一種嵌入式便攜數據采集分析儀

引言

對旋轉機械的多點(diǎn)振動(dòng)測試實(shí)踐中，需要使用多種儀器，如示波器、動(dòng)平衡儀、振動(dòng)分析儀等。隨著(zhù)測試技術(shù)的進(jìn)步，虛擬儀器的出現將其合而為一，大大簡(jiǎn)化了復雜的測試工作。虛擬儀器的概念是使用計算機對被測信號進(jìn)行數據采集，并對采集到的數據序列進(jìn)行分析和顯示的全過(guò)程。按照虛擬儀器概念搭建的儀器需要三部分：計算機、數據采集硬件和分析軟件。數據采集硬件一般由A/D板卡實(shí)現。然而計算機的進(jìn)步和總線(xiàn)的變化使曾經(jīng)可行的測量結構和分析程序在新的總線(xiàn)、操作系統上不能正常工作。各個(gè)廠(chǎng)家的A/D板卡一般只具有簡(jiǎn)單的采樣觸發(fā)方式；硬件和windows底層源代碼的保密性又扼殺了用戶(hù)自行開(kāi)發(fā)新的采樣觸發(fā)方式的可能性。PC機體積過(guò)大不便移動(dòng)工作；筆記本電腦雖便攜，內部幾乎沒(méi)有插入板卡的空間，接口性能也嬌氣。這些不足又為測試工作帶來(lái)了新的不便。

近年來(lái)嵌入式技術(shù)發(fā)展很快，使用單片機控制的數據采集系統方興未艾。但由于單片機性能的限制，采樣速率有限，存儲空間很小，不能滿(mǎn)足高速大容量采樣的需求，更不可能使儀器運行分析軟件，擺脫電腦獨立工作。

ARM系列微處理器功耗低且性能大大高于單片機，使在嵌入式系統上實(shí)現虛擬儀器成為可能。本文基于A(yíng)RM7TDMI設計的嵌入式數據采集分析儀實(shí)現了上述目的。

硬件結構和工作原理

儀器的硬件結構及工作原理圖如圖1所示。處理器選用三星（samsung）公司的s3c44b0x替代51單片機，在保持微小功耗的前提下獲得了更高的運行頻率和更強大的數據處理能力。其ARM7TDMI內核應用改進(jìn)的RISC設計思想來(lái)獲得更好的功耗性能比，具有0.06mW/MHz的低功耗，保證儀器可以在電池供電條件下工作較長(cháng)時(shí)間。ARM7的三級指令流水線(xiàn)提供0.97MIPS/MHz的指令效率，接近每周期執行一條指令。

圖1 硬件結構及工作原理圖

S3c44b0x外接10MHz的晶體振蕩器，通過(guò)內部的PLL倍頻，運行在64MHz的主頻下。這樣的主頻比一般單片機高了5~10倍，保證處理器在控制高速A/D進(jìn)行數據采集的同時(shí)，還能提供額外運算時(shí)間來(lái)分析數據。除ARM7TDMI內核外，s3c44b0x還提供PWM計數器、UART、DMA、 8通道10位精度A/D變換器等外圍設備。

存儲器方面，系統配置了8Mbyte的SDRAM和16Mbyte的FLASH。大容量的SDRAM提供了充足的程序運行空間和采集數據緩存。FLASH 一部分用作系統的啟動(dòng)存儲器；一部分存儲采集到的數據，即使掉電也不會(huì )丟失。存儲器通過(guò)16位數據線(xiàn)、地址線(xiàn)和片選線(xiàn)與處理器連接。S3c44b0x提供八個(gè)存儲器片選空間（bank）。

A/D變換器是數據采集的關(guān)鍵部件。儀器擁有兩個(gè)A/D變換器。一個(gè)是s3c4bb0x內部的A/D變換器，具有10位精度，8通道和單通道最高 100kSps的速度。另一個(gè)是AD公司的AD7859芯片，具有12位精度，8通道和單通道最高200kSps的速度，自帶采樣保持器。AD7859通過(guò)16位數據線(xiàn)、地址線(xiàn)和片選線(xiàn)連接到處理器，占用一個(gè)存儲器bank。處理器以訪(fǎng)問(wèn)存儲器的方式訪(fǎng)問(wèn)AD7859，也可以使用處理器的DMA控制數據傳輸。AD7859的觸發(fā)端通過(guò)一個(gè)多路開(kāi)關(guān)分別連接了儀器外時(shí)鐘輸入端和處理器的計數器輸出端，以實(shí)現多種觸發(fā)方式。此外，處理器還可以通過(guò)數據線(xiàn)傳送命令的方式觸發(fā)AD7859進(jìn)行采樣。

USB控制器是數據傳輸的主要部件。本儀器選用Philips公司的PDIUSBD12芯片，符合USB1.1標準，數據傳輸速度達到12Mbps。 PDIUSBD12作為下位機通過(guò)8位數據線(xiàn)、地址線(xiàn)和片選線(xiàn)連接到s3c44b0x，占用一個(gè)存儲器bank。PDIUSBD12的INT_N管腳連接到s3c44b0x的EINT2管腳，通過(guò)中斷方式通知處理器處理USB上位機的呼叫。PDIUSBD12的硬件連接電路原理圖如圖2所示。

圖2 PDIUSBD12硬件連接原理圖

儀器的人機交互界面由一塊320×240的高分辨率單色液晶顯示器和一塊4×4鍵盤(pán)組成。液晶顯示器模塊以8位數據線(xiàn)、地址和片選連接到s3c44b0x，占用一個(gè)存儲器bank。

軟件系統

軟件系統主要包括初始化程序、操作系統、采樣觸發(fā)程序、USB固件和應用軟件5個(gè)部分。

初始化程序

初始化程序是針對s3c44b0x使用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的。在將控制權交給操作系統前，初始化最基本的硬件設備。主要工作是配置SDRAM并將操作系統代碼從FLASH拷貝到SDRAM中。這一部分的主要代碼如下：

ResetHandler：

ldrr0，=WTCON；//watchdogdisable

ldrr1，=0x0

strr1，[r0]

mrsr0，cpsr；//disableinterrupt

orrr0，r0，#0xc0

msrcpsr，r0

/*Setclockcontrolregisters*/

ldrr0，=LOCKTIME

ldrr1，=2000； //count=t_lock*Fin

strr1，[r0]

ldrr0，=PLLCON

ldrr1，=0xf8033； //MCLK=64MHz

strr1，[r0]

ldrr0，=CLKCON

ldrr1，=0x7ff8； //AllunitblockCLKenable

strr1，[r0]

；/*Setmemorycontrollerregisters，initializeSDRAM*/

ldrr1，=0x11110002；//BWSCON

ldrr2，=0X600； //GCS0FLASHROM

ldrr3，=0X7FFC； //GCS1LCDCONTROLLER

ldrr4，=0X7FFC； //GCS2

ldrr5，=0X7FFC； //GCS3

ldrr6，=0X7FFC； //GCS4

ldrr7，=0X7FFC； //GCS5

ldrr8，=0X18000； //GCS6SDRAM

ldrr9，=0X18000； //GCS7SDRAM

ldrr10，=0x820419； //REFRESH

ldrr11，=0x16； //BankSize

ldrr12，=0x20； //MRSR6

ldrr13，=0x20； //MRSR7

ldrr0，=0x01c80000； //BWSCONAddress

stmiar0，{r1-r13}

；/*Copyentireprogramsto0x0c008000atSDRAM*/

ldrr0，=0x0；//startaddressoftheflashrom

ldrr1，=0xc008000； //targetaddressintheSDRAM

ldrr2，=0x128e0； //thenumberofbytesneedtocopy