基于USB2.0接口的PCM數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 莉，周雪純，張 樂

（中國飛行試驗(yàn)研究院測控所 陜西 西安 710089）

數(shù)據(jù)采集器是飛行試驗(yàn)中不可缺少的一個重要設(shè)備，以往使用的數(shù)據(jù)采集器均采用航空插頭，與外設(shè)連接還需轉(zhuǎn)換插頭。而新型的PCM采集器采用USB2.0通訊技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的串行、并行接口，USB的優(yōu)勢在于即插即用，支持熱插拔；傳輸速度快，USB2.0提供最高達(dá)480 Mbps的傳輸率；最多可連接127個設(shè)備；電源可從計(jì)算機(jī)或集線器獲得，不需要外加電源，因此更加適合外場飛行試驗(yàn)使用。

1 概 述

該P(yáng)CM數(shù)據(jù)采集器用于對機(jī)載環(huán)境的振動參數(shù)進(jìn)行采集、記錄和實(shí)時遙測，采用USB2.0高速通信方式[1]。該采集器共有4塊采集板卡，每塊采集板卡采集8路通道的數(shù)據(jù)，一共能夠同時并行采集32路機(jī)載環(huán)境的振動數(shù)據(jù)。用戶可通過上位機(jī)軟件對每一通道的增益、采樣率和截頻點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，并根據(jù)用戶所設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)通過內(nèi)部總線讀入到控制板中，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理按照100%振動參數(shù)PCM數(shù)據(jù)流、可選振動參數(shù)RS422數(shù)據(jù)流二種格式輸出[2]。

2 PCM數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì)

2.1 USB通訊硬件接口設(shè)計(jì)

PCM數(shù)據(jù)采集器的USB接口設(shè)計(jì)包括接口的硬件設(shè)計(jì)、控制器芯片CY7C60131的固件開發(fā)、上位機(jī)通訊及編程加載軟件設(shè)計(jì)3大部分內(nèi)容，設(shè)計(jì)中主要參考了芯片CY7C60131的EZ-USB開發(fā)套件，其中CY7C60131的固件程序通過KEIL C軟件進(jìn)行編寫、編譯形成用于加載的*.IIC文件，通過開發(fā)套件里的EZ-USB interface下載到與芯片配套使用的EEPROM芯片中[3]，通過其固件程序設(shè)置了用于USB通訊的四個端口：端口2、端口4、端口6、端口8，其中端口2、端口4為輸入端口（數(shù)據(jù)從上位機(jī)到采集器），端口6、端口8為輸出端口（數(shù)據(jù)從采集器到上位機(jī)），端口2、端口6端口用于上位機(jī)和采集器之間通訊命令和應(yīng)答信息，端口4、端口8端口用于上位機(jī)和采集器之間通訊數(shù)據(jù)信息。所以在端口2、端口6端口的緩沖區(qū)大小設(shè)置為512個16位字[4]。

整個采集系統(tǒng)的編程加載在這個插件上實(shí)現(xiàn)，編程加載的過程如下圖所示：

1）在上位機(jī)上對PCM數(shù)據(jù)采集器的配置信息進(jìn)行配置；2）連接采集器，與采集器通訊成功；

3）通過采集器內(nèi)部的MCU微控制器下載配置數(shù)據(jù)到EEPROM中；

4）MCU控制數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行復(fù)位；

5）MCU從存儲器EEPROM中提取出數(shù)據(jù)，對需要配置的插件進(jìn)行配置。

采集器USB傳輸控制如圖1所示。

2.2 USB通訊軟件接口功能設(shè)計(jì)

圖1 采集器USB傳輸控制圖Fig.1 Collector USB transmission control chart

USB通訊軟件接口功能設(shè)計(jì)主要包括板卡掃描、板卡配置寫和板卡配置讀等。綜合實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)軟件的PCM數(shù)據(jù)、RS422數(shù)據(jù)流的傳輸通訊功能[5]。

板卡掃描：上位機(jī)發(fā)出板卡掃描命令后，可從采集器中得到采集器中板卡數(shù)量、板卡串號、板卡基地址。板卡基地址是指板卡被分配的訪問地址，它是上位機(jī)訪問系統(tǒng)中每塊板卡的標(biāo)志，在之后的板卡配置讀、寫中都必須指定具體的板卡基地址，采集器才能知道要對哪那一塊板進(jìn)行操作。

板卡配置寫：用戶在上位機(jī)軟件中選中某一塊板卡，便可在它的配置界面進(jìn)行設(shè)置，用戶配置完成后，運(yùn)行上位機(jī)軟件加載數(shù)據(jù)，上位機(jī)先向采集器發(fā)出該板卡的配置寫命令，在該命令中還包括了板卡基地址和配置文件的尺寸信息。與PCM數(shù)據(jù)采集器通訊成功后，上位機(jī)軟件會將配置文件傳給采集器。其中PCM數(shù)據(jù)采集器的控制板，即CCU板可設(shè)置的內(nèi)容主要包括100%PCM數(shù)據(jù)幀格式、輸出碼型。采集器的數(shù)據(jù)接收板可以設(shè)置內(nèi)容主要包括通道的可選RS422輸出參數(shù)、波特率及奇偶效驗(yàn)位等。

板卡配置讀：用戶可通過給采集器配置讀命令，從而讀出采集器中每一塊板卡目前的配置信息、也可用于配置寫之后的信息效驗(yàn)。

3 上位機(jī)軟件的加載及實(shí)時監(jiān)控功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 編程加載軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)與PCM數(shù)據(jù)采集器用通過USB2.0通訊，PCM數(shù)據(jù)采集器用連接好上位機(jī)的USB接口，并上電工作[6]。軟件識別采集器后，首先通過板卡掃描，獲得板卡個數(shù)，每塊板的串號和板的基地址。其次通過板卡配置讀進(jìn)行檢驗(yàn)及獲取當(dāng)前板卡的配置信息。用戶將看到這些板卡的配置信息，檢查是否需要修改。如果需要修改，用戶對相應(yīng)信息進(jìn)行修改，然后生成一個十六進(jìn)制的文件。最后完成板卡配置寫，當(dāng)下位機(jī)控制板準(zhǔn)備好接受文件后，上位機(jī)給下位機(jī)發(fā)送配置文件。上位機(jī)軟件流程如圖2所示。

3.2 實(shí)時監(jiān)控功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)編程加載軟件的實(shí)時監(jiān)控功能主界面主要實(shí)現(xiàn)了設(shè)備初始化、掃描板卡、讀配置信息、新建配置信息、確認(rèn)配置信息等功能。

1）設(shè)備初始化：連接 USB，采集器上電后，上位機(jī)識別設(shè)備；

2）掃描板卡：上位機(jī)識別采集器的板卡構(gòu)成：板卡個數(shù)及板卡名稱；

3）讀配置信息：界面顯示采集器每塊板卡的缺省配置信息；

圖2 上位機(jī)軟件流程圖Fig.2 PCsoftware flow chart

4）新建配置信息：用戶對需要更改的缺省配置信息進(jìn)行修改；

5）確認(rèn)配置信息：所有板卡的配置信息滿足用戶需求，用戶將其加載進(jìn)配置文件中。

實(shí)時監(jiān)控功能主界面如圖3所示。

圖3 實(shí)時監(jiān)控功能主界面Fig.3 Real-time monitoring function main interface

3.3 PCM數(shù)據(jù)流編碼功能

PCM數(shù)據(jù)流編碼主要在PCM幀結(jié)構(gòu)的設(shè)置（設(shè)置 主幀長和子幀長），及位速率確定的基礎(chǔ)上，按照實(shí)現(xiàn)了PCM數(shù)據(jù)幀格式的編碼，將兩個同步字FE6B和2840及子幀識別字添加至PCM數(shù)據(jù)編碼中。按照采樣率由高到低的順序，依次將參數(shù)等間隔的放入PCM數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中。該幀結(jié)構(gòu)除了包含等間隔放置的參數(shù)外[7]，還有同步字，子幀識別字，時間字和填充字。所有參數(shù)放完后，剩余的空白位置均填填充字aaaa，最終生成PCM幀格式的數(shù)據(jù)文件，實(shí)現(xiàn)對機(jī)載振動環(huán)境數(shù)據(jù)的記錄功能。同時，生成的PCM格式文件可以通過USB接口傳送，加載給控制板，從而完成對振動采集器的配置。PCM數(shù)據(jù)流生成界面如圖4所示，PCM數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)界面如圖5所示，生成的PCM幀格式的數(shù)據(jù)文件如圖6所示。

圖4 PCM數(shù)據(jù)生成界面Fig.4 PCM data creat interface

圖5 用戶設(shè)置幀結(jié)構(gòu)形式Fig.5 Users to set the frame structure

圖6 PCM幀格式數(shù)據(jù)文件Fig.6 PCM frame format data files

4 結(jié)束語

該P(yáng)CM采集器采用USB總線作為數(shù)據(jù)傳輸通道，設(shè)計(jì)了上位機(jī)編程加載軟件，實(shí)現(xiàn)了對每一板卡的每一通道的增益、采樣率和截頻點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置的功能，能根據(jù)所設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行機(jī)載環(huán)境振動數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)通過內(nèi)部總線讀入到控制板中，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理按照100%PCM數(shù)據(jù)流、可選RS422數(shù)據(jù)流二種格式輸出和記錄，以供飛行后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

[1]邊海龍，賈少華.USB2.0設(shè)備的設(shè)計(jì)與開發(fā)[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[2]蕭世文.USB2.0硬件設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[3]謝蘭英.基于USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) [D].湖北：武漢理工大學(xué)，2007.

[4]周立功.USB2.0-與OTG#L范開發(fā)指南[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[5]肖踞雄，翁鐵成，宋中慶.USB技術(shù)及應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[6]廖濟(jì)林.USB2.0應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[7]肖笑.基于BCC算法的多機(jī)系統(tǒng)PSS參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].陜西電力,2012（12）:51-54.XIAO Xiao.Optimal design of multi-machine power system stabilizer parameters based on bacterial colony chemotaxis algorithm[J].Shaanxi Electric Power，2012（12）:51-54.