串口數(shù)據(jù)采集與處理虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計

為解決TI公司提供的數(shù)據(jù)采集卡的成本過高問題，設(shè)計一套代替NI采集卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。前端采集下位機硬件部分為基于LPC2378處理器的數(shù)據(jù)采集電路板，采用雙緩存技術(shù)存儲數(shù)據(jù)；上位機軟件部分用Labview8．5虛擬儀器設(shè)計平臺編寫，采用循環(huán)和事件結(jié)構(gòu)，界面友好，操作簡便，實現(xiàn)了八通道數(shù)據(jù)的采集與處理。經(jīng)實際運行測試證明，具有數(shù)據(jù)同時采集、實時顯示、存儲與管理、信號處理等功能，保證了數(shù)據(jù)準確性，同時采集設(shè)備的成本下降2～5倍。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是近幾年國際研究的熱點問題，而數(shù)據(jù)采集又是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能*估、應(yīng)用的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。在數(shù)據(jù)采集過程中應(yīng)用虛擬儀器可以盡可能地縮短數(shù)據(jù)采集的時間，同時降低實驗成本，因此虛擬儀器在測控領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備都是，TI公司的數(shù)據(jù)采集卡，成本高且維修不便。本系統(tǒng)下位機采用NXP公司LPC2378為依托的數(shù)據(jù)采集電路板，上位機操作系統(tǒng)基于La-bview8．5編寫，通過串口通信實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時采集，可以對采集信號進行處理分析并顯示。

　　l 系統(tǒng)設(shè)計

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為下位機和上位機2部分，二者通過驅(qū)動程序組成采集系統(tǒng)。下位機是指直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀況的計算機，一般是PLC／單片機之類；上位機是可以直接發(fā)出操控命令的計算機，一般是PC，屏幕上顯示各種信號變化，如圖l所示。圖中程序部分采用Labview來實現(xiàn)。在數(shù)據(jù)采集之前，先對下位機采集板卡進行初始化，其中處理器Buffer是下位機采集存儲的重要環(huán)節(jié)?？梢圆捎猛獠坑|發(fā)(比較精確)，也可采用軟件觸發(fā)(容易實現(xiàn))。由于上位機數(shù)據(jù)處理階段要對采集到的一個周期的數(shù)據(jù)進行處理，所以系統(tǒng)采用軟件觸發(fā)，每個周期采樣l024點。

　　1．1 下位機系統(tǒng)

　　下位機系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集硬件平臺，主要包括采集卡前端設(shè)備即傳感器電路、核心處理器(即算法實現(xiàn)電路)、電源模塊電路和通信模塊電路。

　　1．1．1 采集卡前端設(shè)備

　　前端傳感器采用飛思卡爾MMA7260加速度傳感器。相比于老式線圈式振動傳感器，MEMS傳感器具有量程大、不易溢出、受外界氣候因素影響較小等優(yōu)點。采集原理圖如圖2所示，在采集信號放大之前進行抗混疊濾波，有效濾除了高頻干擾。需要注意的是，探頭需要提供+5 V供電才能穩(wěn)定工作。本系統(tǒng)采集傳感器Z軸數(shù)據(jù)，對探頭安裝位置沒有特殊要求；若要采集X軸數(shù)據(jù)，必須注意探頭X軸方向與地面平行，否則信號會發(fā)生畸變。

　　1．1．2 核心處理器

　　從價格、操作系統(tǒng)、接口類型、內(nèi)存大小等條件考慮，該系統(tǒng)設(shè)計的處理器采用LPC2378，它是一款基于ARM的微處理器，包含10／100 Ethernet MAC、USB 2．0全速接口、4個UART、2路CAN通道、1個SPI接口、2個同步串行端口(SSP)、3個I2C接口、1個I2S接口和MiniBus(8位數(shù)據(jù)／16位地址并行的總線)。工作頻率為72 MHz，ARM局部總線上有32 KB的SRAM，可以進行高性能CPU訪問和簡單的算法實現(xiàn)。

　　1．1．3 電源模塊

　　考慮到MEMS傳感器最佳工作電壓為5 V，所以系統(tǒng)采用ZY2405WHBD-3W型DC-DC變換器，輸入電壓9～36V，輸出電壓為5V。其他部分主要起穩(wěn)壓作用，其電源模塊電路如圖3所示。

　　1．1．4 通信模塊

　　系統(tǒng)采用串口通信。利用處理器內(nèi)部的10位D／A轉(zhuǎn)換器，將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再經(jīng)過調(diào)理電路后送由MiniBus采用RS2-32協(xié)議送達上位機。另外采集板集成了一塊單CAN高速隔離收發(fā)器CTMl050，可以通過網(wǎng)口通信。串口通信需注意的問題是轉(zhuǎn)換電平，數(shù)據(jù)采集端供電電平為+5 V，而處理器能接受的電平是+3．3 V，因此系統(tǒng)采用MAX3221電平轉(zhuǎn)換器，以達到處理器要求。另外系統(tǒng)上位機串口名稱與下位機一定要設(shè)置為同一名稱，否則數(shù)據(jù)不能成功送到上位機，如圖4所示。

　　1．2 上位機系統(tǒng)設(shè)計

　　數(shù)據(jù)流程如圖5所示，數(shù)據(jù)經(jīng)下位機采集處理后，由通信模塊通過串口發(fā)送到上位機，上位機主要包括數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)驗證、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)存儲4部分。

　　1．2．1 數(shù)據(jù)讀取

　　即虛擬儀器設(shè)備串口初始化，包括：串口名稱設(shè)置、超時設(shè)置、波特率設(shè)置、數(shù)據(jù)位設(shè)置、奇偶校驗設(shè)置，等等。本系統(tǒng)采用的設(shè)置為：超時l000 ms；波特率115200；數(shù)據(jù)位為8位；無奇偶校驗；其他采用默認值。

　　1．2．2 數(shù)據(jù)驗證

　　數(shù)據(jù)驗證包括數(shù)據(jù)讀取、判斷是否是有效數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)報頭是否正確。數(shù)據(jù)報頭為8個FE，然后緊跟數(shù)據(jù)包。程序判斷讀取8個FE時開始讀數(shù)并顯示。

　　1．2．3 數(shù)據(jù)處理

　　系統(tǒng)為8通道，一次循環(huán)讀取16位的數(shù)組，將數(shù)組第O個元素作為第1通道的低位，第1個元素作為第l通道的高位……，第15個元素作為第八通道的高位，分別顯示：當(dāng)滿足采樣點位數(shù)時，置位重新讀取數(shù)據(jù)。在顯示之前對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理：去直流、峰值計算、濾波等等，由于Labview程序框圖中有Matlab腳本文件，所以可以和Matlab混合編程，在Labview腳本框中直接寫Matlab代碼。由于程序運行時要調(diào)用Matlab控制臺，所以混合編程要求控制機必須裝載Matlab軟件。

　　1．2．4 數(shù)據(jù)存儲

　　當(dāng)點擊采集數(shù)據(jù)按鈕時，系統(tǒng)提示選擇存儲路徑，并存儲為后綴名為‘.lvm’的二進制測量文件。上位機主程序如圖6所示。

　　2 用戶界面

　　將8個MEMS傳感器并排，然后拍擊桌面的信號波形圖。8個通道可獨立使用，如直接一路傳感器，其他通道數(shù)據(jù)都為0?？墒謩痈拇诿Q、波特率、停止位、奇偶校驗、流控制、傳輸數(shù)據(jù)位和顯示信號線的線性、顏色，界面友好。可根據(jù)需求添加峰值顯示、頻譜顯示，傅里葉變換等復(fù)雜信號處理內(nèi)容。通道l至通道8信號波形分別用：紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫、洋紅顯示。

　　3 系統(tǒng)特色

　　1)系統(tǒng)采用了雙緩沖技術(shù)，即將計算機Buffer分為2個相同區(qū)域Bufferl和Buffer2，數(shù)據(jù)先存往Bufferl，當(dāng)Bufferl存滿時，標志位置位，數(shù)據(jù)繼續(xù)存往Buffer2，同時將Bufferl中的數(shù)據(jù)送往處理器進行處理，完畢后，Bufferl存數(shù)，Buffer2發(fā)送，如此循環(huán)，注意正確設(shè)置存儲速度和處理速度之間的關(guān)系，以保證數(shù)據(jù)無遺漏。

　　2)Labview編程與Matlab編程相結(jié)合進行數(shù)據(jù)處理分析。對于Labview中沒有的數(shù)據(jù)處理功能可直接調(diào)用Matlab腳本文件，功能更加強大。

　　3)上位機程序采用條件循環(huán)結(jié)構(gòu)和事件結(jié)構(gòu)設(shè)置，前面板和程序框圖同時執(zhí)行，最大程度地節(jié)省了CPU資源。界面友好，具有良好的可操作性。

　　4 結(jié)論

　　本系統(tǒng)主要用于實驗數(shù)據(jù)的采集，由于采用串口通信，所以設(shè)備布設(shè)簡便，方便操作。經(jīng)實際測試證明系統(tǒng)性能穩(wěn)定，信號失真度較小，很好替代了NI公司數(shù)據(jù)采集卡：同時可擴展性強，修改板子處理器ARM程序，采用CAN通信后，結(jié)合算法，即可用于工程需要，實時監(jiān)測待控領(lǐng)域。