基于虚拟仪器技术的霍尔测频系统设计.docx
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基于虚拟仪器技术的霍尔测频系统设计
第1章课程设计任务书
《测控系统综合设计》设计任务书（三）
题目：
基于虚拟仪器技术的霍尔测频系统设计
一、设计任务
本课题要求通过直流电机的转动带动了磁钢的转动，通过霍尔元件采集磁场的变化，将直流电机的转速转换成具有周期性的矩形脉冲电压信号，送入NIELVISII数据采集平台的模拟输入通道，然后利用虚拟仪器软件开发平台LabVIEW来开发系统软件，以实现对直流电机转速和频率信号的采集、分析、处理与报表生成等。
具体指标与要求如下：
（一）硬件设计要求
1、理解霍尔器件测频的基本原理，通过霍尔将电机的转速转换成具有周期性的矩形脉冲信号，实现对电机转速和频率的测量。
要求对霍尔测频器件进行选型，对霍尔器件测频信号调理电路进行设计与调试，说明其工作原理。
2、理解NIELVISII数据采集平台的工作原理，通过NIELVISII数据采集平台对霍尔传感器及其调理电路出来的电压信号进行采集、分析与处理。
（二）软件设计要求
要求采用状态机的软件设计结构来设计霍尔测频系统软件。
系统软件具有“系统初始化”、“系统等待”、“数据采集”、“报表生成”“打开报表”、“退出”等功能。
具体要求如下：
1、系统初始化
霍尔测频系统软件运行后，首先进入系统初始化状态。
系统初始化状态主要可以对NIELVISII数据采集平台，所用的数据采集通道及软件界面上的所有控件进行初始化。
系统初始化结束后，软件进行等待状态中，等待其他功能的选中与运行。
2、系统等待
在系统等待状态下，用户可选择其他功能并运行。
要求系统等待状态采用事件驱动结构来实现。
3、数据采集
要求系统可以对霍尔测频信号进行连续的实时采集、分析与显示。
包括对所用NIELVISII数据采集平台物理通道，电压最大值、最小值、采样速率、每通道采样点数等参数的设置。
将采集到的时域波形、频率（Hz）、电机转速（rpm）等参数进行实时显示。
对信号进行频谱分析并显示其频谱波形。
要求系统可以对霍尔测频信号进行连续的实时采集、分析与显示。
4、报表生成
报表生成功能可以实现对霍尔测频信号连续采集与分析过程中的相关参数包括所用NIELVISII数据采集平台物理通道，电压最大值、最小值、采样速率、每通道采样点数、时域波形、频率（Hz）、电机转速（rpm）、频谱波形等参数或波形作为报表的内容进行保存。
5、打开报表
打开报表功能可以对保存的报表进行打开以便进行离线进行分析和处理。
6、退出
按下“退出”键，将退出系统软件。
要求系统软件界面设计友好，方便操作。
在系统软件界面即前面板上必须有状态显示栏，以显示软件当前运行的状态。
二、设计目的
通过本次设计使学生具备：
（1）初步了解测控系统的设计步骤，掌握系统设计方法，加深对专业理论知识的理解，能够综合运用所学的《传感器原理与检测技术》、《虚拟仪器技术》、《测控电路》、《测控系统原理与设计》等专业知识设计测控系统各个单元，并组成系统。
（2）通过制定测控系统设计方案，合理选择传感器及其他元件，正确计算、选择各电路和元件参数，确定尺寸和选择材料，以及较全面地考虑制造工艺、使用和维护等要求，达到了解和掌握测控系统综合设计过程和方法的目的。
（3）进行设计基本技能的训练。
如：
计算、绘图、熟悉和运用设计资料（手册、图册、标准和规范等）以及使用经验数据、进行经验估算和数据处理及计算机应用的能力。
（4）了解现代仪器科学与技术的发展前沿，学习和掌握基于虚拟仪器技术的测控系统组成和工作原理；进一步掌握虚拟仪器LabVIEW图形化软件设计方法与调试技巧。
（5）培养学生查阅资料的能力和运用知识的能力；提高学生的论文撰写和表述能力；培养学生正确的设计思想、严谨的科学作风；培养学生的创新能力和运用知识的能力。
三、设计要求
1、了解和掌握整个以虚拟仪器技术平台构建的测控系统组成、工作原理、各单元功能和应用背景。
2、根据设计任务进行文献资料的检索，根据测控系统的功能和工作原理，确定测控系统的功能，制定设计方案和设计虚拟仪器面板。
3、合理选择传感器的种类与型号，设计信号调理电路；利用虚拟仪器技术软件开发平台LabVIEW来编写与调试系统软件。
4、按学校课程设计的撰写规范撰写且提交一份完整的设计报告。
四、设计内容
1、基于虚拟仪器技术的霍尔测频系统硬件设计。
2、基于虚拟仪器技术的霍尔测频系统软件设计。
具体设计内容详见前面的设计任务。
五、设计报告要求
报告中提供如下内容：
1、目录
2、正文
（1）设计任务书（只需要打印指导教师提供的设计任务书，不要对任务书的内容进行任何的修改）；
（2）总体设计方案（包括对现代测控系统发展的概述，构建一个测控系统的总体结构图，霍尔器件测频的基本原理、发展与概述等，霍尔器件测频信号调理电路的设计，并根据任务书要求，选择合适的技术参数和技术方案，对多种设计方案进行分析比较，系统总体结构图概述等）；
（3）系统硬件设计，包括传感器的选择（测量原理分析，传感器的量程、测量精度与结构、型号的确定）、信号调理电路的选择、设计及计算（根据测量要求、传感器的类型及特点，选择或设计合适的信号调理电路，并绘制电气系统原理图。
）；
（4）系统软件设计，包括系统软件程序流程图、前面板与框图程序的设计及功能实现方法等；
（5）系统总体调试、运行及其结果；要求有程序和运行结果等。
3、收获、总结与体会
4、参考文献（不低于20篇）
六、设计进度安排
本课程设计共需2周时间，其具体安排见下表:
时间
上午
下午
第一周
星期一
设计动员、布置设计任务
查找与消化相关资料
星期二
查找与消化相关资料
总体方案设计
星期三
总体方案设计
系统硬件设计
星期四
系统硬件设计
系统硬件设计
星期五
系统硬件调试
系统硬件调试
第二周
星期一
系统软件设计
系统软件设计
星期二
系统软件设计
系统软件设计
星期三
系统软件调试
系统总体调试及性能分析与总结
星期四
撰写设计报告
撰写设计报告
星期五
完成设计报告并上交
答辩
七、设计考核办法
本设计满分为100分，从设计平时表现、设计报告及设计答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、40%、40%。
第2章总体设计方案
2.1虚拟仪器概念与传统仪器概念主要区别：
2.1.1虚拟仪器的定义及组成
虚拟仪器（VirturalInstrument,VI）的概念是由美国国家仪器公司提出来的，虚拟仪器本质上是虚拟现实一个方面的应用结果。
也就是说虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，它充分利用计算机系统强大的数据处理能力，在基本硬件的支持下，利用软件完成数据的采集、控制、数据分析和处理以及测试结果的显示等，通过软、硬件的配合来实现传统仪器的各种功能，大大的突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、存储等方面的限制，使用户可以方便地对仪器进行维护、扩展和升级。
虚拟仪器是基于计算机的仪器，计算机和仪器的紧密结合是目前仪器发展的一个重要方向，虚拟仪器就是在通过计算机上加一组软件和硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台自己设计使用的专用的传统电子仪器。
在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了实现信号的输入、输出，软件才是整个仪器系统的关键。
任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便的改变、增减仪器系统的功能与规模，所以有“软件就是仪器”之说。
虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等，其中，硬件接口模块可以包括插入式数据采集卡（DAQ）、串/并口、IEEE488接口（GPIB）卡、VXI控制器以及其他接口卡。
目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、GPIB仪器控制系统、VXI仪器系统以及这三者之间的任意组合。
一般来说,虚拟仪器是由通用仪器硬件平台（简称硬件平台）和应用软件两大部分构成的。
（1）虚拟仪器的硬件平台
构成虚拟仪器的硬件平台有两部分。
（Ⅰ）计算机。
一般为一台PC机或工作站,是硬件平台的核心;
（Ⅱ）I/O接口设备。
I/O接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换。
不同的总线其相应的I/O接口硬件设备,如利用PC机总线的数据采集卡/板（DAQ）、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、串口总线仪器等。
虚拟仪器的I/O接口设备主要有5种类型。
①PC-DAQ系统。
PC-DAQ系统是以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。
这种系统采用PCI或计算机本身的ISA总线,将数据采集卡/板（DAQ）插入计算机的空槽中即可。
GPIB系统。
③VXI系统。
④PXI系统。
⑤串口系统。
它们分别是以其自身的标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。
（2）虚拟仪器的软件
目前的虚拟仪器软件开发工具主要有如下两类:
文本式编程语言:
如VisualC++,VisualBasic,Lab2Windows/CVI等。
图形化编程语言:
如LabVIEW,HPVEE等。
这些工具为用户设计虚拟仪器应用软件
提供了最大限度的方便条件与良好的开发环境。
虚拟仪器的最大特点是将计算机资源与仪器硬件,DSP技术相结合，在系统内共享软硬件资源，打破了以往由厂家定义仪器功能的模式，由用户自己定义仪器功能。
在虚拟仪器中，使用相同的硬件系统，通过不同的软件编程，就可以实现功能完全不同的测量仪器。
传统仪器与虚拟仪器系统的比较如下表所示。
传统仪器与虚拟仪器系统的比较
传统仪器
虚拟仪器系统
系统标准
仪器厂商定义
用户自定义
系统关键
硬件
软件
系统更改
仪器功能，规模固定
系统功能，规模可通过软件修改，增减
系统连接
系统封闭，与其他设备连接受限
开放的系统，可方便的与外设，网络及其他应用连接
价格
昂贵
低，可重复使用
技术更新周期
5~10年
1~2年
开发，维护费用
高
低
由此可见，虚拟仪器尽可能采用通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件，同时能充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的特性仪器。
2.1.2虚拟仪器的特点
虚拟仪器和传统仪器相比具有以下的特点:
（1）具有可变性、多层性、自助性的面板。
虚拟仪器的面板可以做到与传统仪器一样,可以有显示器显示波形;有LED指示数字;有指针式表头指示刻度;有旋钮、滑动条、开关按钮;有报警指示灯和声响等等。
而虚拟仪器的优越之处在于传统仪器面板上的元器件是硬件,由厂商设计确定,不可改变地安装在专用的面板上。
而虚拟仪器的面板由计算机的显示器构成,面板上的各种显示控制元件是软件图库中的各种功能图形,由用户设计面板,调用图形块,用户可以不受“标准件”和“加工工艺”限制,随意增、删、移动元器件,变化尺寸、色彩等等。
还可以制作多层下拉面板,帮助文件等等,做出远远超
过传统仪器的全汉化、生动美观、界面友好的面板。
（2）强大的信号处理能力
用适当的硬件接口电路,对信号进行采集、放大、滤波、隔离、A/D转换后,虚拟仪器就可以灵活、充分地利用通用计算机的大量实用软件工具,对信号进行各种计算、分析、判断、处理、图形或数字显示,经D/A转换后控制执行器件的动作。
（3）功能、性能、指标可由用户定义
即可以根据用户的不同要求对同一仪器的功能、性能、指标进行修改或增删,彻底打破了传统仪器一经设计、制造完成后,其功能、性能、指标不可改变的封闭性、单一性。
另一方面也可以将多种仪器的功能、性能、指标等以软件的形式集成在一个“功能软件库”———虚拟仪器库内,通过它们的不同组合以及与各种不同类型的硬件接口搭配,使得在一台个人计算机上就可实现各种仪器的不同功能,大大提高了仪器功能的灵活性,甚至可以进行非常复杂性的测试工作。
（4）具有标准的、功能强大的接口总线、板卡及相应软件
GPIB通用接口总线（GeneralPurposeInterfacBus）又称IEEE488国际标准接口总线,30年来广泛应用于仪器领域。
但是只适用于消息基器件的互操作,不
适用于寄存器基器件。
VXI总线1987年被首次推出,迅速成为IEEE1155国际标准。
VXI硬件的通用性,使任意厂家、各种类型仪器接口不会发生电气和机械方面的冲突。
VXI总线的开放性,保证任何系统一旦建立,将来仍能得到很好的效用。
VXI能保持每个仪器之间精确定时和同步,具有40Mbytes/s的高数据传输率。
VXI模块化仪器被认为是虚拟仪器最理想的硬件平台,是仪器硬件的发展方向。
此外,还有VISA、PCI等标准I/O卡及其相应驱动程序库为虚拟仪器的数据采集和控制提供强大支持。
（5）此外,虚拟仪器还具有开发周期短、成本低、维护方便,易于应用新理论、新算法和新技术,实现仪器的换代升级等特点。
2.2虚拟仪器LabVIEW图形化程序的组成和特点
2.2.1LabVIEW的图形显示
LabVIEW的特性之一是对数据的图形化显示提供了丰富的支持。
强大的图形显示功能增强了用户界面的表达能力，极大地方便了用户对虚拟仪器的学习和掌握。
Graph（事后记录图）和Chart（实时趋势图）是图形显示的两类主要控件。
这两类控件的区别在于两者数据组织方式及波形的刷新方式不同。
Chart将数据在坐标系中实时、逐点地显示出来，可以反映被测物理量的变化趋势，例如显示一个实时变化的波形或曲线，传统的模拟示波器和波形记录仪就是按照这种方式显示的。
而Graph则是对已采集数据进行事后处理的结果，它先将被采集数据存放在一个数组之中，然后根据需要将这些数据组织成所需的图形一次性显示出来。
缺点是没有实时显示，但其变现形式较丰富。
例如，采集了一个波形后，经处理可以显示其频谱图。
2.2.2图形化编程环境LabVIEW
LabVIEW是实验室虚拟仪器工程平台LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench的缩写,它是世界上第一个采用图形化编程技术的面向仪器的32位编译型程序开发系统,由美国国家仪器NI（NationalInstrument）公司推出。
LabVIEW是一种用图形代码来代替编程语言创建应用程序的开发工具。
在基于文本的编程语言中,程序的执行依赖于文本所描述的指令,而LabVIEW使用数据流编程方式来描述程序的执行。
LabVIEW用图形语言（G语言）、图标和连线（wires）
来代替文本的形式编写程序。
像VC++、VB等高级编程语言一样,LabVIEW也是一种带有扩展函数的通用程序开发系统。
LabVIEW拥有强大的库函数,包括数据采集,GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus通用接口总线）和串口仪器控制,数据显示、分析与存储等。
LabVIEW可方便的调用Windows动态链接库和用户自定义的动态链接库中的函数;LabVIEW还提供了CIN（CInterfaceNode）节点使得用户可以使用由C或C++语言,如ANSIC,编译的程序模块,使得LabVIEW成为一个开放的开发平台。
LabVIEW还支持动态数据交换（DDE）、结构化查询语言（SQL）、TCP和UDP网络协议等。
此外,LabVIEW还提供了专门用于程序开发的工具箱,使得用户能够很方便的设置断点,动态的执行程序来非常直观形象的观察数据的传输过程,以及进行方便的调试。
为了便于程序调试LabVIEW还带有传统的程序开发调试工具,例如可设置断点,可单步执行,还可激活程序的执行过程,以动画方式查看数据在程序中的流动执行。
LabVIEW的运行机制就宏观上讲已经不再是传统上的冯·诺伊曼计算机体系结构的执行方式了。
传统的计算机语言（如C）中的顺序执行结构在LabVIEW中被并行机制所代替;从本质上讲,它是一种带有图形控制流结构的数据流模式（DataFlowMode）,这种方式确保了程序中的函数节点（FunctionNode）只有在获得它的全部数据后才能够被执行。
也就是说,在这种数据流程序的概念中,程序的执行是数据驱动的,它不受操作系统、计算机等因素的影响。
既然LabVIEW程序是数据流驱动的,数据流程序设计规定,一个目标只有当它的所有输入有效时才能够被执行;而目标的输出只有当它的功能完全时才是有效的。
这样LabVIEW中被连接的函数节点之间的数据流控制着程序的执行次序,而不像文本程序受到行顺序执行的约束。
从而,我们可以通过相互连接函数节点快速简洁的开发应用程序,甚至还可以有多个数据通道同步运行,即所谓的多线程。
LabVIEW是一个通用编程系统,不但能够完成一般的数学运算与逻辑运算和输入输出功能,它还带有专门的用于数据采集和仪器控制的库函数和开发工具,尤其还附带专业的数学分析程序包,基本上可以满足复杂的工程计算和分析要求。
LabVIEW环境下开发的程序称之为虚拟仪器VI（VirtualInstruments）,因为它的外型与操作方式可以模拟实际的仪器。
实际上,Vis类似于传统编程语言的函数或子程序。
LabVIEW的核心是VI。
VI具有良好的人机交互界面—前面板（FrontPanel）和相当于源代码功能的框图程序（Diagram）。
前面板接受来自框图程序的指令。
在VI的前面板中,控件模拟了仪器的输入装置并把数据提供给VI的框图程序;而LabVIEW的指示器则模拟了仪器的输出装置并显示由框图程序产生的数据。
当一个控件或指示器放到前面板上,LabVIEW便在框图程序中相应的产生一个终端（Terminals）,这个从属于控件或指示器的终端不能随意被删除,只有删除它对应的控件或指示器时它才会随之一起被删除。
利用LabVIEW编制框图程序时,无须拘于传统程序设计语法细节的限制。
首先,从函数面板中选择需要的函数节点（FunctionNode）,将之置于框图上适当位置;然后用连线（Wires）连接各函数节点在框图程序中的端（Port）,用来在函数节点之间传输数据。
这些函数节点包括了简单的计算函数、高级的采集和分析VI以及用来存储和检索数据的文件输入输出函数和网络函数。
LabVIEW编制出的图形化VI具有层次结构和模块化的特点。
开发者可将之用于顶层（TopLevel）程序,也可用作其他程序或子程序的子程序。
VI代码内含的VI称为subVI。
为了区分各个subVI,它们的图标是可编辑的。
LabVIEW依附并发展了模块化程序设计的概念。
用户可以把一个应用任务分解成为一系列的简单的子任务,为每一个子任务创建一个VI,再把它们装配到另一个图标代码中完成一个复杂的任务。
最后,完成整个应用程序的创建。
总之,LabVIEW是一种易于理解和掌握的非常理想的虚拟仪器开发工具,它提供了一个理想的编程环境,采用LabVIEW编程可大大节省开发时间,而运行速度却几乎不受影响。
2.3霍尔传感器测速的基本原理
随着单片机的不断推陈出新，特别是高性价比的单片机的涌现，转速测量控制普遍采用了以单片机为核心的数字化、智能化的系统。
本文介绍了一种由单片机C8051F060作为主控制器，使用霍尔传感器进行测量的直流电机转速测量系统。
转速测量及控制的基本原理
2.3.1转速测量原理
速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法（测频法）、T法（测周期法）和MPT法（频率周期法），该系统采用了M法（测频法）。
由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。
根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿，转盘随测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成正比。
霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，在垂直于平面方向上施加外磁场B，在沿平面方向两端加外电场，则使电子在磁场中运动，结果在器件的2个侧面之间产生霍尔电势。
其大小和外磁场及电流大小成比例。
霍尔开关传感器由于其体积小、无触点、动态特性好、使用寿命长等特点，故在测量转动物体旋转速度领域得到了广泛应用。
在这里选用美国史普拉格公司（SPRAGUE）生产的3000系列霍尔开关传感器3013，它是一种硅单片集成电路，器件的内部含有稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、史密特触发器和集电极开路输出电路，具有工作电压范围宽、可靠性高、外电路简单<输出电平可与各种数字电路兼容等特点。
2.3.2转速控制原理
直流电机的转速与施加于电机两端的电压大小有关，可以采用C8051F060片内的D／A转换器DAC0的输出控制直流电机的电压从而控制电机的转速。
在这里采用简单的比例调节器算法（简单的加一、减一法）。
调节器的输出Y与输入偏差值e（t）成正比。
因此，只要偏差e（t）一出现就产生与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点，这是一种最基本的调节规律。
比例调节作用的大小除了与偏差e（t）有关外，主要取决于比例系数Kp，比例调节系数愈大，调节作用越强，动态特性也越大。
反之，比例系数越小，调节作用越弱。
对于大多数的惯性环节，Kp太大时将会引起自激振荡。
比例调节的主要缺点是存在静差，对于扰动的惯性环节，Kp太大时将会引起自激振荡。
对于扰动较大，惯性也比较大的系统，若采用单纯的比例调节器就难于兼顾动态和静态特性，需采用调节规律比较复杂的PI（比例积分调节器）或PID（比例、积分、微分调节器）算法。
2.3.3硬件设计
本系统采用单片机C8051F060作为主控制器，使用霍尔传感器测量电机的转速，通过7079最终在LED上显示测试结果。
此外，还可以根据需要调整控制电机的转速，硬件组成由图1所示。
图2.1测速系统硬件组成框图
控制器C8051F060主要完成转速脉冲的采集、16为定时计数器计数定时、运算比较，片内集成的12位DAC0控制转速，并且通过7279显示接口芯片实现数码显示等多项功能。
系统采用外部晶振，系统时钟SYSCLK等于18432000，T0定时1ms，初始化时TH0=（-SYSCLK／1000）》8；TL0=-SYSCLK／1000。
等待1s到，输出转速脉冲个数N，计算电机转速值。
将1s内的转速值换算成1min内的电机转速值，并在LED上输出测量结果。
2.3.4软件设计
本系统采用C8051F060中的INT0中断对转速脉冲计数。
定时器T1工作于外部事件计数方式对转速脉冲计数；T0工作于定时器方式均工作于方式1。
每到1s读一次计数值，此值即为脉冲信号的频率，根据式
（1）可计算出电机的转速。
由于直流电机的转速与施加工于电机两端的电压大小有关，故将实际测得的转速值与预设的转速值比较，若大于预设的转速值则减小DAC0的数值，若小于转速预设的转速值则增加DAC0的值调整电机的转速，直到转速值等于预设定的值，这样就实现了对电机转速的控制，主程序和T0中断流程图如图所示：
图2.2主程序流程图
图2.3中断程序流程图
首先在软件中给出转速预设值，即给定常量speed的值，观察速度稳定后七段数码管的数值，比较实际测量的转速值和预设转速值，计算测量误差，评价测量的准确性，测试结果如表1所示。
根据实验测试和误差分析绘制了测量误差曲线，如图4所示。
误差分析表明，转速测量误差在5％以内，并且随着转速预设值的增加测量误差愈小，呈指数形式下降。
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