|
1 引言 20世紀(jì)80年代，由于個(gè)人計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，出現(xiàn)了以個(gè)人計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的卡式儀器(Personal Computer Card Instrument簡稱PCCI)，也稱為個(gè)人儀器(Personal Computer)或PC儀器(PCI)，它將傳統(tǒng)的獨(dú)立儀器與個(gè)人計(jì)算機(jī)的軟硬件資源融為一體，以較高的性能價(jià)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(cè)量測(cè)試領(lǐng)域，使儀器領(lǐng)域掀起了一次改進(jìn)設(shè)計(jì)的高潮。隨著計(jì)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(cè)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(cè)試提供了很大的方便。 本文設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(duì)采得的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并以圖、表、文字等多種形式 給出測(cè)量結(jié)果，采樣和處理得出的數(shù)據(jù)還可自動(dòng)存儲(chǔ)到文本文件中，便于查詢，從而避免了由于意外而造成的實(shí)驗(yàn)失敗，同時(shí)替代了價(jià)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(jì) 2.1 數(shù)據(jù)采集模塊總體設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集硬件，由TI公司的DSP芯片320LF2407A，通過兩個(gè)信號(hào)調(diào)理電路，完成對(duì)兩個(gè)加速度傳感器ADXL105傳輸信號(hào)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(shí)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(jì)包括電源板、控制板設(shè)計(jì)。其硬件構(gòu)成框圖見圖1所示。控制板采用DSP芯片作為系統(tǒng)的主控制器，完成信號(hào)采樣、數(shù)據(jù)處理及輸出控制與監(jiān)測(cè)等功能，包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、報(bào)警電路、仿真接口電路、信號(hào)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(hào)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(cè)試軟件，完成對(duì)振動(dòng)信號(hào)的各種分析。 DSP2407基本電路主要設(shè)計(jì)包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路及外擴(kuò)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)。DSP2407的時(shí)鐘頻率是決定CPU運(yùn)行時(shí)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(gè)具有感抗特性的晶體振蕩器。二倍頻后為系統(tǒng)提供30MHZ時(shí)鐘頻率的內(nèi)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TI320LF2407的管腳(MP/MC)來實(shí)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(gè)系統(tǒng)的核心部分起到控制整體的作用。設(shè)計(jì)中把TI320LF2407設(shè)置為微控制器模式。 存儲(chǔ)器分程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器兩部分，選用高速存儲(chǔ)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(shí)時(shí)仿真調(diào)試，實(shí)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(jì)的原理圖。 圖2 DSP基本系統(tǒng)電路 2.2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì) 通過信號(hào)調(diào)理電路對(duì)采樣信號(hào)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(hào)調(diào)理電路。在系統(tǒng)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(hào)(Z方向)以及振動(dòng)信號(hào)(X方向)，經(jīng)過變換，所得的信號(hào)，經(jīng)過如圖3所示的信號(hào)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(hào)值。 2.3 數(shù)據(jù)采集模塊與上位機(jī)的通信設(shè)計(jì) 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(gè)加速度傳感器ADXL105的信號(hào)，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(cè)試軟件通過對(duì)串口的操作，實(shí)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(jì)見圖4，該電路采用符合RS－232標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)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)接口電路簡單，可靠性高。 圖3 串口通訊電路 在本文中的測(cè)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(dòng)上傳數(shù)據(jù)。 2.4 數(shù)據(jù)采集模塊軟件實(shí)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(jì)相對(duì)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(gè)軟件的基礎(chǔ)，定義了系統(tǒng)的工作方式及流程，完成對(duì)系統(tǒng)資源的管理，直接面對(duì)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(shí)現(xiàn)的各功能模塊，該部分是整個(gè)軟件的主體，主要實(shí)現(xiàn)X方向以及Z方向的振動(dòng)的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)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(bào)警條件時(shí)能夠發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 2.5 硬件電路調(diào)試 為了驗(yàn)證硬件的可行性，需要對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。首先對(duì)信號(hào)調(diào)理電路、DSP控制器分別進(jìn)行了簡單測(cè)試，同時(shí)軟件調(diào)試使用C24xXDS510硬件仿真器，在 “CC’C2000”程序仿真環(huán)境中進(jìn)行。在保證仿真器與實(shí)驗(yàn)板(控制板)之間連接正確情況下，對(duì)實(shí)驗(yàn)板(控制板)實(shí)現(xiàn)聯(lián)調(diào)。 3 測(cè)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(diǎn)。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(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕即可。軟件上不僅顯示了試驗(yàn)的實(shí)時(shí)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(chǔ)，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(jì)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(dòng)信號(hào)的采集。DSP芯片能夠順利的把加速度傳感器的輸出信號(hào)，通過信號(hào)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(shí)時(shí)通訊。 |
