单片机+LabVIEW打造智能多路数据采集系统

基于单片机和LabVIEW的多路数据采集器系统设计

系统架构设计

多路数据采集系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分以单片机为核心，负责传感器信号采集、模数转换和数据传输；软件部分基于LabVIEW开发，实现数据接收、处理、显示和存储。系统支持多通道同步采集，适用于工业监测、实验室研究等场景。

硬件架构采用模块化设计，包括传感器模块、信号调理电路、单片机主控模块、通信接口模块。软件架构分为上位机（LabVIEW）和下位机（单片机程序），通过串口或USB进行数据交互。

硬件设计要点

单片机推荐使用STM32F103系列，内置12位ADC，支持多通道扫描模式。信号调理电路包含滤波、放大和电平转换，确保输入信号在ADC量程范围内。通信模块采用CH340G芯片实现USB转串口功能，波特率可配置为115200bps。

关键电路设计：

传感器接口：8路模拟输入，配置RC低通滤波（截止频率1kHz）
运算放大器：采用OP07构成同相放大电路，增益可调
基准电压：使用TL431提供2.5V精密参考
电源管理：LM1117-3.3为单片机供电，TPS5430提供±5V双电源

下位机程序设计

单片机固件使用Keil MDK开发，主要功能包括：

ADC配置为连续扫描模式，采样率1kHz
DMA传输减轻CPU负担
自定义通信协议（帧头+通道数据+校验和）

核心代码片段：

void ADC_Config(void) {
  ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
  ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = ENABLE;
  ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;
  ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
  ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
  ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 8;
  ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
}

LabVIEW上位机设计

LabVIEW程序采用生产者-消费者模式，包含以下功能模块：

串口配置：波特率、数据位、停止位可调
数据解析：按协议拆包，分离各通道数据
实时显示：波形图表展示8通道趋势
数据存储：TDMS文件格式，支持按时间戳记录

关键VI设计：

串口初始化子VI：配置VISA资源
数据解析子VI：校验帧完整性
报警处理子VI：阈值比较和事件记录
报表生成子VI：PDF格式输出测试报告

系统校准与优化

采用三点校准法消除非线性误差：

零点校准：输入0V信号，记录ADC输出
满量程校准：输入参考电压，记录ADC输出
中间点验证：输入50%量程电压，验证线性度

软件补偿算法： $$ V_{real} = \frac{ADC_{raw} - offset}{gain} $$ 其中offset和gain通过校准过程获得。

典型应用案例

在温度监测系统中，配置8路PT100传感器：

信号调理：恒流源驱动，仪表放大器INA128
采样间隔：500ms/通道
数据显示：LabVIEW前面板同步显示温度曲线
数据存储：每小时生成包含所有通道数据的CSV文件

系统实测性能：

采样精度：±0.5% FS
通道间干扰：<0.1%
连续工作稳定性：24小时漂移<0.2%

源码结构说明

完整工程包含以下目录：

/Hardware：原理图（Altium Designer格式）
/Firmware：Keil工程文件
/LabVIEW：VIPM打包的模块化程序
/Documentation：校准手册和API说明

关键文件：

main.c：单片机主程序
DataAcquisition.lvproj：LabVIEW项目文件
Protocol.docx：通信协议详细说明

该系统设计具有扩展性强、成本低的特点，通过更换传感器类型和调整软件参数，可适应不同领域的测量需求。实际部署时需注意电磁兼容设计，建议增加金属屏蔽壳和滤波电路。

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