基于LabVIEW的氣體監(jiān)測系統(tǒng)串口通訊設計

馬 敏，楊勝偉

（中國民航大學 電子信息與自動化學院，天津 300300）

在很多工業(yè)控制中都會用到上位機與下位機之間的通信，兩者之間經常使用串口來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換[1]。為了上位機與下位機之間快速、高效的通信，需要根據(jù)兩者之間的通信協(xié)議在上位機設計相應的串口通信程序[2]。LabVIEW提供與遵從GPIB、VXI、RS232和RS485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通信的全部功能，還內置了支持TCP/IP、ActiveX等軟件標準的庫函數(shù)。其圖形化編程語言環(huán)境，簡單直觀，相較傳統(tǒng)的文本語言串口通信程序開發(fā)，極大節(jié)省程序開發(fā)時間，可以完成各種各樣的編程任務。因此利用LabVIEW實現(xiàn)PC機與MCU的串口通信是一種更為簡捷的方法。本文采用LabVIEW實現(xiàn)了與下位機的串口通信，并設計了多氣體監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、顯示與存儲。

1 系統(tǒng)構成

整個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)配置由帶LabVIEW監(jiān)控程序的PC機、USB通訊電纜、智能控制器構成。在下位機系統(tǒng)中，由各傳感器將采集到的參數(shù)傳遞給STM8處理器進行處理，并通過串口模塊與上位機交互。在上位機系統(tǒng)中，由LabVIEW編寫的串口程序與下位機實現(xiàn)整個系統(tǒng)的通信并對傳遞的信號進行處理。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構Fig.1 System structure

STM8L151是一種具有超低功耗特性的功能強大的單片機，STM8L151片內有1個通用串行同步/異步模塊USART1，支持通用異步協(xié)議 （UART協(xié)議）和同步協(xié)議（SPI協(xié)議），通信方式為通用異步接收/發(fā)送（UART）。主機為PC機時，通過RS-485接口實現(xiàn)主機與從機的通信。電路原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)串口硬件電路Fig.2 System serial port hardware circuit

本文設計的通信系統(tǒng)采用主從式的UART通信協(xié)議，在此協(xié)議模式下MCU為從機，帶LabVIEW監(jiān)控程序的PC機為主機[3]。STM8將各路采集的數(shù)據(jù)以一定的數(shù)據(jù)格式存儲到一個數(shù)據(jù)幀中，當收到上位機指令時此數(shù)據(jù)幀通過串口發(fā)送至PC，采用LabVIEW軟件對串口收到的數(shù)據(jù)進行采集、顯示、處理和存儲。

2 主機與從機的通信協(xié)議

本系統(tǒng)采用通用RS485總線，所有控制板連接在1條RS485總線上；下位機在通信中處于從站的地位，上位PC機處于主站地位。工作時采用指令/應答的通信方式，每一種指令幀對應著一種應答幀。當針對某臺從機發(fā)送指令時，所有的從機都能監(jiān)聽到該指令，但只有地址匹配的從機才真正接收主機指令然后作出相應的響應，地址不匹配的從機不予以應答，僅處于偵測狀態(tài)。

所有通信都以“打包”方式發(fā)生。1個報文就是1個簡單的字符串 （每個字符8位），1個報文中最多可含255個字節(jié)。組成這個報文的字節(jié)構成標準異步串行數(shù)據(jù)，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，偶校驗的方式傳遞。

1幀完整的消息包含1個地址字節(jié)、1個命令字節(jié)、1個數(shù)據(jù)長度字節(jié)、N個數(shù)據(jù)字節(jié)及2個校驗字節(jié)，其中校驗域為16位CRC校驗方式下生成的CRC16校驗碼。其格式如表1所示。

表1 幀格式Tab.1 Frame format

每一幀消息的發(fā)送都要以3.5個字符時間以上的停頓間隔開始；因此，當系統(tǒng)檢測到當前一個字節(jié)與上一個字節(jié)的間隔時間大于3.5個T約于3.5 ms時，自動將這一個字節(jié)做為一個消息幀的開始。

當接收到第一個字節(jié)（地址），每個設備都進行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。在最后一個傳輸字符之后，同樣至少3.5個字符時間以上的停頓間隔來表明一幀消息的結束。一個新的消息可在此停頓后開始。

整個消息幀必須連續(xù)的發(fā)送。如果在幀完成之前的2個字節(jié)間有超過3.5個字符時間的停頓時間，接收設備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個新消息的地址域。同樣地，如果一個新消息在小于3.5個字符時間內接著前個消息開始，接收的設備將認為它是前一消息的延續(xù)。這將導致通信錯誤，因為在校驗時值肯定是錯誤的。

從機的地址是一個字節(jié)，范圍為1～255（0xFF）。主機通過將要聯(lián)絡的從機的地址放入消息中的地址域來選通從機。當從機發(fā)送回應消息時，它把自己的地址放入回應的地址域中，以便主設備知道是哪一個設備作出回應。

當消息從主機發(fā)往從機時，功能代碼將使從機知道需要執(zhí)行哪些具體的任務。對于不同的命令，從機將做不同的應答；如果操作正確，對于查詢性質的指令，從機將返回一條帶有指定的信息的消息；對于操作性質的指令，從機在完成指定操作后，將返回一個空數(shù)據(jù)（即數(shù)據(jù)長度字節(jié)為0）的消息到主機，以確認操作成功；如果通信異常，從機將返回一個包括異常碼在內的異常響應。

3 程序設計與實現(xiàn)

3.1 LabVIEW與串口通信

LabVIEW提供了功能強大的VISA（virtual in strument software architecture）庫，VISA 作為 LabVIEW程序中驅動程序間相互通信的底層功能模塊，可連接不同標準的I/O設備，是一個用來在串口通信設備、VXI設備、GPIB設備及其他基于計算機設備間通信的函數(shù)庫[4]。

1）VISA resource name：VISA 資源名稱，即串口號。

2）VISA Configure Serial Port節(jié)點。該節(jié)點完成串口參數(shù)的設置，包括串口資源分配、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位等，波特率默認值為9600，數(shù)據(jù)比特默認為8位。該節(jié)點位于儀器I/O面板的Serial中。

3）VISA Write節(jié)點。如果初始化沒有問題，就可以使用這個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。它是指將輸出緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送VISA resource name指定的串口。

4）VISA Bytes at Serial Port節(jié)點。此節(jié)點用來查詢VISA resource name指定的串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，通常將此節(jié)點放到VISA Write之后用來得到串口字節(jié)數(shù)。

5）VISA Read節(jié)點。此節(jié)點的作用是將VISA resource name指定的串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀取指定字節(jié)數(shù)的數(shù)據(jù)到計算機內存中。

6）在某些特殊情況下，需要設置串口接收/發(fā)送緩沖區(qū)的大小，此時可以使用VISA Set I/O Buffer Size；而使用VISA Flush I/O Buffer則可以清空接收與發(fā)送緩沖區(qū)。在串口使用結束后，使用VISA Close結束與VISA resource name指定的串口之間的會話。

圖3 程序流程Fig.3 Program flow chart

3.2 程序實現(xiàn)

1）數(shù)據(jù)轉換

在LabVIEW平臺控制的串行通信過程中，數(shù)據(jù)格式是以字符串的格式組成的，字符串中的每個字符實際上對應我們熟悉的ASCII字符，即計算機能夠識別的數(shù)據(jù)代碼是ASCII代碼，所以在傳送到串口發(fā)送數(shù)據(jù)之前要經過代碼轉換，這就意味著以十進制、二進制、十六進制表示的數(shù)據(jù)必須轉化為ASCII字符串才能進行傳送和接收[5]。程序如圖4所示。

圖4 16進制轉化為ASCII碼Fig.4 Hexadecimal into ASCII

2）數(shù)據(jù)校驗

本設計采用CRC16的數(shù)據(jù)校驗，保證通信數(shù)據(jù)的可靠性。CRC16包含2個字節(jié)，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后[6]。CRC16碼由發(fā)送設備計算，放置于發(fā)送信息的尾部。接收信息的設備再重新計算接收到信息的CRC16碼，比較計算得到的CRC16碼是否與接收到的相符，如果兩者不相符，則表明出錯。

圖5CRC校驗Fig.5 Cyclic redundancy check

3）數(shù)據(jù)處理與顯示

當LabVIEW接收到串口傳來的數(shù)據(jù)時，先截取第一個字符判斷地址，再截取第二個字符判斷功能命令。然后將接收到的數(shù)據(jù)轉化為數(shù)值顯示出來，并設置了報警閾值。

4）數(shù)據(jù)保存

在工業(yè)生產和科學實驗過程中，人們往往通過對歷史數(shù)據(jù)分析、比較才挖掘到有用信息，并利用這些信息進一步地設計方案或實驗。所以，串口調試軟件的數(shù)據(jù)的存儲顯得格外有意義，尤其采用時間命名文件，保存為.xls或.txt格式，這一點就顯得尤為突出。本上位機軟件能夠實時存儲接收到的數(shù)據(jù)，并且以便于事后分析的格式完整存儲，其存儲數(shù)據(jù)可以直接導入MabLAB等軟件經行分析。

圖6 數(shù)據(jù)處理及存儲程序Fig.6 Data processing and storage program

4 系統(tǒng)測試與結果

為了測試系統(tǒng)的可靠性，使用上述氣體采集系統(tǒng)對某實驗室的氣體濃度進行監(jiān)測，首先配置VISA參數(shù)，波特率9600，數(shù)據(jù)位為8位，偶校驗。然后打開功能命令開關，選擇氣體類型，氣體單位和數(shù)值量程，最后讀取數(shù)據(jù)。圖7為測試時的主界面，部分數(shù)據(jù)如圖8所示。

5 結語

圖7 系統(tǒng)上位機主界面Fig.7 PC interface

圖8 部分采集的數(shù)據(jù)Fig.8 Partial data

本文采用STM8串口作為數(shù)據(jù)發(fā)送端，Lab-VIEW作為數(shù)據(jù)接收端，實現(xiàn)了對多氣體傳感器的實時數(shù)據(jù)采集，能夠正確地顯示出各通道采集數(shù)據(jù)的實時波形。本系統(tǒng)具有成本低，操作簡單，界面友好，功能豐富，可移植性強，可擴展性強等特點。在實現(xiàn)以上功能的基礎上，以后可以對該平臺進一步擴展，如成本的降低，硬件系統(tǒng)性能的提高，更高速的通信方式，用戶界面的完善，遠程控制等方面，使平臺更加實用方便。

[1]呂向鋒，高洪林，馬亮，等.基于LabVIEW串口通信的研究[J].國外電子測量技術，2009，28（12）：27-30.

[2]王定遠，胡吉朝，李嬡.基于MScomm32和LabVIEW的串口通信技術[J].國外電子測量技術，2006，25（4）：61-64.

[3]張杰，張軼，王曉剛，等.基于USB串口的LabVIEW與MSP430通信實現(xiàn)[J].自動化與儀表，2011，26（3）：38-41.

[4]崔牧凡.基于LabVIEW和FPGA的串口通信系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].計算機應用，2012，32（S2）：82-84.

[5]趙梅，胡天亮，張倩，等.基于LabVIEW的AMT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計與研究[J].山東大學學報：工學版，2011，41（6）：70-74.

[6]陳金平，王生澤，吳文英.基于LabVIEW的CRC檢錯碼校驗方法[J].自動化儀表，2004，25（5）：74-76.