基于单片机和LabVIEW的数据采集系统设计

摘要:虚拟仪器(Virtual Instrument) 是基于计算机的软硬件测试平台, 它可代替传统的测量仪器。LabVIEW是由美国国家仪器公司(National Instruments Co.)推出的、主要面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台, 是一种基于图形开发、调试和运行的集成化环境。利用LabVIEW 设计的数据采集系统, 可模拟采集各种信号, 但是配备NI 公司的数据采集板卡比较贵, 因此, 可以选择单片机小系统作为前端数据采集系统, 进行采集数据, 然后通过RS- 232 串口通讯将数据送给计算机, 在LabVIEW 开发平台下, 对数据进行各种处理、分析, 并对信号进行存储、显示, 从而实现了一种在LabVIEW 环境下的单片机数据采集。 本文设计了一种基于单片机和LabVIEW的数据采集系统。系统设计包括两大部分：上位机设计和下位机设计。上机设计为LabVIEW系统的设计，主要针对数据处理，其主要功能为：接收下位机数据，存储数据，显示数据。下位机设计为单片机系统的设计，主要针对数据采集，其主要功能为：采样数据，上传数据。 关键词：LabVIEW；单片机；数据采集；虚拟仪器 数据采集介绍 数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。数据采集技术广泛引用在各个领域。比如摄像头，麦克风，都是数据采集工具。 ? ?? ? 被采集数据是已被转换为电讯号的各种物理量，如温度、水位、风速、压力等，可以是模拟量，也可以是数字量。采集一般是采样方式，即隔一定时间（称采样周 期）对同一点数据重复采集。采集的数据大多是瞬时值，也可是某段时间内的一个特征值。准确的数据量测是数据采集的基础。数据量测方法有接触式和非接触式， 检测元件多种多样。不论哪种方法和元件，均以不影响被测对象状态和测量环境为前提，以保证数据的正确性。数据采集含义很广，包抱对面状连续物理量的采集。 在计算机辅助制图、测图、设计中，对图形或图像数字化过程也可称为数据采集，此时被采集的是几何量（或包括物理量，如灰度）数据。 1.2 LabVIEW简介 LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区 别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。 ? ? 与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控 制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行 等等，便于程序的调试。 ? ? 虚拟仪器（virtual instrumention）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装 入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪 器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。下面的框图反映了常见的虚拟仪器 方案。 虚拟仪器的主要特点有： ? ? 尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。 ? ? 可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。 ? ? 用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。 ? ? 虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。 ? ? 虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至 在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。对虚拟仪器和 LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。 ? ? 普通的PC有一些不可避免的弱点。用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能太高。目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了VXI标准，这是 一种插卡式的仪器。每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕 上出现。这些卡插入标准的VXI机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。VXI仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的PXI标准仪器。 ? ? 虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。目前使用较多的是IEEE 488或GPIB协议。未来的仪器也应当是网络化的。 ? ? LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW 集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软 件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。 ? ? 图形化的程序语言，又称为“Ｇ”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所 熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系 统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。 ? ? 利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的３２位编译器。像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。 LabVIEW是一个具有革命性的图形化开发环境，它内置信号采集、测量分析与数据显示功能，摒弃了传统开发工具的复杂性，为您提供强大功能的同时还保证了系统灵活性。LabVIEW将广泛的数据采集、分析与显示功能集中在了同一个环境中，用户可以将其与任何测量硬件轻松连接。LabVIEW的交互式测量助手 (assistant) 、自动代码生成以及与成千上万个设备的简易连接功能，使它能够如此轻而易举地完成数据采集。LabVIEW带有超过450个内置函数，专门用于从采集到的数据中挖掘有用的信息，用于分析测量数据及处理信号。 1.3 本文工作与安排 结合LabVIEW的操作方便性和单片机系统的灵活性，本文设计了一种基于单片机和LabVIEW的数据采集系统。系统设计可分为两部分：上位机设计和下位机设计。上机设计为LabVIEW系统的设计，主要针对数据处理，其主要功能为：接收下位机数据，存储数据，显示数据。下位机设计为单片机系统的设计，主要针对数据采集，其主要功能为：采样数据，上传数据。 上位机设计主要为LabVIEW系统得设计。其设计内容有： 1.??????????????? 串口设计。LabVIEW通过串口和下位机进行数据传输，要完成的工作有：接受下位机串口发送的数据，解析数据传输的协议。 2.??????????????? 数据存取。将串口接收到的数据存放到硬盘相应文件中，读取文件中存放的数据。 3.??????????????? 数据显示。对接收到的数据进行显示。 下位机设计主要为单片机系统得设计。其设计内容有： 1.????? 串口设计。包括硬件设计(TTL电平到RS232电平的转换)，软件设计(通信协议的制定) 2.????? 人机接口设计。采样工作路数状态显示和采样工作路数控制。 3.????? A/D设计。包括硬件设计(A/D前端放大电路设计和A/D芯片电路设计)，软件设计(A/D工作控制设计)。