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幅

南阳理工学院本科毕业设计（论文）

学生姓名：

闫冰冰

学号：

105090440056

指导教师（职称）：

樊京（副教授）

评阅教师：

完成日期：

南阳理工学院

NanyangInstituteofTechnology

电子信息工程专业闫冰冰

[摘要]本文设计了一种超低频电场测量仪。

在了解了超低频电场测量仪的工作原理的基础上，通过蓝牙串口传输系统，将数据传输至上位机中，以LabVIEW软件为开发平台，进行设计。

通过在LabVIEW下编写幅度测量算法、相位分辨算法及功率密度值算法，从而实现对采集到的数据进行处理分析，进而可以在虚拟仪器的面板上画出幅频特性、相频特性图及功率谱图。

[关键词]LabVIEW；

蓝牙模块；

数据采集；

数据处理；

幅频特性；

相频特性；

功率谱

ElectronicInformationEngineeringSpecialtyyanbingbing

Abstract:

Thispaperdesignsalowfrequencyelectricfieldmeasurementinstrument.Afterunderstandingtheultra-lowfrequencyelectricfieldmeasuringinstrumentworksonthebasisofserialtransmissionsystemviaBluetooth，thedatatransmittedtothehostinordertodevelopLabVIEWsoftwareplatformdesign.Withitsamplitude,phasemeasuringalgorithmunderLabVIEWresolutionalgorithmandpowerdensityvalue,soastorealizethecollecteddataanalysis,whichcandrawonthevirtualinstrumentpanelamplitude-frequencycharacteristicandphasefrequencycharacteristicsandpowerspectrumdiagram.

Keywords:

labview；

Bluetoothmodule；

dataacquisition；

dataprocessing；

frequencysweep；

phasefrequencycharacteristics；

Powerspectrum

目录

1引言

1.1课题研究背景与意义

我国超低频电场测量仪在诸多学术和工程研究领域都占有重要的地位，在关系到人民生命安全的地震预测方面、在航天航空领域的雷电瞬态电场的实时监测以及通信领域天线近场测量等方面都离不开电场测量技术的有力支持。

随着科学技术的不断发展，人们对于电场测量仪的要求越来越高，LabVIEW是一种通用的编程系统，它具有各种各样、功能强大、简单易用的函数库，这些函数库里包含着包括数据采集、网络传输、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储等功能。

此题目可以训练学生的软件设计开发能力，培养学生用labview编程、调试、绘图、分析具体问题的能力，培养学生将所学理论知识与具体实践相结合的能力等。

最终能够

在接收到发送方传送的数据后，用LabVIEW将接收到的数据信息显示到上位机中，从而能清晰的显示电场强度。

1.2国内外研究现状

国外研究现状：

目前，国外电场测量仪设计的研究已经达到了一个很高的水平，其中性能较优的主要有德国Narda公司生产的EFA300低频电磁分析仪、美国HOLADAY公司生产的HI-3604工频电磁强度测量仪以及法国C.A公司生产的CA42工频电磁场分析仪等。

这些仪器都提供了很宽的测量范围和频带，但是，对超低频电场的研究仍然较局限于工频频段，且价格昂贵，将来有进一步提高的可能。

国内研究现状：

在国内，电荷感应式电场测量技术的研究收到非常高的重视，许多单位、研究所等也从事了相关的研究工作。

目前国内常用的电场测量仪主要以中高端进口产品为主，国产的低端测量仪器扔存在较多缺陷，例如相应速度慢、测量精度过低、设备复杂笨重、难于推广等问题。

因此，研究一种体积小、价格适中、测量范围广的超低频电场测量仪，具有广泛的使用价值。

1.3本课题的主要研究内容

本课题就是应用正在蓬勃发展的虚拟仪器技术，即利用微型计算机强大的软件功能和图形环境进行幅频特性测试仪的研究与开发[8]，主要是使用软件LabVIEW控制正弦波信号发生器，使其产生合适的正弦波，并进行扫频操作，然后通过控制示波器的USB口将数据采集到计算机上。

在Matlab或LabVIEW下编写幅度测量算法、相位分辨算法，并在虚拟仪器的面板上画出幅频特性图。

本论文的主要内容包括:

第1部分：

首先分析了本课题的研究背景及意义，全面阐述了电场测量仪仪的国内外的研究现状，并且介绍了本论文完成的主要工作。

第2部分：

详细介绍了电场测量的基本概念，以及系统的总体结构以及设计方案。

第3部分：

详细介绍了该设计的硬件平台组成—波形发生器及示波器。

第4部分：

对系统的软件部分进行详细设计：

（1）蓝牙通信模块数据采集的设计与调试；

（2）对采集信号进行处理分析的设计。

第5部分：

最后系统联调，软、硬件整机调试。

对信号采集、处理分析、显示进行调试，并对调试过程中出现的问题进行处理，进一步完善系统功能，满足设计要求，得出正确结论，并进行全面总结。

2电场测量仪的系统设计

2.1电场测量仪的基本概念

低频电场测量仪是一种对复杂电磁场进行测量的仪器。

随着现代低频技术的快速进步，尤其是低频场测量技术的不断改进，传统的测量方式已经无法满足低频测量的需求。

而低频场测量仪由于采用电子原理设计的单轴传感探头来测量电场，可用于计算机和视频显示终端发射出的复杂电磁场测量

2.2电场测量仪实现的功能

可以直观显示出待测超低频电场的有关参数。

即在Labview中显示电场的幅频特性、相频特性及功率谱，以此了解基于Labview的超低频电场测量仪可以实现的功能。

2.3系统结构及总体设计方案

课题的主要设计任务是在接收到发送方传送的数据后，用LabVIEW将接收到的数据信息显示到上位机中，从而能清晰的显示电场强度。

计算机将根据采集的数据计算系统的性能指标，包括时域和频域指标，并以图形的方式显示出来。

系统主要由四个部分组成:

（1）数据采集部分，主要是系统软硬件结合部分。

该部分主要应用蓝牙模块的通讯及协议处理，是实现系统功能的基础。

蓝牙透传模块可以使用串口的设备摆脱线缆的束缚，在10米范围内实现无线串口通信。

蓝牙透传模块只有4个AT指令，分别是测试通讯，改名称，改波特率，改配对密码，AT指令必须从TXD,RXD信号脚设置。

在本设计中，将ATMEGA16单片机的串口TXD端口与蓝牙模块的RXD端口连接，ATMEGA16单片机的串口RXD端口与蓝牙模块的TXD端口连接，由于本课题是将单片机处理后的信号传输至上位机，所以单片机的串口需要与蓝牙模块的主机相连，蓝牙模块系统的从机与上位机相接，从而实现串口的数据传输。

如实物图13，图14所示。

（2）数据处理部分，主要进行软件处理。

数据处理是电场测量仪的一个重要环节，由于电场测量仪软件仿真是建立在Labview之上，因此可充分利用自身软件的优势，具有方便灵活、功能强大的数据处理能力，这一点是传统仪器无法比拟的。

本课题研制的电场测量仪系统通过Labview软件编程，实时、直接地对测试数据进行各种分析和数字处理，如完成DFT，FFT运算，实现数字滤波等，然后以各种方式输出处理，具有极强的数据处理能力。

3超低频电场测量仪的软件系统简介

本课题是在Labview的基础上进行的软件设计，因此该设计主要分为三部分：

（1）蓝牙模块的通讯及协议处理

（2）labview的编程（3）显示电场信号时域分析、频域分析的图像；

技术要求：

1、蓝牙通讯速率:

19200bps

2、程序界面美观，使用方便

3、计量单位：

v/m（伏/米）

4、可以实时显示电场强度的大小

5、能够显示频谱图，计算对应的频率。

3.1LabVIEW的简介和基本特点

LabVIEW是一种通用的编程系统，它具有各种各样、功能强大、简单易用的函数库，这些函数库里包含着包括数据采集、网络传输、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储等功能。

LabVIEW采用图形化编程语言——G语言，它所产生的程序是框图的形式，这种形式易学易用，因为G语言可在很短的时间内掌握并应用到实践中去。

图形化的程序设计编程比传统的编程语言简单直观，并且开发效率高。

随着虚拟仪器技术的不断发展，这种图形化的编程语言将会达到通行的标准[8]。

LabVIEW[16]的基本编程单元是框图，框图以图形软件绘制，用端点来表示程序设计，虚拟仪器则接收来自方框图的指令，因此，LabVIEW在绘制方框图时只需从软件菜单中调用相应的函数方块并用导线连接即可，不必受常规程序设计句法细节的限制，LabVIEW面板如图11所示。

一个LabVIEW程序分为三部分:

前面板、框图程序、图标/接线端口。

前面板是用于模拟真实仪器的控制面板；

框图程序则是利用图形语言对前面板上的控件对象（分为控制量和指示量两种）进行控制；

图标/接线端口用于把LabVIEW程序定义成一个子程序，从而实现模块化编程.

（1）具有良好的图形用户界面。

用LabVIEW可以在计算机屏幕上产生出类似于传统仪器的面板，包括按钮、旋钮、开关、图形显示组件、控制组件等等。

这些组件都具有高仿真度[9]。

（2）比起其它的语言来说编程简单、由于采用图形化的语言——G语言，用图形化的方式编写程序。

（3）具有良好的模块化和层次结构的特点。

用LabVIEW编写的VI即可以作为顶层程序使用，还可以作为其它大型程序的子程序进行调用。

（4）LabVIEW软件中提供功能强大程序调试工具。

程序调试工具可以在源代码中可以设置断点，可以单步执行，也可以启动。

虚拟仪器是基于计算机的仪器。

计算机和仪器的密切结合并且结合的越来越紧密是目前仪器发展的一个重要方向[10]。

常见的虚拟仪方案如图21所示。

其常见的开发面板如下所示：

图1LabVIEW面板

3.2软件设计主程序

程序是一个While循环，While循环内部添加一个条件循环，由前面板的发送按钮来控制条件循环的分支选择器。

在条件循环为真时，开始运行程序。

图2主程序框图

3.3蓝牙通信数据采集模块

（1）设计的程序前面板如图所示

图PC与蓝牙模块串口通信程序前面板

（2）连接好的程序框图如图所示

图PC与蓝牙模块串口通信程序框图

（3）运行程序。

进入程序前面板，保存设计好的程序框图。

先单击右侧的“采集/仿真”按钮，再单击快捷工具栏中的“运行”按钮，运行程序。

程序运行界面如图所示。

3.4数据处理---幅度相位谱分析

（1）幅度相位谱分析的前面板

（2）幅度相位谱分析的程序框图

（3）运行后的幅度相位谱分析的前面板

3.5数据处理---功率谱分析

（1）运行前的功率谱分析的前面板

（2）功率谱分析程序框图

（3）运行后的功率谱分析的结果

4结果分析

结束语

毕业设计完成的工作总结如下：

（1）进行了系统的软件方面的设计，设计的主要内容包括:

蓝牙模块系统串口的连接，Labview串口程序设计，显示电场信号时域分析、频域分析的图像等。

（2）连接PC和单片机构成单片机应用系统，单片机发送数据给蓝牙模块体统，蓝牙模块从机将接收到的数据传输至PC机，PC接收并验证数据。

（3）软件设计使用labview读取串口蓝牙模块的数据，并转换成电场值

实践证明应用先进的虚拟仪器软件LABVIEW,大大降低了串口通讯复杂程度,减小了软件设计的工作量,大大降低了投资成本。

本次设计实现了LabVIEW下的串口通信，达到了预期的目标。

经过这次毕业设计，我学会了不少的知识，学会了怎样查阅资料和利用工具书，彻底掌握了电场、磁场、电磁场的基本概念，以及熟练地使用LabVIEW软件和相关开发工具。

通过这次毕业设计，我更加深刻地认识到只有将书本与具体的实践相结合，才会有真正的收获，才能巩固自已的所学，认识到自己的不足。

尤其是在调试过程中我遇到了一些常见问题例如：

串口通信协议的设置问题，但通过对这些问题的探讨和解决，我也学会了电路设计的一些基本原则和考虑因素，以及串口通信协议的基本规则，更重要的是通过解决一些专业性很强的细节问题，让我找回了昔日的信心和兴趣，给我的大学生活画下了完美的句号。

主要参考资料：

1.赵江滨，刘世元，胡友民，史铁林．组件化虚拟仪器软件系统性能研究[J]．仪器仪表学报，2009，30（10）：

2132-2134．

2.刘萍，曹慧，邱鹏．虚拟仪器的发展过程及应用[J].山东科学，2009，22

（1）：

80-82．

3.周骏,龚沈光,林春生.运动舰船的电场测量[J].海军工程学院学报.1998（02）

4.周永红,张民.基于嵌入式系统的远程水下电场测量系统[J].舰船电子工程.2006（05）

5.蔡旭东.方石.张仪.舰船电场信号测量系统的硬件设计 

[J] 

.船电技术2012（7）

6.李松,李俊,龚沈光.电场测量传感器类型选择[J].水雷战与舰船防护.2008（01）

7.邬琦斌关于工频电场影响研究的综述1998（12）

8.张嵩阳,姚德贵,刘清,胡泽文,寇晓括.无线工频电场测量与警示仪及应用[J].电测与仪表.2011（01）

9.熊兰,伍懿美,席朝辉,杨子康,郑家波,何为.高频电磁水处理器处理腔的仿真与设计[J].重庆大学学报.2012（09）

10.王瑾.舰船水下电场测量[J].中国舰船研究.2007（05）