一種基于 MCS51 的低成本LabVIEW實驗教學(xué)系統(tǒng)

0 引言

NI 公司于20 世紀(jì)70 年代提出了虛擬儀器的概念。虛擬儀器是在以計算機(jī)為核心的平臺上，由用戶設(shè)計，具有虛擬面板，由軟件實現(xiàn)測試功能的計算機(jī)儀器系統(tǒng)，是計算機(jī)與測試儀器相結(jié)合的產(chǎn)物。虛擬儀器最常用的編程語言為LabVIEW,是NI公司的基于圖形化編程語言的虛擬儀器開發(fā)工具，利用它可以輕松組建一個測試系統(tǒng)而無需進(jìn)行繁瑣的代碼編寫。因此虛擬儀器大大突破了傳統(tǒng)儀器在靈活性，以及數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲等方面的不足，其主要優(yōu)勢在于：用戶能夠根據(jù)需求靈活的進(jìn)行功能修改和擴(kuò)展;人機(jī)界面為視窗界面，形象直觀;網(wǎng)絡(luò)連接簡單易行，便于組建測控網(wǎng)絡(luò)。

目前虛擬儀器在通信、汽車、測控等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。相應(yīng)的各大高校也在NI公司的支持下，陸續(xù)開設(shè)了虛擬儀器課程，組建了相關(guān)的實驗室，如西安交大利用虛擬儀器講授信號處理;天津大學(xué)開設(shè)的智能檢測儀器課程。

目前國內(nèi)高校教授虛擬儀器課程使用的信號采集板多為NI 公司的數(shù)據(jù)采集板卡，如USB600X,USB92XX,PCI62XX 系列。這類板卡雖然性能優(yōu)良，配套軟件齊備，但是作為高校教學(xué)也存在不足之處。首先NI公司只賣板卡不賣技術(shù)，這樣在教學(xué)中教師和學(xué)生只能使用板卡，而不能掌握虛擬儀器硬件系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)和技術(shù)細(xì)節(jié);其次這類板卡一般價格較貴，普遍在2 000元以上，相對高校而言開課成本太高，這一點對于欠發(fā)達(dá)地區(qū)的一般學(xué)校尤為突出。

本文利用廉價的MCS51單片機(jī)設(shè)計了包含常用傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊與USB 通信接口的LabVIEW 實驗教學(xué)系統(tǒng)，并編制了常用的實驗案例程序，滿足了本科生虛擬儀器實驗教學(xué)的需要，且成本相對于NI的產(chǎn)品大大降低，針對高校市場具有良好的推廣前景。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)由前端傳感器、單片機(jī)數(shù)據(jù)采集以及USB通信接口幾部分組成，如圖1所示。

1.1 前端傳感系統(tǒng)

虛擬儀器實驗系統(tǒng)的前端傳感器將待測的物理量轉(zhuǎn)換成電量(電流或電壓)，作為后面采集處理系統(tǒng)的輸入信號，是整個測試系統(tǒng)與外界的接口與橋梁。本實驗系統(tǒng)集成了溫度、光強(qiáng)與電阻傳感器，并預(yù)留了擴(kuò)展接口以外接其他傳感器。其中溫度傳感器為數(shù)字溫敏器件DS18B20,能夠在-55~125 ℃的范圍內(nèi)提供9~12 b分辨率的溫度數(shù)據(jù)，具有0.5 ℃的精度，適合于一般場合的應(yīng)用，其優(yōu)點在于能夠直接提供數(shù)字溫度值，可以與后端MCU直接接口，省去了調(diào)理電路。而電阻測量采用串聯(lián)分壓法，即將待測電阻Rx與已知電阻串聯(lián)后外加固定電壓Vref,將Rx上的分壓V作為待測信號，后端采集與處理系統(tǒng)只需測得V 就可以根據(jù)比例關(guān)系求出Rx.光強(qiáng)傳感器則使用光敏電阻，具體電路如圖2所示。

1.2 數(shù)據(jù)采集與通信

數(shù)據(jù)采集使用12 位ADC 器件TLC2543,該器件具有11位模擬輸入端，可通過控制字靈活選擇不同輸入端口，適合于多傳感器輸入應(yīng)用。器件控制字輸入和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出都為串行模式，可以與51單片機(jī)以盡可能少的連線接口。51 單片機(jī)與上位機(jī)使用USB 接口通信。USB接口基于單一的總線接口來滿足多種應(yīng)用領(lǐng)域的需求，其具有的即插即用、支持熱插拔、易于擴(kuò)展等特性極大地方便了用戶，已逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹髁鳌Ｓ捎?1 單片機(jī)自身不擁有USB 接口，所以需要外接USB 控制器。

本系統(tǒng)使用PL2303 來實現(xiàn)USB 和RS 232串行端口之間的轉(zhuǎn)換。PL2303擁有2個獨(dú)立的大型緩沖進(jìn)行兩種總線的連接。大型數(shù)據(jù)緩沖器用于USB的批量數(shù)據(jù)傳輸，而串行通信可使用自動握手模式，因而可以達(dá)到遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)UART 控制器的波特率。PL2303 支持USB電源管理和遠(yuǎn)程喚醒協(xié)議，當(dāng)主機(jī)掛起時消耗極小的電能;芯片亦可以安裝在電纜線中，用戶只需將其連入主機(jī)USB 或USB HUB 上，就可以實現(xiàn)與單片機(jī)RS232串口的通信。單片機(jī)與TLC2543和PL2303的具體接口電路如圖3所示。

2 實驗程序設(shè)計

傳統(tǒng)的開發(fā)USB 應(yīng)用系統(tǒng)的步驟是：先用Win-dows DDK(設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)包)或第三方開發(fā)工具(如DriverStudio)開發(fā)USB驅(qū)動程序，然后用Visual C++編寫DLL(動態(tài)連接庫)，最后再調(diào)用DLL來開發(fā)應(yīng)用程序。顯然，這對Windows編程不熟悉的人來說有一定的難度。VISA(Virtual Instrument Software Architecture)是NI公司開發(fā)的一種用來與各種儀器總線進(jìn)行通信的高級應(yīng)用編程接口。VISA是一個綜合軟件包，不受平臺、總線和環(huán)境的限制，可用來對USB、GPIP、串口、VXI、PXI和以太網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行配置、編程和調(diào)試。LabVIEW通過調(diào)用VISA函數(shù)來實現(xiàn)USB設(shè)備的控制和通信。在這里主要使用了VISA Open,VISA Write,VISA Read,VI-SA Close這4個VISA 函數(shù)。與USB 設(shè)備的通信過程分為4個步驟：

(1)由VISA Open 函數(shù)打開VISA resource name 端口指定的USB設(shè)備;

(2)通過VISA Write函數(shù)向USB設(shè)備發(fā)送控制命令啟動設(shè)備工作，USB設(shè)備接收到控制命令后開始采集數(shù)據(jù)并將采集到的數(shù)據(jù)按要求發(fā)送到數(shù)據(jù)緩沖區(qū);

(3)通過VISA Read函數(shù)將數(shù)據(jù)讀出;

(4)通過VISA Close 函數(shù)關(guān)閉設(shè)備。PC 主機(jī)與USB 設(shè)備進(jìn)行通信的LabVIEW 程序框圖如圖4所示，而51單片機(jī)的程序結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 結(jié)語

虛擬儀器實驗教學(xué)系統(tǒng)是虛擬儀器課程教學(xué)中不可或缺的設(shè)備，本文針對NI等主流數(shù)據(jù)采集板卡存在的價格昂貴且技術(shù)屏蔽問題，利用廉價的MCS51 單片機(jī)設(shè)計了包含常用傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊與USB通信接口的LabVIEW實驗教學(xué)系統(tǒng)。