基于LabVIEW的单片机多路数据采集系统的设计

《自动化技术与应用》2009年第 28卷第 10期 46 | Techniques of Automation & Applications 计算机应用 Computer Applications 基于 LabVIEW的单片机多路 数据采集系统的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 顾亚雄 1,朱翠英 2,许方华 2 （1.西南石油大学电信院,四川 成都 610500;2.西南石油大学研究生部,四川 成都 610500） 摘 要:本文运用虚拟仪器的设计思想,介绍了一种基于LabVIEW软件平台的多路数据采集系统的设计原理及过程。数据采集部分 摒弃了NI公司的采集板卡而采用MSP430F149单片机系统,降低了系统的开发成本。利用LabVIEW开发环境设计上位机的 监测界面,上位机通过串行口与MSP430F149单片机通信,从而实现对多路数据的采集与监测。本设计系统增设有报警功能, 报警门限可通过上位机监测界面进行设置。运用LabVIEW进行系统开发具有很强的灵活性,能较容易地实现系统的各项功 能,并使系统具有很强扩展性。 关键词:虚拟仪器;MSP430单片机;多路数据采集 中图分类号:TP368.1 文献标识码:B 文献标识码:2003-7241(2009)10-0046-04 A Single-chip Multi-channel Data Acquisition System Based on LabVIEW GU Ya-xiong1, ZHU Cui-ying2, XU Fang-hua2 ( 1. School of Electronic Information Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500 China; 2. Dept. of post graduation, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500 China ) Abstract: This paper introduces a multi-channel data acquisition system based on LabVIEW by using the concept of virtual instrument. A MSP430F149 single-chip microcomputer system is used for data acquisition, and the monitoring interface of the host computer is developed by using the LabVIEW. An alarm function is also added to the system, and the alarm threshold can be set on the monitoring interface of the PC. Key words: virtual instrument; MSP430 single-chip; multi-channel data acquisition 1 引言 虚拟仪器(Virtual Instrument)是基于计算机的软硬件 测试平台,已经在工业控制领域得到广泛的应用。 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[1][11]。 利用LabVIEW设计多路数据采集系统时,可配备NI 公司的数据采集板卡模拟采集多路信号[2],但是数采板卡 价格较贵。本设计选用MSP430单片机组成的系统作为 前端数据采集系统进行多路数据采集,然后通过RS-232 串口通讯将数据传输至上位机,在LabVIEW开发平台下, 对各路数据进行处理、标定和实时显示,从而实现了一 种在LabVIEW环境下的单片机多路数据采集系统。 2 单片机系统设计 2.1 系统总体原理框图 本设计采用MSP430系列单片机MSP430F149与上位机 组成多路数据采集与处理系统,系统原理框图如图1所示。 多路模拟电压信号A/D转换后传输至单片机进行 数据处理。ADC12为MSP430系列单片机的12位精度 的A/D转换模块,支持单通道单次、单通道多次、多通 收稿日期:2009-05-14 《自动化技术与应用》2009年第 28卷第 10期 Techniques of Automation & Applications | 47 道单次、多通道多次转换等四种转换模式。用户可以通 过ADC12CTL1寄存器的CONSEQx位来进行选择[3]。 E2PROM用于存储系统各路数据的报警门限等数 据,可通过下位机的键盘电路进行设置,也可以通过上 位机软件系统进行设置。单片机与上位机采用基本三 线制的RS-232串行口进行通信[4,5]。 2.2 单片机系统软件设计 下位机程序采用C语言编写,其主要完成定时数据 采集及数据发送工作。下位机程序主要包含以下几个 部分:A/D转换模块;主处理模块(含数据处理与发送）; 按键输入模块和系统报警模块。 本系统采用的是多通道多次转换,对ADC中的各个通 道进行多次采样,这样做可以实现在较短的时间内进行多 次采样取平均值。多通道多数据采集的模拟参考电压可采 用片外输入的参考电压,也可采用片内的参考电压[6]。数据 采集的时间间隔通过定时器A来完成,在每次定时器A中 断到来时读取A/D采集得到的数据,在读数据之前先停止 A/D转换,在读取数据完毕后又启A/D转换,如果得到数 据,则设置一个标志位通知主程序,告诉主程序已经得到新 的数据。整个模块采用的是中断服务程序的结构完成。 系统的键盘设置采用中断方式。当有键按下时进 入中断服务程序,获得输入的数据。这里采用定时器B 来检查是否有按键按下。 串口通信采用中断机制。发送数据和接收数据都采 用中断方式,当接收到有数据时,设置一个标志来通知主 程序有数据到来,当主程序有数据要发送的时候,设置一 个中断标志进入中断发送数据。对于发送中断,程序处于 等待状态,如果检测到有发送的标志,则从缓冲区里取出 数据发送;对于接收中断,等待数据的到来,如果有数据到 则设置标志通知主程序。 主程序主要是将各个模块进行协调处理和实现数据 交互。主程序首先完成初始化工作,初始化后进入循环处 理,在循环过程中主处理获得采集模块的多路数据数据, 并将数据进行处理,根据处理后的结果来进行判断是否进 行报警,同时将多路数据发送到上位机。整个程序是基于 图1 系统原理框图 中断服务结构,为了实现中断程序与主程序之间的数据交 互,需要通过设置一些全局变量和全局的缓冲区来实现。 单片机系统的程序框图如图2所示。 3 上位机 LabVIEW程序设计 3.1 LabVIEW程序前面板设计 设计前面板主要将各模块集成,便于调用。系统 运行主界面(前面板)如图3所示。主界面包括通信串口 参数配置、报警限设置、实时数据显示及实时曲线显 示部分。 串口配置用于上位机与下位机通信参数的设置,为 了调试方便而放在了主界面中。为了便于说明,本设计 系统设为四路数据采集系统,若要扩展输入通道数量, 可以在此基础上类推。 报警限设置用于设置各路数据报警的门限值。当 监测到的数值超过设定的报警门限值时,启动单片机 系统报警。每路均设有报警指示灯,当系统处于报警 状态时,指示灯闪烁同时发出报警声,用来提醒系统管 理者注意。 数据显示用于显示各路数据实时数值,实时曲线用 于显示各路数据的实时曲线。 3.2 LabVIEW串行通信功能模块 LabVIEW的函数库中提供了串口通讯函数,可用来 设计单片机与PC机的串口通讯。 图2 单片机系统程序框图 计算机应用 Computer Applications 《自动化技术与应用》2009年第 28卷第 10期 48 | Techniques of Automation & Applications 在LabVIEW功能面板的Instrument I/O＞serial目 录下,包含串行通信所需的集成模块。利用这些模块,可 以非常方便的设计出基于串行通信的测控系统。需要注 意的是,在使用这些模块之前,需安装光盘上的VISA驱动 程序;也可从NI公司的网站免费下载最新 VISA 驱动程 序。下面介绍一下本系统要用到的串行通信模块[7,8]。 l ) VISA onfigUre Serial Port。用于初始化所选 择的串行口。其中VISA resource name用于选择所用 到的串行口,PC机中常用到的串口号分别用COM1和 COM2表示。 Flow control用于设置握手方式,buffer size用于设置缓冲区的大小。Baud rate, data bits, stop bits, parity分别用于设置串行通信的波特率,数据位长 度,停止位长度,校验方式。 2 ) VISA Write。用于将write buffer中的字符写 到VISA resource name 指定的串行接口中。 3 ) VISA Read。从VISA resouree name指定的串 行接口中读取规定字节数的数据,并将这些数据传递给 read buffer。Byte count用于设置要读取的字节数。 4 ) VISA Close。用于关闭VISA resource name 指定的串行口,让出串行口的使用权。 LabVIEW串行通信功能模块程序如图4所示。 3.3 实时数据处理与显示 数据处理模块主要是将从下位机读取来的数据进行 处理,以便于实现实时显示、报警及预警等功能。数据处 图3 系统运行主界面 图4 LabVIEW串行通信程序 理模块包含数据格式转换、数据分离及数据的标度变换。 从VISA resource name指定的串行接口中读取出 来的数据,是一系列的字符串数据。若在此处加一字符 串显示器可以看到的是一组字符数据。因此必须将其 进行格式转换。由于所传输的是多路数据,需要将其分 离开来。本系统采用了公式节点来进行标度变换。 实时数据显示部分包含数值显示及曲线显示两部 分。程序如图5所示。 这里引入了实时曲线显示的子vi,图6为具体的实时 曲线显示程序框图。该程序实现的原理是:在While循环 开始前,将当前时间转化为自零点开始的秒数作为实时曲 线的起点;设置X轴的最小值为0,最大值为60,即显示60 秒内的数据;输入空数组到趋势图的History属性将趋势图 清空,并通过XScale.Format属性设置X轴显示格式为相对 时间,并分别输入到相应的实时曲线的属性中。在While循 环中通过XScale.Multiplier属性设置X轴间隔时间[9]。 3.4 报警参数设置程序 系统报警参数设置部分主要运用了条件结构,当用 户设置好参数后按发送键。由于系统的使能运行与参 数设定有着类似性,这里也放入此处一并说明。 由于输入到VISA Write模块中的数据为字符串数 据,因而必须进行格式转换[10]。这里运用数值至十进制 数字符串转换模块。同时该部分另运用了条件结构来 判断是否有数据输入,当有数据输入时,则将输入的数 据格式转换后输入到VISA Write模块;当用户没有输 图5 多路数据处理与显示 图6 实时数据曲线显示子程序 （下转第60页） 计算机应用 Computer Applications 《自动化技术与应用》2009年第 28卷第 10期 60 | Techniques of Automation & Applications 作者简介:刘继承(1970-),男,博士,教授,研究方向:信息 传输及处理、测试计量技术。 （上接第48页） 了地震波的主频,而且较好的保持了原始剖面的振幅 信息,细致的研究局部构造的层位信息,可以更好的 进行下一步的地震资料处理和解释的工作。 参考文献: [1] 张贤达.现代信号处理[M].北京:清华大学出版社,2002． [2] 高静怀,陈文超,李幼铭等.广义S变换与薄互层地震响 应分析[J].地球物理学报,2003,46(4):526-532. 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