标签: Arduino与LabVIEW开发实战

因为种种原因开始接触Arduino和LabVIEW，科班出身有些基础，一开始感觉LabVIEW相较于文本编程来说也太麻烦了，但是直到这几天接触了《Arduino与LabVIEW开发实战》这本书，感觉LabVIEW还是不错的，从2022.5.19开始记录学习 《Arduino与LabVIEW开发实战》的过程，会把学习的过程记录下来，分享学习中的一些心得和写的程序。如果有啥问题，欢迎联系交流。 一、 准备工作 器材：开发板一块（型号以 Arduino Uno 为例）、 LabVIEW2017 安装包、破解工具 NI License Activator 。 获取方法： Arduino 开发板可以自己打板焊元件也可以直接淘宝购买（国产的几十块钱，意大利原装的需要一两百）； LabVIEW2017 安装包在（ Index of /evaluation/labview/ekit/other/downloader (ni.com) ）网址获得（可以通过浏览器搜索功能，快捷键 ctrl+F ，搜索 2017LV-WinChn.exe ，点击即可下载）；破解工具 NI License Activator 可通过百度网盘获取（链接： https://pan.baidu.com/s/1dwsyMuX8IQRYNWeB_cZoGQ 提取码： hx2v ，如果链接失效，可以网上搜索）。 软件安装（以 LabVIEW2018 为例，其他版本类似）： （ 1 ）双击 ，进入解压软件界面，如图 1-1 。 图 1-1 【解压 LabVIEW2018 】 （ 2 ）解压完成（如图 1-2 ）后，自动启动 setup.exe ，如果未启动，请到第一步的解压路径中手动双击 setup.exe 。前面的安装过程直接选择下一步即可. 图 1-2 【解压完成】 （ 3 ）这步不需要填入序列号，直接下一步，如图 1-3 。 图 1-3 【无须填入序列号】 （ 4 ）选择合适路径安装，安装内容默认即可，如图 1-4 。 图 1-4 【安装路径和安装内容】 （ 5 ）取消产品通知，接受许可，然后等待安装完成，如图 1-5 。 图 1-5 【无须通知，接受许可】 （ 6 ）等待安装过程中，会询问如图 1-6 所示的问题，选择不需要支持即可，最后可以看到安装完成的通知。 图 1-6 【安装问题和安装完成】 （ 7 ）安装完成后，先不着急运行软件，双击 ，将所有的模块都右击 -Activate ， Activate 成功的软件或者工具包前面的方框将显示绿色，否则显示白色，如图 1-7 。 图 1-7 【激活软件】 至此， LabVIEW2018 中文版就安装完成，可以正常使用。 二、 连接 LabVIEW 和 Arduino 本节将详细地介绍 Arduino 与 LabVIEW 的连接方式，主要包括 LabVIEW Interface for Arduino 方式、串口控制方式、无线串口方式和 Ethernet 方式，并给出详细的实验示例，包含实现原理和具体代码其实，从本质上来说，前三种方式都是通过 串口 实现 Arduino 与 LabVIEW 的连接的，而且需要使用 VISA 插件实现 LabVIEW 串口编程，但是三者各有特点： （ 1 ） LabVIEW Interface for Arduino 方式，只需要将给定的 Arduino 程序烧写进 Arduino 控制器，然后完成 LabVIEW 部分的编程即可，由于不涉及 Arduino 程序设计，只使用官方给出的 Arduino 函数库， Arduino 的传感器选用上有很大的局限性，可扩展性较差。 （ 2 ）串口控制方式，需要完成 Arduino 与 LabVIEW 两部分的编程，使用 USB to Serial 电缆连接， Arduino 部分有着很好的可扩展性，两者需要制定合适的通信协议。 （ 3 ）无线串口方式，使用串口无线数传模块替代串口连接电缆线，实现了 Arduino 与 LabVIEW 的无线连接，扩展了 Arduino 与 LabVIEW 的应用范围，而且可以通过选择不同类型和不同功率的无线传输模块，以实现近距离、中距离和远距离的无线数据传输。 与前三种方式使用串口来实现 Arduino 与 LabVIEW 的连接不同， Ethernet 方式采用网络编程来实现二者的连接。 Arduino 端需要采用 网络扩展板 ，并连接至路由器上，而不是仅仅通过串口； LabVIEW 端需要使用 TCP 协议函数库 来完成程序设计，而不是使用 VISA 插件来实现串口编程的。与其他三种连接方式相比， Ethernet 方式将 Arduino 与 LabVIEW 都接入了网络中，极大地扩展了应用范围；由于互联网无处不在，若将二者都接入互联网中，则可以通过互联网来构建基于 Arduino 与 LabVIEW 的远程测控系统。 三、LabVIEW Interface for Arduino 方式 LabVIEW Interface for Arduino Toolkit （ LIAT ）是 NI 公司（美国国家仪器公司）为 Arduino 开发的接口工具包，借助于这个工具包，可以很方便地使用 LabVIEW 软件与 Arduino 控制器实现联合开发。 目前， LIAT 支持 LabVIEW2010 及更高版本，提供的函数库中传感器有热敏电阻、光敏电阻、 8 段数码管、 RGB 灯、舵机等。在 LabVIEW 中使用打开、读写、关闭等库函数，就可以实现对 Arduino 控制器的数字、模拟、 PWM 、 I2C 、 SPI 信号的读取与控制。但是， LIAT 仅支持 Arduino Uno 、 Arduino2009 和 Mega2560 控制板，而且库函数的数量有限，传感器类型较为单一，存在一定的局限性，极大地限制了对 Arduino 的开发使用。当使用的传感器不是官方函数库中已有函数的传感器时，就无法使用 LabVIEW 对 Arduino 进行交互控制。 由于 LabVIEW Interface for Arduino 只需要对 LabVIEW 编程，而不需要对 Arduino 编程，甚至不需要底层硬件知识，适合了解 LabVIEW 编程而不懂 Arduino 编程的玩家或入门爱好者，由于其简单、易操作，所以也不失为新手入门的一个路径。 下面介绍该方法的操作方式 （ 1 ） LIAT 的下载与安装。想要利用 LIAT 函数库来实现 LabVIEW 软件与 Arduino 控制器的交互需要安装三个软件： 1 ） 2010 及以上版本的 LabVIEW 软件； 2 ）与 LabVIEW 软件配套的 VI Packge Manager ； 3 ） LabVIEW Interface for Arduino Toolkit 。 LabVIEW2017 版本及之后的版本都已经将 VI Packge Manager 集成进去，不需要额外安装，所以只需要打开 VI Packge Manager 搜索 Arduino找到LabVIEW Interface for Arduino 即可完成安装。 （ 2 ） LIAT 函数库及使用。当 LabVIEW 安装 LabVIEW Interface for Arduino 工具包之后，在前面板和程序框图中的函数栏目中就会出现 Arduino 控件和操作函数库。 Arduino 控件包含模拟 I/O 、数字 I/O 、 Pin Mode 、 Board Type 和连接方式等，如图 3-6 所示；操作函数库包含有 Arduino INIT 、 Arduino CLOSE 、 Low Level 、 Sensors 、 Examples 等，如图 3-7 所示。其中， Arduino INIT 和 Arduino CLOSE 是每个程序必备的，即与 Arduino 控制器建立连接，完成对 Arduino 预先设定的操作之后，断开与 Arduino 控制器的连接，释放 Arduino 控制器的串口资源。 12.2.2 串口控制方式 本节将采用有线串口连接的方式实现 Arduino 与 LabVIEW 的连接，并介绍 LabVIEW VISA 串口编程。 VISA 的下载地址是（ 下载 NI-VISA - NI ），下载版本选择最低的 5.4 即可 。 VISA 是虚拟仪器软件体系结构（ Virtual Instruments Software Architecture ）的缩写，实质上是一个 I/O 口软件库及其规范的总称。 VISA 是应用于仪器编程的标准 I/O 应用程序接口，是工业界通用的仪器驱动器标准 API （应用程序接口），采用面向对象编程，具有很好的兼容性、扩展性和独立性。用户可用一个 API 控制包括 VXI 、 GPIB 及串口仪器在内的不同种类的仪器。它还支持多平台工作、多接口控制，是一个多类型的函数库。 在 LabVIEW 中利用 VISA 节点进行串行通信编程。为了方便用户使用， LabVIEW 将这些 VISA 节点单独组成一个子模块，共包含 8 个节点，分别实现初始化串口、串口写、串口读、中断以及关闭串口等功能。安装 VISA 之后，在程序框图界面上右击鼠标，依次选择“函数”→“仪器 I/O ”→“串口”，即会出现如图 3-80 所示的串口函数。 在 LabVIEW 中，普通串口通信的基本步骤分为 3 步： （ 1 ）串口初始化，利用 VISA Configure SerialPort 节点设定串口的端口号、波特率、停止位、校验位、数据位。 （ 2 ）读写串口，利用 VISA Read 节点和 VISA Write 节点对串口进行读写。 （ 3 ）关闭串口，停止所有读写操作，释放串口资源。 按照串口编程的 3 个基本步骤，图 3-85 给出了典型的串口读写程序框图。首先，对所选择的串口进行配置（初始化），然后将需要发送的数据写入串口，等待合适的时间，接着判断出串口中数据的字节数并从串口中读取数据，最后关闭串口，释放串口资源。 实验： Arduino 与 LabVIEW 串口通信的实现 实验分为两个部分： 1 ） LabVIEW 控制 Arduino 板载 LED ： LabVIEW 发送开关命令， Arduino 接收开关命令，并控制板载 LED 灯的亮灭； 2 ）虚拟电压表： Arduino 测量电压并通过串口发送， LabVIEW 接收电压值并显示在前面板的仪表板上。 今天先完成实验的第一部分： LabVIEW 控制 Arduino 板载 LED （ 1 ）实验目的 通过 LabVIEW 前面板上的开关按钮实现对 Arduino Uno 控制板上 13 号管脚上 LED 灯开关控制，实现 LabVIEW 与 Arduino 单向数据传输（由 LabVIEW 向 Arduino 控制板发送数据）。 （ 2 ）硬件连接 本实验只需要使用 USB 电缆将 Arduino Uno 控制板连接至电脑 USB 端口即可。 （ 3 ） Arduino 程序设计 Arduino Uno 控制器通过串口获取 LabVIEW 上位机发来的命令码，判断接收到的命令是为“打开”命令还是“关闭”命令，并执行“打开”或“关闭”命令。程序代码如下： byte comdata; // 定义变量，用于存放串口读取的数据 int LED = 13; // 定义数字口13为LED的控制引脚 void setup() { // put your setup code here, to run once: Serial.begin(9600); // 初始化串口波特率为9600 pinMode(LED, OUTPUT); // 将LED控制引脚设置为输出 } void loop() { // put your main code here, to run repeatedly: 0) // 不断检测串口缓冲区是否有数据 { comdata =Serial.read(); // 从串口缓冲区读取一个字节的数据 if(comdata == 0x01) // 判断是否为关灯命令 { digitalWrite(LED, LOW); // 关闭LED灯 } if(comdata ==0x02 ) // 判断是否为开灯命令 { digitalWrite(LED,HIGH); // 打开LED灯 } } } 由以上程序，可以知道 Arduino 程序的基本框架由 setup() 和 loop() 两部分组成。在 Arduino 控制器中程序运行时将首先执行 setup() 函数，然后执行 loop() 函数，并且不断循环执行 loop() 函数。每次 Arduino 上电或重启后，都会首先执行 setup() 函数，而且 setup() 函数只运行一次。 setup() 函数用于设置引脚的输入 / 输出类型、配置串口、引入类库文件、外围器件使用前的初始化等。 loop() 函数在程序运行过程中不断地循环，根据所编写的程序，完成指定的输入 / 输出功能。 （ 4 ） LabVIEW 程序设计 LabVIEW 通过事件结构来响应“打开”和“关闭”的指令，分别发送不同的指令，并通过串口电缆发送至 Arduino Uno 控制板， Arduino Uno 控制板通过读取串口缓冲区中的数据，然后分析数据并执行“打开”或“关闭”的动作。 LabVIEW 软件的前面板如图 3-86 所示。 LabVIEW 程序框图如图 3-87 和图 3-88 所示。 分析一下这个 LabVIEW 的程序框图程序，该程序由函数选板 “编程” “结构”中的 分割成三个部分，这三个部分也就对应上面介绍的串口通信的三个步骤：（ 1 ） VISA 配置串口 ，完成串口初始化， LED 灯初始化为关闭状态；（ 2 ） While 循环结构中放置了一个事件结构，该事件结构中有两个分支，一个是打开按钮值改变时控制 LED 灯亮起，一个是关闭按钮值改变时控制 LED 灯关闭。这个控制由 VISA 写入 将“ 2 ”和“ 1 ”分别发送给 Arduino ；（ 3 ）最后一部分就是用 VISA 关闭 将串口连接关闭。简易错误处理器 显示错误信息。“ 2 ”和“ 1 ”的转换操作可以通过 LabVIEW 提供的即时帮助和 LabVIEW 帮助手册观察一下 VISA 写入 所需要的输入，就可以理解“ 2 ”和“ 1 ”的转换操作是怎么一回事了。 找了很久也没找到 《Arduino与LabVIEW开发实战》中这里的配套程序，想想还是自己敲了。之前学了不少编程语言，编程语言基本要素差不多一样，不想再学一遍LabVIEW的了，就连蒙带猜地观察 图 3-87 和图 3-88，把程序给捣鼓了出来，明天和实验的第二部分一起上传到百度网盘吧，和小伙伴们分享一下。敲完这个程序终于让我有种恍然大悟的感觉，LabVIEW是可以用的。但是对比起文本编程还是感觉勉勉强强，各有各的好吧，针对人群不一样，而且LabVIEW这是把上位机编程也完成了，而且是可视化的那种，和普通的串口调试助手还不一样。