原创 基于labview串口通讯的虚拟数字电压表的设计

1. 引言

Labview是由美国国家仪器公司推出的，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。本设计利用单片机电路作为下位机前端数据采集电路，电路中的8位A／D转换器芯片ADC0808采集电压信号，把转换出的数字量通过RS-232串口通讯送给上位机，同时在上位机的Labview开发平台下，通过串口读取下位机上传的数据，并处理和显示电压值，从而设计出Labview环境下的基于单片机和PC机串口通讯的虚拟电压表。

 2．基于Labview的上位机信号处理和显示软件设计

Labview虚拟仪器程序由前面板和框图程序组成，前面板是人机交互的界面，界面上有用户输入和显示输出两类控件；框图程序则是用户编制的程序源代码，以定义和控制在前面板上的控件输入和输出功能。图1为虚拟数字电压表的电压测量框图程序。

图1 虚拟数字电压表的Labview框图程序

上图的图形化框图程序是采用NI_VISA串口Serial函数来访问和控制串口的。VISA中的Serial函数库里包含VISA Configure Serial Port、VISA Write、VISA Read、VISA Close等子函数。本设计用到的三个VISA串口子函数分别是VISA串口配置函数VISA Configure Serial Port、VISA读取函数VISA Read和VISA 关闭函数VISA Close^[1][2]。它们的图标分别如图2所示：

图2 VISA串口子函数图标

VISA串口配置函数VISA Configure Serial Port的作用是完成串口参数的初始化设置，包括了串口资源名称，波特率，奇偶校验、数据比特、是否启用终止符等，图1中该函数连接了两个输入变量，变量名为“请选择串口名”和“波特率”，它们分别连在串口资源名称和波特率参数端子上，变量值由前面板上的相应控件来设定，另外该函数在是否启用终止符的端子上还连接了一个布尔常量，常量值为false，含义是不启用终止符，其它输入参数采用默认值。图1中VISA串口配置函数有两个输出端子，图标上面输出端子输出的是串口资源名称，下面输出端子输出的是错误码，输出端子向下游函数传递信息。

       VISA读取函数VISA Read有三个输入端子，图1中VISA Read图标的上面输入端子是前面VISA Configure Serial Port函数传递的串口资源名称，下面的输入端子传递的是错误码，意思是若前面的函数出错了，会往这里输入一个错误码，然后继续往下面传递，有错误码出现时程序是不会工作的。中间输入端子是每次从串口读取的数据字节数，本文设置的字节数常量是1。

图1中VISA Read函数包含在While循环结构中，每次循环从串口读取1个字节，并从该函数的中间输出端子，以字符串的形式输出，每次循环的字符串只包含一个8位字符。VISA Read函数图标上面输出端子输出的是串口资源名称，下面的输出端子输出的是错误码，继续向下游函数传递信息。在前面板按下“停止”按钮，结束While循环。

       VISA关闭函数VISA Close的作用是当程序停止之前，必须要把使用的串口设备关闭，若不关闭，其他程序就不能使用该设备。

       从VISA Read输出的字符串，通过“字符串至字符数组转换”函数把字符串转换为字符数组，再通过“索引数组”函数，把第0元素从字符数组取出，这样就把每次While循环从串口采集的字符串格式数据转换成无符号字节数据，该数据再除以255，乘以5，就可以得到图4所示电位器RV1输出的实测电压值，然后分别以仪表和波形图表的形式显示在前面板中。

       在While循环结构的外面，还有事件结构，在前面板按下“测量”按钮，“测量”控件的值被改变，引发事件，允许执行事件结构内部的While循环结构，于是开始测量电压，直到按下前面板中的“停止”按钮^[3][4]。

图1的程序源代码所支持的虚拟仪器前面板如图3所示。

图3 虚拟数字电压表的Labview前面板

右击图3的前面板“仪表”，出现快捷菜单，选择“属性”，在“属性”对话框的“外观”选项中，打勾选中“显示数字显示框”，于是在前面板中出现电压当前值显示框。程序运行时，先在前面板设置串口资源名称为COM1，波特率为9600，再按“测量”按钮，电压值会以数值、仪表、波形图的形式实时显示出来。按下“停止”按钮，测量结束。

3．基于单片机的下位机信号采集和通讯电路的软硬件设计

图4所示硬件电路是以单片机AT89C51为控制核心，用8位逐次逼近型A／D转换器ADC0808来转换电位器RV1输出的模拟电压值，得到8位数字量，通过RS-232与PC机通讯，送给上位PC机处理^[5]。

图4电路中单片机的晶振选择是11.0592MHz，是为了当波特率设为9600bps时，保证串行通讯的同步性能^[6]。由于单片机RXD和TXD引脚输出TTL电平与RS232串口发送的电平不一致，所以电路中需要一个电平转换器，这里选择了MAX232芯片，单5V供电。

图4 单片机采集和通讯硬件电路

根据图4的硬件电路，数据采集和通讯的软件编程思路是：通过AT89C51定时器0方式2产生使?P2.4引脚产生50KHz的方波作为ADC0808转换器的时钟信号，单片机P2.6引脚控制ADC0808的模数转换启动，通过查询ADC0808的引脚EOC，判断转换是否结束。若ADC0808的引脚OE置为高电平，则允许转换结果输出，并通过P0口送入单片机内部处理。

       单片机的串口通讯设置为方式1，10位异步收发，其中1位起始位，8位数据位，1位停止位，由定时器1的溢出率控制波特率。定时器1设置为8位计数初值自动重装的方式2工作模式，通过设置计数初值把串口波特率固定在9600bps，这与上位机Labview软件设置的波特率是一致的。

程序清单和注释如下：

#include <reg51.h>

#define uchar unsigned char

//声明单片机与模数转换芯片ADC0808的相连引脚

sbit CLOCK=P2^4;

sbit EOC=P2^5;

sbit START=P2^6;

sbit OE=P2^7;

//声明暂存模数转换结果的变量

uchar ADC_result;

//定时器0中断子函数，产生50KHz的方波

void pluse_int(void) interrupt 1

{     CLOCK=!CLOCK; }

//主程序

void main()

{

//设置定时器0和1的工作方式均为方式2

    TMOD=0x22;

//设定定时器0的初值，为产生50KHz的方波

       TH0=0xf7;TL0=0xf7;

//设定定时器1的初值，使串口通讯的波特率为9600bps

     TH1=0xfd; TL1=0xfd;

//设定串口通讯方式为方式1，10位异步收发，波特率由定时器1控制

    SCON=0x50;

//开放中断

       ES=1; ET0=1; EA=1;

//定时器0和1启动

       TR0=1; TR1=1;

       while(1)

       {

//启动ADC0808模数转换

              START=0;START=1;START=0;

//判断转换是否结束

              while(EOC);

              while(!EOC);

//转换后的8位数字量暂存在变量ADC_result

             OE=1;ADC_result=P0;OE=0;

//把ADC_result中的数字量通过串口发送到PC机

               ES=0;

              SBUF=ADC_result;

              while(TI= =0);

              TI=0;

              ES=1;

     }

}

4 结束语

由于Labview硬件采集卡昂贵，本文利用Labview虚拟仪器软件，设计了基于51单片机硬件采集电路，具有成本低廉，配置灵活的优点。通过与通用电压表的对照测试，按本设计方法制作的虚拟数字电压表所测量的数据结果正确，达到了预期的设计目标。