基于單片機(jī)和LabVIEW 的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)想

霍海波

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000）

LabVIEW 是一種程序開發(fā)環(huán)境，主要用于虛擬儀器軟件開發(fā)，試用的領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算機(jī)方面，它的所屬公司為美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司，它的開發(fā)環(huán)境類似于C 和BASIC，它運(yùn)用的計(jì)算機(jī)語言為圖形化編輯語言G，編寫的程序以框圖形式展現(xiàn)，與大部分運(yùn)用文本語言編寫出的代碼有很大不同。在運(yùn)用LabVIEW 進(jìn)行多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)使用數(shù)據(jù)采集板卡，可是由于開發(fā)周期較長(zhǎng)，為了節(jié)約成本，所以可以采用成本更為低廉的單片機(jī)，并且單片機(jī)相對(duì)于數(shù)據(jù)采集板卡采集和傳輸數(shù)據(jù)更快，具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如下。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包含兩部分內(nèi)容，上位機(jī)和下位機(jī)，上位機(jī)運(yùn)用LabVIEW，下位機(jī)處放置單片機(jī)，無論是上位機(jī)還是下位機(jī)都需要硬件設(shè)計(jì)，但是上位機(jī)對(duì)硬件要求較低，使用普通PC 就可以，下位機(jī)需要具體進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)主要包含信息收集模塊、微型控制器、RS232 串行通訊模塊三個(gè)板塊的內(nèi)容，多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的具體系統(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

1.1 信息收集模塊

信息收集模塊包含多部分的內(nèi)容，主要為信號(hào)傳輸和數(shù)據(jù)預(yù)處理，在行業(yè)上一般會(huì)選擇信息收集電路利用單獨(dú)電子元件，進(jìn)行搭建或者采用系統(tǒng)內(nèi)部控制器的A/D 功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)主要是基于系統(tǒng)內(nèi)部控制器的A/D 功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，即通過多路模擬信號(hào)傳感器，計(jì)算放大器電流，將加強(qiáng)后的信號(hào)通過A/D 轉(zhuǎn)換進(jìn)行電壓的供應(yīng)。

1.2 微型控制器

通過具體的設(shè)計(jì)以及對(duì)微型控制器性能的需求，可以選擇STC12C5A60S2 單片機(jī)構(gòu)建下位機(jī)的硬件部分，這個(gè)型號(hào)的單片機(jī)主要是功能比較多，不僅具有機(jī)械周期/單時(shí)鐘功能，而且具備計(jì)算器、定時(shí)等功能，可以滿足本次設(shè)計(jì)的需要。

1.3 RS232 串行通訊模塊

RS232 串行通信模塊的作用是連接上位機(jī)與下位機(jī)之間的紐帶，使上位機(jī)與下位機(jī)能夠信息互通。輸入或者輸出數(shù)據(jù)時(shí)，需要確認(rèn)邏輯1 和邏輯0 以及電平的數(shù)值。在串行接口協(xié)議下，RS232 信號(hào)強(qiáng)弱之間的差距會(huì)比較大，所以電壓范圍也會(huì)比較大，邏輯1 為-15 ～-5V 之間，我們可以設(shè)置為-10V，邏輯0 為+5 ～+15V 范圍內(nèi)，我們可以選擇為+10V，因此TL 電平也需轉(zhuǎn)換為RS232 電平，添加MAX232E芯片即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 RS232 通信協(xié)議約定

如果要確保上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信切實(shí)有保障，那么需要自制RS232 通信協(xié)議，約定好其中對(duì)通信有影響的要素，如波特率、停止位、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)等。本文設(shè)計(jì)的RS232 通信協(xié)議主要內(nèi)容如下。

（1）基本通信數(shù)據(jù)格式。首先設(shè)計(jì)基本數(shù)據(jù)項(xiàng)，波特率為115200，數(shù)據(jù)位共8 位，數(shù)字1 是停止位，通過N 進(jìn)行奇偶校驗(yàn)。上位機(jī)要將完整的通信命令按照正確的格式傳到下位機(jī)，保證參數(shù)設(shè)置的準(zhǔn)確性，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，0X55+OXA5 為數(shù)據(jù)開始進(jìn)行收集，下位機(jī)的參數(shù)由7 個(gè)字節(jié)構(gòu)成，整個(gè)字節(jié)部分可以體現(xiàn)整個(gè)數(shù)據(jù)塊的大小，0XCC 為數(shù)據(jù)采集結(jié)束，此命令由上位機(jī)發(fā)給下位機(jī)進(jìn)行執(zhí)行。

（2）采集數(shù)據(jù)格式。下位機(jī)主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的工作，每次收集到數(shù)據(jù)都需要將其傳輸給上位機(jī)，傳輸時(shí)對(duì)格式具有一定的要求，需要按照高字節(jié)+低字節(jié)的形式進(jìn)行，我們可以先按照20S 的時(shí)間間隔進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果有在實(shí)際使用中，不合適，可以按照實(shí)際的需要進(jìn)行調(diào)整，從而保證、提高數(shù)據(jù)采集的效率。

2.2 下位機(jī)單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要包含三方面的內(nèi)容，具體為：（1）數(shù)據(jù)采集功能模塊設(shè)計(jì)，主要應(yīng)用STC 單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，它可以采集到外部多路模擬量的數(shù)據(jù)。（2）RS232 數(shù)據(jù)通信功能模塊設(shè)計(jì)，下位機(jī)接收上位機(jī)的通信命令，下位機(jī)通過查詢功能將上位機(jī)需要的數(shù)據(jù)傳輸回去，此功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是RS232 通信協(xié)議約定。（3）系統(tǒng)主程序功能模塊，標(biāo)志Recflag 由串行中斷接收，查詢并處理標(biāo)志Recflag 為此模塊主要功能。

2.3 上位機(jī)LabVIEW 軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)將數(shù)據(jù)采集命令傳輸給下位機(jī)，下位機(jī)按照指令進(jìn)行執(zhí)行，將指定的數(shù)據(jù)傳回給上位機(jī)，這整個(gè)過程都離不開LabVIEW 軟件的支持，在上位機(jī) LabVIEW 前面板程序中，它的主要功能結(jié)構(gòu)有：（1）串口通信參數(shù)設(shè)置模塊，是上位機(jī)和下位機(jī)進(jìn)行通信的關(guān)鍵，RS232 通信參數(shù)設(shè)置也在此處。（2）下位機(jī)參數(shù)設(shè)置，該模塊主要用于在下達(dá)數(shù)據(jù)采集指定前進(jìn)行的相關(guān)參數(shù)設(shè)置，如果數(shù)據(jù)采集模擬量為4 路，則通道數(shù)需要擴(kuò)展時(shí)，可以將4 路作為基礎(chǔ)，一旦超過限定值就會(huì)出現(xiàn)警報(bào)，則可以根據(jù)警示進(jìn)行處理問題即可。（3）運(yùn)行控制選項(xiàng)，主要是下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集工作的控制，比如開始或終止、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。（4）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，將采集通道處的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的展現(xiàn)，以便了解采集情況。（5）實(shí)時(shí)曲線顯示，將采集通道的數(shù)據(jù)以曲線方式展現(xiàn)出來。

2.3.1 串行通信功能模塊

串行通信需求的集成模塊位于InstrumentI/O＞serial目錄當(dāng)中，此目錄在LabVIEW 功能面板中，串行通信功能模塊可以用于測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，而且非常方便。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，需使用的串行通信模塊包含以下幾種：（1）初 始 化 采 用VISAonfigUreSerialPort 口 令；（2）向VISAresourcename 指定的串行接口處填寫writebuffer字符時(shí)采用VISAwrite；（3） 規(guī)定字節(jié)數(shù)的數(shù)據(jù)在VISAresourcename 指定的串行接口讀取時(shí)采用VISARead；（4）VISAresourcename 指定的串行接口關(guān)閉時(shí)采用VISAClose。

2.3.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理及顯示功能模塊

下位機(jī)開始采集到數(shù)據(jù)后，就需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理的結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)展現(xiàn)，通過波形圖和數(shù)值的形式進(jìn)行多方位的展示。

2.3.3 下位機(jī)參數(shù)設(shè)置功能模塊

進(jìn)行參數(shù)設(shè)置可以通過兩種方法，一種是直接進(jìn)行固定值的輸入，一種是將預(yù)先設(shè)置參數(shù)值，至于選擇什么方法，沒有特定的要求，用戶根據(jù)自己的需要進(jìn)行選擇即可。但是，預(yù)先設(shè)定參數(shù)值法更加便捷，本次設(shè)計(jì)就是使用的這種方法，進(jìn)行參數(shù)值預(yù)先設(shè)定，并非輸入的是具體數(shù)值，而是相應(yīng)的參數(shù)序號(hào)，下位機(jī)可以識(shí)別參與序號(hào)，通過參數(shù)序號(hào)然后進(jìn)行具體數(shù)值的查詢匹配，這種方法可以減少通訊數(shù)據(jù)的整體長(zhǎng)度和大小，使程序更加簡(jiǎn)單，減少了運(yùn)行數(shù)據(jù)，提升了數(shù)據(jù)查詢的效率，這是因?yàn)槿绻O(shè)定值大于255 時(shí)，上位機(jī)需要通過兩個(gè)字節(jié)來進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳完成參數(shù)設(shè)置，依據(jù)HEX 格式，通過索引數(shù)組，然后利用VISAWrite 函數(shù)，向下位機(jī)發(fā)送參數(shù)。

2.3.4 運(yùn)行控制選項(xiàng)功能模塊

該模塊通過事件驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)行控制，運(yùn)用VI 程序進(jìn)行編寫制作。

3 結(jié)語

近幾年來，信息網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，給人們的生產(chǎn)和生活帶來了很大的改變，人們?cè)絹碓蕉嗟仃P(guān)注各類數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用，信息的收集和處理分析越來越重要，因次，各類數(shù)據(jù)收集處理軟件應(yīng)運(yùn)而生。

通過文章設(shè)計(jì)可知，使用單片機(jī)和LabVIEW 進(jìn)行多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠完美地實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信，可以大大地提高軟件開發(fā)的速度，并且節(jié)約了一定的成本，同時(shí)經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、完整，并且顯示界面清晰、美觀，控制能力較強(qiáng)，應(yīng)用前景廣闊，值得在電子計(jì)算機(jī)工業(yè)設(shè)計(jì)中推廣。