基于LabVIEW的單片機(jī)脈沖發(fā)生器

由于各種人群的皮膚阻抗的動態(tài)范圍不一樣，甚至同個人在不同的時間、不同的環(huán)境下皮膚阻抗的動態(tài)范圍也不一樣。因此，在皮膚阻抗檢測系統(tǒng)中，刺激器需要根據(jù)不同的人群以及不同的環(huán)境，產(chǎn)生不同頻率、不同脈寬的刺激信號，才能保證檢測系統(tǒng)可以測量到人體皮膚的真實阻抗。

MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)有3個定時器可以產(chǎn)生方波，而且方波的脈沖頻率及寬度可以由軟件設(shè)定，這種產(chǎn)生脈沖的方式具有很大的靈活性。上位機(jī)軟件LabVIEW同下位機(jī)通信時，將下位機(jī)所要產(chǎn)生的脈沖的參數(shù)通過串口傳給下位機(jī)，以便實現(xiàn)利用LabVIEW控制單片機(jī)產(chǎn)生所需脈沖的目的。

2 下位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 硬件部分

MCS-51單片機(jī)內(nèi)部有一個功能很強(qiáng)的全雙工串行口，該串行口有4種工作方式。片內(nèi)的定時器／計數(shù)器可以產(chǎn)生波特率，大小可用軟件設(shè)置。有2個物理上獨立的接收、發(fā)送緩沖器SBUF，接收、發(fā)送均可觸發(fā)中斷系統(tǒng)，使用十分方便。對外也有兩條獨立的收、發(fā)信號線RXD(P3.0)和TXD(P3.1)。

本文采用RS 232串行接口標(biāo)準(zhǔn)，在電氣特性上，RS232采用負(fù)邏輯，要求高低兩信號間有較大的幅度，標(biāo)準(zhǔn)為：邏輯“1”在-5～-15 V之間，邏輯“0”在+5～+15 V之間。

2.2 軟件部分

MCS-51的定時器0進(jìn)行兩次計數(shù)。設(shè)P1.0為脈沖發(fā)生端，當(dāng)定時器0的第一次計數(shù)結(jié)束后，將P1.0取反，賦新的初值，再進(jìn)行第二次計數(shù)。當(dāng)?shù)诙斡嫈?shù)結(jié)束后，再一次將P1.0取反，又賦原來的初值，進(jìn)行新一輪的計數(shù)，如此反復(fù)即可產(chǎn)生方波。這樣通過兩次計數(shù)值的不同就可以實現(xiàn)產(chǎn)生不同脈寬及頻率的方波了。

圖1，圖2和圖3給出了單片機(jī)程序的詳細(xì)流程圖。其中定時器1工作在方式2，這是一種自動重裝方式，禁止中斷，用于產(chǎn)生波特率(該波特率設(shè)置為9 600)。串口工作在方式1，發(fā)送或接受一幀信息為10位，1位起始位(0)，8位數(shù)據(jù)位和1位停止位(1)，無奇偶校驗位。程序還設(shè)定串口中斷優(yōu)先級高于定時器0的中斷優(yōu)先級。

在通信前，上下位機(jī)一般會約定一個協(xié)議，例如在發(fā)送的數(shù)據(jù)前加一個標(biāo)識段，一般為一個字節(jié)。當(dāng)該字節(jié)傳輸正確后，下位機(jī)才可以認(rèn)為上位機(jī)準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)段。這樣可以避免串口偶爾產(chǎn)生的誤發(fā)信號。

程序設(shè)定4個字節(jié)為一個數(shù)據(jù)段，是因為上位機(jī)一次性要發(fā)完包括高低電平在內(nèi)的兩次定時器的初始值，而每一個初始值都有兩個字節(jié)。因此下位機(jī)判斷一次完整的數(shù)據(jù)段是否發(fā)送完畢，就是判斷其是否收到了4個字節(jié)的數(shù)據(jù)。

3 上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計

LabVIEW語言是美國國家儀器(NI)公司開發(fā)的一種基于圖形化語言(G語言)的編程語言，利用該語言編寫的模塊化程序，具有良好的界面，簡單、直觀，且易于理解、調(diào)試和維護(hù)。做成的虛擬儀表可以當(dāng)作許多儀器設(shè)備來使用，其功能完全由用戶編程定義。另外，LabVIEW內(nèi)還包含豐富的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信號分析以及控制等子程序，特別適用于數(shù)據(jù)采集、通信處理系統(tǒng)。

LabVIEW提供了很多現(xiàn)成的可供調(diào)用的函數(shù)庫，從底層的GPIB，VXI，PXI，串口數(shù)據(jù)采集板的控制子程序到大量的儀器驅(qū)動程序；從基本的功能函數(shù)到高級分析庫，幾乎涵蓋了儀器設(shè)計中需要的所有函數(shù)。同時，LabVIEW還支持用于網(wǎng)絡(luò)通訊的TCP／IP協(xié)議、動態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)和網(wǎng)絡(luò)化多媒體對象技術(shù)(ActiveX)等應(yīng)用軟件標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 VISA

LabVIEW提供了功能強(qiáng)大的VISA庫。VISA(Virtual Instrument Software Architecture，虛擬儀器軟件規(guī)范)是用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I／O函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范的總稱。VISA庫駐留于計算機(jī)系統(tǒng)中，完成計算機(jī)與儀器之間的連接，用以實現(xiàn)對儀器的程序控制，其實質(zhì)是用于虛擬儀器系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)的API(Application Programmer Inter-face，應(yīng)用程序接口)。正因為如此，VISA可以連接不同標(biāo)準(zhǔn)的I／O設(shè)備。

VISA本身并不具備編程能力，惟他通過調(diào)用底層的驅(qū)動程序來實現(xiàn)對儀器的編程。VISA的I／O軟件庫的源程序是惟一的，其與操作系統(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。

3.2 LabVIEW中利用VISA實現(xiàn)串口通信

在LabVIEW中使用串口的基本流程為：先調(diào)用VISA Configure Serial Port來完成串口參數(shù)的初始化設(shè)置，包括了串口的資源分配，波特率的設(shè)定，數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位和流控制等。

當(dāng)某一個串口初始化成功后，就可以使用該串口進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。使用VISA Write進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，使用VISA Read進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收。在接收數(shù)據(jù)前，有時需要VISA Bytes at Serial Port查詢當(dāng)前串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，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，直至緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)達(dá)到要求或是等待時間滿足VISA Configure Serial Port所設(shè)定的Timeout。

在對數(shù)據(jù)的連續(xù)性要求不高的時候，VISA Read也支持分批讀取接收緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)字節(jié)或者只是讀取其中的一部分字節(jié)。

在某些特殊的情況下，可以利用VISA SET I／O Buffer Size設(shè)置串口接受／發(fā)送緩沖區(qū)的大小，使用VISAFlash I／O Buffer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所指定串口間的會話。

該LabVIEW程序框圖中調(diào)用了一個叫做change的子VI程序，該子VI程序的功能是將高低電平的脈沖寬度值，轉(zhuǎn)換成定時器的初始值，并且拼湊成一個4個字節(jié)的16進(jìn)制數(shù)，通過VISA Write模塊送入下位機(jī)。該子VI的程序框圖如圖5所示。

在接收到數(shù)據(jù)后，單片機(jī)有一條反饋的指令，他將其緩沖區(qū)內(nèi)的值再次送回上位機(jī)，LabVIEW對該值進(jìn)行顯示，并可以和原來實際輸出的16進(jìn)制數(shù)進(jìn)行比較。用戶可以很方便地知道，是否在上下位機(jī)通信中出現(xiàn)誤碼。

圖6左側(cè)的倒三角表示從圖4(a)的VISA Read中接收到的值，他與LabVIEW上一次顯示的值拼裝成一個完整的字符串，成為新的顯示值，在字符串顯示區(qū)顯示出來。

4 程序運行結(jié)果與驗證

程序的前面板界面如圖7所示。

圖8是另一個程序的前面板，該程序可以將采樣率設(shè)定為50 kHz的采集卡采集到的數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。該屏幕顯示的是，上位機(jī)程序發(fā)送欲產(chǎn)生高低電平均為0.6 ms脈沖波的定時器初始值給下位機(jī)后，下位機(jī)產(chǎn)生的脈沖序列。

上位機(jī)發(fā)送的16進(jìn)制數(shù)為FDA8FDA8，下位機(jī)準(zhǔn)確接收后，反饋的值也為FDA8FDA8。

根據(jù)采樣率為50 kHz，即0.02 ms采樣一次，則在顯示波形圖中任選一次完整脈沖(如圖8所示)進(jìn)行計算，可以得到該次的低電平的持續(xù)時間為0.66 ms，高電平的持續(xù)時間為0.68 ms。

這兩個數(shù)據(jù)的誤差可能是采集卡的采樣率誤差引起的，或是單片機(jī)的定時器中斷服務(wù)程序的執(zhí)行周期產(chǎn)生的延時所造成的。

另外，在上下位機(jī)的通信中，也可能會產(chǎn)生誤碼，導(dǎo)致產(chǎn)生的波形不符合要求。如果要一次性完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)，則應(yīng)該在上下位機(jī)間增加可糾錯的編碼和譯碼電路，否則，可以選擇再次發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)返回值與發(fā)送值一致時，才可認(rèn)為發(fā)送成功，產(chǎn)生的波形基本可以符合要求。

5 結(jié)語

本文用RS 232串行通信接口將計算機(jī)與單片機(jī)相連，組成一個可控脈沖發(fā)生器用于皮膚阻抗檢測。上位機(jī)用LabVIEW編程，產(chǎn)生的界面友好，操作方便。這種可控脈沖發(fā)生器編程靈活，不僅可以產(chǎn)生方波，還可以產(chǎn)生三角波，正弦波等，基本可以滿足實驗的要求。