摘要：本文通過LabVIEW虛擬實驗軟件平臺設計了一種利用ATmegal6單片機進行數據采集，通過RS232串行通信將數據傳送給 PC的簡易虛擬示波器。用戶可以在開發平臺上對數據采集參數進行設置和調整以及對波形數據存儲。本系統的創新點是擺脫了傳統開發平臺的限制，具有多通道、方便、靈活等特點，在數據采集、傳感器監測等領域有重要應用。
關鍵詞：虛擬示波器；串口通信；LabVIEW；ATmegal6
0 引言
虛擬儀器是基于PC技術發展起來的，所以完全“繼承”了以現成即用的PC技術為主導的最新商業技術的優點，包括功能超卓的處理器和文件I／O，使在數據導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析。為了實時、準確地測量輸入波形的參數，本文采用自帶8路lO位ADC的單片機ATmegal6，結合簡單的外圍電路，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的設計
簡易多通道虛擬示波器系統的原理方框圖如圖1所示，數據采集由主控芯片ATmegal6進行，采集后的數據通過RS232串口通信芯片Max232將 TTL電平轉換為RS232電平，提供與PC機的接口，將數據量傳送給PC機的LabVIEW開發平臺，平臺內上位機軟件接收來自串口的數據，經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據，從而控制數據采集的速度和精度以及采集的通道。
1．1 數據采集電路
ATmegal6單片機是美國Atmel公司生產的基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。ATmegal6有如下特點：16k字節的系統內可編程Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)，512 字節EEPROM，1k字節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，支持片內調試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器／計數器(T／C)，片內／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部資源，從而簡化了電路設計的難度及編程難度。采樣電路的電路圖如圖2所示，ATmegal6只需結合簡單的晶振電路和復位電路就可以完成本設計的需求。模擬信號通過8路模擬輸入的任意端口輸入即可，通過單片機內部程序控制，很容易就將輸入模擬量轉化為數字量。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數據的串行傳送與接收。
1．2 串口通信接口電路
本系統設計中通過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。本系統采用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換。在串行通信的接口電路中選用MAX232芯片作為信號電平轉換芯片，實現TTL電平和RS232接口電平之間的轉換。從而把 ATmegal6內部需要傳送的數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的串行發送接口TXD和串行接收接口RXD，通過電平轉換為 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通過內部編程很方便地把數據傳送給PC機。
1．3 多通道采樣原理
由于ATmegal6內部ADC為8選1數據通道，在具體實現某路數據采集時就必須更改多工選擇寄存器ADMUX的數值。為能隨時更改通道，本設計采用主從方式，通過上位機發送給ATmegal6的數值來改變通道。在ATmegal6的串行中斷的接收中斷中，通過判斷接收的數值更改 ADMUX的數值。同時，在串行接口接收中斷中，通過接收的數值的編碼也可用來改變ADC相鄰兩次轉換之間的延時值，從而達到改變轉換速率的效果。
當需要采集雙通道數值時，單片機內部ADC可采用分時復用的原則，同時將獲得的八位數據加一個最高標志位，擴展為九位數據位。上位機通過對數據的最高位的校驗，可以很方便地區分數據，在顯示界面上將雙通道波形實時顯示更新。
2 系統軟件設計
2．1 下位機軟件設計
下位機軟件設計的關鍵是能使程序正確響應中斷服務程序，從而準確地完成ADC的轉換和數據的準確傳送。圖4即為下位機程序的程序流程圖。主函數運行隨即進行串口和ADC寄存器的初始化，然后啟動ADC的第一次轉換，隨即進入等待中斷狀態，若接收到停止信號，系統馬上停止。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，改變系統采樣通道值和ADC轉換速率值。改變完成后中斷返回。此時，系統根據新的參數值運行。ADC轉換完成中斷產生后，讀取當前轉換值，讀取完成后進行數字均值濾波，降低輸入信號的干擾。濾波完成后將結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換后中斷返回。整個過程中，系統通過中斷方式完成，具有響應及時、提高單片機處理內部和外部事件能力的特點。
2．2 上位機軟件設計
LabVIEW是美國國家儀器(NI)公司研發的，類似于C和BASIC開發環境。它廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件。LabVIW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協議的硬件及數據采集卡通訊的全部功能。它還內置了便于應用 TCP／IP、AetiveX等軟件標準的庫函數。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。
本設計采用LaLbVIEW開發平臺制作上位機軟件，軟件界面如圖5所示。該上位機調用底層RS232通信模塊，結合通用的波形顯示、按鈕開關等通用模塊設計出如圖5所示的具有串口參數選擇、實時波形顯示、采樣通道選擇、波形參數計算、存儲波形數據和采樣速率可調的虛擬示波器上位機軟件。軟件中首先通過串口參數調整復選框選擇PC機串口數據，然后打開軟件開關，當串口接收數據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。軟件還設有波形數據存儲按鈕，當按鈕打開時，軟件會將接收到的數據按照波形數據文件以數組形式存儲在PC 的磁盤內。Matlab和Exel等數據處理軟件可方便的調用該文件進行分析，方便對其進行更加復雜的數據處理和數據的再現。
3 結論
本文設計的虛擬示波器系統由單片機ATmegal6和Max232構成的下位機系統及由LabVIEW開發的上位機軟件構成。系統充分利用ATmegal6單片機軟硬件資源，方便快捷地實現數據采集。并且通過RS232接口實現與上位PC機的連接，PC機通過LabVIEW開發平臺方便地實現進行數據的分析、處理、存儲和打印輸出的簡易虛擬示波器。本系統具有電路簡單、使用靈活方便等特點。因此能廣泛應用于工業、農業、水文系統、環境監測等領域，實現現場勘測和數據采集。
