基于LabVIEW的濕度傳感器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜智濤　王　洋　魏洪峰　姜明波

(1.北京應(yīng)用氣象研究所，北京 100029； 2.解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院，南京 211101)

0　引言

濕度測(cè)量在氣象分析和預(yù)報(bào)、氣候研究，飛行保障以及環(huán)境研究中都有著特定的作用，是重要的氣象觀測(cè)要素之一。濕度傳感器性能的好壞直接關(guān)系到濕度測(cè)量的準(zhǔn)確度。因此，需要對(duì)濕度傳感器的示值誤差、溫度系數(shù)、濕滯等性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)濕度傳感器存在的問(wèn)題，減小測(cè)量誤差。

目前，受濕度傳感器測(cè)試設(shè)備的工作原理、操作方式以及接口等方面的限制，濕度傳感器的測(cè)試基本還是采用傳統(tǒng)的測(cè)試人員讀取儀表示值、手工記錄和處理數(shù)據(jù)的方法，具有測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)、分析處理數(shù)據(jù)工作繁雜等缺點(diǎn)，因此，需要基于現(xiàn)有檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)一套能夠?qū)崿F(xiàn)濕度傳感器自動(dòng)測(cè)試的系統(tǒng)，這樣將大大提高測(cè)試的效率，降低測(cè)試人員的工作強(qiáng)度。

1　系統(tǒng)的組成和工作原理

1.1　系統(tǒng)硬件組成和工作原理

本文以雙壓法濕度發(fā)生器、數(shù)字式精密露點(diǎn)儀、計(jì)算機(jī)、多串口數(shù)據(jù)采集卡、打印機(jī)為主要設(shè)備來(lái)組建濕度自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。其中雙壓法濕度發(fā)生器主要用于提供穩(wěn)定的濕度場(chǎng)；露點(diǎn)儀用于監(jiān)測(cè)測(cè)試室內(nèi)的溫、濕度值；多串口數(shù)據(jù)采集卡用于采集測(cè)試數(shù)據(jù)集和發(fā)送控制指令；打印機(jī)用于證書(shū)的自動(dòng)打印。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　濕度傳感器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成框圖

進(jìn)行濕度傳感器測(cè)試時(shí)，將被測(cè)的濕度傳感器探頭、精密數(shù)字露點(diǎn)儀的吸氣管(探頭)和測(cè)溫鉑電阻一同放置在測(cè)試室，測(cè)控計(jì)算機(jī)通過(guò)多串口數(shù)據(jù)采集卡分別向雙壓法濕度發(fā)生器的溫度控制單元發(fā)送控溫指令和控壓指令，同時(shí)根據(jù)設(shè)置的測(cè)試點(diǎn)和數(shù)據(jù)錄取方式，通過(guò)多串口數(shù)據(jù)采集卡采集雙壓法濕度發(fā)生器的溫度、壓力，精密露點(diǎn)儀的溫度、露點(diǎn)、相對(duì)濕度，以及被測(cè)濕度傳感器的溫度、露點(diǎn)以及相對(duì)濕度。測(cè)試結(jié)束后，將測(cè)試數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)，并能夠自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告和打印。

2.2　系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)硬件組成、工作原理以及濕度傳感器自動(dòng)測(cè)試過(guò)程的分析，可知系統(tǒng)軟件應(yīng)具有以下基本功能：

1)信息錄入、保存功能：能夠?qū)Ρ粶y(cè)濕度傳感器以及測(cè)試設(shè)備的基本信息進(jìn)行錄入、保存；

2)自動(dòng)測(cè)試功能：能夠依據(jù)測(cè)試規(guī)范或者用戶的測(cè)試要求設(shè)定測(cè)試點(diǎn)以及測(cè)試參數(shù)，自動(dòng)控制濕度發(fā)生器產(chǎn)生設(shè)定的濕度場(chǎng)，完成濕度傳感器的自動(dòng)測(cè)試，并實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與顯示；

3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能：能夠?qū)y(cè)試數(shù)據(jù)及其相關(guān)信息存儲(chǔ)到指定的數(shù)據(jù)庫(kù)中；

4)報(bào)表生成功能：能夠按照相關(guān)報(bào)表模板自動(dòng)生成測(cè)試符合要求的報(bào)表。

系統(tǒng)的軟件功能模塊如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)的軟件功能模塊圖

2　自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1　LabVIEW編程語(yǔ)言

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件選擇美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)的LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)[1-2]。除了具備其他語(yǔ)言所提供的常規(guī)函數(shù)功能外，LabVIEW 中還集成了大量的生成圖形界面的模板，豐富實(shí)用的數(shù)值分析、數(shù)字信號(hào)處理功能，以及多種硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能(包括RS-232、GPIB、VXI、數(shù)據(jù)采集板卡、網(wǎng)絡(luò)等)。另外LabVIEW可調(diào)用Windows動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)和用戶自定義的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中的函數(shù)。LabVIEW的CIN節(jié)點(diǎn)使用戶可以使用由其它語(yǔ)言例如ANSI C編譯的程序模塊，使LabVIEW成為一個(gè)開(kāi)放的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

在89例患者中，全部患者均符合手術(shù)病理標(biāo)準(zhǔn)，患者經(jīng)過(guò)在腹彩超多普勒超聲的檢查發(fā)現(xiàn)，其診斷率為95.5%（85/89），漏診率4.9%（4/89）。

LabVIEW還直接支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)、結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言(SQL)、TCP和UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。此外，LabVIEW還提供了專門(mén)用于程序開(kāi)發(fā)的工具箱，使用戶能夠設(shè)置斷點(diǎn)，動(dòng)態(tài)執(zhí)行程序來(lái)觀察數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程，以及進(jìn)行方便的調(diào)試。

圖3　自動(dòng)測(cè)試模塊狀態(tài)關(guān)系圖

2.2　狀態(tài)機(jī)程序設(shè)計(jì)思想

Alan Turing 于1936年最早提出了“狀態(tài)機(jī)”的概念，狀態(tài)機(jī)是一種具有制定數(shù)目狀態(tài)的概念機(jī)，它在某個(gè)指定的時(shí)刻僅處于一種狀態(tài)，狀態(tài)的改變是由輸入事件的狀態(tài)變化而引起的[3-5]。作為對(duì)輸入事件的響應(yīng)，系統(tǒng)可能轉(zhuǎn)變到相同或不同的狀態(tài)，而輸出事件是任意產(chǎn)生的。狀態(tài)機(jī)包含三要素：狀態(tài)(State)、事件(Event)和動(dòng)作(Action)。

圖4　自動(dòng)測(cè)試模塊程序架構(gòu)

在NI開(kāi)發(fā)者套件(NI Developer Suite)中提供了一個(gè)很實(shí)用的工具包——狀態(tài)機(jī)工具包(State Machine Toolkit)，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、編輯程序的狀態(tài)圖(狀態(tài)圖是根據(jù)程序的要求抽象出來(lái)的，稱“程序流程圖”可能更好理解些)，完成狀態(tài)圖的編輯后，關(guān)閉狀態(tài)圖編輯器，便會(huì)在程序框圖上自動(dòng)地生成圖形化語(yǔ)言的狀態(tài)機(jī)構(gòu)架(或者說(shuō)是圖形化的狀態(tài)機(jī)代碼)。

在本系統(tǒng)中濕度傳感器的自動(dòng)測(cè)試涉及到多種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，因此采用狀態(tài)圖的設(shè)計(jì)思想可以很方便地進(jìn)行程序框圖的設(shè)計(jì)，如圖3和圖4所示分別為自動(dòng)測(cè)試模塊的狀態(tài)關(guān)系圖以及對(duì)應(yīng)的程序架構(gòu)。

2.3　串口通信模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件中數(shù)據(jù)的采集以及控制指令的發(fā)送主要是通過(guò)串口通信來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此串口通信模塊的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到系統(tǒng)軟件的質(zhì)量。在LabVIEW中提供了VISA(Virtual Instrument Software Architecture)接口模塊來(lái)進(jìn)行編程，VISA是應(yīng)用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O應(yīng)用程序接口，是工業(yè)界通用的儀器驅(qū)動(dòng)器標(biāo)準(zhǔn)API(應(yīng)用程序接口)，具有很好的兼容性、擴(kuò)展性和獨(dú)立性[6-7]。串口通信模塊軟件流程如圖5所示。

圖5　串口通信模塊軟件流程圖

串口通信模塊程序框圖中使用了VISA Configure Serial Port.vi、VISA Write.vi、VISA Read.vi等LabVIEW中自帶的函數(shù)庫(kù)，該程序框圖如圖6所示。

圖6　串口通信模塊程序框圖

2.4　數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件中數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存、修改、刪除和查詢等功能，利用數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)的工具包LabSQL可以很方便地實(shí)現(xiàn)這些功能[8]。LabSQL中的VI子程序按照功能可分為四類：Command Vis、Connection Vis、Recordset Vis以及Top Level VIs。其中Command VIs的功能是完成一系列的基本ADO操作，例如，創(chuàng)建或刪除一個(gè)Command，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的某一個(gè)參數(shù)進(jìn)行讀或?qū)懙?；Connection VIs的功能是管理LabVIEW與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的連接；Recordset VIs用于對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄進(jìn)行各種操作，例如，創(chuàng)建或刪除一條記錄，對(duì)記錄中的某一條目進(jìn)行讀或?qū)懙?；Top Level VIs屬于頂層的LabSQL應(yīng)用，對(duì)前三類LabSQL VIs某些功能的封裝，例如，SQL Execute.VIs可用于直接執(zhí)行SQL命令。圖7即為對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行簡(jiǎn)單操作的程序框圖。

圖7　利用LabSQL訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的框圖

首先通過(guò)ADO Create.vi創(chuàng)建一個(gè)Connection對(duì)象，利用ADO Connection Open.vi建立與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，然后利用ADO Recordset Create.vi創(chuàng)建一個(gè)Recordset對(duì)象，并利用ADO Recordset Open.vi打開(kāi)Recordset對(duì)象，同時(shí)利用SQL查詢命令獲得數(shù)據(jù)庫(kù)表中的全部或部分記錄，這樣就通過(guò)功能選擇按鈕來(lái)選擇控制對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作(查詢、添加、刪除、修改)，最后利用ADO Recordset Close.vi和ADO Connection Close.vi關(guān)閉與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的連接。

2.5　報(bào)表生成模塊設(shè)計(jì)

濕度傳感器自動(dòng)測(cè)試過(guò)程完成后，通常需要將測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和保存，并生成報(bào)表，利用LabVIEW 報(bào)告生成工具包(Report Generation Toolkit)通過(guò)ActiveX技術(shù)可以將Microsoft Word和Excel與LabVIEW 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境結(jié)合起來(lái)，快速生成專業(yè)的報(bào)表[9]。

Report Generation Toolkit中包含了3類vi調(diào)用子函數(shù)：

1)高級(jí)報(bào)告生成Vis，用于新建報(bào)表以及進(jìn)行常規(guī)操作；

2)專門(mén)用于生成Word報(bào)表格式的Vis，其中包括了文檔管理、查找、替換、編輯和格式化Word中的圖表、圖片，通過(guò)編寫(xiě)VBA代碼自定義各種復(fù)雜的操作。

3)專門(mén)用于生成Excel報(bào)表格式的Vis，除了能進(jìn)行常規(guī)的Excel操作外，還可以操作Excel中的宏。

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中報(bào)表生成模塊主要實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1)首先按照所要生成報(bào)表的要求訂制測(cè)試記錄表或測(cè)試報(bào)告的模板(Test.doc或Test.xls)，將模板中需要填充的占位符事先定義到一個(gè)數(shù)組中；

2)對(duì)Excel或者Word進(jìn)行調(diào)用，一般采用New Report.vi接收預(yù)先訂制的Excel或Word模板所在的路徑，并在Report Type中選擇響應(yīng)的報(bào)表形式，這時(shí)就獲得了對(duì)報(bào)表模板的調(diào)用；

3)數(shù)據(jù)填充過(guò)程，將數(shù)據(jù)庫(kù)中的測(cè)試數(shù)據(jù)填充到報(bào)表模板響應(yīng)的占位符中，一般可采用Append Report Text.vi子函數(shù)填充數(shù)據(jù)。

4)完成數(shù)據(jù)填充后，使用Dispose Report.vi關(guān)閉對(duì)Excel或Word的調(diào)用。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的濕度傳感器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)充分利用了LabVIEW對(duì)硬件編程的高效便捷性，將雙壓法濕度發(fā)生器、數(shù)字式精密露點(diǎn)儀以及被測(cè)傳感器通過(guò)多串口卡數(shù)據(jù)采集卡有效地集成；同時(shí)利用了LabVIEW中狀態(tài)機(jī)程序設(shè)計(jì)思想，豐富的接口函數(shù)以及數(shù)據(jù)庫(kù)和報(bào)表生成工具包，大大提高了程序設(shè)計(jì)的靈活性和高效性。實(shí)際使用結(jié)果表明，該系統(tǒng)有效地提高了濕度傳感器測(cè)試工作的效率，減小了重復(fù)工作量，并在一定程度上降低了測(cè)試人員操作記錄的錯(cuò)誤發(fā)生。

[1]陳錫輝，張銀鴻，等.Labview 8.20 程序設(shè)計(jì)從入門(mén)到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007

[2]楊樂(lè)平，李海濤，趙勇，等.LabVIEW高級(jí)程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003

[3]Anthony Lukindo.Labview Queued State machine Architecture

[4]葉楓樺，周新聰，白秀琴，等.基于LabVIEW隊(duì)列狀態(tài)機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010(4)

[5]Jon Conway,SteveWatts.A Software Engineering Approach to labview[M].New Jersey：Prentice Hall PTR,2003

[6]馬草原，郭雙強(qiáng)，李國(guó)欣.基于labview的串口調(diào)試與數(shù)據(jù)分析[J]，工礦自動(dòng)化，2005，8(4)

[7]暢國(guó)忠.基于VISA的事件處理方法與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)控技術(shù)，2000(9)

[8]羅文輝.Labview中的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(3)

[9]鄭默思，周曉軍.基于ActiveX的虛擬儀器報(bào)表打印方法[J].機(jī)電工程，2006，23(12)