八通道串口數(shù)據(jù)采集與處理虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王岳鵬 ，霍修坤 ，權(quán)希龍

（1.中科院 嘉 興無線傳感網(wǎng)工程中心， 浙江 嘉 興 3 14006；2.安徽大學(xué) 計(jì) 算智能和信號(hào)處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合 肥 2 30039）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是近幾年國(guó)際研究的熱點(diǎn)問題，而數(shù)據(jù)采集又是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能評(píng)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(shí)間，同時(shí)降低實(shí)驗(yàn)成本，因此虛擬儀器在測(cè)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(jī)采用NXP公司LPC2378為依托的數(shù)據(jù)采集電路板，上位機(jī)操作系統(tǒng)基于Labview8.5編寫，通過串口通信實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，可以對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行處理分析并顯示。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為下位機(jī)和上位機(jī)2部分，二者通過驅(qū)動(dòng)程序組成采集系統(tǒng)。下位機(jī)是指直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀況的計(jì)算機(jī)，一般是PLC/單片機(jī)之類；上位機(jī)是可以直接發(fā)出操控命令的計(jì)算機(jī)，一般是PC，屏幕上顯示各種信號(hào)變化[1]，如圖1所示。圖中程序部分采用Labview來實(shí)現(xiàn)。在數(shù)據(jù)采集之前，先對(duì)下位機(jī)采集板卡進(jìn)行初始化，其中處理器Buffer是下位機(jī)采集存儲(chǔ)的重要環(huán)節(jié)。可以采用外部觸發(fā)（比較精確），也可采用軟件觸發(fā)（容易實(shí)現(xiàn)）。由于上位機(jī)數(shù)據(jù)處理階段要對(duì)采集到的一個(gè)周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，所以系統(tǒng)采用軟件觸發(fā)，每個(gè)周期采樣1 024點(diǎn)。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

1.1 下位機(jī)系統(tǒng)

下位機(jī)系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集硬件平臺(tái)，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(shí)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(dòng)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(diǎn)。采集原理圖如圖2所示，在采集信號(hào)放大之前進(jìn)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(duì)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(hào)會(huì)發(fā)生畸變。

圖2 數(shù)據(jù)采集前端原理圖

1.1.2核心處理器

從價(jià)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(jì)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(gè)UART、2路CAN通道、1個(gè)SPI接口、2個(gè)同步串行端口（SSP）、3個(gè)I2C接口、1個(gè)I2S接口和MiniBus（8位數(shù)據(jù)/16位地址并行的總線）[2]。工作頻率為72 MHz，ARM局部總線上有32 KB的SRAM，可以進(jìn)行高性能CPU訪問和簡(jiǎn)單的算法實(shí)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9～36 V，輸出電壓為5 V。其他部分主要起穩(wěn)壓作用，其電源模塊電路如圖3所示。

圖3 電源轉(zhuǎn)換原理圖

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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過調(diào)理電路后送由MiniBus采用RS232協(xié)議送達(dá)上位機(jī)。另外采集板集成了一塊單CAN高速隔離收發(fā)器CTM1050，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(dá)到處理器要求[3]。另外系統(tǒng)上位機(jī)串口名稱與下位機(jī)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(jī)，如圖4所示。

圖4 串口驅(qū)動(dòng)原理圖

1.2 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

圖5 數(shù)據(jù)采集流程

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(shí)設(shè)置、波特率設(shè)置、數(shù)據(jù)位設(shè)置、奇偶校驗(yàn)設(shè)置，等等。本系統(tǒng)采用的設(shè)置為：超時(shí)1 000 ms；波特率115 200；數(shù)據(jù)位為8位；無奇偶校驗(yàn)；其他采用默認(rèn)值[4]。

1.2.2數(shù)據(jù)驗(yàn)證

數(shù)據(jù)驗(yàn)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(bào)頭是否正確。數(shù)據(jù)報(bào)頭為8個(gè)FE，然后緊跟數(shù)據(jù)包。程序判斷讀取8個(gè)FE時(shí)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0個(gè)元素作為第1通道的低位，第1個(gè)元素作為第1通道的高位……，第15個(gè)元素作為第八通道的高位，分別顯示；當(dāng)滿足采樣點(diǎn)位數(shù)時(shí)，置位重新讀取數(shù)據(jù)。在顯示之前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理：去直流、峰值計(jì)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(yùn)行時(shí)要調(diào)用Matlab控制臺(tái)，所以混合編程要求控制機(jī)必須裝載Matlab軟件[5]。

1.2.4數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

當(dāng)點(diǎn)擊采集數(shù)據(jù)按鈕時(shí)，系統(tǒng)提示選擇存儲(chǔ)路徑，并存儲(chǔ)為后綴名為‘.lvm’的二進(jìn)制測(cè)量文件。上位機(jī)主程序[6]如圖6所示。

圖6 上位機(jī)主程序代碼

2 用戶界面

將8個(gè)MEMS傳感器并排，然后拍擊桌面的信號(hào)波形圖。8個(gè)通道可獨(dú)立使用，如直接一路傳感器，其他通道數(shù)據(jù)都為0?？墒謩?dòng)更改串口名稱、波特率、停止位、奇偶校驗(yàn)、流控制、傳輸數(shù)據(jù)位和顯示信號(hào)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(hào)處理內(nèi)容。通道1至通道8信號(hào)波形分別用：紅、橙、黃、綠、藍(lán)、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(jì)算機(jī)Buffer分為2個(gè)相同區(qū)域Buffer1和Buffer2，數(shù)據(jù)先存往Buffer1，當(dāng)Buffer1存滿時(shí)，標(biāo)志位置位，數(shù)據(jù)繼續(xù)存往Buffer2，同時(shí)將Buffer1中的數(shù)據(jù)送往處理器進(jìn)行處理，完畢后，Buffer1存數(shù)，Buffer2發(fā)送，如此循環(huán)，注意正確設(shè)置存儲(chǔ)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。對(duì)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(qiáng)大。

3）上位機(jī)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(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，由于采用串口通信，所以設(shè)備布設(shè)簡(jiǎn)便，方便操作。經(jīng)實(shí)際測(cè)試證明系統(tǒng)性能穩(wěn)定，信號(hào)失真度較小，很好替代了NI公司數(shù)據(jù)采集卡；同時(shí)可擴(kuò)展性強(qiáng)，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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)待控領(lǐng)域。

[1]白云，高育鵬，胡小江.基于Labview的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

[2]廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司.LPC23XX用戶手冊(cè)[EB/OL].2008.http://www.zlgmcu.com/philips/arm/LPC23xx/LPC23XX_um.pdf.

[3]AVR與虛擬儀器論壇[EB/OL].2008.http://www.avrvi.com/Labview_start/the_use_of_Serial.html.

[4]National Instrument Corporation.NI data acquisition[EB/OL].2009.http://www.ni.com/dataacquisition/zhs/.

[5]王濟(jì)，胡曉.Matlab在振動(dòng)信號(hào)處理中的應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

[6]National Instruments Corporation.NI Labview 8.5 help file[EB/OL].2007.http://digital.ni.com/manuals.nsf/websearch/D8BD63-D1B407864C862571D30072BF2B.