一種基于便攜式PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1 引言

20世紀(jì)80年代，由于個人計算機(jī)的應(yīng)用，出現(xiàn)了以個人計算機(jī)為基礎(chǔ)的卡式儀器(Personal Computer Card Instrument簡稱PCCI)，也稱為個人儀器(Personal Computer)或PC儀器(PCI)，它將傳統(tǒng)的獨(dú)立儀器與個人計算機(jī)的軟硬件資源融為一體，以較高的性能價格比、較強(qiáng)的靈活性以及菜單式操作的方便性等突出特色進(jìn)入測量測試領(lǐng)域，使儀器領(lǐng)域掀起了一次改進(jìn)設(shè)計的高潮。隨著計算機(jī)技術(shù)發(fā)展和便攜式電腦的出現(xiàn)，國內(nèi)外相繼推出了基于筆記本電腦的便攜式測試儀器，這是虛擬儀器的新發(fā)展，它除了具有卡式儀器的所有功能之外，為野外操作和自動測試提供了很大的方便。

本文設(shè)計了一種基于TI公司的DSP 芯片320LF- 2407A的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它可通過串口RS232與便攜式PC實現(xiàn)實時通訊，通過開發(fā)基于便攜式PC機(jī)(筆記本電腦)的專用軟件系統(tǒng)(基于Lab Windows/CVI 6.0)，可對采得的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理，并以圖、表、文字等多種形式

給出測量結(jié)果，采樣和處理得出的數(shù)據(jù)還可自動存儲到文本文件中，便于查詢，從而避免了由于意外而造成的實驗失敗，同時替代了價格昂貴的磁帶記錄儀和數(shù)字處理專用機(jī)。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊總體設(shè)計

數(shù)據(jù)采集硬件，由TI公司的DSP芯片320LF2407A，通過兩個信號調(diào)理電路，完成對兩個加速度傳感器ADXL105傳輸信號的調(diào)理，去掉 ADXL105的輸出中由于供電電源帶來的低頻噪聲，DSP2407完成A/D轉(zhuǎn)換之后，通過串口實現(xiàn)與筆記本電腦的數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)采集模塊的硬件設(shè)計包括電源板、控制板設(shè)計。其硬件構(gòu)成框圖見圖1所示?？刂瓢宀捎肈SP芯片作為系統(tǒng)的主控制器，完成信號采樣、數(shù)據(jù)處理及輸出控制與監(jiān)測等功能，包括時鐘電路、復(fù)位電路、報警電路、仿真接口電路、信號調(diào)理電路、隔離保護(hù)電路等外圍電路。

圖1 控制板硬件結(jié)構(gòu)

DSP芯片通過串口RS-232與上位機(jī)便攜式PC進(jìn)行通訊，加速度傳感器的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換之后，通過串口，傳輸?shù)奖銛y式PC上，通過測試軟件，完成對振動信號的各種分析。

DSP2407基本電路主要設(shè)計包括時鐘電路、復(fù)位電路及外擴(kuò)存儲器的設(shè)計。DSP2407的時鐘頻率是決定CPU運(yùn)行時序和速度的重要性能指標(biāo)。為了獲取較高的運(yùn)算速度，我們采用了15MHz晶振，與XTAL1和XTAL2構(gòu)成一個具有感抗特性的晶體振蕩器。二倍頻后為系統(tǒng)提供30MHZ時鐘頻率的內(nèi)部時鐘電路。

TI320LF2407有兩種工作方式:微處理器模式(MP)和微控制器模式(MC)。模式的選擇是通過TI320LF2407的管腳(MP/MC)來實現(xiàn)的。所謂微處理器模式是指DSP只作為處理單元來使用，和其它的處理單元一起組成系統(tǒng)。而微控制器模式可以用DSP構(gòu)成單獨(dú)的系統(tǒng)，DSP在系統(tǒng)中不僅作為處理單元，也作為整個系統(tǒng)的核心部分起到控制整體的作用。設(shè)計中把TI320LF2407設(shè)置為微控制器模式。

存儲器分程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器兩部分，選用高速存儲器以簡化電路。外擴(kuò)ROM以及可編程邏輯器件GAL16V8用于在控制板上進(jìn)行實時仿真調(diào)試，實現(xiàn)程序下載后不再使用外擴(kuò)ROM。圖2給出了DSP2407基本電路設(shè)計的原理圖。

圖2 DSP基本系統(tǒng)電路

2.2 信號調(diào)理電路設(shè)計

通過信號調(diào)理電路對采樣信號進(jìn)行調(diào)制，然后輸入到DSP控制器中。在這里采用了單向信號調(diào)理電路。在系統(tǒng)中，使用了兩個AD公司的加速度傳感器 ADXL105，分別采集振動信號(Z方向)以及振動

信號(X方向)，經(jīng)過變換，所得的信號，經(jīng)過如圖3所示的信號調(diào)理電路的箝位、濾波、調(diào)制，輸入到 DSP的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，通過DSP內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換，DSP就能獲取相應(yīng)的電壓信號值。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊與上位機(jī)的通信設(shè)計

由于上位機(jī)的筆記本電腦帶有RS-232接口，TI320LF2407的串行通信接口與RS-232串行口進(jìn)行DSP與便攜式PC機(jī)之間的異步通信。兩個加速度傳感器ADXL105的信號，傳輸?shù)紻SP上，A/D轉(zhuǎn)換完成后，DSP通過串口通信，與筆記本電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。安裝在筆記本電腦上的測試軟件通過對串口的操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)從DSP硬件到文本文檔的存貯。

DSP的串口電路的設(shè)計見圖4，該電路采用符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動芯片 MAX232，進(jìn)行串行通信。MAX232芯片的功耗低、集成度高，+5V電壓供電，具有兩個接受和發(fā)送通道。由于TI320LF2407采用+3.3V 供電，所以在MAX232與TI320LF2407之間加了電平匹配電路。整個接口電路簡單，可靠性高。

圖3 串口通訊電路

在本文中的測試系統(tǒng)中，DSP與上位機(jī)的通信程序，采用中斷方式接受數(shù)據(jù)并置軟件發(fā)送標(biāo)志，在主程序中查詢標(biāo)志位，判斷上位機(jī)是否需要上位機(jī)上傳數(shù)據(jù)或DSP主動上傳數(shù)據(jù)。

2.4 數(shù)據(jù)采集模塊軟件實現(xiàn)

為了便于軟件的編寫和調(diào)試、控制算法的改變和分析使用，軟件采用了模塊化結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)軟件由主程序、子程序、中斷服務(wù)程序組成。與硬件設(shè)計相對應(yīng)，系統(tǒng)的軟件共分兩大部分，一部分是主程序控制模塊，它是系統(tǒng)的監(jiān)控程序，是整個軟件的基礎(chǔ)，定義了系統(tǒng)的工作方式及流程，完成對系統(tǒng)資源的管理，直接面對系統(tǒng)的硬件，以中斷方式工作;另一部分是硬件電路所要能實現(xiàn)的各功能模塊，該部分是整個軟件的主體，主要實現(xiàn)X方向以及Z方向的振動的數(shù)據(jù)采集，同時根據(jù)這些參數(shù)依據(jù)控制算法完成數(shù)據(jù)處理，并當(dāng)符合報警條件時能夠發(fā)出報警信號。

2.5 硬件電路調(diào)試

為了驗證硬件的可行性，需要對其進(jìn)行測試。首先對信號調(diào)理電路、DSP控制器分別進(jìn)行了簡單測試，同時軟件調(diào)試使用C24xXDS510硬件仿真器，在 CCC2000程序仿真環(huán)境中進(jìn)行。在保證仿真器與實驗板(控制板)之間連接正確情況下，對實驗板(控制板)實現(xiàn)聯(lián)調(diào)。

3 測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理軟件

便攜式PC機(jī)上的軟件Lab Windows/CVI，具有用戶界面簡潔明了，數(shù)據(jù)采集軟件操作簡單及數(shù)據(jù)處理軟件功能強(qiáng)大的優(yōu)點。軟件在Windows操作系統(tǒng)下運(yùn)行，打開可執(zhí)行文件之后，在便攜式PC機(jī)上，顯示出用戶操作界面，用戶要進(jìn)行各種數(shù)據(jù)分析，只需要點擊相應(yīng)的按鈕即可。軟件上不僅顯示了試驗的實時數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)回放。數(shù)據(jù)的接受，存儲，只需要進(jìn)行響應(yīng)的按鈕和菜單操作即可，操作十分簡單。GUI(圖形用戶界面)見圖5。

圖5 數(shù)據(jù)采集與分析軟件

4 結(jié)束語

本文主要設(shè)計了由TI公司的DSP芯片320LF2407A構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集模塊，加速度傳感器ADXL105能夠?qū)崿F(xiàn)在水平方向和在垂直方向的兩路振動信號的采集。DSP芯片能夠順利的把加速度傳感器的輸出信號，通過信號調(diào)理電路調(diào)制，完成A/D轉(zhuǎn)換之后，通過串口和便攜式PC實時通訊。