一種多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計研究

馬曉榮，吳銀川

（1.陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710100；2.西安石油大學(xué) 陜西 西安 710065）

數(shù)據(jù)采集技術(shù)主要研究信號數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理以及控制問題[1]，數(shù)據(jù)采集技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中極為廣泛[2－5]。本文以C8051F020單片機為核心設(shè)計了多通道數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過USB與計算機連接，USB實現(xiàn)采集系統(tǒng)的供電和數(shù)據(jù)通信。針對該硬件系統(tǒng)，采用VB6.0軟件設(shè)計了上位機控制軟件[6]。該系統(tǒng)實現(xiàn)8通道、12位A/D采集，最大采樣速率為100 ksps；采集系統(tǒng)通過計算機控制，實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)文件二進制存儲等功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多通道便攜式數(shù)據(jù)采集。

1 系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖1所示。整個采集系統(tǒng)由上位機計算機軟件（VB6.0軟件）控制，控制軟件實現(xiàn)采集通道、采樣頻率、采樣點數(shù)（時間）等參數(shù)選擇控制；控制軟件以二進制文件格式記錄采集數(shù)據(jù)，一次接收數(shù)據(jù)結(jié)束，軟件自動將包含參數(shù)、系統(tǒng)時間的文件存儲在指定目錄中，方便采集數(shù)據(jù)的保存。硬件采集系統(tǒng)與計算機通過USB連接，通過USB實現(xiàn)雙向通信，整個硬件采集系統(tǒng)的電源通過USB供電；由于C8051F020單片機和VB6.0軟件均不支持USB接口，這里采用Silicon Laboratories生產(chǎn)的 USB to UART器件 CP2102，廠家提供計算機驅(qū)動，在VB6.0軟件中采用虛擬串口技術(shù)實現(xiàn)USB的操作，方便用戶的計算機編程。單片機C8051F020是硬件采集系統(tǒng)的控制器件，一方面接收計算機的通信指令，解析通信指令并控制A/D的采集以及交叉開關(guān)的控制；另一方面將A/D采集的數(shù)據(jù)按約定的格式發(fā)送到計算機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存。采集系統(tǒng)中選用12位、最大采樣速率100 ksps的A/D轉(zhuǎn)換器，通過交叉開關(guān)實現(xiàn)信號的8通道采集。為了降低采集系統(tǒng)的復(fù)雜性，體現(xiàn)系統(tǒng)的便攜性，故選用C8051F020內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器。

圖1 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of multi-channel data acquisition system

2 軟件設(shè)計

2.1 軟件界面設(shè)計

多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制軟件界面如圖2所示。輸入文件名（中英文均可）；設(shè)置采集通道（可設(shè)置采集1通道到8通道，默認采集通道 AIN0）、采集時間（可設(shè)置 5～600 s，默認5 s）和采集頻率（10～100 ksps，默認 10 ksps）；設(shè)置通信端口（COM1～COM5，默認是 COM1），軟件中利用虛擬串口技術(shù)，即把CP2102芯片所占用的USB口在VB6.0軟件中虛擬成COM口，具體系統(tǒng)分配的哪一個COM口，可在設(shè)備管理中查看即可，運行軟件時選擇對應(yīng)的COM口，如圖2中系統(tǒng)中分配的是COM3，然后單擊打開端口控件，端口狀態(tài)指示變?yōu)榧t色，說明通信端口設(shè)置正確，串口的傳輸速率固定為576 000 bps；單擊應(yīng)用，軟件將以上參數(shù)設(shè)置編譯成相關(guān)的控制命令通過USB口發(fā)送到下位機C8051F020，下位機根據(jù)接收的命令執(zhí)行相應(yīng)的操作。

圖2 控制軟件界面圖Fig.2 Interface chart of control software

2.2 控制命令設(shè)計

控制命令[7]由標志位（4 位，F(xiàn)L3～FL0）、通道選擇位（3 位，CH2～CH0）、采樣頻率位（7 位，SAF6～SAF0）和采樣時間位（10位，SAT9～SAT0）共24位數(shù)組成。標志位為固定的4位的二進制數(shù)1010，當下位機接收到控制命令時首先判斷標志位是否正確，若正確執(zhí)行命令的解析，若錯誤不做任何操作。通道選擇由3位的二進制數(shù)表示，如表1所示，用000～111共8種組合表示同時采集模擬通道數(shù)。采樣頻率的范圍為0001010～1100100 （十進制數(shù)為10～100）， 對應(yīng)采樣頻率為10～100 ksps。 采樣時間的范圍為 000000101～1000001000（對應(yīng)的十進制數(shù)為5～600），對應(yīng)采樣時間的范圍為5～600 s。組合控制命令格式如表2所示。例如參數(shù)設(shè)置為：采集通道0、采樣頻率10 ksps、采樣時間5 s，依次發(fā)送到下位機的命令為：0xA0，0x28，0x0A，下位機 3 次接收完指令。

表1 采集通道選擇Tab.1 Acquisition channel selection

2.3 握手命令設(shè)計

下位機接收到上位機的控制命令后，當接收到的FL3～FL0為1111時，下位機立即給上位機發(fā)送0xAA指令，上位機接收到0xAA后，彈出消息框說明指令發(fā)送成功。

表2 控制命令格式Tab.2 Control command format

2.4 數(shù)據(jù)傳輸和存儲量計算

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)A/D采樣率在10～100 ksps范圍內(nèi)，每個采樣點需用兩個字節(jié) （12位）表示，這樣采樣間隔時間為10～100 μs。上位機和下位機之間的傳輸速率為576 000 bps，每個采樣點（2個字節(jié)）的傳輸時間為28 μs，為了兼顧不同的采樣率，下位機緩存采集的數(shù)據(jù)，適時發(fā)送數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)量按照為（采樣率×采樣時間×2）字節(jié)，例如當采樣頻率為100 ksps，采樣時間為600 s時，數(shù)據(jù)存儲量為12×107字節(jié)。

2.5 數(shù)據(jù)存儲設(shè)計

多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中選用12位A/D轉(zhuǎn)換器，每個采樣結(jié)果用12位的二進制數(shù)據(jù)表示，這里需要兩個字節(jié)。下位機單片機收到控制命令、解析控制命令并啟動A/D操作，單片機依次接收各通道的數(shù)據(jù)，暫存數(shù)據(jù)，并實時發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)，上位機接收數(shù)據(jù)后，以二進制格式寫入數(shù)據(jù)文件中，文件中的數(shù)據(jù)按照采樣通道的順序?qū)懭搿?/p>

2.6 數(shù)據(jù)文件名設(shè)計

數(shù)據(jù)文件名設(shè)計應(yīng)包含文件名、當前系統(tǒng)時間、采樣通道、采樣頻率、采樣時間等信息。如圖2所示參數(shù)設(shè)置對應(yīng)的文件名為：yali 20120528 AIN0 10 ksps 5 s這樣在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中，做到見名知義。

2.7 交互式設(shè)計

便于操作者使用，控制軟件在使用中采用交互式設(shè)計。若通信端口設(shè)置不正確，單擊打開端口按鈕，軟件會彈出錯誤提示語，要求操作者重新設(shè)置。控制命令發(fā)送后，若接收到下位機發(fā)來的握手指令，軟件則提示指令發(fā)送成功。接收數(shù)據(jù)時，通信指示燈不斷閃亮，提示數(shù)據(jù)正在傳輸；數(shù)據(jù)接收時有進度條顯示，顯示完成接收數(shù)據(jù)的百分數(shù)，直至接收完成。

3 軟件流程圖

控制軟件的流程如圖3所示。啟動軟件后，輸入文件名設(shè)置采樣參數(shù)（采樣通道、采集時間和采樣頻率），選擇通信端口（根據(jù)計算機分配給CP2102的虛擬串口來設(shè)置），單擊打開端口按鈕，選擇正確端口狀態(tài)指示燈變紅，如圖2所示。當所有配置完成后單擊應(yīng)用按鈕，命令發(fā)送，下位機接收正確命令后，發(fā)送握手指令，上位機接收到正確的握手命令時，軟件提示指令發(fā)送成功。上位機軟件接收數(shù)據(jù)并按采集通道的順序存放，數(shù)據(jù)采集期間軟件顯示接收數(shù)據(jù)的百分數(shù)，直至接收數(shù)據(jù)完成，至此，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集完成，數(shù)據(jù)以二進制文件形式保存，方便后續(xù)對采集數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。

圖3 控制軟件流程圖Fig.3 Flow chart of the control software

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，基于VB6.0軟件，設(shè)計了上位機控制軟件界面和控制命令，給出了控制軟件的流程圖，采集的多通道數(shù)據(jù)以二進制數(shù)據(jù)格式文件保存，文件名包含采樣參數(shù)信息，方便對采樣數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。該設(shè)計成功用于陣列感應(yīng)測井儀器的實驗室研究中，實際應(yīng)用表明，系統(tǒng)便攜操作方便，達到了設(shè)計要求，取得滿意的使用效果。

[1]吳銀川，嚴正國，蘇娟.基于DAQBench的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].儀器儀表用戶，2008，15（3）:32-33.WU Yin-chuan，YAN Zheng-guo，SU Juan.Design of data acquisition system based on DAQBench[J].Electronic Instrumentation Customer，2008，15（3）:32-33.

[2]王東旅，楊俊峰，程宏才，等.地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計[J].數(shù)據(jù)采集與處理，2011，26（4）:494-498.WANG Dong-lv，YANG Jun-feng，CHENG Hong-cai，et al.Data transmission system design in marine seismic data acquisition system[J].Journal of Data Acquisition &Processing，2011，26（4）:494-498.

[3]張煜，竇延娟，張曉東.機載激光雷達數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理[J].長江科學(xué)院院報，2010，27（1）:13-16，21.ZHANG Yu， DOU Yan-juan，ZHANG Xiao-dong.Airborne lidar data gathering and data processing[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2010，27（1）:13-16，21.

[4]王學(xué)偉，王彥碩.基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信研究[J].北京化工大學(xué)學(xué)報，2006，33（1）:109-111.WANG Xue-wei，WANG Yan-shuo.Data communication based on Ethernet data acquisition and monitoring system[J].Journal of Beijing University of Chemical Technology，2006，33（1）:109-111.

[5]梁志遠.多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計[J].核電子學(xué)與探測技術(shù)，2010，30（3）:426-428.LIANG Zhi-yuan.A design of software about multi-channel dataacquisition[J].NuclearElectronics&Detection Technology，2010，30（3）:426-428.

[6]劉篤喜，王彩霞.VB在智能儀表的數(shù)據(jù)采集與處理中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008（12）:44-45 LIU Du-xi，WANG Cai-xia.Application of VB in data acquisition from intelligent instrument and data processing[J].Instrument Technique and Sensor，2008（12）:44-45.

[7]張家田，呂軍，吳銀川.一種高分辨率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].儀器儀表用戶，2011，18（5）:89-90.ZHANG Jia-tian，LV Jun，WU Yin-chuan.Design of high resolution data acquisition system[J].Electronic Instrumentation Customer，2011，18（5）:89-90.