林奕林，蔡文祥

（南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京210094）

LABVIEW是美國國家儀器（NI）公司開發(fā)的一款圖形化編程語言（G語言），該語言采樣數(shù)據(jù)流和可視化編程方式編程，同時封裝了基礎(chǔ)功能[1-5]。LABVIEW把編程人員從繁重的代碼編輯中解放出來，專注于編程方法和編程結(jié)構(gòu)的設(shè)計。利用LABVIEW DAQmax測試人員不需要太多的學(xué)習(xí)，很快便能寫出一個簡易的采集軟件用于簡易測試。通過深入學(xué)習(xí)和理解LABVIEW編程思維，工程測試人員便能編輯出適用于工程測試的性能良好的采集軟件[6-9]。

近些年，國內(nèi)外有很多文獻研究，都使用LABVIEW用于各種測試、控制和嵌入式等領(lǐng)域[10-13]。

1 總體框架設(shè)計

無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機設(shè)計框架如圖1所示。

“生產(chǎn)者消-費者循環(huán)”是LABVIEW中的一種高效的編程模式，在While循環(huán)中加入事件結(jié)構(gòu)，用于接收和發(fā)送用戶事件，組成生產(chǎn)者循環(huán)；在While循環(huán)中加入條件結(jié)構(gòu)，用于處理用戶命令，組成消費者循環(huán)。生產(chǎn)者和消費者之間，使用隊列傳輸數(shù)據(jù)。上位機設(shè)計框架使用自定義數(shù)據(jù)類型作為隊列的傳輸數(shù)據(jù)類型，該自定義類型使用簇，包裝枚舉命令、枚舉的控制模塊和變體數(shù)據(jù)。使用自定義類型，可以大大減少后期修改程序的困難，只需對自定義類型做出修改，而不必對所有使用到該自定義的地方都做出修改。枚舉的命令，能夠使得消費者循環(huán)的條件選擇結(jié)構(gòu)的分支具有固定的數(shù)量，使不確定錯誤發(fā)生的幾率大大減少。枚舉的控制模塊，能夠使得程序能控制多個下位機模塊的同時，大大簡化分支。

該上位機設(shè)計模式，不僅在經(jīng)典的“生產(chǎn)者-消費者”循環(huán)上，使用自定義類型作為數(shù)據(jù)傳輸類型。還添加了用戶事件，當(dāng)用戶通過彈出框選擇退出程序的時候，消費者循環(huán)里便會將“用戶退出”送人隊列，使消費者循環(huán)進入“用戶退出”分支?！坝脩敉顺觥狈种Мa(chǎn)生用戶事件并退出消費者循環(huán)，用戶事件會觸發(fā)事件結(jié)構(gòu)，退出生產(chǎn)者循環(huán)。用戶事件的加入，使得該上位機的“生產(chǎn)者-消費者“循環(huán)的退出更加穩(wěn)定。該模式的用戶事件，使用了枚舉變量，作為生產(chǎn)者循環(huán)的數(shù)據(jù)類型，同時也是生產(chǎn)者循環(huán)的一個移位寄存器數(shù)據(jù)類型。移位寄存器能夠保存上一次或者幾次循環(huán)的數(shù)據(jù)，使用它能夠確定采集系統(tǒng)處于何種工作狀態(tài)，并能根據(jù)工作狀態(tài)，選擇性的過濾一些無法在忙碌時候處理的事件，這使得該結(jié)構(gòu)更加的完善和合理。

圖1 上位機設(shè)計框架

2 通訊命令格式

無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有上位機和多個下位機，其通訊使用TTL-32-1W串口無線通信單元組建通訊網(wǎng)絡(luò)，上位機使用LABVIEW儀器IO中的串口模塊編寫接收和處理下位機信號的模塊[14-16]。下位機傳來的是一連串的字符，上位機想要從字符中解析出有意義的信息，這就需要兩者都要按照一定的標(biāo)準(zhǔn)去發(fā)送和解析數(shù)據(jù)。具體通訊格式如下所示：

1）無線通訊測試

格式：指令代碼（0000）+測試用數(shù)據(jù)（500 Byte）+截止符（ ）

回復(fù)：指令代碼（0000）+接收到的數(shù)據(jù)（500Byte）+截止符（ ）

2）模塊在線查詢

格式：指令代碼（0001）+截止符（ ）

回復(fù)：指令代碼（0001）+模塊號（XX）+截止符（ ）

3）無線模塊開關(guān)

格式：指令代碼（0010）+指令（00關(guān)/01開）+截止符（ ）

回復(fù)：指令代碼（0010）+指令（00/01）+截止符（ ）

4）新建文件

格式：指令代碼（0011）+指令（新建文件編號：XX）+截止符（ ）

回復(fù)：指令代碼（0011）+指令（新建文件編號：XX）+截止符（ ）

5）刪除文件

格式：指令代碼（0100）+指令（刪除文件編號：XX）+截止符（ ）

回復(fù)：指令代碼（0100）+指令（刪除文件編號：XX）+截止符（ ）

6）參數(shù)設(shè)置

格式：指令代碼（0101）+指令（采樣頻率（5Byte）+采樣點數(shù)（6Byte）+通道選擇（8Byte）+觸發(fā)方式（1Byte））+截止符（ ）

7）模塊自檢

格式：指令代碼（0110）+指令（0000）+截止符（ ）

8）軟件開始

格式：指令代碼（1000）+指令（0000）+截止符（ ）

9）無線模塊參數(shù)設(shè)置

格式：指令代碼（1001）+指令（6Byte指令）+截止符（ ）

10）無線數(shù)據(jù)讀取

格式：指令代碼（1010）+指令（通道號）+截止符（ ）

11）模塊重啟

格式：指令代碼（1011）+指令（0000）+截止符（ ）

3 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機設(shè)計

3.1 界面設(shè)計

具體無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求可以控制8個無線數(shù)據(jù)采集模塊，每個無線數(shù)據(jù)采集模塊具有8個采樣通道。每個模塊需要單獨控制新建文件、刪除文件、數(shù)據(jù)傳輸、通訊檢測、低功耗待機和模塊重啟等功能；還需要單獨的采集設(shè)置、零點設(shè)置和電量檢測及顯示等功能；對于模塊的通用設(shè)置在界面的右側(cè)，模塊指示燈可以指示模塊使用與否狀態(tài)，通訊指示燈用于指示上位機和模塊之間的通訊狀態(tài)。具體上位機界面如圖2所示。

圖2 上位機界面

3.2 多通道事件的精簡

對于本文所研究的是8模塊8通道的數(shù)據(jù)采集模塊，若是每一個模塊、每一個事件都要對應(yīng)一個事件結(jié)構(gòu)分支和一個命令處理分支，那么所需要的事件結(jié)構(gòu)和命令處理分支太多、程序也太過于臃腫。因此將采集設(shè)置打包成簇，只響應(yīng)簇的值變化事件，并通過比較簇原值和新值的變化，確定簇中何值變化，并做出相應(yīng)控制，如果是“參數(shù)設(shè)置”按鈕按下事件，便會將參數(shù)設(shè)置（包括模塊選擇）命令發(fā)到消費者循環(huán)。而消費者循環(huán)中也只需一個條件結(jié)構(gòu)分支便可以分別處理各模塊中的相同操作。

3.3 上位機流程圖及編寫

具體的上位機，按圖4所示的流程圖編寫，由于已經(jīng)具有了總體框架，只需對流程圖中的流程，分別編寫“生產(chǎn)者”循環(huán)的事件結(jié)構(gòu)命令和“消費者”循環(huán)中的條件分支處理 命令，并注意按照上一節(jié)中的方式簡化，便可以高效的編寫完成無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的上位機。

下位機傳輸過來的數(shù)據(jù)是一連串的具有固定格式數(shù)據(jù)，上位機將按照約定好的數(shù)據(jù)格式，解析并轉(zhuǎn)換成TDMS格式的波形數(shù)據(jù)，自動保存。在程序運行完成之后，使用LABVIEW中的文件I/O中的XML模塊，將采集參數(shù)設(shè)置和模塊選擇等參數(shù)使用xml格式保存，在下一次開機時候，使用該數(shù)據(jù)初始化上位機程序。

圖3 消費者循環(huán)中命令處理分支的簡化

圖4 上位機流程圖

4 實驗驗證

上位機和下位機在獨立編寫完成之后，對其進行實地通訊調(diào)試。實驗表明上位機能夠和下位機能夠穩(wěn)定通訊、上位機能夠穩(wěn)定工作，上位機能夠穩(wěn)定快速控制下位機無線采集模塊，上位機能穩(wěn)定的讀取、存儲下位機傳回的實驗采集數(shù)據(jù)。如圖5所示，是無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以5 kHZ采樣頻率，采集并獲得的實驗曲線。實驗表明，上位機和下位機能穩(wěn)定通訊，并能正確接收及解析數(shù)據(jù)。

圖5 落錘試驗曲線

5 結(jié)束語

本文介紹了一種無線一種基于LABVIEW的上位機高效開發(fā)方案。并實際應(yīng)用于一種多模塊多通道的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的上位機的編寫中?；跓o線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，定義了一種固定的通訊格式，使得上位機和下位機的編寫能夠分別獨立的進行，且能夠在上位機和下位機完成編寫后，快速調(diào)試和整合，大大減少了系統(tǒng)開發(fā)時間。在上位機的編寫過程中，使用簇打包，簡化了“生產(chǎn)者循環(huán)”事件分支和“消費者循環(huán)”條件結(jié)構(gòu)選擇分支，大大減少了上位機編寫時間。通過試驗驗證總體框架，在無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)過程中達到了預(yù)期要求，具有較好運用價值。