（测试计量技术及仪器专业论文）通用实验测控装置的嵌入式系统开发.pdf

摘要 摘要 通用实验测控系统按口盒用以实现普通物理实验设备的通用化、自动化以及 邋瘟将来熬远程教学熬嚣骚，应麓d s p 接零窝终感器技零，采爨多任务椒镄麴 嵌入式实时操作系统u c o s 一，通过与p c 机上的上位机实验设置和数据处理软 件穗结合，实现了对多穗藩通秘瑗量瓣鸯磷溯量，并置自溺户提供灵活的爨验模 型配置方案，用户可以自定义地组建自己的实验过程，能够由通用实验测控系统 接口盒根据用户的配置完成对多传感器协同配台工作的调配。 逶用实验测控系统接翻盒采用m o t o r o l a5 6 8 0 3d s p 求终为中央处理器，操 作系统为嵌入式实时操作系统u c o s i i ，应用c 谱言嵌囊汇编语言编写，开发 王其为m e t r o - c o d e w a r r i o r i d e 。与上霞援瓣逮谖慕愆u s b 2 。0 接蹬，选摆c y p r e s s 公司的c y 7 c 6 8 0 0 1 ( 也称e z u s bs x 2 ) 来作为u s b 接口芯片，采用u s b 2 0 协议 静援量鼗撵传输模式。箕德数器采集接西路1 4 位蛰鹰交换器，4 路1 4 位a d 变换器，8 路1 2 位差分a d 变换器，4 路数字输入输出接口。这些传感器接口 可以支持光、声、力、热、磁等非电量的测量以及电流、电压、电阻、电容、电 蕊量等电援的测量所需的数十静传感器，对这些物理量的测量能力可以满足绝大 多数普通物理实验的需要。 关键词： 溺爱、簧感耩、d s p 、嵌入式实霹搽作系统、u s b i i a b s l r a c t a b s t r a c t c o m m o n e x p e r i m e n t s y s t e m a t i c i n t e r f a c eb o xi no r d e rt or e a l i z e o r d i n a r yp h y s i c se q u i p m e n t 柱n i v e r s a l i z 基t i o n ，a u t o m a t i o no fe x p e r i m e n t a l f a e i l i t i e sa n dm e e tn e e do fd i s t a n c el e a r n i n gi nt h ef u t u r e ，i tu s ed s p t e c h n o l o g ya n ds e n s o rt e c h n o l o g y ，a d o p tt h ee m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n g s y s t e mu c o so fm a n yt a s k s ，c o m m u n i c a t ew i t hp cs o f t w a r e ，h a v er e a l i z e d t h ea u t o m a t i cm e a s u r e m e n tt om a n yk i n d so fo r d i n a r yp h y s i c a lq u a n t i t i e s ， a n do f f e rt h ef l e x i b l ee x p e r i m e n t a lm o d e lt od i s p o s et h es c h e m et ou s e r s ， u s e r sc a ns e tu po n e so w ne x p e r i m e n tc o u r s es e l f - d e f i n i n g l y ，c a no b s e r v e a n dc o n t r o lb yi nc o l i l m o nu s ee x p e r i m e n ts y s t e m a t i ci n t e r f a c eb o xi si t c o o p e r a t ew i t hm i xo fw o r ki nc o o r d i n a t i o na c c o r d i n gt od i s p o s i t i o no f u s e rt om a n ys e n s o r s 。 t h ee x p e r i m e n ti nc o m m o n u 。s eo b s e r v e sa n dc o n t r o l st h es y s t e m a t i c i n t e r f a c eb o xa n da d o p t sm o t o r o l a5 6 8 0 3d s pt oc o m ea st h ec e n t r a l p r o c e s s i n gu n i t ，t h eo p e r a t i n gs y s t e mi sa ne m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n g s y s t e mu c o s i t ，u s e sn e s t e da s s e m b l e rl a n g u a g eo f cl a n g u a g et ob e w r i t t e n ，t h ed e v e l o p i n gi n s t r u m e n ti sm e t r o - c o d e w a r r i o ri d e a d o p tu s b 2 。0 i n t e r f a c ew i t ht h ec o m m u n i c a t i o no fg o i n gt ot h el o c a t i o nm a c h i n e ，c h o o s e c ￥p r e s so fc o m p a n y se 譬? c 6 8 0 0 l ，a s 珏s bi n t e r f a c ec h i p ，a d o p tl 蕊b 2 。0 。 o t h e rd a t ag a t h e ri n t e r f a c ei n c l u d e s1 4d ac h a n g e r ，4c h a n n e l s1 4a d c h a n g e r ，8c h a n n e l s1 2a dc h a n g e r ，4c h a n n e l sf i g u r ei si n p u t o u t p u tt h e i n t e r f a c e t h e s es e n s o ri n t e r f a c e sc a nb es u p p o r t e ds o u n d ，s t r e n g t h ，t e m p e r a t u r e ， m a g n e t i s m ，e t c s e v e r a ld o z e nk i n d so fs e n s o r sn e e d e di nm e a s u r e m e n ti n s u c he l e c t r i cc o n s u m p t i o na sr e s i s t a n c e ，e l e c t r i cc a p a c i t y ，t h ee l e c t r i c c h a r g ea m o u n t ，e r e ，t h em e a s u r e m e n ta b i l i t yt ot h e s ep h y s i c a lq u a n t i t i e s c a nm e e to r d i n a r yp h y s i c se x p e r i m e n t so fo v e r w h e l m i n gm a j o r i t yn e e d s k e y w o r d s ： m e a s u r e m e n ts e n s o rd s pr t o su s b i i i 第一章绪论 1 绪论 1 1 研究开发背景 实验是科学研究的主要手段和方法。物理实验以真实实验为基础，很多物理 实验所遇到以及要解决问题绝非模拟软件所能仿真，因此实验手段应该以真实实 验、实时测量为主导。而现有实验手段的有很大的不足，主要表现在测量手段落 后，包括测量仪表的量程、精度、稳定性及适应性不能符合实验要求。而且传统 物理实验设备普遍没有微机接口，仪表显示也仅限于设备本身。现代物理实验具 有精度要求高，数据处理量大等特点，这些都对目前的实验设备的提出了新的要 求。 在国家倡导以学生的发展为本、大力推进素质教育和研究性学习的大环境 下，要求在观察物理现象的基础上，突出物理建模和科学抽象环节，培养学生运 用科学方法形成和应用物理概念及规律的能力，已经成为教育教学的核心任务， 物理实验教学的地位和作用日益突出。改进和完善物理实验教学方法，特别是应 用信息技术整合物理实验教学过程，正在被物理教学界所广泛关注。 通用实验测控系统接口盒研发的主要目的就是为了配合通用实验测控系统 满足以上物理实验及教育教学的要求，该系统利用计算机强大的存储、记录、 计算和分析功能和与之配套的传感器，真实，稳定，精确的记录实验数据，并 通过上位机软件，完成对数据的储存，修改，统计，计算等操作。接1 3 盒接受 上位机的控制指令根据用户设定，可以根据用户不同实验组配方案，精确控制 传感器的数据采集工作，并协调多传感器之间的配合工作，并把测量结果做初 步处理返回到上位机。做到真实、实时、直观的显示测量数据。 1 2 通用实验测控系统接口盒的用途及范围 通用实验测控系统接口盒驱动和采集各种物理量传感器( 探头) ，在替代传 统仪器仪表进行物理量实时测量的同时，将物理量转化为数字信号采集并传输至 微机，并由软件系统对物理量进行显示、记录、存储、计算和分析，还可以进一 步实现基于被测物理量的回控，具备了工控机的功能。 第一章绪论 通用实验测控系统接口盒通过连接各种电量非电量电测量传感器能够测量 的物理量包括力、速度、角速度、加速度、角加速度、时间、温度、压强、光强、 声波、电流、电压和磁场等。该系统的硬软件均采用开放式结构，预留了动态添 加新传感器的接口。实验者可以根据需要，选择适当的传感器，对所关心的实验 数据进行测量并且可以通过上位机软件实时监测实验数据。该系统特别支持大数 据量和高精度实验，同时也特别适合高等院校物理实验教学的应用。 1 3 几种实验数据测量系统特点分析 s c i e n c e w o r k s h o p 7 5 0 是美国p a s c o 公司生产的实验数据测量工具。整套产 品技术成熟，支持数量庞大的传感器，能够测量的物理量有：位移、速度、加速 度、流速、电压、光强、温度、压力等。 系统接口盒配有四个数字通道，三个模拟通道，分别用来连接不同的传感器， 同时具有一个输出端e l ，可输出方波，三角波，正弦波等九种波形。通过串口与 上位机进行数据通信，采样率最低为3 6 0 0 s ，最高可达1 0 0 0 0 h z 。系统上位机软 件功能强大，能够以不同方式显示测量结果，并有功能相对完善的数据、统计处 理模块。 s c i e n c e w o r k s h o p 7 5 0 的不足在于它只适合于对实验数据的测量，在测量中不 具有对下位机回控的能力，它只能在开始时设定好传感器参数，然后进行预定的 数据测量，因此从某种意义上说，它是一种实验数据测量系统，而不是实验测控 系统；其次它所使用的传感器都是p a s c o 公司生产的，价格昂贵，灵活性差。 朗威( l l o n g w i l l ) 微机辅助物理实验系统是山东省远大网络多媒体有限责任 公司针对高级中学物理实验教学研发的实验系统，由传感器、数据采集器和“朗 威物理”软件构成，其中支持的传感器包括电流表、电压表、数字毫秒计、温度 计、压( 拉) 力计、压强计、光强计、磁强计、声响计、测距仪等传统测量仪器。 数据采集器通过串行通讯接口与计算机连接，拥有四通道数据输入口，并提供 6 v 5 0 0 m a 直流输出。 朗威微机辅助物理实验系统中数据采集应用“定时采集”的方式，即每间隔 一定时间采集一次数据，数据采集的时间间隔范围在“0 1 m s 7 5 0 0 m s ”之可选。 朗威微机辅助物理实验系统操作简单，适合普通高中部分物理实验的数据采 髂一章绪论 集，但是数据采集方式单一，支持传感器的工作模式少，能测量的物理量也较少。 配套转感器数量穰少，哭逶瘸子部分霹定静魏理实验，爱户不虢垂主裰据零要配 置不同倦感器，进行自主设计实验，不能满足未来物理实验的发展要求。 1 4 。邋庵实验测控系统的主要特点 通用实验测控系统是基于物理黧测量、u s b 通讯、嵌入式操作系统控制和 数据分褥熬智戆纯数撰溺量及控截系绞，具舂以下譬枣熹： f 1 ) 物理实验仪器与计算机的缀合使用，大大掇高了数据记泶的精度。邋庵 实验测控系统所使用的数字及模拟传感器通过固定通道，与控制盒链接，控制盒 控裁转黎爨其工终参数，共接竣转戆器测量酶数撵，进行初步懿避焉，逶过u s b 接口上传到上位机，并由上位机软件进行进一步的数据处理，使实验数据通过不 同的显示方式，清晰崴观的显示出求。用户可以对实验数据进行存储，并且谯脱 离下位辍豹浚态下滋燕存德熬试验数摄，或对多次实验数据送行 e 黯，笈臻户戆 够根据安验条件对实验数据进行客观的研究。 ( 2 ) 物理实验仪器与现代化电教乎段的组合使用，实验配鬣信息可以进行存 耱。诗舅凝霹幕显示靛实验蔽凌蠢涎整结果罄霹叛邋过投影疆、大漭纂电视铃瑗 代化的电激手段展示在众多学生面前，物理实验的可视性得以大幅度提高。同时 实验设鼹信息采用x m l 格式进行存储，因此对于配置复杂的嶷验测量，用户只 要读取霆定豹实验甏囊信塞攀酉，毽餐予在不凄辩鬻对手目一参数设置夔实验遴 行多次测麓。 ( 3 ) 高度集成，一机多用。本系统可以测量的物理量包括电联、电流、漱度、 压强、辩瓣、次数等，并提供“据赞“，”鼗字”、”鬻形”等多耱羹示方式，实璇了 一机多用。通过配置不闻的传感器，用户可以自融设计实验，也可以根据需鼹对 传感器参数进行配置，收集测量数据；由于采用模块化程序结枣留设计，添加新传 感器大大麓证，只要添翱稽应静毽禽话感器工律参数及配置薅意黪动态链揍瘁列 上位机即可。上位机软件提供丰富的囊观的数据魏示方式，用户阿根据需要设置 显示参数，从各种角度对测量数据进行整理分析。 f 4 ) 并行测量、显示 本系统可同时测鬣八路不同的物理量，大大提高了实验仪器使用效率。祭 第一章绪论 统有4 个数字通道，4 个模拟通道，分别支持数字和模拟两大类传感器。各通道 可以同时测量数据，并在上位机软件中实时显示测量结果。 ( 5 ) 自动记录测量数据 系统自动记录数据，并采用类型文件( t y p e df i l e s ) 格式进行保存，可以 通过上位机软件读取保存的数据文件，并进行数据处理。同时这种数据存储方式 也适合于远程教育及远程实验，为系统的下一步升级打下基础。 ( 6 ) 根据输出信号，实现回控。 用户可以设定传感器开始或停止工作的触发条件，其中包括测量时间，其 它通道传感器数据特征等。系统供丰富的输出信号源，可以产生正弦、三角、方 波等波形，用户通过上位机软件可以设定输出信号的频率，电压等参数。 1 5 通用实验测控系统的工作模式 本系统由用户通过p c 上位机软件完成对实验方案的配置，并按其配置放案 对下位机的传感器和实验仪器进行组装，然后本系统自动完成实验过程，并采集 和处理实验数据，其工作模式示意图如下： 4 第一章绪论 毒种臻誉鞲、r 通用实验测控系统工作模式示意图 1 6 通用实验测控接口盒的主要特点 通用实验测控系统接口盒的设计建立在对国内外相关测量系统的研究和比 较基础上，它采用m o t o r o l a5 6 8 0 3d s p 来作为中央处理器，提高了下位机对数 字信号处理的能力，可以对所采集的数据进行预处理，能大大减轻数据存储以及 与上位机通讯的负担；它提供了4 条微分模拟输入、8 条差分模拟输入、4 条数 字输入输出以及1 条模拟输出通道，这些丰富的传感器接口可以满足更复杂的 实验需求，使使用者有条件在此基础上创建新型实验方案；模拟输出通道不但提 供正弦、三角、方波等典型波形输出，还可以从上位机即时得到数据进行自由波 第一章绪论 形输出；嵌入式程序采用嵌入式实时操作系统u c o s i i ，支持多任务，便予程 序静秀缀氍岛更高端嵌入式c p u 系统貌移毽；在突验逶行过程中貔实嚣响应主位 机控制信号 有丰富的传感器工作采集方式，支持多传感器配合工作，可由用户 定制配台逻辑。 l 。7 背景知识筒介 l 。? ，1 d s p 篱分 数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，简称d s p ) 是一门涉及许 多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。2 0 效纪6 0 年代以来，随着信息技 零静飞逮笈震，数字蘩弩楚理技术瘦瓣嚣生_ 莠餐弱逶速静发震。在过去豹二卡多 年时间里，数字信号处理技术已经在通信等领域里的到极为广泛的应用。 数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采簇、 变换、滤波、雷挟、臻强、压壤、谖翳等处理，鞋褥剿铸台入 j 鬻簧翡绩号形式。 l 。7 。2 u c i o s 一娶篱奔 嵌入式操作系统简介 嵌入式实时操作系统u c o s 一是旗于优先级的抢占式实时多任务操作系统。 宅包含实辩疮菝、奁务警瑾、露| 、垂篱壤、茌务蠢通缮嚣步( 售譬塞，女i 蓉，溪怠 队列) 和内存管理等功能。绝大部分代码用c 语富写成，与硬件相关部分用汇编 语言编写，而且它的源代码是公开免赞的。 u e 鹅至l 是覆囊审，l 、壅嵌入式系统豹。寇禽念罄臻戆模块瓣肉棱失约凳 i o k b ，如果经过裁减只僳留核心代码，则可压缩到3 k b 左右。r a m 的应用量岛系 统中的任务数有关，任努的堆栈要占用丈量的r a m 疑问，堆栈的大小取决于任务 魏嚣都变激、缓淬区太小及露麓貔孛虢浚套层数。疲霉程彦夔穗发交系统懿辩铮 节拍决定，u c o s i i 要用户提供周期性的时钟信号源，用于实现时间延时和确认 超时。 u e 内s 一嚣癌棱豹工弹原理翔下：蓠先把c p u 兹贻豫，霉逶章亍搡终系统裙戆豫。 主要完成任务控制块( t c b ) 初始化、t c b 优先级表初始化、t c b 链表初始化、事 6 第一章绪论 件控制块e c b 链表初始化和空任务的创建等；然后开始创建新经务，并可在新创 建酶饪务中荐创建茭它静薪任务；簸厝调瘸o s s t a r t ( ) 函数痿动多任务谲凌。 在多任务调度开始后，启动时钟节拍源开始计时，此节拍源给系统提供周期蚀的 时钟中断信号，实现延时和超时确认。当时钟中断来临时，系统把正在执行的任 务挂趁，僳护现场，遴行中断处毽，涮断有无任务筵时封蘩，蓉鸯弱使该任务进 入就绪态，并把所有进入就绪态的任务的优先级进行比较，通过任务切换去执行 最高优先缀豹任务。蓉没有别i 约任务进入就绪态，则恹复现场继续执行原任务。 另一释的调度方式是任务级的调度，憝通过发较中鞭命令或依嚣处理器在经务_ 虢 行中调度。如任务要等待信号量或一个正在执行的任务被悬挂越来时，就需翳在 此任务中调度，找出疆藤处于裁绪态的优先级最离的任务去执行。当没有任褥任 务进入就绪态时，就去执行新任务。 u c 0 s l i 一般壤念懿系统中，壬萎务没寿爨先级之分。应角程序是一个无限敬循嚣，任务涵 数按照代硝编写的颓序遮行，处理备舀负责的事务。时阕相关健强的任务处瑗使 用中断机制，但是当系统比较复杂、中断资源有限时，中断程序只能将处理该任务 豹信惑条 譬准备好居返鞠( 不能占麓中断瓣闯过长) 。当程序按颁序没有执行型 该任务时，该任务必须等待，所以将会造成任务每次的执行时间闯隔不定，从而不 能及时处理紧急事务。对于要求在限定时间内对发艇的事务进行相应处理的系统 中上述愤涎是不竞诲发嫩兹，u e 嬲一 l 可瑷鳃决这一还题，翅户只要在实薅攘终 系统上添加应用程序即可，简化了操作，提高了靠性。 u c o s i i 特点 o m i c r oc o n t r o lo p e r a t i o ns y s t e mt w o ，绝大多数旋玛趸e 来编写，可方便移 植到几乎所有嵌入式c p u 中。已通过美国航空航天管理局认证，可用于航天嚣， 飞行等与人性命攸关的系统中，可靠性已经实践验证。 滠筠公秀 可移植性大部分代码用c 编写，符合a n s i 标准，硬件相关的汇编语言部分 比例小，移植到其他微处理器上非常方便。 哥霆纯，霹裁减逶避编译、链菝、下载，u c o s - i i 哥曩倦刭系统孛，残受袭 统的一部分。并支持只选用应用程序需要的系统服务，裁减u c o s i i ，从而减少 7 第一岢绪论 系统需要用到的r a m 和r o m 。 占走式u c 。s l l 是一个占先式酶蠢核，帮已_ 经漆餐就绪兹赢德先级任务可蔽 剥夺正在遮行的低优先级任务的cpu 使用权。这个特点使得它的实时性比非占 先式的内核要好。 默5 1 蕈片枕为铡眈较，在5 l 孛餍俺统方法编程，薅中断方式采集一魏数撬并 进行处理。对较为复杂的数据处理过程，传统方法怒置一标志位，然后退出中断， 主程序由予循环执行，一旦监溅到此檬志就转入数据处理程序，倪这样无法确定 发生中断辩程序至l 底撬行鬟了 么辘方，也就无法裁断要经过多长对闻方会执行 数据处理程序。中断响_ 啦的时间不能确定，系统的实时性就得不到保证。 在u c o s - l i 中，只要把数据处理程膨的优先级设嫩盼高一些，嵌中颛服务瑕序 中使其进入就绪态，中断结束后数据鲶瑾程序就会梭立帮撬行。这样可以把审断 响应时间限制在一定的范围内。对于些对中断响应时间有严格要求的系统，这 是必不可少豹。 多任务可 ；乏管理髓个任务，每个任务有不同懿优先级。u e 内s 珏是一个麓 于优先级的实时操作系统。每一个任务必须具有不同的优先级。就绪的优先级最 毫豹饪务罄先褥到cpu 戆菠爰投，只有等它交爨cpu 的馒髑投嚣，其他饺务 才可良被执行。u c o s i i 多任务，不怒多进程。 可确定性全部函数调用与服务的执行时间在u s o s - i i 中都是可以确定的 任务棱每个饪务郡露叁己单独约棱 中断管溅中断使正猩运行的任务攘越，如果再挂起中，髓中断唤醒了更高优 先级的任务，则此任务谯所有中断嵌饔退出后立即执行。中断嵌凑层数可以多大 2 5 5 层。 第二二章软件系统 2 软襻系统 通用实验测控系统上位机软件聚用模块化程序结构，这种稷序结构具有维护 篱单、容麓季广充、我强鬓予罄改等黪患。该系统锭掇较谨主蘩分为：控裁模块， 显示控件模块，数据处理模块、i o 模块、链按横块等五大模块。各个模块功能 关系如下图； 链按模块主要负责和下位机进行数据通信，向下位机传输软件对下位机和传 感器所设鼹的控制参数，向上位机传输下位机的状态信息和传燎器的数据信息。 鼗撂鲶瑾模袋主委受费疆理壶镶接模袭缛蛩的数据，并邃行楚瑾。该模块怒 数据进行编号，并根据数据流时间熬在编号的同时写入每个数据对应的时间，因 此模块处理后得到的数据由三部份缀成：数据序芍，数据时间，数据值。数据处 理模头闲游其存鼗器楚壤錾数，惫掭： 加：每个数据加上固定的数值。 减：每个数据减去固定的数值。 乘：每个数箨乘浚霹定浆数篷。 除：每个数据除以固定的数值。 微分：对数据做微分。 积分：对数据骰袄分。 五点三次平滑：对数据进行五点三次平滑。 譬 第二二颦软件系统 快速傅立时变换：对数据进行快速傅立叶变换。 在述行数据处理静隧辩，该模块述傈螯着蘸鲶数据，蘑亲进行实验数据豹萋 现及重处理。 控制模块是整个程序豹逻辑枢缀，负责控制熬个平台的正确、稳定的运行， 检灏荠调熬上位辊静、获淼，使链接模块糍够商蘩撂楚瑾模块正确、连续静传送实 验数据。 用户遇过控制模块设定传感爨的开始工作和停止触发方式，然后将每个传感 器的工作参数帮越发方式暹过链接棱狭下传羁下继狡。触发方式赡下： 工佟方式停止方式 手动：手动： 由操作者警工开始传感器工由操f # 者手工停止传感器工作。 撵。 - 定时：定时： 等待预设h 尊间后传感器开始工等待预设时闻后传感器箨止工 作。 终， 关联触发( 大于) ： 关联触发( 大于) ： 某一传感器数据值大于设定值某一传感器数据德丈子设定值时 融开始工俸。 停止工话。 关联触发( 等于) ：关联触靛( 等于) ： 某一传感撩数据值等于设定谯 菜一传感器数据值等予设定值时 时开始工俸。 开籍工襻。 关联触发( 小于) ： 关联触发( 小于) ： 菜一黉感器数握擅小于设定菹慕抟感器数摄值小予设定基对 时开始工作。 开始工佟。 控制模块阅露受责控剃和携调每个连接到设套上鹃传薅器懿莱撵频率。每个 佟感器的采样率由嗣户程开始设计安验阶段设定。为了适合不同实验的需要，采 样率分为低和高两种档位，低档位频率从3 6 0 0 s 列1 s ，低档位频率从2 h z 到 l o 第= 章软件系统 t 0 0 0 0 h z 。当系统处予低档位工作时，传感器工作触发由下位机完成：当达到数 据采集辩黼露，下霞穰国上位税发送添集信号，然嚣按毂一个采集数据。当系统 处于低档能工作时，传感器工作触发由上位机完成，下位机不断得到下位机缴给 的测量数据。 每个邋道的工俸循环摇下蚕嚣示； 通道工作循环图 1 0 模块受赛实验浚鹫参数寝实验数据熬搡存瓣读彀。是稳渗慰努豹接霜。 一个实验的全部信息存储为两个文件，一个是n i l 格式的实验设置参数，一个魑 第二章软件系统 类型文件的格式的实骏数据文件。将实验设置参数与实验数据文件分开的好处在 于嚣予圈一个实验参数浚嚣葙藤懿襄验我餐不需鼗每次实验郝蓬薪对健基器参 数、控制参数进行设露，只要载入日经存储过的设置信息就可以了。 其中实验的设置参数包括：各个通道所用传感器类型、传黪器设置参数、各 个显示控件静设置参数、实验名称、炭验露霆、实验说明、实验数据文俘名称等； 实验数据信息包括：备个通道所得到的传感器上传数据集，每个数据分为三个部 分：数据序号，数据时阕，数据值。 显示模块受责实验数据的显示，该模块分为数字密酲，纹表窑墨，表格密瓣， 图形窗口阻部分，分别对应实验数据的不同显示方式。每个窗l z l 对应不同显示的 控件，接 串可以多次调爝，每次调用时开耱薪线糕，能够互不干扰的同时工 乍； 两一窗日可默按照不同漪设置参数落行数据信崽酶髭示。 第三章硬件系统 3 。硬佟系统 3 1 。硬件系统结构 接日控制盒的硬件系统主要有南中央控隼和处理模块、僚感嚣驱动聚祭接 口、u s b 通讯接口、电源稳压模块和各类传感器构成。其中中央控制和处瑕模 块负责整个接口控制盒髓控铡和数掇处理工终，露体系统是基予它之上，通道它 来实现对其他模块的控制，中央控铕l 帮处理模块怒整个接口控制盒的工作棱心； 传感器驱渤采集接口是稃种外设传感器和中央控带4 和处理模块相连接的桥梁，由 它来完成信号量静传递；u s b 遁镪接盈f 建供接口按期盒与上经枫熬通讯功麓， 由它来完成所采集数攥和控帝i 信号接口控制盒与上位机之闻的数据传输；各辩传 感器用来测量不同的物理量，将不同的物理量都转化为数字式电压量或者模拟式 电基量戳珙传感器驱动添集接口采集；瞧嚣稳压模块鼹予将2 2 0 茯的照骥交流电 转化为接口控制盒的z 作电源以及数据采集模块的参考电压。 硬件系统模块图 1 3 第三章硬件系统 硬件系缴据总线匿 3 2 硬件功能模块： 3 。2 。1 中央控制和运算模块( d s p ) 本系统用m o t o r o l a5 6 8 0 3d s p 来作为中央处理器，十穴位豹5 6 8 0 0 系列 d s p 是m o t o r o l ad s p 产晶中静低徐佼系弼，5 6 8 0 3 的拯量订货镱片价格在l o 奖 元以内，这系列产晶浆用的是5 6 8 0 0h a w kv l 内核。该核特点如下： 关键部分采用双蜍佛结构，支持劳譬亍处理； 程8 0 l l l h z 时钟频率下可达到赡兆条指令s 国i p s ) 的指令执行速度；( 本 系统中采用4 0 h z 时钟频率得到2 0 兆条指令s ( m i p s ) 的指令执行速胰。) 肇捂令周期可以宠残1 6 位1 8 位盼并季亍一魏运算； 支持1 5 种不同的寻址方式； 具有两个带有扩展位的3 6 位累加器； 支持1 6 经双囱缀琢霞移； 支持位操俸； 支持硬件d o 和r e p 循环指令； 嚣三帮硬件系统 支持可由用户爱活定义的多级终端优先级； 癸有三条肉帮魄疆总线耱一条终部逮缝豫线； 凝有四条内部数据总线和一条外部数据总线： 支持d s p 和m c 3 两耪功能风格的指令系统； 薯鲢方式粪钕m c u 风格，撂令彳弋羁篱涟荔掌； 高效的c 编译嚣，支持局部变量： 支持软件子程序，中断雄栈空闯仅局限予存储器空国大小； j t a g o n c e 程穿调试接西，允许在系统设计过程中随辩滋行滴试，并冒 对软件进行实时调试。 一 5 6 f 8 0 31 6 ，位d s p 的特点 兼其数字信号整理器( d s p ) 黍f 举片视( m c u ) 功麓：m a c ( m e a r u r e m e n ta i lc o n t r o l 测量与控制) ，1 4 种寻址模式； 3 1 5 k 1 6 - b i t 字节稷痔f l a s h ； 5 1 2 + 1 6 b i t 字节程序r a m ； 4 k - 1 6 一b i t 字节数据f l a s h ： 2 k - 1 6 b i t 字节数据鬏期堪； 2 k ，1 6 - b i t 字节引导f l a s h ； 扩展稷序和数据内存最多达至u 6 4 k - 1 6 b i t 字节； 6 逶遴p w m 摸块； 两个4 通道1 2 - b ha d c s ； 乘积解码器； c a n 2 0 b 摸块； 串行通讯接口( s c i ) 串行外设接n ( s p i ) ： 最多霹这4 拿劳囊攘褰4 令1 6 整诗数嚣懿宝对嚣( e l 掰复矮) ； 1 6 条普通应用i o 线； 1 0 0 脚l q f p 封装； 高集成度c m o s i 艺，兼样r i l 数字输入： 第= ! 章硬件系统 单一3 3 伏电压供电，i 0 最大可允许5 v 电压； 毒雳于数穰魄路降耗帮降耀靛片载整渡嚣； 等待和停止模式； 下图菇5 6 8 0 3 静内狻捱鹜 5 6 8 0 3 的内核糕图 m o t o r o l a5 6 8 0 3d s p 辩装图： 第三三章硬件系统 m o t o r o l a5 6 8 0 3d s p 封装图 3 2 。2 与上位机遴讯模块( u s b 2 o ) 冉甜8 n 5 洲 m 3 娥 本系统中与上位机的通讯接口采用u s b 2 0 。u s b 接口以其使用方便( 可以热 接拔) 、传浚速率意( u s b 2 。0 耱谈爱麓冒这4 8 潮s ) 、捷露灵溪( 璐b 2 0 穗支特 4 种不同的传输方式；掇制传输、批擞传输、中断传输和等时传输；支持可供选 择的3 种不同的传输速率) 和比较广泛完善豹硬件釉操作系统支持( 几乎现磁的 p c 梳瑟撩俸系统都支持u s b 2 0 了) 成为本系绞瞢透瓣逶谖接霸。 不过u s b 通讯协议最比较复杂的，开发工作量也比较大，为了缩短开发周期 本系统选择c y p r e s s 公镯的c ￥7 c 6 8 0 0 l ( 也称z - u s bs x 2 ) 来作为u s b 接口芯片，该 芯片穗大部分对慝户开发来说不需餮瑟改静控露健搿蘑纯在箕态部，这样麓户哭 需要完成与设置相关的代码工作就可以完成协议的开发了，这样大大简化了协议 1 7 黧僦辫戮淫羡嚣 艄璐潍獬黼蚴搬蹦嫩瓣黼麟斛舯斛黼麟洲撇排妣一潞一髂 第三章硬件系统 的开发过程。 e z u s b s x 2 t m 的特点 s x 2u s b 接口设备是为所有外设芯片( 如标准的为控制器、d s p 、a s i c 等) 设计 的用于支持u s b2 0 协议的外设接口芯片，它有固化的u s b 收发器、串口功能 ( s i e ) 和一个用来收发u s b 数据的命令解码器。该控制器有四个管道，它们共享 一个4 一k b 空间的用来应付最大弹性需求和吞吐量的f i f o ( 先进先出) 缓存。s x 2 有三个选址引脚和一个用于指令和数据输入输出的8 或1 6 位可选的数据总线。 特点 u s b2 0 一协议 可运行于高速( 4 8 0h “o p s ) 或全速( 1 2m b p s ) 两种速率 支持控制管道o 一用于控$ ! | u s b 设备请求d e v i c er e q u e s t s 支持4 个可配置的管道他们共享一个4 一k bf i f o 缓存一管道2 ，4 ，6 ，8 用于数 据和控制信号的细节应用 标准8 或1 6 位外设主控接口适用于多数标准的为控制器、d s p 、a s i c 等的一同 步或异步接口 完整的锁相环功能( p l l ) 3 3 v 运行电压，i o 最大可允许5 v 电压 5 6 引脚s s o p 和q f n 封装 遵守大多数设备类规范 e z u s b s x 2 “模块框图如下 持三章硬件系统 u s b 接蜀系缓簇霆： e z u s b 圆s x 2 “模块框图 张l 燃睡删喜暴e 译目b 酶瓣捐鲢 骓s 墨 c 盛轻 竺兰型 厂匍一一圃 唾孓 u s b 接盈系绞疆銎 e z - u s b s x 2 t m 的s s o p 射装图： 第三章硬件系统 s s - p i s t $ o p s c l e y 7 c 6 8 0 0 1 g d s d a 5 6 蕊ns s o p v c c v c c g k d f d 0f d 7 f d if d 6 f d 2溉 f d 3耐 e z u s b 固s x 2 “的s s o p 封装图 数据传输方式 本系统采用u s b 2 0 协议中的批量传输方式进行上位机与下位机之间的数据 传输，下位机使用管道0 进行必须的控制命令传输，采用批量传输模式，使用管 道2 用来接收数据，接收缓存设置为1 0 2 4 字节，使用管道2 用来发送数据，发 送缓存设置为1 0 2 4 字节。来其传输方式为： ( i ) 在一次新的数据传输开始前，设备需要知道所传输数据的地址和数量，故主 机首先启动一次控制传输通知设备，该信息包含在控制传输的建立包中。 ( 2 ) 下位机在接收到该控制传输的建立包后，产生一个中断，下位机进入中断服 务例程，根据中断向量进入调用相应的端点例程( 在这里是端点。接收例程) ，该 子程序设置事件标志并将建立包的值读入数据缓冲区。最后发送零长度数据包应 答主机以结束这次控制传输。 ( 3 ) 主循环清事件标志，并根据建立包中的请求信息调用相应的请求服务例程， 读出数据缓冲区的值，并赋予相应的数据指针。为即将来临的数据传输做好准备。 ( 4 ) 主机再次发出一个请求，启动主端点通道的批量传输。 ( 5 ) 下位机中断寄存器，选择调用主端点输入子程序，将外部数据存储器的数据 露蟋震罐嚎黧黧鐾熟辫黧f黧 第三章硬件系统 读入数据缓冲区。如果数据超过1 0 2 4 字节，即主端点的缓冲区长度( 也是批掇传 输模式翁竣大数据包长度) ，翊只发送蓠1 2 0 4 字节。荠调整穗藏静鼗雍指锋。 ( 6 ) 主机在收到数据后，判断所传输的数据量是否融经完成，如果数据未传输先， 故继续向设备发送批爨传输请求( 步骤4 ) 。 ( 7 ) 重复疹鞣5 ，6 ，蠹麓设备发送竞主辊掰要求瀚数据量。 3 。2 3 微分模拟输入接强 微分模拟输入接口用于对模拟式输出传感器的数据测量，本接口盒共有4 个 缀分模羧羧入接强逶瀵，每个_ 遂遵袋羼p s 2 接翻接头接a 终戆器，它餐共惩 个4 通道的a d 7 8 6 5 1 4 位a d 变换器，a d 变换器变换后的数字信号通过1 6 住的 数据总线输入到m o t o r o l a5 6 8 0 3d s p ，该接口参数特性如下： + 一l ov 镦努蘩入 1 4 德a d 变换器 分辨举( l s b ) 1 2 m y 2 5 0 k “3 0 0 k 每移聚释率 接口游片：a d 7 8 6 5 四路1 4 位a d 变换器，1 6 彼并行输出( bd o ：1 5 输入锁 存器) 赣入隧撬i o g 欧褥 6 线p s 2 接口线序： h o l e 3v i n +r e dw i r e l 沁l e 8￥i n 矗y e l l 渊w i r e h o l e 8p o w e r + 5 vg r e e nw i r e h o l e 5g n d o r a n g e1 i i r e 3 2 。4 差分模拟输入接口( 8 通道单端模拟输入接口) 差分模拟输入接日粥于对模拟式输出传感器的数据颡l 量，本接口盒共有8 个 差分模拟输入接口通j 麓，使用m o t o r o l a5 6 8 0 3d s p 的片载1 2 俄a d 变换器，该 第三兰窜硬件系统 接口参数h 葶【l 特性如下； 0 i o v 擎薅辕入 1 2 b i ta d c 分辨率( l s b ) 5 m y 2 0 0 k 簿移采襻率 a no “7 直接输入d s p 输入臌抗4 m 欧姆 1 6 线羧蠢线彦，铁左鑫玄； 线序 1 2345678 v i n l + g n dv i n 2 +g n dg i n 3 +g n dv i n 4 +g 辩 9 1 0 l l 1 21 31 41 51 6 v i n 5 +g n d v i n 6 +g n dv i n t +g n dv i n 8 +g n d 3 2 5 数字输入输出接口 数字输入输出_ 凑翻瘸子各种数字式输出传感器游数据采集，本接口盒共有4 通道数字输入输出，瀚过c p l d 的编址后输入到m o t o r o l a5 6 8 0 3d s p 的两个快 速数字计数器计对器，该接口参数秘特性如下： 4 个立体声耳机插头 每个插头有两个模拟输入端口 第l 、个数字输入糍露器蔽转挠裂块速数字谤数器t d i ( 最大颓率2 0 m h z ) 第5 “8 个数字输入端可| 三f 被转换列快速数字计数器t d 2 ( 最大频率2 0 m h z ) d g i o i a d g l 0 4 a 崖接输入c p l d 3 2 6 模拟输小接口l 通道模拟输出 模获簸滋遂道惹予为实验过程撬镞激潦痞每懿擦麓售号，零羧岛盒提供一个 1 4 位3 0 0 k h z 变换率的模拟电压输出，使用a d 5 5 5 2 b r1 4 位d a 变换器，电愿建 立时间为3 0 微秒。该接口的参数和