基于LABVIEW的無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機(jī)

林奕林，蔡文祥

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094）

LABVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司開(kāi)發(fā)的一款圖形化編程語(yǔ)言（G語(yǔ)言），該語(yǔ)言采樣數(shù)據(jù)流和可視化編程方式編程，同時(shí)封裝了基礎(chǔ)功能[1-5]。LABVIEW把編程人員從繁重的代碼編輯中解放出來(lái)，專(zhuān)注于編程方法和編程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。利用LABVIEW DAQmax測(cè)試人員不需要太多的學(xué)習(xí)，很快便能寫(xiě)出一個(gè)簡(jiǎn)易的采集軟件用于簡(jiǎn)易測(cè)試。通過(guò)深入學(xué)習(xí)和理解LABVIEW編程思維，工程測(cè)試人員便能編輯出適用于工程測(cè)試的性能良好的采集軟件[6-9]。

近些年，國(guó)內(nèi)外有很多文獻(xiàn)研究，都使用LABVIEW用于各種測(cè)試、控制和嵌入式等領(lǐng)域[10-13]。

1 總體框架設(shè)計(jì)

無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

“生產(chǎn)者消-費(fèi)者循環(huán)”是LABVIEW中的一種高效的編程模式，在While循環(huán)中加入事件結(jié)構(gòu)，用于接收和發(fā)送用戶(hù)事件，組成生產(chǎn)者循環(huán)；在While循環(huán)中加入條件結(jié)構(gòu)，用于處理用戶(hù)命令，組成消費(fèi)者循環(huán)。生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間，使用隊(duì)列傳輸數(shù)據(jù)。上位機(jī)設(shè)計(jì)框架使用自定義數(shù)據(jù)類(lèi)型作為隊(duì)列的傳輸數(shù)據(jù)類(lèi)型，該自定義類(lèi)型使用簇，包裝枚舉命令、枚舉的控制模塊和變體數(shù)據(jù)。使用自定義類(lèi)型，可以大大減少后期修改程序的困難，只需對(duì)自定義類(lèi)型做出修改，而不必對(duì)所有使用到該自定義的地方都做出修改。枚舉的命令，能夠使得消費(fèi)者循環(huán)的條件選擇結(jié)構(gòu)的分支具有固定的數(shù)量，使不確定錯(cuò)誤發(fā)生的幾率大大減少。枚舉的控制模塊，能夠使得程序能控制多個(gè)下位機(jī)模塊的同時(shí)，大大簡(jiǎn)化分支。

該上位機(jī)設(shè)計(jì)模式，不僅在經(jīng)典的“生產(chǎn)者-消費(fèi)者”循環(huán)上，使用自定義類(lèi)型作為數(shù)據(jù)傳輸類(lèi)型。還添加了用戶(hù)事件，當(dāng)用戶(hù)通過(guò)彈出框選擇退出程序的時(shí)候，消費(fèi)者循環(huán)里便會(huì)將“用戶(hù)退出”送人隊(duì)列，使消費(fèi)者循環(huán)進(jìn)入“用戶(hù)退出”分支。“用戶(hù)退出”分支產(chǎn)生用戶(hù)事件并退出消費(fèi)者循環(huán)，用戶(hù)事件會(huì)觸發(fā)事件結(jié)構(gòu)，退出生產(chǎn)者循環(huán)。用戶(hù)事件的加入，使得該上位機(jī)的“生產(chǎn)者-消費(fèi)者“循環(huán)的退出更加穩(wěn)定。該模式的用戶(hù)事件，使用了枚舉變量，作為生產(chǎn)者循環(huán)的數(shù)據(jù)類(lèi)型，同時(shí)也是生產(chǎn)者循環(huán)的一個(gè)移位寄存器數(shù)據(jù)類(lèi)型。移位寄存器能夠保存上一次或者幾次循環(huán)的數(shù)據(jù)，使用它能夠確定采集系統(tǒng)處于何種工作狀態(tài)，并能根據(jù)工作狀態(tài)，選擇性的過(guò)濾一些無(wú)法在忙碌時(shí)候處理的事件，這使得該結(jié)構(gòu)更加的完善和合理。

圖1 上位機(jī)設(shè)計(jì)框架

2 通訊命令格式

無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有上位機(jī)和多個(gè)下位機(jī)，其通訊使用TTL-32-1W串口無(wú)線通信單元組建通訊網(wǎng)絡(luò)，上位機(jī)使用LABVIEW儀器IO中的串口模塊編寫(xiě)接收和處理下位機(jī)信號(hào)的模塊[14-16]。下位機(jī)傳來(lái)的是一連串的字符，上位機(jī)想要從字符中解析出有意義的信息，這就需要兩者都要按照一定的標(biāo)準(zhǔn)去發(fā)送和解析數(shù)據(jù)。具體通訊格式如下所示：

1）無(wú)線通訊測(cè)試

格式：指令代碼（0000）+測(cè)試用數(shù)據(jù)（500 Byte）+截止符（ ）

回復(fù)：指令代碼（0000）+接收到的數(shù)據(jù)（500Byte）+截止符（ ）

2）模塊在線查詢(xún)

格式：指令代碼（0001）+截止符（ ）

回復(fù)：指令代碼（0001）+模塊號(hào)（XX）+截止符（ ）

3）無(wú)線模塊開(kāi)關(guān)

格式：指令代碼（0010）+指令（00關(guān)/01開(kāi)）+截止符（ ）

回復(fù)：指令代碼（0010）+指令（00/01）+截止符（ ）

4）新建文件

格式：指令代碼（0011）+指令（新建文件編號(hào)：XX）+截止符（ ）

回復(fù)：指令代碼（0011）+指令（新建文件編號(hào)：XX）+截止符（ ）

5）刪除文件

格式：指令代碼（0100）+指令（刪除文件編號(hào)：XX）+截止符（ ）

回復(fù)：指令代碼（0100）+指令（刪除文件編號(hào)：XX）+截止符（ ）

6）參數(shù)設(shè)置

格式：指令代碼（0101）+指令（采樣頻率（5Byte）+采樣點(diǎn)數(shù)（6Byte）+通道選擇（8Byte）+觸發(fā)方式（1Byte））+截止符（ ）

7）模塊自檢

格式：指令代碼（0110）+指令（0000）+截止符（ ）

8）軟件開(kāi)始

格式：指令代碼（1000）+指令（0000）+截止符（ ）

9）無(wú)線模塊參數(shù)設(shè)置

格式：指令代碼（1001）+指令（6Byte指令）+截止符（ ）

10）無(wú)線數(shù)據(jù)讀取

格式：指令代碼（1010）+指令（通道號(hào)）+截止符（ ）

11）模塊重啟

格式：指令代碼（1011）+指令（0000）+截止符（ ）

3 無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

3.1 界面設(shè)計(jì)

具體無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求可以控制8個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)采集模塊，每個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)采集模塊具有8個(gè)采樣通道。每個(gè)模塊需要單獨(dú)控制新建文件、刪除文件、數(shù)據(jù)傳輸、通訊檢測(cè)、低功耗待機(jī)和模塊重啟等功能；還需要單獨(dú)的采集設(shè)置、零點(diǎn)設(shè)置和電量檢測(cè)及顯示等功能；對(duì)于模塊的通用設(shè)置在界面的右側(cè)，模塊指示燈可以指示模塊使用與否狀態(tài)，通訊指示燈用于指示上位機(jī)和模塊之間的通訊狀態(tài)。具體上位機(jī)界面如圖2所示。

圖2 上位機(jī)界面

3.2 多通道事件的精簡(jiǎn)

對(duì)于本文所研究的是8模塊8通道的數(shù)據(jù)采集模塊，若是每一個(gè)模塊、每一個(gè)事件都要對(duì)應(yīng)一個(gè)事件結(jié)構(gòu)分支和一個(gè)命令處理分支，那么所需要的事件結(jié)構(gòu)和命令處理分支太多、程序也太過(guò)于臃腫。因此將采集設(shè)置打包成簇，只響應(yīng)簇的值變化事件，并通過(guò)比較簇原值和新值的變化，確定簇中何值變化，并做出相應(yīng)控制，如果是“參數(shù)設(shè)置”按鈕按下事件，便會(huì)將參數(shù)設(shè)置（包括模塊選擇）命令發(fā)到消費(fèi)者循環(huán)。而消費(fèi)者循環(huán)中也只需一個(gè)條件結(jié)構(gòu)分支便可以分別處理各模塊中的相同操作。

3.3 上位機(jī)流程圖及編寫(xiě)

具體的上位機(jī)，按圖4所示的流程圖編寫(xiě)，由于已經(jīng)具有了總體框架，只需對(duì)流程圖中的流程，分別編寫(xiě)“生產(chǎn)者”循環(huán)的事件結(jié)構(gòu)命令和“消費(fèi)者”循環(huán)中的條件分支處理 命令，并注意按照上一節(jié)中的方式簡(jiǎn)化，便可以高效的編寫(xiě)完成無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的上位機(jī)。

下位機(jī)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)是一連串的具有固定格式數(shù)據(jù)，上位機(jī)將按照約定好的數(shù)據(jù)格式，解析并轉(zhuǎn)換成TDMS格式的波形數(shù)據(jù)，自動(dòng)保存。在程序運(yùn)行完成之后，使用LABVIEW中的文件I/O中的XML模塊，將采集參數(shù)設(shè)置和模塊選擇等參數(shù)使用xml格式保存，在下一次開(kāi)機(jī)時(shí)候，使用該數(shù)據(jù)初始化上位機(jī)程序。

圖3 消費(fèi)者循環(huán)中命令處理分支的簡(jiǎn)化

圖4 上位機(jī)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

上位機(jī)和下位機(jī)在獨(dú)立編寫(xiě)完成之后，對(duì)其進(jìn)行實(shí)地通訊調(diào)試。實(shí)驗(yàn)表明上位機(jī)能夠和下位機(jī)能夠穩(wěn)定通訊、上位機(jī)能夠穩(wěn)定工作，上位機(jī)能夠穩(wěn)定快速控制下位機(jī)無(wú)線采集模塊，上位機(jī)能穩(wěn)定的讀取、存儲(chǔ)下位機(jī)傳回的實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)。如圖5所示，是無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以5 kHZ采樣頻率，采集并獲得的實(shí)驗(yàn)曲線。實(shí)驗(yàn)表明，上位機(jī)和下位機(jī)能穩(wěn)定通訊，并能正確接收及解析數(shù)據(jù)。

圖5 落錘試驗(yàn)曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種無(wú)線一種基于LABVIEW的上位機(jī)高效開(kāi)發(fā)方案。并實(shí)際應(yīng)用于一種多模塊多通道的無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的上位機(jī)的編寫(xiě)中。基于無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，定義了一種固定的通訊格式，使得上位機(jī)和下位機(jī)的編寫(xiě)能夠分別獨(dú)立的進(jìn)行，且能夠在上位機(jī)和下位機(jī)完成編寫(xiě)后，快速調(diào)試和整合，大大減少了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間。在上位機(jī)的編寫(xiě)過(guò)程中，使用簇打包，簡(jiǎn)化了“生產(chǎn)者循環(huán)”事件分支和“消費(fèi)者循環(huán)”條件結(jié)構(gòu)選擇分支，大大減少了上位機(jī)編寫(xiě)時(shí)間。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證總體框架，在無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中達(dá)到了預(yù)期要求，具有較好運(yùn)用價(jià)值。