一种基于便携式PC的数据采集系统

1 引言

20世纪80年代,由于个人计算机的应用,出现了以个人计算机为基础的卡式仪器(Personal Computer Card Instrument简称PCCI),也称为个人仪器(Personal Computer)或PC仪器(PCI),它将传统的独立仪器与个人计算机的软硬件资源融为一体,以较高的性能价格比、较强的灵活性以及菜单式操作的方便性等突出特色进入测量测试领域,使仪器领域掀起了一次改进设计的高潮。随着计算机技术发展和便携式电脑的出现,国内外相继推出了基于笔记本电脑的便携式测试仪器,这是虚拟仪器的新发展,它除了具有卡式仪器的所有功能之外,为野外操作和自动测试提供了很大的方便。

本文设计了一种基于TI公司的DSP 芯片320LF- 2407A的数据采集系统,它可通过串口RS232与便携式PC实现实时通讯,通过开发基于便携式PC机(笔记本电脑)的专用软件系统(基于Lab Windows/CVI 6.0),可对采得的数据进行实时处理,并以图、表、文字等多种形式给出测量结果,采样和处理得出的数据还可自动存储到文本文件中,便于查询,从而避免了由于意外而造成的实验失败,同时替代了价格昂贵的磁带记录仪和数字处理专用机。 

2 数据采集系统设计

2.1 数据采集模块总体设计

2.1 数据采集模块总体设计

数据采集硬件,由TI公司的DSP芯片320LF2407A,通过两个信号调理电路,完成对两个加速度传感器ADXL105传输信号的调理,去掉 ADXL105的输出中由于供电电源带来的低频噪声,DSP2407完成A/D转换之后,通过串口实现与笔记本电脑的数据传输。

数据采集模块的硬件设计包括电源板、控制板设计。其硬件构成框图见图1所示。控制板采用DSP芯片作为系统的主控制器,完成信号采样、数据处理及输出控制与监测等功能,包括时钟电路、复位电路、报警电路、仿真接口电路、信号调理电路、隔离保护电路等外围电路。

图1 控制板硬件结构

DSP芯片通过串口RS-232与上位机便携式PC进行通讯,加速度传感器的信号经过A/D转换之后,通过串口,传输到便携式PC上,通过测试软件,完成对振动信号的各种分析。

DSP2407基本电路主要设计包括时钟电路、复位电路及外扩存储器的设计。DSP2407的时钟频率是决定CPU运行时序和速度的重要性能指标。为了获取较高的运算速度,我们采用了15MHz晶振,与XTAL1和XTAL2构成一个具有感抗特性的晶体振荡器。二倍频后为系统提供30MHZ时钟频率的内部时钟电路。

TI320LF2407有两种工作方式:微处理器模式(MP)和微控制器模式(MC)。模式的选择是通过TI320LF2407的管脚(MP/MC)来实现的。所谓微处理器模式是指DSP只作为处理单元来使用,和其它的处理单元一起组成系统。而微控制器模式可以用DSP构成单独的系统,DSP在系统中不仅作为处理单元,也作为整个系统的核心部分起到控制整体的作用。设计中把TI320LF2407设置为微控制器模式。

存储器分程序存储器和数据存储器两部分,选用高速存储器以简化电路。外扩ROM以及可编程逻辑器件GAL16V8用于在控制板上进行实时仿真调试,实现程序下载后不再使用外扩ROM。图2给出了DSP2407基本电路设计的原理图。

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图2 DSP基本系统电路

2.2 信号调理电路设计

通过信号调理电路对采样信号进行调制,然后输入到DSP控制器中。在这里采用了单向信号调理电路。在系统中,使用了两个AD公司的加速度传感器 ADXL105,分别采集振动信号(Z方向)以及振动信号(X方向),经过变换,所得的信号,经过如图3所示的信号调理电路的箝位、滤波、调制,输入到 DSP的模数转换通道,通过DSP内部的AD转换,DSP就能获取相应的电压信号值。
2.3 数据采集模块与上位机的通信设计

由于上位机的笔记本电脑带有RS-232接口,TI320LF2407的串行通信接口与RS-232串行口进行DSP与便携式PC机之间的异步通信。两个加速度传感器ADXL105的信号,传输到DSP上,A/D转换完成后,DSP通过串口通信,与笔记本电脑进行数据传输。安装在笔记本电脑上的测试软件通过对串口的操作,实现数据从DSP硬件到文本文档的存贮。

DSP的串口电路的设计见图4,该电路采用符合RS－232标准的驱动芯片 MAX232,进行串行通信。MAX232芯片的功耗低、集成度高,＋5V电压供电,具有两个接受和发送通道。由于TI320LF2407采用＋3.3V 供电,所以在MAX232与TI320LF2407之间加了电平匹配电路。整个接口电路简单,可靠性高。

图3 串口通讯电路

在本文中的测试系统中,DSP与上位机的通信程序,采用中断方式接受数据并置软件发送标志,在主程序中查询标志位,判断上位机是否需要上位机上传数据或DSP主动上传数据。

2.4 数据采集模块软件实现

为了便于软件的编写和调试、控制算法的改变和分析使用,软件采用了模块化结构。系统软件由主程序、子程序、中断服务程序组成。与硬件设计相对应,系统的软件共分两大部分,一部分是主程序控制模块,它是系统的监控程序,是整个软件的基础,定义了系统的工作方式及流程,完成对系统资源的管理,直接面对系统的硬件,以中断方式工作;另一部分是硬件电路所要能实现的各功能模块,该部分是整个软件的主体,主要实现X方向以及Z方向的振动的数据采集,同时根据这些参数依据控制算法完成数据处理,并当符合报警条件时能够发出报警信号。

2.5 硬件电路调试

为了验证硬件的可行性,需要对其进行测试。首先对信号调理电路、DSP控制器分别进行了简单测试,同时软件调试使用C24xXDS510硬件仿真器,在 “CC’C2000”程序仿真环境中进行。在保证仿真器与实验板(控制板)之间连接正确情况下,对实验板(控制板)实现联调。


3 测试系统数据采集与处理软件

便携式PC机上的软件Lab Windows/CVI,具有用户界面简洁明了,数据采集软件操作简单及数据处理软件功能强大的优点。软件在Windows操作系统下运行,打开可执行文件之后,在便携式PC机上,显示出用户操作界面,用户要进行各种数据分析,只需要点击相应的按钮即可。软件上不仅显示了试验的实时数据,还可以进行数据回放。数据的接受,存储,只需要进行响应的按钮和菜单操作即可,操作十分简单。GUI(图形用户界面)见图5。

图5 数据采集与分析软件
4 结束语

本文主要设计了由TI公司的DSP芯片320LF2407A构成的数据采集模块,加速度传感器ADXL105能够实现在水平方向和在垂直方向的两路振动信号的采集。DSP芯片能够顺利的把加速度传感器的输出信号,通过信号调理电路调制,完成A/D转换之后,通过串口和便携式PC实时通讯。