夏妍 孫碩

摘要 本文設計多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時，設計思想采用虛擬儀器，在LabVIEW軟件平臺基礎上，以單片機系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集部分，分析了該系統(tǒng)的具體設計過程，旨在為實際設計工作提供參考。

【關鍵詞】單片機 LabVIEW 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 設計

虛擬儀器是一種軟硬件測試平臺，以計算機為基礎，已經廣泛的應用到工業(yè)控制領域。美國國家儀器公司基于虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，推出了LabVIEW，其主要面向的領域為計算機測控領域，集中了圖形開發(fā)、調試及運行功能。多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用LabVIEW設計時，多路信號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)采集板卡的價格比較高，導致開發(fā)成本大，而且開發(fā)周期也比較長。為解決該問題，本文以單片機代替數(shù)據(jù)采集板卡，促進開發(fā)成本降低的同時，提升數(shù)據(jù)采集效率。

1 系統(tǒng)硬件設計

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

通常，上位機并不會較高的要求硬件，選擇普通PC即可，而下位機則對硬件要求較高，因此，本節(jié)主要介紹下位機硬件的設計方法。按照實際需求，下位機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

該模塊由多部分構成，如多路模擬信號傳輸器、數(shù)據(jù)預處理電路。設計信息收集模塊電路時，一般采用兩種方式，一種為信息收集電路利用單獨電子元件構建，另一種為通過系統(tǒng)內部控制器所具備的A/D功能設計。嵌入式系統(tǒng)情況下，根據(jù)其硬件設計理論，本文在進行信息收集模塊電路設計過程中，采用第二種方式，使用現(xiàn)購買的多路模擬信號傳感器。在信號預處理部分，計算放大器電流為其主要使用的，增強原本比較微弱的傳感器信號，使A/D轉換輸入電壓需求得到滿足。

1.2 微型控制器

根據(jù)信息收集模塊的設計方案，結合系統(tǒng)對微型控制器能力的要求，下位機硬件控制中心選擇STC12C5A60S2單片機，原因是此類型單片機以8051內核為基礎建立，并具備機械周期/單時鐘功能，同時，該單片機內部還設置有FLASH、計數(shù)器、定時器、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計要求相符合。

1.3 RS232串行通訊模塊

上位機與下位機之間進行信息通信時，通過RS232串行通信模塊實現(xiàn)。在下位機的單片機中，無論是輸入訊號，或是輸出信號，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：采用負邏輯、高信號與低信號間的變化幅度應非常大，基于此，設計邏輯1電壓范圍時，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設置為-10V、邏輯O設置為+10V[2]。由此一來，TTL電平需要進行轉變，變?yōu)镽S232電平，本文采取的實現(xiàn)此種轉變的方法為添加MAX232E芯片。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 RS232通信協(xié)議約定

上位機要想可靠的、真實的與下位機通信，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)頭標識符等。本文設計過程中，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

波特率設置為115 200，數(shù)據(jù)位共8位，以1作為停止位，奇偶校驗位設置為N。通信命令格式完整情況下，上位機將其發(fā)送給下位機時，按照如下約定進行：上位機把參數(shù)設置發(fā)送給下位機，同時，數(shù)據(jù)采集命令啟動，此命令共包含三方面的內容：

（1）數(shù)據(jù)起始標識符，為OX55+OXA5形式，

（2）下位機設定參數(shù)數(shù)據(jù)塊，字節(jié)共7個，

（3）數(shù)據(jù)結束標識符，為oxcc。

其中，確定第二方面內容的大小時，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。數(shù)據(jù)采集完成后，上位機再把停止數(shù)據(jù)采集命令發(fā)送給下位機，數(shù)據(jù)采集工作完成。

2.1.2 采集數(shù)據(jù)格式

下位機數(shù)據(jù)采集工作完成后，要將其發(fā)送給上位機，發(fā)送時應按照采集數(shù)據(jù)高字節(jié)+低字節(jié)的格式進行。下位機開展數(shù)據(jù)采集工作時，設定20s為時間間隔，實際應用中，可按照實際情況作出相應的修改。

2.2 下位機單片機軟件設計

此部分軟件設計中，工作主要包含三方面：

（1）數(shù)據(jù)采集功能模塊設計，A/D轉換功能為STC單片機的內置功能，通過該項功能，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)通信功能模塊設計，設計工作以RS232通信協(xié)議約定為依據(jù)進行，實現(xiàn)方法采取RS232中斷與查詢結合的方式，設計RS232通信程序時，利用串行中斷法達到接收上位機一幀通信命令的目的，而下位機則通過查詢功能將采集完成的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。

（3）系統(tǒng)主程序功能模塊，標志Recfiag由串行中斷接收，查詢并處理標志Recflag為此模塊主要功能。

2.3 上位機LabVIEW軟件設計

上位機將數(shù)據(jù)采集控制命令發(fā)送給下位機時，主要通過LabVIEW軟件實現(xiàn)，同時，下位機將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機后，上位機也要利用LabVIEW進行接收、顯示等?；诖朔N功能需求，在上位機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)設置模塊：上位機及下位機通信時，RS232通信串口號等參數(shù)設置時利用此部分進行;

（2）下位機參數(shù)設置：數(shù)據(jù)采集命令發(fā)送給下位機前，需進行采集通道號等相關參數(shù)的設置，通過該模塊實現(xiàn)，本系統(tǒng)設計過程中，數(shù)據(jù)采集模擬量設定為5路，輸入通道數(shù)量需要擴展情況下，可以5路為基礎，實施類推，5路報警門限值設定后，數(shù)據(jù)采集時，門限值被超過后，報警現(xiàn)象出現(xiàn)在下位機中，報警方式為聲光，此時，系統(tǒng)管理者即可開展相應的處理：

（3）運行控制選項：功能包含下位機數(shù)據(jù)采集的啟動或停止、數(shù)據(jù)存儲等;

（4）實時數(shù)據(jù)顯示：將某條采集通道實時的數(shù)據(jù)采集情況顯示出來;

（5）實時曲線顯示：以曲線方式顯示實時的某采集通道數(shù)據(jù)。

接下來，本節(jié)即對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，能夠將測控系統(tǒng)方便的設計出來。本系統(tǒng)設計過程中，需使用的串行通信模塊包含以下幾種：

（1）初始化時采用VISA onfigUre SerialPort;

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

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

2.3.2 實時數(shù)據(jù)處理及顯示功能模塊

數(shù)據(jù)從下位機中讀取出來后，由數(shù)據(jù)處理模塊做出相應的處理，已將實時顯示等功能實現(xiàn)。在實時顯示數(shù)據(jù)部分，會以波形圖的方式、數(shù)值的方式顯示出實時的處理后的數(shù)據(jù)。

2.3.3 下位機參數(shù)設置功能模塊

該模塊設置參數(shù)時，方式采用兩種，一種為將設定值直接輸入，一種為參數(shù)值預先設定好，具體采用何種方法，由用戶自行選擇。不過，本系統(tǒng)設計時，設置方式選擇后者，以使用戶的操作更加便利。實際上，參數(shù)值預先設定過程中，并非是具體的參數(shù)值，而是選擇相應的參數(shù)序號，序號發(fā)送到下位機單片機中后，單片機在對應表中查找具體的設定參數(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，并促進程序設計工作簡化，原因是設定值超過255之后，要想將一個參數(shù)設置完成，上位機進行數(shù)據(jù)量上傳時，需要的字節(jié)數(shù)量為2個。對于需設置的全部參數(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)，向下位機發(fā)送參數(shù)。

2.3.4 運行控制選項功能模塊

該模塊實現(xiàn)運行控制選項時，采用的方式為事件驅動，相應VI程序編寫到驅動事件中后，即可實現(xiàn)該模塊的功能。

3 結論

設計多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)過程中，利用LabVIEW平臺及單片機之后，能夠一定程度的簡化設計過程，提高開發(fā)速度，同時，監(jiān)控界面也更加美觀。本文在單片機及LabVIEW基礎上設計的系統(tǒng)經實踐后，結果顯示，上位機與下位機之間可以正常的通信，可實現(xiàn)采集并實時監(jiān)測多路數(shù)據(jù)，具有較為廣闊的應用前景。

參考文獻

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