基于USB2.O的軌道電路信號(hào)車載采集與分析系統(tǒng)

摘要：介紹了一種基于USB2．O的車載采集與分析系統(tǒng)，詳細(xì)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件和軟件。硬件方面通過(guò)對(duì)CY7C68013的通用可編程接口(GPIF)控制邏輯的合理設(shè)計(jì)和芯片內(nèi)部FIFO的有效運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了在USB設(shè)備和主機(jī)之間大量數(shù)據(jù)的高速傳輸。軟件方面采用模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的數(shù)字濾波、頻譜分析、波形顯示、存儲(chǔ)以及回放。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)；USB

0 引言
    近年來(lái)，隨著鐵路建設(shè)的跨越式發(fā)展，對(duì)機(jī)車信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性提出了越來(lái)越高的要求，傳統(tǒng)的手持式信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要，本文提出的車載信號(hào)采集系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車信號(hào)波形的頻譜分析。利用可靠的硬件和軟件技術(shù)實(shí)
現(xiàn)機(jī)車信號(hào)檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和高精度要求。系統(tǒng)采用USB總線接口有效地解決了傳統(tǒng)總線形式(如RS232、并口、ISA等)傳輸速度低、安裝繁瑣、易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的干擾、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源限制等缺點(diǎn)，具有廉價(jià)、高速、支持即插即用、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為硬件和軟件設(shè)計(jì)兩部分。其中硬件設(shè)計(jì)主要包括信號(hào)調(diào)理、A／D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、控制部分以及USB接口部分等實(shí)現(xiàn)內(nèi)容。
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為USBN件(Firmware)、USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以及主機(jī)應(yīng)用程序三部分內(nèi)容。在Windows操作平臺(tái)下，主機(jī)應(yīng)用程序通過(guò)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與系統(tǒng)硬件接口USBDI(USBDeviceInterface)進(jìn)行通信，然后由系統(tǒng)產(chǎn)生USB數(shù)據(jù)的傳送動(dòng)作。固件則是運(yùn)行在接口芯片中的代碼，用以響應(yīng)各種來(lái)自系統(tǒng)的USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，完成數(shù)據(jù)的交換工作和事務(wù)處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    USB數(shù)據(jù)采集板硬件電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)共分為5大部分，它們分別是信號(hào)調(diào)理、A／D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、控制部分以及USB接口部分。
2．1 信號(hào)調(diào)理
    信號(hào)調(diào)理部分由脈沖計(jì)數(shù)式鑒頻器完成。它由四部分組成(如圖2所示)，即過(guò)零比較器、微分電路、脈沖形成電路和低通濾波器，輸入的調(diào)頻波Ui(t)經(jīng)過(guò)零比較器后變成調(diào)頻方波信號(hào)U1(t)，調(diào)頻方波信號(hào)通過(guò)微分電路后變?yōu)槲⒎置}沖序列U2(t)，微分脈沖序列經(jīng)過(guò)脈沖形成
電路后變?yōu)榈让}寬的方波脈沖序列U3(t)，等脈寬的方波脈沖序列通過(guò)低通濾波器后就輸出調(diào)制信號(hào)Uo(t)。鑒頻器各部分的波形如圖3所示。

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2．2 主控芯片的工作方式
    本設(shè)計(jì)采用的主控芯片是Cypress公司的USB2．0控制芯片CY7C68013，它與計(jì)算機(jī)通過(guò)USB接口相連，使設(shè)備能在PC機(jī)的控制下進(jìn)行操作。USB主控芯片通過(guò)邏輯控制電路連接到FIFO和A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳送至FIFO芯片進(jìn)行緩沖，緩沖后的數(shù)據(jù)輸入主控芯片的從FIFO中，
然后從FIFO以DMA(直接內(nèi)存存取)的方式經(jīng)由SIE(串行接口引擎)傳給PC機(jī)。
    為了實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集的功能，A／D芯片采用的ADl674，它是一款12位，最高轉(zhuǎn)換速度可達(dá)100kHz的A／D轉(zhuǎn)換芯片，考慮到對(duì)FIFO容量的需求，系統(tǒng)采用GPLD和FIFO來(lái)實(shí)現(xiàn)。選用IDT7205完成數(shù)據(jù)緩存。其最高工作頻率為133MHz，容量為8kB，能滿足設(shè)計(jì)要求。
    CY7C68013與外設(shè)有兩種接口方式：通用可編程接口GPIF方式和從屬FIFO方式。GPIF的核心就是一個(gè)可編程狀態(tài)機(jī)，可產(chǎn)生6個(gè)控制和9個(gè)地址輸入信號(hào)，并能接收6個(gè)外部和2個(gè)內(nèi)部“ready”輸入信號(hào)。GPIF向外部接口產(chǎn)生正確的選通信號(hào)和握手信號(hào)，外部接口用于對(duì)FIFO數(shù)據(jù)的傳進(jìn)和傳出。GPIF是主機(jī)的方式，而從屬FIFO方式是從機(jī)方式，它由外部控制器控制，可像對(duì)普通FIFO一樣對(duì)FX2的多層緩沖FIFO進(jìn)行讀寫。FX2的從屬FIFO工作方式可設(shè)為同步或異步，工作時(shí)鐘可選為內(nèi)部產(chǎn)生或外部輸入，其它控制信號(hào)也可根據(jù)需要設(shè)置為高有效或低有效。
2．3 FlF0的數(shù)據(jù)緩存作用
    由于A／D最高采樣頻率可達(dá)100MHz，而主控芯片CY7C68013中的FIFO只有4kB，不能滿足A／D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的要求，因此需要在A／D和CY7-C68013之間增加一個(gè)高速的FIFO來(lái)緩存數(shù)據(jù)。FIFO是先進(jìn)先出的數(shù)據(jù)緩存器，數(shù)據(jù)在其內(nèi)部順序?qū)懭搿㈨樞蜃x出，其數(shù)據(jù)地址由內(nèi)部讀寫指針自動(dòng)加1完成。它具有雙口輸入輸出、采集傳送速度快等特點(diǎn)，能滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。由FIFO構(gòu)成的數(shù)據(jù)緩沖電路主要部分的接口電路如圖4所示。

    IDT7205有兩種工作模式，即IDT標(biāo)準(zhǔn)模式和FWFT模式。本設(shè)計(jì)中采用IDT標(biāo)準(zhǔn)模式，這種模式通過(guò)FF、PAF、PAE、HF、EF五個(gè)標(biāo)志位來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。／WEN(寫使能端)置為有效時(shí)，數(shù)據(jù)可以寫入FIFO。在WLCK(寫時(shí)鐘)的控制下，數(shù)據(jù)持續(xù)寫入FIFO，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)數(shù)據(jù)被寫入時(shí)，／EF(空標(biāo)志)無(wú)效，數(shù)據(jù)不斷地寫入FIFO，即將寫滿時(shí)／PAE(將空標(biāo)志)無(wú)效，／PAF(將滿標(biāo)志)有效，表示FIFO即將寫滿。當(dāng)FIF0寫滿時(shí)，／FF(滿標(biāo)志)置為有效，控制A／D芯片停止寫數(shù)。開始讀數(shù)據(jù)時(shí)的第一個(gè)讀操作使／FF置為無(wú)效，此時(shí)開始持續(xù)地讀取數(shù)據(jù)，當(dāng)FIFO中數(shù)據(jù)減少到一定程度，會(huì)使／PAF(將滿)和／HF(半滿)兩個(gè)標(biāo)志位置為無(wú)效，持續(xù)讀出數(shù)據(jù)，而不寫入數(shù)據(jù)；當(dāng)FIFO中只剩下N個(gè)字時(shí)(N為空狀態(tài)的缺省值)，／PAF有效；當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)被全部讀出時(shí)，／EF置為有效，此時(shí)控制主控芯片停止讀取數(shù)據(jù)，與此同時(shí)A／D也開始下一個(gè)讀取數(shù)據(jù)過(guò)程。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 固件設(shè)計(jì)
    USB固件是運(yùn)行在FX2芯片CY7C68013中的代碼。在數(shù)據(jù)采集卡連接到計(jì)算機(jī)后，通過(guò)一個(gè)能自動(dòng)完成固件下載以及設(shè)備重枚舉功能的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，即固件下載驅(qū)動(dòng)程序?qū)SB固件下載到FX2的RAM中。
    Cypress公司針對(duì)FX2系列的USB芯片給出了一個(gè)Firmware(固件)庫(kù)，用戶只需要在源程序中包含進(jìn)EZUSB．H和EZREGS．H， 并且把EZU-SB．LIB和USBJMPB．OBJ添加進(jìn)項(xiàng)目即可。
    在設(shè)計(jì)中還利用了FX2的框架。FX2程序框架用于加速開發(fā)芯片外設(shè)?？蚣転镕X2的初始化、處理設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)USB設(shè)備請(qǐng)求以及USB掛起時(shí)的電源管理提供了現(xiàn)成的805l代碼，只需簡(jiǎn)單地提供USB描述符表，編寫完成外設(shè)功能的代碼就可以開發(fā)一個(gè)功能完善的USB外設(shè)。
    CY7C68013芯片的端點(diǎn)數(shù)總共有7個(gè)，根據(jù)設(shè)計(jì)需要，我們選擇了其中的3個(gè)端點(diǎn)，其中1個(gè)控制端點(diǎn)、1個(gè)發(fā)送端點(diǎn)和1個(gè)接收端點(diǎn)。
3．2 驅(qū)動(dòng)程序
    在采集卡工作的運(yùn)行WindowsxF臺(tái)的主機(jī)上，Cypress公司提供了Windows下的通用驅(qū)動(dòng)程序(GDP)。本采集卡使用這個(gè)通用驅(qū)動(dòng)程序，不需要自己另行開發(fā)。
3．3 用戶程序設(shè)計(jì)
    用戶程序設(shè)計(jì)部分則是基于C++Builder開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)軟件總體上包括數(shù)據(jù)采集(通道控制、觸發(fā)控制)、波形顯示、參數(shù)測(cè)量、頻譜分析及波形存儲(chǔ)與回放等五大模塊。軟件界面如圖5所示。

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3．3．1 數(shù)據(jù)采集模塊
    數(shù)據(jù)采集模塊在整個(gè)系統(tǒng)中占有重要的地位，它是系統(tǒng)的核心。其工作流程圖如圖6所示，本模塊主要完成通道控制、觸發(fā)控制等功能。數(shù)據(jù)采集部分的參數(shù)設(shè)置正確與否，直接影響到后面的分析、處理、顯示等功能能否實(shí)現(xiàn)。這部分的參數(shù)設(shè)置主要包括：

    (1)通道控制。主要包括通道個(gè)數(shù)控制，系統(tǒng)提供的通道數(shù)為末通道數(shù)減去首通道數(shù)加1。
    (2)觸發(fā)控制。主要包括觸發(fā)方式、觸發(fā)類型、觸發(fā)方向、時(shí)鐘源選擇等。
3．3．2 波形顯示模塊
    波形顯示模塊主要應(yīng)用Chart實(shí)現(xiàn)波形顯示。波形圖顯示信號(hào)時(shí)域特性。系統(tǒng)可以顯示任意形狀的波形信號(hào)。對(duì)波形曲線進(jìn)行操作，包括移動(dòng)、對(duì)研究區(qū)域放大和縮小等。
3．3．3 參數(shù)測(cè)量模塊
    參數(shù)測(cè)量模塊主要實(shí)現(xiàn)波形的參數(shù)測(cè)量、分析功能，完成包括各通道信號(hào)的載波頻率以及實(shí)際采樣頻率等幾個(gè)參數(shù)的測(cè)量，并顯示其測(cè)量結(jié)果。參數(shù)測(cè)量模塊程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中，主要應(yīng)用了循環(huán)結(jié)構(gòu)中的While循環(huán)。
3．3．4 頻譜分析模塊
    頻譜分析模塊采用FFT算法，完成數(shù)據(jù)信號(hào)的頻譜分析。頻譜分析功能主要實(shí)現(xiàn)時(shí)域信號(hào)和頻域信號(hào)的轉(zhuǎn)換。
3．3．5 波形存儲(chǔ)和回放
    為了實(shí)現(xiàn)對(duì)波形數(shù)據(jù)及各種測(cè)量數(shù)據(jù)的有效管理，可將這些數(shù)據(jù)予以存儲(chǔ)和回放。
    (1)波形存儲(chǔ)。開始采集之前系統(tǒng)自動(dòng)提示用戶創(chuàng)建新文件。系統(tǒng)可以同時(shí)保存多通道的時(shí)域波形數(shù)據(jù)，并且只要計(jì)算機(jī)硬盤或軟盤空間足夠大，可以保存無(wú)數(shù)次波形數(shù)據(jù)。從而擺脫了傳統(tǒng)數(shù)字存儲(chǔ)系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量的限制。
    (2)波形回放。“回放”按鈕控制是否從數(shù)據(jù)文件中讀取波形數(shù)據(jù)。從軟盤或硬盤上讀取的波形數(shù)據(jù)，顯示在實(shí)時(shí)采集的波形顯示窗口，并保留在顯示窗口。當(dāng)看完讀取的波形后，要回到實(shí)時(shí)采集的狀態(tài)，點(diǎn)擊前面板上的“采集”按鈕，進(jìn)行讀取與采集的切換。并且系統(tǒng)特有的輸出功能可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的同步回放。為了節(jié)約成本我們用計(jì)算機(jī)的聲卡代替D／A轉(zhuǎn)換器，將采集的語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)聲卡輸出。

4 結(jié)束語(yǔ)
    由于采用CY7C68013芯片作為主控制器，其靈活的接口和可編程特性簡(jiǎn)化了高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)外部硬件的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性；由于A／D轉(zhuǎn)換電路采用ADl674，保證了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高速性和高精度。此設(shè)計(jì)方案可改善現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在的控制復(fù)雜、傳輸效率低、模擬量噪聲大等問(wèn)題，能實(shí)現(xiàn)低成本、高可靠性、高速、高精度和高穩(wěn)定性的多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，并且適合車載作業(yè)。