基于LabVIEW串口通信的数据采集串口收录系统设计

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可视化编程软件LabVIEW不仅能很轻松地将各种软硬件连接起来，还提供了强大的后续数据处理能力。与传统仪器相比，虚拟仪器提高了仪器资源的可再用性和可移植性，只需在原有基础上作相应改动即可增强它的功能，无需更换硬件设备[1]。基于此，本文在研究LabVIEW的基础上，开发了基于LabVIEW的串口收录系统，以单片机为核心的硬件部分作为前端数据采集系统，可实现200 kHz的采样速率、16 bit的分辨率，具有采样率高、应用性强等优点。该收录系统将采集数据以曲线方式显示在上位机上，以二进制.dat格式记录，并且可回放记录的数据，这是该系统的创新点。

1 系统总体方案

系统总体方案框图如图1所示，主要由前端数据采集和上位机波形显示记录两大部分组成。前端数据采集部分以单片机AT89C52为核心，8 KB内部ROM空间，硬件部分采集到的数据通过串口通信传送给上位机，收录系统实时显示、记录、回放接收的数据。


2 硬件部分的设计
2.1 数据采集部分

该部分采用美信公司的MAX306芯片和ADI公司的AD976芯片。MAX306内部提供16个信号通道，可在程序编程中指定某通道，通道选择端由单片机P1口低4位控制，信号经过某通道后送入A/D；AD976采样率为200 kHz/s、分辨率为16 bit，采集信号范围为-10 V~+10 V，精度为(1/216)×VREF=(1/216)×20=0.305 mV。A/D数据传送端和单片机P0口相连，A/D控制端和P1口高4位相连。

2.2 串口通信部分

上位机和下位机通过RS-232串口进行数据接收和发送，传输介质为二芯屏蔽电缆，简单易用。下位机采用TTL电平，串口采用RS-232电平，因此串口通信需经过电平转换，电路采用MAX232电平转换芯片，串口采用母头接法。通信前先进行初始化，包括串口工作方式、通信波特率设定等，这在下位机软件中实现。

3 软件部分的设计

3.1下位机软件部分

下位机软件部分采用C51语言编写，这是专门为51系列单片机设计的高效率C语言编译器，符合ANSI标准，程序代码运行效率高，比汇编语言更简单易用[2]。

下位机软件程序流程图如图2所示。BUSY为转换结束状态标志位，BUSY=1表示转换完成可以读取，否则，继续转换。将读取结果送给AT89C52处理，转换为十进制后传送给液晶和上位机，喂狗部分防止程序跑飞。软件实现定点叠加平均数据处理、看门狗定时复位和冗余避错功能，将连续采集的3次数据求平均值，使得采集结果更准确。

其中十进制的转换是关键，转化公式是：
实际模拟量=(1/216)×VREF×ValueP0。
其中，VREF为A/D参考电压20 V，ValueP0为A/D转换后的二进制结果。

3.2 上位机软件部分

上位机软件部分采用LabVIEW语言编写，程序中用到VISA资源包。VISA是虚拟仪器软件构架的缩写，是仪器编程的标准I/O API，可控制GPIB、串口、USB、以太网、PXI或VXI仪器，并根据使用仪器的类型调用相应的驱动程序，用户无需学习各种仪器的通信协议[3]。

LabVIEW收录系统程序流程图如图3所示。按下开始读取按钮后，程序进行串口配置，串口配置好后通信分两路实现，分别用于数据读取和数据存储：读取的数据显示在波形图标中；数据以二进制格式.dat文件存储在硬盘中。存储之前程序弹出对话框让用户指定存储路径。波形显示采集数据的同时，还可以回放之前已存储的数据文件，实现采集和回放同时进行。

3.2.1 上位机软件实现过程

软件编写要用到VISA Configure Serial Port.vi、VISA Property Node.vi、VISA read.vi、VISA Close.vi、Write To Binary File.vi及Graph Chart.vi[1]。其功能分别是：
(1)VISA Configure Serial Port.vi用于串口配置，如串口资源名、波特率、数据位数、停止位、校验位等的设置。
(2)VISA Property Node.vi用于读取属性，将接收到的数据全部读出来。
(3)VISA Read.vi用于读取串口接收来的数据。
(4)VISA Close.vi释放串口资源，关闭函数。
(5)Write To Binary File.vi将接收数据以二进制形式保存起来。
(6)Graph Chart.vi用于显示采集波形。

3.2.2 LabVIEW系统界面和程序

根据上位机软件设计流程图，利用NI公司的可视化编程软件LabVIEW编写完成的系统界面如图4所示。运行前，用户只需设置串口资源，选择串口号、波特率大小、传输数据位数、停止位、校验位等。串口工作在方式1，传输1帧信息为10 bit，其中1 bit起始位、8 bit数据位(先低位后高位)、1 bit停止位[4]。

图4上面部分为开始读数据、停止读取、回放、停止回放和退出系统5个控制按键。两个图形控件分别显示读取波形和回放波形，读取值以数字形式显示在读取值窗口。系统界面还可以利用LabVIEW自身强大的数据处理能力，借助内部处理函数进行波形调理、波形测量、FFT变换和滤波等。


4 测试与结论

将下位机程序下载到单片机，打开电源，按下采集独立按键，给MAX306某通道加上2 V左右的电压信号，测得结果如图4所示。借助信号发生器给单片机输入-10 V~+10 V范围内的任意波形，在上位机均可得到相应波形。

本文利用单片机采集数据，使用LabVIEW编写串口接收数据界面，将结果以二进制.dat格式存储起来，带查看回放功能，较好地实现了数据采集的实时显示和存储，达到了系统的设计要求和预期目标。该LabVIEW显示界面可应用于其他具有串口接口的数据采集系统，目前已应用于航空物探部分数据的收录。