1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
工程上使用具有PCI、PXI、USB、并口以及串口的計算機來獲取測試數(shù)據(jù)，稱為基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中一種是通過插入式的數(shù)據(jù)采集卡直接獲取數(shù)據(jù)傳輸給計算機。鑒于數(shù)據(jù)采集卡的價格昂貴，且安裝不方便等缺點，本文提出使用STC單片機作為前端的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用CH341T芯片的USB總線轉(zhuǎn)異步串口的功能，將采集數(shù)據(jù)只通過一條USB線傳輸給PC機，最后在LabVIEW平臺下進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示、分析、處理。
1．1 系統(tǒng)組成與工作原理
本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主要包括有STC12C5410AD單片機和CH341T轉(zhuǎn)換芯片組成的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、傳輸部分，以及基于PC機的LabVlEW軟件構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理部分。首先，被測電壓模擬信號通過電平變換電路進(jìn)入STC單片機的AD轉(zhuǎn)換通道，待轉(zhuǎn)換完成后利用CH341T芯片的USB轉(zhuǎn)串口的功能，通過USB接口傳輸給PC機，最后由LabVIEW軟件分析處理。
2 下位機系統(tǒng)設(shè)計
2．1 硬件設(shè)計部分
系統(tǒng)硬件原理圖如圖2所示。系統(tǒng)采用的MCU為STC12C5410AD，采用的USB接口芯片為CH- 341T，利用該芯片的USB轉(zhuǎn)串口的功能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，從而構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
2．1．1 STC12C5410AD單片機
STC12C5410AD系列單片機是單時鐘／機器周期(1T)的兼容8051內(nèi)核單片機，是高速／低功耗的新一代增強型8051單片機，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路。10KBFLASH程序存儲器，512字節(jié)SRAM，有8路10位高速A／D轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)100KHz。實際工作頻率可達(dá)48MHz。在應(yīng)用時，需根據(jù)實際情況設(shè)定晶振頻率，本系統(tǒng)采用11．0592MHz的晶振。本例中采用P1．0作為A／D轉(zhuǎn)換通道。由于各A／D轉(zhuǎn)換通道的輸入電壓范圍為0～5V，對于雙極性信號來說，直接輸入會被削掉負(fù)半波。為了解決上述問題，采用了高速低噪聲雙運算放大器NE5532，根據(jù)運放電路的虛短、虛斷原則，其輸出OUT=2．5-IN。可以將-2．5v～2．5V的電平轉(zhuǎn)換到0～5v，這樣滿足了輸入信號的雙極性要求。
2．1．2 CH341T芯片
隨著計算機通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，串口的通訊速度越來越不能滿足現(xiàn)在的通信要求。因此越來越多的計算機，尤其是筆記本電腦都不再保留串行接口，取而代之的是方便、高速、標(biāo)準(zhǔn)的USB接口。然而對于需要用串口通信的設(shè)備來說，是個麻煩的問題。為了解決這個問題，本系統(tǒng)采用CH341T芯片將單片機通過USB接口直接連接到PC機上，方便了沒有串口的上位機與下位機的通信，解決了上位機沒有串行接口的問題。CH341T芯片的特點如下：
(1)仿真標(biāo)準(zhǔn)串口，用于升級原串口外圍設(shè)備，或者通過USB增加額外串口。
(2)計算機端Windows操作系統(tǒng)下的串口應(yīng)用程序完全兼容，無需修改。
(3)硬件全雙工串口，內(nèi)置收發(fā)緩沖區(qū)，支持通訊波特率50b／s～2Mb／s。
(4)支持5、6、7或者8個數(shù)據(jù)位，支持奇校驗、偶校驗、空白、標(biāo)志以及無校驗。
2．2 軟件設(shè)計部分
本系統(tǒng)將STCl2C5410AD的P1．0口作為A／D轉(zhuǎn)換的通道，要使用A／D轉(zhuǎn)換功能就必須進(jìn)行相應(yīng)的寄存器設(shè)置。STC單片機的寄存器見表1所示。
1)P1M0，P1M1：P1口工作模式設(shè)置PlM0=0x01，P1M1=0x01。將P1口設(shè)置為開漏模式。
2)ADC CONTR：A／D轉(zhuǎn)換控制器 ADC_POWER：ADC電源控制位。
ADC_ POWER=0：關(guān)閉ADC電源。ADC POWER=1：打開A／D轉(zhuǎn)換器電源，初次打開內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換模擬電源，需適當(dāng)延時，等內(nèi)部模擬電源穩(wěn)定后，再啟動A／D轉(zhuǎn)換。
ADC_START：模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換啟動控制位，設(shè)置為1時，開始轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后為0。
SPEED1，SPEED0：模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度控制位。
ADC_FLAG：模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位，當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換完成后，ADC_FLAG=1，一定要軟件清0。
CHS2／CHS1／CHS0：模擬輸入通道選擇如表2所示。
下位機程序流程圖如圖3所示。
下位機的程序主要包括三個部分：串口初始化子程序、A／D轉(zhuǎn)換初始化子程序、串口發(fā)送子程序。其中A／D轉(zhuǎn)換初始化子程序主要是設(shè)置ADC CONTR、P1M0、P1M1等寄存器。
3 上位機系統(tǒng)設(shè)計
3．1 CH341T驅(qū)動程序
在與上位機通信之前，必須安裝CH341T的驅(qū)動程序，這可從公司網(wǎng)站下載。待其驅(qū)動程序安裝完成后，會自動在計算機設(shè)備管理器的端口欄虛擬出一個串口，這個虛擬串口與計算機原有的COM口對應(yīng)用程序來說是一樣的。通過選擇這個虛擬串口，就可與下位機通信了。
3．2 LabVIEW程序設(shè)計
VISA(Virtual Instrument Software Architecture)是美國國家儀器公司開發(fā)的一種用來與各種儀器總線進(jìn)行通信的高級應(yīng)用編程接口。VISA庫駐留于計算機系統(tǒng)中，完成計算機與儀器之間軟件的連接，用以實現(xiàn)對儀器的程序控制，其實質(zhì)是用于虛擬儀器系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)的API，VISA本身不具備編程能力，它是一個高層API，通過調(diào)用底層驅(qū)動程序來實現(xiàn)對儀器的編程。
本設(shè)計采用了LabviEW的VISA的串行通訊子VI來開發(fā)串行通信軟件。其中包括VISA(Configure Serial Port.Vi：將指定的串口按特定設(shè)置初始化。VISA Write.Vi：將寫入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫入指定的設(shè)備或接口中。VISA Read.vi：從指定的設(shè)備或接口中讀取指定數(shù)量的字節(jié)，并將數(shù)據(jù)返回至讀取緩沖區(qū)。VISA Close.Vi：將打開的串口關(guān)閉。首先利用VISA Conf- igure Serial Port.vi進(jìn)行串口初始化，其中設(shè)置讀取和寫入操作的超時為10s，波特率為9600，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗位，1為停止位，無流控制。然后打開串口，將讀取緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲ㄐ螆D表進(jìn)行實時顯示，同時利用移位寄存器和連接字符串控件將采集的數(shù)據(jù)存儲在接收數(shù)據(jù)區(qū)中，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)達(dá)到950個時，對其進(jìn)行幅值譜變換并顯示。同時清空接收數(shù)據(jù)區(qū)，為下一次采集做準(zhǔn)備。LabVIEW程序框圖如圖4所示。
4 系統(tǒng)測試與結(jié)果
為了測試系統(tǒng)的可靠性，將系統(tǒng)的P1．0口和電源地與DG 2041A數(shù)字信號發(fā)生器連接進(jìn)行測試。信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率為100Hz，峰峰值為3V，其中高電平1．5V，低電平-1．5V的正弦波信號，通過電平變換電路得到低電平為1v、高電平為4V的正弦波。將A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳到Lab- VIEW中，在顯示之前要減去2．5V電壓的A／D轉(zhuǎn)換值128，同時還要設(shè)置波形圖表Y軸的縮放比例為0．02，這樣就可以正確顯示了。通過設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行采集在LabVIEW軟件上顯示的結(jié)果如圖5所示。
5 結(jié)束語
本文將STC單片機作為數(shù)據(jù)采集的前端，經(jīng)過CH341T芯片的轉(zhuǎn)換，利用USB接口與LabVIEW完成通訊。同時利用LabVIEW強大的信號分析處理能力，對信號進(jìn)行了實時顯示，并對信號進(jìn)行了頻譜分析。經(jīng)過對系統(tǒng)的調(diào)試和完善，實驗證明，采集的信號可以滿足要求，系統(tǒng)運行良好。