运用LabVIEW编程模拟PIC单片机A.pdf

邮局订阅号：82-946 360元/年技术创新单片机开发与应用PLC 技术应用 200 例您的论文得到两院院士关注祁 宁:硕士研究生基金项目:教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20050285022)运用 LabVIEW 编程模拟 PIC 单片机 A/D 转换Simulation of PIC MCU A/D Conversion Based on LabVIEW（江苏省丝绸工程重点实验室）祁宁陈庆官QI Ning CHEN Qing-guan摘要:A/D转换是一种将模拟量转化为数字量的过程。二进制虽然理论上很容易理解,但实际上不易形成明确的概念,为了让初学者快速明确这一概念,利用LabVIEW编程模拟PIC单片机A/D转换的原理和结构,依据逐次比较法原理编制了A/D转换程序,并演示了程序执行结果,快速建立了模/数概念。关键词:LabVIEW;A/D转换;逐次比较法;PIC单片机中图分类号:TP391.9文献标识码:BAbstract:A/D conversion is a kind of process which converts analog value into digital Data.The binary system is difficult to form aclear concept for beginners in fact though easily understood.The A/D conversion program has been developed based on the methodof successive comparison in order to make the beginners understand the theory quickly.The principle and structure of programmingof LabVIEW simulating A/D conversion of PIC are introduced,the results of procedures implementation are demonstrated and the A/D conversion concept is rapidly established.Key words:LabVIEW;A/D conversion;successive comparison method;PIC MCU文章编号:1008-0570(2009)05-2-0117-021引言1.1 LabVIEW 简介LabVIEW(laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台)是一种由美国国家仪器（NI）公司研制开发的图形化程序开发平台。俗称 G 语言，产生的程序是框图的形式。与 C 和 BASIC 语言一样，LabVIEW 也是一种通用的编程语言，有一个可以完成任何编程任务的庞大函数库和丰富的虚拟仪器面板控件。使用这种语言编程时，不写程序代码，取而代之的是类似流程图的框图程序。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，使得编写程序变得简单。因此，LabVIEW 是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。1.2 A/D 转换的基本原理A/D 转换是一种将模拟量的电信号转化为数字量（计算机中可以识别的 0 和 1）的过程。目前常见的 A/D 转换主要有三种类型，即双积分式、并行比较式和逐次比较式。双积分法 A/D主要应用于速度要求不高，但可靠性和抗干扰性要求较高的场合，如数字万用表等。并行比较法 A/D 主要应用于高速采样，比如数字示波器、数字采样器等应用场合。逐次比较法主要用于大多数 DAQ 或单片机中。逐次比较式 A/D 转换主要原理是将参考电平按最大的转换值量化，利用输入模拟电平与参考电平的比例来求得输入电平的测量值。许多单片机的 A/D 转换的参考电平由一个外部引脚输入，这样使得用户可以对 A/D 转换进行更好的控制。需要注意的是 A/D 转换的输入电平必须低于参考电平。1.3 单片机（PIC）中实现模拟量采集器PIC 单片机中的 A/D 转化器是属于逐次比较式。向单片机的一条模拟输入通道，输入一个模拟量，则单片机利用逐次逼近寄存器进行模/数转换，与该模拟量进行比较，通过多次（A/D转换位数）的比较，就能够及时地把模拟量转换成数字量，并且将转换结果用二进制方式及时地显示出来。原理图见图 1。图 1 单片机（PIC）中 A/D 转换器原理图2LabVIEW模拟A/D转换的编程思路2.1 程序实现目标根据逐次比较法的原理，通过循环、判断等结构输出布尔量，以旋钮输入控件模拟传感器提供可以变化的模拟量，循环、判断结构模拟单片机内部 DAC 模块功能，最后运用布尔量数组模拟发光二极管，从而实现多位 A/D 转换的功能。2.2 程序实现原理同单片机中 A/D 转换器原理相似，首先运用布尔量数组模拟 A/D 转换位数为 N（表示 N 个 2 进制位）。初始设定 N 位上的值都为 0。将输入模拟量（需要转换的量）V1与预设模拟量 V2（参考电压）转化成满量程的一半，进行比较，由判断程序输出逻辑量结果。如果 V1V2，则最高位为 True，输出 1。然后利用117-技术创新微计算机信息(嵌入式与 SOC)2009 年第 25 卷第 5-2期360元/年 邮局订阅号：82-946现场总线技术应用 200 例单片机开发与应用（V1V2）的差值和（N1）位进行比较。相反 V1V2，则最高位为False，输入为 0，同（N1）位上的值进行比较（见图 2）。结果以此类推。直到将所有位数上的值确定。图 2 编程流程图2.3 程序实现结构LabVIEW 采用结构化数据流图编程，能够处理循环和条件等程序控制的结构框架，以及各种函数、信号、公式节点，这是LabVIEW 的编程核心。2.3.1 循环结构依据逐次比较法，选用 For 循环（For Loop）。以 A/D 转换位数 N 作为循环次数。这里设置了一个常数。见图 3。2.3.2 条件结构需要得到二进制结果，通过条件结构可以把判断结果分两步执行。从而实现程序的逐步比较、判断的功能。在本程序中，不需要进行多个条件的判断，只要进行真假的判断，分别执行不同的节点。见图 3。图 3 LabVIEW 程序框图2.3.3 公式节点公式节点可以把复杂的运算，直接以公式的形式输入在公式输入框内，最后只是以 X、Y 的节点形式来表示。在此程序中，用于比较的数据是依据循环的次数变化的。可以通过公式节点来表达。也可以直接用 2 的幂函数节点来代替。见图 3 的左下部分。3程序执行状态与效果3.1 8 位 A/D 程序运行结果参考电压为 5 V，假如模拟量输入为 0.8096 V。运行本程序8 只模拟发光二极管表示二进制结果为 00101001B，见图 4。图 4 8 位 A/D 程序图根据 A/D 转换公式（1），转换成为十进制结果为：，由于是 8 位 A/D，精度不能完全保证。（1）式中：Vin为十进制结果；ADC 为 8 只模拟发光管的二进制表示值；Vref为参考电压；n 为 A/D 位数3.2 16 位 A/D 程序运行结果参考电压为 5 V，仍假如模拟量输入为 0.8096 V。运行本程序16 只模拟发光二极管表示二进制结果为 0010100101110011B（见图 5）。根据 A/D 转换公式（1），转换成为十进制结果为：，16 位 A/D 精度较高。图 5 16 位 AD 程序图3.3 采样保持A/D 转换需要一定时间，在转换过程中，如果送给 ADC 的模拟量发生变化，则不能保证精度。为此，在 A/D 转换电路前常加入采样保持电路。在此程序中可以加入一个延时器，延时 100毫秒。（见图 3 右下角）运行后发现，模拟量输入的值和模拟发光二极管结果已经不相对应。由于采样频率高于 A/D 转换频率，造成了这种情况。加入这个延时程序可以很好体现 A/D 转换中的采样保持电路的重要性。4结语利用此程序可以方便地进行任意 A/D 位数的模拟，同时也可以对参考电压的设置进行模拟。利用延时功能还可以模拟采样保持器的重要性。使用 LabVIEW 图形化开发环境，以及强大的信号处理功能，可以方便的编写各种虚拟仪器模拟程序，直观地进行程序演示，使教学更生动、更形象。本文作者创新点：利用 LabVIEW 编程实现 PIC 中 A/D 转换功能，直观地进行演示，使 A/D 转换原理变得通俗易懂。参考文献1杨乐平等.LabVIEW 程序设计与应用M.北京：电子工业出版社，2006.2李学海.PIC 单片机使用教程提高篇M.北京：北京航天航空大学出版社，2002.3肖金壮，张伟，王洪瑞等.基于 LabVIEW 的单片机温度测控系统设计J.微计算机信息，2007，10-2：71-73.作者简介：祁宁（1984-），男（汉族），江苏盐城人，苏州大学材料工程学院硕士研究生，研究方向为计算机在纺织工程中的应用；陈庆官（1950-），男（汉族），江苏仪征人，苏州大学江苏省丝绸工程重点实验室纺织工程专业教授，博导，研究方向为计算机在纺织工程中的应用。（下转第 102 页）?V?118-技术创新微计算机信息(嵌入式与 SOC)2009 年第 25 卷 5-2期360元/年 邮局订阅号：82-946现场总线技术应用 200 例单片机开发与应用一帧地址信息。（4）主机向从机发送控制指令和数据信息，其中应为 TXB8为 0，表示发送的是数据。对于没选中的从机，因为 SM2=1，RB8=0，所以不会对其产生接收中断。3硬件设计系统的硬件连接如图 2 所示。图 2 硬件接口原理图RS422 接口芯片串行输出接口选用低功耗的差动线路驱动器 DS26C31，输入接口选用接收器 DS26C32。ATMEG1280 的TXD 发出的数据经 DS26C31 发出，接收端的数据经 DS26C32后接到 RXD 端。为防止主机与某一个分机通信时，其它分机在总线上有数据干扰，采用分系统 CPU 的 P1 口对发送驱动芯片进行发送使能控制，使其发送端呈高阻态。4软件设计系统软件采用 C 语言编写，共有 5 个分机，分配的地址分别为 00H04H，还有一个广播地址 2EH，这个地址对所有从机都有效。主机向从机发送的数据信息包括同步头、地址、控制字和有效数据，具体格式见表 2。表 2 主机发送帧格式同步头为一帧数据起始标志，若从机没有收到两个同步头，则其余数据也不再接收。控制字为主机向从机发的工作命令，若为 EBH 和 90H 表明主机将向相应分机发送控制命令或工作参数，接下来的数据即为主机发送的参数；若为 09H 和D7H 则表明主机要求分机返回其工作状态，此时分机须马上向主机发送其工作状态，否则主机将会报此分机故障。5保证通信的措施系统采用的 RS422 传输速率为 230.4kbps，通信周期 50ms。为保证主机和从机之间的通信稳定可靠，系统在硬件和软件设计方面采取了一些措施，包括：1)主机和从机通讯时选用相同的差分驱动芯片；2)主机和从机设置完全匹配的波特率；3)当主机没有要求分机返回数据时，从机差分驱动芯片的使能端为高阻态；4)主机和从机之间的通信采用两个字节的同步头实现传输同步；5)主机连续向分机发送三次同样指令后，如果分机依然不做出反应，则主机认为该分机故障；6)为防止在数据接收过程中时出现“溢出错”，即前一个数据还未取走又有新的数据送来，在每次数据发送后加适当的延时。6实验结论本文所述的主从式多机控制器在笔者参加的测绘光电平台项目中进行了应用，在航空成像设备工程上得到了实践，能够有效完成对成像设备各个分系统的控制，满足工程使用要求，实现了设备的各项功能。实验证明该系统工作稳定可靠，接口电路简单实用，也可应用于工业、仪器仪表等领域。本文作者创新点是：本文利用 AVR 单片机 ATMEGA1280作为主控制器,通过 RS422 差分接口与从分系统进行数据交换,从而实现主机与分系统的点对点的通信。参考文献1牛荣编著 微计算机信息 在现场总线控制器中实现网络通信的研究.2008,1-1:26-272李长林等编著.AVR 单片机应用设计.北京：电子工业出版社，2005.93沈文、Eagle lee 詹卫前编著.AVR 单片机 C 语言开发入门指导.北京：清华大学出版社，2003.54张克彦编著.AVR 单片机实用程序设计.北京：北京航空航天大学出版社，2004.25李华等编著.MCS-51 系列单片机实用接口技术.北京：北京航空航天大学出版社，1993.86王幸之等编著.单片机应用系统电磁干扰与抗干扰技术.北京：北京航空航天大学出版社，2006.2作者简介：陈俊江，男，汉族，1977 年生，江苏省南通市人，硕士研究生，中科院长春光机所航侧部工作，主要从事光电控制等方面研究。Biography:CHEN Jun-jiang(1977)，Male，（Han），Nantong,Jiangsu Province.Changchun Institute of Optics.Fine Mechanicsand Physics.Chinese Academy Of Sciences,Mainly engaging inopto-electrical etc.（130033长春 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）陈俊江 李文明(130022长春 长春理工大学）张 影 王文生（Changchun Institute of Optics.Fine Mechanics and Physics.Chinese Academy Of Sciences,Changchun 130033）CHEN Jun-jiang LI Wen-ming(ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun 130022）ZHANG Ying WANG Wen-sheng通讯地址：（130022长春市卫星路7186号长春理工大学科技处）张 影(收稿日期:2009.04.03)(修稿日期:2009.05.05)（上接第 118 页）Biography:QI Ning(1984-),male,department of Material En-gineering Institute,Soochow University,Postgraduate,Researcharea:Computer Application in textile engineering.（215021江苏苏州 江苏省丝绸工程重点实验室）祁 宁陈庆官(Department of Material Engineering Institute,Soochow Uni-versity,Jiangsu,215021)QI Ning CHEN Qing-guan通讯地址：（215021江苏省苏州市干将东路178号苏州大学北校区66#信箱）祁宁(收稿日期:2009.04.03)(修稿日期:2009.05.05)?7EH7EH1?2?#102-