1引言
由于各種人群的皮膚阻抗的動(dòng)態(tài)范圍不一樣，甚至同個(gè)人在不同的時(shí)間、不同的環(huán)境下皮膚阻抗的動(dòng)態(tài)范圍也不一樣。因此，在皮膚阻抗檢測(cè)系統(tǒng)中，刺激器需要根據(jù)不同的人群以及不同的環(huán)境，產(chǎn)生不同頻率、不同脈寬的刺激信號(hào)，才能保證檢測(cè)系統(tǒng)可以測(cè)量到人體皮膚的真實(shí)阻抗。
MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)有3個(gè)定時(shí)器可以產(chǎn)生方波，而且方波的脈沖頻率及寬度可以由軟件設(shè)定，這種產(chǎn)生脈沖的方式具有很大的靈活性。上位機(jī)軟件LabVIEW同下位機(jī)通信時(shí)，將下位機(jī)所要產(chǎn)生的脈沖的參數(shù)通過(guò)串口傳給下位機(jī)，以便實(shí)現(xiàn)利用LabVIEW控制單片機(jī)產(chǎn)生所需脈沖的目的。
2下位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.1硬件部分
MCS-51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)功能很強(qiáng)的全雙工串行口，該串行口有4種工作方式。片內(nèi)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器可以產(chǎn)生波特率，大小可用軟件設(shè)置。有2個(gè)物理上獨(dú)立的接收、發(fā)送緩沖器SBUF，接收、發(fā)送均可觸發(fā)中斷系統(tǒng)，使用十分方便。對(duì)外也有兩條獨(dú)立的收、發(fā)信號(hào)線RXD(P3.0)和TXD(P3.1)。
本文采用RS 232串行接口標(biāo)準(zhǔn)，在電氣特性上，RS232采用負(fù)邏輯，要求高低兩信號(hào)間有較大的幅度，標(biāo)準(zhǔn)為：邏輯"1"在-5~-15V之間，邏輯"0"在+5~+15V之間。
2.2軟件部分
MCS-51的定時(shí)器0進(jìn)行兩次計(jì)數(shù)。設(shè)P1.0為脈沖發(fā)生端，當(dāng)定時(shí)器0的第一次計(jì)數(shù)結(jié)束后，將P1.0取反，賦新的初值，再進(jìn)行第二次計(jì)數(shù)。當(dāng)?shù)诙斡?jì)數(shù)結(jié)束后，再一次將P1.0取反，又賦原來(lái)的初值，進(jìn)行新一輪的計(jì)數(shù)，如此反復(fù)即可產(chǎn)生方波。這樣通過(guò)兩次計(jì)數(shù)值的不同就可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生不同脈寬及頻率的方波了。
圖1，圖2和圖3給出了單片機(jī)程序的詳細(xì)流程圖。其中定時(shí)器1工作在方式2，這是一種自動(dòng)重裝方式，禁止中斷，用于產(chǎn)生波特率(該波特率設(shè)置為9 600)。串口工作在方式1，發(fā)送或接受一幀信息為10位，1位起始位(0)，8位數(shù)據(jù)位和1位停止位(1)，無(wú)奇偶校驗(yàn)位。程序還設(shè)定串口中斷優(yōu)先級(jí)高于定時(shí)器0的中斷優(yōu)先級(jí)。
在通信前，上下位機(jī)一般會(huì)約定一個(gè)協(xié)議，例如在發(fā)送的數(shù)據(jù)前加一個(gè)標(biāo)識(shí)段，一般為一個(gè)字節(jié)。當(dāng)該字節(jié)傳輸正確后，下位機(jī)才可以認(rèn)為上位機(jī)準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)段。這樣可以避免串口偶爾產(chǎn)生的誤發(fā)信號(hào)。
程序設(shè)定4個(gè)字節(jié)為一個(gè)數(shù)據(jù)段，是因?yàn)樯衔粰C(jī)一次性要發(fā)完包括高低電平在內(nèi)的兩次定時(shí)器的初始值，而每一個(gè)初始值都有兩個(gè)字節(jié)。因此下位機(jī)判斷一次完整的數(shù)據(jù)段是否發(fā)送完畢，就是判斷其是否收到了4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。
3上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
LabVIEW語(yǔ)言是美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司開(kāi)發(fā)的一種基于圖形化語(yǔ)言(G語(yǔ)言)的編程語(yǔ)言，利用該語(yǔ)言編寫(xiě)的模塊化程序，具有良好的界面，簡(jiǎn)單、直觀，且易于理解、調(diào)試和維護(hù)。做成的虛擬儀表可以當(dāng)作許多儀器設(shè)備來(lái)使用，其功能完全由用戶編程定義。另外，LabVIEW內(nèi)還包含豐富的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信號(hào)分析以及控制等子程序，特別適用于數(shù)據(jù)采集、通信處理系統(tǒng)。
LabVIEW提供了很多現(xiàn)成的可供調(diào)用的函數(shù)庫(kù)，從底層的GPIB，VXI，PXI，串口數(shù)據(jù)采集板的控制子程序到大量的儀器驅(qū)動(dòng)程序；從基本的功能函數(shù)到高級(jí)分析庫(kù)，幾乎涵蓋了儀器設(shè)計(jì)中需要的所有函數(shù)。同時(shí)，LabVIEW還支持用于網(wǎng)絡(luò)通訊的TCP/IP協(xié)議、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)和網(wǎng)絡(luò)化多媒體對(duì)象技術(shù)(ActiveX)等應(yīng)用軟件標(biāo)準(zhǔn)。
3.1VISA LabVIEW提供了功能強(qiáng)大的VISA庫(kù)
VISA(Virtual InSTrument Software Architecture，虛擬儀器軟件規(guī)范)是用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)庫(kù)及其相關(guān)規(guī)范的總稱。VISA庫(kù)駐留于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，完成計(jì)算機(jī)與儀器之間的連接，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的程序控制，其實(shí)質(zhì)是用于虛擬儀器系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)的API(ApplicatiON Programmer Inter-face，應(yīng)用程序接口)。正因?yàn)槿绱?，VISA可以連接不同標(biāo)準(zhǔn)的I/O設(shè)備。
VISA本身并不具備編程能力，惟他通過(guò)調(diào)用底層的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的編程。VISA的I/O軟件庫(kù)的源程序是惟一的，其與操作系統(tǒng)及編程語(yǔ)言無(wú)關(guān)，只是提供了標(biāo)準(zhǔn)形式的API文件作為系統(tǒng)的輸出。
3.2LabVIEW中利用VISA實(shí)現(xiàn)串口通信
在LabVIEW中使用串口的基本流程為：先調(diào)用VISA Configure Serial Port來(lái)完成串口參數(shù)的初始化設(shè)置，包括了串口的資源分配，波特率的設(shè)定，數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位和流控制等。
當(dāng)某一個(gè)串口初始化成功后，就可以使用該串口進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。使用VISA Write進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，使用VISA Read進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收。在接收數(shù)據(jù)前，有時(shí)需要VISA Bytes at Serial Port查詢當(dāng)前串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，如果VISA Read要讀取的字節(jié)數(shù)大于緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，VISA Read操作將一直等待，直至緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)達(dá)到要求或是等待時(shí)間滿足VISA Configure Serial Port所設(shè)定的Timeout。 在對(duì)數(shù)據(jù)的連續(xù)性要求不高的時(shí)候，VISA Read也支持分批讀取接收緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)字節(jié)或者只是讀取其中的一部分字節(jié)。
在某些特殊的情況下，可以利用VISA SET I/O Buffer Size設(shè)置串口接受/發(fā)送緩沖區(qū)的大小，使用VISAFlash I/O Buffer清空接收與發(fā)送緩沖區(qū)?！ ≡诖谑褂媒Y(jié)束后，使用VISA Close結(jié)束與VISAresource name所指定串口間的會(huì)話。
該LabVIEW程序框圖中調(diào)用了一個(gè)叫做change的子VI程序，該子VI程序的功能是將高低電平的脈沖寬度值，轉(zhuǎn)換成定時(shí)器的初始值，并且拼湊成一個(gè)4個(gè)字節(jié)的16進(jìn)制數(shù)，通過(guò)VISA Write模塊送入下位機(jī)。該子VI的程序框圖如圖5所示。
在接收到數(shù)據(jù)后，單片機(jī)有一條反饋的指令，他將其緩沖區(qū)內(nèi)的值再次送回上位機(jī)，LabVIEW對(duì)該值進(jìn)行顯示，并可以和原來(lái)實(shí)際輸出的16進(jìn)制數(shù)進(jìn)行比較。用戶可以很方便地知道，是否在上下位機(jī)通信中出現(xiàn)誤碼。
圖6左側(cè)的倒三角表示從圖4(a)的VISA Read中接收到的值，他與LabVIEW上一次顯示的值拼裝成一個(gè)完整的字符串，成為新的顯示值，在字符串顯示區(qū)顯示出來(lái)。
4程序運(yùn)行結(jié)果與驗(yàn)證
程序的前面板界面如圖7所示。
圖8是另一個(gè)程序的前面板，該程序可以將采樣率設(shè)定為50kHz的采集卡采集到的數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。該屏幕顯示的是，上位機(jī)程序發(fā)送欲產(chǎn)生高低電平均為0.6ms脈沖波的定時(shí)器初始值給下位機(jī)后，下位機(jī)產(chǎn)生的脈沖序列。
上位機(jī)發(fā)送的16進(jìn)制數(shù)為FDA8FDA8，下位機(jī)準(zhǔn)確接收后，反饋的值也為FDA8FDA8。
根據(jù)采樣率為50kHz，即0.02ms采樣一次，則在顯示波形圖中任選一次完整脈沖(如圖8所示)進(jìn)行計(jì)算，可以得到該次的低電平的持續(xù)時(shí)間為0.66ms，高電平的持續(xù)時(shí)間為0.68ms。
這兩個(gè)數(shù)據(jù)的誤差可能是采集卡的采樣率誤差引起的，或是單片機(jī)的定時(shí)器中斷服務(wù)程序的執(zhí)行周期產(chǎn)生的延時(shí)所造成的。
另外，在上下位機(jī)的通信中，也可能會(huì)產(chǎn)生誤碼，導(dǎo)致產(chǎn)生的波形不符合要求。如果要一次性完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)，則應(yīng)該在上下位機(jī)間增加可糾錯(cuò)的編碼和譯碼電路，否則，可以選擇再次發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)返回值與發(fā)送值一致時(shí)，才可認(rèn)為發(fā)送成功，產(chǎn)生的波形基本可以符合要求。
5結(jié)語(yǔ)
本文用RS 232串行通信接口將計(jì)算機(jī)與單片機(jī)相連，組成一個(gè)可控脈沖發(fā)生器用于皮膚阻抗檢測(cè)。上位機(jī)用LabVIEW編程，產(chǎn)生的界面友好，操作方便。這種可控脈沖發(fā)生器編程靈活，不僅可以產(chǎn)生方波，還可以產(chǎn)生三角波，正弦波等，基本可以滿足實(shí)驗(yàn)的要求。