在日常的測(cè)試測(cè)量中,經(jīng)常使用數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)。但是很多數(shù)據(jù)采集卡往往通過(guò)PCI總線(xiàn)完成數(shù)據(jù)的傳輸,它有諸多弊端,例如操作不便,受限于計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量和中斷資源,現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)對(duì)計(jì)算機(jī)安全有威脅,計(jì)算機(jī)內(nèi)部的強(qiáng)電磁干擾對(duì)被測(cè)信號(hào)也會(huì)造成很大的影響,最耗時(shí)最復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析卻由用戶(hù)通過(guò)第三方軟件(如VC,VB等) 在PC機(jī)上編寫(xiě)上位機(jī)軟件來(lái)完成,因此用戶(hù)不得不在這方面花費(fèi)大量精力。這些問(wèn)題都遏制了基于PCI總線(xiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和應(yīng)用,因此迫切需要設(shè)計(jì)一種更為簡(jiǎn)便通用的高速數(shù)據(jù)采集通信系統(tǒng)來(lái)完成數(shù)據(jù)采集以及與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交互。
近年來(lái)通用串行總線(xiàn)(USB)以即插即用等技術(shù)優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用,INTEL等公司最近公布了USB 3.0主控制器規(guī)范,該標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸速率有望達(dá)5Gbps,且支持雙向同時(shí)傳輸,完全可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的要求。LABVIEW是美國(guó)NI公司基于圖形化編程語(yǔ)言的虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境,內(nèi)置信號(hào)采集、測(cè)量分析與數(shù)據(jù)顯示功能,集開(kāi)發(fā)、調(diào)試、運(yùn)行于一體,其交互式的Express VI 易與各種范圍的I/O信號(hào)連接,可以非常容易地與各種主流的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信以及與大多數(shù)通用數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接,大大簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)進(jìn)程。如果根據(jù)DSP本身的特點(diǎn),把DSP集成到采集卡上,并把數(shù)據(jù)采集和部分?jǐn)?shù)據(jù)處理工作留給DSP來(lái)完成,然后計(jì)算機(jī)再利用LABVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理顯示功能,這無(wú)疑將大大提高測(cè)量速度和精度。
系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
本文提出了一種基于LABVIEW的USB接口高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì),充分利用DSP豐富的片上外設(shè)以及高性能的數(shù)字信號(hào)處理能力,將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)DSP處理后通過(guò)高速USB接口傳輸?shù)絇C機(jī)上,通過(guò)LABVIEW軟件按照用戶(hù)的特定要求來(lái)處理并顯示。
TMS320F2812型DSP芯片是TI公司推出的具有高速處理能力的高精度32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)控制器,指令速度高達(dá)150MIPS,片內(nèi)集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)、脈寬調(diào)制電路、捕獲單元、光電編碼器、串行外設(shè)接口等模塊,為進(jìn)一步拓展DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提供了豐富的資源。本設(shè)計(jì)采用TMS320F2812芯片(DSP)作為數(shù)據(jù)采集與控制單元,以CYPRESS公司的高速USB接口芯片CY7C68001為基礎(chǔ),利用DSP片上A/D轉(zhuǎn)換器采集數(shù)據(jù),經(jīng)處理后把數(shù)據(jù)通過(guò)USB總線(xiàn)傳輸至PC機(jī),PC機(jī)接收到數(shù)據(jù)后按照用戶(hù)的要求通過(guò)LABVIEW處理并顯示數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)主要有三部分組成:4通道被測(cè)信號(hào)調(diào)理部分、數(shù)據(jù)采集控制處理部分和上位機(jī)控制面板部分,系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
信號(hào)調(diào)理模塊
由于被測(cè)輸入信號(hào)范圍為-15V~+15V,而DSP片上高速A/D轉(zhuǎn)換器要求輸入信號(hào)必須為0~3V,所以需要對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。
信號(hào)調(diào)理模塊主要由高速運(yùn)算放大器AD8028組成。很多運(yùn)放都有這樣一個(gè)特點(diǎn):當(dāng)輸入信號(hào)接近門(mén)檻電壓時(shí),輸出從一個(gè)差分對(duì)到另一個(gè)差分對(duì)變換時(shí)會(huì)產(chǎn)生失真,再加上信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)輸入信號(hào)衰減的比例很大,如果設(shè)計(jì)不當(dāng)誤差會(huì)更大,因此運(yùn)放的選擇非常關(guān)鍵。AD8028是Analog Devices公司的軌到軌輸入輸出的高速運(yùn)算放大器,工作電壓2.7V-12V,共模抑制比110dB,帶寬190MHz,壓擺率100V/μS,它有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn):即允許用戶(hù)通過(guò)片上特定的引腳選擇門(mén)檻電壓,這無(wú)疑大大減小了失真,因此AD8028是一個(gè)理想的選擇,其單通道信號(hào)調(diào)理模塊電路圖如圖2所示。
數(shù)據(jù)采集模塊
DSP片上ADC模塊是可配置為2個(gè)獨(dú)立的8通道模塊、也可以級(jí)聯(lián)構(gòu)成一個(gè)16通道的帶流水線(xiàn)的12位ADC,最高采樣速率12.5MHz,流水線(xiàn)轉(zhuǎn)換時(shí)間是80ns,單次轉(zhuǎn)換時(shí)間是200ns。該模塊主要由前向模擬多路復(fù)用開(kāi)關(guān)、采樣/保持電路、變換內(nèi)核、結(jié)果寄存器、排序器、電壓參考等部分組成,ADC模塊的功能框圖如圖3所示。
USB從接口CY7C68001模塊
CY7C68001集成有USB2.0收發(fā)器(物理層)、USB2.0串行接口引擎SIE(鏈路層)、4kB的FIFO和電壓調(diào)節(jié)器、鎖相環(huán),支持高速(480Mb/s)或全速(12Mb/s)傳輸,3.3V操作電壓,具有同步與異步的FIFO接口,支持USB2.0協(xié)議要求的全部4種傳輸方式(控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸和同步傳輸),可以滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)各種數(shù)據(jù)傳輸方式的需求。片上的串行接口處理器(SIE)能完成大部分的USB協(xié)議操作,使用戶(hù)可以擺脫復(fù)雜的協(xié)議細(xì)節(jié),簡(jiǎn)化用戶(hù)配置代碼,加快程序開(kāi)發(fā)過(guò)程。但是由于不帶MCU內(nèi)核,所以USB應(yīng)用層協(xié)議應(yīng)該由DSP編程實(shí)現(xiàn),USB固件的加載必須靠DSP控制來(lái)完成。
本設(shè)計(jì)將CY7C68001映射為DSP的外設(shè),占用DSP的外擴(kuò)區(qū)域XINTF0空間,地址分配如下:FIFO2,F(xiàn)IFO4,F(xiàn)IFO6,F(xiàn)IFO8和命令口的地址分別為000,001,010,011,100,采用并行異步讀寫(xiě)方式完成二者之間數(shù)據(jù)和命令的交換。當(dāng)CY7C68001的地址線(xiàn)FIFOADR[2:0]為100時(shí),選中CY7C68001的命令口,通過(guò)CY7C68001的命令口,可以訪(fǎng)問(wèn)其內(nèi)部37個(gè)寄存器、Endpoint0緩沖器(64個(gè)字節(jié)FIFO)和描述表(500個(gè)字節(jié)FIFO)等。CY7C68001中斷信號(hào)INT#和4個(gè)狀態(tài)信號(hào)READY、FLAGA、FLAGB、FLAGC分別與DSP的外部中斷1 (XINT1), GPIOA0,GPIOA1,GPIOA2,GPIOA3相連。在實(shí)際應(yīng)用中,由于通信速度達(dá)480Mb/s,所以要對(duì)電源進(jìn)行退耦處理, 另外CY7C68001最好使用24MHz有源晶振以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力,硬件電路圖如圖4所示。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)USB應(yīng)用系統(tǒng)的步驟是:先用Windows DDK(設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)包)或第三方開(kāi)發(fā)工具(如Driver Studio)開(kāi)發(fā)USB驅(qū)動(dòng)程序,然后用Visual C++編寫(xiě)DLL(動(dòng)態(tài)連接庫(kù)),最后再調(diào)用DLL來(lái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。本文介紹一種簡(jiǎn)單快速開(kāi)發(fā)USB接口應(yīng)用系統(tǒng)的方法,它直接在LABVIEW環(huán)境下通過(guò)NI-VISA開(kāi)發(fā)能驅(qū)動(dòng)用戶(hù)USB系統(tǒng)的應(yīng)用程序,完全避開(kāi)了以前開(kāi)發(fā)USB驅(qū)動(dòng)程序的復(fù)雜性,大大縮短了開(kāi)發(fā)周期。
LABVIEW及其對(duì)VISA的調(diào)用
VISA(Virtual Instrument Software Architecture)是一個(gè)用來(lái)與各種儀器總線(xiàn)進(jìn)行通訊的高級(jí)應(yīng)用編程接口(API),不受平臺(tái)、總線(xiàn)和環(huán)境的限制,可用來(lái)對(duì)USB、GPIB、串口、VXI、PXI和以太網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行配置、編程和調(diào)試。當(dāng)進(jìn)行USB通信時(shí),VISA提供了兩類(lèi)函數(shù)供LABVIEW調(diào)用:USB INSTR設(shè)備與USB RAW設(shè)備。USB INSTR設(shè)備是符合USBTMC協(xié)議的USB設(shè)備,可以通過(guò)使用USB INSTR類(lèi)函數(shù)控制,通信時(shí)無(wú)需配置NI-VISA;而USB RAW設(shè)備是指除了明確符合USBTMC規(guī)格的儀器之外的任何USB設(shè)備,通信時(shí)要配置NI-VISA。
(1)配置NI-VISA的步驟
①使用Driver Development wizard(驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)向?qū)?創(chuàng)建INF文檔;
②安裝INF文檔,并安裝使用INF文檔的USB設(shè)備;
?、凼褂肗I-VISA Interactive Control(NI-VISA互動(dòng)控制工具)對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試,以證實(shí)USB設(shè)備已正確安裝,并獲得USB設(shè)備的各屬性值。
(2)與Nl-VISA相配合的LABVIEW模板中VI子節(jié)點(diǎn)
ViOpen,打開(kāi)并指定VISA resource name的設(shè)備的連接;
ViProperty,VISA設(shè)備的屬性子節(jié)點(diǎn),可以設(shè)置端點(diǎn)或傳輸方式;
ViWrite,向VISA resource name指定的設(shè)備寫(xiě)入數(shù)據(jù);
ViRead,從VISA resource name指定的設(shè)備讀出數(shù)據(jù);
ViClose,結(jié)束設(shè)備讀寫(xiě)并關(guān)閉與指定設(shè)備的連接。
(3)USB RAW設(shè)備讀寫(xiě)的操作
USB RAW設(shè)備的讀寫(xiě)流程圖如圖5所示。
前面板部分
LABVIEW是NI公司開(kāi)發(fā)的一種基于圖形程序的編程語(yǔ)言,用戶(hù)利用創(chuàng)建和調(diào)用子程序的方法編寫(xiě)程序,使創(chuàng)建的程序模塊化且編制簡(jiǎn)單直觀(guān)。一個(gè)LABVIEW程序分為3部分;前面板、框圖程序和圖標(biāo)/接線(xiàn)端口。前面板提供與用戶(hù)交互的圖形化界面,通過(guò)面板上的各種按鈕、開(kāi)關(guān)等控件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的操作或控制;實(shí)時(shí)波形顯示窗口能對(duì)產(chǎn)生的信號(hào)波形進(jìn)行預(yù)覽和監(jiān)視。還可以通過(guò)LABVIEW波形顯示器自帶的功能對(duì)波形進(jìn)行觀(guān)察和測(cè)量,對(duì)穩(wěn)定的周期信號(hào)可以直接準(zhǔn)確地讀出幅值和頻率,采集的正弦波波形如圖6所示
結(jié)束語(yǔ)
隨著電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用,社會(huì)的數(shù)字化程度越來(lái)越高,數(shù)據(jù)采集也越來(lái)越重要,本系統(tǒng)是一種通用的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),可用于生物電波、電子學(xué)頻譜、聲波分析等瞬態(tài)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和觀(guān)察等場(chǎng)合。其中基于USB總線(xiàn)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有可靠性高、數(shù)據(jù)不丟失、抗干擾性強(qiáng)、便于數(shù)據(jù)傳輸和處理等優(yōu)點(diǎn),因而具有良好的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。