基于NI虚拟仪器和nRF9E5单片机的串口通讯

刘擘，梁哲兴

基于NI虚拟仪器和nRF9E5单片机的串口通讯

刘擘1，梁哲兴2

（1. 海军驻712所军代室，武汉 430064；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

针对多通道、长距离的数据传输，本文采用串口通讯方式，基于NI工控机和nRF9E5单片机硬件平台，并通过试验验证。

串口通讯 NI虚拟仪器 nRF9E5单片机

0 引言

单片机与上位PC机的通讯方式有并行通讯和串行通讯。与并行通信相比，串行通信速度比较慢，不过由于其硬件连接占用硬件资源较少（只需两根线），信号传输距离远，使得串行通讯应用广泛。

本项目要求实现对多个检测通道数据的远距离传输处理，故采用串行通讯。

串口通讯由硬件平台和软件平台两部分组成。硬件平台是由NI虚拟仪器和nRF9E5单片机组成，其中NI虚拟仪器作为串口通讯的上位机，nRF9E5单片机作为串口通讯的下位机。

1 硬件平台

1.1 nRF9E5单片机

nRF9E5单片机是系统级无线射频收发芯片，内嵌高性能8051MCU，4通道12位ADC信号采集。内置nRF905收发器，包括所有nRF905芯片特性，可以工作在shockburstTM模式下（自动处理前缀，地址和CRC），最大程度的抑制了噪声，工作电压范围为1.9～3.6 V。

其原理框图如下图所示。

1.2 NI虚拟仪器

所谓虚拟仪器，是以PC机为基础，配以相应测试功能的硬件作为信号输入/输出的接口，完成信号的采集、测量与调理，从而实现各种测试功能的一种计算机化仪器系统。

NI虚拟仪器由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分构成，如图2所示。

通用仪器硬件平台是虚拟仪器工作的基础，主要由PC机和信号采集调理装置组成，用于完成输入信号的采集、放大、模/数转换和信号输出控制等，其中PC机用来提供实时高效的数据处理性能，信号采集调理装置主要用来采集、传输信号，本项目采用性价比高、通用性强的PXI系统，PXI系统主机为NI PXI 1042，数据采集设备选用了一块PXI 6229多功能数据采集卡，它有32路16 Bit模拟量采集口和48路双向数字量接口，最大采样率为240 kS。

应用软件是虚拟仪器的核心，虚拟仪器可以在相同的硬件平台下，通过不同的测试功能软件模块的组合，实现功能完全不同的各种仪器。目前应用最为广泛的虚拟仪器软件开发工具就是美国NI公司推出的实验室虚拟仪器工程平台LabVIEW，它是一种基于G语言的32位编译型图形化编程语言，它采用模块化、结构化的设计思想，提高了编程效率，增强了软件的可维护性和可扩展性。

NI虚拟仪器具备GPIB，串口，以太网，USB等多种接口，可实现各种信号的采集、分析处理和数据传输等功能。

2 软件平台

nRF9E5单片机内嵌8051系列微控制器，可在Keil C51调试软件平台上用C语言编程，编译完成后通过仿真器将程序下载到单片机ROM中。

NI虚拟仪器软件采用Labview 8.2版本，进行图形化程序编辑处理。

3 设计及实现

3.1 工作原理及方式

由于nRF9E5单片机具有无线收发功能，所以在本项目中，由1个nRF9E5单片机作为通讯管理单元，其他每个nRF9E5单片机作为单个信号检测通道，共计16个通道。通讯管理单元与NI虚拟仪器采用串口通讯方式，与16个信号检测通道采用无线通讯方式，在本文中，主要论述的是通讯管理单元与NI虚拟仪器的串口通讯。原理如图3。

通讯采用被动方式，即通讯管理单元不会主动向NI虚拟仪器传送数据，必须由NI虚拟仪器向通讯管理单元发出读写指令，通讯管理单元才会做出相应的反应。

NI虚拟仪器与通讯管理单元进行串口通讯，通讯采用轮流查询等方式，每路无线收发单元的地址都不相同。根据需要，无线收发单元的地址用三个ASCII字符表示，地址范围从000～015，即可有16路单片机通过通讯管理单元与上位机进行串口通讯。通讯管理单元与上位机应设置相同的通讯速率，在此设定为19 200 bit/s。

3.2 软件设计框图

下位机和上位机的程序流程框图如图4和图5所示。

上位机每向单片机发一指令，单片机在0～500 ms内做出应答，而上位机也必须等单片机返回数据后，才能发新的指令，上位机接收转发送应至少延时10 ms。如果单片机超过最大响应时间仍没有应答，或应答数据不齐，则原因可能无效指令、通讯线路故障，单片机没有开机，通讯地址错误等。

上位机发出写数据指令后，如果单片机返回“NAK”，可能是数据传输错误，也可能是上位机发送的数据无效，单片机不能接收此数据。

3.3 程序设计

上位机发送命令和接收数据的程序。

对于读采集通道的数据操作，上位机首先向单片机发送读数据的命令。单片机接收到指令后，首先进行校验，若不正确则进行相应处理，若正确则判别上位机读数据的地址是否和该单片机的地址相同，相同则发送数据，不同则轮询。当上位机接收到这组数据后，上位机就把该组数据和发送给单片机的数据作比较，如果两者一致，上位机开始准备接收数据串。数据串的个数，单片机在返回上位机的命令后会跟着一个关于数据量的字符，将该字符转化为数字量后就是数据串的大小。若比较结果不一致，上位机则会采取措施将错误的代码进行保存，供操作者识别。

4 结语

串口通讯连续运行15小时，没有出现通讯错误。通讯错误在程序设计中分为两大类：一类是发送和接收数据长度一致，但在通讯过程中由于某些因素出现数据不一致；另一类是发送和接收数据长度不一致，或者是接收不到数据（数据丢失现象），原因可能是通讯暂时中断或其它。这两类错误在程序设计中分别用不同代码表示。通讯错误与正确数据一样，都保存在同一文件，且通讯错误的出现不会影响程序的正常运行。

模拟试验结果表明，通讯管理单元与NI虚拟仪器的串口通讯设计是正确的。

[1] nRF9E5中文手册2006版. 迅通科技.

[2] 陈兴华, 梁哲兴, 陈树衡. 虚拟仪器及其应用. 船电技术，2006（增刊）.

Serial Communication Based on NI Virtual Instrument and nRF9E5 Single Chip Microcontroller

Liu Bo1, Liang Zhexing2

(1. Naval representatives Office in 712th Institute, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China

TN915

A

1003-4862（2013）12-0052-03

2013-07-18

刘擘(1980-),男，工程师。研究方向：通讯工程。