]); delay(1000);}for(i=0;i<10;i++) //显示学号1006070108{P1=LED6[i];Port(LED6[i]);delay(1000);}}}基于LabVIEW的频率特性虚拟实验系统的设计沈阳航空工业学院自动化学院摘要：本次课程设计主要是通过对LabVIEW软件的使用和调试，设计一个基于LabVIEW的自动控制原理的频率特性虚拟仪器实验系统的设计，以此来实现对不同的传递函数的幅值、相位和对数幅值的测量并可以画出幅频特性曲线和相频特性曲线。设计电路的关键是对不同的传递函数的运算，由于LabVIEW对于大量的数据运算处理的复杂应用显得有些力不从心。为了解决数据运算的问题，采用了在LabVIEW中调用Matlab来实现的。Matlab是美国MathWorks公司开发的演算纸式的程序设计语言它提供了强大的矩阵运算和图形处理功能，编程效率高。几乎在所有的工程计算领域都提供了准确、高效的工具箱。该设计基于虚拟仪器技术，大大节约经费，还可以有效提高实验室的建设水平。关键字：虚拟仪器；LabVIEW；Matlab；自动控制实验0.前言自动控制原理是工业自动化的一门重要专业基础课。自动控制课程中，实验是一种重要的手段，学生通过做实验，可以加深对所学知识的的理解，提高动手能力，锻炼发现问题、分析问题和解决问题的能力。但是现在自动控制原理实验教学存在实验设备和实验场地有限，实验设备老化及严重缺乏实验指导老师。因此各种虚拟仪器实验系统相继提出。拟仪器技术是基于计算机的仪器与测量技术。与传统仪器技术不同，虚拟仪器技术指在包含数据采集设备的计算机平台上，根据需求可以高效率的构建起形形色色的测量系统。对大多数用户而言，重要的工作变成了软件设计。在虚拟仪器系统中，信号的获取与采集由以计算机为核心的硬件平台来完成，在这一平台上，调用不同功能的软件可构成不同功能的虚拟仪器，软件是根据不同的信号分析与处理技术编制的。时至今日，信号的分析与处理方法很多，在设计虚拟仪器时，需要根据仪器的功能要求和所处理信号的实际情况选择合适的分析和处理方法。结合第三方的数据采集卡，对虚拟仪器系统稍加修改就能够实现在课堂上进行模拟实验又能结合学校原有的的硬件电路设备进行硬件实验的综合系统，可以显著提高教学效果和实验效果。本文以虚拟仪器技术为开发平台，采用LabVIEW和Matlab的混合编程。充分发挥两者的优势。具有良好的人机界面，并且节约经费。学生不用担心损毁仪器设备，能大大激发学生的自主积极性。1.总体方案设计本文中，主要利用LabVIEW与Matlab的优点，在LabVIEW中调用和操作Matlab来实现LabVIEW和Matlab的混合编程，充分发挥二者的优势。本设计正是采用了这种思想，通过在LabVIEW中调用Matlab来设计自动控制原理中的频率特性虚拟实验系统。整体设计流程图如图1所示。LabVIEW软件LabVIEW软件Matlab软件操作系统计算机图1基于LabVIEW的自动控制原理的频率特性虚拟仪器实验原理框图2.系统设计2.1主程序设计整个系统的工作原理是利用LabVIEW软件记录用户输入的数据，然后调用Matlab软件负责复杂的数学运算计算出不同的传递函数的幅值、相位和频率。Matlab再将数据输出到LabVIEW中利用绘图VI画出幅频特性曲线和相频特性曲线。开始开始参数设置参数设置调用Matlab程序调用Matlab程序结果显示结果显示结束结束图2主程序流程图软件部分所实现的主要功能是数据采集，数据处理，显示幅值、相位和对数幅值，显示幅频特性曲线和相频特性曲线。2.2LabVIEW与MATLAB的接口2.2.1ActiveX是由Microsoft公司开发的用与Intemet的一种对象链接与嵌入技术，ActiveX的基础是组件对象模型COM。COM是跨越语言的操作系统级标准，它定义了对象之间的存取方法，不同的应用程序可以各自开发出一系列公共对象，它具有开放的属性和方法。互相调用时只需要载入对象所在的EXE或DLL文件。LabVIEW和MATLAB都支持ActiveX的自动化技术。通过使用MATLAB自动化服务器功能，LabVIEW将数据传入MATLAB工作空间，执行MATLAB命令，再将结果输出，从而实现了LabVIEW与MATLAB的混合编程。2.2.2调用的具体实现过程为了简化调用过程，LabVIEW提供了MATLABScript节点。第1步：运行LabVIEW程序，单击“新建”区域的VI，进入空白VI，进行程序设计。第2步：LabVIEW的每个程序就是一个VI，包括前面板、框图程序和图标/链接端口三部分。可以通过菜单栏的“窗口”菜单来切换显示前面板和框图程序。在框图程序窗口菜单栏“查看”中单击“函数选板”，MATLABScript节点位于：函数选项数学脚本与公式脚本节点MATLABScript节点。MATLABScript节点可以实现多输入多输出，在节点上单击，然后在出现的弹出式列表中选择：“添加输入”或“添加输出”，可以根据程序的需要来添加输入输出节点，实现多输入多输出。其节点形式如图3所示。图3MATLABScript节点第3步：在LabVIEW中调用MATLAB程序，可以在MATLABScript节点中直接书写MATLAB程序，也可以将写好的在MATLAB中调好的MATLAB程序直接导入MATLAB语言节点。在导入MATLAB程序时按以下步骤进行：在节点上单击右键。在弹出式选单中选择“导入”。在弹出的对话框中选择要导入的文件并确认。完成这三步之后，要导入的MATLAB程序就出现在MATLABScript节点中了。第4步：编写相应的LabVIEW框图程序及调用MATLAB程序，程序编好后运行并调试程序。LabVIEW中的程序成为VI，其中前面板用于模拟真实仪器的用户面板，完成仪器的操作控制、设置输入参数和观测输出量，常由开关、旋钮、按钮、图形、图表等构成；框图程序与每一个前面板程序相对应，利用图形编程语言对前面板上的控件进行控制，将系统所需要的功能模块进行有序的安置，并定义连接各个模块的输入输出端口，已确定框图内数据流动方向；图标/连接端口用于把LabVIEW程序定义一个子程序，从而实现模块化编程。其中图标表示该子VI程序的定义，连接端口表示该子程序的入口和出口。2.2.3使用MATLAB脚本节点的注意事项(1)LabVIEW使用ActiveX技术来实现MATLAB脚本节点，因此MATLAB脚本节点须在Windows平台上运行．(2)Computer上须安装MATLAB才能使用MATLAB脚本节点，因为执行MATLAB脚车节点须调用MATLAB脚本服务器：(3)因为LabVIEW和MATLAB是两种不同的编程语言，有各自的数据类型定义，所以结合应用时LabVIEW和MATLAB脚本节点内外数据类型须匹配；为了便于调试，在导入脚步到LabVIEW之前，先在MATLAB环境内编写并运行。2.3LabVIEW软件程序设计的设计2.3.1LabVIEW软件前面板的设计本设计的前面板主要由两个波形显示控件（XYGraph）、两个数组输入控件、三个数组输出控件、二个数组维数更改控件，频率特性的简要介绍及原理框图构成，如下图所示。2.3.2被测系统的原理框图如图4所示。图4被测系统原理框图2.3.2传递函数数据运算（1）打开程序框图编辑窗口。（2）放置MatlabScript.VI。在AllFunctons>>Analyze>>Mathematics>>Forumla中找到所需的VI。（3）函数的设置MatlabScript.VI:调用Matlab的VI。在MatlabScript.VI上设置2个输入与3个输出变量。输入变量类型Num2-DArrayofRealDen2-DArrayofReal输出变量类型Mag2-DArrayofRealPha2-DArrayofRealW2-DArrayofReal再在MatlabScript.VI中输入如下语句。w=logspace(-1,1,100);figure(1)[mag,pha,w1]=bode(num,den,w);subplot(211);holdonsemilogx(w1,mag);subplot(212);holdonsemilogx(w1,pha);endsubplot(211);gridontitle('Bodeplot');xlabel('Frequency(rad/sec)');ylabel('GaindB');subplot(212);gridonxlabel('Frequency(rad/sec)');ylabel('fhasedeg');holdoff程序中，命令logspace(-1,1,100)是产生由10-1到101对数分度的100值的矢量。而命令函数segmilogx则是绘制横坐标是对数分度、纵坐标是半对数坐标曲线。Subplot函数是图形显示时分割窗口的命令，即该命令可以实现在同一窗口中显示多个子图。Subplot（m,n,p）将图形分割成m*n个子图，并选择第p个子图作为当前显示或操作的图形。其中，子窗口的序号按行由上到下，按列自左向右编号，若m、n、p均小于10的整数，则可以省略中间的逗号。（4）为各VI相应的端口建立输入输出控件。选择需要建立输入输出控件的端口，在右键的快捷菜单中，执行Creat>>Constant\Control\Indicator操作。（5）连线。完成编辑的程序框图。图5数据处理功能框图数据处理系统的程序设计是由MatlabScript.VI来实现。由用户输入的数据开始，LabVIEW调用Matlab进行运算。然后将运算所得幅值、相位和对数幅值输出。系统设计图如如图5所示2.4幅值特性与相频特性曲线显示模块的设计显示采集到的不同的传递函数的幅值、相位和对数幅值并且绘制出幅频特性曲线和相频特性曲线需要一个改变数组维数的VI与绘图VI便可实现。绘图VI如图6所示。图6曲线显示函数3.调试及结果分析本次课程计没有硬件调试部分主要就是软件的编程调试。进行MATLAB单独编程运行时，出现了函数使用错误及语句编写错误，在查阅资料运行调试后困难很快解决了。但是在混合编程时出现了许多困难，特别是在用MATLABScrip调用MATLAB程序时，输入输出参数数据类型的选择、对校正函数的计算等等，这些困难严重影响了课设的进程，在不厌其烦的验证与调试及老师的指导下，困难得解决。为了对结果进行检测，使用Matlab软件进行仿真。Matlab仿真结果如图7所示。图图7Matlab软件仿真结果4.结论及进一步设想这次课程设计的基于LabVIEW的自动控制原理的频率特性虚拟仪器实验系统，完成了任务书的要求。能够针对用户输入的不同的传递函数计算出幅值、相位和对数幅值。并能够汇出幅频特性曲线与相频特性曲线。相比传统的仪器，基于虚拟仪器的实验系统具有仿真的实验界面加强了学生实验的真实感，且减少了对硬件设备的需求，降低了实验系统的成本。在程序设计中由于需要使用Matlab程序，并且使用到自动控制原理的知识。设计初期遇到许多困难。在编程中关于