《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于LabVIEW的單片機(jī)脈沖發(fā)生器
摘要: 上位機(jī)軟件LabVIEW同下位機(jī)通信時(shí),,將下位機(jī)所要產(chǎn)生的脈沖的參數(shù)通過串口傳給下位機(jī),,以便實(shí)現(xiàn)利用LabVIEW控制單片機(jī)產(chǎn)生所需脈沖的目的。
Abstract:
Key words :

  1引言

  由于各種人群的皮膚阻抗的動(dòng)態(tài)范圍不一樣,,甚至同個(gè)人在不同的時(shí)間,、不同的環(huán)境下皮膚阻抗的動(dòng)態(tài)范圍也不一樣,。因此,在皮膚阻抗檢測(cè)系統(tǒng)中,,刺激器需要根據(jù)不同的人群以及不同的環(huán)境,,產(chǎn)生不同頻率、不同脈寬的刺激信號(hào),,才能保證檢測(cè)系統(tǒng)可以測(cè)量到人體皮膚的真實(shí)阻抗,。

  MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)有3個(gè)定時(shí)器可以產(chǎn)生方波,而且方波的脈沖頻率及寬度可以由軟件設(shè)定,,這種產(chǎn)生脈沖的方式具有很大的靈活性,。上位機(jī)軟件LabVIEW下位機(jī)通信時(shí),將下位機(jī)所要產(chǎn)生的脈沖的參數(shù)通過串口傳給下位機(jī),,以便實(shí)現(xiàn)利用LabVIEW控制單片機(jī)產(chǎn)生所需脈沖的目的,。

  2下位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

  2.1硬件部分

  MCS-51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)功能很強(qiáng)的全雙工串行口,,該串行口有4種工作方式。片內(nèi)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器可以產(chǎn)生波特率,,大小可用軟件設(shè)置,。有2個(gè)物理上獨(dú)立的接收、發(fā)送緩沖器SBUF,,接收,、發(fā)送均可觸發(fā)中斷系統(tǒng),使用十分方便,。對(duì)外也有兩條獨(dú)立的收,、發(fā)信號(hào)線RXD(P3.0)和TXD(P3.1)。

  本文采用RS 232串行接口標(biāo)準(zhǔn),,在電氣特性上,,RS232采用負(fù)邏輯,要求高低兩信號(hào)間有較大的幅度,,標(biāo)準(zhǔn)為:邏輯"1"在-5~-15V之間,,邏輯"0"在+5~+15V之間。

  2.2軟件部分

  MCS-51的定時(shí)器0進(jìn)行兩次計(jì)數(shù),。設(shè)P1.0為脈沖發(fā)生端,,當(dāng)定時(shí)器0的第一次計(jì)數(shù)結(jié)束后,將P1.0取反,,賦新的初值,,再進(jìn)行第二次計(jì)數(shù)。當(dāng)?shù)诙斡?jì)數(shù)結(jié)束后,,再一次將P1.0取反,,又賦原來(lái)的初值,進(jìn)行新一輪的計(jì)數(shù),,如此反復(fù)即可產(chǎn)生方波,。這樣通過兩次計(jì)數(shù)值的不同就可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生不同脈寬及頻率的方波了。

 

 

圖

 

  圖1,,圖2和圖3給出了單片機(jī)程序的詳細(xì)流程圖,。其中定時(shí)器1工作在方式2,這是一種自動(dòng)重裝方式,,禁止中斷,,用于產(chǎn)生波特率(該波特率設(shè)置為9 600)。串口工作在方式1,,發(fā)送或接受一幀信息為10位,,1位起始位(0),8位數(shù)據(jù)位和1位停止位(1),,無(wú)奇偶校驗(yàn)位,。程序還設(shè)定串口中斷優(yōu)先級(jí)高于定時(shí)器0的中斷優(yōu)先級(jí),。

 

  在通信前,上下位機(jī)一般會(huì)約定一個(gè)協(xié)議,,例如在發(fā)送的數(shù)據(jù)前加一個(gè)標(biāo)識(shí)段,,一般為一個(gè)字節(jié)。當(dāng)該字節(jié)傳輸正確后,,下位機(jī)才可以認(rèn)為上位機(jī)準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)段,。這樣可以避免串口偶爾產(chǎn)生的誤發(fā)信號(hào)。

 

  程序設(shè)定4個(gè)字節(jié)為一個(gè)數(shù)據(jù)段,,是因?yàn)樯衔粰C(jī)一次性要發(fā)完包括高低電平在內(nèi)的兩次定時(shí)器的初始值,而每一個(gè)初始值都有兩個(gè)字節(jié),。因此下位機(jī)判斷一次完整的數(shù)據(jù)段是否發(fā)送完畢,,就是判斷其是否收到了4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。

 

  3上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

 

  LabVIEW語(yǔ)言是美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司開發(fā)的一種基于圖形化語(yǔ)言(G語(yǔ)言)的編程語(yǔ)言,,利用該語(yǔ)言編寫的模塊化程序,,具有良好的界面,簡(jiǎn)單,、直觀,,且易于理解、調(diào)試和維護(hù),。做成的虛擬儀表可以當(dāng)作許多儀器設(shè)備來(lái)使用,,其功能完全由用戶編程定義。另外,,LabVIEW內(nèi)還包含豐富的數(shù)據(jù)采集,、數(shù)據(jù)信號(hào)分析以及控制等子程序,特別適用于數(shù)據(jù)采集,、通信處理系統(tǒng),。

 

  LabVIEW提供了很多現(xiàn)成的可供調(diào)用的函數(shù)庫(kù),從底層的GPIB,,VXI,,PXI,串口數(shù)據(jù)采集板的控制子程序到大量的儀器驅(qū)動(dòng)程序,;從基本的功能函數(shù)到高級(jí)分析庫(kù),,幾乎涵蓋了儀器設(shè)計(jì)中需要的所有函數(shù)。同時(shí),,LabVIEW還支持用于網(wǎng)絡(luò)通訊的TCP/IP協(xié)議,、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)和網(wǎng)絡(luò)化多媒體對(duì)象技術(shù)(ActiveX)等應(yīng)用軟件標(biāo)準(zhǔn)。

 

  3.1VISA LabVIEW提供了功能強(qiáng)大的VISA庫(kù)

 

VISA(Virtual InSTrument Software Architecture,,虛擬儀器軟件規(guī)范)是用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)庫(kù)及其相關(guān)規(guī)范的總稱,。VISA庫(kù)駐留于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,,完成計(jì)算機(jī)與儀器之間的連接,用以實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的程序控制,,其實(shí)質(zhì)是用于虛擬儀器系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)的API(ApplicatiON Programmer Inter-face,,應(yīng)用程序接口)。正因?yàn)槿绱?,VISA可以連接不同標(biāo)準(zhǔn)的I/O設(shè)備,。

 

  VISA本身并不具備編程能力,惟他通過調(diào)用底層的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的編程,。VISA的I/O軟件庫(kù)的源程序是惟一的,,其與操作系統(tǒng)及編程語(yǔ)言無(wú)關(guān),只是提供了標(biāo)準(zhǔn)形式的API文件作為系統(tǒng)的輸出,。

 

 

圖

 

3.2LabVIEW中利用VISA實(shí)現(xiàn)串口通信

 

  在LabVIEW中使用串口的基本流程為:先調(diào)用VISA Configure Serial Port來(lái)完成串口參數(shù)的初始化設(shè)置,,包括了串口的資源分配,波特率的設(shè)定,,數(shù)據(jù)位,、停止位、校驗(yàn)位和流控制等,。

 

  當(dāng)某一個(gè)串口初始化成功后,,就可以使用該串口進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。使用VISA Write進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送,,使用VISA Read進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收,。在接收數(shù)據(jù)前,有時(shí)需要VISA Bytes at Serial Port查詢當(dāng)前串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù),,如果VISA Read要讀取的字節(jié)數(shù)大于緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù),,VISA Read操作將一直等待,直至緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)達(dá)到要求或是等待時(shí)間滿足VISA Configure Serial Port所設(shè)定的Timeout,?! ≡趯?duì)數(shù)據(jù)的連續(xù)性要求不高的時(shí)候,VISA Read也支持分批讀取接收緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)字節(jié)或者只是讀取其中的一部分字節(jié),。

 

  在某些特殊的情況下,,可以利用VISA SET I/O Buffer Size設(shè)置串口接受/發(fā)送緩沖區(qū)的大小,使用VISAFlash I/O Buffer清空接收與發(fā)送緩沖區(qū),?! ≡诖谑褂媒Y(jié)束后,使用VISA Close結(jié)束與VISAresource name所指定串口間的會(huì)話,。

 

  該LabVIEW程序框圖中調(diào)用了一個(gè)叫做change的子VI程序,,該子VI程序的功能是將高低電平的脈沖寬度值,轉(zhuǎn)換成定時(shí)器的初始值,并且拼湊成一個(gè)4個(gè)字節(jié)的16進(jìn)制數(shù),,通過VISA Write模塊送入下位機(jī),。該子VI的程序框圖如圖5所示。

 

 

圖

 

在接收到數(shù)據(jù)后,,單片機(jī)有一條反饋的指令,,他將其緩沖區(qū)內(nèi)的值再次送回上位機(jī),LabVIEW對(duì)該值進(jìn)行顯示,,并可以和原來(lái)實(shí)際輸出的16進(jìn)制數(shù)進(jìn)行比較,。用戶可以很方便地知道,是否在上下位機(jī)通信中出現(xiàn)誤碼,。

 

  圖6左側(cè)的倒三角表示從圖4(a)的VISA Read中接收到的值,,他與LabVIEW上一次顯示的值拼裝成一個(gè)完整的字符串,成為新的顯示值,,在字符串顯示區(qū)顯示出來(lái),。

 

 

圖

 

 

4程序運(yùn)行結(jié)果與驗(yàn)證

 

  程序的前面板界面如圖7所示。

 

 

圖

 

圖8是另一個(gè)程序的前面板,,該程序可以將采樣率設(shè)定為50kHz的采集卡采集到的數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。該屏幕顯示的是,,上位機(jī)程序發(fā)送欲產(chǎn)生高低電平均為0.6ms脈沖波的定時(shí)器初始值給下位機(jī)后,,下位機(jī)產(chǎn)生的脈沖序列。

 

 

圖

 

上位機(jī)發(fā)送的16進(jìn)制數(shù)為FDA8FDA8,,下位機(jī)準(zhǔn)確接收后,,反饋的值也為FDA8FDA8。

 

  根據(jù)采樣率為50kHz,,即0.02ms采樣一次,,則在顯示波形圖中任選一次完整脈沖(如圖8所示)進(jìn)行計(jì)算,可以得到該次的低電平的持續(xù)時(shí)間為0.66ms,,高電平的持續(xù)時(shí)間為0.68ms,。

 

這兩個(gè)數(shù)據(jù)的誤差可能是采集卡的采樣率誤差引起的,或是單片機(jī)的定時(shí)器中斷服務(wù)程序的執(zhí)行周期產(chǎn)生的延時(shí)所造成的,。

 

  另外,,在上下位機(jī)的通信中,也可能會(huì)產(chǎn)生誤碼,,導(dǎo)致產(chǎn)生的波形不符合要求,。如果要一次性完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù),則應(yīng)該在上下位機(jī)間增加可糾錯(cuò)的編碼和譯碼電路,,否則,,可以選擇再次發(fā)送數(shù)據(jù),當(dāng)返回值與發(fā)送值一致時(shí),才可認(rèn)為發(fā)送成功,,產(chǎn)生的波形基本可以符合要求,。

 

  5結(jié)語(yǔ)

 

  本文用RS 232串行通信接口將計(jì)算機(jī)與單片機(jī)相連,組成一個(gè)可控脈沖發(fā)生器用于皮膚阻抗檢測(cè),。上位機(jī)用LabVIEW編程,,產(chǎn)生的界面友好,操作方便,。這種可控脈沖發(fā)生器編程靈活,,不僅可以產(chǎn)生方波,還可以產(chǎn)生三角波,,正弦波等,,基本可以滿足實(shí)驗(yàn)的要求。

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