基于LabVIEW和單片機(jī)的稱重信號(hào)采集

盧志浩，吳維華,雷菊陽

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620；2.上海儀器儀表研究所，上海 200082)

基于LabVIEW和單片機(jī)的稱重信號(hào)采集

盧志浩1，吳維華2,雷菊陽1

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620；2.上海儀器儀表研究所，上海 200082)

在稱重方案設(shè)計(jì)中，為了避免單片機(jī)和PC機(jī)通信時(shí)必須采用串口線連接或USB轉(zhuǎn)串口線連接的弊端，并且更好的適應(yīng)USB接口正逐步成為PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口這一大的趨勢(shì)的要求。同時(shí)克服單片機(jī)的處理能力有限，難以滿足控制的需求的缺點(diǎn)，采用處理能力強(qiáng)及人機(jī)交互好的PC機(jī)作為上位機(jī)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析和處理，以達(dá)到更高的要求。方便采集信號(hào)和實(shí)時(shí)顯示信號(hào)變化，更好地實(shí)現(xiàn)稱重信號(hào)采集過程中的的人機(jī)交互界面的功能，實(shí)現(xiàn)儀器智能化。以STC89C52單片機(jī)為下位機(jī)、PC機(jī)為上位機(jī)，基于LabVIEW2014 編寫上位機(jī)軟件，通過USB數(shù)據(jù)線直接連接單片機(jī)USB口與PC機(jī)USB口，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的串行通信過程，使測(cè)試方便、簡潔、人性化。包括下位機(jī)STC89C52單片機(jī)的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)、CH340通信電路設(shè)計(jì)、下位機(jī)單片機(jī)通信的軟件設(shè)計(jì)、上位機(jī)LabVIEW2014通信的軟件設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)稱重系統(tǒng)測(cè)試信號(hào)智能化。

LabVIEW2014；USB接口；通信；CH340;VISA；STC89C52

0 引 言

隨著全球范圍內(nèi)各種科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，中國工業(yè)4.0的大力倡導(dǎo)，工業(yè)領(lǐng)域自動(dòng)化水平的逐漸提高。特別是進(jìn)入信息時(shí)代以后，數(shù)字技術(shù)與信息技術(shù)大力發(fā)展、結(jié)合，稱重行業(yè)也迎來了好的發(fā)展機(jī)遇。傳統(tǒng)的稱重計(jì)量與控制系統(tǒng)中采用模擬技術(shù)的思路正逐步向應(yīng)用數(shù)字技術(shù)與數(shù)字系統(tǒng)的方向轉(zhuǎn)變。隨著對(duì)稱重技術(shù)的要求不斷提高，稱重設(shè)備將逐漸從傳統(tǒng)的模擬式向智能化、數(shù)字化的方向發(fā)展。對(duì)衡器行業(yè)提出了電子衡器數(shù)字化、智能化的要求[1]。

LabVIEW(又稱為G語言)是一種基于數(shù)據(jù)流的圖形化編程環(huán)境[2]，由美國的NI公司開發(fā)的，它使用圖標(biāo)的方式來創(chuàng)建程序[3]。設(shè)計(jì)者可以自主設(shè)計(jì)儀器面板，簡化了程序設(shè)計(jì)，提高了工作效率。目前被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集以及工業(yè)自動(dòng)化儀器控制等方面[4]。近年來在檢測(cè)和控制領(lǐng)域得到了快速發(fā)展。因其程序是圖形化的框圖形式，在人機(jī)交互等方面具有天然的優(yōu)勢(shì)，已逐漸成為上位機(jī)編程軟件的不二選擇。

單片機(jī)等外部器件與PC機(jī)常選用串口通信方式進(jìn)行通信。串口通信的定義是指PC機(jī)和外部器件是以控制線、地線、數(shù)據(jù)信號(hào)線等通信線按位操作進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的一種通訊方式[5]。串口通信的優(yōu)點(diǎn)是：通訊時(shí)使用少量數(shù)據(jù)線，節(jié)約了通信的投入成本，廣泛應(yīng)用在遠(yuǎn)距離通信中。串口通信的缺點(diǎn)是：與并行通信相比，其傳輸速度慢，從而傳輸效率較低。

PC機(jī)和外部儀器設(shè)備之間的連接，比較常見的硬件接口是并口、串口以及USB口[6-7]。大多數(shù)計(jì)算機(jī)硬件部分采用針式串口作為常用的與外部設(shè)備進(jìn)行通信連接的接口。大多數(shù)市場(chǎng)上銷售的計(jì)算機(jī)(除個(gè)人筆記本電腦)均包含一個(gè)以上基于RS-232的硬件串口。串口的應(yīng)用范圍不僅如此，串口作為通用的通信協(xié)議同時(shí)也大量應(yīng)用在儀器儀表設(shè)備的通信之中；越來越多的兼容GPIB的設(shè)備也都有基于RS-232的硬件串口。串口通信協(xié)議的另一個(gè)重要應(yīng)用是可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、傳輸，提高儀器智能化。在PC領(lǐng)域里以RS-232、RS-485協(xié)議為代表的串口通信因其通信穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)及成本低等優(yōu)點(diǎn)被普遍應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域。

實(shí)際應(yīng)用中串口通信方案采用PC機(jī)RS-232端口通過串口線和單片機(jī)串口通信，或者是單片機(jī)的USB口通過USB轉(zhuǎn)串口線與PC機(jī)RS-232d端口通信。但目前的電腦都沒有串口接口，多以USB口代替，新型單片機(jī)也逐漸淘汰老式串口接口，以USB口來代替。

本文設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW和單片機(jī)的稱重方案，由于目前USB接口逐步成為PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口，在本設(shè)計(jì)中，我們選擇USB接口來完成單片機(jī)與PC之間的通信，通過通用的USB數(shù)據(jù)線進(jìn)行直接單片機(jī)和計(jì)算機(jī)通信的新方法，能實(shí)時(shí)顯示數(shù)值、直觀了解信號(hào)變化。使稱重測(cè)試智能化。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

基于串口通信的單片機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)，主要有單片機(jī)STC89C52最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)、CH340通信模塊設(shè)計(jì)。以USB轉(zhuǎn)串口的方式實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信，將下位機(jī)的串口經(jīng)過USB轉(zhuǎn)串口芯片轉(zhuǎn)換成USB接口來連接上位機(jī)[8-9]。上位機(jī)通過USB連接線就可以連接下位機(jī)。CH340芯片用以實(shí)現(xiàn)USB 總線的轉(zhuǎn)接的功能，實(shí)現(xiàn)USB口轉(zhuǎn)接打印口、USB口轉(zhuǎn)接IrDA 紅外、USB口轉(zhuǎn)接串口等。 當(dāng)實(shí)現(xiàn)USB口轉(zhuǎn)接串口功能時(shí)，CH340 芯片可以提供通用的MODEM聯(lián)絡(luò)信號(hào)，以便為計(jì)算機(jī)擴(kuò)展異步串口，或者將傳統(tǒng)的設(shè)備串口直接升級(jí)到USB總線。所以CH340可以實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口的功能[10]。PC機(jī)的TXD線和RXD線分別與單片機(jī)的TXD管腳和RXD管腳實(shí)現(xiàn)交叉連接。通信連接示意圖如圖1所示[11]。

圖1 PC 機(jī)與單片機(jī)通過USB通信的線路連接

1.1 單片機(jī)STC89C52最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

STC89C5單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括STC89C5單片機(jī)主體、晶振實(shí)現(xiàn)電路、復(fù)位實(shí)現(xiàn)電路、電源實(shí)現(xiàn)電路。設(shè)計(jì)STC89C5單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

圖2 單片機(jī)STC89C52最小系統(tǒng)

1.2 CH340通信電路設(shè)計(jì)

CH340通信電路如圖3所示。

圖3 CH340通信電路

PC機(jī)通過USB與單片機(jī)初次連接時(shí)，連接前，需在PC上安裝USB轉(zhuǎn)串口的CH340芯片的WINDOWS驅(qū)動(dòng)程序安裝包(支持WINDOWS 98/ME/2000/XP/Server 2003/VISTA/, Server 2008/Win7/Win8 32位/64位)。通過微軟數(shù)字簽名認(rèn)證技術(shù)，在計(jì)算機(jī)端將USB設(shè)備仿真為標(biāo)準(zhǔn)Serial串口設(shè)備COM, 包含識(shí)別CH34X串口號(hào)及監(jiān)視CH34X設(shè)備插拔的庫)。這樣PC機(jī)才會(huì)映射出一個(gè)連接串口，并與單片機(jī)串口相連接。成功安裝USB驅(qū)動(dòng)安裝完成軟件驅(qū)動(dòng)后，接入U(xiǎn)SB線，兩端是一樣的，一端接入開發(fā)板USB座，另一端接入電腦USB口，接入后電腦會(huì)發(fā)現(xiàn)新硬件。通過右鍵“我的電腦”，打開設(shè)備管理器，看到設(shè)備管理器里多出了一個(gè)COM端號(hào)。

2 通信軟件設(shè)計(jì)

本文中的通信的實(shí)質(zhì)是串口通信的方式。通信協(xié)議按照串口通信方式設(shè)計(jì)，采用的了UART異步串行接口方案。從機(jī)的串口通信是通過單片機(jī)在Keil C51環(huán)境下編程調(diào)用UART異步串口來實(shí)現(xiàn)的。而主機(jī)的串口通信則是在LabVIEW2014環(huán)境下編程實(shí)現(xiàn)的串口程序設(shè)計(jì)。

2.1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)以方式1(10位異步收發(fā))進(jìn)行串口工作, 定時(shí)器T1 工作在方式2(8位自動(dòng)重裝定時(shí)器)。

主程序如下：

void main()

{

int16ans;

TMOD = 0x21; // 定時(shí)器1工作在方式2(自動(dòng)重裝)

SCON = 0x50; // 10位uart，允許串行接受

TH1 = 0xFD;

TL1 = 0xFD;

TR1 = 1;

while (1)

{

start_temp_sensor();

delay_ms (1000); // 延時(shí)1秒

ans=read_temp();

if (ans < 0)

{

UART_Send_Byte('-');

ans = -ans;

}

UART_Send_Dat(ans);

UART_Send_Byte(' ');

UART_Send_Byte(' ');

}

}

2.2 LabVIEW程序設(shè)計(jì)

使用LabVIEW進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，主要包括程序前面板設(shè)計(jì)、框圖程序設(shè)計(jì)以及程序調(diào)試這幾個(gè)部分的內(nèi)容[12]。

2.2.1 相關(guān)控件介紹

用LabVIEW實(shí)現(xiàn)串口通信前，第一步要安裝VISA驅(qū)動(dòng)，最先版VISA驅(qū)動(dòng)可以從LabVIEW官網(wǎng)上免費(fèi)下載。LabVIEW實(shí)現(xiàn)串口通信的方式是讀取串口和寫入串口[13-14]。本文的研究工作主要是讀取數(shù)據(jù)，也就是讀取外部單片機(jī)的操作。在LabVIEW程序設(shè)計(jì)之前，首先簡單介紹下與讀取外部單片機(jī)的操作有關(guān)的控件和函數(shù)[15]。

1) VISA資源名稱

位于LabVIEW 前面板—控件選板—新式—I/O—VISA資源名稱。VISA驅(qū)動(dòng)安裝完成后，連接上外部器件，在該控件下會(huì)列出新讀取的所有COM口，選擇合適的COM口，即可與外部器件連接。

2) VISA配置串口函數(shù)

位于LabVIEW程序框圖—函數(shù)選項(xiàng)—儀器I/O—串口—VISA配置串口，完成相關(guān)參數(shù)配置，主要參數(shù)包括數(shù)據(jù)比特、波特率、奇偶校驗(yàn)等[16]。

3) VISA讀取和VISA關(guān)閉函數(shù)

VISA讀取函數(shù)位于LabVIEW程序框圖—函數(shù)選項(xiàng)—儀器I/O—串口—VISA讀取，從VISA資源名稱所連接的設(shè)備或接口中讀取規(guī)定數(shù)量的字節(jié)，并將返回?cái)?shù)據(jù)至讀取緩沖區(qū)。

VISA關(guān)閉函數(shù)位于LabVIEW程序框圖—函數(shù)選項(xiàng)—儀器I/O—串口—VISA關(guān)閉，來關(guān)閉VISA資源名稱連接的事件對(duì)象或設(shè)備會(huì)話句柄。

2.2.2 前面板設(shè)計(jì)

根據(jù)本文的設(shè)計(jì)要求，在基于LabVIEW和單片機(jī)通信的稱重信號(hào)采集方案設(shè)計(jì)的前面板的設(shè)計(jì)窗口中，通過控件選板添加數(shù)字顯示控件、儀表顯示控件、實(shí)時(shí)圖形顯示控件、指示燈控件和串口資源檢測(cè)控件。LabVIEW程序前面板設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 LabVIEW程序前面板

2.2.3 框圖程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)思路：讀單片機(jī)發(fā)送給PC的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)據(jù)。

1)串口初始化框圖程序

采用順序結(jié)構(gòu)，在順序結(jié)構(gòu)Frame 0中添加串口配置函數(shù)，并將VISA資源名稱函數(shù)的輸出端口與VISA串口配置函數(shù)的輸入端口“VISA資源名稱”。相關(guān)參數(shù)設(shè)置(如波特率、奇偶校驗(yàn)[17]等)與單片機(jī)串口程序參數(shù)一致。Frame 0框圖程序設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 LabVIEW串口初始化框圖程序

2)讀取壓力值框圖程序

在順序結(jié)構(gòu)Frame 1中添加串口字節(jié)數(shù)函數(shù)、串口讀

取函數(shù)、字符串轉(zhuǎn)字節(jié)數(shù)組函數(shù)、索引數(shù)組函數(shù)、加號(hào)函數(shù)、乘號(hào)函數(shù)、數(shù)值常量。將各個(gè)端口對(duì)應(yīng)連接，F(xiàn)rame 1框圖程序設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 LabVIEW讀取壓力值框圖程序

3)LabVIEW延時(shí)框圖程序

在順序結(jié)構(gòu)Frame 2中添加時(shí)鐘函數(shù)、數(shù)值常量，將對(duì)應(yīng)端口相互連接，F(xiàn)rame 2框圖程序設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 LabVIEW延時(shí)框圖程序

3 測(cè)試

通過USB數(shù)據(jù)線將單片機(jī)和PC機(jī)連接好，運(yùn)行程序。給壓力傳感器加壓，程序畫面將顯示溫度測(cè)量值和曲線圖。程序運(yùn)行畫面如圖8所示。

圖8 Labview程序運(yùn)行界面

4 結(jié)束語

本文介紹了利用LabVIEW2014編寫程序?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的USB接口之間的通信，實(shí)現(xiàn)了稱重測(cè)量的人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)。方便稱重?cái)?shù)值的讀取和觀看數(shù)值變化。此方案界面美觀，實(shí)現(xiàn)起來較容易，可以很方便地運(yùn)用于各種測(cè)量系統(tǒng)中。具有一定的工程實(shí)踐意義。

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Acquisition of Weighing Signal Based on LabVIEW and Single Chip Microcomputer

Lu Zhihao1, Wu Weihua2, Lei Juyang1

(1.College of Mechanical Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China;2.Shanghai Instrument Research Institute, Shanghai 200082, China)

In the design of weighing schemes, PCs with strong processing ability and good man-machine interaction are used as upper computer for further analysis and processing of acquired data in conformity with higher requirement, so as to avoid the disadvantage that serial port line connection or USB plus serial port line connection has to be adopted for communication between the single chip computer and PC, to adapt to the general trend of USB interface becoming standard PC interface, and to overcome the shortcoming that limited processing ability of the single chip computer cannot meet control demand. Signal acquisition and real-time display of signal change are made easier, man-machine interaction is improved in the process of weighing signal acquisition, and instrument intellectualization is realized. Upper computer software is compiled by using STC89C52 single chip computer as lower computer, PC as upper computer and LabVIEW2014 as the base. The USB port of the single chip computer and USB port of the PC are connected directly through USB data line to realize serial communication between the single chip computer and PC for simple, easy and humanized testing. Following contents are included: minimum system design for STC89C52 single chip computer as lower computer, design of CH340 communication circuit, software design for communication of lower computer (single chip computer), and software design for the communication of upper computer LabVIEW2014. In this way, testing signals are intellectualized for the weighing system.

LabVIEW2014；USB interface； communication； CH340；VISA； STC89C52

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)應(yīng)用技術(shù)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2013-118)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.031

TN06

A

1000-3886(2017)01-0104-03

盧志浩(1990-)，男，山東成武人，碩士生，研究方向?yàn)樘摂M儀器、聲表面波、嵌入式系統(tǒng)。

定稿日期: 2016-07-12