基于LabVIEW的虚拟仪器

基于LabVIEW的虚拟仪器
*
刘娜 / 辽宁机电职业技术学院
摘　要　介绍在LabVIEW 软件平台设计虚拟温湿度大气压仪的过程。

在软件环境中，通过使用Modbus 通信协议和RS485通信接口，采集温湿度大气压仪的相关数据，并对数据进行管理和显示。

文中给了硬件连接示意图、数据采集时温湿度大气压变送器模块串口通信参数的设置，并详细阐述了在软件平台上实现温湿度大气压参数的设置方法，分析了虚拟仪器可视显示界面设计过程，并给出了虚拟仪器的软件流程图。

关键词　LabVIEW ；温湿度大气压变送器；指示仪；Modbus
0　引言
温湿度大气压指示仪（以下简称指示仪）是基于RS485 接口符合Modbus 协议的温湿度大气压力变送器模块设计而成。

该模块是北京某公司生产的HD3213M。

基于
LabVIEW 软件较少，国内目前对此类模块的数据管理一般都采用高级语言或组态软件制作上位机管理程序。

本文阐述该模块与计算机硬件连接方法，在LabVIEW 平台上如何实现指示仪各种参数的采集及管理。

1　指示仪的硬件原理
1.1　HD3213M 模块与计算机硬件接线
计算机管理指示仪，经常采用串行口通信，主要有S232、RS422、RS485等多种接口标准。

指示仪的连接如图1
所示。

1—计算机；2—RS232与RS485转换模块；3、4、5—温湿度大气压力变送器模块
图1　计算机与温湿度大气压力变送器模块接线图
指示仪的数据使用RS485总线进行传输，再通过RS232与RS485电平转换装置进入计算机，再由
LabVIEW
管理这些数据。

1.2　HD3213M 模块原理
温湿度大气压力变送器接线如图2所示。

1(A)—RS485 串行通信A； 2(B)—RS485 串行通信B；3(G)—直流电源公共端；4(V)—直流电源正极输入端；5(X)—外部传感器信号1；6(Y)—外部传感器信号2；7(P)—外部传感器电源输出
图2　温湿度大气压力变送器接线
模块内部集成了高精度的大气压力传感器和温湿度传感器。

压力传感器测量范围300~1 100 hPa；压力传感器准确度：±4 hPa。

湿度传感器测量范围：0~100%RH、湿度传感器准确度：最高可达到±2.0%RH。

温度传感器测量范围：-20~65 ℃；温度传感器准确度：最高可达到±0.3 ℃。

还提供两路多功能外部传感器接口，可以通过配置作为两路温度传感器接口[1-2]，或配置作为1路温湿度传感器
接口和1路温度压力传感器接口。

模块内部完成温度、湿度、压力计算，可以直接读出温度值、相对湿度值、压力值。

1个完整检测周期为2 s [3]。

温度、湿度、大气压参数采用标准Modbus RTU 通信协议和RS485串行接口传输到计算
* 基金项目：辽宁机电职业技术学院教研课题（JYLX2017029）
机上，利用LabVIEW 软件平台对这些参数进行采集、显示、控制。

最终形成计算机自动控制系统[4]。

1.3　HD3213M 模块通信参数设置
模块通信参数设置如表1所示。

2　HD3213M模块参数读写实现原理
Modbus 是由莫迪康（施耐德电气旗下的一个品牌）在1979年发明的，现广泛应用于当今工业控制现场。

通过此协议，控制器之间、或控制器经由网络可以和其他设备进行通信。

Modbus 协议使用的是主从通信技术，一般将主控设备方所使用的协议称为Modbus Master，从设备方使用的协议称为Modbus Slave。

Modbus 通信物理接口可以选用串口（包括RS232和RS485），也可以选择以太网口[5]。

2.1　模块参数数据格式
模块参数数据格式如表2所示。

2.2　模块参数数据发送Modbus 功能包
说明：指示仪设备地址为28（十六进制），读数据功能码为04，数据单元寄存器起始地址为0003，数据寄存器个数为4（分别为：内置温度值、内置大气压值、外置温度值、外置湿度值），校验码(十六进制)为
0630H。

2.3　模块参数数据接收Modbus 功能包
表4　模块参数数据接收Modbus 功能包表
说明，参数单元数据内容包括：内置温度值=0102(H)=258(D)=258(D)/10=25.8 ℃、内置大气压值
=273E(H)=10046(D)=10046(D)/10=1004.6 HR%、外置温度值=00F2(H)=242(D) = 242(D)/10=24.2 ℃、外置湿度值=0161(H) =355(D)= 355(D)/10=35.5 HR%。

3　指示仪软件设计
3.1　指示仪程序流程图
主程序流程图如图3
所示。

图3　指示仪程序流程图
3.2　指示仪前面板设计
指示仪前面板如图4所示。

包括：日期、时间、星期、大气压显示、外置湿度数字显示和仪表显示、外置温度和内置温度数字显示和温度计显示。

运行退出按钮、串口选择对话框、窗口标题选择按钮等。

图4　指示仪前面板图
3.3　指示仪程序设计
指示仪程序设计如图5所示。

主要包括：VISA 配置串口 VI、VISA 写入(函数)、VISA 读取(函数)、VISA 关闭(函数)、索引数组(函数)、截取字符串
(函数)、字符串至字节数组转换(函数)、获取日期/时间函数、格式化日期/时间字符串函数等函数组成。

3.3.1　指示仪VISA 配置串口函数
VISA 串口配置函数图如图6所示。

作用：VISA 串口配置VI 使VISA 资源名称指定
的串口按特定设置初始化。

与表1相对应。

3.3.2　指示仪数据写入与读取程序
数据写入与读取程序如图7所示。

（1）VISA 写入：使写入缓冲区的数据写入VISA 资源名称指定设备或接口。

写入数据编码格式与表3
一致。

图5　指示仪程序图
图6　指示仪VISA 串口配置函数图
（2）VISA 读取：从VISA 资源名称指定的设备或接口中读取指定数量的字节，并使数据返回至读取缓冲区。

读取的数据格式与表4
一致。

图7　指示仪数据写入与读取程序图
3.3.3　指示仪数据处理程序
以内置温度处理为例，程序如图8
所示。

图8　指示仪数据处理程序图
数据处理过程：
（1）通过VISA 读取的Modbus 数据包，进入到
索引数组，即：返回n 维数组在索引位置的元素或
子数组。

数据包格式如表4，为40 04 08 01 02 27 3E 00 F2 01 61 D9A5。

（2）利用截取字符串函数（作用：返回输入字符串的子字符串，从偏移量位置开始，包含长度13个字符）。

从第3个字节开始的2个字节为内置温度值，“01 02”为内置温度值的十六进制数字符。

（3）利用字符串至字节数组转换函数（作用：使字符串转换为不带符号字节的数组），将内置温度值的十六进制数字符转换为数组。

（4）利用索引数组、乘法、加法、除法等函数，将内置温度值的十六进制数组转换成十进制温度值。

3.3.4　指示仪日期、时间、星期程序
日期、时间、星期程序如图9
所示。

图9　指示仪日期、时间、星期程序图
通过获取日期/时间（秒）函数、格式化日期/时间字符串函数、数值显示函数来实现日期、时间、星期的显示。

获取日期/时间（秒）函数，作用：
返回当前时间的时间标识。

通过自1904年1月1日星期五12:00 a.m.（通用时间）以来的秒数计算时间标识，并将时间标识的值转换为精度较低的浮点数。

格式化日期/
时间字符串函数，作用：过时间格式
s
（下转第17页）
表明越接近载荷施加点位置处的响应越能够反应出施加载荷的信息，识别结果更加理想。

3　结语
基于Newmark-β法，对换热管的振动进行了载荷识别研究，分析了在不同位置布置传感器测量结果对于识别结果的影响，表明越靠近载荷施加点的测量响应进行识别的结果越接近与真实的数值，这是因为其能更多地反应出未知载荷激励的信息。

对后续换热管的防振设计有重要的参考作用。

参考文献
[1] 张方，秦远田. 工程结构动载荷识别方法[M]. 北京：国防工业出
版社，2011.
[2] 刘杰. 动态载荷识别的计算反求技术研究 [D]. 湖南大学，2011.
[3] 姜金辉，徐菁，张方，等. Wilson-θ 反分析法的动载荷识别精度
的若干问题[J]. 振动. 测试与诊断，2013，33（5）：782-788. [4] De Araújo M，Antunes J，Piteau P. Remote identification of
impact forces on loosely supported tubes：Part 1—Basic theory and experiments[J]. Journal of sound and vibration，1998，215（5）：1015-1041.
[5] Antunes J，Paulino M，Piteau P. Remote identification of impact
forces on loosely supported tubes：Part 2—Complex vibro-impact motions[J]. Journal of sound and vibration，1998，215（5）：
1043-1064.
[6] 陈英华. 动载荷时域 Wilson-θ 识别方法和 PATRAN 二次开发[D].
南京航空航天大学，2010.
Application of load identification technique in
vibration analysis
Chen Gong, Zeng Xianyu, Jin Lu, Yan Simin
（Shanghai Institute of Quality Inspection and
Technical Research）
Abstract: Taking tube heat transfer tube as the research object, the principle of positive and negative analysis of load identification based on Newmark- beta method is introduced. Through the preparation of the corresponding program in MATLAB, vibration of single tube heat exchanger for load identification is calculated, analyzed the influence of the placement of sensor for different load identification results, provides an important reference for anti vibration design and vibration for heat pipe.
Key words: vibration; Newmark-β; MATLAB; load identification
代码指定格式，按照该格式使时间标识的值或数值显示为时间。

4　结语
本文从硬件和软件两个方面入手，阐述了在LabVIEW软件平台下温湿度大气压指示仪的实现方法，即通过RS485硬件接口，只需要两根通信线，遵循Modbus通信协议，用计算机自动采集温湿度大气压变送器模块的内置温度/大气压、外置温度/湿度等参数。

在软件中使用虚拟仪器面板显示出来，为工业自动控制系统的数据采集与监控打下基础。

参考文献
[1] 李菲，江世明.基于LabVIEW的温度测量系统设计[J].现代电子技
术，2014，37（4）：114-116+121.
[2] 杨晓玲，伍永顺.高准确度温度测量系统信号调理[J].传感器技
术，2003，22（6）：47-51.
[3] 孙芸.浅析压力表的计量检定及误差评定[J].计量与测试技术，
2012，39（8）：33-35.
[4] 赵景辉，周兵.LabVIEW与SR23岛电调节器的Modbus通讯方法
[J].自动化与仪器仪表，2014，176（6）：106-109.
[5] 王琦，翟正军，郭阳明.基于虚拟仪器的实验室温湿度控制系统
的设计与实现[J].测控技术，2009，28（3）：39-42.
[6] 岂兴明，田京京，夏宁.LabVIEW入门与实践开发100例[M].北
京：电子工业出版社，2011：45-60.
[7] 王玉刚，赵兴堂，董绪华.基于LabVIEW的多功能显示模拟器设
计[J].现代电子技术，2015，38（18）：116-118.
Design of virtual instrument based on
LabVIEW
Liu Na
（Information Department Liaoning Jidian
Polytechnic）
Abstract: Brief introduction of the design of virtual temperature, humidity and atmospheric pressure instrument on the LabVIEW software platform. In the software environment, through the use of Modbus communication protocol and RS485 communication interface, collecting temperature, humidity, atmospheric pressure instrument related data, and manage and display data. This paper give the hardware connection diagram, data acquisition of temperature and humidity atmospheric pressure transmitter module serial communication parameter setting, and elaborate the realization of temperature and humidity setting method of atmospheric parameters in the software platform, analyze the visual display interface design process of virtual instrument, and give the software flow chart of virtual instrument.
Key words: LabVIEW; regulator parameters; indicator; Modbus
（上接第9页）。