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基于虚拟仪器的运输环境数据采集与分析系统研究 摘要 产品在流通中，运输环境的影响不可避免。这些自然的或非自然的因素， 时刻都在影响着产品，对包装也是一个考验。运输中最常见也重要的物流破 坏因素便是振动，冲击及温湿度。我们以加速度值来衡量运输中所遇到的振 动与冲击。运输环境中的温度、湿度、大气压等也是我们重点考虑的因素之 一。这些我们现实中能感触触到的、感触不到的，但事实存在的现象都将 对我们的产品或包装产生或多或少的影响。如何将这些现实中能感觉到的或 感觉不到，但能切实影响我们生活的存在进行量化和记录，为我们的研究和 分析提供依据。同时，量化和记录的这些数据又要最大程度的接近事实存在。 这些都为我们包装科研人员提出了更高的要求。 目前，针对运输环境中加速度、温度、湿度、大气压等环境因素的便携 式采集设备，国外比较成熟。国内在这方面的研究也在不断的进步，但大部 分都比较单一，而且笨重，无法满足长时间、有限空间内的各种数据采集与 记录等。然而，国外的设备相对昂贵且因地域、文化等差异，使用起来往往 不能得心应手或有所遗憾。 本系统就是针对运输环境中的加速度、温度、湿度、大气压等因素的采 集、记录、分析进行的研究，期望设计出一套可以完成对运输环境数据的采 集、存储、显示、分析，具有采集时间长、便携、人机界面简单等特点的运 输环境数据采集与分析系统。 本系统下位机主要由加速度传感器、温湿度模块、大气压变送器模块、 f p g a 芯片、a d 转换模块、存储模块、电源模块、时钟模块、显示模块、 u s b 接口模块等部分组成。加速度传感器对运输环境中的加速度信息进行 采集、变换送到a d 转换模块进行数据采集。温湿度模块，对运输环境中的 温度、湿度信息通过敏感元件进行采集与量化，以二进制数据送到f p g a ， 供其进行进一步的处理与分析。大气压变送模块可以采集1 0 m b a r 到 11 0 0 m b a r 之间的绝对压强。这些都构成了下位机的硬件部分。 软件方面，使用v h d l 及原理图对f p g a 进行编程。所有的程序都采 用模块化、参数化编程，为以后系统的升级、改进提供了有利条件。上位机 方面，则采用虚拟仪器软件平台l a b v i e w 进行编程，主要完成数据的读取、 处理、分析与显示、与下位机通信对下位机进行配置等。 运输环境中，数据采集时间长，数据量大等问题也是我们本文要解决的 问题之一。针对采集的数据量大，存储困难等，提出了一种可以减少数据存 储，同时有可以提高存储器利用率的，而信号又不失真的存储方法。 能耗方面，由于温度、湿度、大气压等数据变化相对缓慢，而运输环境 的振动基本上属于低频振动。因此在数据采集时，采样频率以情况而定。本 系统中使用的l c d 模块功耗大约0 5 w ，而g p s 模块连续方式下功耗大约 0 2 w ，能耗相对较大。因此在长时间采集时可以关闭显示模块，g p s 模块也 可以根据情况选择s l e e p 模式。 整个系统最终实用，安全，可靠、便携。分析软件界面简单、美观、易 于操作。 关键词：虚拟仪器，运输环境，f p g a ，数据采集，数据存储，u s b 接口 t r a n s p o r te n r o n m e n td a t a a c q u i s i t i o n a n da n a l y s i ss y s t e mr e s e a r c h b a s e do n r t u a li n s t r u m e n t t a b s t r a c t p r o d u c t si nc i r c u l a t i o n , t r a n s p o r t a t i o ne n v i r o n m e n t a li m p a c ti si n e v i t a b l e t h e s en a t u r a lo ru n n a t u r a lf a c t o r sa f f e c tt h ep r o d u c t w em e a s u r et h ev a l u eo f t h e v i b r a t i o n sa n ds h o c ka sa c c e l e r a t i o n t h et e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , a n da t m o s p h e r e i nt h ee n v i r o n m e n ta r eo u rk e yf a c t o r f o rc o n s i d e r a t i o n t h e s ee x i s t i n g p h e n o m e n o n sw ec 弛t o u c ho rn o t , b u ta c t u a le x i s t i n gp h e n o m e n o n ，i n f l u e n c e o u rp r o d u c to rp a c k a g i n gl e s so rm o r e h o wt oq u a n t i f ya n dr e c o r dt h e s ee x i s t i n g t h a tw ec a nr e a l l yf e e lo rc a r l tf e e l ，b u tr e a l l ya f f e ao u rl i v e s a n dp r o v i d ei tf o r o u rr e s e a r c ha n da n a l y s i s a tt h es a m et i m e ，q u a n t i z i n ga n dr e c o r d so ft h e s ed a t a a n ds h o u l db em o s ta p p r o a c ht h ef a c t s t h e s ea l ls e tah i g h e rd e m a n df o ro b r p a c k i n gs c i e n t i f i cr e s e a r c hp e r s o n n e l a tp r e s e n t ，t h ep o r t a b l ee q u i p m e n tf o rt h ee n v i r o n m e n ta t m o s p h e r i c p r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , a n do t h e re n v i r o n m e n t a lf a c t o r sa e q u i s t i o ni s m o r em a t u r ei na b r o a d d o m e s t i cs t u d i e si nt h i sf i e l di sa l s oi nc o n s t a n tp r o g r e s s ， b u tm o s to fi ti sm o r eo n e f o l d ，b u l k y , a n dc a n n o ta d j u s tl o n gt i m e ，i nal i m i t e d s p a c ea l lk i n d so fd a t aa c q u i s i t i o na n dr e c o r d i n g h o w e v e r , f o r e i g ne q u i p m e n t i s r e l a t i v e l yc o s t l ya n dn o th a n d yi nu s eo rap i t yb e c a u s eo f t h eg e o g r a p h i c a la n d c u l t u r a ld i f f e r e n c e s 1 1 1 i s s y s t e m i sam s e a r c ho fa c q u i s i t i o n ，r e c o r d s ，a n a l y s i sf o rt h e t r a n s p o r t a t i o n e n v i r o n m e n td a t ao ft h e s ef a c t o r s s u c ha s a c c e l e r a t i o n , a t m o s p h e r i cp r e s s u r e a n dt e m p e r a t u r e a n de x p e n dt od e v i s eas e to f t r a n s p o r t a t i o ne n v i r o n m e n t a ld a t ac o l l e c t i o na n da n a l y s i ss y s t e m ，w h i c h c a i l c o m p l e t et h et r a n s p o r te n v i r o n m e n t a ld a t a sc o l l e c t i o n ，s t o r a g e ，d i s p l a y , a n a l y s i s a n di th a sa c q u i s i t i o nt i m el o n g ，p o r t a b l e ，m a n m a c h i n ei n t e r f a c es i m p l e c h a r a c t e r i s t i c s ，n l i s s y s t e m m a i n l yc o n s i s t o fa c c e l e r a t i o ns e n s o r s ，t e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t ym o d u l e ，a t m o s p h e r i cp r e s s u r em o d u l e ，f p g ac h i p ，a dm o d u l e ，s t o r a g e m o d u l e ，p o w e rm o d u l e ，d i s p l a y sm o d u l ea n d u s bi n t e r f a c em o d u l e a c c e l e r a t i o n s e n s o rc o l l e c t sa n dt r a n s f e r st h ea c c e l e r a t i o ni n f o r m a t i o ni nt r a n s p o r t a t i o n e n v i r o n m e n ta n dp u s h si ti nt h ea dm o d u l ef o rd a t aa c q u i s i t i o n t e m p e r a t u r e a n dh u m i d i t ym o d u l ec o l l e c t sa n dq u a n t i f i e st h e t r a n s p o r te n v i r o n m e n t i n f o r m a t i o ns u c ha s t e m p e r a t u r e a n dh u m i d i t yt h r o u g ht h es e n s i t i v e c o m p o n e n t s ，a n du s h si ti nf p g af o rf u r t h e rp r o c e s s i n ga n da n a l y s i s a t m o s p h e r i c p r e s s u r em o d u l ec a l lc o l l e c tt h ea b s o l u t ep r e s s u r eb e t w e e n10 m b a ra n d1lo o m b a r t h e s em a k eu pl o w e rl e v e lc o m p u t e rh a r d w a r ep a r t s s o f t w a r ep a r t w eu s et h ep r i n c i p l ee h a r to ff p g aa n d 钐脱f o r p r o g r a m m i n g a l lp r o g r a m sa r em o d u l a r , p a r a m e t r i cp r o g r a m m i n g ，a n dp r o v i d e af a v o r a b l ec o n d i t i o nf o rt h es y s t e mu p g r a d ea n di m p r o v ei nf u t u r e p ca s p e c t s ， u s e i n gt h el a b w v i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r ep l a t f o r mf o rp r o g r a m m i n g ，i t m a i n l yc o m p l e t e s t h ed a t a s r e a d i n g ，p r o c e s s i n g ，a n a l y s i s ，d i s p l a y ， c o m m u n i c a t i n gw i t hl o w e rl e v e lc o m p u t e rc o m m u n i c a t i o na n dt oc o n f i gt h e l o w e rl e v e lc o m p u t e r , e t c d a t ac o l l e c t i o nt i m el o n ga n da m o u n to fd a t al a r g ei so n eo fo u rp r o b l e m s t h a tt h i ss y s t e mw o u l ds o l v e c o n t r a p o s et h ed a t aa m o u n tl a r g e ，s t o r a g ed i f f i c u l t y , w ep u tf o r w a r dam e t h o dw h i cc a nr e d u c ed a t as t o r a g e ；i r e p r o v et h eu t i l i z a t i o n r a t i oo fm e m o r ya n ds i g n a ln o rd i s t o r t i o n e n e r g yc o n s u m p t i o np a r t ，t e m p e r a t u r e ，h u m i d i t ya n da t m o s p h e r i cp r e s s u r e c h a n g er e l a t i v e l ys l o w , a n dt h ev i b r a t i o no ft r a n s p o r t a t i o ne n v i r o n m e n tb e l o n g s t ol o wf r e q u e n c yv i b r a t i o n s ow h e nc o l l e c t i n gt h ed a t a , s a m p l i n gf r e q u e n c y s h o u l db ea d a p t e dw i t ht h es i t u a t i o n t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h el c d m o d u l eu s e di nt h i ss y s t e mi sa b o u t0 5wa n dt h eg p sm o d u l ep o w e ru n d e r c o n t i n u o u sm o d ei sa b o u t0 2w ：e n e r g yc o n s u m p t i o ni so p p o s i t eb i g g e r s o ，i n l o n gc o l l e c t i o nw ec a nd i s a b l et h ed i s p l a ym o d u l e ，g p sm o d u l ec a l la l s ob e c h o o s e do ns l e e pm o d ea c c o r d i n gt ot h ec i r c u m s t a n c e s n ew h o l es y s t e me v e n t u a l l yi sp r a c t i c a l ，s a f e ，r e l i a b l e ，a n dp o r t a b l e a n a l y s i ss o f t w a r ei n t e r f a c ei ss i m p l e 。b e a u t i f u la n de a s yt oo p e r a t e k e v w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，t r a n s p o r te n v i r o n m e n t ，f p g a , d a t a a c q u i s i t i o n ，d a t as t o r a g e ，u s bi n t e r f a c e i v 基于虚拟仪器的运输环境数据采集与分析系统研究 1 引言 随经济全球化的发展，产品的物流已经不再局限于某一区域或地区，而是世界范围 内的多种渠道的流通。在整个物流过程中，物流环境所造成的损伤，例如振动、撞击、 剌穿和挤压，及自然环境的温度、湿度、腐蚀、辐射等等都直接影响着产品的性能及寿 命。而解决此类问题不仅仅是保障产品的安全、方便储运装卸、加速交接、点验等作用， 包装同样需要解决物流及运输成本，以最小包装成本获取最大的经济利益。 要想取得包装与成本的最佳切合点，就需要充分了解产品的性能及价值，及流通中 的那些环境因素对产品的未来使用影响最大。而如何衡量与测定这些因素，为试验室模 拟及包装的设计提供充分的数据支持也是我们要面临的课题之一。 运输是物品流通中的必要环节，而运输中最常见也重要的物流破坏因素便是振动， 冲击等。我们往往及加速度值来衡量运输中所遇到的振动与冲击。自然环境，也是我们 要重点考虑的因数之一，例如温度，湿度，大气压等。不管加速度，还是温度、湿度、 大气压，我们能感触到的事实存在的事物或抽象的定义。如何将这些现实中能感觉到的 或感觉不到，但能切实影响我们生活的存在进行量化和记录，为我们的研究和分析提供 依据。同时，量化和记录的这些数据又要最大程度的接近事实存在。这些都为我们包装 科研人员提出了更高的要求。 许多前辈在物流环境中的振动、冲击、加速度、温度、湿度、大气压等相关领域的 研究，及电子与计算机科学的发展为我们在这方面的学些与研究提供了条件与便利。我 们知道物品流通的大部分时间里，加速度值集中在o - 1 0 0 0 g 之间，频率在3 - 5 0 0 h z 之间。 而环境温度主集中在一3 0 4 0 之间，相对湿度主要在1 0 到9 0 之间。而大气压在最大 值为1 0 l l o s p a ，海拔高度每增加1 2 m 大气压降低约1 3 3 p a 。这些都为我在进行采集仪 器设计时提供了思路和范围。 目前，针对运输环境中加速度、温度、湿度、大气压等因素的采集设备，国外比较 成熟，例如美国及日本的一些公司的产品等。国内在这方面的研究也在不断的进步，但 大部分都比较单一，而且笨重，无法满足长时间、有限空间内的各种数据采集与记录等。 然而，国外的设备相对昂贵且因地域、文化等差异，使用起来往往不能得心应手或有所 遗憾。 本文就是针对运输环境中的加速度、温度、湿度、大气压等因素的采集、记录、分 析进行的研究，期望设计出一套可以完成对运输环境数据的采集、存储、显示、分析， 具有采集时间长、便携、入机界面简单等特点的运输环境数据采集与分析系统。 陕西科技大学硕士学位论文 f p g a 是在p a l g a l 等逻辑器件的基础上发展而来的。以f p g a 为核心的硬件系统有 着体积小，重量轻，功耗低，高集成度和高可靠性，设计周期短等优势。同一片f p g a 芯片，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能，因此它的使用非常的灵活。我们的 硬件就是以f p g a 为核心，加以a d 转换，存储，电源块，时钟块，显示，接口等模块 及外围电路组成。 软件下位机主要以硬件描述语言v h d l 及原理图进行编程。上位机的数据处理与分 析则以l a b v i e w 为主。l a b v i e w 作为虚拟仪器软件平台，它包含了多种接口及数据采集、 处理、分析等模块，将许多常用的通讯及数据处理分析方法及函数进行了封装，使得使 用起来更加方便，快捷。本文将会进行详细的分析与研究。 基于虚拟仪器的运输环境数据采集与分析系统研究 2 系统构成 整体而言，系统基本上可以分为两大部分，即上位机与下位机。 2 1 上位机 上位机主要以p c 机为基础，集中进行环境数据的读取，处理与分析等，同时完成 对下位机程序的下载与更新。上位机的应用软件编程以虚拟软件平台l a b v i e w 为主进 行。上位机首先通过u s b 接口读取数据并存储。然后根据用户要求进行相应的分析。 2 2 下位机 下位机以f p g a 为核心，完成对环境数据例如温度、湿度、振动冲击加速度及大气 压等信息的采集，简单的预处理，存储等。下位机基本上可以分为硬件设计与软件编程 等。 2 2 1 下位机硬件部分 本系统主要由f p g a 芯片，a 仍转换模块，存储模块，电源模块，时钟产生模块， 显示模块，接口模块等组成。时钟电路产生a d 器件及f p g a 等模块所需的时钟。u s b 接口芯片用来在数据采集系统和p c 机之间快速的传送大量数据。f p g a 则是整个系统 的核心，完成数据的采集、存储、显示等任务。系统结构如图2 1 。 3 陕西科技大学硕士学位论文 图2 - 1 系统构成 f i g 2 - 1s y s t e ms t r u f t u r e 2 2 2 下位机软件部分 下位机以f p g a 为核心完成数据的采集，存储，显示等操作。基本上分为分频，数 据采集预处理，数据存取，g p s 信息获取，l c d 控制显示，u s b 控制器等部分组成， 各个模块功能及f p g a 程序后面将会进行详细的探讨。 2 3 小结 以上两节分别就上位机与下位机进行了探讨。下位机的软硬件，我们会在第四章进 行讨论。上位机以计算机为载体，以l a b v i e w 为基础进行编程，完成数据的读取、分 析、显示，我们会在第六章进行简单的说明。 基于虚拟仪器的运输环境数据采集与分析系统研究 3 硬件选取 3 1 传感器选取 传感器将运输环境中的我们可以感知到的温度、湿度、大气压、加速度等信号感知 并转化成电流或电压信号供下位机使用。 3 1 1 温湿度传感器 由于温度与湿度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系， 所以温湿度一体的传感器就会相应产生。正如我们前文中提到的，运输环境中的温度主 要集中在一3 0 4 0 c ，而相对湿度主要集中在1 0 一9 0 之间。因此，传感器的选择不仅要 求在这个温湿度区问内能够稳定的工作，同时还要足够的精度。 温湿度传感器是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设备或装 置。市场上的温湿度传感器一般是测量温度量和相对湿度量。本系统选用瑞士s e n s i r o n 公司的s h t 2 5 温湿度传感器模块。外观图如图3 1 。 图3 1 温湿度传感器模块 f i g 3 - 1t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ys e n s o rm o d u l e s h t 2 5 数字温湿度传感器，具有极高的可靠性和长期稳定性。全量程标定，两线数 字接口，可与f p g a 直接相连。同时它具有体积微小、响应迅速、低能耗、可浸没、抗 干扰能力强、温湿一体，兼有露点测量，能够适于多种场合的应用。接口采用静态逻辑 组成，不存在最低时钟信号的问题。它的时钟输入上限为0 4 m h z 。该型温湿度传感器 的温度及湿度精度曲线如下图3 2 陕西科技大学硕士学位论文 图3 2 湿度及温度精度曲线【 f i g 3 - 2h u m i d i t ya n dt e m p e r a t u r ea c c u r a c yc u r v e 由上图可以看出湿度在1 0 9 0 时，误差在士2 左右。而温度在0 6 0 之间的误差 在士0 4 。c 左右，满足我们的仪器需求。 3 1 2 气压传感器 大气层受到重力的作用，会对处于它中间的物体产生压力，单位面积上的压力称之 为压强。大气压的变化跟高度有关，离地面越高大气压越小。我们把海平面上的大 气压称为标准大气压，约为1 0 1 1 0 5 p a 。海拔高度每增加1 2 m 大气压降低约1 3 3 p a 。 目前，气压传感器一般有测量表压也就是压差、绝对压强两种方法。他们之间存在 着这样的一个公式：绝对压强= 表压+ 标准大气压。 本系统选i n t e r s e m a 公司的m s 5 5 3 4 b 大气压变送模块。具有结构小巧，工作稳 定，功耗低等特点。它的外形图如3 3 。 图3 - 3 大气压传感器模块 f i g 3 3a t m o s p h e r i cp r e s s u r es e n s o rm o d u l e 它的外部尺寸只有9 m m 9 m m ：可测量大气压的范围：1 0 m b a r 1 1 0 0 m b a r ；工作温 度范围：4 0 * c - - 一+ 1 2 5 。c ；测量精度0 1m b a r ，同时具有1 5 位的a d 转换精度。很容易 基于虚拟仪器的运输环境数据采集与分析系统研究 的焊接到电路板上。它的脉冲输入频率为3 2 7 6 8 z 。同时它随温度变化的影响，处于 我们可接受的范围，如图3 _ 4 。 从图中我们可以看出，0 ，2 5 ( 2 ，7 0 ( 2 误差线均处于l m b a r 到1 m b a r 之间，也就是 说测量出来的海拔高度误差不超过1 2 m ( 通常我们说海拔每上高1 2 m ，大气压下降1 3 3 p a 左右，也就相当于1 3 m b a r ) 。因此该传感器完全满足我们的测量需要，同时该模块可以 直接与f p g a 通讯，从而避免了模拟信号的干扰问题，同时省去了部分信号放大及滤波 电路，对减小p c b 板面积有利。 i i c 、_ 、 ， 0 、0 、 - h 疑孓 e ：- - 一一 。、 ：= 叫 1 、 fl-127rr2c(4-1) 输出电压u q q 考虑的信号源为高阻抗的电荷信号，因此要求r 1 ，r 2 足够大，将偏置电流降到最 小。同时从公式中也可以看出该电路具有一定的高通滤波功能。由此可见输出电压与反 馈电容成反比，反馈电容越小，输出的电压越高。 基于虚拟仪器的运输环境数据采集与分析系统研究 图4 - 2 三运放差分电荷放大器原理图“刀 f i g 4 - 2t h r e eo pa m p d i f f e r e n t i a lc h a r g ea m p l i f i e r 单运放差动式电荷放大器电路输出电压为运放同相端和反相端反馈电容上面的电压 之和。相比单端输入的电荷放大器，对该电路而言有部分电荷在同相端反馈电容上面累 积，输出信号幅值在一定程度上得到了增大。然而，实际上由于压电传感器等效电容以 及连接电缆等效电容的影响，同相端电容的电荷累积作用不是很明显。在这种情况下我 们我们可以考虑采用三运放差分实现电荷放大功能。它的原理图见乒2 。 本电路由三个运算放大器构成。第一级，两个运放实现差分式的电荷放大功能。相 比单运放差分电荷放大器而言，它采用了两个电容负反馈的回路，压电晶体输出的电荷 能够完全在反馈电容上累积，使得电荷放大器输出的信号幅值更大，更利于后续的滤波 等信号处理。第二级，由一个运放及一个反馈电容及电阻组成。为了提高这级电路的共 模抑制能力，将该级的电阻参数选择与前一级相同，可以提高该级的共模抑制能力。同 时在它的反相端和输出端之间，还对电阻并联了一个电容，组成了一阶的低通滤波电路， 能够对加速度信号中的高频噪声进行衰减。 4 1 加速度数据采集模块 该模块包含了加速度传感器、电荷信号放大电路、滤波电路及a d 转换模块的设计。 我们知道加速度传感器输出的是弱电荷信号，在实际测量时并不可用，只有在经过电荷 放大成可以接受的电压信号并进行滤波后输到a d 转换电路，进行a d 转换。a d 转换 后的二进制数据送到f p g a 进行转换处理等。以下我们分块讨论。 4 1 2 滤波电路设计 1 3 陕西科技大学硕士学位论文 无论是传感器对加速度信号的采集还是对信号的放大，信号的干扰不可避免。因此 需要在进行电荷放大之后对信号进行滤波。由上文中可知，运输环境中振动冲击加速度 大多为低频信号主要集中在3 - 5 0 0 h z 之间。 信号。因此我们需要设计一个低通滤波器。 简化后的原理图见图4 3 。 而加速度传感器可采集0 1 5 0 0 h z 的加速度 该功能由一个有源二阶低通滤波器完成。其 晨f ， 图4 3 滤波器原理图 f i g 4 - 3f i l t e rs c h e m a t i c 该二阶低通滤波电路与一阶低通滤波相比，在运算放大器的正向输入端多添加了一 组r c 滤波电路。相对而言，电压在高频段下降的速率更快，滤波效果更好。 在输入信号频率很低或为0 的时候，各电容可视为开路。根据相关知识可知： 通带内的增益为： a印=1+等(4-2) go(s)=厶圪+)(s)(4-3) s ) = k ( s 南 ( 4 - 4 ) 基于虚拟仪器的运输环境数据采集与分析系统研究 喇：三簿， 嗯卜一) ( 4 5 ) 通常有c 1 = c 2 = c ，以上三式联立求解，可得滤波器的传递函数： 4 g ) = 糊= 上+ 3 s c r + ( , c r y。 将s 换成j ，令国o = 2 w = 1 膨 可得 诤1 毫j 3 - 一( 冬) 2 +_ 厶厶 ( 4 7 ) 当f = 时上式分母的模为： z o 6 + j 3 引= 压 ( 则可解得低通截止频率为： = - o - 3 7 二= 器 。 根据该原理我们只要选择合适的r c 即可满足低通滤波的要求。从上一节我们可 知，在信号放大的同时完成了部分高通滤波的功能。综合这节的内容，实际上信号放 大及滤波电路完成得是0 2 5 0 0 h z 的带通滤波。 4 1 3a d 转换模块 上文中提到，我们选择的温湿度传感器模块及大气压传感器模块输出的是可以与 f p g a 直接相连的数字信号。因此温度、湿度、大气压数据不需经过a d 转换。因此只 需要考虑加速度传感器信号的转换。加速度传感器的电荷信号，经过电荷放大电路、滤 波电路后送至a d 转换电路进行模数转换。 a d 转换模块则是将外围电路提供的模拟信号转换成f p g a 可以识别的数字信号。 从上文可知，本系统选用a d s 8 3 6 4 六通道1 6 位a d 转换芯片。 陕西科技大学硕士学位论文 ( 1 ) a d s 8 3 6 4 与f p g a 的连接 a d s 8 3 6 4 的六个模拟输入分为三组( a ，b 和c ) 。三个保持信号( h o l d a ，h o l d b ，h o l d c ) 可以启动指定通道的转换。当三个保持信号同时被选通时，其转换结果将保存在六个寄 存器中。地址模式信号( a 0 ，a 1 ，a 2 ) 可以选择如何从a d s 8 3 6 4 读取数据，也可以选择 单通道、单周期或f i f o 模式。在a d s 8 3 6 4 的h o l d x 保持至少2 0 n s 的低电平时，转换开 始。当转换结果被存入输出寄存器后，引脚e o c 的输出将保持半个时钟周期的低电平。 通过置r d 和c s 为低电平可使数据读出到并行输出总线。 a d s 8 3 6 4 采用+ 5 v 模拟电源( a v d d ) 和数字电源( d v d d ) ，其内部的缓冲器采用 与f p g a 相同的+ 3 3 v 电压。a d s 8 3 6 4 与f p g a 的连接如图 卅w r 棚潮叶3 3 丫 黼砸困盯 i ，o q a 0 + 疆枞i ，o c h o 挂) l 】瞪 i o 渊+ 嬲脱 z o 訇 翻【u 魄口工跏 磊 c 3 1 b o t 爱嚣 椭 臻 嚣 q i m -囊固i ，o c 稠i l +柚珈 c 播卜 口明 z o b 明 黜 番【1 5 翻 i 0 【1 5 潮 a 胁姗 q i c i +姗 1 l 3 c 1 -踟 1 图4 - 4a d s 8 3 6 4 与f p g a 连接示意图 f i g 4 - 4a d s 8 3 6 4a n df p g ac o n n e c t i o nd 姆- a m ( 2 ) a d 模块f p g a 核心程序 本系统中a d s 8 3 6 4 采用5 m h z 的外部时钟来控制转换。在5 m z 的外部时钟下，它 的采样频率是2 5 0 k h z ，采样和转换共需2 0 个时钟周期，约为4i ts 。而在5 m 的外部时 钟下，a d s 8 3 6 4 的转换时间是3 2 i ts ，转换时间为0 8us 。因此，在该外部时钟下可以 获得最大的输出数据率，读取数据即可在下一个转换周期内进行。 l i b r a r yi e e e ； 基于虚拟仪器的运输环境数据采集与分析系统研究 u s ei e e e s t d _ l o g i c _ 116 4 a l l ； - u n c o m m e n tt h ef o l l o w i n gl i b r a r yd e c l a r a t i o ni fu s i n g - - a r i t h m e t i cf u n c t i o n sw i t hs i g n e do ru n s i g n e dv a l u e s u s ei e e e n u m e r i c _ s t d a l l ； - u n e o m m e n tt h ef o l l o w i n gl i b r a r yd e c l a r a t i o ni fi n s t a n t i a t i n g - - a n y x i l i n xp r i m i t i v e si nt h i sc o d e l i b r a r yu n i s i m ； 一u s eu n i s 【m v c o m p o n e n t s a l l ； e n t i t ya d s 8 3 6 4i s p o r t ( c l k ：i n s t d _ l o g i c ；一经f p g a 分频模块分频后的5 m 时钟信号 r e s e t ：o u ts t dl o g i c ；一复位信号 h o l d a b c ：o u t s t d _ l o g i c e c t o r ( 2d o w n t o0 ) ；一指定转换地址位矢量 r d ：o u t s t d _ l o g i c ；一读取数据命令位，当r d 与c s 同为低时 c s ：o u t s t o _ l o g i c ；一可读取数据至并行数据总线 a 0 1 2 ：o u t s t d _ l o g i c e e t o r ( 2d o w n t o0 ) ；一读取数据通道地址位矢量 e o c ：i n s t d _ l o g i c ； 转换完成信号位 d a t a i n ：i n s t d _ l o g i c v e e t o r ( 1 5d o w n t oo ) ；一1 6 位并行数据输入位矢量 d a t a o u t ：i n s t d _ l o g i q e c t o r ( 1 5d o w n t o0 ) ；一1 6 位并行数据输出位矢量 a c e s s n u m ：i ns t d _ l o g i e ；) 一转换通道数选择，为0i 贝0 转换第一个加速度传感 器的3 个通道；。一为“l ”则转换两个加速度传感器的所有通道 e n da d s 8 3 6 4 ； a r c h i t e c t u r eb e h a v i o r a lo fa d s 8 3 6 4i s b e g i n p r o c e s s ( e l k ) v a r i a b l ex ，y , s t a r t ：s t d _ l o g i c ； v a r i a b l et a d r - i n t e g e rr a n g e0t o2 ； v a r i a b l er a d r ：i n t e g e rr a n g e0t o5 ； b e g i n i f e l k e v e n ta n de l k = 1 t h e n i fx = 0 t h e n i fa c e s s n u m = 0t h e n 一开始a d 转换 c a s e t a d r i s w h e n0 = h o l d a b c h o l d a b c - ”010 ”； t a d r ：= 2 ；x ：= l ； w h e n2 = h o l d a b c = 0 0 0 ” t a d r ：= 0 ；x ：_ 1 ； e n dc a s e ； e l s e h o l d a b c = ”1 1l ；。若保持信号h o l e a ，b ，c 全为1 ，转换全部通道 e n d i f ； e l s e i f e o c e v e n ta n de o c = l t h e n一转换结束，开始读取数据 r e s e t - - - 1 ；r d = 0 ；c s _ 0 ；s t a r t ：= l ； e l s e r e s e t = 0 ：i fs t a r t = l t h e n i f a c e s s n u m = 0t h e n一若指定某个通道进行转换，则读取该通道的 d a t a o u t d a t a o u t = d a t a i n ； a o l 2 d a t a o u t - - d a t a i n ； a o l 2 d a t a o u t d a t a o u t d a t a o u t = d a t a i n ； a 0 1 2 d a t a o u t = d a t a i n ； a 0 1 2 = ”0 0 0 ”；r a d r ：= o ；r d = l ；c s _ - 1 ；s t a r t ：= 洲0 ； e n dc a s e ； e n di f ； 基于虚拟仪器的运输环境数据采集与分析系统研究 e n d i e n d i e e n db e h a v i o r a l ； 4 2 温湿度模块 我们选用的温湿度传感器模块s h t 2 5 具有1 8 r h 精度，数字输出，1 2 c 接口，低 功耗，具有长时间采集的稳定性。它使用2 1 3 6 v 的直流电源，接口采用静态逻辑组成， 因此没有最小时钟输入要求，可采集1 4 位的温度数据与1 2 位的湿度数据。 s h t 2 5 共有6 个端子。其中第一个端子s d a 为数据输入输出端子，双向，具体方 向由s c l 控制。第2 个端子为v s s ，电源地。第三个端子为v d d 电源供应。第6 个端 子为s c l ，系列时钟，双向传输。第3 、4 端子不需连接。 4 2 1s i i r r 2 5 与f p g a 的链接 由于s h t 2 5 已经将滤波，a d 转换等电路封装在了模块内部。因此输出的是f p g a 可 以接受的数字量。故可以与f p g a 直接相连，由f p g a 来控制它对温湿度的测量。具体的 连接图如图乖5 。 + 3 3 v 图4 - 5s h t 2 5 与f p g a 连接示意图 f i g 4 - 5s h t 2 5a n df p g a c o n n e c t i o nd i a g r a m 其中s c l 为双向时钟信号，具体方向通过对s h t 2 5 设置得到。s d