掌握LabVIEW中的NI-VISA：揭秘串口通信的7个关键步骤


# 摘要
本文旨在全面介绍LabVIEW与NI-VISA在串口通信中的应用，为工程师提供深入理解和实践LabVIEW串口编程的知识基础。文章首先对LabVIEW与NI-VISA进行了简介，然后详细阐述了串口通信的基本原理、配置方法以及NI-VISA在其中所扮演的关键角色。随后，文章深入探讨了在LabVIEW中实现串口数据读写操作的技术细节，包括数据发送与接收、错误处理、异步读写和超时设置等高级技巧。在串口通信的高级应用方面，讨论了流控制、错误诊断与调试、以及多串口通信管理的策略。案例分析章节通过实战案例，展示了如何应用LabVIEW和NI-VISA解决实际问题。最后，文章展望了NI-VISA在LabVIEW中的未来展望，讨论了技术发展趋势、与其他通信协议的整合创新以及LabVIEW通信解决方案的创新应用场景。

# 关键字
LabVIEW；NI-VISA；串口通信；数据读写；流控制；多串口管理；技术展望

参考资源链接：[NI-VISA安装与使用教程：控制串口设备](https://wenku.csdn.net/doc/7t8qeg6yyd?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. LabVIEW与NI-VISA简介

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是由美国国家仪器（National Instruments，简称NI）公司开发的一种图形化编程语言，广泛用于数据采集、仪器控制以及工业自动化等领域。它使用图形代码（G代码）代替文本代码，使得工程师和科学家们能够快速设计复杂的测量和控制系统。

NI-VISA（Virtual Instrument Software Architecture）是NI公司推出的一款虚拟仪器软件架构，它提供了一套标准的API（应用程序接口）来简化与各种仪器的通信。无论仪器是通过串口、USB、GPIB、以太网还是其他总线方式连接，NI-VISA都能提供一致的编程方法和接口。

LabVIEW与NI-VISA的结合，为开发者提供了一个强大的工具，使得他们可以更专注于应用层面的设计和开发，而不必担心底层的通信细节。这对于需要快速实现复杂控制系统的工程师来说，无疑是一个福音。本章将深入探讨LabVIEW与NI-VISA的基础知识，为后续章节中串口通信的详细介绍打下基础。

# 2. LabVIEW串口通信基础

## 2.1 串口通信概念解析

### 2.1.1 串口通信的原理与重要性

串口通信是一种早期的计算机通信方式，通过串行端口将数据一位一位地顺序传输。它基于RS-232标准，广泛应用于计算机与各种外围设备之间的数据交换。在现代IT系统中，虽然高速的USB和网络通讯已经成为主流，但在某些特定领域和场景，如嵌入式系统、工业自动化和测试测量设备中，串口通信因其简洁性、稳定性和易用性仍然占据着重要地位。

串口通信的关键在于它的串行传输方式。数据被分解为字节，然后一个接一个地发送，每个字节以起始位开始，以停止位结束，中间包含数据位和可选的奇偶校验位。这种机制允许两个设备在只使用一对线的情况下进行全双工通信。

### 2.1.2 常见的串口协议与标准

串口通信遵循多个标准，RS-232是最常见的标准之一。RS-232定义了电压水平、信号行为和物理连接方式。随着技术的发展，RS-485和RS-422等标准也被引入，这些标准支持更长距离的数据传输和更复杂的网络拓扑结构。

除了这些硬件标准外，还有多种软件通信协议，例如Modbus，它规定了设备间通信的命令和响应格式。这些协议和标准共同构成了串口通信的基础设施，为不同设备间的数据交换提供了统一的框架。

## 2.2 NI-VISA在LabVIEW中的角色

### 2.2.1 NI-VISA的架构与组成

NI-VISA（Virtual Instrument Software Architecture）是National Instruments公司开发的一套通信软件，它为多种仪器和接口提供了一致的软件接口。VISA库包括对串口、GPIB、USB等多种接口的支持。

VISA架构包含三个主要组成部分：VISA Resource Manager、VISA I/O Libraries和仪器驱动程序。Resource Manager负责管理系统中所有可用的仪器资源，I/O Libraries提供了与硬件通信的通用函数集，而仪器驱动程序为特定的硬件设备提供特定的通信函数。

### 2.2.2 安装与配置NI-VISA驱动程序

在使用NI-VISA之前，需要在其官方网站下载并安装适合操作系统版本的NI-VISA软件包。安装过程需要选择适当的安装选项，确保与LabVIEW版本兼容，并且要检查系统是否满足所需的硬件和软件依赖性。

一旦安装完成，NI-VISA驱动程序需要进行配置，通常包括设置串口参数，如波特率、数据位、停止位和奇偶校验等。这些设置可以通过NI MAX（Measurement & Automation Explorer）工具轻松完成。该工具不仅允许用户配置VISA资源，还可以直接测试连接，确保通信设置正确。

## 2.3 LabVIEW中串口的配置方法

### 2.3.1 使用NI-VISA配置串口属性

在LabVIEW中，使用NI-VISA配置串口属性通常涉及到VISA Configure Serial Port VI的调用。这个VI允许用户通过图形化界面设置串口的各种参数。LabVIEW也支持VISA属性节点（VISA Property Node），通过编程方式来配置串口属性，例如设置波特率、数据位、停止位和奇偶校验等。

为了使用VISA Configure Serial Port VI，开发者需要首先放置一个VISA配置串口VI节点，并为各个参数提供正确的值。例如，可以设置波特率为9600，数据位为8，停止位为1，无奇偶校验位等。这样配置后，就可以保证后续的数据发送和接收操作使用正确的通信设置。

### 2.3.2 串口通信中的常见设置项解析

配置串口时，一些关键的设置项包括但不限于：

- 波特率：数据传输速率，常见的有9600、115200等。
- 数据位：每个传输的数据单元中的位数，常用的有7位和8位。
- 停止位：每个数据包的结束标志，通常为1位或2位。
- 奇偶校验：错误检测机制，有无校验、奇校验、偶校验等选择。

这些设置需要根据具体的通信协议和所连接设备的要求来选择。例如，在需要高速传输时，可能会选用较高的波特率。在数据安全要求较高时，则可能会启用奇偶校验以增加数据的准确性。

配置完成后，就可以进行下一步的数据发送和接收操作，但在这之前还需要确保串口通信中的错误处理机制已经设置妥当。

# 3. LabVIEW中串口数据的读写操作

## 3.1 串口数据的发送

### 3.1.1 使用VISA Write函数发送数据

在LabVIEW中，使用VISA Write函数进行串口数据的发送是一个基础且重要的操作。VISA Write函数主要用于发送字符串或二进制数据到串口，函数原型如下：

VISA Write (resource name, data to write, [bytes written])

- `resource name` 是指定的VISA资源名称，该资源名称可以通过VISA资源管理器获得，并且与具体的串口设备相对应。
- `data to write` 是需要发送的数据，可以是字符串或二进制数据。
- `bytes written` 是可选参数，表示实际发送的数据字节数。

开发者需要确保数据格式与目标串口设备所接受的格式一致，同时要注意数据的结束符、数据长度等问题。

**代码逻辑逐行解读：**

VI Open (session ref num, resource name, access mode, timeout)

这行代码用于打开与指定资源的会话，`session ref num` 为会话的引用编号，`resource name` 为VISA资源名称，`access mode` 指定访问模式，`timeout` 是超时时间。

VI Write (session ref num, data to write, timeout)

这行代码用于执行写操作，将 `data to write` 发送到已打开的会话。`timeout` 参数用于设定写操作的超时时间。

### 3.1.2 发送数据时的错误处理

在数据发送过程中，错误处理是确保数据正确到达目标设备的关键。在LabVIEW中，可以使用错误簇（Error Cluster）来处理和监控可能发生的错误。

**代码逻辑逐行解读：**

VI Error Query (session ref num, error)

该函数用于查询会话的错误状态。如果发生错误，`error` 参数将返回错误代码。

If error is not zero Then
    VI Close (session ref num)
    Error out = error
Else
    Continue with operation
End If

上述代码段首先检查是否有错误发生，如果错误码 `error` 不为零，则关闭会话并返回错误信息；如果无错误，继续执行后续操作。

## 3.2 串口数据的接收

### 3.2.1 使用VISA Read函数接收数据

VISA Read函数用于从指定的资源读取数据。在串口通信中，这个函数是用于接收来自串口设备的数据。

VISA Read (resource name, maximum number of bytes to read, actual number of bytes read)

- `resource name` 是打开的串口资源名称。
- `maximum number of bytes to read` 是一次读取操作的最大字节数。
- `actual number of bytes read` 是实际读取的字节数。

通常，实际读取的字节数少于最大字节数，因为设备可能没有发送那么多数据。

**代码逻辑逐行解读：**

VI Read (session ref num, maximum number of bytes to read, actual number of bytes read)

该函数读取数据，`session ref num` 是会话引用编号，`maximum number of bytes to read` 指定最大读取字节数，`actual number of bytes read` 实际读取的字节数。

### 3.2.2 接收数据的缓冲区管理

为了确保数据的正确接收，对缓冲区进行有效管理是必要的。缓冲区过小可能导致数据丢失，而缓冲区过大则可能导致不必要的内存消耗。

**代码逻辑逐行解读：**

VI Set Buffer (session ref num, buffer type, buffer size)

通过该函数可以设置缓冲区的大小，`session ref num` 是会话引用编号，`buffer type` 是缓冲区类型，`buffer size` 是缓冲区大小。

If actual number of bytes read = maximum number of bytes to read Then
    VI Clear (session ref num)
End If

如果一次读取的字节数等于最大读取字节数，说明缓冲区可能已满，使用 `VI Clear` 函数清除缓冲区中的数据。

## 3.3 数据读写的高级技巧

### 3.3.1 异步读写与回调函数的使用

异步读写是LabVIEW中的一个高级特性，允许在等待串口操作完成时执行其他操作。回调函数的使用可以使程序在收到串口数据时自动执行某些操作。

**代码逻辑逐行解读：**

VI Configure Async Operation (session ref num, operation, value)

该函数用于配置异步操作，`operation` 可以是读、写或I/O完成事件。`value` 用于启用或禁用异步操作。

VI Enable Event (session ref num, event type)

此函数用于启用串口事件，`event type` 指定事件类型，比如接收缓冲区非空事件。

### 3.3.2 串口通信中的超时设置与处理

在串口通信中，超时设置是保证程序稳定运行的重要环节。设置合理的读写超时可以避免程序陷入死锁状态。

**代码逻辑逐行解读：**

VI SetTimeout (session ref num, timeout)

该函数用于设置会话的超时时间，`timeout` 是以毫秒为单位的时间长度。

If Read timeout Occurs Then
    VI Clear (session ref num)
    Error out = timeout error code
End If

如果在读取操作中发生超时错误，应当清除缓冲区并返回超时错误代码。这样可以防止数据错乱或后续操作失败。

通过本章的介绍，我们对LabVIEW中串口数据的读写操作有了更深入的理解。下一章节中，我们将探讨LabVIEW串口通信的流控制及高级应用。

# 4. LabVIEW串口通信的高级应用

## 4.1 串口通信的流控制

### 4.1.1 硬件流控制与软件流控制的区别与应用

在串口通信中，流控制是一种确保数据可靠传输的机制。它允许通信双方协调数据的发送和接收，避免数据溢出或丢失。常见的流控制分为硬件流控制和软件流控制。

硬件流控制通常依赖于数据线之外的额外硬件线路，如RTS（Request To Send）和CTS（Clear To Send）。当一方准备好接收数据时，它会通过RTS线通知对方，对方则通过CTS线回应确认。这种硬件控制方式的优点在于能够减少软件的处理负担，提高通信效率。

软件流控制则使用特殊的字符序列来实现控制，如XON/XOFF（Control-S/Control-Q）。当接收方遇到缓冲区满的情况时，它会通过发送XOFF来告诉发送方暂时停止发送数据，待缓冲区有足够的空间后再发送XON来恢复数据发送。这种方式不需要额外的硬件线路，但可能会因为数据中的特殊字符而引入问题。

在LabVIEW中实现硬件流控制需要对NI-VISA的相应属性进行配置，而软件流控制则可以通过VISA的Write函数发送相应的控制字符。具体的选择取决于应用场景和硬件的支持情况。

### 4.1.2 流控制的LabVIEW实现方法

在LabVIEW中实现硬件流控制，通常需要设置串口的RTS和CTS控制位。以下是实现硬件流控制的基本步骤：

1. 配置串口属性，确保硬件流控制被启用。
2. 在发送数据前检查CTS线路状态，确保接收方已准备好接收数据。
3. 发送数据后，监控RTS线路，判断发送方是否请求停止发送数据。

示例代码片段如下：

VISA Configure Serial Port.vi

对于软件流控制，LabVIEW中的实现则涉及到编写VISA Write函数来发送控制字符。示例代码如下：

VISA Write.vi

代码逻辑的逐行解读分析：

- 第一行代码通过VISA资源名称打开串口设备。
- 第二行代码配置串口参数，包括波特率、数据位、停止位和奇偶校验位。
- 第三行代码设置RTS和CTS控制位，启用硬件流控制。
- 第四行代码使用VISA Write函数发送数据。
- 第五行代码监控CTS线路状态，确保数据可以发送。
- 第六行代码检查接收到的反馈信息，如果收到XOFF则停止发送数据。
- 第七行代码发送XON，以恢复数据传输。

### 4.2 错误诊断与调试

#### 4.2.1 常见串口通信错误及解决方法

在进行串口通信时，可能会遇到各种错误。常见的错误及解决方法包括：

1. **端口冲突**：检查端口号是否被其他设备占用，或者多个程序试图同时访问同一个端口。
2. **数据溢出**：增加接收缓冲区大小或者采用合适的流控制策略。
3. **校验错误**：检查连接线是否正确，确保发送和接收设备的通信参数设置一致。

利用LabVIEW进行错误诊断和调试时，可以通过读取和分析VISA资源的错误队列来确定问题所在。以下代码展示了如何读取错误队列：

VISA Read Error Queue.vi

#### 4.2.2 利用LabVIEW进行串口通信调试

在LabVIEW中调试串口通信时，可以使用多种工具和技术：

1. **使用串口监视器**：在LabVIEW中可以使用Serial Monitor工具，实时监控串口数据的发送和接收。
2. **设置断点**：在代码关键位置设置断点，可以逐步执行并观察数据流和程序状态。
3. **使用日志记录**：记录通信过程中的关键事件和数据，便于事后分析。

### 4.3 多串口通信的管理

#### 4.3.1 同时管理多个串口实例

在一些复杂的应用中，可能会需要同时管理多个串口实例。LabVIEW中可以通过创建多个VISA资源来实现这一目标。以下代码展示了如何创建多个串口资源并分别进行管理：

For Loop
VISA Open.vi

代码逻辑的逐行解读分析：

- 使用For Loop循环结构遍历每个串口号。
- 在每次循环中，使用VISA Open函数打开对应的串口资源。
- 通过索引控制每个串口资源的访问。

#### 4.3.2 多线程环境下的串口通信策略

在多线程环境下，多个串口实例的通信管理需要特别注意线程安全问题。为防止数据错乱，可以采取以下策略：

1. **使用队列**：利用LabVIEW中的队列结构，为每个串口通信创建一个单独的队列，每个线程只处理自己队列中的数据。
2. **互斥锁**：在访问共享资源时，如串口设备和缓冲区，使用互斥锁来确保线程安全。
3. **线程优先级和调度**：合理设置线程的优先级和调度策略，避免因资源竞争导致的通信延迟。

通过上述策略，可以确保多串口通信在LabVIEW中的稳定和效率。

# 5. LabVIEW串口项目实战案例分析

## 5.1 案例一：串口数据采集系统

### 5.1.1 系统设计需求分析

在许多工业应用中，对于数据的实时监控和采集是至关重要的。串口数据采集系统能够实时从各种传感器、仪器仪表中获取数据，进而进行分析、记录和显示。系统需求分析是项目开发前的关键步骤，它直接影响着系统设计的合理性和最终性能。

在本案例中，串口数据采集系统的设计目标是能够稳定、高效地从多个传感器中实时采集数据。这些数据可能包括温度、压力、流量等物理量。系统需要具备以下特点：

- **实时性：** 能够几乎无延迟地采集来自各个传感器的数据。
- **稳定性：** 系统需要长时间稳定运行，具备容错和异常处理机制。
- **用户界面：** 提供直观易用的操作界面，方便用户进行数据查看和系统控制。
- **数据存储与分析：** 能够将采集到的数据进行存储，并提供数据分析的功能。

为了实现上述功能，我们选择LabVIEW作为开发平台，利用NI-VISA进行串口通信。LabVIEW的图形化编程语言非常适合进行数据采集和处理任务，其丰富的函数库和VI组件库为开发提供了便捷。

### 5.1.2 LabVIEW实现细节与难点突破

在本案例中，LabVIEW通过VISA接口与各传感器通信，实现数据的采集。以下是实现的几个关键步骤：

**步骤一：系统构架设计**
首先，确定系统的构架。我们需要有一个主VI作为用户界面，用于显示实时数据和接受用户输入。同时需要创建后台数据采集VI，负责与各个传感器进行实时通信。

**步骤二：串口通信设置**
使用NI-VISA的配置函数，对所有传感器的串口进行配置。这包括设置波特率、数据位、停止位以及校验等参数，以匹配每个传感器的通信协议。

**步骤三：数据采集**
实现数据的采集是此案例的核心。在LabVIEW中，调用VISA Read函数来接收来自传感器的数据。通常，这些数据是原始的字节流，因此需要进行解析和转换，以得到实际的物理量数值。

VISA Configure Serial Port.vi
VISA Read.vi

**代码逻辑分析：**
`VISA Configure Serial Port.vi`用于配置串口参数，`VISA Read.vi`用于从配置好的串口读取数据。

**步骤四：数据处理与存储**
采集到的数据经过处理后，需要存储到文件中或数据库中，以供后续分析。LabVIEW提供了多种数据存储方式，如CSV文件、TDMS文件等。

**步骤五：异常处理与系统稳定性**
为了保证系统的稳定性，在LabVIEW程序中加入了错误处理机制。通过捕获可能发生的异常，如串口通信错误、数据解析错误等，并执行相应的异常处理流程。

Error Handling.vi

**代码逻辑分析：**
`Error Handling.vi`是专门用于错误处理的VI，用于捕获和处理程序运行中可能出现的错误。

**步骤六：用户界面与交互**
设计一个直观易懂的用户界面，以图形化方式展示采集到的数据，并提供用户可以进行交互操作的控件。

实现上述步骤后，一个完整的串口数据采集系统就构建完成了。通过这个实战案例，我们可以看到LabVIEW和NI-VISA在数据采集方面的强大能力，并且了解到其在实现过程中的关键技术和考虑要点。

# 6. LabVIEW中NI-VISA的未来展望

LabVIEW作为一种流行的图形编程语言，与NI-VISA的结合为数据采集与仪器控制提供了强大的解决方案。随着技术的进步和用户需求的不断演变，NI-VISA在LabVIEW中的应用和功能也在持续进化。本章将探讨NI-VISA的发展趋势，以及其在LabVIEW环境中的潜在改进方向和与其他通信协议整合的可能性。

## 6.1 技术发展趋势与改进方向

### 6.1.1 串口通信技术的进步

串口通信技术虽然历史悠久，但随着新型电子设备的不断涌现和应用需求的多样化，其发展并未停滞不前。例如，USB和以太网等现代接口技术正逐渐取代传统的串行端口，但串口因其简单易用和设备兼容性，在某些领域仍然有其独特优势。未来的串口通信技术将致力于提升传输速率、通信安全性和设备兼容性，同时保持易用性。在LabVIEW中，这意味着NI-VISA可能需要扩展新的功能来支持这些进步。

### 6.1.2 NI-VISA在LabVIEW中的未来改进

NI-VISA作为LabVIEW中串口通信的核心工具，其未来改进将围绕提升用户交互体验、扩展硬件支持、以及增强功能性展开。例如，改进的图形用户界面可以简化配置流程，新的驱动程序支持新型号的设备。同时，性能优化也是一个重要方向，包括提升通信效率和稳定性，减少在多任务操作中的资源消耗。

## 6.2 与其他通信协议的整合与创新

### 6.2.1 NI-VISA在多协议通信中的应用

随着工业自动化和数据采集系统的发展，单一通信协议已无法满足复杂的项目需求。NI-VISA能够与其他通信协议进行整合，如GPIB、LAN、TCP/IP、蓝牙等，为不同类型的设备提供统一的接口解决方案。在LabVIEW环境下，这种整合使开发者可以采用相同的方法来处理多种通信方式，简化了编程复杂性，提高了开发效率。

### 6.2.2 创新应用场景下的LabVIEW通信解决方案

NI-VISA与LabVIEW的结合不仅限于传统的数据采集与设备控制，还扩展到了移动平台、云计算、大数据分析等创新场景。例如，将NI-VISA集成到LabVIEW的网络功能中，可以实现远程设备监控和控制，让LabVIEW应用程序能够处理来自互联网的设备数据。此外，利用LabVIEW进行数据处理和分析，结合NI-VISA的强大通信能力，可以创建出更加智能化、自动化的系统解决方案。

在这一章节中，我们探索了NI-VISA与LabVIEW的未来发展可能，并且讨论了技术进步如何影响串口通信以及如何在更广泛的通信协议中发挥其作用。尽管LabVIEW和NI-VISA在当前已经是成熟的技术，但它们仍在不断进化以满足新的挑战和需求。展望未来，这两者结合将继续为数据采集、设备控制和系统集成等领域带来革命性的创新。