串口數據采集與處理虛擬儀器系統設計

為解決TI公司提供的數據采集卡的成本過高問題，設計一套代替NI采集卡的數據采集系統。前端采集下位機硬件部分為基于LPC2378處理器的數據采集電路板，采用雙緩存技術存儲數據；上位機軟件部分用Labview8．5虛擬儀器設計平臺編寫，采用循環和事件結構，界面友好，操作簡便，實現了八通道數據的采集與處理。經實際運行測試證明，具有數據同時采集、實時顯示、存儲與管理、信號處理等功能，保證了數據準確性，同時采集設備的成本下降2～5倍。

　　無線傳感器網絡是近幾年國際研究的熱點問題，而數據采集又是無線傳感器網絡系統性能*估、應用的基礎環節。在數據采集過程中應用虛擬儀器可以盡可能地縮短數據采集的時間，同時降低實驗成本，因此虛擬儀器在測控領域得到越來越廣泛的應用。傳統的前端數據采集設備都是，TI公司的數據采集卡，成本高且維修不便。本系統下位機采用NXP公司LPC2378為依托的數據采集電路板，上位機操作系統基于La-bview8．5編寫，通過串口通信實現了數據的實時采集，可以對采集信號進行處理分析并顯示。

　　l 系統設計

　　數據采集系統分為下位機和上位機2部分，二者通過驅動程序組成采集系統。下位機是指直接控制設備獲取設備狀況的計算機，一般是PLC／單片機之類；上位機是可以直接發出操控命令的計算機，一般是PC，屏幕上顯示各種信號變化，如圖l所示。圖中程序部分采用Labview來實現。在數據采集之前，先對下位機采集板卡進行初始化，其中處理器Buffer是下位機采集存儲的重要環節?？梢圆捎猛獠坑|發(比較精確)，也可采用軟件觸發(容易實現)。由于上位機數據處理階段要對采集到的一個周期的數據進行處理，所以系統采用軟件觸發，每個周期采樣l024點。

　　1．1 下位機系統

　　下位機系統為數據采集硬件平臺，主要包括采集卡前端設備即傳感器電路、核心處理器(即算法實現電路)、電源模塊電路和通信模塊電路。

　　1．1．1 采集卡前端設備

　　前端傳感器采用飛思卡爾MMA7260加速度傳感器。相比于老式線圈式振動傳感器，MEMS傳感器具有量程大、不易溢出、受外界氣候因素影響較小等優點。采集原理圖如圖2所示，在采集信號放大之前進行抗混疊濾波，有效濾除了高頻干擾。需要注意的是，探頭需要提供+5 V供電才能穩定工作。本系統采集傳感器Z軸數據，對探頭安裝位置沒有特殊要求；若要采集X軸數據，必須注意探頭X軸方向與地面平行，否則信號會發生畸變。

　　1．1．2 核心處理器

　　從價格、操作系統、接口類型、內存大小等條件考慮，該系統設計的處理器采用LPC2378，它是一款基于ARM的微處理器，包含10／100 Ethernet MAC、USB 2．0全速接口、4個UART、2路CAN通道、1個SPI接口、2個同步串行端口(SSP)、3個I2C接口、1個I2S接口和MiniBus(8位數據／16位地址并行的總線)。工作頻率為72 MHz，ARM局部總線上有32 KB的SRAM，可以進行高性能CPU訪問和簡單的算法實現。

　　1．1．3 電源模塊

　　考慮到MEMS傳感器最佳工作電壓為5 V，所以系統采用ZY2405WHBD-3W型DC-DC變換器，輸入電壓9～36V，輸出電壓為5V。其他部分主要起穩壓作用，其電源模塊電路如圖3所示。

　　1．1．4 通信模塊

　　系統采用串口通信。利用處理器內部的10位D／A轉換器，將采集到的模擬信號轉換成數字信號，再經過調理電路后送由MiniBus采用RS2-32協議送達上位機。另外采集板集成了一塊單CAN高速隔離收發器CTMl050，可以通過網口通信。串口通信需注意的問題是轉換電平，數據采集端供電電平為+5 V，而處理器能接受的電平是+3．3 V，因此系統采用MAX3221電平轉換器，以達到處理器要求。另外系統上位機串口名稱與下位機一定要設置為同一名稱，否則數據不能成功送到上位機，如圖4所示。

　　1．2 上位機系統設計

　　數據流程如圖5所示，數據經下位機采集處理后，由通信模塊通過串口發送到上位機，上位機主要包括數據讀取、數據驗證、數據處理及數據存儲4部分。

　　1．2．1 數據讀取

　　即虛擬儀器設備串口初始化，包括：串口名稱設置、超時設置、波特率設置、數據位設置、奇偶校驗設置，等等。本系統采用的設置為：超時l000 ms；波特率115200；數據位為8位；無奇偶校驗；其他采用默認值。

　　1．2．2 數據驗證

　　數據驗證包括數據讀取、判斷是否是有效數據以及數據報頭是否正確。數據報頭為8個FE，然后緊跟數據包。程序判斷讀取8個FE時開始讀數并顯示。

　　1．2．3 數據處理

　　系統為8通道，一次循環讀取16位的數組，將數組第O個元素作為第1通道的低位，第1個元素作為第l通道的高位……，第15個元素作為第八通道的高位，分別顯示：當滿足采樣點位數時，置位重新讀取數據。在顯示之前對數據進行預處理：去直流、峰值計算、濾波等等，由于Labview程序框圖中有Matlab腳本文件，所以可以和Matlab混合編程，在Labview腳本框中直接寫Matlab代碼。由于程序運行時要調用Matlab控制臺，所以混合編程要求控制機必須裝載Matlab軟件。

　　1．2．4 數據存儲

　　當點擊采集數據按鈕時，系統提示選擇存儲路徑，并存儲為后綴名為‘.lvm’的二進制測量文件。上位機主程序如圖6所示。

　　2 用戶界面

　　將8個MEMS傳感器并排，然后拍擊桌面的信號波形圖。8個通道可獨立使用，如直接一路傳感器，其他通道數據都為0?？墒謩痈拇诿Q、波特率、停止位、奇偶校驗、流控制、傳輸數據位和顯示信號線的線性、顏色，界面友好?？筛鶕枨筇砑臃逯碉@示、頻譜顯示，傅里葉變換等復雜信號處理內容。通道l至通道8信號波形分別用：紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫、洋紅顯示。

　　3 系統特色

　　1)系統采用了雙緩沖技術，即將計算機Buffer分為2個相同區域Bufferl和Buffer2，數據先存往Bufferl，當Bufferl存滿時，標志位置位，數據繼續存往Buffer2，同時將Bufferl中的數據送往處理器進行處理，完畢后，Bufferl存數，Buffer2發送，如此循環，注意正確設置存儲速度和處理速度之間的關系，以保證數據無遺漏。

　　2)Labview編程與Matlab編程相結合進行數據處理分析。對于Labview中沒有的數據處理功能可直接調用Matlab腳本文件，功能更加強大。

　　3)上位機程序采用條件循環結構和事件結構設置，前面板和程序框圖同時執行，最大程度地節省了CPU資源。界面友好，具有良好的可操作性。

　　4 結論

　　本系統主要用于實驗數據的采集，由于采用串口通信，所以設備布設簡便，方便操作。經實際測試證明系統性能穩定，信號失真度較小，很好替代了NI公司數據采集卡：同時可擴展性強，修改板子處理器ARM程序，采用CAN通信后，結合算法，即可用于工程需要，實時監測待控領域。