基于LabVIEW的單片機圖形調試平臺的設計與應用

白玉　邱敏　于光華

摘要：根據學校多年組織大學生參加“全國大學生機器人大賽”的經驗，利用LabVIEW軟件搭建了一個單片機圖形調試平臺，該平臺修改方便、應用靈活，可以使更多沒有參賽經歷的學生能夠更好地提高動手能力。

關鍵詞：LabVIEW;單片機;課程改革;串口

0 引言

我校多年來組織大學生參加了“全國大學生機器人大賽”，絕大部分經過大賽歷練的隊員都能成為工程實踐能力強、創新能力強、團隊協作能力強、具有國際競爭力的高素質復合型人才。在設計開發機器人過程中，單片機在機器人控制部分占據了主導地位，我們通過長期的實踐探索發現，在設計和調試單片機控制系統時，圖像化顯示各中間環節調試的數據將給系統開發帶來極大的好處。本文以STC系列單片機為例，其通過串口與計算機相連，設計了一款基于LabVIEW軟件的圖形化數據顯示工具。

1 LabVIEW的串口通信

LabVIEW是美國國家儀器（NI）公司研發的一款實用工具軟件，其基于圖形化的編輯語言和簡單實用的組件使用方式，可以幫助我們快速構建各種應用所需的工具，提高開發效率。

單片機與計算機的連接有多種方式，如USB、CAN、JTAG等，但串口通信仍是目前最簡單、最實用的連接方式。在LabVIEW軟件中，若要使用串口，需先安裝VISA驅動。

2 通信協議設計

16進制字符傳遞信息多，效率較高，但單片機在處理16進制字符串的收發時相對較復雜。字符數據通信時，所有信息以特定字符開頭的字符串表示，雖然效率有所降低，但可以直接使用標準格式輸入輸出函數sprintf（）、sscanf（）等，使用方便，開發效率高。本設計中采用的通信協議為：起始符$+命令標示符1+參數1+……，命令標示符2+參數2+……+*+校驗碼。

3 下位機程序設計

3.1? ? 字符發送

單片機在串口設置完成后，可以直接使用printf（）函數將變量以字符形式輸出到串口，此時串口為查詢狀態，即字符發送時單片機一直處于查詢是否發送完成的狀態，無法執行其他指令，效率太低。

為提高效率，建立了一個數組作為發送數據的緩沖區，利用sprintf（）函數將待發送的數據按特定格式以字符的形式存儲到緩沖區，當打開串口中斷時可以逐個傳輸，還可以通過vsprintf（）函數實現自定義printf（）函數。

3.2? ? 字符接收

串口處在中斷狀態，將收到的每個字符存入接收緩沖區。當接收到一個完整的數據包時設置相應標志，在主函數中對數據包進行處理。

3.3? ? 上位機程序設計

3.3.1? ? 串口設置

LabVIEW軟件的串口設置由VISA Configure Serial Port VI（圖1）實現，通過該節點可以設置串口的基本信息，包括波特率、串口號、數據位、校驗位、停止位等。

通過VISA讀取節點可以實現串口接收，如圖2所示。

通過VISA寫入節點可以實現串口的發送功能，如圖3所示。

3.3.2? ? 串口發送

串口發送部分的程序框圖如圖4所示，當按下確定按鈕時即會把字符串中的信息發送入串口。信息發送只需在字符串模塊中輸入需要發送的字符信息即可。

3.3.3? ? 串口接收

LabVIEW的串口通信節點的工作方式為：查詢串口的接收緩沖區，如果緩沖區中有數據就讀取數據進行處理，若緩沖區內沒有數據則在此等待，直到數據到來或超時退出。因此，在使用時需要根據實際數據情況設置數據讀取時間間隔和超時時間，才能使系統穩定運行。

在發送端數據發送速率基本穩定時，為提高效率，可以將數據讀取間隔時間設為下位機發送一組完整數據包的時間。否則，會造成緩沖區溢出或等待時間過長導致程序出錯。

因數據以字符形式傳送，可以通過字符串操作的函數對數據進行處理。在尋找數據頭時，可采用“搜索/拆分字符串（函數）”（圖5）的方式，將特征字符送入搜索字符串處，即可得到以此開頭的特定字符串，將“匹配+剩余字符串”作為輸出結果送入字符串轉數值模塊，配合適當的偏移量進行處理，即可得到相應的數值和剩余的字符串。若需要對實際數據進行計算還可以通過加入函數計算環節來實現。分數/指數字符串至數值轉換如圖6所示。

為了能把接收到的數據以圖形的方式顯示出來，采用波形圖表作為數據顯示控件。若需要顯示多組數據，可使用“捆綁（函數）”將各組獨立數據組合為簇，共同顯示于波型圖表上。系統的完整程序框圖如圖7所示。

系統界面如圖8所示。

至此構建了一個單片機與計算機間的通用調試平臺，通過此平臺，可以向單片機發送串口指令、修改運行參數。同時，還可將單片機的運行狀態、變量信息以圖表和儀表的方式實時顯示出來。

4 結語

本文結合我校學生參加“全國大學生機器人大賽”的實踐經驗，應用LabVIEW軟件搭建了一個單片機圖形調試平臺，其構建簡單，修改方便，應用靈活，雖然LabVIEW的串口通信工作效率不是很高，但對于大部分單片機系統來說已經足夠。與利用C#等軟件開發上位機相比，此平臺開發門檻更低，開發速度更快，使更多沒有參賽經歷的學生能夠更好地提高動手能力，起到推進單片機課程體系改革的作用。

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收稿日期：2020-03-06

作者簡介：白玉（1979-），男，山東梁山人，副教授，研究方向：數字信號處理。