（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的便携式数据采集系统设计.pdf

武汉理j 人学硕十学何论文 摘要 混凝土作为一种建筑材料广泛地应用于我国基础设施建设中，然而混凝土建 筑物出现裂缝的现象十分普遍，因此，对混凝土抗裂性能的研究显得尤为紧迫和 突出。对混凝土抗裂性能的深入研究，可定量评价水泥混凝土的抗裂性能，为混 凝土设计与旆工提供准确的指导，并为原材料的选用与配合比提供可靠的依据。 本文为温度应力试验机温湿控制系统中的一个横向课题。针对目前便携式 数据采集系统存在的关键问题，结合基于d s p 的便携式数据采集系统的主要功 能，选用u s b 2 0 总线作为开发数据采集系统的接口总线，设计了数据采集系统 的系统结构和软件构架，完成了基于d s p 的便携式数据采集系统的硬件设计和 软件设计，具体内容如下： 基于d s p 的便携式数据采集系统的硬件设计为本文的重点，分为数据采集 模块、数字信号处理模块、u s b 接口模块等3 部分进行。数据采集模块主要完 成模拟信号的隔离、放大以及采样，1 6 路模拟信号由4 片a d 转换器采样后送 入板卡的数据总线；数字信号处理模块主要包括d s p 的存储扩展、与p c 机的串 1 3 通讯及d s p 的上电引导方法，最后通过u s b 2 0 总线接将经过d s p 处理的数 上传到p c 机。 基于d s p 的便携式数据采集系统软件设计，主要包括固件程序、u s b 系统驱 动程序和应用程序3 部分，而u s b 系统驱动程序又分为u s b 客户驱动程序、u s b 驱动程序( u s e d ) 和u s b 主控制器驱动程序( h c d ) 。对于硬件部分的功能模 块，要求每个功能模块应有对应的驱动子程序。主机应用程序根据软件部分要实 现的功能进行划分实现了系统与上位机的通讯功能。 关键词：数据采集，d s p ，u s b ，固件 武汉理j ：大学硕士学位论文 a b s t r a c t a so n ek i n do ft i g n u m , c o n c r e t ei sw i d e l yu s e di ni n f r a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o ni n o u rc o u n t r y 1 1 1 er e s e a r c ho ft h ec o n c r e t ec r a c kr e s i s t a n c ei su r g e n tn e e d w h i e l aw a s d u et ot h ec o m m o ne x i s t i n go f c o n c r e t es t r u c t u r ec r a c k d e e pr e s e a r c ho f t h ec o n c r e t e c r a c kr e s i s t a n c ec a ng e tt h eq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o no ft h ec o n c r e t ec r a c kr e s i s t a n c e p e r f o r m a n c e ；p r o v i d ea c c u r a t ei n s t r u c t i o nf o r t h ed e s i g no fc o n c r e t ec o n s t r u c t i o na n d r e l i a b l eb a s i sf o rf a wm a t e r i a ls e l e c t i o nw i t ht h em i x t u r er a t i o 田l i sd i s s e r t a t i o ni sas e p a r a t i o np r o b l e mo ft e m p e r a t u r e & h u n f i d i t yc o n t r o l s y s t e mi nt e m p e r a t u r e - s t r e s st e s t i n gm a c h i n e b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o na n ds t u d y , k e yq u e s t i o n so fc u r r e n tp o r t a b l ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma r ea n a l y z e d c o m b i n i n g w i t hm a i nf u n c t i o no f t a r g e ts y s t e m t e e l m o l o g yo f u s b 啊i mp r o t o c o li nv e r s i o n2 0 i sa d o p t e da si n t e r f a c eb u so fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m , t h es y s t e ms l x u e t u r ea n d s o t t w a r ef r a m e w o r ka r cd e s i g n e d h a r d w a r ea n ds o t i w a r od e s i g no fp o r t a b l ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e d0 1 1d s pa 坞c o m p l e t e d n 坞d e t a i lo fd i s s e r t a t i o nr e a d sa s f o l l o w s h a r d w a r ed e s i g no fp o r t a b l ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e d0 1 1d s pi st h ef o c a l p o i n ti nd i s s e r t a t i o n , w h i c hi sc o m p o s e do ft h r e es c c i i o i l s ，d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ， d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g m o d u l ea n du s bi n t e r f a e om o d u l e t h ei s o l a t i o n , a m p l i f i c a t i o na n da c q u i s i t i o no fa n a l o gs i g n a l sa 坞c o m p l e t e di nd a t aa c q u i s i t i o n m o d u l e ；1 6 - e h a n n a la n a l o gs i g n a l sa 糟s a m p l e db yf o u rp i e c e so fa n a l o g - t o - d i g i t a l c o n v e r t o rt h e nt r a n s m i t t e dt od a t ab u si nd a t aa c q u i s i t i o nc a r d m e m o r ye x p a n s i o n a n de l e c l r i f yb o o t s t r a po f d s p , s e r i a li n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o n 丽t l lp c 躺c o m p l e t e d i nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e , f i n a l l y , p r o c e s s e dd a t a 黜l r a n s m i t t e dt op cw i t h u s b t h r e es 优l i o n so f f i r m w a r ep r o g r a m , u s bs y s t e md r i v ea n da p p l i c a t i o np r o g r a m 蛳i n c l u d e di ns o f t w a r ed e s i g no fp o r t a b l ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e d0 1 3 d s p i n a d d i t i o n ，u s bs y s t e md r i v ei ss e p a r a t e di n t ou s bc l i e n td r i v e , u s be q u i p m e n td r i v e a n du s bh o s te o n l x o ld r i v e t h e r ea r ee o r r e s l o n d i n gs u b r o u t i n ed r i v e si nh a r d w a r e f u n c t i o n a lm o d u l e a c c o r d i n gt os o t t w a r ef u n c t i o n a l p a r t i t i o n i n g r e a l i z e dd a t a c o m m u n i c a t i o nw i t hu p p e rm a c h i n ei nu s bh o s ta p p l i c a t i o np r o g r a m k e y w o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n , d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , u n i v e r s a ls e r i a lb u s ， f i r m w a r e i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期： 武汉理r 大学硕士学位论文 第1 章绪论 本章针对目前混凝上材料研究领域中的热点开裂问题，介绍课题背景 和科学研究意义。综述国内外在混凝土温度应力试验机研制上取得的进展， 简要介绍了温度湿度控制系统的研究现状。作为温度湿度控制系统中的一个横 向课题，重点介绍了便携式数据采集系统的研究现状，对采用的关键技术 数字信号处理技术和数据传输总线技术的应用现状进行简介，最后提出本文的 主要工作。 1 1 课题来源及研究意义 我国正处于基础设施建设的商速期，混凝土工程量巨大，减少和避免混凝 土的开裂意义重大【i 】。在大体积混凝土结构中，温度变化对结构的应力状态具有 重要的影响。对混凝土抗裂性能的深入研究，与之相适应，国际上对高精度抗 裂试验检测设备的研制开发也成为热点【2 】。 温度应力试验机温湿控制系统的开发就在这种背景下产生，是温度应 力试验机的一个子系统，主要用于测量混凝土试件内部温度，并控制混凝土试 件周围的温度和湿度。可定量评价水泥混凝土的抗裂性能，为混凝土设计与施 工提供准确的指导，并为原材料的选用与配合比提供可靠的依据。温湿控制系 统由模板温度调节部分和环境箱温湿度调节部分组成。温控模板主要完成对于 混凝土试件的直接温度测量与控制，其调节装置结构示意图由图1 1 所示。 图1 1 温控模板调节装置结构示意图 武汉理工大学硕十学付论文 包括以下3 个组成部分： ( 1 ) 测量部分：混凝土试件的左右和下面各有一块温控模板，每块温控模 板和试件的成型模板构成双层模板，在双层模板中间各安】荔眨个温度传感器，3 面共有6 个温度传感器，在试件内部预埋植3 个温度传感器； ( 2 ) 控制部分：利用研华工控机采集传感器信号，并将控制信号发给温度 执行机构； ( 3 ) 执行部分：采用小功率晶闸管和加热管组成升温执行机构，蒸发管、 压缩机和调节阀组成降温执行机构。 随着计算机的广泛应用和微电子技术的高度发展，数据采集系统已经被广 泛的应用于国民经济、国防建设和科学试验的各个领域。在对模拟测量对象进 行高精度控制的情况下，一般都会对采样的精度、速度、通道数等技术指标同 时提出较高的要求，除了要求采样具有很高的速度和精度外，还需要能对多个 通道的输入信号进行采集，然后再将采集到的数据送到控制器或上位将机进行 分析和处理。控制器大多采用单片机，而单片机也从4 位、8 位、1 6 位向3 2 位 发展，单片机有价格低廉、结构简单、接口可扩展能力强等优点，但其数学运 算能力有限，难以满足高精度高速度数据采集与处理的要求。还有就是在与上 位p c 之间的数据传输问题，目前用于p c 机的数据采集处理卡大部分是基于 i s a ，p c i 总线的，这类结构的最大缺点是占用系统硬件资源，其安装和拆卸都 需要打开机箱，给现场检测和调试带来很多不便，不仅系统的成本高昂并且影 响了应用的便携性。 因此，迫切需要一种体积小、使用方便适合大容量数据采集且具有较强数 据处理能力的数据采集系统。本文对目前已有的便携式数据采集系统进行研究， 旨在设计出一种低成本、高运算能力、高数据传输速度的便携式数据采集系统， 在满足温度一应力试验机温湿控制系统数据采集基本需要的基础上进行功能扩 展，使其能在需要对海量数据进行实时采集处理的场合得以应用。 1 2 相关技术国内外研究现状 本节着重介绍便携式数据采集系统的研究现状、数字信号处理器研究现状、 数据传输总线应用现状等3 方面。 2 武汉理l ：大学硕t 学何论文 1 2 1 便携式数据采集系统的研究现状 随着国外微电子技术、计算机技术、测控技术和数字通信技术的发展，目 前国内外数据采集系统c 3 1 t 4 j f , 经有了很大的发展。国外公司展示的新产品主要发 展有高速数据处理、数据传输速度大和使用方便、体积减小这3 个方面，便携 式数据采集系统应运而生。 便携式数据采集系统分为独立系统和p c 基系统两种形式。独立系统是脱 离p c 机的，具有核心处理和控制单元并且有良好的用户界面，常应用于超高 温、振动或对空间有要求的情况，如在路面检测系统、船载航行记录仪中的应 用；p c 基系统通常是将p c 机作为上位机，数据采集处理系统作为下位机来实 现信号的采集、传输和处理分析功能。 目前便携式数据采集系统大多采用单片机作为中央处理单元，采集到的数 据存储在自身所带的内存中，数据采集结束后，再传输到p c 机中进行数据处 理。然而随着数据采集在各个领域中的广泛应用，单片机的数据处理能力不能 满足要求，特别是在通讯领域和涉及数学算法的复杂控制领域。因此，解决中 央处理单元数据处理能力低下的问题是本文研究的重点之一。 目前便携式数据采集系统的硬件平台采用的是以普通微控制器或微处理器 为核心的多片式解决方案。根据功能的需要，在微控制器或微处理器周围集成 存储器、a d 芯片、通讯芯片，通过系统总线也就是i o 通道总线、微型计算 机总线或扳级总线和上位机p c 系统、插槽上的各扩充板卡相连。 在数据采集系统的发展中，数据传输总线成为系统性能的瓶颈。数据传输 总线是微机系统中广泛采用的一种技术，也是微处理器与外部硬件接口的核心。 近2 0 年来，中央处理单元已经迅速发展到乒7 代，中央处理单元的处理能力迅 速提升，而与其相连的外围设备通道速度过低且总落后于中央处理单元的处理 能力，这使得研究人员不得不改造总线来提高系统性能。由于p c 机接口资源 有限且需要对接口卡的硬件资源( i o 地址、内存、中断、d m a ) 进行合理的 配置，扩展难度大不易迸行硬件升级。因此，如何提高数据传输速度和提高系 统扩展能力的问题成为本文的研究重点。 综上所述，目前便携式数据采集统主要受单片机数字处理能力、数据传输 速度的限制，存在着数据传输量小、数字运算能力低以及可扩展功能差等问题。 武汉理i ：大学硕士学付论文 1 2 2 数字信号处理器研究现状 数字信号处理跚6 l 阴( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 技术，指将模拟信号 通过采样进行数字化后的信号进行分析、处理侧重于理论、算法及实现，不仅 涉及许多学科，还广泛应用于多种领域，数字信号处理器是实现数字信号处理 技术的硬件支持。自2 0 世纪6 0 年代，数字信号处理技术应运而生并迅速发展， 现已形成一门独立的学科体系。信号处理系统具有灵活、精确、抗干扰强、设 备尺寸小、造价低、速度快等优点。 第一个d s p 微处理器i n t e l2 9 2 0 出现在1 9 7 6 年，接着是1 9 8 2 年的 a m d 2 8 1 1 、n e c 妒d 7 7 2 0 、德州仪器公司的t m s 3 2 0 1 0 。a m d 2 8 1 1 和i - l p d 7 7 2 0 两者都有片上阵列乘法器，都由可编程r o m 和相对小的数据和程序寻址空间。 t m $ 3 2 0 1 0 是第一个可全速从片外r a m 执行指令的微处理器，且容纳的程序也 比i t p d 7 7 2 0 大一个数量级。第一阶段的d s p 具有下列特点：指令流水，有效 的寻址模式，有子程序调用和地址传递协议；使用哈佛结构，可同时取指令和 数据；特殊的d s p 相对寻址( 如变址计算任意数的模式) ，对于f i r ( f i n i t el e n g t h i m p u l s er e s p o n s e ) 的滤波器自动循环队列或数据移动；附加的寻址a l u ；对于 特殊应用的接口( 如对于通信编码的串行接口) 。d s p 系统主要由分立元件组成， 包括线性电路模拟前端、模拟数字转换器和外围界面电路、一大堆的组合电路、 可编程阵列逻辑( p a l ) 及可编程只读存储器( p r o m ) 、存储器及个别处理器。 当时的d s p 技术在医疗、生物电子、应用地球物理等领域获得应用。 当前的d s p 多数基于r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t i n g 精简指令 集) 结构，且进入v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t ，超大规模集成电 路) 阶段，这种结构的优点是尺寸小、功耗低、性能高。如1 r i 公司的t m s 3 2 0 c 8 0 代表了当今d s p 领域的最高水平，它将4 个3 2 位的d s p 、1 个3 2 位的r i s c 主处理器、1 个传输控制器、2 个视频控制器和5 0 k b s r a m 集成在一个单元上。 由于数字信号处理系统越来越先进，高科技含量越来越高，系统性能越来越强 大，现在的d s p 芯片制造商随d s p 芯片提供系统的解决方案d s p s 。d s p s = d s p + 混合信号处理电路+ 系统软件+ 软件。 d s p s 可包括其它半导体器件，如逻辑电路、存储器及a s i c 。系统技术包 括设计工具、技术支持及产品信息。1 m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列的d s p 是t i 公司的高 4 武汉理l ：大学硕士学位论文 端d s p 产品，它包撬了许多高性能的芯片，是具有先进的v l l w ( v e r yl o n g i n s t r u c t i o nw o r d 超长指令集) 的高度并行类r i s c 结构的指令集。业界可以得 到的最高性能的d s p 芯片，该系列芯片的发展蓝图中有高至5 0 0 0 m i p s 、 3 g f l o p s 的处理性能。也是唯一的一种在定点和浮点芯片指令级兼容的d s p 芯片系列，同时该系列芯片是面向c 编译器而设计的，c 语言的编译效率较高。 经过几十年的发展，数字信号处理自身已经基本上形成一套较为完整的理 论体系，主要具有精度高、灵活性好、可靠性高、易于大规模集成和分时复用 等优点，满足了对信号快速、精确、实对处理及控制的要求。逐渐取代了通用 单片机在数据采集处理系统中的地位。 因此，选择一款合适的d s p 芯片作为中央处理单元能很好的解决便携式数 据采集系统数据处理能力低下的问题，对实现系统数据采集的高速度和高精度 至关重要。 1 2 3 数据传输总线应用现状 数据传输总纠8 1 1 9 1 是微处理器与外部硬件连接的核心。由p c x t 到i s a 、 m c a 、e i s a 、v e s a 再到a g p 、i e e e l 3 9 4 等，近2 0 年来，随着c p u 的快速 更新换代，相应的总线技术也突飞猛进地发展。随处可见u s b 设备：u s b 闪 盘、u s b 移动硬盘、u s bm p 3 播放器、u s b 数码相机、u s b 键盘、鼠标、手 柄等。 p c 上使用的绝大多数外设一般使用并口或串口与计算机连接。但是，随着 计算机技术的飞速发展，这些接口已经无法满足p c 与外设之间不断提高的速 度以及稳定性、易用性等要求，并且给p c 系统的设计者带来越来越多的麻烦， 也给用户的使用带来诸多的不便。这一现象，己大大限制了计算机的发展。 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 技术是自1 9 8 0 年串口和并口技术出现以来， 最重要的计算机外设互联标准之一，它追求的是外设的通用性。为了把外围设 备连接到p c 机上，u s b 提供了一种低成本的解决方案，设备连接后由u s b 自 动检测，并且由软件自动配置，完成后即可使用，不需要用户干涉。u s b 定义 了一种简单的连接器，它可以用来连接任何一个u s b 设备，多个连接器可以通 过u s b 集线器连接。每个u s b 总线支持1 2 7 个设备的连接，u s b 支持低速、 全速、和高速3 种设备传输速率，分别为l = s m b p s ，1 2 m b p s 和4 8 0 m b p s 。外围 武汉理： 人学硕七学伸论文 设备能够直接通过总线供电，u s b 总线提供最大5 v 电压，5 0 0 m a 的电流。u s b 设备不像i s a ，e i s a ，p c i 设备，它不需要内存和i o 地址空间，也不需要中 断请求线路。u s b 事务处理包括错误检测机制，该机制用以确保数据无错误发 送。若发生错误，事务可以重来。如果连续3 m s 没有总线活动，u s b 就会自动 进入挂起状态，处于此状态时设备消耗电流不超过5 0 0 a 。u s b 还定义了4 种 不同的传输类型来满足不同设备的需求。总之，u s b 外设具有热插拔、即插即 用、易扩展、高性能和价格低廉等优点。 由此可以看出，采用u s b 2 0 协议的总线技术能显著提高数据采集系统的 传输速度、降低系统硬件资源的占用率、提高了硬件平台的可扩展性。 1 3 本文的主要工作 本文在已有的便携式数据采集系统的基础上，设计出具有高运算能力且能 进行数据采集的便携式数据采集系统，主要包括便携式数据采集系统的硬件设 计和系统软件设计两大部分。本文围绕这两大部分的设计工作，全文共分为5 章。 第1 章绪论。主要内容包括课题的来源、意义以及便携式数据采集系统 及相关技术的发展现状，本文所做的主要工作等。 第2 章基于d s p 的便携式数据采集系统总体方案设计。本章针对目前便携 式数据采集系统存在的关键问题，结合基于d s p 的便携式数据采集系统的主要 功能，选用u s b 2 0 总线作为开发数据采集系统的接口总线，设计了数据采集 系统的系统结构和软件构架，为硬件和软件设计奠定了基础。 第3 章基于d s p 的便携式数据采集系统硬件设计。基于d s p 的便携式数 据采集系统的硬件设计分为a d 采集模块、数字信号处理模块、u s b 接口模块 等3 部分进行。a d 采集模块主要完成模拟信号的隔离、放大以及采样；数字 信号处理模块主要包括d s p 的存储扩展、与p c 机的串口通讯及d s p 的上电引 导方法，最后通过u s b 接口芯片的选型和u s b 与d s p 的接口设计来完成u s b 接口模块硬件设计。 第4 章基于d s p 的便携式数据采集系统软件设计。本章详细讨论了基于d s p 的便携式数据采集系统软件设计，主要包括固件程序、u s b 系统驱动程序和应用 程序3 部分，而u s b 系统驱动程序又分为u s b 客户驱动程序、u s b 驱动程序 6 武汉理l ：人学硕士学位论文 ( u s e d ) 和u s b 主控制器驱动程序( h c d ) 。对于硬件部分的功能模块，要求 每个功能模块应有对应的驱动子程序。主机应用程序根据软件部分要实现的功 能进行划分实现了系统与上位机的通讯功能。 第5 章全文总结与展望。对全文做一个回顾和总结，指出了本文研究中存 在的一些不足和进一步研究需要把握的方向。 7 武汉理 大学硕士学位论文 第2 章基于d s p 的便携式数据 采集系统的总体方案设计 根据基于d s p 的便携式数据采集系统的主要功能要求，在数据采集系统结构 基础上，对基于d s p 的便携式数据采集系统结构和软件构架进行设计。 2 1 基于d s p 的便携式数据采集系统主要功能 温度应力试验机温湿控制系统测量部分中，混凝土试件的左右和下面各 有一块温控模板，每块温控模板和试件的成型模板构成双层模板，在双层模板 中间各布置2 个温度传感器，3 面共有6 个温度传感器，在试件内部预埋植3 个温 度传感器，共计9 路温度信号。该数据采集卡按1 6 路信号采集的要求和1 4 位精度 进行设计，能满足温湿控制系统的基本需求并存在可扩展的空间。基于d s p 的便 携式数据采集系统主要功能如下： ( 1 ) 1 6 路采集； ( 2 ) 高精度a d 转换； ( 3 ) 较强的数据处理能力和应用灵活性。 2 2 数据采集系统结构 数据采集系统由主要由信号变送与预处理、模数转换电路、处理器、大容 量存储器、通讯接口等组成，其系统结构示意图如图2 - l 所示。 信 d 4 0 大容 数据总线 ，l 一 号 畸l 、r 叫 量存 变 储器 送 模拟 ： 处理器 与 转换 厂 预 电路 控制线 l 通讯1 处x 、j、一 接口 理 图2 1 数据采集系统结构示意图 8 武汉理1 ：人学硕七学悔论文 模拟信号经变送与预处理( 隔离、放大、滤波) 后，送入到模数转换电路 中，由处理器对模数转换电路的实现控制及读取转换结果，然后利用c p u 的数 学处理性能进行处理或分析。 在多路数据采集系统中，对多路输入信号转换电路部分由采样保持器、多 路模拟开关、a d 模数转换器和控制电路等组成，其模数转换电路有图2 2 所 示的3 种实现方式。 i n 0 矾l ： 蹦x q o l ： i n x 玎q o 玳l ： - 矾x - - - - - - o - 一- - - - - - - o l 、 - - - - o 多路模拟开关 i - i 盟， ( c ) 图2 - 2 多路模拟转换电路实现方式 9 武汉理i ：人学硕士学位论文 图2 - 2 ( a ) 为各个信号首先进入多路模拟开关，共用一个采样保持器和a d 转换器。不能对多路输入同时进行采样，只能事先通过控制电路选择好某一通 道然后由同一个a d 转换器进行转换，进行多个通路转换时耗时较长，无法实 现采样。 图2 - 2 ( b ) 是各路信号各自输入到独立的采样保持器，然后到多路模拟开关， 共用一个模数转换器a d 转换器。可以在某个时刻将各输入信号同时保持住， 然后依次送入a m 转换器进行转换，实现对多个信号的采集。如果m d 转换器 的速度足够快，就可以满足大多数控制场合的采样速度要求。 图2 - 2 ( 0 是每个通道采用独立的采样保持器和a d 转换器。各通道单独占 用单独的采样保持电路和a d 转换器，可以很好的完成多个信号的同步和高速 采集，但其成本也较高，而且模数转换后的输出电路接口也很复杂，在一般场 合中较少采用。 在需要同时满足高速度高精度及多路信号采样要求的应用中，图2 - 2 0 ) 是 使用较多的方案，也是本文选取的方案。 2 3 基于d s p 的便携式数据采集系统结构 d s p 数据采集处理系统要求能实现被采集信号的采集以及将处理变换后的 采集数据上传到上位机，以保证各个通道采样信号的相位具有可比性。因此， 选用d s p 控制器作为数据采集系统的处理器，通过u s b 2 0 总线接口将采集数 据上传到p c 机。 基于d s p 的便携式数据采集系统由数据采集模块、数字信号处理模块和 u s b 接口模块3 大模块等组成，其系统结构组成图如图2 3 所示。 囝一 ：传感器肛3 传感器4 q 传感器1 1 1 i 一：i - 数据采集模块；数字信号处理模块；u s a 接口模块 图2 3 数据采集系统的系统结构组成图 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 数据采集模块完成多通道的信号采集放大；数字信号处理模块采用 d s p + c p l d 结构，c p l d 用于多通道时钟分配、地址数据总线的分时控制，d s p 完成数字信号的处理以实现相位的实时测量，并提供上位机接口软件：u s b 接 口模块主要将d s p 处理后的数据送入p c 机。 2 4 基于d s p 的便携式数据采集系统的软件构架 基于d s p 的便携式数据采集系统的软件分为固件程序、u s b 系统驱动程序 和应用程序等3 部分，其系统的软件构架如图2 _ 4 所示u s b 系统驱动程序分 为u s b 客户驱动程序、u s b 驱动程序( u s e d ) 和u s b 主控制器驱动程序 ( h c d ) 。 2 5 本章小结 固件程序 设备软件、操作系统、配置软件 i u s b 系统驱动程序 l 配置管理、客户管理、总线管理、数据管理 l u s b 主控制器驱动程序 调度管理、队列管理、控制管理 图2 4 基于d s p 的便携式 数据采集系统的软件构架图 本章针对目前便携式数据采集系统存在的关键问题，结合基于d s p 的便携 式数据采集系统的主要功能，选用u s b 2 0 总线作为开发数据采集系统的接口 总线，设计了数据采集系统的系统结构和软件构架，为硬件和软件设计奠定了 基础。 数据采集系统由主要由信号变送与预处理、模数转换电路、处理器、大容 量存储器、通讯接口等组成；基于d s p 的便携式数据采集系统由数据采集模块、 数字信号处理模块和u s b 接口模块3 大模块等组成；基于d s p 的便携式数据 采集系统的软件分为固件程序、u s b 系统驱动程序和应用程序等3 部分。 武汉理工大学硕十学位论文 第3 章基于d s p 的便携式数据采集 系统的硬件设计 本章在基于d s p 的便携式数据采集系统的总体方案基础上，进行硬件设计， 包括数据采集模块、数字信号处理模块和u s b 接口模块3 大部分。 3 1 数据采集模块 数据采集模块完成模拟信号的隔离、放大以及采样等功能，其硬件主要包 括a d 转换器的选型及其实现，最后介绍采集控制的实现。 3 1 1a d 转换器的选型 a d 转换器的选用主要依据分辨率与量化误差、转换精度、转换时间与转 换速率、失调温度系数和增益温度系数以及对电源电压变化的抑制比等技术指 标进行。数据采集卡按1 6 路信号采集的要求进行设计，从各路信号的一致性及 板级硬件电路设计的简洁性方面考虑，不宜采用分立的采样保持器、多路开关 芯片和a d c 芯片组合而成。结合采集卡高速高精度的要求，参考设计成本因素， 选择合适的芯片，多片并联实现。经比较分析，最后选定采用4 片a d 7 8 6 5 来 完成1 6 路信号的采集。 芯片的4 个采样通道可保持4 路模拟信号的相对相位信息。a d 7 8 6 5 又分 为a d 7 8 6 5 1 、a d 7 8 6 5 - 2 和a d 7 8 6 5 3 这3 种型号，依据芯片型号不同，输入 范围和过压保护也不同，a d 7 8 6 5 输入信号电压范围及过压保护参数如表3 - l 所示。 表3 - 1a d 7 8 6 5 输入信号电压范围及过压保护参数表 1 2 武汉理1 人学硕十学传论文 a d 7 8 6 5 是一种高速、低功耗、四通道采样的1 4 位a f d 转换器，由+ 5 v 电源提 供上作电压。芯片内部包含一个2 4 p s 的逐次比较式a d c 、4 个跟踪保持放大 器、1 个内部2 5 v 的参考电压、片上时钟振荡器和1 个1 4 位的高速并行口， 图3 - 1 a d 7 8 6 5 内部结构 3 1 2a d 7 8 6 5 模数转换的实现 利用a d 7 8 6 5 实现模数转换时，具体的实现步骤包括a d 7 8 6 5 的输入模拟 信号的接入、a d 7 8 6 5 的转换启动、转换结果的读取、模数转换输入通道的选 择、时钟与参考电压等。 ( 1 ) a d 7 5 6 5 的输入模拟信号的接入 图3 1 中，i a 毋( f 取l 4 ) 为4 个模拟信号输入通道，+ 1 0 v 的输入范围。 在参考电压v 岔- 2 5 v 的条件下，a d 7 8 6 5 输入模拟量与输出数字代码的对应关 系如表3 - 2 所示。 武汉理i ：大学硕士学位论文 表3 - 2a d 7 8 6 5 输入模拟量与输出数字代码的对应关系 a n a l o ginputdigitalo u t p u tc o d et r a n s i t i o n + f s r ，2 - 3 2 l s b + f s r ，2 5 ，2 l s b + f s r 陀7 陀l s b a g n d + 3 ，2 l s b a g n d + 1 ，2 l s b a g n d - l ，2 卫s b a g n d 3 ，2 l s b f s l h 5 陀l s b f s r ，2 + 3 ，2 l s b - f s r ，2 + 1 ，2 l s b 0 1 1 - 1 1 0 t 0 0 t 1 - 1 1 1 o j l 1 0 lt 0 0 1 1 - 1 1 0 o l ! 一1 0 0t oo l l 1 0 l 0 0 0 0 0 1i o0 0 0 4 ) 1 0 0 0 0 - 4 ) 0 0t o0 0 0 - 4 ) 0 1 1 1 1 - 1 l lt o0 0 0 - 4 ) o o l l l 1 1 0t ol l ! - 1 l l 1 0 0 田1 0t o1 0 0 - 4 ) i l 1 0 0 - 4 ) 0 1t o1 0 0 - 4 ) 1 0 1 0 0 - - 0 0 0t o1 0 0 4 ) 0 l ( 2 ) a d 7 8 6 5 的转换启动 a d 7 8 6 5 的转换通过信号c o n v s t 被初始化，在c o n v s t 脉冲的上升沿， 片内的4 个跟踪，保持器被封锁，转换序列开始启动并根据所选择的通道依次进 行( 通道选择可以通过硬件的方法也可以用软件的方法来实现) 。同时，芯片的 b u s y 输出信号也在这一刻被拉至高电平，并维持到整个转换序列结束，在整 个转换序列完成后，b u s y 引脚信号变为低电平。e o c 信号则指示了整个转换 序列中每1 个转换的完成，转换序列中每一个单通道信号的模数转换完成，r d 和e o c 信号便产生1 个下降沿。使用中可以利用e o c 信号在每次模数转换完 成后立即读出这一通道的转换结果，也可以根据b u s y 信号的变化在整个转换 序列完成之后连续读出所有选择通道的转换结果。 ( 3 ) 转换结果的读取 a d 7 8 6 5 的片内有4 个输出数据寄存器，每完成1 个通道的模数转换，即 将该转换结果存放到寄存器队列中，然后根据e o c 或b u s y 信号的变化通过 控制片选c s 和读l i d 引脚的信号来读出信号。a d 7 8 6 5 提供了两种读取转换结 果的操作方法。一种是每单次转换完成后读出该次数据，一种是在所选择的通 道转换全部完成之后，将整个转换序列的结果顺序读出。在该采集系统的设计 1 4 武汉理工大学硕十学位论文 和使用中采用了后者。转换序列完成后读取数据的时序图如图3 - 2 所示。 图3 - 2 转换序列完成后读取数据的时序图 由c o n v s t 的上升沿启动整个序列的a d 转换，在b u s y 信号变低后( 此 时整个转换序列已经完成) ，连续用4 个读操作，即可将存放在输出数据寄存器 中的内容全部读出。f r s t d a t a ( f i r s t d a t a w o r d ) 信号则显示了转换序列中第 1 次转换已经完成，输出数据寄存器中的第1 个寄存器已经存放了数据。 ( 4 ) 模数转换输入通道的选择 a d 7 8 6 5 具有硬件和软件两种通道选择方式，由引脚t t s 控制，其中，引脚 s l l s l 4 实现硬件通道选择；数据线d b 3 d b 0 实现软件通道选择。h s 为 低电平选择硬件设置方式。s l i s l 4 分别对应于通道l 4 ，将s l l s l 4 的 相应引脚接入高电平即选择了该通道，输入低电平则该通道被屏蔽。如果i s 为高电平，则通过向d b 3 d b 0 写入数据进行软件通道选择，d b 3 d b 0 对应 通道4 l ，相应数据线写1 时，对应通道被选通，写0 时该通道被屏蔽。 ( s ) 时钟与参考电压 a d 7 8 6 5 可以使用内部时钟，也可从外部输入。芯片使用硬件通道选择时 钟( 即引脚h s 为低电平时) ，系统启动后将自动使用内部时钟。芯片使用软 件通道选择( 即引脚万s 为高电平时) ，当引脚n t e x t c l k ( s l 2 ) 为低电 1 5 武汉理i ：大学硕卜学位论文 平时使用内部时钟，为高电平时使用外部时钟，外部时钟从c l k i n ( s l i ) 引 脚输入。使用的时钟不同所用的转换时日j 也不一样。用内部时钟每个通道的转 换时间为2 4 i t s ，使用外部时钟时为3 2 9 s 。当在一个系统中同时用两片或多片 a d 7 8 6 5 时，如果仍然使用内部时钟则很难保持各个芯片间的采样和转换进行， 这时就可以采用同一个外部时钟来解决。 a d 7 8 6 5 可以采用外部2 5 v 的参考电压，也可以选用片内2 5 v 的参考电 压。选用内部参考电压时，只需在参考电压引脚v 耐和模拟地a g n d 之间接入 1 个0 1 虾电容即可。 3 1 3 采集控制的实现 1 6 路数据采集系统的硬件结构如图3 3 所示。 图3 31 6 路数据采集系统的硬件结构 1 6 路模拟信号由4 片a d 7 8 6 5 采样后送入板卡的数据总线。跟踪电路对输 入周期信号的频率实时跟踪并发出采样控制信号。根据数据通讯的需要，在板 上扩展了u s b 串行接口。大规模可编程逻辑器件e p m 7 2 5 6 完成系统的总线管 理( 包括数据线、地址线和控制线等) 。 需要送入到模数转换电路进行测量的信号通常是间接或直接来自于现场 1 6 武汉理l ：火学硕士学位论文 的，这些信号如果不进行隔离处理，很容易损坏到测量电路。因此，为了保护 数据采集电路的前端，必须对输入的模拟信号采用专用的电路进行隔离。 通常用于模拟信号隔离的芯片有基于变压器耦合的两2 端隔离信号放大 器、基于光耦合的隔离放大器等。前者是将输入信号进行调制，经耦合变压器 耦合后再由解调电路将信号还原，这些器件有如a d 公司的a d 2 9 3 a d 2 9 4 ( 变 压器耦合三端隔离) 、b b 公司的3 6 5 6 等。为了便于制作成芯片，改进后采用了 电容器电路来耦合调制后的信号以跨越屏障实现隔离。后来采用发光管光敏二 极管的结构实现输入输出的隔离，如i s 0 1 0 0 等芯片，而光耦合中的发光管的光 强会随着器件使用时间的增长而减弱，因此芯片内部必须有特殊的电路来驱动 发光管以保证随着时间的推移仍有足够的光强。 本文采用b u r r - b r o w n 的低功耗精密隔离放大器i s 0 1 2 4 实现模拟信号的隔 离，模拟输入信号的隔离如图3 4 所示。 l s v 图3 _ 4 模拟输入信号的隔离 从外界输入的模拟信号首先送入到由运放l m 3 2 4 构成的跟随器的输入端， 以提高电路的输入阻抗，避免输入信号幅值被衰减，然后送入到隔离放大器芯 片i s 0 1 2 4 的输入引脚。i s 0 1 2 4 的额定隔离电压为1 5 0 0 v ，最大非线性误差为 0 0 1 ，固定单位增益，电源电压范围为“5 m s v ，可广泛应用于工业过程 控制、数据采集及测试设备等，i s 0 1 2 4 使模拟隔