基于Single-Board RIO的數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)

劉松斌 王海星

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

數(shù)據(jù)采集是連接計(jì)算機(jī)與物理世界的紐帶，也是信號(hào)處理和分析的重要環(huán)節(jié)，高速且準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集能實(shí)時(shí)地還原原始信號(hào)和信息，為接下來(lái)的數(shù)據(jù)分析處理和控制打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)外圍電路龐大，接口設(shè)計(jì)復(fù)雜，與工業(yè)設(shè)備逐漸小型化的趨勢(shì)背道而馳。又因?yàn)樵缙诘臄?shù)據(jù)采集設(shè)備多是基于可編程邏輯器件(CPLD)的，造成編程復(fù)雜通用性差。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)推出Compact-RIO和Single-Board RIO(可重新配置 I/O)系列板卡,以其特有的FPGA結(jié)合Real-time(實(shí)時(shí)處理器)的架構(gòu)在數(shù)據(jù)采集及工業(yè)控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于使用FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)采集控制，其納秒級(jí)的運(yùn)行速度可以大幅提高數(shù)據(jù)采集的速度和精度。并且RIO系列板卡無(wú)縫兼容LabVIEW，發(fā)揮了LabVIEW編程簡(jiǎn)單、開發(fā)周期短的特點(diǎn)，采集到的數(shù)據(jù)可以從FPGA高速傳輸?shù)綄?shí)時(shí)處理器中，可以利用LabVIEW[1]內(nèi)置的眾多數(shù)據(jù)處理函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理從而得到所需的信息。

筆者就利用NI最新推出的Single-Board RIO板卡NI 9606作為嵌入式開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)?？紤]到一些數(shù)據(jù)采集設(shè)備需要就地顯示采集數(shù)據(jù)等信息，又因?yàn)镹I配套的液晶顯示設(shè)備價(jià)格昂貴，用LabVIEW獨(dú)立開發(fā)第三方液晶的驅(qū)動(dòng)程序工作量巨大，因此提出了一種間接驅(qū)動(dòng)液晶的方案，即利用NI 9606自帶的RS232串口，將數(shù)據(jù)發(fā)送到驅(qū)動(dòng)液晶的單片機(jī)中予以顯示，這樣可以大幅減少成本和開發(fā)周期。

系統(tǒng)硬件由兩部分組成，一是以Single-Board RIO為核心的數(shù)據(jù)采集部分，二是由單片機(jī)和液晶組成的顯示部分，RS232串口通信作為二者連接的橋梁。根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，需要顯示電機(jī)的運(yùn)行情況，即電壓及電流等信息，將電機(jī)的電壓和電流作為信號(hào)采集的信號(hào)源。從而組成基于Single-Board RIO的數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)硬件組成框圖

1.1 數(shù)據(jù)采集

NI Single-Board RIO平臺(tái)[2]結(jié)合了可部署的嵌入式設(shè)備，在單一板卡上集成了實(shí)時(shí)處理器、可重復(fù)配置現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)、模擬和數(shù)字I/O。可以通過NI C系列模塊(本系統(tǒng)選擇NI 9683)擴(kuò)展內(nèi)置模擬和數(shù)字I/O。利用電壓互感器、電流互感器將三相交流電轉(zhuǎn)換為NI 9606允許輸入范圍的電壓和電流信號(hào)。針對(duì)不同的信號(hào)源NI 9606提供3種接線方式，分別是參考單端模式、非參考單端模式和差分模式。結(jié)合要采集的信號(hào)和對(duì)信號(hào)精度的要求選擇差分模式，因?yàn)椴罘帜Ｊ娇梢允狗糯笃饔行У匾种乒材ｋ妷阂约叭魏闻c信號(hào)混雜在一起的共模形式的噪聲，有效地提高測(cè)量質(zhì)量。

1.2 液晶顯示

為了減少成本，選擇利用單片機(jī)間接驅(qū)動(dòng)液晶的方案。由于對(duì)顯示速度要求不高，所以單片機(jī)選擇STC89C52，組成單片機(jī)最小系統(tǒng)。利用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232將RS232電平轉(zhuǎn)換為TTL電平。液晶選擇川航科技CH240128字符液晶，液晶引腳定義見表1，顯示系統(tǒng)電路原理如圖2所示。

表1 液晶引腳定義

圖2 顯示部分電路原理

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)按照程序運(yùn)行的位置分為3部分，一是運(yùn)行在NI 9606內(nèi)部FPGA部分的采集程序，二是運(yùn)行在NI 9606內(nèi)部實(shí)時(shí)處理器的數(shù)據(jù)處理和串口發(fā)送程序。這兩部分都是利用LabVIEW語(yǔ)言編寫。第三部分是運(yùn)行在單片機(jī)中的串口接收和顯示程序，此部分程序由C51語(yǔ)言編寫。

2.1 LabVIEW程序設(shè)計(jì)

NI 9606無(wú)縫兼容LabVIEW，可以利用LabVIEW圖形化編程環(huán)境對(duì)內(nèi)部的FPGA和實(shí)時(shí)處理器進(jìn)行編程。并且LabVIEW內(nèi)部集成了許多函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的計(jì)算和信號(hào)處理，從而提高開發(fā)效率。程序框圖如圖3所示。

首先編寫FPGA VI，從FPGA I/O節(jié)點(diǎn)讀取數(shù)據(jù)，利用順序程序第一幀的延時(shí)來(lái)定義采樣率，檢查錯(cuò)誤狀態(tài)保證數(shù)據(jù)的完整性。FPGA程序如圖4所示。

圖3 LabVIEW程序框圖

圖4 FPGA程序

實(shí)時(shí)處理器部分程序主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和串口發(fā)送，首先讀I/O節(jié)點(diǎn)取出數(shù)據(jù)[3]，再利用LabVIEW自帶的函數(shù)求出電壓、電流有效值和功率因數(shù)。利用LabVIEW VISA[4]串口節(jié)點(diǎn)設(shè)置波特率等，將數(shù)據(jù)加標(biāo)志位后發(fā)送到串口[5]，程序如圖5所示。

圖5 實(shí)時(shí)處理器程序

2.2 顯示部分程序設(shè)計(jì)

通過單片機(jī)的控制引腳按照一定的時(shí)序輸送高低電平，通過I/O引腳輸送相應(yīng)的數(shù)據(jù)和指令驅(qū)動(dòng)液晶。設(shè)置與VISA[6]相同的串口通信參數(shù)，如波特率及奇偶校驗(yàn)等。利用標(biāo)志位將電壓、電流、功率因數(shù)3組數(shù)據(jù)分別顯示在液晶的不同位置。單片機(jī)[7]程序流程如圖6所示。

圖6 單片機(jī)程序流程

3 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

結(jié)合硬件設(shè)計(jì)和軟件編程，實(shí)現(xiàn)基于Single-Board RIO的數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)，將電機(jī)的電壓和電流作為信號(hào)采集的信號(hào)源。信號(hào)通過電壓互感器、電流互感器后連接到NI 9606，數(shù)據(jù)經(jīng)運(yùn)算處理后發(fā)送到顯示部分，在液晶上予以顯示。

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于Single-Board RIO的數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)，系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)，可勝任高速、高精度的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。筆者創(chuàng)新性地提出了間接驅(qū)動(dòng)液晶的方案，大幅度減少了系統(tǒng)成本，對(duì)實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，也為NI系列產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)提供了一種全新的解決方案。

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