基于LabWindows／CVI和DSC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

引 言
    數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)綜合了MCU面向控制的特性以及DSP的快速計(jì)算功能，具有處理速度快，靈活、精確，抗干擾能力強(qiáng)，體積小及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，滿足了對(duì)信號(hào)快速、精確、實(shí)時(shí)處理及控制的要求。本設(shè)計(jì)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(diǎn)指令，與定點(diǎn)處理器相比，降低了相關(guān)的成本。數(shù)據(jù)系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)需要可靠、快捷的平臺(tái)，由美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)開(kāi)發(fā)的LabWindows／CVI給測(cè)試工程師提供了強(qiáng)有力的虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境。它將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語(yǔ)言與用于數(shù)據(jù)采集分析和顯示的測(cè)控專業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。它與傳統(tǒng)編程工具VB、VC相比，具有強(qiáng)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(shè)計(jì)
    系統(tǒng)硬件主要包括：DSC處理器及其輔助電路、模擬信號(hào)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(diǎn)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(diǎn)處理單元，其6個(gè)DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多達(dá)18路的PWM輸出。
    TMS320F28335芯片內(nèi)置16個(gè)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(diǎn)：12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；2個(gè)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(shí)間，ADC時(shí)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(shè)計(jì)的TMS320F28335開(kāi)發(fā)板，實(shí)物如圖2所示。

1．2 模擬信號(hào)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(jìn)行調(diào)理。在信號(hào)調(diào)理過(guò)程中，采用以下幾個(gè)方面的措施來(lái)保證高精確度模擬信號(hào)輸入：采用高精確度的基準(zhǔn)電源；對(duì)信號(hào)采集部分的區(qū)域進(jìn)行屏蔽，防止外部噪聲干擾；使用低失真運(yùn)放AD823減小諧波失真，采用有源多階濾波器進(jìn)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(shè)計(jì)是非常重要的。連接到ADCIN引腳的模擬量輸入信號(hào)線要盡可能地遠(yuǎn)離數(shù)字電路信號(hào)線。為減少因數(shù)字信號(hào)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(kāi)。
    信號(hào)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(guó)Silicon公司的USB—UART數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器CP2102，通過(guò)它實(shí)現(xiàn)USB2．0到UART的轉(zhuǎn)換。它不僅適合設(shè)計(jì)新一代帶有USB接口的系統(tǒng)，也可以利用它對(duì)采用RS一232通信接口的系統(tǒng)進(jìn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集
    來(lái)自傳感器的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理之后，被送入TMS320F28335，利用該DSC內(nèi)部集成的高達(dá)12．5 MSPS采樣率的12位ADC模塊對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換。
    ADC模塊由2個(gè)獨(dú)立的8狀態(tài)排序器SEQl和SEQ2構(gòu)成，這2個(gè)排序器還可以級(jí)聯(lián)構(gòu)成1個(gè)16狀態(tài)的排序器SEQ。對(duì)于這兩種排序器模式，ADC模塊都可以對(duì)一系列轉(zhuǎn)換進(jìn)行自動(dòng)排序，每次模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊收到一個(gè)開(kāi)始轉(zhuǎn)換請(qǐng)求，就能自動(dòng)完成多個(gè)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(yīng)的結(jié)果寄存器ADCRESULTn中。用戶可以對(duì)同一通道進(jìn)行多次采樣，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)采樣算法，過(guò)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(dòng)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(guò)USB接口傳送給PC機(jī)，進(jìn)行下一步處理。

3 基于LabWindows／CVl實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理
    PC機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件使用LabWindows／CVI語(yǔ)言編寫，完成數(shù)據(jù)接收、解析、顯示和存儲(chǔ)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(jiǎn)化并大幅加快了對(duì)儀器的控制。本系統(tǒng)的測(cè)試軟件利用LabWindows／CVI 7．0提供的控件和函數(shù)庫(kù)，方便地實(shí)現(xiàn)了對(duì)虛擬儀器的控制以及與被測(cè)件之間的通信，用戶界面簡(jiǎn)潔友好，便于操作。
3．1 PC機(jī)與DSC串口通信
    與DSC進(jìn)行通信時(shí)，必須設(shè)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(shè)計(jì)中，設(shè)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(hào)傳感器信號(hào)高8位，XX為1號(hào)傳感器信號(hào)低8位，YY為2號(hào)傳感器信號(hào)高8位，YY為2號(hào)傳感器信號(hào)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(shè)置、測(cè)試結(jié)果顯示等功能都是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，因此要求軟件界面簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果是使用該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)一種壓電陀螺儀的漂移特性進(jìn)行測(cè)試得出的。用戶可以根據(jù)測(cè)試需要，通過(guò)界面方便地設(shè)置串口通信的各項(xiàng)參數(shù)，并將結(jié)果數(shù)據(jù)以圖表的形式顯示，同時(shí)將所有接收到的結(jié)果數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到Mirosoft Access數(shù)據(jù)庫(kù)中。

結(jié) 語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用。新型DSC擁有高精度浮點(diǎn)運(yùn)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(hào)處理變換，使系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確和高效。早已成為PC標(biāo)準(zhǔn)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(kāi)發(fā)該系統(tǒng)時(shí)，使用LabWindows／CVI軟件可以方便地調(diào)用硬件驅(qū)動(dòng)程序及功能函數(shù)，降低了軟件開(kāi)發(fā)工作量，加快了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期。同時(shí)也減少了測(cè)量周期，使數(shù)據(jù)傳輸速度得到提高。