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項目概述

數(shù)據(jù)采集，是指從傳感器和其他待測設(shè)備的模擬和數(shù)字被測單元中自動采集信息的過程。能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的系統(tǒng)叫作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)，就是將傳感器輸出的信號轉(zhuǎn)換成計算機能識別的信號并送入計算機進行處理，然后將處理得到的數(shù)據(jù)進行顯示或打印，以便實現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)測，其中一些參數(shù)還會被計算機控制系統(tǒng)用于計算輸出的控制量，以實現(xiàn)將某些物理量的控制在某一水平。

Arduino控制器均具有模擬輸入功能，Uno擁有6路模擬輸入端口（A0到A5），每一路具有10位的分辨率（即輸入有1024個不同值），默認輸入信號范圍為0到5V，并且可以通過AREF調(diào)整參考電壓。

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項目架構(gòu)

采用Arduino Uno與LabVIEW來實現(xiàn)低成本上下位機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有模擬量和數(shù)字量兩種采集功能，可以滿足低速、低成本的數(shù)據(jù)采集需求。其中，Arduino Uno作為下位機，負責(zé)A/D轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)傳輸，LabVIEW編寫的數(shù)據(jù)采集軟件作為上位機，上下位機通過USB-TTL接口實現(xiàn)通信。如下圖所示為多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖。

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硬件環(huán)境

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的Arduino下位機部分采用Arduino Uno控制器，模擬量采用電位器分壓來實現(xiàn)不同電壓值，數(shù)字量采用撥動開關(guān)在5V和GND之間切換實現(xiàn)高電平與低電平。多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件連接如下圖所示：

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Arduino功能設(shè)計

Arduino下位機部分需要完成兩個功能：數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸，Arduino Uno控制板通過USB-TTL電纜接收上位機發(fā)來的命令，完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)回傳至LabVIEW上位機軟件。

數(shù)據(jù)采集分為模擬量采集和數(shù)字量采集兩種，此處設(shè)置采集路數(shù)各為2路，分別采用Arduino Uno控制器上具有模擬量輸入的管腳A0、A1和具有數(shù)字量輸入的管腳2、3。

Arduino Uno控制器負責(zé)讀取LabVIEW上位機發(fā)來的采集命令，并采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)送回上位機LabVIEW軟件。Arduino Uno控制器的程序代碼如代碼如下所示：

#define A0_Command  0x10   //A0采集命令字#define A1_Command  0x11   //A1采集命令字#define D0_Command  0x20   //D0采集命令字#define D1_Command  0x21   //D1采集命令字 byte comdata[3]={0};      //定義數(shù)組數(shù)據(jù)，存放串口接收數(shù)據(jù) int AD_Value=0;          //AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量float float_AD_Value;    //數(shù)字量換算成浮點電壓量int D_Value=0;           //數(shù)字量測量的數(shù)據(jù) void receive_data(void);      //接受串口數(shù)據(jù)void test_do_data(void);         //測試串口數(shù)據(jù)是否正確，并更新數(shù)據(jù) void setup(){  Serial.begin(9600);        pinMode(2, INPUT);  pinMode(3, INPUT);}void loop(){  while (Serial.available() > 0)   //不斷檢測串口是否有數(shù)據(jù)   {        receive_data();            //接受串口數(shù)據(jù)        test_do_data();               //測試數(shù)據(jù)是否正確并更新標(biāo)志位   }}void receive_data(void)       {   int i ;   for(i=0;i<3;i++)   {      comdata[i] =Serial.read();      //延時一會，讓串口緩存準(zhǔn)備好下一個字節(jié)，不延時可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，       delay(2);   }} void test_do_data(void){  if(comdata[0] == 0x55)            //0x55和0xAA均為判斷是否為有效命令   {     if(comdata[1] == 0xAA)     {        switch(comdata[2])          {               case A0_Command:                    AD_Value = analogRead(A0);                 //讀取A0電壓值                 float_AD_Value=(float)AD_Value/1023*5.00;  //換算為浮點電壓值                 Serial.println(float_AD_Value,2);          //保留兩位小數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)                                        break;            case A1_Command:                    AD_Value = analogRead(A1);                 //讀取A0電壓值                 float_AD_Value=(float)AD_Value/1023*5.00;  //換算為浮點電壓值                 Serial.println(float_AD_Value,2);          //保留兩位小數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)                                        break;            case D0_Command:                    D_Value = digitalRead(2);                  //讀取D2數(shù)字量                 Serial.println(D_Value);                  //發(fā)送數(shù)字量測量數(shù)據(jù)                                     break;            case D1_Command:                    D_Value = digitalRead(3);                  //讀取D2數(shù)字量                 Serial.println(D_Value);                  //發(fā)送數(shù)字量測量數(shù)據(jù)                                      break;                         }       }   }}

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LabVIEW功能設(shè)計

LabVIEW上位機部分需要完成兩個功能:向下位機發(fā)送命令幀和將數(shù)據(jù)顯示在前面板上，Arduino Uno控制板通過串口接收上位機命令，完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)回傳至上位機。

數(shù)據(jù)采集分為模擬量采集和數(shù)字量采集，設(shè)置采集路數(shù)各為2路，分別采用ArduinoUno上具有模擬量輸入的管腳A0、A1和具有數(shù)字量輸入的管腳2、3來實現(xiàn)。模擬量采用電位器分壓來實現(xiàn)不同電壓值，數(shù)字量采用撥動開關(guān)在5V和GND之間切換實現(xiàn)高電平與低電平。

5.1、前面板設(shè)計

LabVIEW前面板分為模擬量采集和數(shù)字量采集兩個部分，模擬量采集部分主要針對模擬量輸出的傳感器，數(shù)字量采集部分主要針對數(shù)字量的輸入。

LabVIEW上位機前面板設(shè)計如下圖所示：

5.2、程序框圖設(shè)計

由于有2路模擬量和2路數(shù)字量，不同通道的模擬量或數(shù)字量的發(fā)送數(shù)據(jù)幀中，通道號不同，數(shù)字量與模擬量采集的發(fā)送數(shù)據(jù)幀中，命令號不同。發(fā)送數(shù)據(jù)幀中，具體的命令號和通道號可以自定義，此處模擬量通道0的采集命令為0x55AA10，模擬量通道1的采集命令為0x55AA11，數(shù)字量通道0的采集命令為0x55AA20，數(shù)字量通道1的采集命令為0x55AA21。

LabVIEW上位機程序框圖如下所示：

Arduino Uno上的模擬輸入擁有10位的分辨率，可以滿足一般的數(shù)據(jù)采集的需求同時可以更改參考電壓來提高最小分辨率。

對于高精度的應(yīng)用，需要外部擴展高分辨率的ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）和高精度的電壓基準(zhǔn)源。

對于連續(xù)數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用，可以采用LabVIEW Interface for Arduino函數(shù)庫中的模擬采樣庫中的Get Finite Analog Sample函數(shù)節(jié)點來實現(xiàn)。

對于遠距離的數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用，可以采用RS-485總線、無線串口方式或網(wǎng)絡(luò)方式實現(xiàn)。