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1 引言 20世紀80年代，由于個人計算機的應用，出現了以個人計算機為基礎的卡式儀器(Personal Computer Card Instrument簡稱PCCI)，也稱為個人儀器(Personal Computer)或PC儀器(PCI)，它將傳統的獨立儀器與個人計算機的軟硬件資源融為一體，以較高的性能價格比、較強的靈活性以及菜單式操作的方便性等突出特色進入測量測試領域，使儀器領域掀起了一次改進設計的高潮。隨著計算機技術發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，它可通過串口RS232與便攜式PC實現實時通訊，通過開發基于便攜式PC機(筆記本電腦)的專用軟件系統(基于Lab Windows/CVI 6.0)，可對采得的數據進行實時處理，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字處理專用機。 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，通過兩個信號調理電路，完成對兩個加速度傳感器ADXL105傳輸信號的調理，去掉 ADXL105的輸出中由于供電電源帶來的低頻噪聲，DSP2407完成A/D轉換之后，通過串口實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。其硬件構成框圖見圖1所示。控制板采用DSP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芯片通過串口RS-232與上位機便攜式PC進行通訊，加速度傳感器的信號經過A/D轉換之后，通過串口，傳輸到便攜式PC上，通過測試軟件，完成對振動信號的各種分析。 DSP2407基本電路主要設計包括時鐘電路、復位電路及外擴存儲器的設計。DSP2407的時鐘頻率是決定CPU運行時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構成一個具有感抗特性的晶體振蕩器。二倍頻后為系統提供30MHZ時鐘頻率的內部時鐘電路。 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。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化電路。外擴ROM以及可編程邏輯器件GAL16V8用于在控制板上進行實時仿真調試，實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 通過信號調理電路對采樣信號進行調制，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)，經過變換，所得的信號，經過如圖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串行口進行DSP與便攜式PC機之間的異步通信。兩個加速度傳感器ADXL105的信號，傳輸到DSP上，A/D轉換完成后，DSP通過串口通信，與筆記本電腦進行數據傳輸。安裝在筆記本電腦上的測試軟件通過對串口的操作，實現數據從DSP硬件到文本文檔的存貯。 DSP的串口電路的設計見圖4，該電路采用符合RS－232標準的驅動芯片 MAX232，進行串行通信。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送標志，在主程序中查詢標志位，判斷上位機是否需要上位機上傳數據或DSP主動上傳數據。 2.4 數據采集模塊軟件實現 為了便于軟件的編寫和調試、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現的各功能模塊，該部分是整個軟件的主體，主要實現X方向以及Z方向的振動的數據采集，同時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能夠發出報警信號。 2.5 硬件電路調試 為了驗證硬件的可行性，需要對其進行測試。首先對信號調理電路、DSP控制器分別進行了簡單測試，同時軟件調試使用C24xXDS510硬件仿真器，在 “CC’C2000”程序仿真環境中進行。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)實現聯調。 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，具有用戶界面簡潔明了，數據采集軟件操作簡單及數據處理軟件功能強大的優點。軟件在Windows操作系統下運行，打開可執行文件之后，在便攜式PC機上，顯示出用戶操作界面，用戶要進行各種數據分析，只需要點擊相應的按鈕即可。軟件上不僅顯示了試驗的實時數據，還可以進行數據回放。數據的接受，存儲，只需要進行響應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 數據采集與分析軟件 4 結束語 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能夠實現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，通過信號調理電路調制，完成A/D轉換之后，通過串口和便攜式PC實時通訊。 |
