基于LabVIEW的外置串口采集控制卡的研制

摘 要：本文介紹了基于LabVIEW的外置串口采集控制卡的設計思想，詳細的分析了采集控制卡的研制過程，并給出了LabVIEW的具體程序設計。

關鍵詞：LabVIEW；串口通訊；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

引言

目前虛擬儀器開發(fā)廣泛應用的是美國NI公司的LabVIEW開發(fā)平臺。LabVIEW軟件隱含了對設計虛擬儀器時所面臨的多種困難的考慮、簡化了設計過程，對于開發(fā)虛擬儀器相當方便，但因其硬件卡昂貴，影響了虛擬儀器在國內(nèi)的推廣使用。因而，本文提出了采用LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺，自行設計硬件卡。

設計中利用單片機作為下位機，采用標準RS-232串口與PC機通訊來構(gòu)建采集控制系統(tǒng)。上位機通過發(fā)送控制采集命令實行采集控制卡的通道選擇、量程選擇、數(shù)據(jù)采集等，然后將采集到的數(shù)據(jù)通過串口傳輸給PC機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、分析。此外基于串口開發(fā)的采集控制卡還因具有熱插拔的優(yōu)點而具有很強的實用性。

外置串口采集控制系統(tǒng)構(gòu)成

外置串口采集控制系統(tǒng)主要由下位機硬/軟件以及上位機控制軟件兩部分構(gòu)成。下位機通過接收PC機命令來執(zhí)行相應的操作，例如數(shù)據(jù)采集通道的選擇、輸入電壓范圍的選擇、或是其他量的選擇(如溫度、濕度等)。上位機軟件主要是發(fā)送控制命令，接收、顯示、存儲以及處理數(shù)據(jù)。其中，數(shù)據(jù)的傳輸采用了數(shù)據(jù)幀格式進行，通過識別幀頭標志位等規(guī)則來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性，本設計中是通過結(jié)合MAXIM公司所提供的A/D轉(zhuǎn)換器MAX197來實現(xiàn)的。

采集控制卡硬件設計

本設計硬件電路以單片機89C51為控制核心，通過RS-232與PC機通訊，實現(xiàn)整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集控制以及數(shù)據(jù)處理和存儲。單片機通過接收PC機指令來控制MAX197，其中A/D采集以中斷方式進行?？刂瓶ㄓ布娐方Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

采集控制卡軟件設計

單片機通過從串口接收通道、量程選擇命令來執(zhí)行相應通道、量程的數(shù)據(jù)采集，然后將數(shù)據(jù)采集的結(jié)果以數(shù)據(jù)幀的格式發(fā)送給PC機。兩個字節(jié)的幀頭標志、以及兩個字節(jié)的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果合稱為一幀數(shù)據(jù)。單片機軟件設計流程如圖2所示。

上位機控制處理程序設計

上位機控制處理程序在LabVIEW平臺上進行開發(fā)，LabVIEW程序由兩部分組成：前面板和程序框圖。

LabVIEW前面板的功能等效于傳統(tǒng)儀器前面板，它不僅可以模擬眾多的傳統(tǒng)儀器，而且可以模擬因為結(jié)構(gòu)復雜而不可實現(xiàn)的傳統(tǒng)概念儀器，因此，設計具有很大的靈活性。本次設計的前面板包括通訊端口、方式等的設置，對采集控制卡的配置，當前采集轉(zhuǎn)換結(jié)果顯示，采集轉(zhuǎn)換結(jié)果實時動態(tài)監(jiān)控，以及將采集轉(zhuǎn)換結(jié)果寫入Excel文件的設置等內(nèi)容。

前面板有如儀器的外形設計，而程序框圖就是儀器的內(nèi)部電路，是設計的核心部分。LabVIEW方便之處就是能很方便的將流程圖轉(zhuǎn)換為圖形編程語言。流程圖中的循環(huán)可以直接調(diào)用LabVIEW中的While循環(huán)，順序執(zhí)行可以調(diào)用LabVIEW中Sequence Structure(順序結(jié)構(gòu))，條件執(zhí)行則可以調(diào)用LabVIEW中Case Structure(選擇結(jié)構(gòu))。程序流程圖設計如圖3所示。LabVIEW所采用的是并行執(zhí)行結(jié)構(gòu)，主流程圖中橫虛線上方的左右兩邊為同時執(zhí)行的兩個獨立的單元。

本次設計的圖形編程可以分為串口通訊、數(shù)據(jù)接收以及文件讀寫三個部分。

在LabVIEW中，實現(xiàn)串口通訊方式有直接調(diào)用NI公司提供的Serial系列子VI； VISA串行系列(位于Functions->All Functions->Instrument I/O->serial中)；采用Active X控件來控制訪問串行口(先向LabVIEW中添加一個Active X Container控件，然后向其中添加MSComm控件)三種方式。本次設計采用了第二種方式來訪問和控制串行口，即通過調(diào)用功能模板的VISA中的Serial系列(包含VISA Configure Serial、VISA Write、VISA Read、VISA Close)來實現(xiàn)對串行口的訪問和控制。采用該方式設計的優(yōu)點是：每個函數(shù)開始接收一個端口號，結(jié)束后輸出一個其復制的端口號，這樣在設計中就不用擔心對于一個端口有遺忘或是重復的操作，從而使程序設計更加清晰。

LabVIEW中對于串行口的讀寫都是以字符為單位傳輸其ASCII碼來實現(xiàn)的，因而需將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字符轉(zhuǎn)換成對應的ASCII碼。本設計通過調(diào)用CIN (代碼接口接點)將C語言程序嵌入到整個設計中，然后采用LabVIEW與C語言混合編程來實現(xiàn)所需的功能(CIN在LabVIEW中的調(diào)用路徑為Functions→All Functions→Advanced→Code Interface Node)。

本設計中首先將采集控制系統(tǒng)的通道號和量程發(fā)送給下位機，然后程序進入到相應的數(shù)據(jù)接收處理程序。在數(shù)據(jù)接收過程中采用了數(shù)據(jù)幀方式：下位機將對應通道號、相應量程的采集結(jié)果以一幀數(shù)據(jù)為單位循環(huán)發(fā)送給PC機，PC機通過判斷幀頭來識別數(shù)據(jù)，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。幀數(shù)據(jù)格式如下：

前面兩個字節(jié)數(shù)據(jù)0xAA和0xAB為幀頭標志，DATA1和DATA0為采集結(jié)果，但并非為最終的結(jié)果，它們?nèi)孕枰鄳奶幚?該處理在服務子程序中進行)。

采集到的數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)換為實際電壓值后，再進行顯示、存儲。本設計可以很方便的把每個實際電壓值存儲到Excel文件中，以便于查看和處理。而且在存儲的過程中可以將通道號、量程、采集數(shù)據(jù)序號信息都寫入文件，這樣，就很容易生成報表輸出。

根據(jù)流程圖設計的采集控制系統(tǒng)程序框圖如圖4所示。

系統(tǒng)測試

將采集控制系統(tǒng)硬件、軟件按要求設計好后，運行控制軟件，先對采集控制系統(tǒng)進行相應的配置，然后可以實時觀看某個通道的電壓值。調(diào)節(jié)輸入電壓，通過實時監(jiān)控界面可以觀看到輸入電壓的變化過程。程序運行結(jié)束后，可以在程序的安裝目錄下找到一個由先前配置所命名的Excel文件，打開這個文件就可以看到采集到的所有數(shù)據(jù)(包括通道號、量程、采集數(shù)據(jù)及所采集數(shù)據(jù)序號信息)。通過測試表明，采集控制系統(tǒng)操作簡單、方便，采集數(shù)據(jù)準確、價格低廉，且有熱插拔優(yōu)點。

結(jié)語

因為NI公司所提供的數(shù)據(jù)采集卡價格昂貴，對用戶來說，自主研制基于LabVIEW的采集控制卡在實際中有很大的意義，采用LabVIEW平臺來實現(xiàn)，很大程度上簡化了設計，希望本文能給眾多設計者帶來新的設計概念。