一種基于 MCS51 的低成本LabVIEW實驗教學系統

0 引言

NI 公司于20 世紀70 年代提出了虛擬儀器的概念。虛擬儀器是在以計算機為核心的平臺上，由用戶設計，具有虛擬面板，由軟件實現測試功能的計算機儀器系統，是計算機與測試儀器相結合的產物。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工具，利用它可以輕松組建一個測試系統而無需進行繁瑣的代碼編寫。因此虛擬儀器大大突破了傳統儀器在靈活性，以及數據處理、顯示、存儲等方面的不足，其主要優勢在于：用戶能夠根據需求靈活的進行功能修改和擴展;人機界面為視窗界面，形象直觀;網絡連接簡單易行，便于組建測控網絡。

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

目前國內高校教授虛擬儀器課程使用的信號采集板多為NI 公司的數據采集板卡，如USB600X,USB92XX,PCI62XX 系列。這類板卡雖然性能優良，配套軟件齊備，但是作為高校教學也存在不足之處。首先NI公司只賣板卡不賣技術，這樣在教學中教師和學生只能使用板卡，而不能掌握虛擬儀器硬件系統的具體結構和技術細節;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，這一點對于欠發達地區的一般學校尤為突出。

本文利用廉價的MCS51單片機設計了包含常用傳感器、數據采集模塊與USB 通信接口的LabVIEW 實驗教學系統，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的需要，且成本相對于NI的產品大大降低，針對高校市場具有良好的推廣前景。

1 系統結構

整個系統由前端傳感器、單片機數據采集以及USB通信接口幾部分組成，如圖1所示。

1.1 前端傳感系統

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

1.2 數據采集與通信

數據采集使用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用。器件控制字輸入和轉換數據輸出都為串行模式，可以與51單片機以盡可能少的連線接口。51 單片機與上位機使用USB 接口通信。USB接口基于單一的總線接口來滿足多種應用領域的需求，其具有的即插即用、支持熱插拔、易于擴展等特性極大地方便了用戶，已逐漸成為現代數據傳輸的主流。由于51 單片機自身不擁有USB 接口，所以需要外接USB 控制器。

本系統使用PL2303 來實現USB 和RS 232串行端口之間的轉換。PL2303擁有2個獨立的大型緩沖進行兩種總線的連接。大型數據緩沖器用于USB的批量數據傳輸，而串行通信可使用自動握手模式，因而可以達到遠大于標準UART 控制器的波特率。PL2303 支持USB電源管理和遠程喚醒協議，當主機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USB 或USB HUB 上，就可以實現與單片機RS232串口的通信。單片機與TLC2543和PL2303的具體接口電路如圖3所示。

2 實驗程序設計

傳統的開發USB 應用系統的步驟是：先用Win-dows DDK(設備驅動程序開發包)或第三方開發工具(如DriverStudio)開發USB驅動程序，然后用Visual C++編寫DLL(動態連接庫)，最后再調用DLL來開發應用程序。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公司開發的一種用來與各種儀器總線進行通信的高級應用編程接口。VISA是一個綜合軟件包，不受平臺、總線和環境的限制，可用來對USB、GPIP、串口、VXI、PXI和以太網系統進行配置、編程和調試。LabVIEW通過調用VISA函數來實現USB設備的控制和通信。在這里主要使用了VISA Open,VISA Write,VISA Read,VI-SA Close這4個VISA 函數。與USB 設備的通信過程分為4個步驟：

(1)由VISA Open 函數打開VISA resource name 端口指定的USB設備;

(2)通過VISA Write函數向USB設備發送控制命令啟動設備工作，USB設備接收到控制命令后開始采集數據并將采集到的數據按要求發送到數據緩沖區;

(3)通過VISA Read函數將數據讀出;

(4)通過VISA Close 函數關閉設備。PC 主機與USB 設備進行通信的LabVIEW 程序框圖如圖4所示，而51單片機的程序結構如圖5所示。

3 結語

虛擬儀器實驗教學系統是虛擬儀器課程教學中不可或缺的設備，本文針對NI等主流數據采集板卡存在的價格昂貴且技術屏蔽問題，利用廉價的MCS51 單片機設計了包含常用傳感器、數據采集模塊與USB通信接口的LabVIEW實驗教學系統。