基于LabWindows／CVI和DSC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
數(shù)字信號控制器(DSC)綜合了MCU面向控制的特性以及DSP的快速計算功能，具有處理速度快，靈活、精確，抗干擾能力強，體積小及可靠性高等優(yōu)點，滿足了對信號快速、精確、實時處理及控制的要求。本設計采用的DSC為TMS320F28335芯片，該器件能夠以150 MHz的頻率提供每秒3億條浮點指令，與定點處理器相比，降低了相關的成本。數(shù)據(jù)系統(tǒng)軟件的開發(fā)需要可靠、快捷的平臺，由美國國家儀器公司(NI)開發(fā)的LabWindows／CVI給測試工程師提供了強有力的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境。它將功能強大、使用靈活的C語言與用于數(shù)據(jù)采集分析和顯示的測控專業(yè)工具有機地結(jié)合起來。它與傳統(tǒng)編程工具VB、VC相比，具有強大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力，并且具備串口通信功能。
1 系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)硬件主要包括：DSC處理器及其輔助電路、模擬信號調(diào)理電路和USB串口通信電路。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
1．1 TMS320F28335特點及ADC模塊特性
TI公司C2000系列的TMS320F28335芯片具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元，其6個DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多達18路的PWM輸出。
TMS320F28335芯片內(nèi)置16個通道帶流水線的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。ADC模塊主要包括以下特點：12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；2個采樣和保持(S／H)器；模擬輸入電壓范圍O～3 V；快速的轉(zhuǎn)換時間，ADC時鐘可以配置為25 MHz，最高采樣帶寬為12．5 MSPS。此系統(tǒng)中使用的是自主設計的TMS320F28335開發(fā)板，實物如圖2所示。
1．2 模擬信號調(diào)理電路
前端數(shù)據(jù)采集部分把采集到的各種傳感器數(shù)據(jù)進行調(diào)理。在信號調(diào)理過程中，采用以下幾個方面的措施來保證高精確度模擬信號輸入：采用高精確度的基準電源；對信號采集部分的區(qū)域進行屏蔽，防止外部噪聲干擾；使用低失真運放AD823減小諧波失真，采用有源多階濾波器進行濾波處理。
為獲得更高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，正確的PCB板設計是非常重要的。連接到ADCIN引腳的模擬量輸入信號線要盡可能地遠離數(shù)字電路信號線。為減少因數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的耦合干擾，需要將ADC模塊的電源輸入同數(shù)字電源隔離開。
信號調(diào)理電路將傳感器輸出的雙極性電壓一10～+10 V，調(diào)理成單極性電壓O～2．5 V，以便輸入給DSC的ADC模塊。
1．3 USB串口通信電路
USB串口通信電路采用的是美國Silicon公司的USB—UART數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器CP2102，通過它實現(xiàn)USB2．0到UART的轉(zhuǎn)換。它不僅適合設計新一代帶有USB接口的系統(tǒng)，也可以利用它對采用RS一232通信接口的系統(tǒng)進行改造，只需用CP2102取代RS一232電平轉(zhuǎn)換器即可。其電路原理如圖3所示。
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2 基于DSC實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集
來自傳感器的模擬信號經(jīng)過調(diào)理之后，被送入TMS320F28335，利用該DSC內(nèi)部集成的高達12．5 MSPS采樣率的12位ADC模塊對多路信號進行采集轉(zhuǎn)換。
ADC模塊由2個獨立的8狀態(tài)排序器SEQl和SEQ2構(gòu)成，這2個排序器還可以級聯(lián)構(gòu)成1個16狀態(tài)的排序器SEQ。對于這兩種排序器模式，ADC模塊都可以對一系列轉(zhuǎn)換進行自動排序，每次模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊收到一個開始轉(zhuǎn)換請求，就能自動完成多個轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，所有通道轉(zhuǎn)換的數(shù)字量保存到相應的結(jié)果寄存器ADCRESULTn中。用戶可以對同一通道進行多次采樣，從而實現(xiàn)過采樣算法，過采樣算法有利于提高采樣的精度。本系統(tǒng)采用連續(xù)自動排序模式，其程序流程如圖4所示。
然后使用SCI模塊將ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果傳送給CP2102芯片，并經(jīng)過USB接口傳送給PC機，進行下一步處理。
3 基于LabWindows／CVl實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理
PC機數(shù)據(jù)處理軟件使用LabWindows／CVI語言編寫，完成數(shù)據(jù)接收、解析、顯示和存儲等功能。其LabWin—dows／CVI 7．O版本提供了與GPIB、USB、串口、VXI及其他傳統(tǒng)儀器的直接I／0連接，簡化并大幅加快了對儀器的控制。本系統(tǒng)的測試軟件利用LabWindows／CVI 7．0提供的控件和函數(shù)庫，方便地實現(xiàn)了對虛擬儀器的控制以及與被測件之間的通信，用戶界面簡潔友好，便于操作。
3．1 PC機與DSC串口通信
與DSC進行通信時，必須設置與DSC中的SCI通信模塊相同的波特率和數(shù)據(jù)格式。在本設計中，設置串口波特率為9 600 bps，數(shù)據(jù)位為8位，數(shù)據(jù)通信格式為：
其中，5A為起始位，XX為1號傳感器信號高8位，XX為1號傳感器信號低8位，YY為2號傳感器信號高8位，YY為2號傳感器信號低8位，A5為停止位。
3．2 用戶界面
軟件界面也是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要部分。由于儀器參數(shù)設置、測試結(jié)果顯示等功能都是通過軟件實現(xiàn)，因此要求軟件界面簡單直接、便于使用。本系統(tǒng)軟件的界面如圖5所示。
這里給出的實驗結(jié)果是使用該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對一種壓電陀螺儀的漂移特性進行測試得出的。用戶可以根據(jù)測試需要，通過界面方便地設置串口通信的各項參數(shù)，并將結(jié)果數(shù)據(jù)以圖表的形式顯示，同時將所有接收到的結(jié)果數(shù)據(jù)存儲到Mirosoft Access數(shù)據(jù)庫中。
結(jié) 語
本文設計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)得到實際應用。新型DSC擁有高精度浮點運算能力，其內(nèi)部的總線結(jié)構(gòu)和指令算法非常適合于數(shù)字信號處理變換，使系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定、準確和高效。早已成為PC標準的通用串行總線(USB)則為數(shù)據(jù)的采集和傳遞提供了很大的便利。在開發(fā)該系統(tǒng)時，使用LabWindows／CVI軟件可以方便地調(diào)用硬件驅(qū)動程序及功能函數(shù)，降低了軟件開發(fā)工作量，加快了系統(tǒng)的開發(fā)周期。同時也減少了測量周期，使數(shù)據(jù)傳輸速度得到提高。
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