基于labVIEW太阳能环境参数监控系统设计

【摘要】本文介绍了以ARM为控制系统的数据采集系统，通过QA2000实现与上位机LABVIEW的无线数据通讯，并通过LABVIEW对接收的数据进行显示与分析的方法，最终实现既定功能，并能实现在线数据实时分析和处理。

【关键词】LabVIEW；QA2000；数据显示与分析

1.引言

随着计算机技术的迅速发展，虚拟仪器正逐渐成为测试领域的发展方向。虚拟仪器的概念是由美国NI公司提出来的，是指在通用的计算机平台上，用户根据自己的需求定义和设计具有测试功能的仪器系统。虚拟仪器的三大主要功能是：数据采集，数据测试和分析，结果输出显示。数据采集是一切测试测量过程的第一步。数据采集是一切测试测量过程的第一步，LabVIEW作为虚拟仪器的开发工具，使用LabVIEW进行数据显示与分析十分简单、方便。

2.数据统的设计与实现

本系统由系统控制，云台，太阳能电池板，各种传感器，及无线通讯模板组成等几部分组成，其系统结构总框图如图1所示。控制系统采用ARM S3C2440为系统控制使得安装在云台上的太阳能电池板能够在纵向和横向上扫描，从而采集到全方位的太阳能发电功率的数据。云台在这里选择了型号为PTS-3050D室外云台。

PTS-3050D为室外中型全方位云台，其内部有两个永磁步进电机，一个是纵向转动的步进电机，另一个横向转动的步进电机。纵向和横向上均有限位开关，调节相应限位开关的位置，再结合控制算法可使步进电机在设定的区间内转动，纵向和横向步进电机的旋转速度为4.5度每秒。

传感器主要包刮太阳能温度传感器，湿度传感器，太阳能辐照度传感器。太阳总辐照度由控制系统直接读取安装在固定水平面上的太阳总辐照度传感器而得来，其值是用来标定太阳能电池板的发电功率所折算得到的全方位太阳辐照度。

通讯控制系统由RS-232串行接口标准的无线模块QA2000传入到计算机中，为上位机提供数据传输并把数据包发送给上位机通过labVIEW监控显示及数据分析。

3.数据的存储系统

本次系统的目的就是要分析存储的数据，以此来得出结论和评价标准，我们最终采用的是按周期存储的方式，即整个太阳能电池板扫描完一个球面的数据。

在得到数据后，就要存储到计算机硬盘上，我们选择了两大方案，第一种方案是使用Office系列应用软件中的Access或者excel，第二种是使用LabView自己的数据管理系统。我们采用的是LabView自己的存储方式——TDMS文件，TDMS文件是NI公司最新推出的数据管理系统。TDMS文件以二进制方式存储数据，所以文件更小，速度更快。因此，他在具备二级制文件有点的同时，又具备关系型数据库的一些优点，据NI公司测试，TDMS格式文件的存储速度可以到达600MB/s，这样的存储速度能满足绝大多数数据采集系统的存储要求。

TDMS采用三层的逻辑结构，分为文件，通道组，通道三部分。其中通道组就好比一次存储数据的名字，因为多个不同组名的数据文件可以并列在一个TDMS文件下的，方便管理。通道名就是我们采集到数据的名称，比如此次系统的“x坐标”、“y坐标”等等就是通道名。我们最终是以天为单位，自动在data文件夹下生成以年月日命名的文件夹，一天内的数据是以时分秒为文件名存储在这个文件夹内的，图2为按TDMS文件存储的最终效果图。

4.分析模块

分析模块主要就是通过对数据的不同处理方法得到不同的结论，在上位机的右上角我们设置一个按钮，只要按下这个按钮，上位机就会自动弹出数据分析系统，这套系统独立于现在这个数据采集系统，他主要是分析已经存储在上一节中

所说的data文件夹下的TDMS数据文件。

本次系统在后期要分析采集的大量数据，必定要借助MATLAB强大的数据分析、演示以及数值计算能力，这里就是其中之一。在LabView的数学-脚本与公式目录下就可以找MATLAB script，首先我们在左侧创建三个输入端，因为我们要显示三维图形，这三个端口就是要输入的数组，我们分别命名为x、y、z，右侧不需要创建设任何输出端，效果如图3所示。

第一行的meshgrid代表两个坐标轴上的点在平面上画格，第二行就是设定参数，因为不可能每个位置都有数据，所以必定要插值，我们选取的是V4插值（具体插值的参数可以参考MATLAB的帮助文档），V4插值会使得绘出的图形更加圆滑。我们在分析系统的前面板上放置了下拉框供用户选择，其中前两个就是实际中采集的x，y坐标，他对应我们MATLAB脚本的输入端口的x，y，z轴的数据用户可以自由选取，可以为辐照度，也可以为温度等数值。

当LABVIEW收到数据并启动MATLAB时就会生成图4。其中Z轴为功率，X轴为方位角，Y轴为俯仰角。

①当方位角X=60?，俯仰角Y=95?时，此时太阳能的发电功率最小P=4W。

②随着方位角不断增大，太阳能的发电功率不断增大，当方位角增大到X=125?时，此时具有最大发电功率P=16W，仰角Y=70?。

③当方位角继续增大，在X∈（125? 200?）时，太阳能电池板达到最大功率且维持P=16W。

5.显示系统设计概述

5.1 LabVIEW简介

LABVIEW（Laboratory Virtual Inst-rumentEngineering）是一种基于图形开发、调试和运行程序的集成化环境，实现了虚拟仪器的概念。LABVIEW程序称为虚拟仪器程序，简称VIs。其开发环境包括前面板和流程图两部分。前面板主要用于数据的输入设置和输出观察，由许多控件组成。而流程图是图形化的源代码，是VI测试功能软件的图形化表述。LABVIEW采用图形化的程序语言（G语言），这种语言不必写程序代码，看到的是直观明了的流程图语言，所以编程非常方便，该语言提供了大量的常用控件，如旋钮、开关、按钮、图形显示等，可直接使用，不象Delphi等高级语言实现一个旋钮需要几十行代码，因此，LABVIEW大大地缩短了软件的研发周期。LABVIEW能与多种语言通用，如Matlab、C等，例如将Matlab脚本嵌入到LABVIEW程序，保证了一些LABVIEW所不具备的功能得以实现，如小波分析、神经网络等，此外，通过加亮执行、单步、断点和探针帮助用户跟踪经过VI的数据流，使LABVIEW的调试直观方便，支持多种系统平台，在任何一个平台上开发的LabVIEW应用程序可直接移植到其它平台上。对于本次系统的开发来说，LabView是一种程序开发环境更适合来编写这样的上位机，所以综合各方面之后，我们选取LabView作为上位机的编程软件。

5.2 LabView程序的实现

本次系统的上位机软件主要是负责显示，存储数据，分析三大功能，具体各功能的实现在如下将详细介绍。

5.3 显示模块

要实现显示的功能，首先就要能拆解下位机发送上来的数据包，具体分为读取缓存，验证数据包的正确性，换算成10进制数据，并存入数组。

在LabView中，我们利用VISA配置串口和VISA串口读取缓存的数据，但是这只能获取独立的数据，无法拆机，因此我们必须知道下位机的发送的帧格式，也就是我们的协议，此次系统的协议如图5所示发。

有了双方的协议之后，就可以按照数据位正确解包了，整个一帧数据是22个字节，具体实现拆解流程框图如图6所示。

在拆解得到正确数据后，我们把一帧的数据按照位置存在了一个数组里面，接着就是显示，上位机中主要利用数据显示框和实时波形图表两种方式显示当前数据。数据显示框主要是方便用户观测瞬间的数据，而图7中的实时波形图是随时间来显示数据的，方便用户观测数据的变化趋势，现对实时波形图做详细描述。

在波形图最下面可以看到一共有7个枚举型的下拉框，且用不同颜色显示，也就是每个下拉框都可以显示所有采集到数据的名称，用户只要在该下拉框选择了数据名称，波形图中就会以该下拉框的颜色表示选择的数据。

6.总结

本文介绍了基于labVIEW太阳能环境参数监控的系统设计方法，并给出具体的设计步骤和方框图程序。该方法具有硬件接口简单、软件编程方便、实用的特点，在实际数据采集过程中具有一定参考价值。事实表明，与传统方法相比，以LABVIEW作为上位机软件将LABVIEW强大的分析功能引入串口调试软件，便可以对串口数据进行分析。利用该软件进行功能扩展，实现串口数据分析和所采集数据的图形显示，在实际数据处理中很有意义而且数据分析效率高、功能全、操作简单、功能强大，用户可以根据不同的环境和要求选择不同的显示数据处理方式，具有良好的可移植性和可扩展性，能够很好地满足用户要求。

参考文献

[1]黄文政.全方位太阳辐照度测量系统设计[J].单片机与嵌入式，2012，6.

[2]畅国忠.基于VISA的事件处理方法与实现[J].测控技术，2000（9）.

[3]杨乐平，李海涛，肖相少，等.LABVIEW程序设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2001.

作者简介：

李德骏（1964—），男，湖北武汉人，武汉纺织大学教授，硕士生导师，主要研究方向：太阳能发电，信号处理，图像处理。

金宏祥（1984—），男，湖北咸宁人，武汉纺织大学电子与电气工程学院硕士研究生在读，研究方向：嵌入式。