基于LabVIEW的实时数据测量系统的设计

单 片 机 选 用 ＰＨＩＬＩＰＳ 的 Ｐ８９ＬＰＣ９３８， 它 是 基 于 ８０Ｃ５１ 内 核 的高速、８ 位单片机， 其内部集成了捕获比较单元 ＣＣＵ。在在设 计中， 使其中的两个模块工作在输入捕获模式下， 即两路方波 信号的输出分别接单片机的 Ｐ２．０／ＩＣＡ 和 Ｐ２．７／ＩＣＢ 引 脚， 用 来 测 量 两 路 方 波 信 号 的 周 期 和 宽 度 。对 上 升 沿 和 下 降 沿 不 断 进 行 交 替捕获， 并将每次捕获值存入捕获寄存器。通过比较计算两相 邻的上升沿和下降沿的捕获值就可转换为转矩和转速。 所以通过信号转换电路将正弦信号转换为方波信号并输入到 单 片 机 的 捕 获 单 元 。在 单 片 机 中 计 算 出 正 弦 信 号 的 频 率 与 相 位 差 ， 再 转 化为 转 速 和转 矩 值 ， 并 由 串 口 发 送 给 上 位 机 。ＰＣ 机 可 通过 ＬａｂＶＩＥＷ 对数据进行显示、分析和处理。由于对于单片机
技
其中下位机任务包括：
１、 计算任务
每 １００ｍｓ 计 算 相 位 差 并 转 换 为 转 矩
和计算方波周期并转换为转速；
２、 接 收 任 务
随时准备接收上位机的握手信号或
其他数据；
３、发 送 任 务
将 采 集 的数 据 实 时的 通 过 ＲＳ２３２ 串
口发送给上位机处理。
４、控 制 任 务
接收上位机给定的转矩值， 对转矩自
由于一般的数据采集卡并不能很好地达到要求， 故整个系 统的硬件构造如图一所示：
李春萍： 副教授
图一 测试系统硬件原理图
通过 传 感器 把 被 测变 速 箱 扭矩 、转 速 转换 成 具 有 相 位 差 的 两组正弦电信号， 再通过信号转换电路将正弦信号转换为方波 信号输入到单片机的捕获单元， 并在单片机中计算出正弦信号 的 频 率 与 相 位 差 ， 再 转 化 为 转 速 和 转 矩 值 ， 最 后 由 串 口 ＲＳ２３２ 传到上位机， ＬａｂＶＩＥＷ 中有串口接收 函 数 可以 接 受 单片 机 发 来 的 数 据 并 显 示 。由 于 传 送 到 上 位 机 的 是 经 过 单 片 机 处 理 得 到 的 ＡＳＣⅡ码字符串， 而非正弦信号。这样传送到串口的数据流量可 大大的减小。ＲＳ２３２ 的最高传输率可达 ５６Ｋ， 足以完成普通的传 输 。同 时 单 片 机 还 可 接 受 操 作 人 员 根 据 试 验 要 求 通 过 计 算 机 所 给定的转矩值， 实时对发电机励磁转矩进行控制，从而使发电机 提供的输出转矩恒定在要求值。这样设计， 充分发挥了单片机 适 应 长 时 间 工 作 、控 制 速 度 快 以 及 计 算 机 功 能 齐 全 的 特 点 。
动调节。
上位机任务包括：
１、接收任务 实时的通过 ＲＳ２３２ 串口接收来自下位机传送
来的数据；
２、动态显示 对整个系统的转矩和转速实现动态的显示；
３、发送任务 向下位机发送握手信号和给定转矩值。
由 于 动 态 显 示 需 要 消 耗 很 多 的 系 统 资 源 ， 我 们 让 它 用 ＰＣ
机 的 ＬａｂＶＩＥＷ 显 示 。而 对 转 矩 和 转 速 的 测 量 留 给 单 片 机 来 处
由于 ＮＩ 公 司的 数 据 采集 卡 较 为昂 贵 ， 所 以 在 对 变 速 箱 的 转 速 与 扭 矩 性 能 检 测 过 程 中 用 飞 利 浦 公 司 的 Ｐ８９ＬＰＣ９３８ 单 片 机 和 方 波 信 号 转 换 电 路 替 代 。这 样 下 位 机 采 用 移 植 了 嵌 入 式 操 作系 统 μＣ／ＯＳ－ Ⅱ的 高 速 单 片 机 ， 上 位 机 采 用 装 有 ＬａｂＶＩＥＷ 的 ＰＣ 机 。通过 这 样 的硬 件 既 能达 到 监 控 功 能 分 离 的 目 的 同 时 也 能够满足测量任务对精度与实时等方面的要求。
级设为稍低一点的 ７ 级。通过单片机接收上位机给定的转矩
值， 实时对发电机励磁转矩进行双闭环控制控制， 通过对转矩
外环和电流内环控制以达到转矩自动调节。
２ 测控系统硬件与原理
首 先 我 们 把 输 入 输 出 转 速 和 扭 矩 经 过 ＪＣ２Ｂ 型 转 矩 转 速 传感器转换后得到四路正弦信号。如果把此四路正弦信号直 接 送 入 数 据 采 集 卡 且 变 速 箱 的 输 入 转 速 如 为 ３０００ 转／分 ， 对 每 个 正 弦 信 号 采 样 ２５０ 个 点 ， 则 需 要 的 采 样 率 为 ： ２５０３０００６０＝ １２．５Ｋ。
（ １．江西应用工程职业学院；２．江西理工大学） 李 春 萍 １ 李 颉 思 ２
ＬＩ ＣＨＵＮＰ ＩＮＧ ＬＩ Ｊ ＩＥＳ Ｉ
摘要： 在 对 汽 车 变 速 箱 的 转 速 与 扭 矩 测 量 过 程 中 ， 设 计 了 一 个 软 件 由 ＬａｂＶＩＥＷ 与 嵌 入 式 实 时 操 作 系 统 组 成 ， 硬 件 由 计 算 机
理 。ＬａｂＶＩＥＷ 的 功 能 主 要 集 中 在 于 动 态 显 示 ， 几 乎 不 受 到 其
他程序模块的影响， 故能做到实时显示； 最后在单片机上独
立 采 用 嵌 入 式 实 时 操 作 系 统 μＣ／ＯＳⅡ便 能 提 供 最 大 的 确 定 性
与可靠性。
为了更好实现系统功能，首先把系统按动作分类。把最重
与 单 片 机 构 成 的 上 下 位 机 测 量 系 统 。详 细 介 绍 了 对 μＣ／ＯＳ－ Ⅱ 操 作 系 统 的 应 用 和 ＬａｂＶＩＥＷ 串 口 数 据 通 信 与 显 示 的 实 现 。从
而做到了对数据的实时采集与处理。
关键字： 数据采集；ＬａｂＶＩＥＷ； 嵌入式实时操作系统； 串口通信
那 么 使 用 中 档 的 最 高 采 样 率 为 １００Ｋ 数 据 采 集 卡 ， 如 四 路 正 弦 信 号 至 少 要 采 集 １０ 路 信 号 ， 则 每 路 分 配 到 的 采 样 率 仅 为 １０Ｋ， 也 就 不 能 满 足 １２．５Ｋ 的 采 样 率 要 求 。同 时 过 于 依 赖 上 位 机 软 件 的 信 号 处 理 功 能 ， 会 过 多 占 用 ＣＰＵ，以 致 影 响 整 个 测控系统的性能。
汽车电子 文章编号：１００８－ ０５７０（２００７）０３－ ２－ ０２７０－ ０３
中 文 核 心 期 刊 《 微 计 算 机 信 息 》（ 嵌 入 式 与 Ｓ ＯＣ ）２００７ 年 第 ２３ 卷 第 ３－２ 期
基于 La b VIEW 的实时数据测量系统的设计
Ａ Ｄｅ ｓ ｉｇ ｎ Ｆｏ ｒ Ｒｅ ａ ｌ－ ｔｉｍ ｅ Ｄａ ｔａ Ａｃｑ ｕ ｉｓ ｉｔｉｏ ｎ Ｓ ｙｓ ｔｅ ｍ Ｂａ ｓ ｅ ｄ Ｏｎ Ｌａ ｂ ＶＩＥＷ
－ ２７０ － ３６０元 ／ 年 邮局订阅号： ８２－９４６
《现场总线技术应用 ２００ 例》
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汽车电子
捕获是单片机硬件动作，不存在软件滞后，对数据采集的精度非 常高， 速度可达到微妙级。
３ μＣ／ＯＳⅡ在单片 机上的应 用
μＣ／ＯＳ－ Ⅱ是一个免费的源代码公开的实时嵌入 式 内 核， 它 不但提供了实时系统所需的基本功能而且可以在绝大多数 ８ 位 、１６ 位 、３２ 位 以 至 ６４ 位 微 处 理 器 、微 控 制 器 、数 字 信 号 处 理 器上运行。由于这个操作系统使用硬件定时器作为时钟中断 源， 所以可以进行毫秒级别的任务调度。我们使用 ５１ 单片机的 Ｔ０ 定时器作为系统时钟的中断源。在 ６ＭＨＺ 晶振下， 对于高速 单片机 Ｐ８９ＬＰＣ９３８ 来说， 记数频率能达到 ３ＭＨＺ。设置定时器 ０ 为 １０ｍｓ 中 断 ： ＴＨ０＝０ｘ８ａ；ＴＬ０＝０ｘｄ０。这样 使 实 时 系 统 任 务 在 若 干 毫 秒 的 时 间 内 作 出 响 应 。整 个 实 时 系 统 任 务 由 下 位 机 任 务 与 上位机任务组成。各任务和中断分配见表 １：
在串行通信方面， 两任务在执行上有先后， 只有在计算得 到 转 矩 或 转 速 的 时 候 才 能 通 过 串 口 把 其 发 送 给 上 位 机 。故 系 统 使 用 消 息 邮 箱 进 行 信 息 传 递 。当 主 控 制 器 有 需 要 通 过 串 口 通 信 给主控计算机发送的数据时， 只要把数据的指针放在相应的消 息 邮箱 里 去 ， 则 μＣ／ＯＳⅡ会 选 择相 应 的 任 务 进 行 处 理 。 为 了 达 到这个目的， 可以在内存中创 据 存 放 于 消 息 缓 冲 区 。然 后 通 过 传 递 消 息 缓 冲 区 的 指 针 的 方 法 完 成 任 务 之 间 的 传 递 数 据 。这 样 就 能 使 这 两 个 任 务 在 操 作 系 统 的 调 度 下 很 好 地 协 调 工 作 。有 关 这 两 个 任 务 的 通信如下图二所示：
术
创 １ 引言
实时 操 作系 统 适 用于 对 可 靠性 、安 全 性和 响 应 时间 要 求 十
新 分高的场合。对实时操作系统的合理应用， 可使整个计算机控
制系统实现高度自动化、高效率及高可靠性。而 ＬａｂＶＩＥＷ 作为 一种图形程序设计语言， 采用全图形化编程， 用来为测试系统 提供输入值并接收其输出值。故此使用嵌入式操作系统和 ＬａｂＶＩＥＷ 能 够 进 行 实 时 地 测 量 与 控 制 并 兼 有 操 作 简 便 和 易 于 升级扩展等优点。
技 ｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｙ ｉｎ ＬａｂＶＩＥＷ．Ａｓ ａ ｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅ Ｒｅａｌ－ ｔｉｍｅ Ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉｓｐｏｓａｌ ｗａｓ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ．
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ：Ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ＬａｂＶＩＥＷ；Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｒｅａｌ－ ｔｉｍｅ ｏｐｅｒ ａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；Ｓｅｒ ｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ
中图分类号： ＴＰ３１６，ＴＰ３６８
文献标识码： Ｂ
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｕｒｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅ ｏｆ ｒｏｔａｔｅ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｔｏｒｑｕｅ ｏｆ ａｕｔｏ ｇｅａｒ － ｂｏｘ，Ａｎｕｐｐｅｒ ａｎｄ ｌｏｗｅｒ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ