LabVIEW串口通信在數據采集中的應用

董翰川 ，郭 勇 ，李文杰

(1.成都理工大學 信息科學與技術學院，四川 成都 610059；2.中國地質科學院 地球物理地球化學勘查研究所，河北 廊坊 065000)

可視化編程軟件LabVIEW不僅能很輕松地將各種軟硬件連接起來，還提供了強大的后續數據處理能力。與傳統儀器相比，虛擬儀器提高了儀器資源的可再用性和可移植性，只需在原有基礎上作相應改動即可增強它的功能，無需更換硬件設備[1]。基于此，本文在研究LabVIEW的基礎上，開發了基于LabVIEW的串口收錄系統，以單片機為核心的硬件部分作為前端數據采集系統，可實現200 kHz的采樣速率、16 bit的分辨率，具有采樣率高、應用性強等優點。該收錄系統將采集數據以曲線方式顯示在上位機上，以二進制.dat格式記錄，并且可回放記錄的數據，這是該系統的創新點。

1 系統總體方案

系統總體方案框圖如圖1所示，主要由前端數據采集和上位機波形顯示記錄兩大部分組成。前端數據采集部分以單片機AT89C52為核心，8 KB內部ROM空間，硬件部分采集到的數據通過串口通信傳送給上位機，收錄系統實時顯示、記錄、回放接收的數據。

圖1 系統總體方案框圖

2 硬件部分的設計

2.1 數據采集部分

該部分采用美信公司的MAX306芯片和ADI公司的AD976芯片。MAX306內部提供16個信號通道，可在程序編程中指定某通道，通道選擇端由單片機P1口低4位控制，信號經過某通道后送入A/D；AD976采樣率為200 kHz/s、分辨率為16 bit，采集信號范圍為-10 V~+10 V，精度為(1/216)×VREF=(1/216)×20=0.305 mV。 A/D 數據傳送端和單片機P0口相連，A/D控制端和P1口高4位相連。

2.2 串口通信部分

上位機和下位機通過RS-232串口進行數據接收和發送，傳輸介質為二芯屏蔽電纜，簡單易用。下位機采用TTL電平，串口采用RS-232電平，因此串口通信需經過電平轉換，電路采用MAX232電平轉換芯片，串口采用母頭接法。通信前先進行初始化，包括串口工作方式、通信波特率設定等，這在下位機軟件中實現。

3 軟件部分的設計

3.1 下位機軟件部分

下位機軟件部分采用C51語言編寫，這是專門為51系列單片機設計的高效率C語言編譯器，符合ANSI標準，程序代碼運行效率高，比匯編語言更簡單易用[2]。

下位機軟件程序流程圖如圖2所示。BUSY為轉換結束狀態標志位，BUSY=1表示轉換完成可以讀取，否則，繼續轉換。將讀取結果送給AT89C52處理，轉換為十進制后傳送給液晶和上位機，喂狗部分防止程序跑飛。軟件實現定點疊加平均數據處理、看門狗定時復位和冗余避錯功能，將連續采集的3次數據求平均值，使得采集結果更準確。

其中十進制的轉換是關鍵，轉化公式是：

其中，VREF為 A/D參考電壓 20 V，ValueP0為 A/D轉換后的二進制結果。

3.2 上位機軟件部分

上位機軟件部分采用LabVIEW語言編寫，程序中用到VISA資源包。VISA是虛擬儀器軟件構架的縮寫，是儀器編程的標準 I/O API，可控制 GPIB、串口、USB、以太網、PXI或VXI儀器，并根據使用儀器的類型調用相應的驅動程序，用戶無需學習各種儀器的通信協議[3]。

LabVIEW收錄系統程序流程圖如圖3所示。按下開始讀取按鈕后，程序進行串口配置，串口配置好后通信分兩路實現，分別用于數據讀取和數據存儲：讀取的數據顯示在波形圖標中；數據以二進制格式.dat文件存儲在硬盤中。存儲之前程序彈出對話框讓用戶指定存儲路徑。波形顯示采集數據的同時，還可以回放之前已存儲的數據文件，實現采集和回放同時進行。

圖2 下位機軟件程序流程圖

圖3 LabVIEW 程序流程圖

3.2.1 上位機軟件實現過程

軟件編寫要用到 VISA Configure Serial Port.vi、VISA Property Node.vi、VISA read.vi、VISA Close.vi、Write To Binary File.vi及Graph Chart.vi[1]。其功能分別是：

(1)VISA Configure Serial Port.vi用于串口配置，如串口資源名、波特率、數據位數、停止位、校驗位等的設置。

(2)VISA Property Node.vi用于讀取屬性，將接收到的數據全部讀出來。

(3)VISA Read.vi用于讀取串口接收來的數據。

(4)VISA Close.vi釋放串口資源，關閉函數。

(5)Write To Binary File.vi將接收數據以二進制形式保存起來。

(6)Graph Chart.vi用于顯示采集波形。

3.2.2 LabVIEW系統界面和程序

根據上位機軟件設計流程圖，利用NI公司的可視化編程軟件LabVIEW編寫完成的系統界面如圖4所示。運行前，用戶只需設置串口資源，選擇串口號、波特率大小、傳輸數據位數、停止位、校驗位等。串口工作在方式 1，傳輸 1幀信息為10 bit，其中 1 bit起始位、8 bit數據位(先低位后高位)、1 bit停止位[4]。

圖4上面部分為開始讀數據、停止讀取、回放、停止回放和退出系統5個控制按鍵。兩個圖形控件分別顯示讀取波形和回放波形，讀取值以數字形式顯示在讀取值窗口。系統界面還可以利用LabVIEW自身強大的數據處理能力，借助內部處理函數進行波形調理、波形測量、FFT變換和濾波等。

4 測試與結論

將下位機程序下載到單片機，打開電源，按下采集獨立按鍵，給MAX306某通道加上2 V左右的電壓信號，測得結果如圖4所示。借助信號發生器給單片機輸入-10 V~+10 V范圍內的任意波形，在上位機均可得到相應波形。

本文利用單片機采集數據，使用LabVIEW編寫串口接收數據界面，將結果以二進制.dat格式存儲起來，帶查看回放功能，較好地實現了數據采集的實時顯示和存儲，達到了系統的設計要求和預期目標。該LabVIEW顯示界面可應用于其他具有串口接口的數據采集系統，目前已應用于航空物探部分數據的收錄。

[1]TRAVIS J，KRING J.LabVIEW大學實用教程 (第三版)[M].朱瑞萍，譯.北京：電子工業出版社，2008.

[2]陳誠，李言武，葛立封.基于 LabVIEW的單片機串口通信設計[J].現代計算機，2009(1)：198-200.

[3]林靜，林振宇，鄭福仁.LabVIEW虛擬儀器程序設計從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[4]張毅坤，陳善久，裘雪紅.單片微型計算機原理及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2006.