便攜式數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計(jì)探究

李 明，劉琳霞

（河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校，河南 新鄉(xiāng) 453002）

1 裝置技術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程

1.1 裝置的組成結(jié)構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)是一種特定的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，偏向于應(yīng)用、控制等領(lǐng)域，在體積、可靠性、成本、實(shí)時(shí)性以及能耗方面均有自身要求并能完成指定功能的系統(tǒng)，其在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，采用軟件和嵌入式微處理器（DSP）作為硬件方面的配合進(jìn)行工作，該便攜式數(shù)據(jù)采集裝置主要由DSP數(shù)據(jù)采集模塊和嵌入式計(jì)算機(jī)來(lái)完成開(kāi)關(guān)量信號(hào)、多路模擬量以及頻率量的采集任務(wù)。此外，為了實(shí)現(xiàn)易操作性、可視化以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，系統(tǒng)的組成還包含USB接口、串/并口，U盤(pán)存儲(chǔ)、TFT觸摸屏等。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 設(shè)計(jì)裝置硬件

裝置的硬件組成主要包括DSP、嵌入式計(jì)算機(jī)、芯片以及其他外圍電路，硬件分支模塊分為實(shí)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分。該采集裝置采用了由美國(guó)TI生產(chǎn)的MSP430 F425，它是一款16位單片機(jī)。這款單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)超低功耗運(yùn)作、具有精簡(jiǎn)指令的處理構(gòu)架和多流水線處理模式，內(nèi)部含2kB的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM），尋址空間可達(dá)64 k，滿足系統(tǒng)8路開(kāi)關(guān)量和16路模擬量數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)要求。主控系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)，接口選用通用串行總線，也就是USB。

圖2 微處理器中電路

（1）設(shè)計(jì)裝置電路。裝置通過(guò)開(kāi)入開(kāi)出電路以及RAM將采集到的數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)，進(jìn)行處理。開(kāi)入電路包括總線轉(zhuǎn)換芯片和緩沖器，開(kāi)出電路包括緩沖器和鎖存器，此電路設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)8路開(kāi)入電路和16路開(kāi)關(guān)量的輸出。為方便尋址，外圍譯碼電路主要由74 HC245鎖存器（1片）和GAL16V8地址譯碼器（兩片）構(gòu)成。微處理器中電路（如圖2所示）是整個(gè)電路設(shè)計(jì)的中心，電路設(shè)計(jì)的好壞與整個(gè)裝置的效率和性能密切相關(guān)。MSP430F425單片機(jī)的時(shí)鐘振蕩電路又被稱為晶振電路，有三種輸入源：32K低速晶體振蕩器、450 K以上高速振蕩器以及數(shù)控振蕩器。其為各個(gè)電路的工作提供準(zhǔn)確的時(shí)鐘信號(hào)，頻率32 KHz，ACLK分頻輸出，在上電條件下，為處理器提供1048576MHz的時(shí)鐘信號(hào)（由32768*32得出）其是裝置中其他系統(tǒng)硬件和單片機(jī)傳輸信號(hào)的樞紐，同時(shí)也要執(zhí)行保證電路正常復(fù)位的功能。

（2）設(shè)計(jì)裝置的存儲(chǔ)。裝置執(zhí)行數(shù)據(jù)采集的目的是為了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后期的整理、篩選和分析，所以便攜式數(shù)據(jù)采集裝置必須具有存儲(chǔ)功能，其存儲(chǔ)硬件包括接口和存儲(chǔ)介質(zhì)兩個(gè)方面，這里主要討論存儲(chǔ)的輸出傳輸接口，綜合方便、快速、高效、普遍等原則，我們選用通用USB接口作為裝置的外接接口，其具有造價(jià)低廉、技術(shù)成熟和傳輸穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，USB選用支持多種并行總線結(jié)構(gòu)的CH375接口芯片；在存儲(chǔ)介質(zhì)的選擇上，我們?yōu)檠b置配備了2種類型的介質(zhì)，16 G容量的U盤(pán)和閃存卡（CF卡），16 G的U盤(pán)不僅滿足容量要求，而且有著便于數(shù)據(jù)離線分析的優(yōu)勢(shì)。CF卡全稱Compact Flash，具有較快的存取速度，耗電量極小，能適應(yīng)大范圍的溫差變化，宜被用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)采集和分析程序。另外，此數(shù)據(jù)采集裝置采用了基于5*7點(diǎn)陣圖顯示的TFT觸摸屏，顯示驅(qū)動(dòng)芯片為HD44780，該芯片的時(shí)鐘頻率在250 KHz附近，邏輯工作電壓也在5伏左右，且可實(shí)現(xiàn)高速度、高亮度且對(duì)比性地顯示信息，通電初始化時(shí)，要將地址計(jì)數(shù)器默認(rèn)設(shè)置為“+1”。

1.3 設(shè)計(jì)裝置的軟件

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)選擇上，我們選用μC/OSII多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)，μC/OSII通過(guò)OS-ENTER或是OS-EXIT宏可以控制系統(tǒng)的中斷（打開(kāi)/關(guān)閉），然后ARM7TDMI處理器可以小于100 HZ的頻率產(chǎn)生定時(shí)器中斷，每次的中斷行為中，首先將向一個(gè)堆棧內(nèi)放入當(dāng)前任務(wù)的CPU寄存器，然后將原來(lái)的工作寄存器從另一個(gè)堆棧內(nèi)恢復(fù)過(guò)來(lái)，并重新繼續(xù)執(zhí)行這個(gè)任務(wù)。因此，μC/OSII具有穩(wěn)定高效的處理內(nèi)核，它的移植性特別強(qiáng)，能夠適應(yīng)多種微處理器，程序代碼結(jié)構(gòu)清晰、公開(kāi)、可固化、可裁剪，μC/OSII是目前應(yīng)用最為廣泛的嵌入式系統(tǒng)之一。程序設(shè)計(jì)面向DSP模塊，采用匯編語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)μC/OSII與處理器相關(guān)代碼的編寫(xiě)，實(shí)時(shí)地幫助硬件完成數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和傳輸。

（1）設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集啟動(dòng)程序。數(shù)據(jù)采集啟動(dòng)程序需要進(jìn)行啟動(dòng)條件的判斷和確定，通常便攜式數(shù)據(jù)采集裝置的啟動(dòng)條件分為循環(huán)記錄、連續(xù)記錄以及按條件記錄三類。循環(huán)記錄指的是當(dāng)數(shù)據(jù)記錄達(dá)到規(guī)定的長(zhǎng)度閾值時(shí)，新的數(shù)據(jù)記錄會(huì)自動(dòng)覆蓋舊的記錄，這是一種數(shù)據(jù)更新式的記錄方式；連續(xù)記錄又稱定時(shí)連續(xù)記錄，所謂定時(shí)，指的是操作者可以為裝置設(shè)定一個(gè)啟動(dòng)時(shí)間，當(dāng)?shù)竭_(dá)規(guī)定的時(shí)間點(diǎn)后，裝置會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，并且在一定時(shí)間內(nèi)連續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集；按條件記錄毋庸置疑是為裝置的啟動(dòng)設(shè)定一定的條件，當(dāng)滿足條件時(shí)，裝置才會(huì)啟動(dòng)并記錄數(shù)據(jù)，具體來(lái)說(shuō)，這些條件包括以下幾種形式：①正序量、零序量及負(fù)序量啟動(dòng)。正序量啟動(dòng)包括裝置在運(yùn)行時(shí)的過(guò)電壓、過(guò)電流的啟動(dòng)，零序量啟動(dòng)包括穩(wěn)態(tài)過(guò)量以及零序量電壓、電流啟動(dòng)，負(fù)序量啟動(dòng)與包括負(fù)序過(guò)電流以及過(guò)電壓?jiǎn)?dòng)。②突變量啟動(dòng)。突變量啟動(dòng)指的是電壓和電流在短時(shí)間發(fā)生變化是時(shí)的啟動(dòng)形式。③頻率啟動(dòng)。其是按頻率變化或是頻率閾值為條件的啟動(dòng)形式，常用的啟動(dòng)是按頻率高于高頻閾值或是頻率低于低頻閾值為標(biāo)準(zhǔn)的。④直流量啟動(dòng)。指的是將電流轉(zhuǎn)換至直流狀態(tài)后的電壓及電流的不足或是過(guò)量時(shí)的啟動(dòng)形式。

（2）μC/OSII下的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)概念是采集裝置數(shù)據(jù)讀寫(xiě)、數(shù)據(jù)保存以及防止修改的綜合，利用外接USB接口，可以實(shí)現(xiàn)U盤(pán)的讀寫(xiě)操作，CH375接口芯片具有8位數(shù)據(jù)總線，在芯片內(nèi)集成了通訊協(xié)議固件，專門(mén)用來(lái)存儲(chǔ)大量的信息，還可實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)控制和中斷輸出，容易與MCU系統(tǒng)總線掛接，寫(xiě)入程序代碼如下：

1.4 URAT通訊任務(wù)

UART是一種通用的異步接受/發(fā)送裝置，因?yàn)槠浒l(fā)送時(shí)鐘是不同步的，所以稱之為異步，可以實(shí)現(xiàn)并行輸入、串行輸出，計(jì)算機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)本身是并行的，不能進(jìn)行異步傳輸。因此，需要借助UART的異步傳輸功能，才能將嵌入式計(jì)算機(jī)本身的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成了串行輸出。

2 裝置的功能

嵌入式計(jì)算機(jī)以及微處理器是數(shù)據(jù)分析的主要硬件，另外在對(duì)采集到的數(shù)據(jù)做分析時(shí)，系統(tǒng)電路（如外圍譯碼電路以及開(kāi)入/開(kāi)出電路等）起到數(shù)據(jù)存取、傳輸以及交換的功能。在分析程序中，我們首先要設(shè)定數(shù)據(jù)的開(kāi)關(guān)量、數(shù)據(jù)記錄形式以及模擬量相關(guān)參數(shù)，在調(diào)用已經(jīng)存儲(chǔ)的默寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)定文件管理模塊以實(shí)現(xiàn)需要數(shù)據(jù)的查詢和瀏覽，數(shù)據(jù)的分目錄存儲(chǔ)可以幫助操作人員快速找到相關(guān)文件，快速提取并調(diào)用到數(shù)據(jù)分析的軟件程序中，數(shù)據(jù)分析主要用于實(shí)現(xiàn)波形顯示、功率譜分析、諧波分析、對(duì)稱分量顯示、隨機(jī)信號(hào)分析以及電能質(zhì)量分析等。波形顯示指的是裝置對(duì)數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換成模擬量的采集，模擬量具有一定的波形，顯示出波形后，操作人員可以對(duì)波形進(jìn)行調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)多通道的同時(shí)顯示，也可以調(diào)整波形橫縱軸的幅值；功率譜分析主要是針對(duì)隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行的，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)功率的分析（參照功率隨頻率的變化）；諧波分析利用傅立葉方法，對(duì)數(shù)據(jù)的諧波以及基波進(jìn)行分析，并以直方圖顯示，包含數(shù)據(jù)有效值、實(shí)/虛部以及相角；對(duì)稱分量顯示指的是用向量圖直觀地表示裝置故障前后的電壓以及電流的變化情況；隨機(jī)信號(hào)分析，該裝置具有對(duì)隨機(jī)信號(hào)分析的功能，隨機(jī)信號(hào)是一種不確定信號(hào)形式，包含特征量和暫態(tài)量，對(duì)其分析時(shí)要先將這兩種量態(tài)分隔開(kāi)來(lái)；電能質(zhì)量分析主要內(nèi)容包含對(duì)電壓變化、不平衡度以及系統(tǒng)諧波狀態(tài)等，通過(guò)分析，最終能提供有功/無(wú)功功率，電壓、頻率以及電流的相關(guān)參數(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文所研究的數(shù)據(jù)采集裝置是一種基于嵌入式和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）技術(shù)的便攜式數(shù)據(jù)采集裝置，該裝置可以實(shí)現(xiàn)8路開(kāi)關(guān)量、16路模擬量的信號(hào)采集，它的突出特點(diǎn)是大容量?jī)?chǔ)存空間、低能耗、攜帶方便。該裝置在電子通信領(lǐng)域仍有廣泛的研究和改善空間。

[1]張雄偉.DSP芯片的原理與開(kāi)發(fā)應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[2]夏路易.MSP430單片機(jī)原理與智能儀器[M].北京:兵器工業(yè)出版社，2005.