LabVIEW虚拟仪器串口扩展模块的开发——上位机的开发
摘 要
虚拟仪器是现代计算机技术同仪器技术深层次结合的全新概念仪器，实质是利用计算机显示器的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出测量结果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理，完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。串口通信是外部设备和计算机间，通过数据信号线 、地线、控制线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本。
本毕业设计通过将LabVIEW和串口通信相结合，实现外部硬件设备通过串口将被测物体的参数发送到计算机上并利用LabVIEW进行实时的查看和处理。文中首先从虚拟仪器的相关知识出发，结合串口通信的相关技术，利用LabVIEW图形化编程语言编写了串口通信上位机软件系统，通过LabVIEW的模块化函数以及相应的功能，实现了串口通信上位机软件系统的数据接收、数据显示、数据存储、以及数据报警等功能。
最后利用串口调试助手仿真下位机硬件系统对整个串口通信系统进行测试，测试结果证明编写的系统能够准确接收数据以及所有预定的功能，且具有很好的推广前景。
关键词：虚拟仪器、 LabVIEW、 上位机、 串口通信
Abstract
Virtual instrument is the modern computer technology combined with the instrumentation of the new concept of deep-level instruments, in real terms is the use of analog computer monitors display control panel, traditional instruments, in various forms to express the output measurements, using computer software features to achieve a strong signal Operation data, analysis and processing, to complete a variety of testing capabilities of a computer instrument system. serial communication is away of communication between computer and peripheral equipment through a data signal wire, ground wire, line etc. This way of communication use fewer data line, in the long distance communication can save communication costs.
This article by combining LabVIEW and serial port communication, achieve the external hardware devices via a serial port to sent the parameters of the object being measured to the computer and use LabVIEW real-time viewing and processing. In this paper, first of all, starting from the knowledge of virtual instrument, and based on the relevant technology of serial communication, using LabVIEW graphical programming language to compile the serial communication software system, through the LabVIEW modular functions and corresponding functions, to achieve the functions such as data receiving, display, storage, and alarm etc.
Finally using serial debugging assistant simulation a lower computer to test the whole system, the test result proves that the system can receive data accurately and all scheduled functions, and has very good promotion prospects.
Keywords: Virtual instrument、 LabVIEW、 upper monitor、 Serial communication
目 录
摘 要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1课题的研究目的及意义 1
1.2国内外发展趋势 1
1.2.1 LabVIEW的发展历程 1
1.2.2 RS232串口的发展历程 2
1.3本文主要研究内容 2
第二章 LabVIEW及虚拟仪器简介 3
2.1虚拟仪器概论 3
2.2 LabVIEW简介 3
2.2.1 LabVIEW的概念 3
2.2.2 LabVIEW的组成及功能 4
2.2.3 LabVIEW的应用现状 4
2.3基于LabVIEW的虚拟仪器系统设计 5
2.3.1创建VI 5
2.3.2程序的运行和调试方法 8
2.4本章小结 8
第三章 串口通信上位机实现过程 9
3.1串口通信上位机软件系统的总体设计 9
3.1.1软件系统的结构图 9
3.1.2软件系统的流程图 10
3.2串口通信上位机软件系统模块设计 12
3.2.1数据接收 12
3.2.2协议分析 13
3.2.3数据显示 15
3.2.4数据存储 18
3.2.5数据报警 19
3.2.6数据查询 20
3.2.7系统控制 21
3.3本章小结 21
第四章 上位机系统测试 23
4.1辅助工具 23
4.2参数设定 24
4.3数据显示及报警 24
4.4历史查询 26
4.5本章小结 27
第五章 总结与展望 29
致 谢 31
参考文献 32
附录1源程序 33
第一章 绪论
1.1课题的研究目的及意义
随着科技的进步，在许多的工业检测和控制系统中，通过计算机作为上位机监控中心，下位机硬件系统作为监控设备，两者之间通过相关的通信设备连接在一起的形式应用得非常的广泛。上位机和下位机系统之间的连接方式有很多，其中，在工业应用中，串口通信方式是使用得最为广泛的一种。串口通信在进行数据传输的时候，将数据按位来进行传输，所以它的传输速度慢，但是它占用较小的通信线路，并且成本低廉，所以在工业中，串口通信的方式使用得非常广泛。本文从实际的需求出发，利用计算机的串口设备，并结合LabVIEW图形化编程软件，来编写串口通信上位机软件系统，让其能实现正确的接收下位机硬件系统采集到的温度、湿度和压力数据，并在此基础上让其能在更多的领域里进行应用。
1.2国内外发展趋势
1.2.1 LabVIEW的发展历程
上世纪八十年代中期，美国国家一起公司在他们的麦金塔计算机平台中开发了LabVIEW，并提出了虚拟仪器的概念。正如NI公司的主席兼CEO James Truchard博士所说：“我们开发LabVIEW来为工程师们做一些事情，正如电子表格为金融分析师所做的事情[1]”。因此，在LabVIEW 1.0版本面世后，后续的众多LabVIEW版本都沿用了1.0版本中的并行数据流、层次化结构、集成I/O口和分析库等主要技术。LabVIEW从应用到现在，经过二十多年的发展，用户不断的将LabVIEW应用到各种各样的领域中，这就不断的激励着NI的工程师们努力的去完善、扩展LabVIEW的功能。随着LabVIEW功能得不断完善和扩展，现在，使用LabVIEW的用户已经接近千万的 用户，以及上千的行业应用[2]。
LabVIEW在发展之初的目的是为了方便用户进行各种数据采集以及相关的仪器控制，而I/O总线技术的发展成为了LabVIEW开发平台发展的驱动力。LabVIEW原本就与GPIB、RS232仪器控制工具相兼容，如今为成百上千的不同的外形、性能等级和环境选项，又兼容了USB、Bluetooth、PCI及PCI Express、PXI及PXI Express、wireless和基于以太网的I/O口等等。现在，LabVIEW拥有一个非常全面的驱动库——包括来自225个供应商的6000多台仪器驱动器，而且这个数字还在持续增长[3]。随着NI公司不断为LabVIEW平台添加更多的功能——不管是新的硬件目标还是高级的设计工具——公司都始终忠实于用户的主要关心方面，即开放式集成、性能和易于使用的特点[4]。
今天，NI公司的工程师还在不停的对LabVIEW开发平台进行优化和完善，因为NI公司认识到他们对LabVIEW用户的承诺，也理解用户们对更优越的性能、更直观的工具和更好的集成性能的期待[5]。
1.2.2 RS232串口的发展历程
串口通信技术，用于许多工业控制仪器的通信。而它的通信标准在经过多年的使用和发展，在最基础的RS232串口通信标准的基础上，通过改进而形成了好几种标准。RS232串口通信标准时上世纪六十年代末期由美国的EIA和BELL等公司联合制定的。在该标准下，RS232最适合的数据通信传输速率是0~256bit/s [5]。这个标准还对串行通信接口中涉及的信号线功能、电器特性等作了明确的规定。在改标准下，许多相关的通信设备厂商生产的通信设备都可以利用RS232接口来进行通信，所以，现在RS232在微机通信接口中被广泛的使用[6]。RS232串口常常用于连接计算机和外围设备，比如：调制解调器、打印机、键盘、游戏手柄、鼠标等。近几年，大部分这类应用已经转为通用串行总线(USB)等其它通信协议[7]。现在，RS232串行通信主要用于血糖仪、条形码扫描仪、汽车数据通信设备、机顶盒、游戏机等需要低成本、低速率(低于1Mbps)的通信系统[8]。除了上诉的应用以外，在工业上，许多仪器仪表、控制仪器等设备也常常使用RS232接口来和计算进行连接，用于实现相关的数据监控、仪器控制等目的。
1.3本文主要研究内容
本文从基于LabVIEW的计算机和单片机之间的串口通信出发，利用串口调试助手仿真单片机采集温度、湿度、压力检测，利用串口实现了基于LabVIEW的串口通信上位机设计。本文各章节的主要内容如下：
第一章主要是对本课题的来源和课题的意义、基于LabVIEW的串口通信技术的发展趋势做了相应的说明。
第二章主要学习了LabVIEW的相关知识，包括LabVIEW的观念、组成和功能以及应用现状等。重点介绍了利用LabVIEW来进行虚拟仪器系统设计的相关方法。
第三章是对整个系统软件进行设计，利用LabVIEW编程软件编写上位机同信念软件，对系统里的各个模块的功能进行了具体的说明。
第四章是对编写的串口通信软件进行了测试，验证系统各个功能模块的有效性以及整个系统的运行的有效性。
第二章 LabVIEW及虚拟仪器简介
2.1虚拟仪器概论
随着计算机技术、大规模集成电路等技术的飞速发展，仪器系统与计算机软件技术紧密结合，使得传统仪器的概念得以突破，出现了一种全新的仪器概念——虚拟仪器（Virtual Instrumentation，VI）。
虚拟仪器是在计算机为核心的硬件平台上，通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有地融为一体，利用计算机强大的软件功能实现信号数流行的工具之一，其广泛地被工业界、学术界和研究实验室认可并接受，被公认为标准的数据采集和仪器控制软件，现已成为测试测量和据的运算，分析，处理，形成既有传统仪器的基本功能，又有特殊功能的新型仪器。图形化软件开发环境LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是目前实现虚拟仪器软件设计最控制行业的标准软件平台。
运用虚拟仪器代替传统仪器，不但满足电子信息类型实验教学的需要，大大提高设备利用率实现资源共享，降低实验室建设成本，我们还可以根据自己的需要定义仪器的新功能。
虚拟仪器的一个重要概念和口号是“软件就是仪器”。利用虚拟仪器思想建立的测控系统提高了测量精度和测量速度，减少了开关和电缆等器件，系统易于扩充和修改，从而使其体积小、灵活方便、成本低、效率高，成为现代测控系统的发展方向。
2.2 LabVIEW简介
2.2.1 LabVIEW的概念
LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的简称，是目前功能最强、应用最广、发展最快的图形化软件开发环境，得到了工业界和学术界的普遍认可和好评[9]。它可以把复杂、繁琐、费时的文本语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能(图形)，用线条将各种功能(图形)连接起来的简单图形编程方式，为没有编程经验的用户进行编程、调试提供了简单方便、完整的坏境和工具，尤其适合于从事科研、开发的科学家和工程技术人员使用。LabVIEW是一种虚拟仪器开发平台软件，能够以其直观简便的编程方式、众多的源代码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户能够快捷地构筑自己在实际应用中所需要的仪器系统创造了基础条件。LabVIEW是一个最终面向用户的工具，通过LabVIEW用户能够增强自己的科学和工程系统的能力，实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径[10]。
LabVIEW是一个工业标准的图形化开发环境，它结合了图形化编程方式的高性能与灵活性，以及专为测试、测量与自动化控制应用设计的高端性能与配置功能，能为数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示等各种应用提供必要的开发工具[11]。LabVIEW具有动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据流向及其变化情况，比其它语言的开发环境更方便、更有效。
2.2.2 LabVIEW的组成及功能
利用LabVIEW编写的程序界面和功能，同现实中的仪器特别的相似，所以LabVIEW编写的所有程序都被叫做VI，它是Virtual Instrumention（虚拟仪器）的缩写。所有的VI都是由交互式接口、数据流程和图标连接端口组成[12]。
NI公司在开发LabVIEW图形化编程软件的时候，考虑到大多数工程人员的使用情况，使用了许多的工程人员熟悉的术语、图表以及相关的概念等，人们在使用它的时候，能够非常方便简单的工程人员所在领域的相关的系统开发。LabVIEW作为一个完整图形化开发平台，具有如下几个特性 [13]：
① 自带的相关的数据结构使得编写的代码结构清晰，具有很强的可读性；
② 用户能够根据自己的需求，先创建相关的符合要求的用户界面，然后再根据实际要求来实现相应的程序功能，程序具有很强的可写性；
③ 在编写程序代码时，用户能够将程序的功能模块化，然后根据不同的功能来分块的编写代码，从而创建整个程序，具有很强的可编辑性；
④ 在编写相关的功能模块时，工程人员可以根据需要，为功能模块设置相应的输入输出端口，当用户想在其他地方使用该功能模块是，可以很方便的进行功能模块调用，提高编程效率，具有很强的重用性；
⑤ 在LabvIEW中，通过相关的图形符号来帮助工程人员提高对许多抽象事物的理解，能够提高整体的工作效率。
正是由于LabVIEW具有以上特性，和其他文本编程语言相比，它有着独特的优势。具体如下：
（1） 简单的方案
（2） 灵活的仪器
（3） 方便的程序调试
（4） 完整的开发环境
（5） 快速的开发
（6） 开放的平台
2.2.3 LabVIEW的应用现状
在许多的领域中，比如自动化控制、通信行业，半导体设计、电路设计、航空航天研究以及生物医学等，都对LabVIEW有很多的应用，用以提高相关系统的开发速度，在这些应用中，囊括了相关产品的研发。测试、以及生产的中后期等各个环境。通过协调使用LabVIEW图形化开发平台，共享相关的资源信息，大大的降低了相关系统的开发成本和时间。LabVIEW的应用大致可分为以下几个主要方面[14]：
（1） 应用于生产检测
（2） 应用于研究与分析
（3） 应用于过程控制和工厂自动化
（4） 应用于机器监控
（5） 应用于测控系统
参考文献
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