单片机和LabVIEW下多路数据采集系统的设计研究

董鹏 鲍印虎 张占美

摘 要 通过将多路数据采集系统作为主要研究对象，使用包括文献研究法等在内的众多研究方法，在着重围绕单片机和LabVIEW下的多路数据采集系统进行简要分析研究。分别从硬件设计和软件设计两个角度出发，以STC12C5A60S2作为硬件控制核心，以LabVIEW 2016作为上位机的软件开发平台，设计出一款多路数据采集系统，以有效实现对种类繁杂的数据的采集和分析处理、准确显示等功能，实现系统的长久稳定、安全可靠运行。

关键词 单片机；LabVIEW；多路数据采集系统

中图分类号 TN91 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）210-0106-02

通常在设计多路数据采集系统的过程中，经常会使用上位机PC与下位机单片机或是上位机LabVIEW以及数据采集卡两种不同的系统结构。但相比之下，前者需要花费更多的开发时间和精力，并且具有较高的专业性和复杂性，而后者则通过直接使用LabVIEW图形化编程语言，便可以简单、快捷地完成编程和开发工作，但同样其也存在着成本高昂等局限性。

因此，本文通过创造性地采用上位机LabVIEW以及单片机的系统结构，在此基础上进行多路数据采集系统的设计，希望能够为相关设计人员提供更多设计方法与思路。

1 基于单片机与LabVIEW的多路数据采集系统硬件设计

本文通过立足单片机以及LabVIEW进行多路数据采集系统的设计，将该系统当中的硬件部分细分为两大部分，分别为上位机以及下位机。其中上位机直接选用LabVIEW图形化编程语言，其对于硬件的要求相对较低，基本上绝大多数PC均可以满足其硬件要求。因而本文将重点探究下位机的硬件设计。

1.1 采集数据

基于LabVIEW和单片机的多路数据采集系统当中，下位机主要包括多路模拟信号、多路传感器以及信号预处理、单片机等在内的众多组件，负责完成对各路信息数据的采集以及分析整理等工作。因此在信息采集板块当中，电路设计直接使用系统本身带有的A/D转换功能控制器，依托嵌入式系统硬件设计的相关标准要求进行电路设计[1]。

在信号预处理阶段，设计通过使用计算放大器电流，以进一步增强经由传感器传输的微弱信号，使其可以有效达到A/D转换输入电压标准。在开始进行数据转换时，首先根据实际情况设置A/D转换相关控制寄存器，而后启动A/D转换功能，在完成转换之后系统将自动读取转换结果，并对其进行合并，随后将A/ D转换结果暂时存储在数据缓冲区当中等待后续处理。

1.2 控制器

为了能够对基于单片机和LabVIEW的多路数据采集系统进行全过程严格控制，以保障顺利完成数据采集以及后续的分析处理等工作。

本文还通过结合系统具体设计要求，选择将下位机的硬件控制中心设计成内核为8051的STC12C5A60S2单片机，其包含计数器和定时器以及FLASH等在内的众多组件，可以对数据信息采集以及数据信息的加工处理、存储利用等实现全过程控制，符合多路数据采集系统对于控制器的设计要求，并且该控制器的体积相对较小，属于一种微型控制器，因而对于控制系统设计成本、系统运维管理等也具有积极的促进作用。

1.3 串口通信

本文所设计的单片机和LabVIEW下的多路数据采集系统，上位机硬件PC主要是通过利用RS232实现与下位机单片机的信息通讯。无论是下位机单片机的讯号输入还是输出，其全部为TTL电平，其中逻辑1和逻辑0分别大约为3.8V以及0.4V。

而在RS232串口通訊下，上位机PC通过利用该串口通讯协议中的负逻辑，在保障高低信号幅度变化巨大的情况下才能有效达到信息通讯的目的。因此本文在设计基于单片机和LabVIEW的多路数据采集系统当中，将逻辑1和逻辑0的范围分别设计在-15到-5V以及+5到+15V的范围内，并且在绝大多数时候直接将逻辑1和逻辑0设计为-10V以及+10V，随后通过利用MAX232E芯片将外界电路由原来的TTL电平转化成符合RS232串口通讯的电平，为上下位机之间的信息通讯创造有利条件[2]。

2 基于单片机和LabVIEW的多路数据采集系统软件设计

2.1 通讯协议

考虑到任何系统在信息通讯方面均需要具有较高的安全可靠性和实时性，因此本文同样在设计基于单片机和LabVIEW的多路数据采集系统过程中，立足这一点选择自主制定RS232通讯协议，使得系统当中所使用的RS232通讯协议一方面包含所有基础信息通讯格式，譬如波特率、数据位等，另一方面也包含其他各种与之相关的通讯协议约定，比方说数据块格式定位、数据头标识符号等。

具体来说，本文所设计的系统当中，基本信息数据格式采用8位的数据为，波特率和停止位分别为115200和1，N为奇偶校验位，下位机在接收从上位机传输的通讯命令时，需要上位机和下位机确保数据传输和信息收集命令同时开启，在每隔20ms进行信息高、低字节的收集过程中，下位机操作人员可以参照实际情况随时调整和修改数据信息。而上位机在传输信息数据至下位机的过程中，信息数据格式为“数据起始符+下位机设置的7位字节数据块+信息结束标记符号”。

设计的下位机信息块需要充分结合系统自定义数据块的真实大小，在该多路数据采集系统当中信息块含有7个字节，除了第一个字节作为信息收集通道号之外，其他所有字节均为专门在采集通道中设置的报警门限定值及采集数据的时间间隔。

此外，值得注意的是，在设计RS232通讯协议软件时，考虑到系统的实际需要，采用结合RS232中断以及查询的方式，利用串行中断收集上位机发出的一帧通讯指令，利用查询方式接收经由上位机传输至下位机当中的数据信息。

2.2 上位机

在上位机中，LabVIEW软件负责完成将传输和收集数据的指令传达至下位机处，并同时接收下位机反馈回的信息数据，对其进行相应分析处理。通常在上位机LabVIEW运行界面当中包含串口以及下位机数据设置等在内的众多功能，在本文设计的基于单片机和LabVIEW的多路数据采集系统当中，收集数据为5路模拟量数据，假设有对输入通道量扩展的必要，则可以将5路报警门作为限值。如果收集信息超出原有报警门限值，此时下位机将会立即进行声光报警，提醒管理人员注意。

而LabVIEW软件中的信息显示和实时曲线则分别负责对某一信息收集途径或通道当中的实时信息及其曲线进行准确显示。

2.3 下位机

在下位机LabVIEW软件设计当中，其在开始运行后首先需要判定Recflag是否等于0X01，如果判定结果为是则需要制定采集通道参数设置处理，并进行指定通道号的数据采集，采集数据均值滤波之后采集数据超出报警门限值，如果采集数据并未超过报警门限值，则需要立即向上位机发送采集数据。

但如果采集数据确实超过报警门限值，则需要立即启动声光报警，并暂停数据采集，此时应当立即向上位机发送停止接收采集数据标识符0XFFB。在顺利将采集数据发送至上位机后，如果Recflag等于0X02，则停止指定通道号数据采集即可。

2.4 报警参数设置

为保障系统的安全、正常运行，本文在对系统进行设计的过程中还增加了报警参数设置程序，通过运用数值至十进制数字符串转换模块对输入的数据进行格式转换，并运用条件结构对输入数据与否进行判断。如果判断有数据输入时，通过利用该数字符串转换模块对其进行格式转换后再进行相应输入。但如果判断无数据输入时，系统将直接使用默认参数设置。在运行使能的作用下，监测系统可以同时具备开启以及关闭的功能，并且有相应的LED指示灯对其进行区分。

3 結论

本文通过对单片机和LabVIEW下的多路数据采集系统进行设计，指出在该系统的硬件部分中，选用多路模拟信号传输器以及A/D转换电路等构成其信息收集板块，使用STC12C5A60S2单片机作为其微型控制器并采用RS232串口通讯实现上下位机的信息通讯。

而在系统的软件部分中，上下位机的信息收集和反馈则分别使用串行中断与查询的方式，利用Recflag设计其具体操作流程。但由于受到篇幅限制以及笔者自身学识限制，本文仅从理论角度对多路数据采集系统设计进行研究，并未对设计系统的实际应用予以验证，因此在后续研究中有待加强。

参考文献

[1]李瑶.基于LabVIEW和MSP430的分布式数据采集系统[J].自动化与仪器仪表，2017（3）：127-130.

[2]刘金梅，王东颖，刘立超，等.基于LabVIEW串口通信的多路数据采集系统设计[J].北华航天工业学院学报，2012，22（4）：16-18.