LabVIEW串口通信在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

董翰川 ，郭 勇 ，李文杰

(1.成都理工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059；2.中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000)

可視化編程軟件LabVIEW不僅能很輕松地將各種軟硬件連接起來，還提供了強(qiáng)大的后續(xù)數(shù)據(jù)處理能力。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器提高了儀器資源的可再用性和可移植性，只需在原有基礎(chǔ)上作相應(yīng)改動(dòng)即可增強(qiáng)它的功能，無需更換硬件設(shè)備[1]?；诖?，本文在研究LabVIEW的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于LabVIEW的串口收錄系統(tǒng)，以單片機(jī)為核心的硬件部分作為前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)200 kHz的采樣速率、16 bit的分辨率，具有采樣率高、應(yīng)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該收錄系統(tǒng)將采集數(shù)據(jù)以曲線方式顯示在上位機(jī)上，以二進(jìn)制.dat格式記錄，并且可回放記錄的數(shù)據(jù)，這是該系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)總體方案框圖如圖1所示，主要由前端數(shù)據(jù)采集和上位機(jī)波形顯示記錄兩大部分組成。前端數(shù)據(jù)采集部分以單片機(jī)AT89C52為核心，8 KB內(nèi)部ROM空間，硬件部分采集到的數(shù)據(jù)通過串口通信傳送給上位機(jī)，收錄系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示、記錄、回放接收的數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)總體方案框圖

2 硬件部分的設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集部分

該部分采用美信公司的MAX306芯片和ADI公司的AD976芯片。MAX306內(nèi)部提供16個(gè)信號(hào)通道，可在程序編程中指定某通道，通道選擇端由單片機(jī)P1口低4位控制，信號(hào)經(jīng)過某通道后送入A/D；AD976采樣率為200 kHz/s、分辨率為16 bit，采集信號(hào)范圍為-10 V~+10 V，精度為(1/216)×VREF=(1/216)×20=0.305 mV。 A/D 數(shù)據(jù)傳送端和單片機(jī)P0口相連，A/D控制端和P1口高4位相連。

2.2 串口通信部分

上位機(jī)和下位機(jī)通過RS-232串口進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，傳輸介質(zhì)為二芯屏蔽電纜，簡單易用。下位機(jī)采用TTL電平，串口采用RS-232電平，因此串口通信需經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換，電路采用MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，串口采用母頭接法。通信前先進(jìn)行初始化，包括串口工作方式、通信波特率設(shè)定等，這在下位機(jī)軟件中實(shí)現(xiàn)。

3 軟件部分的設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件部分

下位機(jī)軟件部分采用C51語言編寫，這是專門為51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的高效率C語言編譯器，符合ANSI標(biāo)準(zhǔn)，程序代碼運(yùn)行效率高，比匯編語言更簡單易用[2]。

下位機(jī)軟件程序流程圖如圖2所示。BUSY為轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)標(biāo)志位，BUSY=1表示轉(zhuǎn)換完成可以讀取，否則，繼續(xù)轉(zhuǎn)換。將讀取結(jié)果送給AT89C52處理，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制后傳送給液晶和上位機(jī)，喂狗部分防止程序跑飛。軟件實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)疊加平均數(shù)據(jù)處理、看門狗定時(shí)復(fù)位和冗余避錯(cuò)功能，將連續(xù)采集的3次數(shù)據(jù)求平均值，使得采集結(jié)果更準(zhǔn)確。

其中十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換是關(guān)鍵，轉(zhuǎn)化公式是：

其中，VREF為 A/D參考電壓 20 V，ValueP0為 A/D轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制結(jié)果。

3.2 上位機(jī)軟件部分

上位機(jī)軟件部分采用LabVIEW語言編寫，程序中用到VISA資源包。VISA是虛擬儀器軟件構(gòu)架的縮寫，是儀器編程的標(biāo)準(zhǔn) I/O API，可控制 GPIB、串口、USB、以太網(wǎng)、PXI或VXI儀器，并根據(jù)使用儀器的類型調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，用戶無需學(xué)習(xí)各種儀器的通信協(xié)議[3]。

LabVIEW收錄系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。按下開始讀取按鈕后，程序進(jìn)行串口配置，串口配置好后通信分兩路實(shí)現(xiàn)，分別用于數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：讀取的數(shù)據(jù)顯示在波形圖標(biāo)中；數(shù)據(jù)以二進(jìn)制格式.dat文件存儲(chǔ)在硬盤中。存儲(chǔ)之前程序彈出對(duì)話框讓用戶指定存儲(chǔ)路徑。波形顯示采集數(shù)據(jù)的同時(shí)，還可以回放之前已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)文件，實(shí)現(xiàn)采集和回放同時(shí)進(jìn)行。

圖2 下位機(jī)軟件程序流程圖

圖3 LabVIEW 程序流程圖

3.2.1 上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)過程

軟件編寫要用到 VISA Configure Serial Port.vi、VISA Property Node.vi、VISA read.vi、VISA Close.vi、Write To Binary File.vi及Graph Chart.vi[1]。其功能分別是：

(1)VISA Configure Serial Port.vi用于串口配置，如串口資源名、波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位、校驗(yàn)位等的設(shè)置。

(2)VISA Property Node.vi用于讀取屬性，將接收到的數(shù)據(jù)全部讀出來。

(3)VISA Read.vi用于讀取串口接收來的數(shù)據(jù)。

(4)VISA Close.vi釋放串口資源，關(guān)閉函數(shù)。

(5)Write To Binary File.vi將接收數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式保存起來。

(6)Graph Chart.vi用于顯示采集波形。

3.2.2 LabVIEW系統(tǒng)界面和程序

根據(jù)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖，利用NI公司的可視化編程軟件LabVIEW編寫完成的系統(tǒng)界面如圖4所示。運(yùn)行前，用戶只需設(shè)置串口資源，選擇串口號(hào)、波特率大小、傳輸數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位、校驗(yàn)位等。串口工作在方式 1，傳輸 1幀信息為10 bit，其中 1 bit起始位、8 bit數(shù)據(jù)位(先低位后高位)、1 bit停止位[4]。

圖4上面部分為開始讀數(shù)據(jù)、停止讀取、回放、停止回放和退出系統(tǒng)5個(gè)控制按鍵。兩個(gè)圖形控件分別顯示讀取波形和回放波形，讀取值以數(shù)字形式顯示在讀取值窗口。系統(tǒng)界面還可以利用LabVIEW自身強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，借助內(nèi)部處理函數(shù)進(jìn)行波形調(diào)理、波形測量、FFT變換和濾波等。

4 測試與結(jié)論

將下位機(jī)程序下載到單片機(jī)，打開電源，按下采集獨(dú)立按鍵，給MAX306某通道加上2 V左右的電壓信號(hào)，測得結(jié)果如圖4所示。借助信號(hào)發(fā)生器給單片機(jī)輸入-10 V~+10 V范圍內(nèi)的任意波形，在上位機(jī)均可得到相應(yīng)波形。

本文利用單片機(jī)采集數(shù)據(jù)，使用LabVIEW編寫串口接收數(shù)據(jù)界面，將結(jié)果以二進(jìn)制.dat格式存儲(chǔ)起來，帶查看回放功能，較好地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)，達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和預(yù)期目標(biāo)。該LabVIEW顯示界面可應(yīng)用于其他具有串口接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，目前已應(yīng)用于航空物探部分?jǐn)?shù)據(jù)的收錄。

[1]TRAVIS J，KRING J.LabVIEW大學(xué)實(shí)用教程 (第三版)[M].朱瑞萍，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[2]陳誠，李言武，葛立封.基于 LabVIEW的單片機(jī)串口通信設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2009(1)：198-200.

[3]林靜，林振宇，鄭福仁.LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計(jì)從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[4]張毅坤，陳善久，裘雪紅.單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.