基于單片機技術(shù)與LabVIEW軟件的項目開發(fā)與實踐

蔡植善 ，陳木生，吳仲龍，朱成全

(1.泉州師范學(xué)院 物理與信息工程學(xué)院，福建 泉州 362000；2.泉州師范學(xué)院 信息功能材料福建省高校重點實驗室，福建 泉州 362000)

現(xiàn)代電子電路系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，離不開硬件和軟件的配合。硬件電路主要由單片機或嵌入式芯片及其外圍電路構(gòu)成；軟件部分主要是系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。本文所指的系統(tǒng)軟件主要是指按鍵掃描、顯示和音頻驅(qū)動、傳感器數(shù)據(jù)采集和通信接口等底層硬件的驅(qū)動程序，應(yīng)用軟件主要指數(shù)據(jù)存儲和管理、控制算法的實現(xiàn)、數(shù)據(jù)輸出和發(fā)布等功能程序。

應(yīng)用軟件的功能在很大程度上由上位機界面的人機互動功能體現(xiàn)出來。LabVIEW軟件具有強大的數(shù)據(jù)分析和管理功能，方便設(shè)計出友好的人機界面，把LabVIEW技術(shù)和單片機技術(shù)相結(jié)合，可以發(fā)揮軟、硬件各自的優(yōu)點。如何在高校電類相關(guān)專業(yè)的單片機教學(xué)、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計以至科研項目中，把單片機技術(shù)、Proteus仿真技術(shù)與LabVIEW技術(shù)進行有機結(jié)合與訓(xùn)練，在應(yīng)用與實踐活動中提高學(xué)生素質(zhì)，是值得探討的問題。把課堂教學(xué)與實踐教學(xué)結(jié)合起來，以培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才作為高等教育的目標和任務(wù)，使大學(xué)生能主動適應(yīng)創(chuàng)新型國家建設(shè)發(fā)展需要，成為高素質(zhì)創(chuàng)新人才[1－4]。

1 單片機技術(shù)的教學(xué)目的和特點

1.1 單片機技術(shù)的教學(xué)目的

單片機原理是電類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，單片機技術(shù)在現(xiàn)代電子電路中具有無可替代的作用，沒有哪種智能儀器或智能設(shè)備可以離得開單片機。對于沒有開設(shè)微機原理課程的專業(yè)來說，單片機原理也是學(xué)習(xí)計算機原理的一門課程。單片機原理課程的主要教學(xué)目的有以下4點:

1)學(xué)習(xí)和掌握單片機、微機的硬件結(jié)構(gòu)原理；

2)學(xué)習(xí)和掌握單片機的匯編語言和C語音的編程和調(diào)試；

3)掌握單片機集成調(diào)試軟件 (如Keil軟件、Proteus軟件)的調(diào)試方法；

4)掌握電子電路系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試過程，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力。

硬件原理和軟件原理的學(xué)習(xí)是基礎(chǔ)，會應(yīng)用才是最主要的目的。如圖1所示，單片機原理學(xué)習(xí)最終目的是要讓學(xué)生掌握單片機技術(shù)的設(shè)計和開發(fā)能力[5]。

1.2 單片機技術(shù)的教學(xué)特點

從多年的教學(xué)、學(xué)生參加的各種競賽與科研活動中，體會到單片機技術(shù)的教學(xué)有以下4個特點。

1.2.1 實踐性

單片機應(yīng)用技術(shù)是一門很感性的知識。單片機 “長”什么樣，傳感器電路、執(zhí)行機構(gòu)是什么模樣，都要讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中有直觀的印象。應(yīng)用程序如何編寫，集成調(diào)試環(huán)境IDE如何使用，單片機運行程序過程中存儲器狀態(tài)怎么觀察等操作，都要讓學(xué)生動手。所以，在理論教學(xué)時提倡實踐性教學(xué)，在課堂上盡可能采用多媒體教學(xué)、實物教學(xué)和實例教學(xué)。增加實踐課時，讓學(xué)生在完成理論知識學(xué)習(xí)的同時，完成相應(yīng)的實驗和實踐作品。

學(xué)生在教室里的時間應(yīng)盡量縮短，盡可能避免去背那些枯燥乏味的知識片斷，應(yīng)多安排應(yīng)用實踐課時。參加過電子設(shè)計比賽和參與過教師科研課題的學(xué)生都會對實踐有不一樣的體會，因為實踐的過程可以讓他在不知不覺中掌握了知識。

這說明，一方面，只掌握純粹的理論知識已經(jīng)無法滿足實際應(yīng)用要求；另一方面，課程的學(xué)時數(shù)和現(xiàn)有的模式又無法使教師在課堂上有充分的時間拓展新的知識。學(xué)校為學(xué)生提供了諸如“大學(xué)生科研基金”“開放性實驗”，提倡教師增加“綜合性、設(shè)計性實驗”在實驗項目中的比例，都為學(xué)生多角度、多方位參與實踐和創(chuàng)新活動提供了很多機會。教師也可以讓學(xué)生更多地參與科研項目[6－8]。

1.2.2 培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力

自主學(xué)習(xí)能力在單片機課程中顯得尤為重要。學(xué)生在學(xué)習(xí)單片機硬件原理、調(diào)試程序過程中，會遇到很多問題。這些問題和困難是否能得到及時解決，很大程度上取決于學(xué)生個體自主學(xué)習(xí)的能力是否足夠強。問題的解決需要學(xué)生自主思考、查閱資料，甚至積極加入相關(guān)的學(xué)習(xí)群去請教“大俠”。如果學(xué)習(xí)問題無法得到及時解決，會影響學(xué)習(xí)效率，也會影響信心的建立，嚴重的話會讓學(xué)生失去學(xué)習(xí)的信心。

反之，如果沒有老師的指導(dǎo)和幫助，學(xué)生能夠一點一滴自行解決問題，可以使學(xué)生提高效率，建立信心，達到熟能生巧、觸類旁通的效果。在軟硬件的調(diào)試過程中往往會遇到很多在教材、說明書上都無法找到的問題，需要學(xué)生依靠自主學(xué)習(xí)的能力來解決[9]。

1.2.3 認識和使用基本元器件

在接觸單片機的初期，大多數(shù)同學(xué)對基本的元器件都認識不多，對貼片元件更是知之甚少。認識基本的元器件有助于把電路的理論原理與實際功能對應(yīng)起來。如學(xué)習(xí)到7段數(shù)碼管的動態(tài)顯示編程時，如果不認識雙聯(lián)、四聯(lián)數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)和引腳分布，對動態(tài)顯示原理就沒有感性的認識，就不易掌握編程。又如學(xué)習(xí)到繼電器控制時，學(xué)會用萬用表測量常閉、常開引腳，就有助于理解弱電控制強電的原理。

1.2.4 小組討論互相配合、取長補短

由于生理和心理的不同，男生和女生的興趣和特長、能力特點各有不同。女生勤奮、細心，男生大局觀感強、邏輯思維相對縝密。在學(xué)習(xí)過程中，鼓勵男女生互相搭配，以3～5個為單位組成學(xué)習(xí)團隊，有利于提高學(xué)習(xí)效率[10－12]。

2 LabVIEW和單片機在電子電路系統(tǒng)應(yīng)用中的作用和分工

2.1 單片機的作用和分工

市場上主流的單片機不但包含著豐富的數(shù)字外設(shè)，如可交叉分配的I/O端口，標配的I2C、UART和SPI通信接口、可編程定時器/計數(shù)器陣列(PCA)、PWM驅(qū)動、看門狗(WDT)，而且有多種模擬外設(shè)，如ADC、DAC、比較器、放大器甚至部分傳感器，所以單片機就是個片上系統(tǒng)(SoC)。因此，其在電路中的分工有如下5點:

1)通過傳感器對輸入?yún)?shù)的數(shù)據(jù)采集；

2)與執(zhí)行機構(gòu)的信號連接與驅(qū)動；

3)芯片級或模塊電路之間的數(shù)據(jù)通信；

4)與上位機之間的通信；

5)按鍵掃描和液晶顯示。

單片機起到輸入數(shù)據(jù)的采集、板上硬件電路的處理與協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)通信的作用。

2.2 LabVIEW的作用和分工

LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench)程序被稱為VI(virtual instrument)，即虛擬儀器。其核心思想就是 “軟件即是儀器”，即把計算機強大的計算能力與外圍硬件資源有機的整合成一個整體，充分發(fā)揮軟件作用，同時也使硬件資源得到充分應(yīng)用。

LabVIEW的數(shù)學(xué)計算和分析功能強大，便于建模和數(shù)據(jù)管理，兩者結(jié)合，可以達到良好的控制效果。其在電路系統(tǒng)中的分工有如下5點:

1)對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行濾波處理和曲線擬合；

2)虛擬信號發(fā)生器；

3)數(shù)學(xué)建模，數(shù)據(jù)分析；

4)設(shè)計友好的人機界面；

5)接入互聯(lián)網(wǎng)。

軟件提供的子程序使得程序開發(fā)更方便[13]。大量的數(shù)據(jù)計算、存儲和分析盡量由它處理。一個由LabVIEW和單片機的應(yīng)用電路系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 LabVIEW和單片機組成的應(yīng)用系統(tǒng)框圖

3 項目開發(fā)案例

3.1 直流電機的調(diào)速控制

本實驗項目的意義更多在于基礎(chǔ)訓(xùn)練，包括單片機C語言和LabVIEW的編程和調(diào)試。方案與圖2相似，單片機采用STC89C52，電機速度和方向采用霍爾傳感器采集 (或光電傳感器)，電機驅(qū)動采用L298N模塊。通信接口采用RS232C，無需遠程傳送。

單片機把電機速度和方向數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給LabVIEW上位機，上位機經(jīng)PID算法算出調(diào)速控制信號返回給單片機，由單片機經(jīng)驅(qū)動電路調(diào)整電機速度，使電機速度快速達到設(shè)定的速度值并穩(wěn)定，實現(xiàn)過程的閉環(huán)控制。PID算法是直流電機(或步進電機)調(diào)速控制及溫度控制的一種經(jīng)典控制算法，如果P、I、D參數(shù)整定合適的話，可以達到很好的控制效果。實際上，單純由單片機完成PID控制也是一種常用方法，但對初學(xué)者來說，調(diào)試PID算法及整定合適的控制參數(shù)，是一個難點，過程長、花費時間多，效果還不一定好。如果把PID算法由LabVIEW承擔(dān)，利用軟件自帶的PID工具很快就能編好控制程序。把P、I、D這3個參數(shù)通過前面板窗口進行設(shè)定和調(diào)整，可以使整個調(diào)試過程來得直觀和高效，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。本實踐案例中，單片機的程序不會太復(fù)雜，LabVIEW程序也不大，比較適合基礎(chǔ)訓(xùn)練。

3.2 基于LabVIEW和ZigBee組網(wǎng)的火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)

這是一個有多位學(xué)生參與的科研項目，其成果已經(jīng)得到了初步應(yīng)用[14]。系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 一種基于單片機和LabVIEW的應(yīng)用案例

每個傳感器節(jié)點終端都由測溫傳感器和一氧化碳傳感器組成，ZigBee網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點終端、路由器和協(xié)調(diào)器組成。一個網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器只能有唯一一個，起組織和建立網(wǎng)絡(luò)的作用；路由器視實際需要可以有若干個，主要起數(shù)據(jù)傳遞作用；傳感器節(jié)點終端個數(shù)視實際需要監(jiān)測的房間而定，每個終端監(jiān)測的房間面積為30～40 m2，終端節(jié)點既可以采集數(shù)據(jù)，也可起數(shù)據(jù)傳遞作用。協(xié)調(diào)器負責(zé)接收各傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，并把匯集來的監(jiān)測現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，經(jīng)過 RS232發(fā)送給 GPRS DTU，GPRS DTU通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絀nternet上指定的服務(wù)器，主控上位機經(jīng)虛擬串口從上述服務(wù)器實時取回數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)融合，及時作出火災(zāi)危險性評價直至發(fā)出報警信號。方案中的溫度值和CO濃度值由單片機采集，單片機把采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee透傳網(wǎng)絡(luò)送到上位機濾波和存儲處理。上位機軟件由LabVIEW開發(fā)而成，如圖4所示。方案中，傳感器數(shù)據(jù)的濾波處理及關(guān)鍵的數(shù)據(jù)融合計算由LabVIEW完成。應(yīng)用案例中，充分發(fā)揮了LabVIEW和單片機的各自優(yōu)點，使報警系統(tǒng)的報警準確、及時，系統(tǒng)界面友好，易于使用。

圖4 一種基于單片機和LabVIEW的應(yīng)用案例

4 結(jié)束語

主流單片機都含有豐富的模擬外設(shè)和數(shù)字外設(shè)，便于數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動和組成靈活的通信方式；LabVIEW軟件平臺易于編程，含有豐富的數(shù)學(xué)分析和信號處理功能，便于建模和程序?qū)崿F(xiàn)。人機界面友好，網(wǎng)絡(luò)功能多樣。在本科二年級到四年級學(xué)生中，都可以引入單片機與Lab-VIEW技術(shù)相結(jié)合的訓(xùn)練項目，可以更高效地學(xué)習(xí)和開發(fā)創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)項目。

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