《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于LABVIEW的多路高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2010-12-29
作者:劉昌偉 邵左文 畢文
來源:世界電子元器件

關(guān)鍵字:USB" title="USB">USB Labview" title="Labview">Labview 數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集

  引言

  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PCI總線完成數(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)分析卻由用戶通過第三方軟件(如VC,,VB等) 在PC機(jī)上編寫上位機(jī)軟件來完成,因此用戶不得不在這方面花費(fèi)大量精力,。這些問題都遏制了基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用,,因此迫切需要設(shè)計(jì)一種更為簡便通用的高速數(shù)據(jù)采集通信系統(tǒng)來完成數(shù)據(jù)采集以及與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交互。

  近年來通用串行總線(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,,完全可以滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的要求,。LABVIEW是美國NI公司基于圖形化編程語言的虛擬儀器開發(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)總線通信以及與大多數(shù)通用數(shù)據(jù)庫鏈接,,大大簡化了開發(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處理后通過高速USB接口傳輸?shù)絇C機(jī)上,通過LABVIEW軟件按照用戶的特定要求來處理并顯示,。

  TMS320F2812" title="TMS320F2812">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" title="CY7C68001">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USB總線傳輸至PC機(jī),,PC機(jī)接收到數(shù)據(jù)后按照用戶的要求通過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):即允許用戶通過片上特定的引腳選擇門檻電壓,這無疑大大減小了失真,,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通道的帶流水線的12位ADC,,最高采樣速率12.5MHz,,流水線轉(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),,可以滿足用戶對(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,使用戶可以擺脫復(fù)雜的協(xié)議細(xì)節(jié),,簡化用戶配置代碼,,加快程序開發(fā)過程。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FIFOADR[2:0]為100時(shí),,選中CY7C68001的命令口,通過CY7C68001的命令口,,可以訪問其內(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)程序開發(fā)包)或第三方開發(fā)工具(如Driver Studio)開發(fā)USB驅(qū)動(dòng)程序,,然后用Visual C++編寫DLL(動(dòng)態(tài)連接庫),最后再調(diào)用DLL來開發(fā)應(yīng)用程序,。本文介紹一種簡單快速開發(fā)USB接口應(yīng)用系統(tǒng)的方法,,它直接在LABVIEW環(huán)境下通過NI-VISA開發(fā)能驅(qū)動(dòng)用戶USB系統(tǒng)的應(yīng)用程序,完全避開了以前開發(fā)USB驅(qū)動(dòng)程序的復(fù)雜性,,大大縮短了開發(fā)周期,。

  LABVIEW及其對(duì)VISA的調(diào)用 

  VISA(Virtual Instrument Software Architecture)是一個(gè)用來與各種儀器總線進(jìn)行通訊的高級(jí)應(yīng)用編程接口(API),不受平臺(tái),、總線和環(huán)境的限制,,可用來對(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,,可以通過使用USB INSTR類函數(shù)控制,通信時(shí)無需配置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)程序開發(fā)向?qū)?創(chuàng)建INF文檔,;
 ?、诎惭bINF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)備讀寫并關(guān)閉與指定設(shè)備的連接,。  

  (3)USB RAW設(shè)備讀寫的操作

  USB RAW設(shè)備的讀寫流程圖如圖5所示,。

  前面板部分

  LABVIEW是NI公司開發(fā)的一種基于圖形程序的編程語言,用戶利用創(chuàng)建和調(diào)用子程序的方法編寫程序,,使創(chuàng)建的程序模塊化且編制簡單直觀。一個(gè)LABVIEW程序分為3部分,;前面板,、框圖程序和圖標(biāo)/接線端口。前面板提供與用戶交互的圖形化界面,,通過面板上的各種按鈕,、開關(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LABVIEW波形顯示器自帶的功能對(duì)波形進(jìn)行觀察和測(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

  隨著電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用,,社會(huì)的數(shù)字化程度越來越高,,數(shù)據(jù)采集也越來越重要,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)采集和觀察等場(chǎng)合。其中基于USB總線的高速數(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,。  

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