基于串行通信的虚拟仪器数据采集器

1、基于串行通信的虚拟仪器数据采集器徐云杨川王超黄璐清华大学电机工程与应用电子技术系北京市100084【摘要】目前的虚拟仪器系统大多采用美国N I公司LabView平台,采用PCI总线结构的数据采集卡进行数据采集。主从式虚拟仪器技术在软件和硬件都摆脱了LabView的框套。该技术利用基于单片机的数据采集器进行A/D转换和预处理,通过RS-232串行口与主机进行信息传送,插拔方便。主机通过数据处理软件对数据进行处理和分析。用户可以通过主机的软件界面对单片机(从机进行控制,使之能按照不同的要求对信号进行数据采集和处理。关键词:主从式虚拟仪器串行通信A/D转换中图分类号:TP274+12Data-S a

2、mpler for Virtu al Instrument B ased on Serial CommunicationX u YunYang Chu anW ang ChaoH u ang LuThe Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Beijing100084Abstract:At present most Vitual Instrument Systems are developed based on LabView produced by N I and In those systems Data-Acqu

3、isition-Cards of N I are used.Introduces a virtual instrument s ystem with a master-slave structure. The hardware and software of this system break away from the restrict of N I developing enviorment.This system uses a Data-Sampler based on microcontroller which communicate with a PC throu gh RS-232

4、serial port.The data sampled by the Data-Sampler is processed by the data processing software installed on the PC.Users can control the Data-Sam pler through the virtual control panel on the PC.K ey Words:Virtual Instrument with Master-Slave Structure;Serial Communication;A/D Convertion1引言目前虚拟仪器的开发广

5、泛采用的是美国N I公司的LabView开发平台,对信号的采样多采用LabView 专用的PCI总线的数据采集卡。采用内置的数据采集卡的缺点在于受机箱和总线限制,电源功率不足,机箱内部噪声电平高。虽然LabView隐含了对设计虚拟仪器时所面临的多种困难的考虑、简化了设计过程,对于开发虚拟仪器有方便、相对简单的优点,但LabView 软硬件的价格影响了虚拟仪器在国内的推广使用。主从式虚拟仪器由主机和从机两部分组成,从机部分即为数据采集器,它利用单片机功能全面的优势,使调理电路和数据采集电路智能化,从而使虚拟仪器在保证数据采样速率的前提下,更加方便使用。主从式虚拟仪器由从机和主机两部分组成;从机部

6、分是以80C196KC单片机为基础设计的,性能价格比高和插接方便是从机的主要优点;主机的数据处理和显示界面软件自行设计编程。该数据采集器为外接式,利用标准RS-232串口与PC机连接,插拔方便,适合与笔记本电脑组成便携式仪器。如果采用调制解调器和载波机可实现远距离测量。主从式虚拟仪器技术从硬件到软件都能拥有自己独立的知识产权,摆脱虚拟仪器开发对LabView的依赖。2从机硬件结构从机的硬件部分的示意图如图1所示,从机系统主要组成部分:单片机、外置存储器、信号调理电路、通讯电平转换电路等 。图1从机的硬件部分的示意图211单片机从机硬件系统的核心部件采用的是美国Intel公司生产的80C196K

7、C单片机,它属于MCS-96系列中的80C196子系列。它采用了CHMOSIII技术,比以往的系列进一步提高了性能,降低了能耗。它将很多“外部设备”集成在片内,具有如下的技术特征:5个8位双向I/O口,两个16位硬件定时器和4个16位软84仪表技术与传感器2002年收稿日期:2001206213修改稿日期:2001210217件定时器,高速输入输出口,带8路通道的A/D转换器,全双工串行通信接口(UAR T,片选单元。采用单片机后,只要预先编制好程序,从机即可按照主机的指令完成一系列的测量、自动校准、信息处理等功能,表现出智能化的特点。212外置存储器为了固化单片机的程序,采用了一块16K的8

8、位EPROM27128。在数据采集过程中,为了保证均匀的采样,单片机在采样时不响应任何中断。将一次连续采集的数据存储在存储器里,再以数据帧的方式进行传送。一次采集的数据量为几K字节,而80C196KC 的片内可读写存储器RAM的存储量只有488字节,所以还要扩展一片片外存储器HM62256。213A/D转换和信号调理电路80C196KC附带有8路的10位A/D转换口。其对模拟信号要求为单极性的05V电压,所以需要通过调理电路将输入信号变换到A/D转换口所需的范围。这使得调理电路除了包含分压电路、电子开关电路、缓冲电路外,还应有极性转换电路。为了避免因采用非线性电路对信号还原及测量精度造成(误差

9、影响,利用从机智能化的特点,采用了软硬件整流方式作交流/直流变换。214通讯电平转换电路由于MCS96系列单片机采用的是TTL电平,PC 机的串行口多是RS-232的电平,所以单片机与PC 机不能直接连接,首先必须进行RS-232C电平与TTL电平的转换。设计中采用MAX232CPE芯片。3从机软件设计从机按照主机的指令,完成数据采集,并且将数据暂时存储,在串口空闲的时候将数据发送给主机。单片机部分的程序流程图如图2。在程序中有两个重要的子程序,分别为A/D采样子程序和通信子程序。311A/D采样子程序设计由于80C196KC的A/D采样的转换时间为88个状态周期,在16MHz的晶振下为16.

10、5s,要提高采样的速率,就应该尽量简化指令,并且合理安排指令执行的时间先后,使CPU充分的利用A/D转换的这段时间来进行其他必要的操作。例如,对寄存器的数据进行移位和存入数据缓冲区的操作利用下面两条指令来完成:shrax,#6stax,bx+这两条指令的执行时间分别为12个和9个状态周期,将这两条指令与A/D转换同时进行,使两次A/ D采样的间隔缩短了近8 s.图2 单片机部分的程序流程图图3单路采样子程序的流程图由于要对采样速率进行控制,设计中采用了加循环延时环节的方法。当延时环节循环次数为0时,数据采集器达到16MHz晶振下的最快速率。通过对80C196KC的指令执行时间的查询和计算,这个

11、速率为27.187s.如果利用延时来控制,则增加1次延时循环,这个周期增加168个状态周期,等于31.5s.所以两次采样的时间可以为(2712+k3115s,其中k =0,1,2,3;而采两路时的时间隔为(47.8+k3115s,其中k=0,1,2,3.这样的采样速率对于工频的电能质量分析足够了。312通信子程序设计80C196KC的双缓冲结构的收发器在串行通信接口采用了双输出输入缓冲寄存器,在前一个字节尚未读取时就可以接收下一个字节。只要在第1个字节接收结束后的8个状态周期里读取字节,就不会造成数据的丢失。设计中采用了异步通信标准方式,利用查询方式工作。程序流程图如图4所示。单片机在接收到主

12、机送来的命令后,将采来的数据存在数据缓冲区里,在串行口可用时将数据缓冲区(下转第52页94第1期研究与开发性,通过与原始图像的比较可以准确的检测出水印。由于本算法中水印信号隐藏在图像细节分量中, 所实图5水印嵌入与检测结果现的水印具有抗一般信号处理(如图像压缩、滤波、裁剪、次采样等和噪声干扰的能力。参考文献1Stephane.G.M.A theory for multiresolution signal decomposition :The wavelet representation.IEEE Trans.on Pattern Analysis and Machine Intelligenc

13、e ,1989,11(7:674-693.2Zhao.J.,KOCH.E.,LUO.C.Digital watermarking in business todayand tomorrow.Communications of ACM.1998,41(7:67-72.3Hsu.C.T.,Wu.J.L.Hidden digital watermarks in images.IEEETrans.on Image Processing ,1999,8(1:58-684陈青,王延平.数字水印知识产权保护的新技术.中国图像图形学报,1999,4(9:800-804.5张兰英,陈彤,李忠源.信息隐含技术与数

14、字电视广播.广播与电视技术,1997(8.(上接第49页的数据连续的发送到主机。总而言之,在主从式虚拟仪器里从机所完成的功能是接受主机的指令,按主机的要求进行数据采集并缓存,在串口空闲时将数据发送给主机 。图4方式1查询法接收发送子程序流程图4主机软件设计主机软件的工作主要是给用户提供友好的图形界面,便于对从机进行控制。并且对从机采集的数据进行处理,实现各种传统仪器的功能。本系统的软件界面设计和通信模块主要利用VisualBasic 编写,数学运算模块采用C 语言编写。实现了对电压电流信号的波形展示,谐波分析和功率因数的测量,取得较好的效果。图5是对方波信号进行谐波分析的结果。其中,纵坐标每大格表示的电压幅值大小可以由界面右边的文本框设定,单位为V/DIV 。横轴表示谐波的次数 。图5对方波信号进行谐波分析的结果5结束语数据采集器配合相应的主机软件,实现了电能质量检测的几个基本功能。虽然主从式虚拟仪器技术还处在初级的阶段,但由于它摆脱了LabView 的束缚,所以具有很高开放性和扩展空间,有广阔的发展前景