丁君武， 殳國華， 張斌斌

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

基于ARM的雙通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

丁君武， 殳國華， 張斌斌

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為信號處理的重要組成部分，實現(xiàn)了對模擬信號的采集、存儲和恢復(fù)。采用Cortex-M3內(nèi)核的LM3S9B96為主控制器，搭建了具有雙通道數(shù)據(jù)采集功能的數(shù)據(jù)采集卡。為高效快速傳輸數(shù)據(jù)，采用了通用串行總線(USB)技術(shù)完成采集卡到上位機的數(shù)據(jù)傳輸，上位機的信號處理采用了集數(shù)據(jù)處理、波形顯示及波形分析與一體的LabVIEW開發(fā)平臺，完整實現(xiàn)了設(shè)計要求。

Cortex-M3；信號調(diào)理；USB； 數(shù)據(jù)采集； 虛擬儀器； LabVIEW

0 引 言

盡管目前微控制器加模數(shù)轉(zhuǎn)換(AD)芯片的采樣方案在精度和速度上已經(jīng)達(dá)到了較高的水平，但是直接采用內(nèi)部集成AD的ARM芯片相對來說更簡單，并且減少了器件之間的通訊，增強了系統(tǒng)的抗干擾性能。

虛擬儀器因其成本低、靈活性和功能強大的優(yōu)點在信號處理領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，USB總線的即插即用和高速率數(shù)據(jù)傳輸使得USB設(shè)備具有操作方便，效率高的優(yōu)勢，本文綜合了虛擬儀器技術(shù)和USB總線技術(shù)實現(xiàn)了與傳統(tǒng)示波器功能相媲美的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[1-2]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本文的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括信號調(diào)理部分、數(shù)據(jù)采集部分和上位機用戶軟件部分[3]。

信號調(diào)理電路負(fù)責(zé)對輸入的模擬電信號濾波，電壓值調(diào)整；數(shù)據(jù)采集部分負(fù)責(zé)將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，并高速傳輸?shù)缴衔粰C程序；上位機用戶軟件部分負(fù)責(zé)對接收到的數(shù)據(jù)進行處理。該系統(tǒng)最終實現(xiàn)采集雙通道0 V～±24 V，帶寬為200 kHz。上位機實現(xiàn)了波形顯示，存儲和回放，波形數(shù)據(jù)的檢測與分析功能。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 處理器選型

本文的核心控制部分是由微控制器獨立完成，需要控制器具有豐富的外設(shè)資源，包括Flash和SRAM存儲資源，支持USB 2.0協(xié)議的高級USB通訊模塊，精度和采樣率高的 ADC以及直接存儲控制器(DMA)。據(jù)此，系統(tǒng)選用了高性價比LM3S9B96為主控制器，其是由美國德州儀器(TI)公司推出的32位微控制器，兼容了ARM的Thumb和Thumb-2指令集[4]。

2.2 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路根據(jù)功能分為輸入保護電路、抗混疊低通濾波電路、衰減電路、增益電路和電壓抬升電路。

(1) 輸入電壓幅值最高在24 V，為防止輸入電壓超出可測范圍，在輸入端采用兩個24 V的穩(wěn)壓管支路進行電壓鉗位保護，并且分別在兩個支路串聯(lián)不同顏色的發(fā)光二極管以顯示正反向超壓。

(2)為了消除高頻噪聲信號和被測信號中的高頻成分對信號采集的混疊效應(yīng)，設(shè)計了二階低通抗混疊濾波電路。為保證較好的抗混疊效果和測量帶寬，設(shè)定濾波器的截止頻率為300 kHz。濾波電路形式固定如圖2所示，其頻域傳遞函數(shù)為：

式中f0稱為特征頻率，j為虛數(shù)單位。

圖2 抗混疊低通濾波電路

由式可得濾波器的截止頻率fp≈0.64f0，fp=300 kHz，得RC=3.4×10-7s。通過multisim仿真比較確定參數(shù)值。抗混疊低通濾波電路如圖2所示。

(3)LM3S9B96的ADC的輸入電壓范圍是0 V～3 V，要實現(xiàn)采集0 V～±24 V的輸入信號需要對信號進行衰減處理，衰減網(wǎng)絡(luò)采用兆歐級精密電阻組成，其中固定電阻設(shè)定為1 MΩ。這里選擇8,4,2,1四級衰減，后期處理的數(shù)據(jù)可以通過移位操作進行數(shù)據(jù)還原。電路實現(xiàn)選用OMRON公司G5V-1小信號繼電器作為開關(guān)控制，根據(jù)上位機傳輸?shù)拿顏磉x擇合適的電阻支路。具體的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 輸入信號幅值、接入電阻和衰減倍數(shù)對應(yīng)關(guān)系

(4) 為滿足采集小信號的需求，采用TI公司的增益可編程儀表放大器PGA205。PGA205具有四級數(shù)控增益，數(shù)控端直接連接到微控制器的I/O引腳[5]。輸入幅值、放大倍數(shù)和數(shù)控端的對應(yīng)關(guān)系同上述衰減電路類似，這里不列表贅述。增益電路如圖3所示，PC4、PC5為數(shù)控端。

圖3 增益電路

(5) 信號經(jīng)過衰減和放大電路的調(diào)理后電壓范圍為0 V～±3 V電壓信號將信號調(diào)理至0 V～6 V范圍，再經(jīng)過比例運算電路做1/2分壓處理。運放選擇TL052，是由TI公司生產(chǎn)的低失調(diào)加強型的JFET運算放大器，相對于TL07和TL08系列具有更快的轉(zhuǎn)換速度。

2.3 電源供電系統(tǒng)

本文中需要三級電源供電：3.3 V，5 V，±10 V。5 V電壓通過SPX1117-3.3 V穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)變?yōu)?.3 V為系統(tǒng)供電，±10 V要是給可編程放大器PGA205和運放TL052供電，該電壓需要5 V電壓經(jīng)過Boost升壓電路得到，設(shè)計選用TPS61040開關(guān)電源芯片，其為低功耗的DC/DC Boost轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部集成開關(guān)管，開關(guān)頻率可達(dá)1 MHz，輸出電壓紋波低[6]。雙電源供電電路如圖4所示。

圖4 雙電源供電電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖5 系統(tǒng)任務(wù)框圖

本文軟件設(shè)計任務(wù)主要是LM3S9B96芯片的初始化和內(nèi)部各模塊之間的邏輯控制，包括根據(jù)上位機的指令來設(shè)定調(diào)理電路。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總的軟件任務(wù)框圖如圖5所示。信號調(diào)理任務(wù)負(fù)責(zé)根據(jù)上位機發(fā)出的指令完成調(diào)理電路的設(shè)定；采樣任務(wù)實現(xiàn)對模擬信號的采集；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移存儲任務(wù)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從ADC轉(zhuǎn)移到內(nèi)存，再轉(zhuǎn)移到USB緩存。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移任務(wù)利用DMA來實現(xiàn)，DMA的工作模式分為基本模式、乒乓模式和外設(shè)散聚模式，為了ADC采集不丟失數(shù)據(jù)，本文采用了乒乓模式，在程序設(shè)計時創(chuàng)建主數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體和副數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體交替接收數(shù)據(jù)，高效的完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移任務(wù)；數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從微控制器通過USB總線傳輸?shù)缴衔粰C。USB總線標(biāo)準(zhǔn)是在1994年由英特爾、康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合提出，包含了四種基本數(shù)據(jù)傳輸類型：控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸和等時傳輸，本文需要向上位機傳輸大量數(shù)據(jù)，選擇批量傳輸模式(BULK)傳輸數(shù)據(jù)[7]?；贚M3S系列芯片，TI公司提供了多層次十分豐富靈活的USB驅(qū)動庫，簡化軟件的實現(xiàn)。

4 上位機軟件設(shè)計

NIVISA(Virtual Instrument Software Architecture)是NI公司開發(fā)的一種用來與各種儀器總線進行通信的高級應(yīng)用編程接口，VISA總線I/O軟件是一個綜合軟件包，不受平臺、總線和環(huán)境的限制。VISA是NI公司隨LabVIEW配套提供的，從3.0版本開始支持USB通訊，根據(jù)是否符合USB測試和測量協(xié)議，VISA分為兩種VISA類函數(shù)，可以控制兩類USB設(shè)備：USB INSTR設(shè)備和USB RAW設(shè)備。這里使用USB RAW設(shè)備。利用VISA驅(qū)動程序開發(fā)向?qū)Мa(chǎn)生INF文件用來通知Window系統(tǒng)將NI-VISA用作USB設(shè)備的默認(rèn)驅(qū)動，完成之后才可以正常和下位機通訊[8-10]。

USB RAW類設(shè)備的讀寫時序為(1)ViOpen打開VISA設(shè)備；(2)ViProperty設(shè)定VISA設(shè)備的屬性節(jié)點參數(shù)(指令端點和傳輸方式)；(3)ViRead讀寫USB RAW(發(fā)送命令和設(shè)定字?jǐn)?shù))；(4)ViClose關(guān)閉VISA(釋放VISA設(shè)備所占資源)。上位機程序總體分為指令接受程序，數(shù)據(jù)接受程序、數(shù)據(jù)處理程序和波形顯示程序。數(shù)據(jù)處理程序框圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)處理程序框圖

5 系統(tǒng)測試與結(jié)果

為了測試系統(tǒng)的可靠性，本文使用數(shù)字合成信號發(fā)生器DF1405模擬傳感器輸出信號作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測試信號。經(jīng)測試，設(shè)計系統(tǒng)完整實現(xiàn)了設(shè)計要求。5 V 10 kHz正弦波測試結(jié)果如圖7所示，通過點擊Save控件可以完成數(shù)據(jù)的存儲。

圖7 5 V 10 kHz正弦波測試結(jié)果

6 結(jié)束語

從本文的硬件設(shè)計上看并不復(fù)雜，直接使用了集成AD的LM3S9B96芯片為主控制器，綜合了USB總線技術(shù)和功能強大的LabVIEW平臺，相對于傳統(tǒng)的示波器，這將大大減少了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的成本，并且能夠滿足中低頻的數(shù)據(jù)采集需要。經(jīng)過測試證明，設(shè)計方案高效，可靠，性能良好，具有較高的使用價值。

[ 1 ] 劉榮.圈圈教你學(xué)USB[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009.

[ 2 ] 伍俊.嵌入式無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京:北京科技大學(xué),2007.

[ 3 ] 黃辛超.基于嵌入式系統(tǒng)的便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[D].上海,上海交通大學(xué),2010.

[ 4 ] 王川北,劉強.USB系統(tǒng)開發(fā)[M].北京:北京航天航空大學(xué)出版社, 2012.

[ 5 ] 鄭龍席,雷蕾，胡正峰.可編程控制放大低通濾波系統(tǒng)[J]. 電子測量技術(shù),2002,26(3):6-7.

[ 6 ] 王立華.基于TPS61040/41的白光LED驅(qū)動器設(shè)計[J].電子制作,2011,28(10):70-73.

[ 7 ] 莫宏偉,柳泉,趙文華.USB傳輸技術(shù)及其應(yīng)用[J].應(yīng)用科技,2001,28(10):20-22.

[ 8 ] 胡長暉.嵌入式USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制[D].湖北:湖北工業(yè)大學(xué),2008.

[ 9 ] 周青云.基于USB接口和LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].實驗室探索與研究,2011,30(1): 238-240.

[10] 姜成航.基于USBTMC的USB接口虛擬儀器的研究[D].大連:大連理工大學(xué),2005.

Design and Implementation of an ARM-based Dual-channel Data Acquisition System

DING Jun-wu，SHU Guo-hua，ZHANG Bin-Bin

(College of Electronic Information & Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240, China)

As an important part of signal processing, the data acquisition system realizes acquisition, storage and recovery of analog signals. In this paper, the LM3S9B96 main controller adopting Cortex-M3 core is used to build a data acquisition card with dual-channel data acquisition function. For the purpose of fast efficient data transmission, the universal serial bus (USB) technology is used to fulfill data transmission from the acquisition card to the host computer. LabVIEW development platform integrating data processing, waveform display and waveform analysis is chosen to process signals in the host computer, thus meeting the design requirements in every respect.

Cortex-M3; signal modulation; USB; data acquisition; virtual instrument; LabVIEW

10.3969/j·issn.1000-3886.2015.02.037

TP274

A

1000-3886(2015)02-0108-03

丁君武(1990-)，男，安徽合肥人，碩士生，研究方向是嵌入式應(yīng)用。 殳國華(1969-)，男，浙江人，副教授，研究方向：電力電子、計算機控制技術(shù)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。 張斌斌(1990-)，男，安徽滁州人，碩士生，研究方向是電力電子。

定稿日期: 2014-07-11