劉擘，梁哲興

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基于NI虛擬儀器和nRF9E5單片機(jī)的串口通訊

劉擘1，梁哲興2

（1. 海軍駐712所軍代室，武漢 430064；2. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

針對(duì)多通道、長距離的數(shù)據(jù)傳輸，本文采用串口通訊方式，基于NI工控機(jī)和nRF9E5單片機(jī)硬件平臺(tái)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證。

串口通訊 NI虛擬儀器 nRF9E5單片機(jī)

0 引言

單片機(jī)與上位PC機(jī)的通訊方式有并行通訊和串行通訊。與并行通信相比，串行通信速度比較慢，不過由于其硬件連接占用硬件資源較少（只需兩根線），信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)，使得串行通訊應(yīng)用廣泛。

本項(xiàng)目要求實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)檢測通道數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸處理，故采用串行通訊。

串口通訊由硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)兩部分組成。硬件平臺(tái)是由NI虛擬儀器和nRF9E5單片機(jī)組成，其中NI虛擬儀器作為串口通訊的上位機(jī)，nRF9E5單片機(jī)作為串口通訊的下位機(jī)。

1 硬件平臺(tái)

1.1 nRF9E5單片機(jī)

nRF9E5單片機(jī)是系統(tǒng)級(jí)無線射頻收發(fā)芯片，內(nèi)嵌高性能8051MCU，4通道12位ADC信號(hào)采集。內(nèi)置nRF905收發(fā)器，包括所有nRF905芯片特性，可以工作在shockburstTM模式下（自動(dòng)處理前綴，地址和CRC），最大程度的抑制了噪聲，工作電壓范圍為1.9～3.6 V。

其原理框圖如下圖所示。

1.2 NI虛擬儀器

所謂虛擬儀器，是以PC機(jī)為基礎(chǔ)，配以相應(yīng)測試功能的硬件作為信號(hào)輸入/輸出的接口，完成信號(hào)的采集、測量與調(diào)理，從而實(shí)現(xiàn)各種測試功能的一種計(jì)算機(jī)化儀器系統(tǒng)。

NI虛擬儀器由通用儀器硬件平臺(tái)和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成，如圖2所示。

通用儀器硬件平臺(tái)是虛擬儀器工作的基礎(chǔ)，主要由PC機(jī)和信號(hào)采集調(diào)理裝置組成，用于完成輸入信號(hào)的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換和信號(hào)輸出控制等，其中PC機(jī)用來提供實(shí)時(shí)高效的數(shù)據(jù)處理性能，信號(hào)采集調(diào)理裝置主要用來采集、傳輸信號(hào)，本項(xiàng)目采用性價(jià)比高、通用性強(qiáng)的PXI系統(tǒng)，PXI系統(tǒng)主機(jī)為NI PXI 1042，數(shù)據(jù)采集設(shè)備選用了一塊PXI 6229多功能數(shù)據(jù)采集卡，它有32路16 Bit模擬量采集口和48路雙向數(shù)字量接口，最大采樣率為240 kS。

應(yīng)用軟件是虛擬儀器的核心，虛擬儀器可以在相同的硬件平臺(tái)下，通過不同的測試功能軟件模塊的組合，實(shí)現(xiàn)功能完全不同的各種儀器。目前應(yīng)用最為廣泛的虛擬儀器軟件開發(fā)工具就是美國NI公司推出的實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)LabVIEW，它是一種基于G語言的32位編譯型圖形化編程語言，它采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)思想，提高了編程效率，增強(qiáng)了軟件的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

NI虛擬儀器具備GPIB，串口，以太網(wǎng)，USB等多種接口，可實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)的采集、分析處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2 軟件平臺(tái)

nRF9E5單片機(jī)內(nèi)嵌8051系列微控制器，可在Keil C51調(diào)試軟件平臺(tái)上用C語言編程，編譯完成后通過仿真器將程序下載到單片機(jī)ROM中。

NI虛擬儀器軟件采用Labview 8.2版本，進(jìn)行圖形化程序編輯處理。

3 設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.1 工作原理及方式

由于nRF9E5單片機(jī)具有無線收發(fā)功能，所以在本項(xiàng)目中，由1個(gè)nRF9E5單片機(jī)作為通訊管理單元，其他每個(gè)nRF9E5單片機(jī)作為單個(gè)信號(hào)檢測通道，共計(jì)16個(gè)通道。通訊管理單元與NI虛擬儀器采用串口通訊方式，與16個(gè)信號(hào)檢測通道采用無線通訊方式，在本文中，主要論述的是通訊管理單元與NI虛擬儀器的串口通訊。原理如圖3。

通訊采用被動(dòng)方式，即通訊管理單元不會(huì)主動(dòng)向NI虛擬儀器傳送數(shù)據(jù)，必須由NI虛擬儀器向通訊管理單元發(fā)出讀寫指令，通訊管理單元才會(huì)做出相應(yīng)的反應(yīng)。

NI虛擬儀器與通訊管理單元進(jìn)行串口通訊，通訊采用輪流查詢等方式，每路無線收發(fā)單元的地址都不相同。根據(jù)需要，無線收發(fā)單元的地址用三個(gè)ASCII字符表示，地址范圍從000～015，即可有16路單片機(jī)通過通訊管理單元與上位機(jī)進(jìn)行串口通訊。通訊管理單元與上位機(jī)應(yīng)設(shè)置相同的通訊速率，在此設(shè)定為19 200 bit/s。

3.2 軟件設(shè)計(jì)框圖

下位機(jī)和上位機(jī)的程序流程框圖如圖4和圖5所示。

上位機(jī)每向單片機(jī)發(fā)一指令，單片機(jī)在0～500 ms內(nèi)做出應(yīng)答，而上位機(jī)也必須等單片機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)后，才能發(fā)新的指令，上位機(jī)接收轉(zhuǎn)發(fā)送應(yīng)至少延時(shí)10 ms。如果單片機(jī)超過最大響應(yīng)時(shí)間仍沒有應(yīng)答，或應(yīng)答數(shù)據(jù)不齊，則原因可能無效指令、通訊線路故障，單片機(jī)沒有開機(jī)，通訊地址錯(cuò)誤等。

上位機(jī)發(fā)出寫數(shù)據(jù)指令后，如果單片機(jī)返回“NAK”，可能是數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，也可能是上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)無效，單片機(jī)不能接收此數(shù)據(jù)。

3.3 程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)發(fā)送命令和接收數(shù)據(jù)的程序。

對(duì)于讀采集通道的數(shù)據(jù)操作，上位機(jī)首先向單片機(jī)發(fā)送讀數(shù)據(jù)的命令。單片機(jī)接收到指令后，首先進(jìn)行校驗(yàn)，若不正確則進(jìn)行相應(yīng)處理，若正確則判別上位機(jī)讀數(shù)據(jù)的地址是否和該單片機(jī)的地址相同，相同則發(fā)送數(shù)據(jù)，不同則輪詢。當(dāng)上位機(jī)接收到這組數(shù)據(jù)后，上位機(jī)就把該組數(shù)據(jù)和發(fā)送給單片機(jī)的數(shù)據(jù)作比較，如果兩者一致，上位機(jī)開始準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)串。數(shù)據(jù)串的個(gè)數(shù)，單片機(jī)在返回上位機(jī)的命令后會(huì)跟著一個(gè)關(guān)于數(shù)據(jù)量的字符，將該字符轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后就是數(shù)據(jù)串的大小。若比較結(jié)果不一致，上位機(jī)則會(huì)采取措施將錯(cuò)誤的代碼進(jìn)行保存，供操作者識(shí)別。

4 結(jié)語

串口通訊連續(xù)運(yùn)行15小時(shí)，沒有出現(xiàn)通訊錯(cuò)誤。通訊錯(cuò)誤在程序設(shè)計(jì)中分為兩大類：一類是發(fā)送和接收數(shù)據(jù)長度一致，但在通訊過程中由于某些因素出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致；另一類是發(fā)送和接收數(shù)據(jù)長度不一致，或者是接收不到數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象），原因可能是通訊暫時(shí)中斷或其它。這兩類錯(cuò)誤在程序設(shè)計(jì)中分別用不同代碼表示。通訊錯(cuò)誤與正確數(shù)據(jù)一樣，都保存在同一文件，且通訊錯(cuò)誤的出現(xiàn)不會(huì)影響程序的正常運(yùn)行。

模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，通訊管理單元與NI虛擬儀器的串口通訊設(shè)計(jì)是正確的。

[1] nRF9E5中文手冊2006版. 迅通科技.

[2] 陳興華, 梁哲興, 陳樹衡. 虛擬儀器及其應(yīng)用. 船電技術(shù)，2006（增刊）.

Serial Communication Based on NI Virtual Instrument and nRF9E5 Single Chip Microcontroller

Liu Bo1, Liang Zhexing2

(1. Naval representatives Office in 712th Institute, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China

TN915

A

1003-4862（2013）12-0052-03

2013-07-18

劉擘(1980-),男，工程師。研究方向：通訊工程。