基于LabVIEW和DSP的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)①

王夢(mèng)謙 姜建國(guó)

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院)

基于LabVIEW和DSP的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)①

王夢(mèng)謙 姜建國(guó)

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院)

自主設(shè)計(jì)數(shù)字信號(hào)處理器最小系統(tǒng)，利用其高速數(shù)據(jù)處理能力和豐富的片內(nèi)資源完成對(duì)目標(biāo)信號(hào)的采集與處理，結(jié)合典型數(shù)據(jù)處理算法設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，以滿足數(shù)據(jù)采集的高精度要求。在CCS下完成系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換等程序設(shè)計(jì)，并在LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)上位機(jī)界面。基于串口通信協(xié)議，利用SCI接口實(shí)現(xiàn)處理器與PC機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸。采用高精度溫控箱進(jìn)行的系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證分析結(jié)果表明：系統(tǒng)對(duì)溫度信號(hào)的采集誤差可保證在±0.05℃范圍內(nèi)，同時(shí)上位機(jī)界面實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

溫度數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 數(shù)字信號(hào)處理器最小系統(tǒng) LabVIEW 串行通信

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，以及自動(dòng)化設(shè)備的廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)被越來越多地運(yùn)用到微機(jī)控制系統(tǒng)。數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)憑借其精度高、可靠性高及速度快等特點(diǎn)，在工業(yè)控制、圖像處理等領(lǐng)域被普遍應(yīng)用[1]。如，以激光器為主要應(yīng)用設(shè)備的有害氣體檢測(cè)系統(tǒng)，需要保證激光器能夠持續(xù)地發(fā)射出穩(wěn)定的中心波長(zhǎng)信號(hào)，由于其信號(hào)的中心波長(zhǎng)主要與工作電流和工作溫度有關(guān)，并且中心波長(zhǎng)隨溫度變化范圍為0.3～0.4nm/℃。因此，為保證系統(tǒng)的正常穩(wěn)定工作，需要完成對(duì)激光器工作環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)和高精度控制[2]。

串口作為計(jì)算機(jī)同外部控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾ǖ?，廣泛應(yīng)用于工業(yè)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。伴隨著虛擬技術(shù)的快速發(fā)展，LabVIEW越來越多地應(yīng)用于測(cè)試領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)LabVIEW與串口通信的結(jié)合，使得系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單直觀。

筆者自主設(shè)計(jì)DSP最小系統(tǒng)和溫度采集外圍電路并集成制作開發(fā)板，通過DSP的SCI模塊實(shí)現(xiàn)與LabVIEW的串行通信，在上位機(jī)界面進(jìn)行指令的發(fā)送和所采集數(shù)據(jù)的接收，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[3，4]。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

筆者設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由DSP數(shù)據(jù)采集和LabVIEW上位機(jī)監(jiān)測(cè)兩部分組成。首先，應(yīng)用高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7793實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信號(hào)的采集，并借助其SPI通信接口和DSP處理器的SPI串行同步通信模塊將采集數(shù)據(jù)快速傳入到DSP中進(jìn)行軟件數(shù)字濾波等處理。在軟件部分需要對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行格式預(yù)處理，即完成浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)向字符串型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果按照一定方式存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)幀中等待傳輸。然后，通過SCI串行通信接口完成數(shù)據(jù)幀由DSP處理器到PC機(jī)的發(fā)送。最終，在LabVIEW上位機(jī)界面進(jìn)行串口接收數(shù)據(jù)幀的識(shí)別、處理、存儲(chǔ)和顯示。在不增加其他外部硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上，以簡(jiǎn)單的串口總線RS-232連接方式實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 硬件電路

該系統(tǒng)的溫度采集電路如圖1所示。以TMS320F2812芯片為核心開發(fā)設(shè)計(jì)DSP處理器最小系統(tǒng)。以溫度值作為信息采集目標(biāo)信號(hào)，選用AD7793芯片進(jìn)行外圍電路設(shè)計(jì)。AD7793芯片采用∑-Δ型數(shù)據(jù)采集調(diào)制技術(shù)，具有高分辨率、低功耗及低噪聲等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于有高精度檢測(cè)要求的系統(tǒng)中[5，6]。其自帶的SPI串行同步通信接口，可實(shí)現(xiàn)與控制器的靈活數(shù)據(jù)通信。

圖1 溫度采集電路

系統(tǒng)采用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)進(jìn)行溫度檢測(cè)，其典型工作溫度范圍15～40℃，熱敏電阻的阻值R會(huì)隨著溫度的增加迅速降低，具有很高的溫度靈敏性[6]。NTC熱敏電阻耗散系數(shù)δ的計(jì)算式為：

(1)

式中ITH——流經(jīng)NTC的電流，A；

Ta——環(huán)境溫度，℃；

Tb——實(shí)際穩(wěn)定溫度，℃；

UTH——端電壓，V。

選用的NTC耗散系數(shù)為2mW/℃，如果采用210μA恒流源激勵(lì)，根據(jù)熱敏電阻溫度阻抗特性可知，其最大阻值為20kΩ，則最高自加熱溫升：

=0.441℃

可以看出，如果采用210μA恒流源激勵(lì)，將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的測(cè)量精度。

當(dāng)采用10μA恒流激勵(lì)源時(shí)，其自加熱造成的最大溫升：

=0.001℃

該溫升遠(yuǎn)小于激光器允許的溫度波動(dòng)范圍和檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度，滿足設(shè)計(jì)要求。

熱敏電阻阻值與當(dāng)前環(huán)境溫度T成非線性反比例關(guān)系，滿足Steinhart-Hart方程[7]：

1/T=C1+C2×lgR+C3×lgR3

(2)

溫度阻抗系數(shù)C1=1.129e-3，C2=2.341e-4，C3=0.878e-7。

2.2 數(shù)據(jù)處理和格式轉(zhuǎn)換

在CCS環(huán)境下完成資源配置、源程序編輯及源程序調(diào)試等操作。如圖2所示，設(shè)置合適的系統(tǒng)波特率、時(shí)鐘模式等，對(duì)SPI模塊進(jìn)行基本的初始化配置，使DSP處理器與AD7793芯片的時(shí)序相匹配，實(shí)現(xiàn)兩者間的同步串行通信。

圖2 SPI通信時(shí)序圖和實(shí)驗(yàn)波形

DSP處理器與PC機(jī)之間通過SCI串口完成數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)通信時(shí)，SCI數(shù)據(jù)緩沖寄存器每次最多只能發(fā)送8位二進(jìn)制數(shù)，而在DSP處理器中，浮點(diǎn)型溫度數(shù)據(jù)是按照IEEE754標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)的，每個(gè)數(shù)據(jù)占用32位二進(jìn)制數(shù)。因此，通信前需將浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符串型數(shù)據(jù)然后逐個(gè)字符進(jìn)行傳輸[7]。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，需對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)加入設(shè)定的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)，將數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)位、校驗(yàn)位和實(shí)際數(shù)據(jù)值打包組成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀，然后通過串口發(fā)送。

SCI接收器需要在收到一個(gè)起始位后開始工作。上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)幀后，首先將數(shù)據(jù)幀中的實(shí)際數(shù)據(jù)值提取出來并按一定順序重組，進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，最終得到所采集的溫度數(shù)據(jù)值[8]。如圖3所示，如果SCIRXD引腳檢測(cè)到連續(xù)4個(gè)SCICLK周期的低電平，SCI就會(huì)認(rèn)為收到一個(gè)有效的起始位。LSB為數(shù)據(jù)的最低位，MSB為數(shù)據(jù)的最高位，在起始位得到確認(rèn)后，CPU采用多數(shù)表決的方式確定下一個(gè)數(shù)據(jù)位的值。具體做法是對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)位第4、5、6個(gè)SCICLK周期進(jìn)行采樣，如果3次采樣中有兩次以上的值相同，這個(gè)值就被認(rèn)為是該位的數(shù)據(jù)值。

圖3 SCI數(shù)據(jù)幀和異步通信格式

3 LabVIEW上位機(jī)

LabVIEW軟件作為虛擬儀器領(lǐng)域中最具普適性的圖形化編程工具，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到儀器控制、數(shù)據(jù)采集等工業(yè)生產(chǎn)中[9，10]。軟件自帶的Real-Time仿真功能和數(shù)據(jù)處理、頻譜分析等子模塊為程序的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)提供了方便。本次設(shè)計(jì)，主要應(yīng)用VISA子模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)串口通信編程，其中包括VISA串口配置、VISA寫入、VISA讀取、VISA緩沖區(qū)設(shè)置及VISA關(guān)閉等函數(shù)。設(shè)置系統(tǒng)通信波特率為19 200，數(shù)據(jù)位為8，停止位1，無校驗(yàn)位。圖4為上位機(jī)數(shù)據(jù)通信程序流程。

圖4 LabVIEW串口通信接收流程

圖5為L(zhǎng)abVIEW后面板程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。在上位機(jī)程序的數(shù)據(jù)讀取循環(huán)中設(shè)置每次所要讀取的字節(jié)數(shù)(與處理器程序中即將發(fā)送的字符串型數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)相匹配)。每個(gè)數(shù)據(jù)幀傳輸完成后，將讀取緩沖區(qū)中的字符串提取出來并轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)輸入到波形圖表中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。每一次循環(huán)結(jié)束前需要借助VISA設(shè)備清零函數(shù)將讀取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)清除，避免現(xiàn)存數(shù)據(jù)對(duì)下一次數(shù)據(jù)讀取造成影響[11]。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

利用高精度溫控箱對(duì)該溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試。在15～40℃范圍內(nèi)，以溫度梯度5℃進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表1。

表1 溫度檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 LabVIEW后面板程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量誤差小于±0.05℃，完全能夠滿足激光器應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)工作環(huán)境溫度波動(dòng)范圍的要求。

通過LabVIEW上位機(jī)界面實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。如圖6所示，將高精度溫控箱設(shè)定為25℃時(shí)進(jìn)行測(cè)試，在大量的溫度數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)中偏差最大的采樣點(diǎn)溫度值為24.97℃，能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖6 LabVIEW上位機(jī)溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面

5 結(jié)束語

筆者自主設(shè)計(jì)DSP最小系統(tǒng)和高精度溫度采集電路，基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)集成性強(qiáng)，利用DSP處理器的SPI、SCI等模塊完成對(duì)溫度數(shù)據(jù)的快速采集與通信傳輸。程序部分采用了典型數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法，保證了數(shù)據(jù)采集精度。采用LabVIEW上位機(jī)界面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液晶等顯示設(shè)備，降低了系統(tǒng)硬件和后期的維護(hù)成本，具有很高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

[1] 王智遠(yuǎn),郝艷華.基于LabVIEW的PC與DSP串口通信研究[J].儀器儀表用戶,2007,14(2):20～22.

[2] 張?chǎng)?李冬梅,黃元慶.基于LabVIEW的陣列式傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2006,27(z2):1393～1401.

[3] Rizk H，Papachristou C，Wolff F.Designing Self Test Programs for Embedded DSP Cores[C].Proceedings of the Conference on Design,Automation and Test in Europe.Piscataway,NJ:IEEE,2004:816～821.

[4] 劉單.基于LabVIEW并行通信的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2006.

[5] 賈偉,邵左文,張玉猛.基于SPI總線的高速串行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2007,26(4):37～40.

[6] 董鳴.AD7793在高精度溫度控制設(shè)備中的應(yīng)用[J].電子技術(shù),2015,15(6):30～32.

[7] 孫麗芹,王海龍,張景順,等.一種基于LabVIEW的串口數(shù)據(jù)傳輸方法[J].通信技術(shù),2013,46(4):139～141.

[8] 王智遠(yuǎn),郝艷華.基于LabVIEW的PC與DSP串口通信研究[J].儀器儀表用戶,2007,14(2):21～22.

[9] Lorenz M,Marwedel P.Phase Coupled Code Generation for DSPs Using a Genetic Algorithm[C].Design,Automation & Test in Europe Conference & Exhibition.Piscataway,NJ:IEEE,2004:1270～1275.

[10] 梁國(guó)偉,陳方泉,林祖?zhèn)?基于LabVIEW的串口數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用[J].現(xiàn)代機(jī)械,2009,30(5):57～59.

[11] 施雅婷,郭前崗,周西峰.一種改進(jìn)的LabVIEW串口通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)試,2010,(8):64～69.

DataAcquisitionandMonitoringSystemBasedonLabVIEWandDSP

WANG Meng-qian, JIANG Jian-guo

(CollegeofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity)

The minimum system of DSP processor was designed independently; through making use of its high-speed data processing ability and the chip’s abundant resources, the target signal’s acquisition and processing were completed. Combined with the typical data processing algorithm, a digital filter was designed to satisfy data acquisition at high accuracy; meanwhile, in CCS environment, having the system initialization implemented, including the data type conversion and the design of host computer interface at LabVIEW software platform; through having the serial communication protocol based, the data communication between PC and DSP was realized. Having the system tested with high precision temperature control box shows that, the error of the temperature signal acquisition stays within the range of ±0.05℃ and the interface of the host computer realizes real-time monitoring of the target signals.

temperature data acquisition and monitoring system,DSP minimum system,LabVIEW, serial communication

TH865

A

1000-3932(2017)08-0778-05

2016-10-26,

2017-07-07)

黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目——天然氣管道泄漏次聲波信號(hào)的檢測(cè)算法研究(E2016013)。

王夢(mèng)謙(1993-)，碩士研究生，從事電力電子與電機(jī)傳動(dòng)的研究，wangmq182@163.com。