姜帥琦

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江蘇 南京 210031）

0 引言

Labview軟件簡(jiǎn)介：

本設(shè)計(jì)采用Labview軟件進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。Labview是美國(guó)NI公司的一種基于G語(yǔ)言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。它的顯著特點(diǎn)是：采用簡(jiǎn)單易學(xué)的圖形化編程，提供眾多的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和可供用戶直接調(diào)用且功能強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)和Windows動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)多線程編程等高級(jí)功能。并提供靈活的程序調(diào)試手段，既可以設(shè)置斷點(diǎn)又可以設(shè)置探針，在程序運(yùn)行中觀察數(shù)據(jù)流的變化。

Labview編寫的程序叫虛擬儀器程序，包括軟面板設(shè)計(jì)和流程圖設(shè)計(jì)2部分。軟面板代替常規(guī)儀器的控制面板，一般由開關(guān)、旋鈕、表頭、顯示器和其他部件組成。儀器流程圖的設(shè)計(jì)，是根據(jù)儀器功能的要求，利用虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)提供的子模板，確定程序的流程圖、主要處理算法和所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方法。流程圖與每個(gè)儀器的前面板對(duì)應(yīng)，用戶能夠通過前面板，用鼠標(biāo)或控件操作儀器。

Labview具有功能強(qiáng)大的函數(shù)模塊庫(kù)，特別適用于測(cè)試和控制系統(tǒng)的開發(fā)。結(jié)合NI的硬件模塊，能夠方便的進(jìn)行采集和分析相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)。考慮到儀表整體功能測(cè)試和模塊功能測(cè)試的需要，整個(gè)系統(tǒng)主要包括界面模塊和各個(gè)功能測(cè)試模塊。根據(jù)信號(hào)類型將儀表功能測(cè)試分為：車速表測(cè)試模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表測(cè)試模塊、燃油表測(cè)試模塊、水溫表測(cè)試模塊等主要功能模塊。

1 Labview串口通信

程序設(shè)計(jì)主要由兩部分組成：上位機(jī)程序設(shè)計(jì)和下位機(jī)程序設(shè)計(jì)，而在編寫雙方通信程序之前，必須先定義好雙方的通信協(xié)議，采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸方法，這樣才能保證數(shù)據(jù)的可靠性。

串行通信是一種常用的數(shù)據(jù)傳輸方法，雖然它的傳輸速度慢，但由于它占用的通信線路少、成本低、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)通信方式上仍占有重要地位。目前，串口通信程序的開發(fā)，在Windows操作系統(tǒng)下一般用VB、VC、VF Delphi等許多高級(jí)語(yǔ)言編寫。當(dāng)用VB、VC、VF，開發(fā)串行通信程序時(shí)，開發(fā)人員不得不面對(duì)非常煩瑣的API函數(shù)編程；用文本語(yǔ)言編串口通信程序較為復(fù)雜,花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)。所以在主機(jī)通信程序設(shè)計(jì)中,我們采用LabVIEW圖形化語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言,它把高級(jí)語(yǔ)言中的函數(shù)封裝為圖形功能模塊,圖標(biāo)間的連線表示各個(gè)功能模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞。編程方式簡(jiǎn)單、直觀、便于使用。串口通信功能模塊包括串口初始化模塊、串口讀模塊以及串口寫模塊,通過這些模塊就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的控制。

2 VISA串行通信基本功能模塊介紹

VISA的調(diào)用流程如圖1所示。通過對(duì)VISA節(jié)點(diǎn)的調(diào)用,可以方便、快速地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

在LabVIEW功能模板的Function ＞＞InstrumentI/O ＞＞VISA 程序庫(kù)中包含進(jìn)行串行通信操作的一些功能模塊:

2.1 VISA Configure Serial Port節(jié)點(diǎn)

圖1

該節(jié)點(diǎn)主要用于串口的初始化，在利用計(jì)算機(jī)控制串口儀器設(shè)備時(shí)，會(huì)經(jīng)常用到這個(gè)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行串行通信前，首先要配置好串口，即先初始化串口，使計(jì)算串口的各種參數(shù)設(shè)計(jì)與儀器設(shè)備的串口保持一致，這樣才能正確的通信。它的主要參數(shù)意義如下：

VISA resource name：VISA資源名稱，本文指串口號(hào)。

baud rate：波特率，默認(rèn)為 9600。

data bits：一幀信息中的位數(shù)，LabVIEW中允許5-8位數(shù)據(jù)，默認(rèn)值為8位。

stop bits：一幀信息中的停止位的位數(shù)，可為1位、1位半或2位。

Parity：奇偶校驗(yàn)設(shè)置?？蔀闊o校驗(yàn)、奇校驗(yàn)或偶校驗(yàn)。

flow control：該參數(shù)數(shù)據(jù)類型為簇，用于串行通訊中的握手方式。

2.2 VISA Read 節(jié)點(diǎn)

V該節(jié)點(diǎn)為串口讀子VI，為本文中的主要節(jié)點(diǎn)，將串口中的數(shù)據(jù)讀出，然后利用LabVIEW的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理功能對(duì)其進(jìn)行分析處理。主要參數(shù)意義如下：

ISA resource name：VISA資源名稱，本文指串口號(hào)。

byte count：用于設(shè)置所要讀的字符數(shù)。由于LabVIEW的串行通訊子V1只允許對(duì)字符串的讀寫，因此本文中在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，必須要實(shí)現(xiàn)字符串與數(shù)字之間的正確轉(zhuǎn)換。此外，若要讀入當(dāng)前串口中的所有字符，則要執(zhí)行“VISA Sytes at Serial Port”子VI，用以確定將要讀入的確切的字節(jié)數(shù)，然后將其輸出作為VISARead節(jié)點(diǎn)的輸入即可。

2.3 VISA Write 節(jié)點(diǎn)（如圖 2）

圖2

VISA Write節(jié)點(diǎn)的功能是向VISA resource name所代表的儀器或接口寫入信息。輸入?yún)?shù)VISA resource name是VISA Open函數(shù)所返回的，或者“流過”其他VISA函數(shù)的，包含了會(huì)話信息的VISA資源名；write buffer為字符串類型的寫入數(shù)據(jù)，輸出參數(shù)dup VISA resource name為輸入?yún)?shù)VISA resource name的一個(gè)備份，可用于后繼的VISA函數(shù)調(diào)用。整型輸出參數(shù)return count返回實(shí)際寫入數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。

2.4 VISA Close 節(jié)點(diǎn)（如圖 3）

圖3

主要參數(shù)：

VISA resource name：VISA資源名稱，本文指串口號(hào)。

本文所用LabVIEW串口通訊程序的波特率為96O0，無奇偶校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，禁止軟、硬件握手。

該節(jié)點(diǎn)用于將打開的VISA資源關(guān)閉，VISA resource name輸入?yún)?shù)為包含會(huì)話信息的資源名。該函數(shù)關(guān)閉VISA會(huì)話，并釋放與之關(guān)聯(lián)的所有資源。

2.5 VISA Open 節(jié)點(diǎn)

該函數(shù)功能為打開一個(gè)與VISA resource name所代表儀器資源的會(huì)話。會(huì)話是VISA resource name參數(shù)本身隱含攜帶的儀器訪問邏輯標(biāo)識(shí)，可以同時(shí)存在對(duì)一個(gè)VISA資源的多個(gè)訪問會(huì)話。在調(diào)用VISA Open之前VISA resource name參數(shù)僅僅是一個(gè)資源描述字符串，在函數(shù)調(diào)用之后，輸出參數(shù)VISA resource name已經(jīng)攜帶了會(huì)話信息，可以用于后繼的VISA操作。輸入?yún)?shù)為包含會(huì)話信息的資源名。

當(dāng)完成VISA資源的搜索后，對(duì)于搜索到的VISA資源，可以通過VISA Open節(jié)點(diǎn)打開，建立計(jì)算機(jī)與這些VISA資源之間的通信管道。

3 VISA設(shè)計(jì)方法

3.1 Labview串口開發(fā)過程

在Labview環(huán)境中使用串口與在其它開發(fā)環(huán)境中開發(fā)過程類似，基本的流程框如圖4：

圖4

首先需要調(diào)用VISA Configure Serial Port完成串口參數(shù)的設(shè)置,包括所用串口號(hào)、比特率、一幀信息中有效數(shù)據(jù)的位數(shù)、停止位、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)流量控制等，如下圖5：

圖5

如果初始化沒有問題,就可以使用這個(gè)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

發(fā)送數(shù)據(jù)使用VISA Write,接收數(shù)據(jù)使用VISARead。如果VISA Read要讀取的字節(jié)數(shù)大于緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù),VISA Read操作將一直等待,直至Timeout或者緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)達(dá)到要求的字節(jié)數(shù)。

在某些特殊情況下,需要設(shè)置串口接收/發(fā)送緩沖區(qū)的大小,此時(shí)可以使用VISA Set I/O BufferSize;而使用VISA Flush I/O Buffer則可以清空接收與發(fā)送緩沖區(qū)。在串口使用結(jié)束后,使用VISA Close結(jié)束與VISAResource Name指定的串口之間的會(huì)話。

3.2 VISA屬性設(shè)置及串口實(shí)現(xiàn)

首先完成串口的初始化,在此設(shè)置波特率為9600b/s,8位數(shù)據(jù)位,1位停止位,無奇偶校驗(yàn);其次設(shè)置Write/Read等相應(yīng)模塊的功能。

由于硬件在整個(gè)工作期間,以9600bit/s的速率連續(xù)向外發(fā)送數(shù)據(jù),為了數(shù)據(jù)處理方便,可以采用LabVIEW8.6中的Serial Read With Time-out.vi模塊,以保證每次從串口緩存中讀出等量偶數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)。

4 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

本文中所做的研究需要將實(shí)際采集到的方程式賽車的各種儀表信息存儲(chǔ)到單片機(jī)中，由單片機(jī)提供數(shù)據(jù)給上位機(jī)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示，再通過PC機(jī)的RS-232串行接口與外部設(shè)備進(jìn)行通信,因此需要實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和單片機(jī)之間的通信。本文將論述在Labview環(huán)境下PC機(jī)與AT89S52單片機(jī)之間實(shí)現(xiàn)串行通信的方案。

4.1 系統(tǒng)工作流程

下位機(jī)的程序包括數(shù)據(jù)采集模塊和串口通信的數(shù)據(jù)傳輸模塊，數(shù)據(jù)采集模塊首先進(jìn)行初始化，通過單片機(jī)控制A/D轉(zhuǎn)換模塊數(shù)據(jù)采集功能，A/D模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后發(fā)出中斷，單片機(jī)將傳輸AD模塊采集的信號(hào)到緩沖區(qū)。串口數(shù)據(jù)傳輸模塊在串口通信之前，對(duì)串口進(jìn)行初始化，主要包括串口波特率，數(shù)據(jù)格式，接收中斷的設(shè)置[18]。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給下位機(jī)，會(huì)引起單片機(jī)接收中斷，此時(shí)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，單片機(jī)接收數(shù)據(jù)，比較校驗(yàn)和，如果相同，發(fā)指令給PC機(jī)確認(rèn)，最后將采集到的數(shù)據(jù)通過RS-232串行接口傳送到PC機(jī)。

4.2 按鍵子程序流程圖

鍵盤掃描查詢子程序，是提供人機(jī)信息交換的接口。由于采用掃描法，是利用CPU在完成其他工作之余，反復(fù)掃描查詢鍵盤接口，根據(jù)端口的輸入情況，調(diào)用不同的按鍵處理子程序。當(dāng)按鍵按下時(shí)，利用軟件延時(shí)去抖動(dòng)，然后掃描按鍵位置，讀取準(zhǔn)確數(shù)值，最后完成一次按鍵處理。

4.3 顯示子程序流程圖

當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位選通COM端電路的控制，所以只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為1～5ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感。顯示子程序流程圖如圖6所示。

圖6

4.4 數(shù)據(jù)采集程序的實(shí)現(xiàn)

單片機(jī)程序用A/D模塊進(jìn)行采集傳感器的值，然后用SCI口將采集的值發(fā)給PC機(jī)。

A/D轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)介：

在過程控制和儀器儀表中，多由計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，計(jì)算機(jī)所加工的信息總是數(shù)字量，而被檢測(cè)的對(duì)象卻往往是一些連續(xù)變化的模擬量（如溫度、壓力、速度和流量等），因此需要將模擬量轉(zhuǎn)化成為數(shù)字量，以便在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行運(yùn)算處理，此過程稱為模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換。進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，需要了解以下的基本問題：

1）采樣精度

采樣精度就是指數(shù)字量變化一個(gè)最小量是模擬信號(hào)的變化量，即通常所說的采樣位數(shù)。設(shè)采樣位數(shù)為N，則最小的能檢測(cè)到的模擬量變化值為1/2N。如圖7所示：

圖7

2）采樣速率

采樣速率是指完成一次A/D采樣所要花費(fèi)的時(shí)間。速率和所選器件的工作頻率有很大關(guān)系。

3）濾波

為了使采樣的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，必須對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選去掉誤差較大的數(shù)據(jù)。通常采用中值濾波和均值濾波來提高采樣精度。中值濾波是取3次采樣的中間值，均值濾波是取多次采樣的算術(shù)平均值。

4）物理量回歸

在實(shí)際應(yīng)用中，得到穩(wěn)定的A/D采樣值后，還需要把A/D采樣值與實(shí)際物理量對(duì)應(yīng)起來。A/D轉(zhuǎn)換的目的是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，供計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，但必須知道A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值所代表的實(shí)際物理量的值，這樣才有實(shí)際意義。

5 虛擬儀表程序

5.1 主程序

5.2 宏定義程序

6 總結(jié)

采用NI的Labview軟件系統(tǒng)，使得我們建立起一套虛擬儀表平臺(tái)，通過該系統(tǒng)可以快速準(zhǔn)確的獲得各項(xiàng)數(shù)據(jù)，為我們后續(xù)賽車電子產(chǎn)品的研發(fā)積累了測(cè)試經(jīng)驗(yàn)。虛擬數(shù)字式賽車儀表的應(yīng)用，使儀表的讀數(shù)更加清晰和直觀、信息量更大、智能化程度更高、功耗低及開發(fā)周期短，可用于日常學(xué)科研究中。通過對(duì)Labview的綜合應(yīng)用及與單片機(jī)的相結(jié)合，使方程式賽車的虛擬儀表設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)化快速，Labview也為方程式賽車的其他設(shè)計(jì)提供了更好的平臺(tái)。