引言

NI 公司于 20 世紀 70 年代提出了虛擬儀器的概念。虛擬儀器是在以計算機為核心的平臺上，由用戶設計，具有虛擬面板，由軟件實現測試功能的計算機儀器系統，是計算機與測試儀器相結合的產物。虛擬儀器最常用的編程語言為 LabVIEW，是 NI 公司的基于圖形化編程語言的虛擬儀器開發工具，利用它可以輕松組建一個測試系統而無需進行繁瑣的代碼編寫。因此虛擬儀器大大突破了傳統儀器在靈活性，以及數據處理、顯示、存儲等方面的不足，其主要優勢在于：用戶能夠根據需求靈活的進行功能修改和擴展;人機界面為視窗界面，形象直觀;網絡連接簡單易行，便于組建測控網絡。

目前虛擬儀器在通信、汽車、測控等行業得到了廣泛的應用。相應的各大高校也在 NI 公司的支持下，陸續開設了虛擬儀器課程，組建了相關的實驗室，如西安交大利用虛擬儀器講授信號處理;天津大學開設的智能檢測儀器課程。

目前國內高校教授虛擬儀器課程使用的信號采集板多為 NI 公司的數據采集板卡，如 USB600X，USB92XX，PCI62XX 系列。這類板卡雖然性能優良，配套軟件齊備，但是作為高校教學也存在不足之處。首先 NI 公司只賣板卡不賣技術，這樣在教學中教師和學生只能使用板卡，而不能掌握虛擬儀器硬件系統的具體結構和技術細節;其次這類板卡一般價格較貴，普遍在 2 000 元以上，相對高校而言開課成本太高，這一點對于欠發達地區的一般學校尤為突出。

本文利用廉價的MCS51單片機設計了包含常用傳感器、數據采集模塊與 USB 通信接口的 LabVIEW 實驗教學系統，并編制了常用的實驗案例程序，滿足了本科生虛擬儀器實驗教學的需要，且成本相對于 NI 的產品大大降低，針對高校市場具有良好的推廣前景。

1 系統結構

整個系統由前端傳感器、單片機數據采集以及 USB 通信接口幾部分組成，如圖 1 所示。

1.1 前端傳感系統

虛擬儀器實驗系統的前端傳感器將待測的物理量轉換成電量（電流或電壓），作為后面采集處理系統的輸入信號，是整個測試系統與外界的接口與橋梁。本實驗系統集成了溫度、光強與電阻傳感器，并預留了擴展接口以外接其他傳感器。其中溫度傳感器為數字溫敏器件 DS18B20，能夠在 -55~125 ℃的范圍內提供 9~12 b 分辨率的溫度數據，具有 0.5 ℃的精度，適合于一般場合的應用，其優點在于能夠直接提供數字溫度值，可以與后端 MCU 直接接口，省去了調理電路。而電阻測量采用串聯分壓法，即將待測電阻 Rx 與已知電阻串聯后外加固定電壓 Vref，將 Rx 上的分壓 V 作為待測信號，后端采集與處理系統只需測得 V 就可以根據比例關系求出 Rx. 光強傳感器則使用光敏電阻，具體電路如圖 2 所示。

1.2 數據采集與通信

數據采集使用 12 位 ADC 器件 TLC2543，該器件具有 11 位模擬輸入端，可通過控制字靈活選擇不同輸入端口，適合于多傳感器輸入應用。器件控制字輸入和轉換數據輸出都為串行模式，可以與 51 單片機以盡可能少的連線接口。51 單片機與上位機使用 USB 接口通信。USB 接口基于單一的總線接口來滿足多種應用領域的需求，其具有的即插即用、支持熱插拔、易于擴展等特性極大地方便了用戶，已逐漸成為現代數據傳輸的主流。由于 51 單片機自身不擁有 USB 接口，所以需要外接 USB 控制器。

本系統使用 PL2303 來實現 USB 和 RS 232 串行端口之間的轉換。PL2303 擁有 2 個獨立的大型緩沖進行兩種總線的連接。大型數據緩沖器用于 USB 的批量數據傳輸，而串行通信可使用自動握手模式，因而可以達到遠大于標準 UART 控制器的波特率。PL2303 支持 USB 電源管理和遠程喚醒協議，當主機掛起時消耗極小的電能;芯片亦可以安裝在電纜線中，用戶只需將其連入主機 USB 或 USB HUB 上，就可以實現與單片機 RS232 串口的通信。單片機與 TLC2543 和 PL2303 的具體接口電路如圖 3 所示。

2 實驗程序設計

傳統的開發 USB 應用系統的步驟是：先用 Win-dows DDK（設備驅動程序開發包）或第三方開發工具（如 DriverStudio）開發 USB 驅動程序，然后用 Visual C++編寫 DLL（動態連接庫），最后再調用 DLL 來開發應用程序。顯然，這對 Windows 編程不熟悉的人來說有一定的難度。VISA（Virtual Instrument Software Architecture）是 NI 公司開發的一種用來與各種儀器總線進行通信的高級應用編程接口。VISA 是一個綜合軟件包，不受平臺、總線和環境的限制，可用來對 USB、GPIP、串口、VXI、PXI 和以太網系統進行配置、編程和調試。LabVIEW 通過調用 VISA 函數來實現 USB 設備的控制和通信。在這里主要使用了 VISA Open，VISA Write，VISA Read，VI-SA Close 這 4 個 VISA 函數。與 USB 設備的通信過程分為 4 個步驟 。

（1）由 VISA Open 函數打開 VISA resource name 端口指定的 USB 設備;

（2）通過 VISA Write 函數向 USB 設備發送控制命令啟動設備工作，USB 設備接收到控制命令后開始采集數據并將采集到的數據按要求發送到數據緩沖區;

（3）通過 VISA Read 函數將數據讀出;

（4）通過 VISA Close 函數關閉設備。PC 主機與 USB 設備進行通信的 LabVIEW 程序框圖如圖 4 所示，而 51 單片機的程序結構如圖 5 所示。

3 結語

虛擬儀器實驗教學系統是虛擬儀器課程教學中不可或缺的設備，本文針對 NI 等主流數據采集板卡存在的價格昂貴且技術屏蔽問題，利用廉價的 MCS51 單片機設計了包含常用傳感器、數據采集模塊與 USB 通信接口的 LabVIEW 實驗教學系統。

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