LabVIEW與單片機(jī)串口在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.LabVIEW分析

LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。

LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子VI）的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。

它主要的方便就是，一個(gè)硬件的情況下，可以通過改變軟件，就可以實(shí)現(xiàn)不同的儀器儀表的功能，非常方便，是相當(dāng)于軟件即硬件！現(xiàn)在的圖形化主要是上層的系統(tǒng)，國內(nèi)現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出圖形化的單片機(jī)編程系統(tǒng)（支持32位的嵌入式系統(tǒng)，并且可以擴(kuò)展的），不斷完善中(大家可以搜索 CPUVIEW 會(huì)有更詳細(xì)信息；）。

1.1VISA簡介

VISI俗稱虛擬儀器軟件規(guī)范，是所有標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范的總稱，用于完成計(jì)算機(jī)與儀器之間的連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的控制。VISI本身并不具備編程能力，是通過調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的編程，其層次如圖1所示。VISA是采用VPP標(biāo)準(zhǔn)的I/O接口軟件，其軟件結(jié)構(gòu)包含三部分，如圖2所示。

VISA的I/O控制特點(diǎn)

①適用于各種儀器類型(如VXI儀器、GPIB儀器、RS-232串行儀器、消息基器件、寄存器器件、存儲(chǔ)器器件等儀器)；

②適用于各種硬件接口類型；適用于單、多處理器結(jié)構(gòu)或分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；

③適用于多種網(wǎng)絡(luò)機(jī)制。

VISA的I/O軟件庫的源程序是唯一的，與操作系統(tǒng)及編程語言無關(guān)，只是提供了標(biāo)準(zhǔn)形式的API文件作為系統(tǒng)的輸出。

1.2VISA庫中的串口通訊函數(shù)

主要的串口通訊函數(shù)調(diào)用路徑為：FunctionsInstrument I/OVISAVISA AdvancedInterface SpecificSerial。

①VISA Configure Serial Port節(jié)點(diǎn)(圖3所示)

該節(jié)點(diǎn)主要用于串口的初始化。主要參數(shù)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。可為無校驗(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。

②VISA Read節(jié)點(diǎn)(圖4所示)

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：

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。

byte count：用于設(shè)置所要讀的字符數(shù)。由于LabVIEW的串行通訊子VI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。其次，若要讀入當(dāng)前串口中的所有字符，則要執(zhí)行“VISA Bytes 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VISA Read節(jié)點(diǎn)的輸入即可。

③VISA Close節(jié)點(diǎn)(圖5所示)

該節(jié)點(diǎn)用于將打開的VISA資源關(guān)閉。只有一個(gè)主要參數(shù)：

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。

本文所用LabVIEW串口通訊程序的波特率為9600，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗(yàn)，1位停止位，硬件握手、禁止軟。

2單片機(jī)設(shè)計(jì)

2.1硬件

MCS-51單片機(jī)有一個(gè)全雙工串行口其功能非常強(qiáng)大。

該串行口有4種工作方式，由片內(nèi)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器產(chǎn)生，接收、發(fā)送均可觸發(fā)中斷系統(tǒng)，使用十分方便，波特率還可用軟件設(shè)置。

有2個(gè)物理上獨(dú)立的接收、發(fā)送緩沖器SBUF，對(duì)外也有兩條獨(dú)立的收、發(fā)信號(hào)線RXD（P3.0）和TXD（P3.1）。

本文采用RS232串行接口標(biāo)準(zhǔn)，在電氣特性上，RS232采用負(fù)邏輯，要求高低兩信號(hào)間有較大的幅度，標(biāo)準(zhǔn)為：邏輯“1”在-5V～-15V之間，邏輯“0”在+5V～+15V之間，通常采用-10V左右為邏輯1，+10V左右為邏輯0。由于MCS-51系統(tǒng)的信號(hào)輸入輸出為TTL電平，邏輯1為3.8V左右，邏輯0為0.4V左右，因此，必須外接電路實(shí)現(xiàn)TTL電平到RS232電平的轉(zhuǎn)換。本文特別采用MAX232E實(shí)現(xiàn)此轉(zhuǎn)換。

采用TLC0831芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。TLC0831芯片為8位逐次逼近電壓型A/D轉(zhuǎn)換器，不需尋址，支持單信道輸入串口輸出，極性設(shè)置固定。其主要特點(diǎn)為：8位分辨率；5V的電源提供0～5V的可調(diào)基準(zhǔn)電壓；輸入輸出可與TTL和MOS兼容。若要提高信號(hào)的采樣頻率，只需選擇轉(zhuǎn)換速度較快的A/D芯片即可。硬件部分原理圖如圖6。

2.2軟件

下面給出單片機(jī)軟件部分的主要程序。波特率設(shè)置為9600，用定時(shí)器1產(chǎn)生波特率，串口工作在方式1，無奇偶校驗(yàn)。定時(shí)器0設(shè)定采樣的時(shí)間間隔。TLC0831為A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)采樣子程序，SEND為單片機(jī)發(fā)送子程序。

3結(jié)論

虛擬儀器研究的另一個(gè)問題是各種標(biāo)準(zhǔn)儀器的互連及與計(jì)算機(jī)的連接。目前使用較多的是 IEEE 488 或 GPIB協(xié)議，未來的儀器也應(yīng)當(dāng)是網(wǎng)絡(luò)化的。

LabVIEW是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW [2]集成了與滿足 GPIB、VXI、RS-232 和 RS-485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動(dòng)有趣。

由單片機(jī)進(jìn)行前端數(shù)據(jù)采集，在通過串口與LabVIEW的數(shù)據(jù)通訊，巧妙的利用LabVIEW強(qiáng)大的信號(hào)分析處理功能，開發(fā)了一套投資少、操作簡便的數(shù)據(jù)采集與信息分析系統(tǒng)（其虛擬面板如圖7所示）。從系統(tǒng)運(yùn)行良好，可以看出本實(shí)驗(yàn)很成功，可以投入市場。