基于LabVIEW與USB接口的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

摘要：本文設計了一種基于LabVIEW與STC12C5410AD單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。單片機采集到的數(shù)據(jù)通過CH341T芯片的USB轉串口的功能，實現(xiàn)了只用一條USB線就可以把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃abVIEW中進行顯示和分析。從下位機和上位機兩個部分闡述了系統(tǒng)的設計。實驗證明，系統(tǒng)能實時精確的再現(xiàn)單片機采集的低頻信號。
關鍵詞：LabVlEW；數(shù)據(jù)采集；STC單片機；USB

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
    工程上使用具有PCI、PXI、USB、并口以及串口的計算機來獲取測試數(shù)據(jù)，稱為基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中一種是通過插入式的數(shù)據(jù)采集卡直接獲取數(shù)據(jù)傳輸給計算機。鑒于數(shù)據(jù)采集卡的價格昂貴，且安裝不方便等缺點，本文提出使用STC單片機作為前端的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用CH341T芯片的USB總線轉異步串口的功能，將采集數(shù)據(jù)只通過一條USB線傳輸給PC機，最后在LabVIEW平臺下進行數(shù)據(jù)的顯示、分析、處理。
1．1 系統(tǒng)組成與工作原理
    本系統(tǒng)總體結構框圖如圖1所示。主要包括有STC12C5410AD單片機和CH341T轉換芯片組成的數(shù)據(jù)采集、轉換、傳輸部分，以及基于PC機的LabVlEW軟件構成的數(shù)據(jù)處理部分。首先，被測電壓模擬信號通過電平變換電路進入STC單片機的AD轉換通道，待轉換完成后利用CH341T芯片的USB轉串口的功能，通過USB接口傳輸給PC機，最后由LabVIEW軟件分析處理。

2 下位機系統(tǒng)設計
2．1 硬件設計部分
    系統(tǒng)硬件原理圖如圖2所示。系統(tǒng)采用的MCU為STC12C5410AD，采用的USB接口芯片為CH- 341T，利用該芯片的USB轉串口的功能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，從而構成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2．1．1 STC12C5410AD單片機
    STC12C5410AD系列單片機是單時鐘／機器周期(1T)的兼容8051內核單片機，是高速／低功耗的新一代增強型8051單片機，內部集成MAX810專用復位電路。10KBFLASH程序存儲器，512字節(jié)SRAM，有8路10位高速A／D轉換器，速度可達100KHz。實際工作頻率可達48MHz。在應用時，需根據(jù)實際情況設定晶振頻率，本系統(tǒng)采用11．0592MHz的晶振。本例中采用P1．0作為A／D轉換通道。由于各A／D轉換通道的輸入電壓范圍為0～5V，對于雙極性信號來說，直接輸入會被削掉負半波。為了解決上述問題，采用了高速低噪聲雙運算放大器NE5532，根據(jù)運放電路的虛短、虛斷原則，其輸出OUT=2．5-IN?？梢詫?2．5v～2．5V的電平轉換到0～5v，這樣滿足了輸入信號的雙極性要求。
2．1．2 CH341T芯片
    隨著計算機通訊技術的不斷發(fā)展，串口的通訊速度越來越不能滿足現(xiàn)在的通信要求。因此越來越多的計算機，尤其是筆記本電腦都不再保留串行接口，取而代之的是方便、高速、標準的USB接口。然而對于需要用串口通信的設備來說，是個麻煩的問題。為了解決這個問題，本系統(tǒng)采用CH341T芯片將單片機通過USB接口直接連接到PC機上，方便了沒有串口的上位機與下位機的通信，解決了上位機沒有串行接口的問題。CH341T芯片的特點如下：
    (1)仿真標準串口，用于升級原串口外圍設備，或者通過USB增加額外串口。
    (2)計算機端Windows操作系統(tǒng)下的串口應用程序完全兼容，無需修改。
    (3)硬件全雙工串口，內置收發(fā)緩沖區(qū)，支持通訊波特率50b／s～2Mb／s。
    (4)支持5、6、7或者8個數(shù)據(jù)位，支持奇校驗、偶校驗、空白、標志以及無校驗。
2．2 軟件設計部分
    本系統(tǒng)將STCl2C5410AD的P1．0口作為A／D轉換的通道，要使用A／D轉換功能就必須進行相應的寄存器設置。STC單片機的寄存器見表1所示。
    1)P1M0，P1M1：P1口工作模式設置PlM0=0x01，P1M1=0x01。將P1口設置為開漏模式。
    2)ADC CONTR：A／D轉換控制器
    ADC_POWER：ADC電源控制位。
    ADC_ POWER=0：關閉ADC電源。ADC POWER=1：打開A／D轉換器電源，初次打開內部A／D轉換模擬電源，需適當延時，等內部模擬電源穩(wěn)定后，再啟動A／D轉換。
    ADC_START：模數(shù)轉換器(ADC)轉換啟動控制位，設置為1時，開始轉換，轉換結束后為0。
    SPEED1，SPEED0：模數(shù)轉換器轉換速度控制位。
    ADC_FLAG：模數(shù)轉換器轉換結束標志位，當A／D轉換完成后，ADC_FLAG=1，一定要軟件清0。
    CHS2／CHS1／CHS0：模擬輸入通道選擇如表2所示。

    下位機程序流程圖如圖3所示。下位機的程序主要包括三個部分：串口初始化子程序、A／D轉換初始化子程序、串口發(fā)送子程序。其中A／D轉換初始化子程序主要是設置ADC CONTR、P1M0、P1M1等寄存器。

3 上位機系統(tǒng)設計
3．1 CH341T驅動程序
    在與上位機通信之前，必須安裝CH341T的驅動程序，這可從公司網(wǎng)站下載。待其驅動程序安裝完成后，會自動在計算機設備管理器的端口欄虛擬出一個串口，這個虛擬串口與計算機原有的COM口對應用程序來說是一樣的。通過選擇這個虛擬串口，就可與下位機通信了。
3．2 LabVIEW程序設計
    VISA(Virtual Instrument Software Architecture)是美國國家儀器公司開發(fā)的一種用來與各種儀器總線進行通信的高級應用編程接口。VISA庫駐留于計算機系統(tǒng)中，完成計算機與儀器之間軟件的連接，用以實現(xiàn)對儀器的程序控制，其實質是用于虛擬儀器系統(tǒng)的標準的API，VISA本身不具備編程能力，它是一個高層API，通過調用底層驅動程序來實現(xiàn)對儀器的編程。
    本設計采用了LabviEW的VISA的串行通訊子VI來開發(fā)串行通信軟件。其中包括VISA(Configure Serial Port.Vi：將指定的串口按特定設置初始化。VISA Write.Vi：將寫入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫入指定的設備或接口中。VISA Read.vi：從指定的設備或接口中讀取指定數(shù)量的字節(jié)，并將數(shù)據(jù)返回至讀取緩沖區(qū)。VISA Close.Vi：將打開的串口關閉。首先利用VISA Conf- igure Serial Port.vi進行串口初始化，其中設置讀取和寫入操作的超時為10s，波特率為9600，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗位，1為停止位，無流控制。然后打開串口，將讀取緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲ㄐ螆D表進行實時顯示，同時利用移位寄存器和連接字符串控件將采集的數(shù)據(jù)存儲在接收數(shù)據(jù)區(qū)中，當采集的數(shù)據(jù)達到950個時，對其進行幅值譜變換并顯示。同時清空接收數(shù)據(jù)區(qū)，為下一次采集做準備。LabVIEW程序框圖如圖4所示。

4 系統(tǒng)測試與結果
    為了測試系統(tǒng)的可靠性，將系統(tǒng)的P1．0口和電源地與DG 2041A數(shù)字信號發(fā)生器連接進行測試。信號發(fā)生器產生頻率為100Hz，峰峰值為3V，其中高電平1．5V，低電平-1．5V的正弦波信號，通過電平變換電路得到低電平為1v、高電平為4V的正弦波。將A／D轉換后的數(shù)據(jù)傳到Lab- VIEW中，在顯示之前要減去2．5V電壓的A／D轉換值128，同時還要設置波形圖表Y軸的縮放比例為0．02，這樣就可以正確顯示了。通過設計的系統(tǒng)進行采集在LabVIEW軟件上顯示的結果如圖5所示。

5 結束語
    本文將STC單片機作為數(shù)據(jù)采集的前端，經過CH341T芯片的轉換，利用USB接口與LabVIEW完成通訊。同時利用LabVIEW強大的信號分析處理能力，對信號進行了實時顯示，并對信號進行了頻譜分析。經過對系統(tǒng)的調試和完善，實驗證明，采集的信號可以滿足要求，系統(tǒng)運行良好。