基于LabVIEW的环境控制软硬件设计技术
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作者: 张玉忠
【摘要】本文介绍了以Labview为软件开发平台，使用研华Adam的数据通讯硬件产品，设计环境控制、数据处理的硬件和软件的技术。
【关键词】Labview；Adam；RS232
在多年的环境控制和数据采集与处理工作中，与TC、VC、BC等软件开发环境相比较，Labview作为软件开发平台与研华Adam系列中的数据通讯硬件产品相结合，利用PC机固有的RS232 I/O接口，在解决日常测控问题时，作为工程师利用PC机进行环境参数控制与数据采集、处理的工具，有极高的实用价值。
一、环境控制中的硬件连接及使用方法
1．硬件连接图
图1硬件连接图
利用PC机固有的RS232通讯端口作为监控数据采集的数据传送通道，基本适应工业控制实践中对数据传送速度的要求，达到50ms一组数据。对于A/D、D/A模块，应提供24V直流电源。其中，RS232－485信号转换模块在市场上有的种类是直接插在PC机主机后面RS232接口上，这种转换器不需要连线，也不需要提供24V电源，有的种类需提供24V电源，并且在转换模块与RS232接口之间需用9芯数据线，两端带有9芯对应（公或母）插头的数据线连接，这种数据线不宜太长，为防止信号衰减，一般在6米左右。RS232－485信号转换模块与A/D和D/A模块之间的连线是连接＋、－两芯线即可，线路也不宜太长，在6米左右即可。在A/D和D/A模块与现场控制器与数据采集传感器之间的数据应采用三芯屏蔽线，其中两根数据线，一根接地线，本人使用过三芯数据线，长度为36m，信号传输正常，理论上数据线长度可达到1280m。
A/D、D/A模块的购买，本人在工程实践中多采用研华公司的Adam D/A和A/D模块，具体D/A输出信号类型和A/D接收数据信号类型可根据工业现场变送器产生的数据信号类型和传感器产生的信号类型，以及现场用于控制使用的单回路调节器可接收的物理模拟信号类型来确定。其中应用较多的是变送器和传感器产生的铂电阻信号、电流（5～20mA）或电压（0～5V、10V）信号，和用于控制执行机构接收的电流或电压信号。
2．Adam模块配置方法。使用Adam 系列D/A和A/D模块之前，需进行软件配置。将连线正常接通后，在Windows环境下运行研华提供的Adam配置软件：第一步，使用搜索功能，在COM1或COM2（连接对应的计算机串行端口）后将显示出已经连接到计算机RS232端口的Adam模块；第二步，对输入输出物理量信号进行配置，使输入／输出各通道信号相一致，即传感器信号与执行机构接收的信号相一致，执行“Update”按纽命令；第三步，执行菜单中的“save”命令，退出研华配置软件。
二、软件设计方法
1．功能图
图2软件功能图
环境控制工作原理：通过工业现场的各种传感器部件接收到的信号，经过变送器产生的线性信号，由数据采集系统接收，经过软件对各种数据信息处理，产生数据存档、打印输出、控制输出等各种信息流，以达到现场测控的目的。
2．数据监控处理软件系统。PC机数据监控处理软件系统采用LabVIEW软件平台研制开发。LabVIEW采用的是一种独特的图形化G语言编程模式，包括前面板和G语言两种显示模式，在开发数据监控软件时具有易学、方便、快捷的优势。（1）利用LabVIEW通讯接口模块实现软、硬件之间的数据传输。如何解决PC机虚拟仪器与控制单元和A/D模块、D/A模块的数据传输是一个关键的问题，而NI公司的LabVIEW软件开发工具Functions 功能模块中包含了用来与各种仪器总线进行通讯的高级应用编程接口软件――NI-VISA（Virtual Instrument Software Architecture即VISA），VISA总线I/O软件是一个综合软件模块集合，可用来对GPIB、串口、VXI、PXI、以太网系统进行配置、编程和调试。所以下面着重讲述了利用该软件包内的一个模块对通过串口连接的硬件仪器设备进行数据通讯的具体实现方法。（2）LabVIEW程序设计步骤（通过RS232串口读数据）。LabVIEW程序以VI作为文件后缀，又可简称为“VI”，一个VI通常由三个部分构成：前面板、框图程序和图标连接端口。前面板就是图形化的用户界面，也称为虚拟仪器面板，用于人机交互时输入数值（即控制变量）和工业现场物理参数监视，每一个前面板有一个框图程序与之对应。编程时，前面板和框图程序可随时更换为焦点显示，进行编辑修改。框图程序用图形化编程语言编写，可以把它与传统的行编辑字符书写式语言程序中的源代码等同看待，而框图程序由数据节点和数据信息连线组成，还包括各种控制信息流的子框图，比如while、case、for 等结构子框图。子VI的定义是通过图标连接端口来实现的，把连接端口与子VI的输入、输出建立起对应的连接关系，则可完成子VI的定义。采用子VI这种模块化的编程方法，可以简化VI框图程序的结构，使其更加简单，易于理解，从而提高VI的运行效率。
图3环境监控软件程序调用流程图
3．建立Adam读数据子VI程序。在LabVIEW软件开发平台中的Diagram面板上调用Functions／Instrument I/O／“Serial”模块，其中关键是正确配置“VISASerial”模块的输入选择项：
图4数据采集软件配置图
其中VISA SERIAL 模块主要完成对RS232串行端口的初始化，其关键选项是通讯端口的选择，通过用鼠标点击其下三角可看到正确的选项并确定下来该PC机所使用的端口地址的选项，该选项因PC机的不同所产生的串口列表选项的表示方法不尽相同，但可通过选择测试确定，当调试运行读到正确数据时，保存即可为正确选项；VISA abc W模块主要完成对自己所使用的某Adam模块的某通道（对应一个物理量）的初始化VISA abc R模块主要完成对自己所使用的某Adam模块的某通道（对应一个物理量）的数据读操作。
4．编制利用（1）步骤子程序读每个物理量形成数组的子程序。此子程序为一中间数据组织子程序，主要的任务是：将所有需要的物理量经过调用读数据子VI程序形成一个一维数组，供主处理程序调用。
5．在主处理程序内调用（2）步骤子程序进行各种数据处理，可在虚拟仪器面板上实时显示物理参数的数据以及变化趋势曲线图。主程序具有的功能：（1）进行人机交互输入控制变量；（2）显示环境参数；（3）显示环境参数的历史变化趋势图；（4）形成EXCEL兼容格式的数据电子文件；（5）能够实时打印数据；（6）输出环境控制变量数值；（7）输出报警信息。
6．根据实时采集的物理量进行运算，按预定方案输出控制量，控制现场执行机构，以达到实时控制的目的。控制方案的选定多采用集散控制的方法，利用PC机进行工业现场参数设定，由单回路调节器接收指令，按照单回路调节器选定的适合于现场物理参数变化特点的控制策略，即一定的计算方法，进行实时闭环控制，以达到工业现场实时测控的目的，而由PC机对采集到的现场数据信息集中管理，从而达到集中管理、分散控制，以减少集中控制带来的由于某路故障而互相影响的风险。经过多年实践经验证明，在工业现场采用集散式控制的策略是比较安全、控制精度高而且实用的控制策略。
研制一个工业控制系统，首先是熟悉任务及其特点；第二步要选择合适的外围设备，包括传感器、变送器、单回路调节器、A/D模块、D/A模块以及执行单元；第三步是选择合适的软件开发平台，选定控制策略。而在整个软件设计过程中，软件工程化的思想应贯穿软件设计开发的始末，因为软件工程化是对软件开发的最基本要求。通过多年的工程实践经验得出，利用LabVIEW软件平台以及研华的Adam模块在工业现场测控应用开发时，经济且开发周期短，具有较高的实用价值，对工业现场自动化发展具有一定的推动作用。
参考文献
[1]石博强，赵德永，李畅，雷振山．LabVIEW 6.1编程技术实用教程
[2]杨乐平，李海涛，赵勇，杨磊．LabVIEW 高级程序设计
[3]刘君花，贾惠芹，丁晖，阎晓艳．《虚拟仪器图形化编程语言》．LabVIEW 教程
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