單片機和LabVIEW下多路數據采集系統的設計研究

董鵬 鮑印虎 張占美

摘 要 通過將多路數據采集系統作為主要研究對象，使用包括文獻研究法等在內的眾多研究方法，在著重圍繞單片機和LabVIEW下的多路數據采集系統進行簡要分析研究。分別從硬件設計和軟件設計兩個角度出發，以STC12C5A60S2作為硬件控制核心，以LabVIEW 2016作為上位機的軟件開發平臺，設計出一款多路數據采集系統，以有效實現對種類繁雜的數據的采集和分析處理、準確顯示等功能，實現系統的長久穩定、安全可靠運行。

關鍵詞 單片機；LabVIEW；多路數據采集系統

中圖分類號 TN91 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）210-0106-02

通常在設計多路數據采集系統的過程中，經常會使用上位機PC與下位機單片機或是上位機LabVIEW以及數據采集卡兩種不同的系統結構。但相比之下，前者需要花費更多的開發時間和精力，并且具有較高的專業性和復雜性，而后者則通過直接使用LabVIEW圖形化編程語言，便可以簡單、快捷地完成編程和開發工作，但同樣其也存在著成本高昂等局限性。

因此，本文通過創造性地采用上位機LabVIEW以及單片機的系統結構，在此基礎上進行多路數據采集系統的設計，希望能夠為相關設計人員提供更多設計方法與思路。

1 基于單片機與LabVIEW的多路數據采集系統硬件設計

本文通過立足單片機以及LabVIEW進行多路數據采集系統的設計，將該系統當中的硬件部分細分為兩大部分，分別為上位機以及下位機。其中上位機直接選用LabVIEW圖形化編程語言，其對于硬件的要求相對較低，基本上絕大多數PC均可以滿足其硬件要求。因而本文將重點探究下位機的硬件設計。

1.1 采集數據

基于LabVIEW和單片機的多路數據采集系統當中，下位機主要包括多路模擬信號、多路傳感器以及信號預處理、單片機等在內的眾多組件，負責完成對各路信息數據的采集以及分析整理等工作。因此在信息采集板塊當中，電路設計直接使用系統本身帶有的A/D轉換功能控制器，依托嵌入式系統硬件設計的相關標準要求進行電路設計[1]。

在信號預處理階段，設計通過使用計算放大器電流，以進一步增強經由傳感器傳輸的微弱信號，使其可以有效達到A/D轉換輸入電壓標準。在開始進行數據轉換時，首先根據實際情況設置A/D轉換相關控制寄存器，而后啟動A/D轉換功能，在完成轉換之后系統將自動讀取轉換結果，并對其進行合并，隨后將A/ D轉換結果暫時存儲在數據緩沖區當中等待后續處理。

1.2 控制器

為了能夠對基于單片機和LabVIEW的多路數據采集系統進行全過程嚴格控制，以保障順利完成數據采集以及后續的分析處理等工作。

本文還通過結合系統具體設計要求，選擇將下位機的硬件控制中心設計成內核為8051的STC12C5A60S2單片機，其包含計數器和定時器以及FLASH等在內的眾多組件，可以對數據信息采集以及數據信息的加工處理、存儲利用等實現全過程控制，符合多路數據采集系統對于控制器的設計要求，并且該控制器的體積相對較小，屬于一種微型控制器，因而對于控制系統設計成本、系統運維管理等也具有積極的促進作用。

1.3 串口通信

本文所設計的單片機和LabVIEW下的多路數據采集系統，上位機硬件PC主要是通過利用RS232實現與下位機單片機的信息通訊。無論是下位機單片機的訊號輸入還是輸出，其全部為TTL電平，其中邏輯1和邏輯0分別大約為3.8V以及0.4V。

而在RS232串口通訊下，上位機PC通過利用該串口通訊協議中的負邏輯，在保障高低信號幅度變化巨大的情況下才能有效達到信息通訊的目的。因此本文在設計基于單片機和LabVIEW的多路數據采集系統當中，將邏輯1和邏輯0的范圍分別設計在-15到-5V以及+5到+15V的范圍內，并且在絕大多數時候直接將邏輯1和邏輯0設計為-10V以及+10V，隨后通過利用MAX232E芯片將外界電路由原來的TTL電平轉化成符合RS232串口通訊的電平，為上下位機之間的信息通訊創造有利條件[2]。

2 基于單片機和LabVIEW的多路數據采集系統軟件設計

2.1 通訊協議

考慮到任何系統在信息通訊方面均需要具有較高的安全可靠性和實時性，因此本文同樣在設計基于單片機和LabVIEW的多路數據采集系統過程中，立足這一點選擇自主制定RS232通訊協議，使得系統當中所使用的RS232通訊協議一方面包含所有基礎信息通訊格式，譬如波特率、數據位等，另一方面也包含其他各種與之相關的通訊協議約定，比方說數據塊格式定位、數據頭標識符號等。

具體來說，本文所設計的系統當中，基本信息數據格式采用8位的數據為，波特率和停止位分別為115200和1，N為奇偶校驗位，下位機在接收從上位機傳輸的通訊命令時，需要上位機和下位機確保數據傳輸和信息收集命令同時開啟，在每隔20ms進行信息高、低字節的收集過程中，下位機操作人員可以參照實際情況隨時調整和修改數據信息。而上位機在傳輸信息數據至下位機的過程中，信息數據格式為“數據起始符+下位機設置的7位字節數據塊+信息結束標記符號”。

設計的下位機信息塊需要充分結合系統自定義數據塊的真實大小，在該多路數據采集系統當中信息塊含有7個字節，除了第一個字節作為信息收集通道號之外，其他所有字節均為專門在采集通道中設置的報警門限定值及采集數據的時間間隔。

此外，值得注意的是，在設計RS232通訊協議軟件時，考慮到系統的實際需要，采用結合RS232中斷以及查詢的方式，利用串行中斷收集上位機發出的一幀通訊指令，利用查詢方式接收經由上位機傳輸至下位機當中的數據信息。

2.2 上位機

在上位機中，LabVIEW軟件負責完成將傳輸和收集數據的指令傳達至下位機處，并同時接收下位機反饋回的信息數據，對其進行相應分析處理。通常在上位機LabVIEW運行界面當中包含串口以及下位機數據設置等在內的眾多功能，在本文設計的基于單片機和LabVIEW的多路數據采集系統當中，收集數據為5路模擬量數據，假設有對輸入通道量擴展的必要，則可以將5路報警門作為限值。如果收集信息超出原有報警門限值，此時下位機將會立即進行聲光報警，提醒管理人員注意。

而LabVIEW軟件中的信息顯示和實時曲線則分別負責對某一信息收集途徑或通道當中的實時信息及其曲線進行準確顯示。

2.3 下位機

在下位機LabVIEW軟件設計當中，其在開始運行后首先需要判定Recflag是否等于0X01，如果判定結果為是則需要制定采集通道參數設置處理，并進行指定通道號的數據采集，采集數據均值濾波之后采集數據超出報警門限值，如果采集數據并未超過報警門限值，則需要立即向上位機發送采集數據。

但如果采集數據確實超過報警門限值，則需要立即啟動聲光報警，并暫停數據采集，此時應當立即向上位機發送停止接收采集數據標識符0XFFB。在順利將采集數據發送至上位機后，如果Recflag等于0X02，則停止指定通道號數據采集即可。

2.4 報警參數設置

為保障系統的安全、正常運行，本文在對系統進行設計的過程中還增加了報警參數設置程序，通過運用數值至十進制數字符串轉換模塊對輸入的數據進行格式轉換，并運用條件結構對輸入數據與否進行判斷。如果判斷有數據輸入時，通過利用該數字符串轉換模塊對其進行格式轉換后再進行相應輸入。但如果判斷無數據輸入時，系統將直接使用默認參數設置。在運行使能的作用下，監測系統可以同時具備開啟以及關閉的功能，并且有相應的LED指示燈對其進行區分。

3 結論

本文通過對單片機和LabVIEW下的多路數據采集系統進行設計，指出在該系統的硬件部分中，選用多路模擬信號傳輸器以及A/D轉換電路等構成其信息收集板塊，使用STC12C5A60S2單片機作為其微型控制器并采用RS232串口通訊實現上下位機的信息通訊。

而在系統的軟件部分中，上下位機的信息收集和反饋則分別使用串行中斷與查詢的方式，利用Recflag設計其具體操作流程。但由于受到篇幅限制以及筆者自身學識限制，本文僅從理論角度對多路數據采集系統設計進行研究，并未對設計系統的實際應用予以驗證，因此在后續研究中有待加強。

參考文獻

[1]李瑤.基于LabVIEW和MSP430的分布式數據采集系統[J].自動化與儀器儀表，2017（3）：127-130.

[2]劉金梅，王東穎，劉立超，等.基于LabVIEW串口通信的多路數據采集系統設計[J].北華航天工業學院學報，2012，22（4）：16-18.