引言

NI 公司于 20 世紀(jì) 70 年代提出了虛擬儀器的概念。虛擬儀器是在以計(jì)算機(jī)為核心的平臺(tái)上，由用戶設(shè)計(jì)，具有虛擬面板，由軟件實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能的計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)與測(cè)試儀器相結(jié)合的產(chǎn)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(fā)工具，利用它可以輕松組建一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)而無需進(jìn)行繁瑣的代碼編寫。因此虛擬儀器大大突破了傳統(tǒng)儀器在靈活性，以及數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲(chǔ)等方面的不足，其主要優(yōu)勢(shì)在于：用戶能夠根據(jù)需求靈活的進(jìn)行功能修改和擴(kuò)展;人機(jī)界面為視窗界面，形象直觀;網(wǎng)絡(luò)連接簡(jiǎn)單易行，便于組建測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。

目前虛擬儀器在通信、汽車、測(cè)控等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。相應(yīng)的各大高校也在 NI 公司的支持下，陸續(xù)開設(shè)了虛擬儀器課程，組建了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室，如西安交大利用虛擬儀器講授信號(hào)處理;天津大學(xué)開設(shè)的智能檢測(cè)儀器課程。

目前國內(nèi)高校教授虛擬儀器課程使用的信號(hào)采集板多為 NI 公司的數(shù)據(jù)采集板卡，如 USB600X，USB92XX，PCI62XX 系列。這類板卡雖然性能優(yōu)良，配套軟件齊備，但是作為高校教學(xué)也存在不足之處。首先 NI 公司只賣板卡不賣技術(shù)，這樣在教學(xué)中教師和學(xué)生只能使用板卡，而不能掌握虛擬儀器硬件系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)和技術(shù)細(xì)節(jié);其次這類板卡一般價(jià)格較貴，普遍在 2 000 元以上，相對(duì)高校而言開課成本太高，這一點(diǎn)對(duì)于欠發(fā)達(dá)地區(qū)的一般學(xué)校尤為突出。

本文利用廉價(jià)的MCS51單片機(jī)設(shè)計(jì)了包含常用傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊與 USB 通信接口的 LabVIEW 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，并編制了常用的實(shí)驗(yàn)案例程序，滿足了本科生虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，且成本相對(duì)于 NI 的產(chǎn)品大大降低，針對(duì)高校市場(chǎng)具有良好的推廣前景。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由前端傳感器、單片機(jī)數(shù)據(jù)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(tǒng)

虛擬儀器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的前端傳感器將待測(cè)的物理量轉(zhuǎn)換成電量（電流或電壓），作為后面采集處理系統(tǒng)的輸入信號(hào)，是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)與外界的接口與橋梁。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)集成了溫度、光強(qiáng)與電阻傳感器，并預(yù)留了擴(kuò)展接口以外接其他傳感器。其中溫度傳感器為數(shù)字溫敏器件 DS18B20，能夠在 -55~125 ℃的范圍內(nèi)提供 9~12 b 分辨率的溫度數(shù)據(jù)，具有 0.5 ℃的精度，適合于一般場(chǎng)合的應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠直接提供數(shù)字溫度值，可以與后端 MCU 直接接口，省去了調(diào)理電路。而電阻測(cè)量采用串聯(lián)分壓法，即將待測(cè)電阻 Rx 與已知電阻串聯(lián)后外加固定電壓 Vref，將 Rx 上的分壓 V 作為待測(cè)信號(hào)，后端采集與處理系統(tǒng)只需測(cè)得 V 就可以根據(jù)比例關(guān)系求出 Rx. 光強(qiáng)傳感器則使用光敏電阻，具體電路如圖 2 所示。

1.2 數(shù)據(jù)采集與通信

數(shù)據(jù)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(yīng)用。器件控制字輸入和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出都為串行模式，可以與 51 單片機(jī)以盡可能少的連線接口。51 單片機(jī)與上位機(jī)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(yīng)用領(lǐng)域的需求，其具有的即插即用、支持熱插拔、易于擴(kuò)展等特性極大地方便了用戶，已逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹髁鳌Ｓ捎?51 單片機(jī)自身不擁有 USB 接口，所以需要外接 USB 控制器。

本系統(tǒng)使用 PL2303 來實(shí)現(xiàn) USB 和 RS 232 串行端口之間的轉(zhuǎn)換。PL2303 擁有 2 個(gè)獨(dú)立的大型緩沖進(jìn)行兩種總線的連接。大型數(shù)據(jù)緩沖器用于 USB 的批量數(shù)據(jù)傳輸，而串行通信可使用自動(dòng)握手模式，因而可以達(dá)到遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn) UART 控制器的波特率。PL2303 支持 USB 電源管理和遠(yuǎn)程喚醒協(xié)議，當(dāng)主機(jī)掛起時(shí)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(jī) USB 或 USB HUB 上，就可以實(shí)現(xiàn)與單片機(jī) RS232 串口的通信。單片機(jī)與 TLC2543 和 PL2303 的具體接口電路如圖 3 所示。

2 實(shí)驗(yàn)程序設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的開發(fā) USB 應(yīng)用系統(tǒng)的步驟是：先用 Win-dows DDK（設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)包）或第三方開發(fā)工具（如 DriverStudio）開發(fā) USB 驅(qū)動(dòng)程序，然后用 Visual C++編寫 DLL（動(dòng)態(tài)連接庫），最后再調(diào)用 DLL 來開發(fā)應(yīng)用程序。顯然，這對(duì) 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(fā)的一種用來與各種儀器總線進(jìn)行通信的高級(jí)應(yīng)用編程接口。VISA 是一個(gè)綜合軟件包，不受平臺(tái)、總線和環(huán)境的限制，可用來對(duì) USB、GPIP、串口、VXI、PXI 和以太網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行配置、編程和調(diào)試。LabVIEW 通過調(diào)用 VISA 函數(shù)來實(shí)現(xiàn) USB 設(shè)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(gè) VISA 函數(shù)。與 USB 設(shè)備的通信過程分為 4 個(gè)步驟 。

（1）由 VISA Open 函數(shù)打開 VISA resource name 端口指定的 USB 設(shè)備;

（2）通過 VISA Write 函數(shù)向 USB 設(shè)備發(fā)送控制命令啟動(dòng)設(shè)備工作，USB 設(shè)備接收到控制命令后開始采集數(shù)據(jù)并將采集到的數(shù)據(jù)按要求發(fā)送到數(shù)據(jù)緩沖區(qū);

（3）通過 VISA Read 函數(shù)將數(shù)據(jù)讀出;

（4）通過 VISA Close 函數(shù)關(guān)閉設(shè)備。PC 主機(jī)與 USB 設(shè)備進(jìn)行通信的 LabVIEW 程序框圖如圖 4 所示，而 51 單片機(jī)的程序結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。

3 結(jié)語

虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是虛擬儀器課程教學(xué)中不可或缺的設(shè)備，本文針對(duì) NI 等主流數(shù)據(jù)采集板卡存在的價(jià)格昂貴且技術(shù)屏蔽問題，利用廉價(jià)的 MCS51 單片機(jī)設(shè)計(jì)了包含常用傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊與 USB 通信接口的 LabVIEW 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。

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