基于虛擬儀器和PIC單片機(jī)的USB接口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈佳

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，陜西 西安 710089）

虛擬儀器是電子測(cè)量技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與功能化模塊硬件結(jié)合起來(lái)，充分利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，在基本硬件的支持下，利用軟件完成數(shù)據(jù)的采集、控制、數(shù)據(jù)分析和處理以及測(cè)試結(jié)果的顯示等，通過(guò)軟、硬件的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的各種功能，大大突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送、存儲(chǔ)等方面的限制，使用戶可以方便地對(duì)儀器進(jìn)行維護(hù)、擴(kuò)展和升級(jí)。用戶通過(guò)友好的圖形界面來(lái)操作虛擬儀器的面板就如同操作真實(shí)儀器一樣方便[1-2]。

USB接口是一種總線接口標(biāo)準(zhǔn)，具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、即插即用、兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)傳輸、信號(hào)采集等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3]。

文中通過(guò)PIC18F258單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了基于虛擬儀器的USB接口數(shù)據(jù)傳輸采集設(shè)備，內(nèi)容包括硬件電路的設(shè)計(jì)和上位機(jī)虛擬儀器編程，相當(dāng)于一個(gè)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)再加上實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器設(shè)備的一些基本功能，并且采用USB接口傳輸數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)來(lái)顯示和處理，使其具有了良好的人機(jī)在線操作接口，熱插拔即插即用性能和基于模塊的系統(tǒng)自組織能力，此外，系統(tǒng)規(guī)模根據(jù)不同的應(yīng)用需求具有可裁減性。

1 系統(tǒng)組成

在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，采用內(nèi)嵌CAN總線控制器的Microchip公司PIC18F258單片機(jī)作為核心芯片[4]，通過(guò)與PC機(jī)USB接口連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與采集。用戶使用上位機(jī)軟件向PC機(jī)的USB端口發(fā)送數(shù)據(jù)，包括CAN總線控制數(shù)據(jù)或者D/A轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過(guò)USB接口模塊進(jìn)行接收并傳送至PIC單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行處理，最后發(fā)送至CAN總線控制模塊和D/A轉(zhuǎn)換模塊完成外電路控制。同時(shí)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備將溫度采集模塊讀取的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口模塊實(shí)時(shí)傳送至PC機(jī)的上位機(jī)面板，用戶可以調(diào)用溫度監(jiān)控面板進(jìn)行查詢(xún)。此外，該數(shù)據(jù)采集設(shè)備也實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)CAN總線狀態(tài)，并將CAN總線數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)CAN總線監(jiān)控面板。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

硬件原理圖如圖2所示。主要包括USB接口電路，CAN總線控制電路、D/A轉(zhuǎn)換電路和溫度采集電路4部分。

2.1 USB接口電路

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

與計(jì)算機(jī)連接實(shí)現(xiàn)USB接口通信功能的電路主要由CP2101芯片完成。通過(guò)PIC單片機(jī)的USART串口引腳RC6（TX）和 RC7（RX）與 CP2101連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。CP2101芯片是美國(guó)SILICON公司推出的USB－UART橋接電路，CP2101通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒂?jì)算機(jī)的USB口虛擬成COM口以達(dá)到擴(kuò)展的目的，COM口使用運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用軟件以訪問(wèn)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)硬件COM口的方式訪問(wèn)基于CP2101的器件，而計(jì)算機(jī)與CP2101間的數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)USB接口完成的。

圖2 硬件電路圖Fig.2 Hardware circuit diagram

2.2 CAN總線控制電路

由ADuM1100高速數(shù)字隔離器、MCP2551高速CAN收發(fā)器構(gòu)成。ADuM1100高速數(shù)字隔離器支持100 Mbps數(shù)據(jù)傳輸速率并且可以采用3.0～5.5 V單電源供電。MCP2551是一種可容錯(cuò)的高速CAN收發(fā)器，可作為CAN協(xié)議控制器和系統(tǒng)物理總線的接口。該器件具有差分發(fā)射和接收能力，可將許多節(jié)點(diǎn)與同一網(wǎng)絡(luò)相連接。

2.3 D/A轉(zhuǎn)換電路

D/A轉(zhuǎn)換器使用AD公司的12位AD7243芯片，它具有300 kHz的轉(zhuǎn)換速率，3種可選擇的輸出電壓范圍，分別是0～+10 V、0～+5 V 和－5～+5 V，采用串行端口通訊。 根據(jù)系統(tǒng)需求，設(shè)置AD7243電壓輸出范圍為±5 V，將AD7243芯片的ROFS引腳與REFIN引腳相連實(shí)現(xiàn)。在AD7243芯片的輸出端還接有OP07放大器，用于調(diào)整輸出電壓到±10 V，可用于控制電機(jī)正反方向和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

2.4 溫度采集電路

采用一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20，溫度測(cè)量范圍為－55～125℃，測(cè)溫分辨率可達(dá) 0.5 ℃。

3 虛擬儀器監(jiān)控面板設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)采用虛擬儀器軟件LabVIEW進(jìn)行開(kāi)發(fā)，完成數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，并進(jìn)行相應(yīng)的處理及圖像顯示。Lab VIEW是NI公司開(kāi)發(fā)的虛擬儀器應(yīng)用程序編程環(huán)境，是一種圖形編程語(yǔ)言，特別適合測(cè)控應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)。具有所有通用編程環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)功能，如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)和事件處理。其內(nèi)置各種專(zhuān)業(yè)工具軟件包可滿足工程應(yīng)用開(kāi)發(fā)的需要[5]。

LabVIEW程序開(kāi)發(fā)主要包括3方面內(nèi)容：分別是數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)接收模塊和監(jiān)控面板主程序。其中，數(shù)據(jù)接收和發(fā)送模塊作為子VI供各監(jiān)控面板主程序調(diào)用。

3.1 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊程序設(shè)計(jì)

由于CP2101通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒂?jì)算機(jī)的USB口虛擬成COM口，因此，數(shù)據(jù)發(fā)送模塊使用VISA Write節(jié)點(diǎn)予以實(shí)現(xiàn)，并將該發(fā)送模塊作為子VI調(diào)用。在LabVIEW平臺(tái)控制的串行通信過(guò)程中，數(shù)據(jù)格式是以字符串的格式組成的，字符串中的每個(gè)字符實(shí)際上對(duì)應(yīng)我們熟悉的ASCII字符，即計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)代碼是ASCII代碼，所以在傳送到串口發(fā)送數(shù)據(jù)之前要經(jīng)過(guò)代碼轉(zhuǎn)換，這就意味著以十進(jìn)制、二進(jìn)制、十六進(jìn)制表示的數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)化為ASCII字符串才能進(jìn)行傳送和接收[6]。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊如圖3所示，其中，以0x39作為與單片機(jī)的握手信號(hào)，與需要發(fā)送的數(shù)據(jù)以PIC18F258單片機(jī)8位數(shù)據(jù)格式組合發(fā)送。

圖3 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊程序Fig.3 Data send program

如果發(fā)送的數(shù)據(jù)超過(guò)一個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度，如控制12位D/A轉(zhuǎn)換芯片AD7243，可以分為兩個(gè)字節(jié)調(diào)用兩次發(fā)送模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

3.2 數(shù)據(jù)接收模塊程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)接收模塊使用VISA Read節(jié)點(diǎn)讀取數(shù)據(jù)，如圖4所示，從緩沖器接收到的數(shù)據(jù)是ASCII字符串，經(jīng)過(guò)ASCII字符串轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制字節(jié)數(shù)組的模塊處理后，最終得到正確的數(shù)據(jù)。其中，共接收4字節(jié)數(shù)據(jù)，并以0x39作為握手信號(hào)，包含兩字節(jié)溫度數(shù)據(jù)，及一個(gè)字節(jié)的有用信息數(shù)據(jù)。

圖4 數(shù)據(jù)接收模塊程序Fig.4 Data receive program

3.3 監(jiān)控面板設(shè)計(jì)

用戶可以根據(jù)自己需要，選用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)功能，編寫(xiě)PIC單片機(jī)的CAN總線、DS18B20溫度采集和D/A轉(zhuǎn)換芯片AD7243的控制程序，并調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送和接收模塊開(kāi)發(fā)相應(yīng)的上位機(jī)LabVIEW控制面板，完成數(shù)據(jù)的采集與控制。圖5和圖6分別為設(shè)計(jì)的CAN總線監(jiān)控面板和溫度監(jiān)控面板。

圖5 CAN總線監(jiān)控面板Fig.5 CAN bus control panel

圖6 溫度監(jiān)控面板Fig.6 Temperature control panel

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者提出了基于Microchip公司的PIC18F258單片機(jī)設(shè)計(jì)的具有USB接口的虛擬儀器數(shù)據(jù)采集設(shè)備，給出了具體的設(shè)計(jì)方案及測(cè)試結(jié)果。經(jīng)測(cè)試，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，安裝方便，支持即插即用，為工程人員在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備調(diào)試提供了方便。

[1]雷振山.LabVIEW8.2基礎(chǔ)教程[M].中國(guó)鐵道出版社，2010.

[2]汪敏生.LabVIEW基礎(chǔ)教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[3]石磊.USB－CAN總線通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2004 ，23（6）:33-36.SHI Lei.Communication protocol convertor for USB-CAN bus[J].Techniques of Automation and Applications，2004，23（6）:33-36.

[4]劉和平，劉林，于紅欣，等.PIC18FXXX單片機(jī)原理及接口程序設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[5]吳懷超，周勇.基于虛擬儀器和MSP430單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2011，38（1）:52-55.WU Huai-chao，ZHOU Yong.Development of data acquisition system based on virtual instrument and MSP430 single-chip microprocessor[J].Controland Instrumentsin Chemical Industry，2011，38（1）:52-55.

[6]閻世棟.在虛擬儀器LabVIEW平臺(tái)中串行通信模塊的應(yīng)用[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2004（增刊）：39-40.YAN Shi-dong.Application of series communication module in visual instruments LabVIEW platform[J].Foreign Electronic Measurement Technology，2004（Supplement）:39-40.