一种基于 MCS51 的低成本LabVIEW实验教学系统

0 引言

NI 公司于20 世纪70 年代提出了虚拟仪器的概念。虚拟仪器是在以计算机为核心的平台上，由用户设计，具有虚拟面板，由软件实现测试功能的计算机仪器系统，是计算机与测试仪器相结合的产物。虚拟仪器最常用的编程语言为LabVIEW,是NI公司的基于图形化编程语言的虚拟仪器开发工具，利用它可以轻松组建一个测试系统而无需进行繁琐的代码编写。因此虚拟仪器大大突破了传统仪器在灵活性，以及数据处理、显示、存储等方面的不足，其主要优势在于：用户能够根据需求灵活的进行功能修改和扩展;人机界面为视窗界面，形象直观;网络连接简单易行，便于组建测控网络。

目前虚拟仪器在通信、汽车、测控等行业得到了广泛的应用。相应的各大高校也在NI公司的支持下，陆续开设了虚拟仪器课程，组建了相关的实验室，如西安交大利用虚拟仪器讲授信号处理;天津大学开设的智能检测仪器课程。

目前国内高校教授虚拟仪器课程使用的信号采集板多为NI 公司的数据采集板卡，如USB600X,USB92XX,PCI62XX 系列。这类板卡虽然性能优良，配套软件齐备，但是作为高校教学也存在不足之处。首先NI公司只卖板卡不卖技术，这样在教学中教师和学生只能使用板卡，而不能掌握虚拟仪器硬件系统的具体结构和技术细节;其次这类板卡一般价格较贵，普遍在2 000元以上，相对高校而言开课成本太高，这一点对于欠发达地区的一般学校尤为突出。

本文利用廉价的MCS51单片机设计了包含常用传感器、数据采集模块与USB 通信接口的LabVIEW 实验教学系统，并编制了常用的实验案例程序，满足了本科生虚拟仪器实验教学的需要，且成本相对于NI的产品大大降低，针对高校市场具有良好的推广前景。

1 系统结构

整个系统由前端传感器、单片机数据采集以及USB通信接口几部分组成，如图1所示。

1.1 前端传感系统

虚拟仪器实验系统的前端传感器将待测的物理量转换成电量(电流或电压)，作为后面采集处理系统的输入信号，是整个测试系统与外界的接口与桥梁。本实验系统集成了温度、光强与电阻传感器，并预留了扩展接口以外接其他传感器。其中温度传感器为数字温敏器件DS18B20,能够在-55~125 ℃的范围内提供9~12 b分辨率的温度数据，具有0.5 ℃的精度，适合于一般场合的应用，其优点在于能够直接提供数字温度值，可以与后端MCU直接接口，省去了调理电路。而电阻测量采用串联分压法，即将待测电阻Rx与已知电阻串联后外加固定电压Vref,将Rx上的分压V作为待测信号，后端采集与处理系统只需测得V 就可以根据比例关系求出Rx.光强传感器则使用光敏电阻，具体电路如图2所示。

1.2 数据采集与通信

数据采集使用12 位ADC 器件TLC2543,该器件具有11位模拟输入端，可通过控制字灵活选择不同输入端口，适合于多传感器输入应用。器件控制字输入和转换数据输出都为串行模式，可以与51单片机以尽可能少的连线接口。51 单片机与上位机使用USB 接口通信。USB接口基于单一的总线接口来满足多种应用领域的需求，其具有的即插即用、支持热插拔、易于扩展等特性极大地方便了用户，已逐渐成为现代数据传输的主流。由于51 单片机自身不拥有USB 接口，所以需要外接USB 控制器。

本系统使用PL2303 来实现USB 和RS 232串行端口之间的转换。PL2303拥有2个独立的大型缓冲进行两种总线的连接。大型数据缓冲器用于USB的批量数据传输，而串行通信可使用自动握手模式，因而可以达到远大于标准UART 控制器的波特率。PL2303 支持USB电源管理和远程唤醒协议，当主机挂起时消耗极小的电能;芯片亦可以安装在电缆线中，用户只需将其连入主机USB 或USB HUB 上，就可以实现与单片机RS232串口的通信。单片机与TLC2543和PL2303的具体接口电路如图3所示。

2 实验程序设计

传统的开发USB 应用系统的步骤是：先用Win-dows DDK(设备驱动程序开发包)或第三方开发工具(如DriverStudio)开发USB驱动程序，然后用Visual C++编写DLL(动态连接库)，最后再调用DLL来开发应用程序。显然，这对Windows编程不熟悉的人来说有一定的难度。VISA(Virtual Instrument Software Architecture)是NI公司开发的一种用来与各种仪器总线进行通信的高级应用编程接口。VISA是一个综合软件包，不受平台、总线和环境的限制，可用来对USB、GPIP、串口、VXI、PXI和以太网系统进行配置、编程和调试。LabVIEW通过调用VISA函数来实现USB设备的控制和通信。在这里主要使用了VISA Open,VISA Write,VISA Read,VI-SA Close这4个VISA 函数。与USB 设备的通信过程分为4个步骤：

(1)由VISA Open 函数打开VISA resource name 端口