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

夏妍 孫碩

摘要 本文設(shè)計(jì)多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)思想采用虛擬儀器，在LabVIEW軟件平臺(tái)基礎(chǔ)上，以單片機(jī)系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集部分，分析了該系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)過程，旨在為實(shí)際設(shè)計(jì)工作提供參考。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī) LabVIEW 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 設(shè)計(jì)

虛擬儀器是一種軟硬件測(cè)試平臺(tái)，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域。美國國家儀器公司基于虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)，推出了LabVIEW，其主要面向的領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域，集中了圖形開發(fā)、調(diào)試及運(yùn)行功能。多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用LabVIEW設(shè)計(jì)時(shí)，多路信號(hào)的模擬采集通常利用NI公司的數(shù)據(jù)采集板卡，但數(shù)據(jù)采集板卡的價(jià)格比較高，導(dǎo)致開發(fā)成本大，而且開發(fā)周期也比較長。為解決該問題，本文以單片機(jī)代替數(shù)據(jù)采集板卡，促進(jìn)開發(fā)成本降低的同時(shí)，提升數(shù)據(jù)采集效率。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)過程中，系統(tǒng)構(gòu)成包含兩部分，一部分為上位機(jī)，采用LabVIEW;另一部分為下位機(jī)，單片機(jī)即設(shè)置在此部分中，系統(tǒng)原理圖見圖1。

通常，上位機(jī)并不會(huì)較高的要求硬件，選擇普通PC即可，而下位機(jī)則對(duì)硬件要求較高，因此，本節(jié)主要介紹下位機(jī)硬件的設(shè)計(jì)方法。按照實(shí)際需求，下位機(jī)功能模塊主要包含三部分，分別為信息收集模塊、微型控制器、RS232串行通訊模塊。

1.1 信息收集模塊

該模塊由多部分構(gòu)成，如多路模擬信號(hào)傳輸器、數(shù)據(jù)預(yù)處理電路。設(shè)計(jì)信息收集模塊電路時(shí)，一般采用兩種方式，一種為信息收集電路利用單獨(dú)電子元件構(gòu)建，另一種為通過系統(tǒng)內(nèi)部控制器所具備的A/D功能設(shè)計(jì)。嵌入式系統(tǒng)情況下，根據(jù)其硬件設(shè)計(jì)理論，本文在進(jìn)行信息收集模塊電路設(shè)計(jì)過程中，采用第二種方式，使用現(xiàn)購買的多路模擬信號(hào)傳感器。在信號(hào)預(yù)處理部分，計(jì)算放大器電流為其主要使用的，增強(qiáng)原本比較微弱的傳感器信號(hào)，使A/D轉(zhuǎn)換輸入電壓需求得到滿足。

1.2 微型控制器

根據(jù)信息收集模塊的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合系統(tǒng)對(duì)微型控制器能力的要求，下位機(jī)硬件控制中心選擇STC12C5A60S2單片機(jī)，原因是此類型單片機(jī)以8051內(nèi)核為基礎(chǔ)建立，并具備機(jī)械周期/單時(shí)鐘功能，同時(shí)，該單片機(jī)內(nèi)部還設(shè)置有FLASH、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、SRAM等，可將信息收集、控制期間的功能要求有效滿足，并與微型控制器的設(shè)計(jì)要求相符合。

1.3 RS232串行通訊模塊

上位機(jī)與下位機(jī)之間進(jìn)行信息通信時(shí)，通過RS232串行通信模塊實(shí)現(xiàn)。在下位機(jī)的單片機(jī)中，無論是輸入訊號(hào)，或是輸出信號(hào)，電平均為TTL，邏輯1、邏輯0均分別約為3.8V、0.4V。以串行接口協(xié)議為依據(jù)，RS232具有如下特征：采用負(fù)邏輯、高信號(hào)與低信號(hào)間的變化幅度應(yīng)非常大，基于此，設(shè)計(jì)邏輯1電壓范圍時(shí)，選擇-15—-5V，而邏輯O的電壓范圍則選擇+5～_15V，一般來說，邏輯1設(shè)置為-10V、邏輯O設(shè)置為+10V[2]。由此一來，TTL電平需要進(jìn)行轉(zhuǎn)變，變?yōu)镽S232電平，本文采取的實(shí)現(xiàn)此種轉(zhuǎn)變的方法為添加MAX232E芯片。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 RS232通信協(xié)議約定

上位機(jī)要想可靠的、真實(shí)的與下位機(jī)通信，RS232通信協(xié)議必須要自制定。在RS232通信協(xié)議中，包含的約定內(nèi)容比較多，如波特率、停止位、數(shù)據(jù)格式定義、數(shù)據(jù)頭標(biāo)識(shí)符等。本文設(shè)計(jì)過程中，RS232通信協(xié)議包含幾下幾方面約定：

2.1.1 基本通信數(shù)據(jù)格式

波特率設(shè)置為115 200，數(shù)據(jù)位共8位，以1作為停止位，奇偶校驗(yàn)位設(shè)置為N。通信命令格式完整情況下，上位機(jī)將其發(fā)送給下位機(jī)時(shí)，按照如下約定進(jìn)行：上位機(jī)把參數(shù)設(shè)置發(fā)送給下位機(jī)，同時(shí)，數(shù)據(jù)采集命令啟動(dòng)，此命令共包含三方面的內(nèi)容：

（1）數(shù)據(jù)起始標(biāo)識(shí)符，為OX55+OXA5形式，

（2）下位機(jī)設(shè)定參數(shù)數(shù)據(jù)塊，字節(jié)共7個(gè)，

（3）數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)識(shí)符，為oxcc。

其中，確定第二方面內(nèi)容的大小時(shí)，可以系統(tǒng)自定義的數(shù)據(jù)塊大小為依據(jù)，本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)塊自定義為7塊，因此其字節(jié)也為7個(gè)。數(shù)據(jù)采集完成后，上位機(jī)再把停止數(shù)據(jù)采集命令發(fā)送給下位機(jī)，數(shù)據(jù)采集工作完成。

2.1.2 采集數(shù)據(jù)格式

下位機(jī)數(shù)據(jù)采集工作完成后，要將其發(fā)送給上位機(jī)，發(fā)送時(shí)應(yīng)按照采集數(shù)據(jù)高字節(jié)+低字節(jié)的格式進(jìn)行。下位機(jī)開展數(shù)據(jù)采集工作時(shí)，設(shè)定20s為時(shí)間間隔，實(shí)際應(yīng)用中，可按照實(shí)際情況作出相應(yīng)的修改。

2.2 下位機(jī)單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

此部分軟件設(shè)計(jì)中，工作主要包含三方面：

（1）數(shù)據(jù)采集功能模塊設(shè)計(jì)，A/D轉(zhuǎn)換功能為STC單片機(jī)的內(nèi)置功能，通過該項(xiàng)功能，數(shù)據(jù)采集功能模塊采集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)，設(shè)計(jì)工作以RS232通信協(xié)議約定為依據(jù)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)方法采取RS232中斷與查詢結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)RS232通信程序時(shí)，利用串行中斷法達(dá)到接收上位機(jī)一幀通信命令的目的，而下位機(jī)則通過查詢功能將采集完成的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。

（3）系統(tǒng)主程序功能模塊，標(biāo)志Recfiag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)采集控制命令發(fā)送給下位機(jī)時(shí)，主要通過LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，下位機(jī)將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)后，上位機(jī)也要利用LabVIEW進(jìn)行接收、顯示等?；诖朔N功能需求，在上位機(jī)LabVIEW前面板程序（見圖2）中，主要包含以下幾方面：

（1）串口通信參數(shù)設(shè)置模塊：上位機(jī)及下位機(jī)通信時(shí)，RS232通信串口號(hào)等參數(shù)設(shè)置時(shí)利用此部分進(jìn)行;

（2）下位機(jī)參數(shù)設(shè)置：數(shù)據(jù)采集命令發(fā)送給下位機(jī)前，需進(jìn)行采集通道號(hào)等相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，通過該模塊實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，數(shù)據(jù)采集模擬量設(shè)定為5路，輸入通道數(shù)量需要擴(kuò)展情況下，可以5路為基礎(chǔ)，實(shí)施類推，5路報(bào)警門限值設(shè)定后，數(shù)據(jù)采集時(shí)，門限值被超過后，報(bào)警現(xiàn)象出現(xiàn)在下位機(jī)中，報(bào)警方式為聲光，此時(shí)，系統(tǒng)管理者即可開展相應(yīng)的處理：

（3）運(yùn)行控制選項(xiàng)：功能包含下位機(jī)數(shù)據(jù)采集的啟動(dòng)或停止、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等;

（4）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示：將某條采集通道實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集情況顯示出來;

（5）實(shí)時(shí)曲線顯示：以曲線方式顯示實(shí)時(shí)的某采集通道數(shù)據(jù)。

接下來，本節(jié)即對(duì)上述各部分做具體的介紹。

2.3.1 串行通信功能模塊

Instrument I/O>serial目錄位于LabVIEW功能面板中，可滿足串行通信需求的集成模塊則包含在此目錄中，通過該模塊，能夠?qū)y(cè)控系統(tǒng)方便的設(shè)計(jì)出來。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）初始化時(shí)采用VISA onfigUre SerialPort;

（2）向VISA resource name指定的串行接口寫入write buffer字符時(shí)采用VISA write;

（3）規(guī)定字節(jié)數(shù)的數(shù)據(jù)在VISA resourcename指定的串行接口讀取時(shí)采用VISARead;

（4） VISA resource name指定的串行接口關(guān)閉時(shí)采用VISA Close。

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

數(shù)據(jù)從下位機(jī)中讀取出來后，由數(shù)據(jù)處理模塊做出相應(yīng)的處理，已將實(shí)時(shí)顯示等功能實(shí)現(xiàn)。在實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)部分，會(huì)以波形圖的方式、數(shù)值的方式顯示出實(shí)時(shí)的處理后的數(shù)據(jù)。

2.3.3 下位機(jī)參數(shù)設(shè)置功能模塊

該模塊設(shè)置參數(shù)時(shí)，方式采用兩種，一種為將設(shè)定值直接輸入，一種為參數(shù)值預(yù)先設(shè)定好，具體采用何種方法，由用戶自行選擇。不過，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)置方式選擇后者，以使用戶的操作更加便利。實(shí)際上，參數(shù)值預(yù)先設(shè)定過程中，并非是具體的參數(shù)值，而是選擇相應(yīng)的參數(shù)序號(hào)，序號(hào)發(fā)送到下位機(jī)單片機(jī)中后，單片機(jī)在對(duì)應(yīng)表中查找具體的設(shè)定參數(shù)值。此種方法有利于將通信數(shù)據(jù)長度減少，使數(shù)據(jù)通訊速度提高，并促進(jìn)程序設(shè)計(jì)工作簡化，原因是設(shè)定值超過255之后，要想將一個(gè)參數(shù)設(shè)置完成，上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)量上傳時(shí)，需要的字節(jié)數(shù)量為2個(gè)。對(duì)于需設(shè)置的全部參數(shù)，依據(jù)HEX格式，該模塊將其都放置到索引數(shù)組，之后利用VISA Write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

該模塊實(shí)現(xiàn)運(yùn)行控制選項(xiàng)時(shí)，采用的方式為事件驅(qū)動(dòng)，相應(yīng)VI程序編寫到驅(qū)動(dòng)事件中后，即可實(shí)現(xiàn)該模塊的功能。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)過程中，利用LabVIEW平臺(tái)及單片機(jī)之后，能夠一定程度的簡化設(shè)計(jì)過程，提高開發(fā)速度，同時(shí)，監(jiān)控界面也更加美觀。本文在單片機(jī)及LabVIEW基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的系統(tǒng)經(jīng)實(shí)踐后，結(jié)果顯示，上位機(jī)與下位機(jī)之間可以正常的通信，可實(shí)現(xiàn)采集并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多路數(shù)據(jù)，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

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