基于单片机和LabVIEW的多路数据采集系统设计

夏妍 孙硕

摘要 本文设计多路数据采集系统时，设计思想采用虚拟仪器，在LabVIEW软件平台基础上，以单片机系统作为数据采集部分，分析了该系统的具体设计过程，旨在为实际设计工作提供参考。

【关键词】单片机 LabVIEW 多路数据采集系统 设计

虚拟仪器是一种软硬件测试平台，以计算机为基础，已经广泛的应用到工业控制领域。美国国家仪器公司基于虚拟仪器软件开发平台，推出了LabVIEW，其主要面向的领域为计算机测控领域，集中了图形开发、调试及运行功能。多路数据采集系统利用LabVIEW设计时，多路信号的模拟采集通常利用NI公司的数据采集板卡，但数据采集板卡的价格比较高，导致开发成本大，而且开发周期也比较长。为解决该问题，本文以单片机代替数据采集板卡，促进开发成本降低的同时，提升数据采集效率。

1 系统硬件设计

本文设计多路数据采集系统过程中，系统构成包含两部分，一部分为上位机，采用LabVIEW;另一部分为下位机，单片机即设置在此部分中，系统原理图见图1。

通常，上位机并不会较高的要求硬件，选择普通PC即可，而下位机则对硬件要求较高，因此，本节主要介绍下位机硬件的设计方法。按照实际需求，下位机功能模块主要包含三部分，分别为信息收集模块、微型控制器、RS232串行通讯模块。

1.1 信息收集模块

该模块由多部分构成，如多路模拟信号传输器、数据预处理电路。设计信息收集模块电路时，一般采用两种方式，一种为信息收集电路利用单独电子元件构建，另一种为通过系统内部控制器所具备的A/D功能设计。嵌入式系统情况下，根据其硬件设计理论，本文在进行信息收集模块电路设计过程中，采用第二種方式，使用现购买的多路模拟信号传感器。在信号预处理部分，计算放大器电流为其主要使用的，增强原本比较微弱的传感器信号，使A/D转换输入电压需求得到满足。

1.2 微型控制器

根据信息收集模块的设计方案，结合系统对微型控制器能力的要求，下位机硬件控制中心选择STC12C5A60S2单片机，原因是此类型单片机以8051内核为基础建立，并具备机械周期/单时钟功能，同时，该单片机内部还设置有FLASH、计数器、定时器、SRAM等，可将信息收集、控制期间的功能要求有效满足，并与微型控制器的设计要求相符合。

1.3 RS232串行通讯模块

上位机与下位机之间进行信息通信时，通过RS232串行通信模块实现。在下位机的单片机中，无论是输入讯号，或是输出信号，电平均为TTL，逻辑1、逻辑0均分别约为3.8V、0.4V。以串行接口协议为依据，RS232具有如下特征：采用负逻辑、高信号与低信号间的变化幅度应非常大，基于此，设计逻辑1电压范围时，选择-15—-5V，而逻辑O的电压范围则选择+5～_15V，一般来说，逻辑1设置为-10V、逻辑O设置为+10V[2]。由此一来，TTL电平需要进行转变，变为RS232电平，本文采取的实现此种转变的方法为添加MAX232E芯片。

2 系统软件设计

2.1 RS232通信协议约定

上位机要想可靠的、真实的与下位机通信，RS232通信协议必须要自制定。在RS232通信协议中，包含的约定内容比较多，如波特率、停止位、数据格式定义、数据头标识符等。本文设计过程中，RS232通信协议包含几下几方面约定：

2.1.1 基本通信数据格式

波特率设置为115 200，数据位共8位，以1作为停止位，奇偶校验位设置为N。通信命令格式完整情况下，上位机将其发送给下位机时，按照如下约定进行：上位机把参数设置发送给下位机，同时，数据采集命令启动，此命令共包含三方面的内容：

（1）数据起始标识符，为OX55+OXA5形式，

（2）下位机设定参数数据块，字节共7个，

（3）数据结束标识符，为oxcc。

其中，确定第二方面内容的大小时，可以系统自定义的数据块大小为依据，本系统中，数据块自定义为7块，因此其字节也为7个。数据采集完成后，上位机再把停止数据采集命令发送给下位机，数据采集工作完成。

2.1.2 采集数据格式

下位机数据采集工作完成后，要将其发送给上位机，发送时应按照采集数据高字节+低字节的格式进行。下位机开展数据采集工作时，设定20s为时间间隔，实际应用中，可按照实际情况作出相应的修改。

2.2 下位机单片机软件设计

此部分软件设计中，工作主要包含三方面：

（1）数据采集功能模块设计，A/D转换功能为STC单片机的内置功能，通过该项功能，数据采集功能模块采集外部多路模拟量的数据。

（2） RS232数据通信功能模块设计，设计工作以RS232通信协议约定为依据进行，实现方法采取RS232中断与查询结合的方式，设计RS232通信程序时，利用串行中断法达到接收上位机一帧通信命令的目的，而下位机则通过查询功能将采集完成的数据发送给上位机。

（3）系统主程序功能模块，标志Recfiag由串行中断接收，查询并处理标志Recflag为此模块主要功能。

2.3 上位机LabVIEW软件设计

上位机将数据采集控制命令发送给下位机时，主要通过LabVIEW软件实现，同时，下位机将采集数据发送给上位机后，上位机也要利用LabVIEW进行接收、显示等。基于此种功能需求，在上位机LabVIEW前面板程序（见图2）中，主要包含以下几方面：

（1）串口通信参数设置模块：上位机及下位机通信时，RS232通信串口号等参数设置时利用此部分进行;

（2）下位机参数设置：数据采集命令发送给下位机前，需进行采集通道号等相关参数的设置，通过该模块实现，本系统设计过程中，数据采集模拟量设定为5路，输入通道数量需要扩展情况下，可以5路为基础，实施类推，5路报警门限值设定后，数据采集时，门限值被超过后，报警现象出现在下位机中，报警方式为声光，此时，系统管理者即可开展相应的处理：

（3）运行控制选项：功能包含下位机数据采集的启动或停止、数据存储等;

（4）实时数据显示：将某条采集通道实时的数据采集情况显示出来;

（5）实时曲线显示：以曲线方式显示实时的某采集通道数据。

接下来，本节即对上述各部分做具体的介紹。

2.3.1 串行通信功能模块

Instrument I/O>serial目录位于LabVIEW功能面板中，可满足串行通信需求的集成模块则包含在此目录中，通过该模块，能够将测控系统方便的设计出来。本系统设计过程中，需使用的串行通信模块包含以下几种：

（1）初始化时采用VISA onfigUre SerialPort;

（2）向VISA resource name指定的串行接口写入write buffer字符时采用VISA write;

（3）规定字节数的数据在VISA resourcename指定的串行接口读取时采用VISARead;

（4） VISA resource name指定的串行接口关闭时采用VISA Close。

2.3.2 实时数据处理及显示功能模块

数据从下位机中读取出来后，由数据处理模块做出相应的处理，已将实时显示等功能实现。在实时显示数据部分，会以波形图的方式、数值的方式显示出实时的处理后的数据。

2.3.3 下位机参数设置功能模块

该模块设置参数时，方式采用两种，一种为将设定值直接输入，一种为参数值预先设定好，具体采用何种方法，由用户自行选择。不过，本系统设计时，设置方式选择后者，以使用户的操作更加便利。实际上，参数值预先设定过程中，并非是具体的参数值，而是选择相应的参数序号，序号发送到下位机单片机中后，单片机在对应表中查找具体的设定参数值。此种方法有利于将通信数据长度减少，使数据通讯速度提高，并促进程序设计工作简化，原因是设定值超过255之后，要想将一个参数设置完成，上位机进行数据量上传时，需要的字节数量为2个。对于需设置的全部参数，依据HEX格式，该模块将其都放置到索引数组，之后利用VISA Write函数，向下位机发送参数。

2.3.4 运行控制选项功能模块

该模块实现运行控制选项时，采用的方式为事件驱动，相应VI程序编写到驱动事件中后，即可实现该模块的功能。

3 结论

设计多路数据采集系统过程中，利用LabVIEW平台及单片机之后，能够一定程度的简化设计过程，提高开发速度，同时，监控界面也更加美观。本文在单片机及LabVIEW基础上设计的系统经实践后，结果显示，上位机与下位机之间可以正常的通信，可实现采集并实时监测多路数据，具有较为广阔的应用前景。

参考文献

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[3]孙进，基于单片机的多路数据采集系统设计[J].信息通信，2014 （10）： 61-62.

[4]李辉，基于C8051F060单片机的多路数据采集系统设计[J].电子设计工程，2014， 22 （15）：186-190.

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