單片機(jī)與labview的區(qū)別以及各自的領(lǐng)域+++

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 開放性實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)題目：單片機(jī)與labview的區(qū)別以及各自的領(lǐng)域院（系）：電氣工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)：自動(dòng)班 122學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： （簽字）起止時(shí)間：2015.12.17-2016.01.06摘 要 虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)同儀器技術(shù)深層次結(jié)合的全新概念儀器，實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達(dá)輸出測量結(jié)果，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理，完成各種測試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。 本文介紹了利用 LabView語言來實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)之間通信的方法，并從軟、硬件兩個(gè)方面闡述了設(shè)計(jì)思想。在簡要介紹圖形化虛擬

2、儀器平臺(tái)LabView的基礎(chǔ)上,分析STC12C5A60S2單片機(jī)與 LabView之間的串口通信模式,并結(jié)合該設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)的溫度檢測系統(tǒng)給出串口通信的軟、硬件設(shè)計(jì)。 應(yīng)用先進(jìn)的虛擬儀器軟件LabView，大大降低了串口通訊復(fù)雜程度，減小了軟件設(shè)計(jì)的工作量，能夠大大降低投資成本。在實(shí)際應(yīng)用中有巨大的使用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：MCS51單片機(jī)，LabView，串口通信前 言本設(shè)計(jì)的主要研究內(nèi)容以單片機(jī)為核心，用以串行通信接口電路，并編寫相關(guān)控制程序。設(shè)計(jì)基于串行通信的協(xié)議，實(shí)現(xiàn)和LabView的通信功能。LabView是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。LabView沒有常規(guī)儀器的控制面

3、板，而是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境，采用可視化的圖形編程語言和平臺(tái)，以在計(jì)算機(jī)屏幕上建立圖形化的軟面板來替代常規(guī)的傳統(tǒng)儀器面板。軟面板上具有與實(shí)際儀器相似的旋鈕、開關(guān)、指示燈及其他控制部件。在操作時(shí)，用戶通過鼠標(biāo)或鍵盤操作軟面板，來檢驗(yàn)儀器的通信和操作。 而利用LabView設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可模擬采集各種實(shí)際信號(hào)，并對(duì)其疾行分析得出有用信息。通過開放的LabView環(huán)境和與之無縫集成的硬件，能夠方便地將設(shè)計(jì)從理論階段、完成系統(tǒng)辨識(shí)、控制設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真以及實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。圖0-1 LabView軟件總體結(jié)構(gòu)框圖第1章 緒 論1.1 研究的背景及意義1.1.1 研究的背景 目前以計(jì)算機(jī)為上位機(jī)

4、和以單片機(jī)為下位機(jī)的集散式控制系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)檢測和控制系統(tǒng)中。由于PC機(jī)的分析處理能力強(qiáng),處理速度快,而單片機(jī)價(jià)格低廉、體積小、使用靈活方便,所以主機(jī)一般采用PC機(jī),而從機(jī)則采用單片機(jī)。串行通信是一種常用的數(shù)據(jù)傳輸方法，雖然它的傳輸速度慢，但它占用的通信線路少，成本低，在工程的通信方式上仍有重要地位。通過PC機(jī)的RS-232串行接口與單片機(jī)之間串行通信是主要的通信手段。1.1.2 課題研究意義虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器技術(shù)不同，虛擬儀器在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備，然后根據(jù)用戶的實(shí)際需求就可以構(gòu)建起不同的系統(tǒng)。所以虛擬儀器實(shí)際上是一個(gè)按照用戶的實(shí)際需求組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。具體來說，虛擬儀

5、器有以下特點(diǎn)： (1) 虛擬儀器利用了計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源。另外，計(jì)算機(jī)還能實(shí)時(shí)、直接地對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析與處理。 (2) 因?yàn)樘摂M儀器融合了計(jì)算機(jī)的硬件資源，計(jì)算機(jī)來直接處理這些應(yīng)用，這樣就大大的增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳輸、存儲(chǔ)等方面的限制。 (3) 虛擬儀器基于計(jì)算機(jī)總線和模塊化儀器的總線，這樣就使儀器的硬件實(shí)現(xiàn)了模塊化，就可以方便地構(gòu)建模塊化的虛擬儀器。 (4) 當(dāng)今世界的計(jì)算機(jī)技術(shù)和相關(guān)的技術(shù)發(fā)展十分迅速，虛擬儀器也是建立在此基礎(chǔ)上的，因此虛擬儀器隨著計(jì)算機(jī)更新的速度快，功能越來與強(qiáng)大。 (5) 由于計(jì)算機(jī)的體系是開放式的，所以虛擬儀器的硬件和軟件都

6、具有開放性、可重復(fù)使用的特點(diǎn)，而且硬件還可以互換，這樣就使虛擬儀器系統(tǒng)更為靈活。1.2 課題發(fā)展的狀況在虛擬儀器出現(xiàn)之前，傳統(tǒng)儀器設(shè)備就是普通的模擬測量設(shè)備。每一種儀器就是一種完全封閉的專用系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段。 第一階段是使用計(jì)算機(jī)增強(qiáng)傳統(tǒng)儀器的功能。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的長足發(fā)展和接口的統(tǒng)一，只要把儀器和計(jì)算機(jī)通過特定的接口相連接，用戶就可以通過計(jì)算機(jī)控制儀器的功能，這使得用計(jì)算機(jī)控制測控儀器成為一種趨勢。 第二階段是開放式的通用接口和儀器硬件構(gòu)成。隨著時(shí)代的發(fā)展，儀器的硬件出現(xiàn)了技術(shù)進(jìn)步：插入式的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集卡和儀器總線標(biāo)準(zhǔn)的確立。這些新的技術(shù)使儀

7、器的構(gòu)成和接口得以統(tǒng)一和不斷開放，這樣就慢慢地消除了原來由用戶定義和供應(yīng)商定義的儀器功能的區(qū)別。 第三階段，虛擬儀器構(gòu)架和結(jié)構(gòu)得到了廣泛認(rèn)同和采用。在硬件和軟件領(lǐng)域產(chǎn)生許多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有幾個(gè)虛擬儀器平臺(tái)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用并有趨勢逐漸成為虛擬儀器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。第四階段，虛擬儀器編程的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生了，接口、總線、傳輸?shù)榷加型ㄟ^統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，虛擬儀器的作者只要把大部分精力放在程序的開發(fā)和儀器功能的設(shè)計(jì)上就可以了，就不需要考慮這些問題。 在以上階段中，可以看出在虛擬儀器技術(shù)發(fā)展中有兩個(gè)特別突出的標(biāo)志：一個(gè)是各種總線標(biāo)準(zhǔn)的建立和應(yīng)用，它從硬件標(biāo)準(zhǔn)上為虛擬儀器鋪平了道路；另一個(gè)是圖形化編程語言的出現(xiàn)，用戶不再面對(duì)

8、枯燥的代碼，這就使用戶把更多的精力放在程序的流程和效率上面。1.3 設(shè)計(jì)任務(wù)1、 設(shè)計(jì)單片機(jī)及其相關(guān)電路，編寫控制程序 2、 設(shè)計(jì)基于串行通信的協(xié)議，實(shí)現(xiàn)和LabView的通信功能第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)利用C51單片機(jī)的最小系統(tǒng)，控制一個(gè)簡單的LED電路。即：P1口控制8盞LED。使用C語言編寫一段程序，可以接收上位機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)，并顯示出來。同時(shí)，利用LabVIEW8.6軟件，編寫一個(gè)上位機(jī)界面。通過這個(gè)上位機(jī)界面能夠控制這個(gè)LED電路，根據(jù)電腦輸入的數(shù)字，點(diǎn)亮相應(yīng)位的LED。圖0.0總體設(shè)計(jì)2.2 系統(tǒng)硬件的選擇控制器選用STC12C5A60S2，該單片機(jī)具有8路10位A

9、D，雙串口，該單片機(jī)有1024字節(jié)的擴(kuò)展RAM，同時(shí)，該單片機(jī)采用了不分頻執(zhí)行機(jī)器周期，同晶振頻率下，運(yùn)行速度是普通51單片機(jī)的12倍，可不用進(jìn)行初始化設(shè)置，就可進(jìn)行在常用波特率下的串口通信。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 元器件的介紹3.1.1 主控制器 STC12C5A60S2單片機(jī)中包含中央處理器（CPU）、程序存儲(chǔ)器(Flash)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（SRAM）、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、UART串口、串口2、I/O接口、告訴A/D轉(zhuǎn)換、SPI接口、PCA和外部晶體振蕩電路等模塊。STC12C5A6060S2系列單片機(jī)幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱得上一個(gè)偏上系統(tǒng)。下圖為該系列單片機(jī)引腳圖

10、：圖3.1 STC12C5A60S2單片機(jī)引腳圖STC12C5A60S2是STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。 3.1.2單片機(jī)C51單片機(jī)是對(duì)所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱。圖3.2c51單片機(jī)3.2 硬件電路圖設(shè)計(jì)3.2.1 MCU及復(fù)位電路復(fù)位電路，就是利用它把電路恢復(fù)到起始狀態(tài)。就像計(jì)算器的清零按鈕的作用一樣，以便回到原始狀態(tài)，重新進(jìn)行計(jì)算。和計(jì)算器清零按鈕有所

11、不同的是，復(fù)位電路啟動(dòng)的手段有所不同。一是在給電路通電時(shí)馬上進(jìn)行復(fù)位操作；二是在必要時(shí)可以由手動(dòng)操作；三是根據(jù)程序或者電路運(yùn)行的需要自動(dòng)地進(jìn)行。復(fù)位電路都是比較簡單的大都是只有電阻和電容組合就可以辦到了。再復(fù)雜點(diǎn)就有三極管等等配合程序來進(jìn)行了。為確保微機(jī)系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位電路是必不可少的一部分，復(fù)位電路的第一功能是上電復(fù)位。一般微機(jī)電路正常工作需要供電電源為5V±5%，即4.755.25V。由于微機(jī)電路是時(shí)序數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，因此在電源上電時(shí)，只有當(dāng)VCC超過4.75V低于5.25V以及晶體振蕩器穩(wěn)定工作時(shí)，復(fù)位信號(hào)才會(huì)撤除，微機(jī)電路開始正常工作。圖3.3MC

12、U及復(fù)位電路3.2.2串口電路串口通信電路采用的是USB接口與上位機(jī)通信。它不是一種新的總線標(biāo)準(zhǔn)，而是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。 串行通訊又分為異步通訊和同步通訊兩種方式。在單片機(jī)中，主要使用異步通訊方式。 MCS_51單片機(jī)有一個(gè)全雙工串行口。全雙工的串行通訊只需要一根輸出線和一根輸入線。數(shù)據(jù)的輸出又稱發(fā)送數(shù)據(jù)（TXD），數(shù)據(jù)的輸入又稱接收數(shù)據(jù)（RXD）。串行通訊中主要有兩個(gè)技術(shù)問題，一個(gè)是數(shù)據(jù)傳送、另一個(gè)是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)傳送主要解決傳送中的標(biāo)準(zhǔn)、格式及工作方式等問題。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是指數(shù)據(jù)的串并行轉(zhuǎn)換。圖3.4 串口電路3.2.3晶振電路晶振是為單片機(jī)合格的時(shí)鐘信號(hào)流。單片機(jī)電路是由無數(shù)的門電路

13、組成，而門電路工作時(shí)就需要時(shí)鐘信號(hào)作為觸發(fā)，過來一個(gè)脈沖，門電路就執(zhí)行一次，過來多少個(gè)脈沖，門電路就執(zhí)行多少次。所以，在同樣電路的情況下，脈沖頻率越高，單片機(jī)性能也越高。晶振就是在整個(gè)電路的時(shí)序中提供一個(gè)基本時(shí)鐘，時(shí)序電路中時(shí)鐘源必不可少。圖3.5晶振電路3.2.4 LED輸出電路LED的顯示原理可知，一個(gè)數(shù)據(jù)顯示在LED大屏幕的過程分為：從存儲(chǔ)器中讀出數(shù)據(jù)與送入到LED板中顯示兩個(gè)步驟。這一過程需要產(chǎn)生如下控制信號(hào)：數(shù)據(jù)地址送入存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器讀信號(hào)，鎖存器開通及LED單元板中的行信號(hào)、HC595的SCK移位、RCK鎖存、E使能信號(hào)等。這些必需信號(hào)的產(chǎn)生增加了數(shù)據(jù)顯示過程的時(shí)間。如果能夠復(fù)用其

14、中的信號(hào)，勢必減少這一過程的延時(shí)。在LED顯示系統(tǒng)中，常把顯示數(shù)據(jù)按行存儲(chǔ)到外部ROM/RAM 中的辦法即是一例。該辦法設(shè)定存儲(chǔ)器的高位并接到L ED的行控制線上，數(shù)據(jù)按行儲(chǔ)存，送入數(shù)據(jù)地址后，按行讀出數(shù)據(jù)，并同時(shí)開通了行控制信號(hào)。下面的信號(hào)復(fù)用方案也是類似的原理。圖3.6 LED輸出電路3.2.5 PCB板印制電路板的設(shè)計(jì)是以電路原理圖為藍(lán)本，實(shí)現(xiàn)電路使用者所需要的功能。印刷電路板的設(shè)計(jì)主要指版圖設(shè)計(jì)，需要內(nèi)部電子元件、金屬連線、通孔和外部連接的布局、電磁保護(hù)、熱耗散、串音等各種因素。優(yōu)秀的線路設(shè)計(jì)可以節(jié)約生產(chǎn)成本，達(dá)到良好的電路性能和散熱性能。簡單的版圖設(shè)計(jì)可以用手工實(shí)現(xiàn)，但復(fù)雜的線路設(shè)計(jì)

15、一般也需要借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）實(shí)現(xiàn)，而著名的設(shè)計(jì)軟件有OrCAD、Pads (也即PowerPCB)、Altium designer (也即Protel)、FreePCB、CAM350等圖3.7 PCB板第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 單片機(jī)接口程序設(shè)計(jì) 單片機(jī)接口程序采用C51語言編寫，這是專門為51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的高效率C語言編譯器，符合ANSI標(biāo)準(zhǔn)，生成的程序代碼運(yùn)行速度極高，所需要的存儲(chǔ)器空間極小，匯編語言更簡單易用。接口程序編寫時(shí)，首先進(jìn)行串口的初始化，即在SCON寄存器中賦值#050H，將波特率設(shè)置為9600，用定時(shí)器1產(chǎn)生波特率，串口工作在方式2。 下面為串口通信程序流程圖：

16、 圖4.1 上位機(jī)圖4.2上位機(jī)圖4.3上位機(jī) 只有上位機(jī)能夠主動(dòng)發(fā)命令。也就是說在下位機(jī)接收到上位機(jī)的命令后,才進(jìn)行發(fā)數(shù)據(jù)或進(jìn)行相關(guān)的動(dòng)作,它不能主動(dòng)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。單片機(jī)在接收到上位機(jī)的數(shù)字后,返回這個(gè)數(shù)字，并由PC顯示出來。數(shù)字的起始符是數(shù)字00，結(jié)束符是數(shù)字FF。4.2 單片機(jī)串口通訊協(xié)議單片機(jī)通過串口每次向上位機(jī)傳送3個(gè)有效數(shù)據(jù)：AD1、AD2、8位按鍵。為保證接收時(shí)上位機(jī)能正確識(shí)別其順序，這里在每次發(fā)送數(shù)據(jù)前加發(fā)一個(gè)0x00作為起始位。然后把AD1、AD2的值均加1。再加上按鍵值一次發(fā)送4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。上位機(jī)接收時(shí)檢測到0時(shí)，即將其后的第12位減1，然后和其后第3位一并作為AD1

17、、AD2、8位按鍵的值。 由此可見，上位機(jī)顯示的AD值最高為參考值的254/255，另外由于按鍵按下為0，這個(gè)協(xié)議將會(huì)在8個(gè)按鍵全按下的時(shí)候出錯(cuò)。但這種情況不多見。如果一定要保證協(xié)議的可靠性，可以屏蔽一個(gè)按鍵，只使用7個(gè)按鍵。 課設(shè)總結(jié)LabView作為一個(gè)專為測試測量設(shè)計(jì)的編程語言，使用了工程師們最熟悉的圖形化的編程方式，能夠幫助用戶高效和快速的開發(fā)測試應(yīng)用。串口是常用的計(jì)算機(jī)與外部串行設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，通過USB串口總線與PC計(jì)算機(jī)組成虛擬儀器系統(tǒng)，是目前虛擬儀器的構(gòu)成方式之一，它具有接口簡單，使用方便的特點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)為PC與單片機(jī)串口通信，課題完成的工作總結(jié)如下： （1）進(jìn)行了系統(tǒng)

18、的硬件和軟件方面的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括USB串口的連接，STC12C5A60S2單片機(jī)連接和數(shù)據(jù)傳輸，Labview串口程序設(shè)計(jì)，C語言程序的設(shè)計(jì)等等。 （2）采用USB串口數(shù)據(jù)線連接PC機(jī)與單片機(jī)，用LabVIEW8.0作為開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)PC機(jī)與下位機(jī)單片機(jī)之間的串口通信。連接PC和單片機(jī)構(gòu)成單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，PC發(fā)送數(shù)據(jù)給單片機(jī)，并將數(shù)據(jù)返還回來，PC接收并驗(yàn)證返還的數(shù)據(jù)。 實(shí)踐證明應(yīng)用先進(jìn)的虛擬儀器軟件LabView,大大降低了串口通訊復(fù)雜程度,減小了軟件設(shè)計(jì)的工作量,大大降低了投資成本。本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了LabView下的串口通信，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。 然而，本次設(shè)計(jì)還有一定的不足

19、之處。用LabView軟件強(qiáng)大的編輯功能，配合下位機(jī)智能儀器，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸功能。在這次設(shè)計(jì)中，只是初步的研究了PC機(jī)和單片機(jī)之間的通信方法，實(shí)現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。對(duì)于復(fù)雜數(shù)據(jù)的傳輸和更強(qiáng)大功能的開發(fā)還有待發(fā)掘。參考文獻(xiàn)1 胡漢才，單片機(jī)原理及其接口技術(shù)M清華大學(xué)出版社，19962 JEFFREYTRAVISLabVIEW大學(xué)實(shí)用教程M電子工業(yè)出版社，2008 3 趙亮，侯國銳單片機(jī)C語言編程與實(shí)例M人民郵電出版社，2003 4 張毅剛單片機(jī)原理及應(yīng)用M北京：高等教育出版社，2003 5 何立民單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用北京航空航天出版社，20036 張桐，陳國順，王正林精通LabVIEW 程序設(shè)計(jì)M電子工業(yè)出版社，2008 7袁新艷.計(jì)算機(jī)外設(shè)與接口技術(shù)M.高等教育出版社,2009. 8張迎新.單片微型計(jì)算機(jī)原理、及接口技術(shù).北京：國防工業(yè)出版社 9張靖武，周靈彬.單片機(jī)系統(tǒng)的PROTEUS設(shè)計(jì)與仿真M. 北京：電子工業(yè)出版社，2007 10孫踐知.PC硬件技術(shù)基礎(chǔ)教程M.北京：科技出版社,2003. 11何立民，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)M北京： 北京航空航天大學(xué)出版社，1993 12戴勝華，等單片機(jī)原理與應(yīng)用M北京：清