基于通用總線技術(shù)的數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

王豐

（中國(guó)航天科技集團(tuán)北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所，北京，100076）

0 引言

電子電氣產(chǎn)品的研制調(diào)試不同于結(jié)構(gòu)等其他產(chǎn)品，很多的數(shù)據(jù)看不見(jiàn)，摸不到，而且電子電氣產(chǎn)品的可能故障點(diǎn)非常多，光是芯片的引腳就有幾百個(gè)，任何一點(diǎn)的虛焊，都會(huì)引起難以排查的故障。況且電信號(hào)的速度非常的快，很多的現(xiàn)象都是毫秒、甚至微妙級(jí)，轉(zhuǎn)瞬即逝，有的故障現(xiàn)象還是概率性事件，只有達(dá)到一定的測(cè)試次數(shù)才會(huì)復(fù)現(xiàn)，因此電子電氣工程師排查電氣系統(tǒng)的故障都必須使用專門的調(diào)試設(shè)備。

現(xiàn)階段比較普遍使用的測(cè)試設(shè)備是三用表和示波器。三用表使用簡(jiǎn)單，價(jià)格經(jīng)濟(jì)便宜，可以檢測(cè)電壓信號(hào)、電流信號(hào)、測(cè)量電阻的大??；示波器的使用門檻比較高，價(jià)格比較昂貴，可以檢測(cè)微妙甚至納秒級(jí)的電信號(hào)，測(cè)試電壓范圍寬，采用率高，很多高端的產(chǎn)品還可以進(jìn)行信號(hào)時(shí)域和頻域的轉(zhuǎn)換。但是這兩種產(chǎn)品都存在一個(gè)共同的缺點(diǎn)，就是不能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)并回放，這就給工程師帶來(lái)了麻煩。電子電氣產(chǎn)品中產(chǎn)生了概率性的問(wèn)題后往往需要大量長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試用于產(chǎn)品故障復(fù)現(xiàn)，為了抓住產(chǎn)品故障狀態(tài)下的信號(hào)波形，就需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)。

現(xiàn)階段在市面已經(jīng)存在具有數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)功能的測(cè)試儀，例如日置公司的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄儀MR6000、HBM公司的GEN3i，產(chǎn)品雖然能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)，但是成本很高，不低于30萬(wàn)，創(chuàng)業(yè)型小公司或者個(gè)人試驗(yàn)室往往無(wú)法承受；并且產(chǎn)品體積大、重量大、便攜性不好。

基于上述產(chǎn)品的缺點(diǎn)，現(xiàn)設(shè)計(jì)一款成本低廉、便攜性好的基于通用總線技術(shù)的數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)模塊（以下簡(jiǎn)稱數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)模塊），采用計(jì)算機(jī)通用總線傳輸數(shù)據(jù)，與筆記本電腦配合使用，發(fā)揮計(jì)算機(jī)總線的高速特性、大容量硬盤的存儲(chǔ)技術(shù)和Windows操作系統(tǒng)下成熟數(shù)據(jù)處理軟件技術(shù)，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行大量存儲(chǔ)和精確分析，同時(shí)顯著降低產(chǎn)品成本。

三用表、示波器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄儀以及數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)模塊的優(yōu)缺點(diǎn)比對(duì)，詳見(jiàn)表1。

表1 各種數(shù)據(jù)記錄儀特性比對(duì)

經(jīng)過(guò)表1的比對(duì)分析得出，新設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)模塊的綜合性指標(biāo)要優(yōu)于其它測(cè)試設(shè)備，因此開(kāi)發(fā)基于計(jì)算機(jī)通用總線技術(shù)的數(shù)據(jù)記錄模塊很有必要。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

基于通用總線技術(shù)的數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)原理詳見(jiàn)圖1。

圖1 模塊原理框圖

基于通用總線技術(shù)的數(shù)據(jù)記錄模塊，采用現(xiàn)階段計(jì)算機(jī)比較通用的USB總線，因?yàn)閁SB總線多用于筆記本電腦對(duì)外接口，接口速度快，連接使用方便，抗干擾能力強(qiáng)，其中USB接口轉(zhuǎn)接RS422接口模塊，也是市面很普遍的產(chǎn)品。而且很多的USB轉(zhuǎn)接RS422接口的模塊均為免驅(qū)動(dòng)，通用的串口助手等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件也很多，這為上位機(jī)軟件的研制減少工作量。

模塊的核心設(shè)計(jì)采用DSP芯片，可以高速處理傳輸16位數(shù)據(jù)，并且DSP芯片自帶全雙工串口，方便擴(kuò)展RS422接口。AD芯片為12位數(shù)據(jù)采集芯片，可以實(shí)現(xiàn)小數(shù)點(diǎn)后2位數(shù)的電壓精度。由于模塊采用RS422接口與上位機(jī)筆記本連接，模塊本身無(wú)法從USB接口取電，因此需要外接交流220V轉(zhuǎn)直流5V電源供電，采用市購(gòu)?fù)ㄓ玫?20V轉(zhuǎn)5V變壓器即可。

數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)模塊使用時(shí)，將模塊與筆記本電腦USB接口連接，模塊電源與220V交流電源連接，將兩個(gè)探針?lè)謩e連接被測(cè)設(shè)備的正負(fù)點(diǎn)，啟動(dòng)串口助手，設(shè)置好通信的波特率和奇偶校驗(yàn)位。將模塊配置數(shù)據(jù)通過(guò)串口助手發(fā)送至模塊，模塊配置好后自動(dòng)開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口傳送至上位機(jī)的串口助手。點(diǎn)擊串口助手的數(shù)據(jù)保存功能，將數(shù)據(jù)單獨(dú)存儲(chǔ)為文件。用Matlab或者Origin軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 DSP電路設(shè)計(jì)

本模塊的CPU采用TI公司的TMS320F2812DSP芯片。此芯片為高性能32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，內(nèi)核的指令執(zhí)行周期達(dá)到了6.67ns，最高運(yùn)行頻率可以達(dá)到150MHz，保證了控制系統(tǒng)有足夠的數(shù)據(jù)處理能力。此外，F(xiàn)2812集成有許多外設(shè)，提供了整套的片上系統(tǒng)，從降低了系統(tǒng)成本，實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單、高效的控制[1]。其片上外設(shè)主要包括2路SCI，1路SPI，1路McBSP，1路eCAN接口等，并帶有兩個(gè)事件管理模塊(EVA、EVB)，分別包括6路PWM/CMP，2路QEP，3路CAP，2路16位定時(shí)器(或TxPWM/TxCMP)。另外，該器件還有3個(gè)獨(dú)立的32位CPU定時(shí)器，以及多達(dá)56個(gè)獨(dú)立編程的GPIO引腳。芯片內(nèi)部有18K的SARAM，包括MO、M1、L0、L1、H0共5個(gè)存儲(chǔ)塊。各存儲(chǔ)塊保持獨(dú)立，可以在同一機(jī)器周期對(duì)不同的RAM塊進(jìn)行訪問(wèn)。而且F2812內(nèi)部有128K字的FLASH，適用于低功耗、高性能的控制系統(tǒng)。此外F2812提供了外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口(XINTF)，方便進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，其尋址空間可以達(dá)到1MB。

2.2 AD采集電路設(shè)計(jì)

AD采樣電路采用AD7864芯片。AD7864是一款高速低功耗四通道同步采樣單5V供電的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它包含一個(gè)1.65μs逐次逼近ADC，四采樣保持放大器，2.5V電壓參考，時(shí)鐘振蕩器，信號(hào)調(diào)理電路和一高速并行接口，它可以同步采樣四路通道的輸入信號(hào)以保持四路模擬輸入的相對(duì)狀態(tài)信息。AD7864可以接受的輸入信號(hào)范圍為：AD7864-1型 為 ±10V，±5V；AD7864-2型為 0～2.5V，0～5V；AD7864-3型為±2.5V。模擬輸入的過(guò)電壓保護(hù)可以允許輸入電壓分別達(dá)到±20V，+20V／-1V，+20／-5V而對(duì)器件不產(chǎn)生損害或影響。通道選擇可以通過(guò)軟件或硬件進(jìn)行選擇。AD7864四通道同時(shí)工作時(shí)，最大采樣率可以高達(dá)130kHz。

2.3 RS422電路設(shè)計(jì)

RS422接口芯片采用ADM2587E完全集成式隔離數(shù)據(jù)收發(fā)器，包含一個(gè)集成式隔離DC/DC電源，不再需要外部隔離電源模塊，是帶隔離的增強(qiáng)型RS-485收發(fā)器，ADM2582E/ADM2587E是具備±15kVESD保護(hù)功能的完全集成式隔離數(shù)據(jù)收發(fā)器，適合用于多點(diǎn)傳輸線路上的高速通信應(yīng)用。它采用ADI公司的isoPowerTM技術(shù)，在單個(gè)封裝內(nèi)集成了一個(gè)三通道隔離器、一個(gè)三態(tài)差分線路驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)差分輸入接收機(jī)和一個(gè)isoPowerTMDC/DC轉(zhuǎn)換器，該器件采用5V或3.3V單電源供電，從而實(shí)現(xiàn)了完全隔離的RS-485解決方案。ADM2582E/ADM2587E驅(qū)動(dòng)器帶有一個(gè)高電平有效使能電路，并且還提供一個(gè)高電平接收機(jī)有效禁用電路，可使接收機(jī)輸出進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)[2]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

嵌入式軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，編譯器選用CCS3.3版本，軟件流程圖詳見(jiàn)圖2。

圖2 嵌入式軟件流程圖

軟件下載在DSP芯片中，上電后自動(dòng)運(yùn)行。軟件運(yùn)行后，先對(duì)DSP芯片和AD芯片進(jìn)行基本的配置，然后檢測(cè)是否有上位機(jī)通過(guò)RS422總線發(fā)送來(lái)的配置指令，若有則將相應(yīng)的寄存器置位，同時(shí)檢測(cè)配置信息中是否有開(kāi)始采集數(shù)據(jù)信息，若有，則將啟動(dòng)采集寄存器置位。當(dāng)DSP檢測(cè)到啟動(dòng)采集寄存器職位后，開(kāi)始按照配置數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)RS422接口編幀，傳輸給上位機(jī)[3]。

數(shù)據(jù)編幀的格式詳見(jiàn)表2。

表2 RS422接口數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

操作系統(tǒng)通過(guò)上位機(jī)軟件將USB接口傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)解幀，通過(guò)操作系統(tǒng)內(nèi)置函數(shù)存儲(chǔ)為十六進(jìn)制文件.dat。當(dāng)數(shù)據(jù)量比較大時(shí)，可以將數(shù)據(jù)分包，存成幾個(gè)文件，便于后續(xù)分析和處理。

采集結(jié)束時(shí)，發(fā)送RS422指令，停止數(shù)據(jù)采集，DSP處于待機(jī)狀態(tài)，繼續(xù)等待接收新的開(kāi)始指令。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)5V電壓進(jìn)行采集測(cè)試，上位機(jī)現(xiàn)實(shí)的電壓數(shù)據(jù)曲線詳見(jiàn)圖6。此波形為采用Origin8.0軟件對(duì)5V電壓采集數(shù)據(jù)進(jìn)行的繪圖。

圖3 電壓采集曲線

經(jīng)分析，模塊可是實(shí)現(xiàn)對(duì)5V直流電壓的精確采集。

通過(guò)將采集數(shù)據(jù)和其他公司設(shè)備采集數(shù)據(jù)相比較，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本一致，同時(shí)基于USB總線技術(shù)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備在存儲(chǔ)方面明顯優(yōu)于其它設(shè)備，可以借用操作系統(tǒng)的對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)管理的優(yōu)越性，顯著減少軟件數(shù)據(jù)處理的工作量，同時(shí)由于具有操作系統(tǒng)的支持，數(shù)據(jù)處理也變得很簡(jiǎn)單，可以通過(guò)波形直接識(shí)別出總線數(shù)據(jù)，還可以定制自己的算法。