基于Labview的計算機與單片機的通信設計與實現(xiàn)

劉璐，袁戰(zhàn)軍，郭靜

（陜西國際商貿(mào)學院信息與工程學院，陜西咸陽712046）

在現(xiàn)代工業(yè)不斷發(fā)展和進步的過程中，控制系統(tǒng)也越來越復雜，數(shù)據(jù)的處理量也在不斷的提高，但是單片機的處理能力是有限的，從而無法滿足控制需求，所以分布式系統(tǒng)逐漸備受重視。在分布式系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集過程中主要是通過下位機實現(xiàn)，將收集數(shù)據(jù)實現(xiàn)進一步分析及處理是通過上位機實現(xiàn)[1]。因為單片機的價格較低，并且具有較高的可靠性，所以被廣泛應用到較為惡劣的工業(yè)環(huán)境中，分布式控制系統(tǒng)大部分都是使用單片機作為下位機。但是計算機的處理能力較強，并且具有良好的人際交互優(yōu)勢，所以其被作為上位機使用[2]。單片機和計算機通信一般都是使用串口通信模式，其主要是利用數(shù)據(jù)信號線、控制線和地線等按位實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的方式。Labview屬于以數(shù)據(jù)流為基礎的圖形化編程環(huán)境，其被廣泛應用到控制領域和檢測方面。因為程序屬于圖形化框圖的形式，在人機交互過程中具有一定的優(yōu)勢，并且其逐漸成為上位機的編程軟件[3]。基于此，本文就實現(xiàn)了基于Labview的計算機和單片機通信設計。

1 系統(tǒng)硬件的設計

文中所設計的通信硬件主要包括4部分，圖1為計算機和單片機的線路設計結構，計算機屬于上位機，其主要目的就是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送、接受及人機交互。單片機作為下位機，其主要目的就是實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)接口和發(fā)送[4]。

圖1 計算機和單片機的線路設計結構

首先，通過單片機、電阻、晶振和電容創(chuàng)建單片機最小的系統(tǒng)，基于最小系統(tǒng)，根據(jù)MXA232芯片實現(xiàn)DB9串行端口的引出。使單片機串口到計算機和TXD中發(fā)送，并且接收到RXD的連接，單片機串口接收到計算機和RXD串口的連接對TXD相連進行發(fā)送，并且將兩者和單片機的I/O引腳相互連接[5]。圖2為串口通信顯示系統(tǒng)硬件的電路結構。

圖2 串口通信顯示系統(tǒng)硬件的電路結構

2 系統(tǒng)軟件的設計

2.1 通信協(xié)議

系統(tǒng)中的計算機屬于主控機，其主要作用就是控制下位單片機，實現(xiàn)下位機發(fā)送數(shù)據(jù)的存儲和處理，程序使用Labview進行編寫。下位單片機的主要目的就是實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的監(jiān)控對象檢測及控制，程序使用匯編語言進行編寫。為了能夠有效提高通信過程中的可靠性，通信雙方要簽訂相應的通信協(xié)議，也就是雙方都需要遵守的約定。比如，數(shù)據(jù)傳輸格式、校驗格式及波特率等[6]。本文實現(xiàn)的通信協(xié)議主要為：使用RS-232異步通信，數(shù)據(jù)傳輸格式為11 bit。

2.2 單片機程序

圖3為單片機主函數(shù)的程序流程，圖4為單片機串口中斷函數(shù)的程序流程。其中的參數(shù)要和上位機參數(shù)設置相同，比如奇偶校驗、波特率等，通過對語句判斷，將標識位去除，全面解析上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)，之后使數(shù)據(jù)能夠到串口緩沖區(qū)寄存器進行寫入。為了能夠將數(shù)據(jù)通過液晶充分的展現(xiàn)出來，就要根據(jù)液晶驅動時序圖實現(xiàn)數(shù)據(jù)、寫指令等一系列時序的設置，然后實現(xiàn)串口通信及液晶顯示時序的匹配。因為液晶要具有一定的時間，而且串口通信數(shù)據(jù)收發(fā)比較快，無法接收某個字節(jié)并且將此字節(jié)顯示處理，所以就要將接收數(shù)據(jù)到另外數(shù)組中通過中斷方式充分展現(xiàn)[7]。

圖3 單片機主函數(shù)的程序流程

圖4 單片機串口中斷函數(shù)的程序流程

2.3 Labview部分的設計

Labview具有5個串行通信節(jié)點，其主要功能就是串口設置、串口讀、串口寫、串口緩存的檢測、中斷等多種功能，此節(jié)點都是在功能模板的I/O子模板中設置[8]。

串口通信節(jié)點使用過程比較簡單，并且容易理解，以下為其節(jié)點的定義、功能及使用方法。

1）初始化。圖5為初始化串口的設置，其主要功能就是實現(xiàn)數(shù)據(jù)位、波特率、奇偶校驗位、停止位等的設計，其在通過計算機對串口儀器設備進行控制的過程中會使用，在使用串口通信之前，要實現(xiàn)串口的配置，從而實現(xiàn)正常通信[9]。

圖5 初始化串口的設置

2）串口寫。圖6為串口寫的設置，此節(jié)點將需要送到數(shù)據(jù)發(fā)送到串口輸出緩存中。

圖6 串口寫的設置

3）檢測串口緩存字節(jié)數(shù)。圖7為檢測串口緩存字節(jié)數(shù)的設置，在使用此節(jié)點檢測到目前串口輸入緩存中已經(jīng)具有的字節(jié)數(shù)，之后制定serial port read節(jié)點，通過串口輸入緩存實現(xiàn)字節(jié)數(shù)的讀取，從而保證以此就能夠將緩存數(shù)據(jù)全部讀取[10]。

圖7 檢測串口緩存字節(jié)數(shù)的設置

4）串口讀。圖8為串口讀的設置，通過串口緩存實現(xiàn)端端口制定長度數(shù)據(jù)的讀取。

圖8 串口讀的設置

5）串行通信設計。圖9為串行通信的設計。

圖9 串行通信的設計

3 Labview編程實現(xiàn)計算機和單片機的通信

在通過Labview開發(fā)環(huán)境創(chuàng)建程序的過程中，其主要包括程序板、程序調試和框圖程序的設計，前面板設計的主要目的就是實現(xiàn)良好人機交互界面的生成，用戶利用操作控件實現(xiàn)操作，并且實現(xiàn)輸入?yún)?shù)的設計，還能夠實現(xiàn)輸入量指示器的設計，從而顯示數(shù)據(jù)。框圖程序設計的主要目的就是實現(xiàn)數(shù)據(jù)端口、節(jié)點及連線的程序設計[11]。圖10為計算機和單片機通信的結構圖。

圖10 計算機和單片機通信的結構圖

3.1 前面板設計

以本文設計要求，在DDS信號源掃頻模式前面板設計窗口中利用添加控件板數(shù)值實現(xiàn)控件輸入、開關、按鈕等一系列的操作，利用DDS實現(xiàn)起始掃描及頻率截止、掃描周期、掃描步進等輸入數(shù)值，以此實現(xiàn)數(shù)據(jù)的控制。能夠對按鈕的形狀、位置、控制量精度、名稱進行調整，通過控件選板實現(xiàn)I/O口資源名稱控件的添加，從而能夠實現(xiàn)串口通信設備的安裝。并且根據(jù)不同的信號，實現(xiàn)跳頻、單頻工作模式前面板的設計，從而使操作更加便捷及簡單[12]。圖11為前面板的設計結構。

3.2 框圖程序的設計

在實現(xiàn)框圖程序設計的過程中，要在框圖窗口面板中選擇滿足需求的節(jié)點圖表，之后在框圖中通過端子和其相互連接，這個時候要使用單片機為AD芯片控制寄存和幅度、頻率、駐留時間和步進等一系列的寄存器實現(xiàn)控制字信息的發(fā)送，在通過Labview實現(xiàn)設計單片機和計算機通信的時候，要使前面板輸入DDS掃頻起始頻率、掃頻步進、截止頻率、掃頻周期等十進制數(shù)值通過相應運算轉換成為十六進制數(shù)值，使用VISA寫入函數(shù)使緩沖區(qū)相應的十六進制數(shù)據(jù)到VISA資源名稱進行接口及設備的寫入，最后對單片機進行發(fā)送[12-13]。圖12為單片機和計算機框圖程序的設計。

圖12 單片機和計算機框圖程序的設計

4 主機通信軟件的實現(xiàn)

4.1 基本功能模塊

現(xiàn)代串口通信程序開發(fā)過程中，在計算機操作系統(tǒng)中一般使用VC、VB等高級語言進行編寫，在使用其實現(xiàn)串口通信程序開發(fā)過程中，開發(fā)人員要面臨較為繁瑣的API函數(shù)編程，使用文本語言編寫串口通信較為復雜，并且花費時間比較長，所以在實現(xiàn)主機通信程序設計的過程中，都使用Labview圖形化語言進行編程，其能夠將高級語言函數(shù)封裝成為圖形功能模塊，圖標之間的相互連線能夠實現(xiàn)功能模塊的相互傳遞，其編程較為簡單，能夠直接使用[14]。

4.2 基本步驟

首先對VIS進行調用，從而設置串口參數(shù)，包括比特率、串口號及數(shù)據(jù)中的停止位、位數(shù)、數(shù)據(jù)流量控制及奇偶檢驗，假如初始化沒有問題就使用此串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，在串口結束使用過程中，通過VIS結束和相應串口進行對話[15]。圖13為VISA調用的工作流程。

圖13 VISA調用的工作流程

5 系統(tǒng)運行調式

根據(jù)軟件和硬件的設計實現(xiàn)以Labview為基礎的計算機和單片機串口通信的設計，通過上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)123的發(fā)送，單片機在接收到數(shù)據(jù)之后到上位機進行返回，并且在液晶屏中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示，從而能夠實現(xiàn)計算機和單片機的數(shù)據(jù)通信[16]。

6 結束語

Labview屬于虛擬儀器開發(fā)的工具，圖形化編程界面能夠使開發(fā)人員便于開發(fā)理想虛擬儀器程序，并且Labview還具有較為強大的網(wǎng)絡功能，通過Labview開發(fā)更加便捷。本文實現(xiàn)Labview實現(xiàn)了計算機和單片機的通信設計，通過最后調試表示，本文所設計的通信能夠實現(xiàn)計算機數(shù)據(jù)的實時通信，并且提高通信的精準度。