基于LabVIEW的综合设计性项目研究

陈　林，汪小燕，曹鹏辉

(华中科技大学　电子信息与通信学院，武汉　430074)



基于LabVIEW的综合设计性项目研究

陈林，汪小燕，曹鹏辉

(华中科技大学电子信息与通信学院，武汉430074)

摘要该文以智能温室控制系统的设计实现为例，阐述了如何引导学生综合运用所学理论知识，从系统角度思考、设计总体方案，并利用LabVIEW快速实现的教学模式。该项目既可选择不同模块用于LabVIEW类课程教学，也可引入课程设计。最后，根据教学实践给出了其应用于不同课程的具体教学建议。

关键词智能温室；LabVIEW软件；综合设计；课程设计

LabVIEW是美国国家仪器公司(National Instruments，NI)于1986年率先推出的基于“虚拟仪器”开发的图形化软件开发平台。它包含了大量的控件、工具包和模块函数，如内置了超过1 000多种信号处理与分析函数、多种射频与无线协议工具包，以及机器视觉与运动控制等多种模块，方便进行数据采集、分析、处理、显示与存储等操作。同时还提供了多种形式的接口，可以与DLL、Matlab等多种软件互相调用。它更具能与硬件进行无缝连接的特色：一方面，平台自身包含有强大的仪器驱动库，可以和多种仪器连接；另一方面，平台代码可以发布到不同的执行对象，包括嵌入式控制器、FPGA等[1-3]，而且现在市场上很多的硬件厂商都有专门针对LabVIEW开发的驱动。随着计算机技术和电子技术的发展，LabVIEW的性能也在不断完善，目前，其应用早已突破最初的仪器控制和数据采集的范畴，向更深、更广的方向发展，已经涉及电子电气、射频与通信、装备自动化、汽车、国防、航空航天、能源电力、生物医电、土木工程、环境工程等多个领域[4]。

鉴于LabVIEW在各大领域日益广泛的应用和巨大的发展空间。各高校已纷纷将LabVIEW的学习及应用纳入到各相关专业学生的课程体系中[5-7]。本文开发的设计项目即可选择相应子模块用于LabVIEW的课程学习中，也可用于学生的课程设计中，实现软硬结合，以提高学生系统工程设计能力与创新能力。

1基于LabVIEW的综合系统构架

LabVIEW作为图形化编程开发平台，具有强大的网络通信能力和系统处理、分析能力，且易学易用，同时它又充分利用了计算机、仪器和测控系统等硬件资源，成为快速构建交互式系统的强大利器。

LabVIEW系统的构成通常由信号的获取和采集、信号的分析与处理、结果的输出与显示[8]3大部分组成。系统结构如图1所示。

图1　LabVIEW系统结构

信号的获取和采集部分由硬件实现，信号的分析与处理及后续结果的输出与显示则靠软件完成。被测信号的形式多种多样，既有电量形式，又有非电量形式。若被测信号为非电量，则首先需将其转换为电压或者电流类的电信号。这些信号可能会很微弱，或者含有大量噪声，或者是非线性的等，所以在进入采集设备之前必须经过信号调理电路，以进行有效而准确地变换。信号调理的方法主要包括放大、衰减、隔离、多路复用、滤波和激励等。通过数据采集模块将变换后的电信号采集进入计算机，而LabVIEW软件则提供仪器操作与运行的命令环境，用于实现对数据的读取、分析处理、显示以及对数据采集设备的控制等功能，为各类系统的开发提供了系统平台和支撑。

2LabVIEW综合设计项目的开发设计

由于LabVIEW具有快速构建系统的强大能力，因此开发的综合设计项目就必须具有一定的综合性、探索性，同时又要以学生现有知识水平为基础，并能方便进行适度拓展。智能温室控制系统项目则正好满足此要求。

智能温室控制系统项目具体要求为：采集温室里的温度、湿度、光照等参数，根据环境对作物的影响因素，确定智能温室控制方案。设计控制系统：如加温、降温控制；喷灌、补光控制等，实现集监控管一体的温室智能化系统。

2.1设计方案

该项目是一个软、硬件结合的系统综合设计项目。首先，由各类传感器电路实现对温室参数的检测；然后，由数据采集模块负责对温室参数的信息进行采集；最后，LabVIEW平台对采集到的数据进行逻辑运算、处理，并对后续设备进行控制。如当温度不适于农作物生长时，系统报警，并自动开启风扇降温或者加热片加热以保持温室系统的恒温状态；当湿度不适于农作物生长时，系统报警并进行喷灌；当光照不适宜时，进行适当的补光处理等。系统框图如图2所示。

高血压是一类常见的慢性疾病,多发于中老年人,近些年来呈现出年轻化的趋势,对该病的防治已受到广泛关注。高血压患者多采取药物进行治疗,但可供选择的降压药物品种繁多,疗效和安全性各异,如何为患者选择安全、高效的药物已受到广泛关注。本次实验选取我院在2016年4月至2017年4月收治的100例高血压患者为研究对象,就贝那普利联合氨氯地平对其血压水平控制效果的影响进行分析,现作如下总结。

图2　温室控制系统框图

2.2系统硬件设计

1)电源转换模块。

利用电源适配器，将外部提供的220 V交流电压转换成稳定的直流电压，若各模块所需电压值不同，还可用稳压芯片如7805等进行直流电压的转换。注意电源模块需提供足够大电流，以满足系统驱动能力要求。

2)温度、湿度检测和控制模块。

图3　温度检测模块电路

温度检测模块的核心器件为温度传感器LM35，它将环境温度信号转化为电压信号，其灵敏度为10.0 mV/℃。由于转化后的电信号较小，还需外接运算放大器进行适当放大，才能送入采集设备，检测模块电路如图3所示。然后，借助LabVIEW平台进行逻辑判断，产生两路控制信号(数字信号)，当温度低于设定阈值时开启加热片、关闭风扇，高于设定阈值时，关闭加热片、开启风扇以保持温室恒温。由于采集设备直接输出的信号电流较小，因此采用TIP122达林顿管作为控制开关，其允许流经的电流值大于1 A，满足加热片和风扇正常工作的驱动能力需求。温度控制具体实现电路如图4所示。

图4　温度控制模块电路

湿度检测模块可选用集成的土壤湿度计检测模块，其检测器件为类电容的装置，容值随水位的改变而线性变化，可通过电位器调节土壤湿度控制阈。该模块有数字输出端DO和模拟输出端AO。模拟输出电压信号会随水位高度线性变化，可将电压信号送入采集设备通过LabVIEW进行逻辑判断，产生单路控制信号。干燥度高于设定阈值时，开启水泵，抽水浇灌；低于设定阈值时，关闭水泵。用TIP122达林顿管作为开关控制水泵的工作，具体实现电路可参考图4。数字输出端信号则可接蜂鸣器以实现报警功能。

3)光照检测和控制模块。

图5　光照检测控制模块

2.3数据采集

数据采集的根本任务，就是将外部输入的模拟信号转换为数字信号，再送入计算机进行相应的计算和处理。数据采集电路一般可直接使用数据采集卡实现，NI公司提供了多种接口形式的多功能数据采集平台，如USB接口的myDAQ平台等，安装相应驱动软件就可与LabVIEW进行无缝连接，同时自带万用表、信号发生器、示波器等各种仪器，使用非常方便。

由于本系统对信号要求不是太高，也可用声卡代替完成数据采集的工作。目前，普通声卡已作为多媒体计算机最基本的硬件，具有16位的量化精度、数据采集频率可达44 kHz，性能稳定，有较高采样精度，完全可以满足特定应用范围内数据采集的需要[9]。但声卡对于信号频率采集的灵敏度远远大于对信号幅度的灵敏度，所以为使采集的信号更加准确，建议先利用V/F(压/频)转换模块将电压信号转换为具有一定幅值的频率信号，再通过声卡采集频率，最后，借助LabVIEW的信号处理功能对信号进行处理和显示。可选用LM331构成V/F转换模块，其转换精度高，外接电路简单。

LabVIEW提供了一系列与声卡有关的函数，这些函数可以实现对声卡的快速访问和操作，因此利用这些函数可以方便搭建基于声卡的信号采集程序。这些函数位于“函数”/编程/图形与声音/声音子选板上。硬件上一般采用浅蓝色的Line In口为采集输入端，草绿色的Wave Out口为输出端。

2.4系统软件设计

系统软件主要完成对采集数据的二次滤波，将电压值转换成相应的温度、湿度值显示，并产生输出信号用以控制外围硬件电路。程序流程图如图6所示。

以温度监控为例，假设温室中适宜作物正常生长所需温度为T1～T2，则智能调控温度上限为T2，下限为T1。当温室中温度低于T1或者高于T2时都会触发警报并且自动驱动风扇或加热片做出相应反应。具体可分为以下3种情况。1)若当前温度高于T2，则风扇开始工作并且发出温度警报；当温度降低至T2以下警报解除，风扇继续工作，直到温度略低于0.5(T1+T2)+0.5，则停止工作。2)若当前温度低于T1，则加热片开始工作并发出温度警报；温度升高至T1以上警报解除，加热片继续工作，直到温度略高于0.5(T1+T2)-0.5，则停止工作。3)若当前温度在0.5(T1+T2)-0.5～0.5(T1+T2)+0.5之间，则风扇和加热片均不工作。

湿度监控情况较为单一，在此不作赘述。

图6　温室控制系统软件流程图

2.5项目扩展

还可以利用LabVIEW强大的网络通信功能实现对温室参数的远程控制。使用LabVIEW实现网络通信有4种方法：1)使用网络通信协议编程实现网络通信，可以使用的通信协议类型包括TCP/IP协议、UDP、串口通信协议、无线网络协议等；2)使用基于TCP/IP的数据传输协议DSTP的DataSocket技术实现网络通信；3)使用共享变量实现网络通信；4)通过远程访问实现网络通信[10]。

NI公司在移动端还推出了Data Dashboard for LabVIEW平台，提供给用户对LabVIEW变量编程的接口。在本文系统中，通过创建网络共享变量，就能使用移动设备通过Data Dashboard编程所得的控件实现对温室系统的远程监控。

3结束语

本文设计项目综合应用了电子技术、信号处理等多门理论课程的知识，实现了多种现代电子技术手段围绕一个设计主题展开，要求学生从系统角度思考、设计总体方案及实施手段。实践证明该项目能有效调动学生的积极性和主观能动性。若将本项目用在LabVIEW类课程教学中，建议安排12学时左右，仅完成对温室中温度参数的监控；若用于课程设计，则建议将温度监控模块、湿度监控模块和光照控制模块作为基本内容要求完成，而将远程监控模块作为扩展内容完成，使不同层次学生都有发挥、创新的空间。

参 考 文 献

[1]郑对元.精通LabVIEW虚拟仪器程序设计[M].北京:清华大学出版社，2012.

[2]杨乐平，李海涛.虚拟仪器技术概论[M].北京:电子工业出版社，2003.

[3]范海英，杨嘉，张金凤，等.基于LabVIEW 的虚拟信号发生器和示波器设计[J].实验科学与技术，2013，11(4)：42-43，104.

[4]朱燕飞，万频，章云.基于虚拟仪器的测试技术实验教学[J].广东工业大学学报，2006，6(12)：151-152.

[5]陈林，潘旭，陈乔，等.虚拟仪器技术在电子技术课程设计中的应用[J].实验技术与管理，2011，28(8)：83-86，125.

[6]曹科才，孔令灿.“自动控制原理”的LabVIEW 辅助教学[J].电气电子教学学报，2012，34(6)：99-101.

[7]严正国，吴洋洋.LabVIEW 在数字信号处理教学中的应用[J].中国现代教育装备，2008(10)：23-24.

[8]黄松岭，吴静.虚拟仪器设计基础教程[M].北京:清华大学出版社，2008.

[9]蒋帅锋，施展，鲍恝.基于声卡的数据采集系统[J].计量技术，2005(11)：21-23.

[10]刘胜，张兰勇，章佳荣，等.LabVIEW2009程序设计[M].北京:电子工业出版社，2010.

Study on the Comprehensive Designing Project Based on LabVIEW

CHEN Lin，WANG Xiaoyan，CAO Penghui

(School of Electronic Information and Communications，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

AbstractThis paper takes design and implementation of intelligent greenhouse control system as an example，expounds how to guide the students integrated use of theoretical knowledge，from the perspective of system thinking and overall scheme design，and use the LabVIEW rapid implementation of teaching mode.The project can choose different modules for LabVIEW course teaching，also can be introduced into the curriculum design.Finally，the teaching practice should be given for the specific teaching suggestions according to the different course.

Key wordsintelligent greenhouse；LabVIEW software；comprehensive designing；curriculum design

收稿日期:2015-03-11；修改日期: 2015-03-26

作者简介：陈林(1968-)，女，硕士，高级工程师，主要从事虚拟仪器技术、电子技术和EDA技术的教学研究工作。

中图分类号TP273

文献标志码A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.02.003