基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言：

LabVIEW是一種在圖形化的編程語(yǔ)言（G語(yǔ)言），與以往的C程序、C++或者Java等編程語(yǔ)言不同的是，它用各種圖標(biāo)、連線和框圖代替文字程序代碼，使得編寫的程序結(jié)構(gòu)比較清晰，也能比較形象地觀察數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程。目前，計(jì)算機(jī)輔助實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，使得實(shí)時(shí)測(cè)量和控制更加智能化、高精度和高效率。LabVIEW基于以上的特點(diǎn)，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制開(kāi)發(fā)的語(yǔ)言環(huán)境，例如基于LabVIEW的信號(hào)處理與數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行圖形獲取和傳輸?shù)鹊?。其中尤其以?shù)據(jù)的采集和處理分析為主要功能而設(shè)計(jì)出來(lái)很多種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，比如虛擬示波器的設(shè)計(jì)以及如何進(jìn)行信號(hào)去噪，無(wú)創(chuàng)脈搏血氧檢測(cè)，速度測(cè)量及校正等等。

我們通過(guò)對(duì)LabVIEW的初步認(rèn)識(shí)，了解并熟悉了這是怎樣的一個(gè)虛擬開(kāi)發(fā)環(huán)境。然后演示一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)案例，不斷地加深對(duì)LabVIEW編程的了解和學(xué)習(xí)。通過(guò)演示，我們?cè)賴L試著尋找一些新的想法和思路，把幾個(gè)小系統(tǒng)用自己的方式組合成一個(gè)結(jié)構(gòu)比較完整、功能更為豐富的智能電梯系統(tǒng)。

1、 模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

a) 控制集成箱或者外圍電路與傳感器

這部分結(jié)構(gòu)是實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)的核心，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的最終來(lái)源還在于外圍電路中傳感器的電壓信號(hào)輸出，而控制信號(hào)也是需要傳輸給這部分電路。一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)就是這部分電路的結(jié)構(gòu)，而其他要做的僅僅是信號(hào)的輸入與輸出。我們所做的這個(gè)智能電梯系統(tǒng)的電路原理，實(shí)際上是借用了演示實(shí)驗(yàn)的電路控制集成箱。該箱子里包含了溫度測(cè)量、光強(qiáng)測(cè)量、紅外傳輸、模擬電梯（步進(jìn)電機(jī)）、紅綠燈顯示等模塊。不同的功能模塊是一個(gè)完整的電路區(qū)域，其中有和功能相關(guān)的傳感器還有相關(guān)的復(fù)雜電路。另外整個(gè)控制集成箱有數(shù)據(jù)輸入與輸出的端口。

b) A/D數(shù)據(jù)采集卡

所謂A/D采集卡是指模擬量（Analog）的數(shù)字化（Digital），或者是數(shù)字量的模擬量輸出。一般A/D采集卡上都設(shè)計(jì)有12-16Bit分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器，并且可以進(jìn)行多通道（8-16路）的數(shù)據(jù)輸入和輸出。我們實(shí)驗(yàn)中的采用的U18 A/D采集卡上設(shè)計(jì)有12Bit分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器，提供了16路單端或8路雙端的模擬輸入通道和4路D/A輸出通道，A/D轉(zhuǎn)換器輸入信號(hào)范圍:±5V、±10V、0～10V，D/A轉(zhuǎn)換器輸入信號(hào)范圍: 0～5V、0～10V、±5V、±10V。16路開(kāi)關(guān)量輸入，16路開(kāi)關(guān)量輸出且均能上電清零。

c) LabVIEW編程設(shè)計(jì)

有了實(shí)驗(yàn)原理電路，其中傳感器也能實(shí)時(shí)反應(yīng)得到信號(hào)，并且A/D采集卡也可以采集數(shù)據(jù)了。但是如何實(shí)現(xiàn)控制？就需要用LabVIEW編寫控制程序。程序通過(guò)A/D卡把控制信號(hào)傳輸給外圍電路，電路反饋回來(lái)電壓信號(hào)通過(guò)A/D采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并返回到程序里面。假如返回的數(shù)據(jù)滿足程序要求就可以顯示出來(lái)、或者繼續(xù)往外傳輸控制信號(hào)。LabVIEW程序就完全成為一個(gè)可視化、圖形化的“C程序”，因?yàn)樗灿蓄愃频难h(huán)、條件等語(yǔ)句，只不過(guò)這里都變成了結(jié)構(gòu)化的圖形。而且LabVIEW還可以做出一個(gè)控制面板，可以通過(guò)操作控制面板，控制后臺(tái)程序的運(yùn)行。

2、 模擬智能電梯系統(tǒng)

我們通過(guò)對(duì)演示實(shí)驗(yàn)的不同功能模塊的探究，構(gòu)想出一個(gè)類似于真實(shí)電梯的模擬系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)包含了四個(gè)功能模塊。

a) 電梯操控模塊

首先紅綠燈顯示電梯的運(yùn)行狀態(tài)，綠燈表示電梯上下正常的運(yùn)行，當(dāng)電梯停在某一層的時(shí)候黃燈閃爍，而當(dāng)電梯里面的載重超過(guò)最大限制人數(shù)（質(zhì)量）的時(shí)候，紅燈就會(huì)亮起作為提示警告。而且電梯也盡量智能化，假如同時(shí)選中某幾層時(shí)，電梯會(huì)自動(dòng)按照所選擇樓層的上下順序依次停止。

b) 光強(qiáng)控制模塊

假定電梯內(nèi)有一個(gè)電燈，電梯可以隨時(shí)檢測(cè)實(shí)際光強(qiáng)信息并顯示出來(lái)。為了滿足不同人的需求，可以設(shè)定想要達(dá)到的光強(qiáng)大小，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)燈泡電壓以使達(dá)到目標(biāo)光強(qiáng)值。

c) 溫度測(cè)量與控制模塊

這是一個(gè)類似于溫控風(fēng)扇的控制程序。我們假定有人使用紅外裝置給設(shè)定了一個(gè)目標(biāo)溫度，然后程序會(huì)自動(dòng)與實(shí)際測(cè)量的溫度比較。假如目標(biāo)溫度低于實(shí)際溫度，那么就會(huì)自動(dòng)打開(kāi)風(fēng)扇，以達(dá)到降溫的目的，而且風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速與實(shí)際溫度和設(shè)定溫度之間的差值成正比；如果設(shè)定的目標(biāo)溫度高于實(shí)際溫度，那么就不采取任何動(dòng)作。所以該模塊只有降溫的功能。

d) 質(zhì)量測(cè)量模塊

該模塊用來(lái)校準(zhǔn)并檢測(cè)物體或者人的質(zhì)量。首先放置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的物體，然后校正得到參量，再通過(guò)參量的計(jì)算得到實(shí)際質(zhì)量。該質(zhì)量與設(shè)定的電梯質(zhì)量上限比較，如果前者小的話，電梯繼續(xù)正常運(yùn)行，否則電梯就會(huì)停止工作并且顯示紅燈，提示電梯已經(jīng)超重。

3、 遇到的問(wèn)題及修正

a) 在編好這幾部分模塊的程序后，我們到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試。發(fā)現(xiàn)不管是哪個(gè)程序，都沒(méi)有達(dá)到我們預(yù)期的結(jié)果。然后換過(guò)幾個(gè)控制集成箱以及A/D采集卡，結(jié)果都是如此。我們使用LabVIEW里面的“高亮”功能檢查數(shù)據(jù)流的變化時(shí)，發(fā)現(xiàn)不管怎么樣的條件輸入，從儀器讀出來(lái)的數(shù)據(jù)都是零，也就是說(shuō)貌似儀器不能起作用。一開(kāi)始我們認(rèn)為是A/D采集卡驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題，但是當(dāng)我們打開(kāi)LabVIEW的演示實(shí)驗(yàn)并測(cè)試后，卻發(fā)現(xiàn)能正常運(yùn)行。所以，現(xiàn)在只能對(duì)比我們自己的程序和演示實(shí)驗(yàn)的程序，找出問(wèn)題在哪里。最后，發(fā)現(xiàn)這可能是程序中“CreatID”這個(gè)子VI程序初始化的問(wèn)題。

CreatID是每個(gè)模塊運(yùn)行前都要有的子程序，相當(dāng)于給程序創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)存。其中DeviceID是設(shè)備編號(hào)，默認(rèn)值為0，即入股有一個(gè)U18AD模板時(shí)，編號(hào)為0，如果有第二個(gè)U18模板時(shí)，編號(hào)順次計(jì)數(shù)為1。而我們程序中把DeviceID當(dāng)作了不同模塊的編號(hào)了，實(shí)際上我們應(yīng)該改變的是AD采集通道編號(hào)，而DeviceID應(yīng)該都初始化為0。當(dāng)我們給AD卡初始化的時(shí)候給不同的模塊編號(hào)，用到的子VI程序?yàn)锳DINT。如下圖所示：

其中pADpara就是決定了AD采集通道，不同的模塊要有不同的編號(hào)。而這個(gè)編號(hào)值則按照演示程序中寫的設(shè)定。

b) 在光強(qiáng)控制程序中，由于要是電燈的亮度和設(shè)定的光強(qiáng)值相等，就要從一個(gè)設(shè)定的光強(qiáng)，反解出達(dá)到這個(gè)光強(qiáng)的電壓值。因?yàn)槲覀冎垒斎胼敵鲂盘?hào)都會(huì)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。但是我們已經(jīng)知道光強(qiáng)和電壓應(yīng)該成正相關(guān)，即電燈兩端電壓越高其發(fā)光光強(qiáng)越大，但這種關(guān)系未必是線性的。所以我們?cè)O(shè)計(jì)了這樣的算法，電壓從0與5開(kāi)始取中點(diǎn)，把這個(gè)中點(diǎn)給電燈，如果發(fā)出來(lái)的光強(qiáng)比設(shè)定光強(qiáng)高，那我們就要降低電壓，即下一次循環(huán)我們就取0和2.5的中點(diǎn)，否則就取2.5與5的中點(diǎn)。一直循環(huán)直到和設(shè)定的光強(qiáng)相差不到0.5。

但是我們發(fā)現(xiàn)如果按照我們給定的算法，并不能夠很快地得到結(jié)果。但是通過(guò)“高亮”的運(yùn)行方式，發(fā)現(xiàn)其實(shí)并不是我們的算法有問(wèn)題，而是經(jīng)常通過(guò)取兩端電壓中點(diǎn)之后，還沒(méi)有找到滿足條件的電壓值就達(dá)到邊界而跳出循環(huán)，結(jié)果顯示出來(lái)的光強(qiáng)大小與設(shè)定值相差很大。而且，重要的是從光敏電阻兩端讀出的電壓與給電燈附加電壓并沒(méi)有成為嚴(yán)格的“及時(shí)的”正向?qū)?yīng)關(guān)系，也就是說(shuō)光強(qiáng)與光敏電阻兩端電壓不是很嚴(yán)格的單向?qū)?yīng)，而是有一定的微小浮動(dòng)。但是這個(gè)很嚴(yán)重的影響到去兩端電壓中點(diǎn)的方法。所以，最后采取了連續(xù)讀50次取平均值的做法來(lái)定讀出來(lái)的光敏電阻兩端電壓的大小。最后結(jié)果顯示，雖然程序運(yùn)行比較慢，但是能夠很好的實(shí)現(xiàn)設(shè)定的光強(qiáng)值。

c) 關(guān)于溫度控制模塊，基本上這個(gè)部分的風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)部分和演示實(shí)驗(yàn)中的程序是類似的，只是多了一個(gè)轉(zhuǎn)速與實(shí)際溫度和設(shè)定溫度的差值成正比這個(gè)功能。我們遇到的問(wèn)題是如何得到轉(zhuǎn)速。一直糾結(jié)于“Getcount”這個(gè)子VI程序讀出來(lái)的是什么，然后就會(huì)明白為何程序中會(huì)用“前一秒”減去“后一秒”得到轉(zhuǎn)速。經(jīng)過(guò)查找資料，我們了解到風(fēng)扇下面有一個(gè)類似于激光計(jì)數(shù)的裝置，扇葉每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)就計(jì)數(shù)為1，所以Getcount讀出來(lái)的應(yīng)該是這種計(jì)數(shù)。但是這個(gè)計(jì)數(shù)隨著風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)是不斷減小的，不是累積增加的。所以只能用前一秒的計(jì)數(shù)減去后一秒的計(jì)數(shù)并除以9得到轉(zhuǎn)速（9是風(fēng)扇的扇葉數(shù)量）。

另外風(fēng)扇貌似有個(gè)額定電壓3V，超過(guò)這個(gè)值才能驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)起來(lái)。而且發(fā)現(xiàn)假如上一次風(fēng)扇已經(jīng)轉(zhuǎn)起來(lái)，下一次給風(fēng)扇輸入的電壓0V時(shí)，風(fēng)扇卻還能繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。說(shuō)明0V以及過(guò)低的電壓都不能驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，所以最后我們給設(shè)定了2.5V的電壓使得在溫度不滿足條件時(shí)風(fēng)扇停止。

4、 結(jié)論

我們從最初的演示實(shí)驗(yàn)得到啟發(fā)，再討論構(gòu)想并開(kāi)始編程，然后不斷地對(duì)程序進(jìn)行修改和測(cè)試，最終得到了這個(gè)還算比較完整的大作品，一套模擬真實(shí)的電梯控制系統(tǒng)。我們基本上達(dá)到了最初預(yù)期的結(jié)果。但是對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)，有些地方需要仍然做一點(diǎn)改進(jìn)，比如光強(qiáng)控制模塊的算法可能不夠嚴(yán)謹(jǐn)，導(dǎo)致嚴(yán)重地拖慢程序運(yùn)行速度并造成結(jié)果偏差很遠(yuǎn)，假如使用線性求解的方式或許可能更快一些，即假定電燈兩端電壓線性對(duì)應(yīng)光強(qiáng)大小，而且0V對(duì)應(yīng)于0光強(qiáng)，最大電壓5V對(duì)應(yīng)于最大光強(qiáng)值15。

關(guān)于LabVIEW我覺(jué)得從最初的一點(diǎn)不懂到現(xiàn)在能嘗試寫一些小程序，我學(xué)到了不少東西，除了關(guān)于LabVIEW程序編寫的特點(diǎn)，還學(xué)到了如何進(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)測(cè)與控制的方法。我想對(duì)以后的科研工作肯定會(huì)有很大的幫助。