一種基于便攜式PC的數據采集系統

1 引言

20世紀80年代，由于個(gè)人計算機的應用，出現了以個(gè)人計算機為基礎的卡式儀器(Personal Computer Card Instrument簡(jiǎn)稱(chēng)PCCI)，也稱(chēng)為個(gè)人儀器(Personal Computer)或PC儀器(PCI)，它將傳統的獨立儀器與個(gè)人計算機的軟硬件資源融為一體，以較高的性能價(jià)格比、較強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)設計的高潮。隨著(zhù)計算機技術(shù)發(fā)展和便攜式電腦的出現，國內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(dòng)測試提供了很大的方便。

本文設計了一種基于TI公司的DSP 芯片320LF- 2407A的數據采集系統，它可通過(guò)串口RS232與便攜式PC實(shí)現實(shí)時(shí)通訊，通過(guò)開(kāi)發(fā)基于便攜式PC機(筆記本電腦)的專(zhuān)用軟件系統(基于Lab Windows/CVI 6.0)，可對采得的數據進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并以圖、表、文字等多種形式

給出測量結果，采樣和處理得出的數據還可自動(dòng)存儲到文本文件中，便于查詢(xún)，從而避免了由于意外而造成的實(shí)驗失敗，同時(shí)替代了價(jià)格昂貴的磁帶記錄儀和數字處理專(zhuān)用機。

2 數據采集系統設計

2.1 數據采集模塊總體設計

數據采集硬件，由TI公司的DSP芯片320LF2407A，通過(guò)兩個(gè)信號調理電路，完成對兩個(gè)加速度傳感器ADXL105傳輸信號的調理，去掉 ADXL105的輸出中由于供電電源帶來(lái)的低頻噪聲，DSP2407完成A/D轉換之后，通過(guò)串口實(shí)現與筆記本電腦的數據傳輸。

數據采集模塊的硬件設計包括電源板、控制板設計。其硬件構成框圖見(jiàn)圖1所示?？刂瓢宀捎肈SP芯片作為系統的主控制器，完成信號采樣、數據處理及輸出控制與監測等功能，包括時(shí)鐘電路、復位電路、報警電路、仿真接口電路、信號調理電路、隔離保護電路等外圍電路。

圖1 控制板硬件結構

DSP芯片通過(guò)串口RS-232與上位機便攜式PC進(jìn)行通訊，加速度傳感器的信號經(jīng)過(guò)A/D轉換之后，通過(guò)串口，傳輸到便攜式PC上，通過(guò)測試軟件，完成對振動(dòng)信號的各種分析。

DSP2407基本電路主要設計包括時(shí)鐘電路、復位電路及外擴存儲器的設計。DSP2407的時(shí)鐘頻率是決定CPU運行時(shí)序和速度的重要性能指標。為了獲取較高的運算速度，我們采用了15MHz晶振，與XTAL1和XTAL2構成一個(gè)具有感抗特性的晶體振蕩器。二倍頻后為系統提供30MHZ時(shí)鐘頻率的內部時(shí)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(guò)TI320LF2407的管腳(MP/MC)來(lái)實(shí)現的。所謂微處理器模式是指DSP只作為處理單元來(lái)使用，和其它的處理單元一起組成系統。而微控制器模式可以用DSP構成單獨的系統，DSP在系統中不僅作為處理單元，也作為整個(gè)系統的核心部分起到控制整體的作用。設計中把TI320LF2407設置為微控制器模式。

存儲器分程序存儲器和數據存儲器兩部分，選用高速存儲器以簡(jiǎn)化電路。外擴ROM以及可編程邏輯器件GAL16V8用于在控制板上進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真調試，實(shí)現程序下載后不再使用外擴ROM。圖2給出了DSP2407基本電路設計的原理圖。

圖2 DSP基本系統電路

2.2 信號調理電路設計

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

信號(X方向)，經(jīng)過(guò)變換，所得的信號，經(jīng)過(guò)如圖3所示的信號調理電路的箝位、濾波、調制，輸入到 DSP的模數轉換通道，通過(guò)DSP內部的AD轉換，DSP就能獲取相應的電壓信號值。

2.3 數據采集模塊與上位機的通信設計

由于上位機的筆記本電腦帶有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機之間的異步通信。兩個(gè)加速度傳感器ADXL105的信號，傳輸到DSP上，A/D轉換完成后，DSP通過(guò)串口通信，與筆記本電腦進(jìn)行數據傳輸。安裝在筆記本電腦上的測試軟件通過(guò)對串口的操作，實(shí)現數據從DSP硬件到文本文檔的存貯。

DSP的串口電路的設計見(jiàn)圖4，該電路采用符合RS-232標準的驅動(dòng)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(gè)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(gè)接口電路簡(jiǎn)單，可靠性高。

圖3 串口通訊電路

在本文中的測試系統中，DSP與上位機的通信程序，采用中斷方式接受數據并置軟件發(fā)送標志，在主程序中查詢(xún)標志位，判斷上位機是否需要上位機上傳數據或DSP主動(dòng)上傳數據。

2.4 數據采集模塊軟件實(shí)現

為了便于軟件的編寫(xiě)和調試、控制算法的改變和分析使用，軟件采用了模塊化結構。系統軟件由主程序、子程序、中斷服務(wù)程序組成。與硬件設計相對應，系統的軟件共分兩大部分，一部分是主程序控制模塊，它是系統的監控程序，是整個(gè)軟件的基礎，定義了系統的工作方式及流程，完成對系統資源的管理，直接面對系統的硬件，以中斷方式工作;另一部分是硬件電路所要能實(shí)現的各功能模塊，該部分是整個(gè)軟件的主體，主要實(shí)現X方向以及Z方向的振動(dòng)的數據采集，同時(shí)根據這些參數依據控制算法完成數據處理，并當符合報警條件時(shí)能夠發(fā)出報警信號。

2.5 硬件電路調試

為了驗證硬件的可行性，需要對其進(jìn)行測試。首先對信號調理電路、DSP控制器分別進(jìn)行了簡(jiǎn)單測試，同時(shí)軟件調試使用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(shí)驗板(控制板)之間連接正確情況下，對實(shí)驗板(控制板)實(shí)現聯(lián)調。

3 測試系統數據采集與處理軟件

便攜式PC機上的軟件Lab Windows/CVI，具有用戶(hù)界面簡(jiǎn)潔明了，數據采集軟件操作簡(jiǎn)單及數據處理軟件功能強大的優(yōu)點(diǎn)。軟件在Windows操作系統下運行，打開(kāi)可執行文件之后，在便攜式PC機上，顯示出用戶(hù)操作界面，用戶(hù)要進(jìn)行各種數據分析，只需要點(diǎn)擊相應的按鈕即可。軟件上不僅顯示了試驗的實(shí)時(shí)數據，還可以進(jìn)行數據回放。數據的接受，存儲，只需要進(jìn)行響應的按鈕和菜單操作即可，操作十分簡(jiǎn)單。GUI(圖形用戶(hù)界面)見(jiàn)圖5。

圖5 數據采集與分析軟件

4 結束語(yǔ)

本文主要設計了由TI公司的DSP芯片320LF2407A構成的數據采集模塊，加速度傳感器ADXL105能夠實(shí)現在水平方向和在垂直方向的兩路振動(dòng)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(guò)信號調理電路調制，完成A/D轉換之后，通過(guò)串口和便攜式PC實(shí)時(shí)通訊。