趙飛 武力 郭堅

摘要：為了實現(xiàn)對多路電壓輸出的實時控制，基于STM32單片機和NI公司的編程軟件LabView，設(shè)計了一個多路電源控制系統(tǒng)，實現(xiàn)多路可調(diào)電壓的輸出控制。系統(tǒng)以STM32單片機作為主控芯片，采用高速串設(shè)接口控制三片DAC8420，通過串口接收上位機發(fā)送的命令控制12路電壓輸出，操作簡單，輸出信號精度高。

關(guān)鍵詞：Labview；電壓控制；單片機；串行通信

中圖分類號： TP334 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號：1009-3044（2014）22-5377-03

可調(diào)的多路電壓輸出在很多場合有廣泛的應(yīng)用，針對目前多路電壓輸出裝置多采用手動調(diào)節(jié)的狀況，設(shè)計一種程控裝置，采用單片機為核心，控制電壓輸出電路，以NI公司的虛擬儀器開發(fā)軟件LabView開發(fā)應(yīng)用程序，發(fā)送輸出指令，人機界面友好，相應(yīng)速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、精確、多路的電壓輸出。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

基于單片機和LabView的多路電壓輸出控制系統(tǒng)由基于單片機的電壓輸出控制裝置和基于LabView的上位機應(yīng)用程序兩部分組成，它們之間通過串口進行通信。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

整個系統(tǒng)主要實現(xiàn)輸出電壓的控制和調(diào)節(jié)，其中基于單片機的電壓輸出控制裝置通過串口接收上位機發(fā)出的指令，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，通過高速串行接口控制DAC8420轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量輸出?；贚abView的上位機程序主要實現(xiàn)串口通信、提供友好的人機界面進行電壓輸入調(diào)節(jié)控制功能。

2 基于單片機的多路電壓輸出控制裝置設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能，基于單片機的電壓輸出控制裝置的硬件結(jié)構(gòu)以STM32F103RBT6為核心，外圍電路包括電源電路、時鐘和復(fù)位電路、串口通信電路、DA轉(zhuǎn)換電路等。其中多路電壓輸出的核心器件為DAC8420。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 電源電路設(shè)計

系統(tǒng)采用專用穩(wěn)壓芯片提供系統(tǒng)工作的電源，交流電通過變壓器降壓再經(jīng)過整流后接到穩(wěn)壓模塊上，輸出各個模塊需要的電壓。由于單片機供電電壓為3.3V，串行通信接口芯片MAX232工作電壓為5V，DAC8420VDD為15V、VSS為-15V，VREFHI和VREFLO分別為+10V和-10V。電源部分采用ASM1117-3.3、ASM1117-5.0分別提供單片機和MAX232工作電壓，由7810和7910輸出正負(fù)10V電壓，7815和7915輸出正負(fù)15V電壓。同時在電源電壓轉(zhuǎn)換過程中進行濾波處理，在模擬和數(shù)字電源中加入電感和電容組成去耦電路來抑制干擾。

2.3 串行通信電路設(shè)計

單片機與LabView通信采用串口，STM32單片機內(nèi)置3個USART，完全支持RS232協(xié)議，具有很高的傳輸速率。本系統(tǒng)的電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAX3232，可以同時完成發(fā)送和接收轉(zhuǎn)換雙重功能，串口通信電路如圖3所示。

上位機通過串口將不同通道的電壓值設(shè)定好發(fā)送給單片機，單片機接收的數(shù)據(jù)包含了通道、電壓值、量程、極性等信息，同時單片機在接收到上位機的命令后將返回同樣的狀態(tài)信息。因此，需要設(shè)定上位機和單片機的通信協(xié)議。該文設(shè)計的數(shù)據(jù)格式如表1所示。

2.4 D/A轉(zhuǎn)換電路

單片機接收來自上位機應(yīng)用程序的指令，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號控制電壓的輸出，其中D/A轉(zhuǎn)換由DAC8420完成。DAC8420是AD公司生產(chǎn)的4路輸出12位DAC，功耗低，轉(zhuǎn)換精度高，為簡化電路設(shè)計，采用高速串行接口方式[1]。參考電壓采用正負(fù)10V，實現(xiàn)電源電壓范圍內(nèi)的正負(fù)單極性或雙極性信號擺幅，通過設(shè)置輸入VREFHI和VREFLO而確定輸出電壓范圍，從而極大的提高設(shè)計靈活性。本系統(tǒng)中DAC8420的電源電壓接正負(fù)15V，參考電壓接正負(fù)10V，可以實現(xiàn)-10V到+10V范圍內(nèi)的可調(diào)電壓輸出。其余STM32單片機的連接如圖4所示。根據(jù)DAC8420的工作時序，STM32向DAC8420寫數(shù)據(jù)時，先將片選信號CS置0，并將異步DAC寄存器載入控制信號LD置1，然后由串行數(shù)據(jù)輸入引腳將符合DAC8420格式的數(shù)據(jù)輸入DAC8420內(nèi)部的串/并轉(zhuǎn)換寄存器。由SDI輸入的16位數(shù)據(jù)中，頭兩位A1，A2用于選擇寄存器A-D，后12為D11-D0是具體的數(shù)值，解碼器根據(jù)兩位數(shù)據(jù)判斷數(shù)據(jù)移入的寄存器。當(dāng)數(shù)據(jù)輸入完畢后，再將LD置1，并在LD的下降沿將數(shù)據(jù)移入一寸器A-D，最后將LD置1、CS置1，完成一次轉(zhuǎn)換。

3 基于LabView的上位機程序設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

基于LabView的上位機程序主要通過串口發(fā)送指令，同時通過上位機對各個通道的電壓值進行設(shè)置和調(diào)節(jié)，實現(xiàn)串口通信是上位機程序設(shè)計的關(guān)鍵。除了串口通信功能，上位機程序還應(yīng)實現(xiàn)下面的功能：調(diào)節(jié)通道選擇、量程選擇、調(diào)節(jié)步長選擇、超量程報警和按設(shè)定步長調(diào)節(jié)功能。

3.2 LabView串口通信實現(xiàn)

串口通信是實現(xiàn)上位機程序的關(guān)鍵。這里利用LabView自身強大的驅(qū)動庫，用其被打包好的VISA驅(qū)動來實現(xiàn)[2]。要在LabView中使用串口操作節(jié)點，首先要在電腦中安裝NI VISA驅(qū)動，安裝VISA驅(qū)動庫后，可在Instrument I/O模板的Serial子模板中找到串口操作的各個節(jié)點。

LabView串口操作主要用到5種節(jié)點：VISA Configure Serial Port：串口配置節(jié)點，可進行串口號和波特率的設(shè)置；VISA Read：串口讀節(jié)點，用以讀取串口接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)；VISA Write：串口寫節(jié)點，用以向串口發(fā)送緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)；VISA Flush I/O Buffer：用以清空緩存區(qū)；VISA Close：關(guān)閉串口。

3.3 人機界面設(shè)計

人機界面采用LabView2013進行開發(fā)，采用滑動桿控件和編輯框輸入控件實現(xiàn)對不同通道電壓的輸入，利用組合框控件下拉選擇量程和步長，利用LabView自身的VISA驅(qū)動編程實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的收發(fā)，軟件可以實現(xiàn)對十二通道任意一個通道的電壓進行設(shè)置和調(diào)節(jié)，同時可以通過軟件的聯(lián)動調(diào)節(jié)功能，選中需要調(diào)節(jié)的若干通道，進行聯(lián)合調(diào)節(jié)。界面如圖所示。

實際操作過程中，選擇需要調(diào)節(jié)的通道，通過滑動桿或者編輯框輸入需要調(diào)節(jié)的通道的電壓，然后點擊發(fā)送數(shù)據(jù)，上位機將設(shè)定好的命令參數(shù)發(fā)送給單片機，單片機控制通道輸出相應(yīng)電壓。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于LabView和單片機的多路可調(diào)電壓輸出系統(tǒng)，基于LabView開發(fā)的上位機應(yīng)用軟件控制單片機，可以獨立或并行輸出多達12路-10V～+10V之間的電壓，控制靈活方便。

參考文獻：

[1] 張彥，吳昌才，劉暾東，李茂青.基于串行DAC8420芯片的模擬量輸出卡設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機，2006（3）.

[2] 楊樂平，李海濤，肖相聲，等. LabView程序設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.