本文提出的車載信號采集系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)實現(xiàn)對機車信號波形的頻譜分析。利用可靠的硬件和軟件技術(shù)實現(xiàn)機車信號檢測的實時性和高精度要求。系統(tǒng)采用USB總線接口有效地解決了傳統(tǒng)總線形式(如RS232、并口、ISA等)傳輸速度低、安裝繁瑣、易受機箱內(nèi)環(huán)境的干擾、計算機系統(tǒng)資源限制等缺點，具有廉價、高速、支持即插即用、使用維護方便等優(yōu)點。
1 系統(tǒng)總體設計
本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計主要分為硬件和軟件設計兩部分。其中硬件設計主要包括信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、控制部分以及USB接口部分等實現(xiàn)內(nèi)容。
系統(tǒng)軟件設計分為USBN件(Firmware)、USB設備驅(qū)動程序以及主機應用程序三部分內(nèi)容。在Windows操作平臺下，主機應用程序通過USB設備驅(qū)動程序與系統(tǒng)硬件接口USBDI(USBDeviceInteRFace)進行通信，然后由系統(tǒng)產(chǎn)生USB數(shù)據(jù)的傳送動作。固件則是運行在接口芯片中的代碼，用以響應各種來自系統(tǒng)的USB標準請求，完成數(shù)據(jù)的交換工作和事務處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件設計
USB數(shù)據(jù)采集板硬件電路設計實現(xiàn)共分為5大部分，它們分別是信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、控制部分以及USB接口部分。
2.1 信號調(diào)理
信號調(diào)理部分由脈沖計數(shù)式鑒頻器完成。它由四部分組成(如圖2所示)，即過零比較器、微分電路、脈沖形成電路和低通濾波器，輸入的調(diào)頻波 Ui(t)經(jīng)過零比較器后變成調(diào)頻方波信號U1(t)，調(diào)頻方波信號通過微分電路后變?yōu)槲⒎置}沖序列U2(t)，微分脈沖序列經(jīng)過脈沖形成電路后變?yōu)榈让}寬的方波脈沖序列U3(t)，等脈寬的方波脈沖序列通過低通濾波器后就輸出調(diào)制信號Uo(t)。鑒頻器各部分的波形如圖3所示。
2.2 主控芯片的工作方式
本設計采用的主控芯片是Cypress公司的USB2.0控制芯片CY7C68013，它與計算機通過USB接口相連，使設備能在PC機的控制下進行操作。USB主控芯片通過邏輯控制電路連接到FIFO和A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳送至FIFO芯片進行緩沖，緩沖后的數(shù)據(jù)輸入主控芯片的從FIFO中，然后從FIFO以DMA(直接內(nèi)存存取)的方式經(jīng)由SIE(串行接口引擎)傳給PC機。
為了實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集的功能，A/D芯片采用的ADl*，它是一款12位，最高轉(zhuǎn)換速度可達100kHz的A/D轉(zhuǎn)換芯片，考慮到對FIFO容量的需求，系統(tǒng)采用GPLD和FIFO來實現(xiàn)。選用IDT7205完成數(shù)據(jù)緩存。其最高工作頻率為133MHz，容量為8kB，能滿足設計要求。
CY7C68013與外設有兩種接口方式：通用可編程接口GPIF方式和從屬FIFO方式。GPIF的核心就是一個可編程狀態(tài)機，可產(chǎn)生6個控制和9個地址輸入信號，并能接收 6個外部和2個內(nèi)部“ready”輸入信號。GPIF向外部接口產(chǎn)生正確的選通信號和握手信號，外部接口用于對FIFO數(shù)據(jù)的傳進和傳出。GPIF是主機的方式，而從屬FIFO方式是從機方式，它由外部控制器控制，可像對普通FIFO一樣對FX2的多層緩沖FIFO進行讀寫。FX2的從屬FIFO工作方式可設為同步或異步，工作時鐘可選為內(nèi)部產(chǎn)生或外部輸入，其它控制信號也可根據(jù)需要設置為高有效或低有效。
2.3 FlF0的數(shù)據(jù)緩存作用
由于A/D最高采樣頻率可達100MHz，而主控芯片CY7C68013中的FIFO只有4kB，不能滿足A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的要求，因此需要在A/D和CY7-C68013之間增加一個高速的FIFO來緩存數(shù)據(jù)。FIFO是先進先出的數(shù)據(jù)緩存器，數(shù)據(jù)在其內(nèi)部順序?qū)懭搿㈨樞蜃x出，其數(shù)據(jù)地址由內(nèi)部讀寫指針自動加1完成。它具有雙口輸入輸出、采集傳送速度快等特點，能滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。由FIFO構(gòu)成的數(shù)據(jù)緩沖電路主要部分的接口電路如圖4所示。
IDT7205有兩種工作模式，即IDT標準模式和FWFT模式。本設計中采用IDT標準模式，這種模式通過FF、PAF、PAE、HF、EF 五個標志位來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。/WEN(寫使能端)置為有效時，數(shù)據(jù)可以寫入FIFO。在WLCK(寫時鐘)的控制下，數(shù)據(jù)持續(xù)寫入FIFO，當?shù)谝粋€數(shù)據(jù)被寫入時，/EF(空標志)無效，數(shù)據(jù)不斷地寫入FIFO，即將寫滿時/PAE(將空標志)無效，/PAF(將滿標志)有效，表示FIFO即將寫滿。當 FIF0寫滿時，/FF(滿標志)置為有效，控制A/D芯片停止寫數(shù)。開始讀數(shù)據(jù)時的第一個讀操作使/FF置為無效，此時開始持續(xù)地讀取數(shù)據(jù)，當FIFO 中數(shù)據(jù)減少到一定程度，會使/PAF(將滿)和/HF(半滿)兩個標志位置為無效，持續(xù)讀出數(shù)據(jù)，而不寫入數(shù)據(jù);當FIFO中只剩下N個字時(N為空狀態(tài)的缺省值)，/PAF有效;當FIFO中的數(shù)據(jù)被全部讀出時，/EF置為有效，此時控制主控芯片停止讀取數(shù)據(jù)，與此同時A/D也開始下一個讀取數(shù)據(jù)過程。
3 系統(tǒng)軟件設計
3.1 固件設計
USB固件是運行在FX2芯片CY7C68013中的代碼。在數(shù)據(jù)采集卡連接到計算機后，通過一個能自動完成固件下載以及設備重枚舉功能的設備驅(qū)動程序，即固件下載驅(qū)動程序?qū)SB固件下載到FX2的RAM中。
Cypress公司針對FX2系列的USB芯片給出了一個Firmware(固件)庫，用戶只需要在源程序中包含進EZUSB.H和EZREGS.H， 并且把EZU-SB.LIB和USBJMPB.OBJ添加進項目即可。
在設計中還利用了FX2的框架。FX2程序框架用于加速開發(fā)芯片外設?？蚣転镕X2的初始化、處理設備標準USB設備請求以及USB掛起時的電源管理提供了現(xiàn)成的805l代碼，只需簡單地提供USB描述符表，編寫完成外設功能的代碼就可以開發(fā)一個功能完善的USB外設。
CY7C68013芯片的端點數(shù)總共有7個，根據(jù)設計需要，我們選擇了其中的3個端點，其中1個控制端點、1個發(fā)送端點和1個接收端點。
3.2 驅(qū)動程序
在采集卡工作的運行WindowsxF臺的主機上，Cypress公司提供了Windows下的通用驅(qū)動程序(GDP)。本采集卡使用這個通用驅(qū)動程序，不需要自己另行開發(fā)。
3.3 用戶程序設計
用戶程序設計部分則是基于C++Builder開發(fā)平臺，設計并實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)軟件總體上包括數(shù)據(jù)采集(通道控制、觸發(fā)控制)、波形顯示、參數(shù)測量、頻譜分析及波形存儲與回放等五大模塊。軟件界面如圖5所示。
3.3.1 數(shù)據(jù)采集模塊
數(shù)據(jù)采集模塊在整個系統(tǒng)中占有重要的地位，它是系統(tǒng)的核心。其工作流程圖如圖6所示，本模塊主要完成通道控制、觸發(fā)控制等功能。數(shù)據(jù)采集部分的參數(shù)設置正確與否，直接影響到后面的分析、處理、顯示等功能能否實現(xiàn)。這部分的參數(shù)設置主要包括：
(1)通道控制。主要包括通道個數(shù)控制，系統(tǒng)提供的通道數(shù)為末通道數(shù)減去首通道數(shù)加1。
(2)觸發(fā)控制。主要包括觸發(fā)方式、觸發(fā)類型、觸發(fā)方向、時鐘源選擇等。
3.3.2 波形顯示模塊
波形顯示模塊主要應用Chart實現(xiàn)波形顯示。波形圖顯示信號時域特性。系統(tǒng)可以顯示任意形狀的波形信號。對波形曲線進行操作，包括移動、對研究區(qū)域放大和縮小等。
3.3.3 參數(shù)測量模塊
參數(shù)測量模塊主要實現(xiàn)波形的參數(shù)測量、分析功能，完成包括各通道信號的載波頻率以及實際采樣頻率等幾個參數(shù)的測量，并顯示其測量結(jié)果。參數(shù)測量模塊程序設計實現(xiàn)中，主要應用了循環(huán)結(jié)構(gòu)中的While循環(huán)。
3.3.4 頻譜分析模塊
頻譜分析模塊采用FFT算法，完成數(shù)據(jù)信號的頻譜分析。頻譜分析功能主要實現(xiàn)時域信號和頻域信號的轉(zhuǎn)換。
3.3.5 波形存儲和回放
為了實現(xiàn)對波形數(shù)據(jù)及各種測量數(shù)據(jù)的有效管理，可將這些數(shù)據(jù)予以存儲和回放。
(1)波形存儲。開始采集之前系統(tǒng)自動提示用戶創(chuàng)建新文件。系統(tǒng)可以同時保存多通道的時域波形數(shù)據(jù)，并且只要計算機硬盤或軟盤空間足夠大，可以保存無數(shù)次波形數(shù)據(jù)。從而擺脫了傳統(tǒng)數(shù)字存儲系統(tǒng)的存儲容量的限制。
(2)波形回放。“回放”按鈕控制是否從數(shù)據(jù)文件中讀取波形數(shù)據(jù)。從軟盤或硬盤上讀取的波形數(shù)據(jù)，顯示在實時采集的波形顯示窗口，并保留在顯示窗口。當看完讀取的波形后，要回到實時采集的狀態(tài)，點擊前面板上的“采集”按鈕，進行讀取與采集的切換。并且系統(tǒng)特有的輸出功能可以實現(xiàn)語音信號的同步回放。為了節(jié)約成本我們用計算機的聲卡代替D/A轉(zhuǎn)換器，將采集的語音信號通過聲卡輸出。
4 結(jié)束語
由于采用CY7C68013芯片作為主控制器，其靈活的接口和可編程特性簡化了高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)外部硬件的設計，提高了系統(tǒng)的可靠性;由于A/D轉(zhuǎn)換電路采用ADl*，保證了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高速性和高精度。此設計方案可改善現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在的控制復雜、傳輸效率低、模擬量噪聲大等問題，能實現(xiàn)低成本、高可靠性、高速、高精度和高穩(wěn)定性的多點數(shù)據(jù)采集，并且適合車載作業(yè)。