基于Ardunio和LabVIEW的多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

范治政，劉永春，郭志庭

（四川理工學(xué)院 自動(dòng)化與電子信息學(xué)院 四川省院士（專家）工作站，自貢 643000）

在工業(yè)生產(chǎn)、電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)過(guò)程中常常要求對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行同步記錄，以便分析信號(hào)之間的關(guān)系，作出相應(yīng)的預(yù)測(cè)與控制[1]。數(shù)據(jù)采集與分析對(duì)于提高工業(yè)生產(chǎn)、優(yōu)化生產(chǎn)線、及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障等都有重要的意義。以NI公司為代表生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡過(guò)于昂貴，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，對(duì)那些不要求超高速采集和處理的控制系統(tǒng)，這類采集卡顯得過(guò)于浪費(fèi)資源。采用Ardunio和LabVIEW快速構(gòu)建低成本、多功能的USB采集卡，可適用于這些場(chǎng)合。Ardunio是國(guó)外比較流行的電子開(kāi)源平臺(tái)，開(kāi)發(fā)者為不同型號(hào)的Ardunio編寫(xiě)有bootloader，以便于管理和引導(dǎo)程序。編程者只需要掌握C/C++就可以快速地進(jìn)行開(kāi)發(fā)，以及做出屬于自己的庫(kù)文件。在數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中，采用VC、Delphi、VB等面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)上位機(jī)監(jiān)控軟件存在開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、測(cè)試效率低等問(wèn)題[2]。而使用LabVIEW開(kāi)發(fā)周期短、界面控件豐富、內(nèi)置豐富的信號(hào)處理VI、可以大大地提高效率。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)核心部分由上位機(jī)監(jiān)控軟件和下位機(jī)Ardunio控制器組成。上位機(jī)監(jiān)控軟件通過(guò)USB總線向Ardunio發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，下位機(jī)收到指令開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。傳感器采集到模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，送到A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，數(shù)字信號(hào)經(jīng)光電耦合隔離電路送到控制器I/O口采集。采集數(shù)據(jù)通過(guò)CH340T芯片緩沖區(qū)送到USB通道中，由上位機(jī)監(jiān)控軟件進(jìn)行分析處理。根據(jù)數(shù)據(jù)分析處理結(jié)果，可以調(diào)節(jié)Ardunio的2路PWM占空比和6路數(shù)字輸出，對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System overall structure

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控電路圖

Ardunio是一款便捷的開(kāi)源電子平臺(tái)控制器，包含有各種型號(hào)的Ardunio硬件和IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境。Ardunio主要是基于Atmel公司的微處理器進(jìn)行高度封裝，開(kāi)發(fā)者不用了解底層硬件就可以控制處理器，現(xiàn)階段已有32位微處理器支持Ardunio。Ardunio主控電路如圖2所示。

Ardunio選用第三代uno板，在原版的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)電路圖，以適應(yīng)采集卡的需要。電路設(shè)計(jì)預(yù)留出了5 V和3.3 V接口，可直接為各種數(shù)字式傳感器提供電源。保留原版的ICSP接口，用于升級(jí)bootloader。第三代 Ardunio控制器總共有 6路PWM，系統(tǒng)只使用2路。6路模擬輸入管腳用于采集多通道模擬數(shù)據(jù)。14路I/O口（包含6路PWM），6路用于數(shù)字輸入檢測(cè)，6路用于數(shù)字量輸出。片內(nèi)資源豐富：32 K Flash、2 K SRAM、1 K E2PROM。Ardunio管腳編號(hào)固定，同一類板卡，不同型號(hào)之間的程序可以相互使用，這是Ardunio板的巨大優(yōu)勢(shì)。

圖2 系統(tǒng)主控電路圖Fig.2 System main control circuit diagram

2.2 USB接口轉(zhuǎn)換電路

采用CH340T芯片作為轉(zhuǎn)換接口。使用之前需要安裝驅(qū)動(dòng)程序，從官方網(wǎng)站下載驅(qū)動(dòng)安裝之后可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。CH340T芯片是全速USB接口，兼容USBV2.0，全雙工串口，內(nèi)置緩沖區(qū)，支持通訊率50 b/s～2 Mb/s。外加電平轉(zhuǎn)換器件可提供 RS232、RS485、RS422等接口，采用5 V或3.3 V供電。USB轉(zhuǎn)串口電路圖如圖3所示。

圖3 USB接口轉(zhuǎn)換電路Fig.3 USB interface conversion circuit

RXD和TXD管腳分別與主控器RXD、TXD管腳相連接。UD-和UD+與USB接口的D-和D+連接，在電源和地之間加有0.1 μF耦合電容。12 MHz晶振和電容構(gòu)成芯片運(yùn)行的時(shí)鐘。USB接口端分別接上16 kΩ匹配電阻，防止高速信號(hào)出現(xiàn)反射現(xiàn)象[3-4]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序主要包括初始化控制器管腳、設(shè)置波特率、發(fā)送數(shù)據(jù)子程序、接收命令子程序、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化程序等。為增強(qiáng)程序的可讀性和調(diào)試方便，把相關(guān)程序做成頭文件。由于Ardunio的頭文件均采用了C++編寫(xiě)，需要嚴(yán)格遵守類和繼承有關(guān)的要求以及Ardunio庫(kù)文件的格式。系統(tǒng)中用到的幾個(gè)頭文件 ：#inclue，#inclue，#inclue。下位機(jī)流程如圖4所示。

圖4 下位機(jī)流程圖Fig.4 Flow chart of lower machine

Ardunio上電或者復(fù)位后會(huì)初始化內(nèi)部寄存器和分配I/O引腳，等待上位機(jī)發(fā)送指令。上位機(jī)將指令轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)據(jù)發(fā)到下位機(jī)，指令中包含2個(gè)字節(jié)校驗(yàn)碼。下位機(jī)通過(guò)校驗(yàn)碼，校驗(yàn)發(fā)送指令是否正確。加入校驗(yàn)碼進(jìn)行通訊可以屏蔽掉一些電平干擾，防止下位機(jī)進(jìn)行誤操作，損壞設(shè)備。校驗(yàn)碼正確后，下位機(jī)判別指令功能執(zhí)行相應(yīng)程序。如接收到模擬采集數(shù)據(jù)指令，下位機(jī)將模擬數(shù)值以ASCLL碼格式通過(guò)USB接口發(fā)送到上位機(jī)。當(dāng)收到PWM更新指令時(shí)，根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的占空比，下位機(jī)改寫(xiě)PWM函數(shù)中參數(shù)值，輸出更新PWM。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用了LabVIEW 2013開(kāi)發(fā)上位機(jī)監(jiān)控軟件。下位機(jī)中選用了CH340T芯片進(jìn)行USB轉(zhuǎn)串口通訊。LabVIEW中串口通訊接口主要是采用的VISA節(jié)點(diǎn)，VISA是高層API調(diào)用。VISA函數(shù)集中包含有與串口配置VI。調(diào)用串口節(jié)點(diǎn)配置VI，配置串口節(jié)點(diǎn)的波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)等相關(guān)參數(shù)就可以和下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。上位機(jī)監(jiān)控軟件流程如圖5所示。

圖5 上位機(jī)流程圖Fig.5 Flow chart of host computer

數(shù)據(jù)分析處理的流程為通過(guò)VISA中的串口寫(xiě)入和串口讀取VI，上位機(jī)能夠向串口發(fā)送命令、讀取數(shù)據(jù)。從串口中讀取數(shù)據(jù)后，要立即釋放串口，使串口持續(xù)讀取下位機(jī)數(shù)據(jù)。讀取數(shù)據(jù)中分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字量。讀取模擬數(shù)據(jù)易受到各種電磁干擾，讓模擬數(shù)據(jù)通過(guò)濾波器后再進(jìn)行處理。LabVIEW作為自動(dòng)化專業(yè)的測(cè)試測(cè)量軟件，提供諸如Bessel、Elliptic、Buterworth等I2R濾波器[5]。根據(jù)采集的模擬信號(hào)種類，將數(shù)據(jù)送入對(duì)應(yīng)濾波器，進(jìn)行濾波。濾波完成再將數(shù)據(jù)送到波形和數(shù)值顯示控件中，進(jìn)行顯示。同時(shí)將采集的數(shù)據(jù)生成報(bào)表文件，供以后查詢。數(shù)據(jù)分析部分主要是利用Matlab和LabVIEW混合編程實(shí)現(xiàn)。在LabVIEW中可以通過(guò)ActiveX技術(shù)實(shí)現(xiàn)和Matlab交換數(shù)據(jù)[6]。這種交換方式只能滿足一般要求，實(shí)時(shí)性存在一定的問(wèn)題。現(xiàn)有的高級(jí)版本中主要通過(guò)Matlab腳本和MathScript實(shí)現(xiàn)[7]。由于MathScript的實(shí)時(shí)性能較好，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先選用。以數(shù)字輸入檢測(cè)為例闡述數(shù)據(jù)采集處理過(guò)程：當(dāng)數(shù)字采集通道1被選中，同時(shí)采集按鍵發(fā)生值改變。上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送采集數(shù)字通道1指令。寫(xiě)入指令后，等待串口緩沖區(qū)獲取數(shù)據(jù)，然后讀出數(shù)據(jù)，與常量0做比較，結(jié)果送入布爾顯示控件。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，上位機(jī)向VISA寫(xiě)VI中送入指令代碼，改變下位機(jī)中的開(kāi)關(guān)量輸出、PWM占空比。校驗(yàn)指令和控制指令一起寫(xiě)入Buffer緩沖區(qū)，通過(guò)轉(zhuǎn)換芯片以16進(jìn)制方式發(fā)送到下位機(jī)。一次控制結(jié)束后，立即釋放串口資源。

4 測(cè)試結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在采集卡周圍放置3個(gè)通電運(yùn)行的直流電機(jī)，以測(cè)試系統(tǒng)抗干擾能力。分別采用實(shí)驗(yàn)室的信號(hào)發(fā)生器、心率采集器、壓力傳感器、溫度傳感器測(cè)試采集數(shù)據(jù)能力。以溫度采集為例，實(shí)驗(yàn)中采用LM35溫度傳感器。LM35溫度傳感器輸出模擬電壓，片內(nèi)有溫度補(bǔ)償電路，當(dāng)前環(huán)境每上升1℃，輸出電壓增加10 mV。溫度模擬電壓數(shù)據(jù)由模擬通道0采集，采集轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時(shí)，只保留了溫度整數(shù)位數(shù)，小數(shù)部分未保留。轉(zhuǎn)化溫度在溫度實(shí)驗(yàn)選項(xiàng)卡顯示。實(shí)驗(yàn)效果如圖6和圖7所示。

圖6 模擬數(shù)據(jù)采集Fig.6 Analog data acquisition

圖7 溫度實(shí)驗(yàn)效果圖Fig.7 Experimental result of the temperature

5 結(jié)語(yǔ)

文中采用了Ardunio做為采集數(shù)據(jù)主控器，結(jié)合LabVIEW虛擬儀器開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。借用虛擬儀器強(qiáng)大的信號(hào)處理和儀器控制功能，完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析和外部設(shè)備控制。采用開(kāi)源Ardunio和LabVIEW聯(lián)合開(kāi)發(fā)，降低了開(kāi)發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)運(yùn)行良好，能夠達(dá)到預(yù)期要求。

[1]邢磊，鄭萍.多通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012（11）：116-118，148.

[2]吳桂清，朱院娟，郭斯羽，等.基于LabVIEW的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012，31（6）：104-107.

[3]周青云，王建勛.基于USB接口與LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（8）：238-240.

[4]張亮，李杰，張?zhí)煊?USB接口芯片CH376在專用控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].兵工自動(dòng)化，2014，33（3）：51-53.

[5]呂東陽(yáng)，王顯軍.基于LabVIEW的電機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)[J].測(cè)控技術(shù)，2014，33（4）：75-78.

[6]李貴娥，麻紅昭，沈家旗，等.電渦流檢測(cè)技術(shù)及影響因素分析[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，22（11）：141-145.

[7]陳樹(shù)學(xué)，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.