摘要：本文通過LabVIEW虛擬實驗軟件平臺設(shè)計了一種利用ATmegal6單片機進行數(shù)據(jù)采集，通過RS232串行通信將數(shù)據(jù)傳送給 PC的簡易虛擬示波器。用戶可以在開發(fā)平臺上對數(shù)據(jù)采集參數(shù)進行設(shè)置和調(diào)整以及對波形數(shù)據(jù)存儲。本系統(tǒng)的創(chuàng)新點是擺脫了傳統(tǒng)開發(fā)平臺的限制，具有多通道、方便、靈活等特點，在數(shù)據(jù)采集、傳感器監(jiān)測等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：虛擬示波器；串口通信；LabVIEW；ATmegal6

0 引言
    虛擬儀器是基于PC技術(shù)發(fā)展起來的，所以完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點，包括功能超卓的處理器和文件I／O，使在數(shù)據(jù)導(dǎo)入磁盤的同時就能實時地進行復(fù)雜的分析。為了實時、準確地測量輸入波形的參數(shù)，本文采用自帶8路lO位ADC的單片機ATmegal6，結(jié)合簡單的外圍電路，即可將輸入波形實時傳送給PC機進行處理。通過PC機上虛擬儀器平臺LabVIEW開發(fā)的上位機軟件對波形進行顯示和處理，從而達到簡易虛擬示波器的效果。

1 簡易多通道虛擬示波器系統(tǒng)的設(shè)計
    簡易多通道虛擬示波器系統(tǒng)的原理方框圖如圖1所示，數(shù)據(jù)采集由主控芯片ATmegal6進行，采集后的數(shù)據(jù)通過RS232串口通信芯片Max232將 TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平，提供與PC機的接口，將數(shù)據(jù)量傳送給PC機的LabVIEW開發(fā)平臺，平臺內(nèi)上位機軟件接收來自串口的數(shù)據(jù)，經(jīng)校驗等處理后通過波形顯示控件將采集到的波形顯示出來。同時單片機能接收上位機傳送來的數(shù)據(jù)，從而控制數(shù)據(jù)采集的速度和精度以及采集的通道。


1．1 數(shù)據(jù)采集電路
    ATmegal6單片機是美國Atmel公司生產(chǎn)的基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。ATmegal6有如下特點：16k字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)，512 字節(jié)EEPROM，1k字節(jié)SRAM，32個通用I／O口線，32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器／計數(shù)器(T／C)，片內(nèi)／外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路1O位具有可選差分輸入級可編程增益 (TQFP封裝)的ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器。一個SPI串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。
    本設(shè)計正是利用ATmegal6的8路1O位可編程增益的逐次比較型ADC及可編程異步串行接口的內(nèi)部資源，從而簡化了電路設(shè)計的難度及編程難度。采樣電路的電路圖如圖2所示，ATmegal6只需結(jié)合簡單的晶振電路和復(fù)位電路就可以完成本設(shè)計的需求。模擬信號通過8路模擬輸入的任意端口輸入即可，通過單片機內(nèi)部程序控制，很容易就將輸入模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。單片機再通過串行接口傳輸給PC機，串行通信通過串行發(fā)送引腳TXD(PD1)和串行接收引腳 RXD(PD0)連接串行通信接口電路實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行傳送與接收。


1．2 串口通信接口電路
    本系統(tǒng)設(shè)計中通過Max232連接單片機和PC機。ATmegal6具有異步串行通訊接口(UART)，UART是為能與計算機通訊的全雙工異步系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用RS232接口方式，由于RS232信號電平與AVR單片機信號電平(TTL電平)不一致，因此在采用RS232標準時必須進行信號電平轉(zhuǎn)換。在串行通信的接口電路中選用MAX232芯片作為信號電平轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)TTL電平和RS232接口電平之間的轉(zhuǎn)換。從而把 ATmegal6內(nèi)部需要傳送的數(shù)字信號準確無誤地傳輸給PC機，供上位機軟件讀取并進行信號處理。
    串行接口電路原理圖如圖3所示，TTL電平引腳輸入引腳9、10，連接ATmegal6的串行發(fā)送接口TXD和串行接收接口RXD，通過電平轉(zhuǎn)換為 RS232電平，通過7腳和8腳連接串行接口的2腳和3腳，串行接口通過串行通信線連接采樣模塊的串行接口和PC機的串行接口。ATmegal6通過內(nèi)部編程很方便地把數(shù)據(jù)傳送給PC機。


1．3 多通道采樣原理
    由于ATmegal6內(nèi)部ADC為8選1數(shù)據(jù)通道，在具體實現(xiàn)某路數(shù)據(jù)采集時就必須更改多工選擇寄存器ADMUX的數(shù)值。為能隨時更改通道，本設(shè)計采用主從方式，通過上位機發(fā)送給ATmegal6的數(shù)值來改變通道。在ATmegal6的串行中斷的接收中斷中，通過判斷接收的數(shù)值更改 ADMUX的數(shù)值。同時，在串行接口接收中斷中，通過接收的數(shù)值的編碼也可用來改變ADC相鄰兩次轉(zhuǎn)換之間的延時值，從而達到改變轉(zhuǎn)換速率的效果。
    當需要采集雙通道數(shù)值時，單片機內(nèi)部ADC可采用分時復(fù)用的原則，同時將獲得的八位數(shù)據(jù)加一個最高標志位，擴展為九位數(shù)據(jù)位。上位機通過對數(shù)據(jù)的最高位的校驗，可以很方便地區(qū)分數(shù)據(jù)，在顯示界面上將雙通道波形實時顯示更新。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
2．1 下位機軟件設(shè)計
    下位機軟件設(shè)計的關(guān)鍵是能使程序正確響應(yīng)中斷服務(wù)程序，從而準確地完成ADC的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的準確傳送。圖4即為下位機程序的程序流程圖。主函數(shù)運行隨即進行串口和ADC寄存器的初始化，然后啟動ADC的第一次轉(zhuǎn)換，隨即進入等待中斷狀態(tài)，若接收到停止信號，系統(tǒng)馬上停止。在串口接收中斷中，進入中斷隨即讀取中斷接收值，通過判斷接收值的大小，改變系統(tǒng)采樣通道值和ADC轉(zhuǎn)換速率值。改變完成后中斷返回。此時，系統(tǒng)根據(jù)新的參數(shù)值運行。ADC轉(zhuǎn)換完成中斷產(chǎn)生后，讀取當前轉(zhuǎn)換值，讀取完成后進行數(shù)字均值濾波，降低輸入信號的干擾。濾波完成后將結(jié)果通過串行通信傳送給PC機。然后進行延時后啟動下一次的轉(zhuǎn)換后中斷返回。整個過程中，系統(tǒng)通過中斷方式完成，具有響應(yīng)及時、提高單片機處理內(nèi)部和外部事件能力的特點。


2．2 上位機軟件設(shè)計
    LabVIEW是美國國家儀器(NI)公司研發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境。它廣泛地被工業(yè)界、學術(shù)界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用 TCP／IP、AetiveX等軟件標準的庫函數(shù)。這是一個功能強大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。
    本設(shè)計采用LaLbVIEW開發(fā)平臺制作上位機軟件，軟件界面如圖5所示。該上位機調(diào)用底層RS232通信模塊，結(jié)合通用的波形顯示、按鈕開關(guān)等通用模塊設(shè)計出如圖5所示的具有串口參數(shù)選擇、實時波形顯示、采樣通道選擇、波形參數(shù)計算、存儲波形數(shù)據(jù)和采樣速率可調(diào)的虛擬示波器上位機軟件。軟件中首先通過串口參數(shù)調(diào)整復(fù)選框選擇PC機串口數(shù)據(jù)，然后打開軟件開關(guān)，當串口接收數(shù)據(jù)后將實時波形以及周期和幅值等顯示在軟件界面上。同時軟件設(shè)有通道選擇旋鈕和采樣速率選擇滑動桿用于改變波形輸入通道和采樣速率。軟件還設(shè)有波形數(shù)據(jù)存儲按鈕，當按鈕打開時，軟件會將接收到的數(shù)據(jù)按照波形數(shù)據(jù)文件以數(shù)組形式存儲在PC 的磁盤內(nèi)。Matlab和Exel等數(shù)據(jù)處理軟件可方便的調(diào)用該文件進行分析，方便對其進行更加復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)的再現(xiàn)。



3 結(jié)論
    本文設(shè)計的虛擬示波器系統(tǒng)由單片機ATmegal6和Max232構(gòu)成的下位機系統(tǒng)及由LabVIEW開發(fā)的上位機軟件構(gòu)成。系統(tǒng)充分利用ATmegal6單片機軟硬件資源，方便快捷地實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。并且通過RS232接口實現(xiàn)與上位PC機的連接，PC機通過LabVIEW開發(fā)平臺方便地實現(xiàn)進行數(shù)據(jù)的分析、處理、存儲和打印輸出的簡易虛擬示波器。本系統(tǒng)具有電路簡單、使用靈活方便等特點。因此能廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、水文系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，實現(xiàn)現(xiàn)場勘測和數(shù)據(jù)采集。