基于LabVIEW的多串口通信及數(shù)據(jù)存儲的研究與實現(xiàn)

唐普英, 謝 啟

(電子科技大學 光電信息學院，四川 成都 610054)

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基于LabVIEW的多串口通信及數(shù)據(jù)存儲的研究與實現(xiàn)

唐普英, 謝 啟

(電子科技大學 光電信息學院，四川 成都 610054)

針對實際工業(yè)應用中數(shù)據(jù)采集點多、存儲量大的特點，單串口和小型數(shù)據(jù)庫如Access，已不能滿足工業(yè)上多通道數(shù)據(jù)傳輸以及大數(shù)據(jù)量存取的需求，研究可以實現(xiàn)LabVIEW多串口數(shù)據(jù)通信以及將采集數(shù)據(jù)快速存儲到中、大型數(shù)據(jù)庫的方法，顯得非常有必要。該研究實現(xiàn)了LabVIEW多路串口并行通信，并通過結合LabSQL ADO和SQL語言，自動實現(xiàn)對SQL Server數(shù)據(jù)庫的鏈接、創(chuàng)建對象、數(shù)據(jù)訪問等一系列操作，實現(xiàn)了對接收數(shù)據(jù)的快速存儲。

labview； 多串口； sql server； labsql ado

0 引 言

在很多工業(yè)控制中都會用到串口通信，無論是RS232還是RS485都是通過串口來進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)模@種簡單、高效的通信方式在工業(yè)控制中具有廣泛的應用，但是隨著產(chǎn)品線的增多，產(chǎn)品信息多元化，單個串口已不能滿足實際工業(yè)控制中多條流水線監(jiān)控的需要，而且一臺計算機往往不會只監(jiān)控一組數(shù)據(jù)，多串口通信具有很高的實際應用價值[1]。

LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Enginee-ring Workbench)是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境。主要應用于數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測試測量、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)表達及監(jiān)測和控制領域。雖然LabVIEW包括了數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)存儲等函數(shù)包，但是要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問并不是一件很容易的事情，現(xiàn)有的LabVIEW版本本身并不具備數(shù)據(jù)庫訪問功能，不能像VB、VC++、PowerBuilder那樣方便地進行數(shù)據(jù)庫程序的開發(fā)。因此以LabVIEW編制的虛擬儀器系統(tǒng)需要其它輔助的方法來進行數(shù)據(jù)庫訪問[2]，而一般小型數(shù)據(jù)庫如Access可存儲的數(shù)據(jù)量比較小，而且這種小型數(shù)據(jù)庫在儲存容量過大時，會出現(xiàn)反應速度過慢，數(shù)據(jù)庫不穩(wěn)定等現(xiàn)象，因此實現(xiàn)對中、大型數(shù)據(jù)庫的訪問顯得非常重要。

本文實現(xiàn)的多串口通信是針對LED生產(chǎn)線項目中需要同時接收多路監(jiān)控數(shù)據(jù)提出來的，項目實現(xiàn)了八路串口同時接收各監(jiān)控點發(fā)送回的監(jiān)控信息，然后計算機對接收的數(shù)據(jù)進行分割、拼接等一系列數(shù)據(jù)包解析工作[3]，并將最終的監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲到SQL Server數(shù)據(jù)庫。

1 多串口通信的實現(xiàn)

1.1 串口通信協(xié)議

串口是一種全雙工通信方式，計算機和設備之間可以雙向通信。在多串口通信的應用中，由于計算機需要同時對各串口接收的數(shù)據(jù)進行處理，而各路串口接收的數(shù)據(jù)結構一樣，要正確區(qū)分是哪一路數(shù)據(jù)，就需要在通信協(xié)議中做相關協(xié)定，計算機通過識別不同的指令碼[4]或者ID信息實現(xiàn)對不同設備的正確訪問，針對LabVIEW的多串口通信模型[5]如圖1所示。

圖1 多串口通信模型

虛擬儀器軟件結構(Virtual Instrument Software Architecture，VISA)是VXI plug&play聯(lián)盟制定的I/O接口軟件標準及規(guī)范總稱，VISA提供用于儀器編程的標準I/O函數(shù)庫。LabVIEW的VISA庫包含了串口配置、數(shù)據(jù)寫入、數(shù)據(jù)讀取等一系列子VI[6]，這些子VI是用于搭建串口通信的通道，由于LabVIEW的VISA寫入和VISA讀取操作對象是ASCII碼[7]，故要建立有效的通信需要確定一個通信協(xié)議。雙方可以用數(shù)組或者字符串進行數(shù)據(jù)傳輸，本項目中發(fā)送端有1個字符長度的工藝編號、生產(chǎn)線編號等信息(如表1所示)要進行合并，4個字符長度的浮點數(shù)據(jù)要進行拆分，操作比較繁瑣，而LabVIEW可以很容易地實現(xiàn)對字符串的截取、分割、拼接等操作，為方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，此處我們選擇用字符串的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，采用這種方式可以更方便地對接收到的數(shù)據(jù)進行快速處理。

由于傳輸過程中不可避免地出現(xiàn)誤碼等情況，為了保證接收數(shù)據(jù)的正確性，通信協(xié)議中嚴格定義了數(shù)據(jù)起始碼和結束碼以及數(shù)據(jù)位長度，如果接收端發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有誤，就自動舍棄當前接收的數(shù)據(jù)，重新開始下一幀數(shù)據(jù)的接收，項目中通信協(xié)議及數(shù)據(jù)位信息如下：

a.每次傳送一條生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)。

b.要求確定數(shù)據(jù)傳送起始字節(jié)FF、AA，數(shù)據(jù)結束字節(jié)FF、55.

c.傳送速度波特率為9 600。

表1 項目中數(shù)據(jù)位信息

由于每條生產(chǎn)線的各個階段都需要監(jiān)控產(chǎn)品信息，計算機需要同時與多路信息采集點進行通信，單串口無法滿足對整條生產(chǎn)線監(jiān)控的要求，因此此處采取多串口通信的方式與各監(jiān)控點進行數(shù)據(jù)通信。PC機端借助多串口卡，擴展出八路串口，通過擴展的八路串口實現(xiàn)PC機與各監(jiān)控點的同步通信。PC機通過識別指令碼來區(qū)分各路數(shù)據(jù)，從而準確地完成多串口通信。

1.2 程序開發(fā)流程

LabVIEW程序是基于數(shù)據(jù)流驅(qū)動的[8]，用其進行編程則必須按數(shù)據(jù)流的方式進行程序設計，這與面向過程的程序比較相似，但是LabVIEW克服了文本語言內(nèi)存不好管理的問題，且支持多個VI并行執(zhí)行，當多個節(jié)點VI同時運行時，LabVIEW會自動把它們放到不同的線程中去執(zhí)行，這是一般文本語言做不到的，這種自動多線程的機制給編程人員帶來了很大便利，本系統(tǒng)就是采取多路數(shù)據(jù)流方式對串口進行配置以及對接收的數(shù)據(jù)進行處理，可輕易實現(xiàn)多路串口并行工作。

VISA作為通用I/O標準，它提供了統(tǒng)一的設備資源管理、操作和使用機制，要實現(xiàn)多路串口同時通信，需要創(chuàng)建多路VISA資源，同時為了保證各串口配置與通信協(xié)議一致，在程序初始化階段對串口進行統(tǒng)一配置[9]，這樣可以大大簡化設計。在數(shù)據(jù)接收端通過對VISA串口字節(jié)數(shù)屬性節(jié)點可以判斷是否有新數(shù)據(jù)接收到。VISA串口在與不多于4臺儀器進行通信時，使用同步調(diào)用可獲取更快的速度，與不少于5臺儀器進行通信時，異步操作可使應用程序的速度顯著提高。此處有8路串口，故將VISA讀取同步I/O模式設置為異步調(diào)用可以得到更高的通信速度。

系統(tǒng)初始化時按默認參數(shù)對各串口進行初始化，由于涉及到的串口數(shù)較多，為了在出現(xiàn)故障時能較方便地排查出故障，在配置串口信息完成后，對各串口進行故障檢測，一旦發(fā)現(xiàn)故障，顯示出有故障的串口。由于流水線上每一路數(shù)據(jù)都非常重要，任何一道工序出問題都可能會影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，故在系統(tǒng)檢測到故障時自動發(fā)出故障報警并給出相關提示信息，等待故障排除。串口數(shù)據(jù)接收流程圖如圖2所示。

圖2 串口數(shù)據(jù)接收流程圖

多個串口接收的數(shù)據(jù)形成一個并行的數(shù)據(jù)流，串口數(shù)據(jù)從VISA資源接收緩沖區(qū)流出，經(jīng)過屬性節(jié)點的判斷、數(shù)據(jù)起始幀和結尾幀的識別、幀長度再判斷等一系列操作之后，可以提取出完整的數(shù)據(jù)幀，然后對完整數(shù)據(jù)幀進行后續(xù)的位信息識別、數(shù)據(jù)拆分、數(shù)據(jù)拼接等操作，完成多點數(shù)據(jù)并行接收。基于LabVIEW的多串口通信程序?qū)崿F(xiàn)如圖3所示。

圖3 LabVIEW的多串口通信程序

由于篇幅限制這里只顯示了兩路串口程序，其余幾路可按前兩路擴展實現(xiàn)。

2 SQL數(shù)據(jù)庫的便捷訪問

數(shù)據(jù)庫的種類有很多，我們常見的Access屬于小型數(shù)據(jù)庫，這種小型數(shù)據(jù)庫在儲存容量過大時，一般達到100 M左右的時候性能就會開始下降！有反應速度過慢，數(shù)據(jù)庫不穩(wěn)定等問題出現(xiàn)。工業(yè)中對數(shù)據(jù)存儲量有較大的要求，而且絕對不允許出現(xiàn)安全性、穩(wěn)定性等方面的問題，因此實現(xiàn)對中、大型數(shù)據(jù)庫的訪問顯得非常必要。

雖然LabVIEW在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)表達等領域具有較好的處理能力，但在大數(shù)據(jù)的儲存方面，LabVIEW本身并不具備直接訪問數(shù)據(jù)庫的功能，要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問需要通過其他輔助方法實現(xiàn)，NI公司提供的數(shù)據(jù)庫工具包LabVIEW SQL Toolkit將一些數(shù)據(jù)庫常用的功能單元封裝成模塊，雖然操作簡單，但對復雜的程序設計顯得比較繁瑣，而且該工具包需要付費購買，昂貴的價格無疑會增加系統(tǒng)設計成本[10]。

本文采用第三方免費LabSQL庫[11]，結合SQL語言[12-13]可以靈活的實現(xiàn)對SQL Server 2008的訪問，且程序簡潔，方便擴展，整個過程無需人為干預，系統(tǒng)自動將解包之后的多組信息數(shù)據(jù)準確的存入數(shù)據(jù)庫對應信息列表中，在LabVIEW下輕松實現(xiàn)對SQL Server數(shù)據(jù)庫的自動鏈接、自動創(chuàng)建對象、自動插入數(shù)據(jù)等一系列操作。

2.1 鏈接數(shù)據(jù)庫

鏈接數(shù)據(jù)庫[14-15]是訪問數(shù)據(jù)庫最困難也是最重要的一步，鏈接不了數(shù)據(jù)庫，后續(xù)訪問操作都無法進行，特別是大型數(shù)據(jù)庫鏈接信息比較多，需要數(shù)據(jù)庫的類型、服務器的名稱、用戶名和密碼等信息，這里我們借助Windows自帶udl(Universal Data Link)通用數(shù)據(jù)連接文件，可以快速準確地生成數(shù)據(jù)庫鏈接信息，LabVIEW通過這些鏈接信息可以實現(xiàn)后續(xù)對數(shù)據(jù)庫的訪問。生成數(shù)據(jù)庫鏈接信息流程如下：

(1) 在安裝有SQL Server數(shù)據(jù)庫的計算機上新建一個文本文件并將后綴名更改為*.udl。

(2) 雙擊打開上一步中的*.udl文件，在“提供程序”選項卡中選擇Microsoft OLE DB Provider for SQL Server,在“連接”選項卡的服務器名稱一項中選擇本機上安裝的SQL Server 名稱，在登錄服務器信息一項中根據(jù)數(shù)據(jù)庫設置的登錄信息做相應填寫，此處選擇“使用Windows NT集成安全設置”，以上信息填寫完畢后，點擊右下方“測試連接”按鈕，如果彈出“測試連接成功”則表明初步連接數(shù)據(jù)庫成功，點擊確定。建立數(shù)據(jù)庫鏈接信息如圖4所示。

(3) 以記事本方式打開剛才設置好的*.udl文件，文件會以SQL語言的形式呈現(xiàn)剛才設置好的鏈接信息，此處顯示“Provider=SQLOLEDB.1;Integrated Security=SSPI;Persist Security Info=False;Data Source=VICTORYXIEQI”可以作為LabVIEW連接數(shù)據(jù)庫的配置信息，根據(jù)此信息可以實現(xiàn)LabVIEW對SQL Server數(shù)據(jù)庫的鏈接。LabVIEW鏈接數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)如圖5所示。

2.2 創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫對象及數(shù)據(jù)存儲

LabSQL庫包含Connection execute數(shù)據(jù)庫連接執(zhí)行模塊、Command execute數(shù)據(jù)庫參數(shù)讀寫模塊、以及Recordset execute數(shù)據(jù)庫操作記錄模塊等，LabVIEW可以通過這些單元模塊結合正確的SQL語言靈活的實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問操作。

圖4 建立數(shù)據(jù)庫鏈接信息

圖5 LabVIEW鏈接數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)

程序在初始化時通過Connection execute模塊執(zhí)行SQL語句“USE My_LED CREATE TABLE dbo.LED *(采集日期 varchar(20),采集時間 varchar(20),工作綁定電壓 float,工作綁定電流 int,熒光粉曝光時間 int,熒光粉涂覆量 int,熒光粉顯影水溫 int,熒光粉顯影時間 int,顯影后干燥溫度 int,顯影后干燥時間int);”自動完成數(shù)據(jù)表單的創(chuàng)建工作；各串口接收的數(shù)據(jù)在經(jīng)過數(shù)據(jù)分割、位信號識別之后可以通過Command exeute模塊來執(zhí)行SQL語句“INSERT dbo.LED*(采集日期,采集時間,工作綁定電壓,工作綁定電流,熒光粉曝光時間,熒光粉涂覆量,熒光粉顯影水溫,熒光粉顯影時間,顯影后干燥溫度,顯影后干燥時間) VALUES (…)”完成生產(chǎn)線對應數(shù)據(jù)位的插入，通過這一系列操作可以完成對接收數(shù)據(jù)的存儲工作。LabVIEW實現(xiàn)對SQL Server數(shù)據(jù)插入程序見圖6。

圖6 LabVIEW實現(xiàn)對SQL Server的數(shù)據(jù)插入程序

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)在完成相關參數(shù)設定之后啟動數(shù)據(jù)接收程序，在接收各路串口數(shù)據(jù)的同時，以界面的形式實時顯示當前各路生產(chǎn)線參數(shù)狀態(tài)，同時將數(shù)據(jù)保存到SQL Server 數(shù)據(jù)庫，完成同步數(shù)據(jù)存儲工作。為了驗證LabVIEW多串口通信實現(xiàn)的正確性以及LabVIEW訪問SQL Server的正確性，此處模擬了8路串口數(shù)據(jù)并同時發(fā)往計算機，計算機將接收的數(shù)據(jù)顯示在對應方框內(nèi)并將對于數(shù)據(jù)存儲到SQL Server。隨機截取2014/11/20 21:27:40時刻數(shù)據(jù)，生產(chǎn)線監(jiān)控顯示界面截圖和第三條生產(chǎn)線存儲到SQL Server的數(shù)據(jù)截圖分別如圖7和圖8所示。

圖7 產(chǎn)品監(jiān)控顯示界面

圖8 第三條生產(chǎn)線存儲到SQL Server的數(shù)據(jù)

4 結 語

系統(tǒng)有效地實現(xiàn)了多路串口數(shù)據(jù)的并行接收，在LabVIEW平臺下通過第三方軟件LabSQL庫結合Windows自帶的通用數(shù)據(jù)連接文件，成功連接SQL Server數(shù)據(jù)庫，同時利用SQL語言，靈活地實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)庫的表單項創(chuàng)建，數(shù)據(jù)插入等一系列操作，最終實現(xiàn)了多串口通信和數(shù)據(jù)存儲工作。

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Research and Implementation on Multi-channel Serial Communication and Data Storage Based on LabVIEW

TANGPu-ying,XIEQi

(School of Optoelectronic Information, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China)

For the characteristic that large amounts of data need to be collected and stored in industrial applications, a single serial and small databases such as Access has been unable to meet the needs of industry to access multi-channel data transmission and large amount of data needs to be stored. A method that LabVIEW can achieve multi-channel serial communication and fast access to medium or large database is necessary. This study achieves a multi-channel serial parallel communications and can automatically implements a series of operations, such as linking to the SQL Server database, creating objects, and data access. Large amounts of data from multi-channel can be stored by using LabSQL ADO and SQL language.

labview; multi-serial port; sql server; labsql ado

2015-01-09

電子科技大學教學改革研究項目(2013XJYSL011)

唐普英(1965-)，男，廣西桂平人，博士，副教授，研究方向為計算智能，數(shù)據(jù)庫應用等。

Tel.：13688094495;E-mail：pytang@uestc.edu.cn

TP 311

A

1006-7167(2015)08-0093-05