一種嵌入式便攜數據采集分析儀

USB固件

儀器上的USB驅動(dòng)程序也稱(chēng)為USB固件。儀器連接到上位機后，PDIUSBD12響應上位機的信號，并向ARM7發(fā)出中斷請求。ARM7響應中斷并調用固件中的程序處理上位機的請求，發(fā)送數據。數據從SDRAM或FLASH傳輸到PDIUSBD12，由后者發(fā)送給上位機。數據傳輸采用bulk方式以保證準確性。實(shí)際傳輸實(shí)驗表明，傳輸速度達到1Mbytes。

應用軟件

數據分析軟件是本儀器應用軟件的主要部分。目前已開(kāi)發(fā)出的數據分析軟件是示波器功能軟件。本儀器在采集數據的同時(shí)可以由大屏幕液晶顯示器進(jìn)行波形示蹤。這個(gè)功能的實(shí)現充分體現了ARM7比單片機運算速度快的優(yōu)勢。A/D的最高采樣速率是200ksps，即每個(gè)采樣周期為5ηs。ARM7運行在64MHz主頻下，每個(gè)周期為15.625ns。這樣每個(gè)采樣周期包括320個(gè)主頻周期。ARM7具有0.97MIPSMHz的指令效率，320個(gè)主頻周期可以運行約 310條的指令。在計數器觸發(fā)A/D采樣的情況下，處理器的工作是每采樣周期從A/D讀取一次數據并保存到RAM中，代碼如下：

LDRr0，[r1]；/*寄存器r1中保存了A/D數據寄存器的地址；需要3周期*/

STRr0，[r2，#4]!；/*寄存器r2中保存了RAM中數據存儲空間的起始地址；需要2周期*/

這個(gè)操作需要5個(gè)主頻周期。利用剩余的A/D轉換時(shí)間，ARM7就可以將上一次采集的數據顯示在大屏幕液晶上，實(shí)現波形示蹤，方便使用者進(jìn)行現場(chǎng)信號觀(guān)察，省去了攜帶示波器的麻煩。這是其他的數據采集儀所不具備的。

充分利用ARM7高性能的優(yōu)勢，還可以進(jìn)行其他數據分析處理。目前其他數據處理功能正在開(kāi)發(fā)中。μC/OS-II操作系統大部分用C語(yǔ)言編寫(xiě)，開(kāi)發(fā)方便。除儀器自帶的軟件模塊外，用戶(hù)可以自己開(kāi)發(fā)新的模塊，不斷擴展功能。

實(shí)驗數據

按照上述思路設計的嵌入式數據采集分析儀已經(jīng)初步實(shí)現。使用s3c44b0x內置A/D變換器進(jìn)行實(shí)驗。選擇內觸發(fā)方式和倍頻觸發(fā)方式分別采集714Hz三角波。內觸發(fā)方式選擇最高采樣頻率fs=100kHz，采樣長(cháng)度為512點(diǎn)；倍頻觸發(fā)模式選擇32倍頻（N=32），采集4個(gè)周期（M=4）；各采樣兩組。將采集到的數據通過(guò)USB傳輸到電腦，用Matlab軟件進(jìn)行數據處理，分別繪制波形圖；進(jìn)行FFT后繪制幅頻圖。結果如圖4所示。

從圖4中各圖可以看出由本儀器采集的數據繪制的波形平滑沒(méi)有雜波，說(shuō)明儀器實(shí)現了其性能指標。

圖4 對三角波的采樣對比分析圖

對比圖4中各圖可以看出這兩種觸發(fā)方式的幾點(diǎn)區別：

（1）圖4a和圖4c中兩個(gè)波形存在相位差異；而圖4e和圖4g的相位是相同的。這說(shuō)明內觸發(fā)采樣開(kāi)始和結束的時(shí)間是隨機的；而倍頻觸發(fā)采樣的起點(diǎn)（開(kāi)始于外觸發(fā)）和終點(diǎn)（結束于整周期末尾），都是相對固定的。

（2）圖4a和圖4c的波形都不是整周期的；圖4e和圖4g的波形都是整4個(gè)周期。

（3）反映在各自的FFT幅頻圖上：圖4b和圖4d都有明顯的泄漏效應和柵欄效應，最大旁瓣幅值為一倍頻幅值的5.75%；圖4f和圖4h都是干凈的三角波n次諧波分量的譜線(xiàn)，最大旁瓣幅值僅為一倍頻幅值的1.09%。上述現象說(shuō)明倍頻觸發(fā)方式能保證采樣數據序列的整周期截斷，保證采樣頻率是待測信號基頻的整數倍，有利于提高FFT信號分析的準確性；內觸發(fā)采樣則由于其采樣頻率和截斷長(cháng)度的人為性，以及開(kāi)始和結束的隨機性，不具備這個(gè)特點(diǎn)。要得到好的 FFT結果，或者修改采樣頻率和截斷長(cháng)度，或者加特種窗函數，給測試過(guò)程帶來(lái)許多麻煩。

每一種被測信號均有不同的特性。選擇合適的觸發(fā)方式可以過(guò)濾無(wú)用的信號，獲得更多有用的信號。例如進(jìn)行旋轉機械振動(dòng)測試時(shí)選用本儀器提供的倍頻觸發(fā)方式就可以獲得適合進(jìn)行FFT的整周期信號，利于后續分析；其他的觸發(fā)方式就顯得不適合。而采集激勵振動(dòng)信號就需要選用電平觸發(fā)方式，以準確獲得從激勵開(kāi)始的信號。作為儀器設計者，應當多進(jìn)行各種測試實(shí)踐，了解各種測試的實(shí)際需要，不斷豐富儀器的采樣觸發(fā)方式，以適應不同測試環(huán)境的需要。