摘 要： 介紹了一種新型便攜式數據采集檢測系統，該系統的數據采集設備采用USB接口傳輸數據，基于Lab Windows CVI的簡易虛擬示波器能顯示數據和控制數據采集設備。重點闡述了系統軟件實現的技術細節。測試結果表明，該系統結構簡單、可靠性高、應用靈活、易于擴展，具有廣泛的應用前景。
關鍵詞： 通用串行總線；虛擬示波器；Lab Windows CVI；MAX1247；PDIUSBD12
數據采集檢測系統早已廣泛應用于工業生產及信息監測等領域。目前市面上的產品都存在這樣或那樣的不足，如體積龐大不利于攜帶，價格昂貴難以推廣，采用RS-232接口傳輸速率低，安裝在計算機內部受計算機插槽數量、地址、中斷資源的限制，不利于操作。本數據采集檢測系統采用USB接口傳輸數據，具有較高的傳輸速率，且可靠性高，數據不易丟失，抗干擾性強；采用基于PC的虛擬示波器檢測采樣對象，進行數據顯示、分析處理，很好地解決了上述問題。
1 系統總體設計方案
數據采集檢測系統的總體結構如圖1所示。
USB設備芯片PDIUSBD12是NXP公司在USB1.1協議設備端使用最多、技術最成熟的芯片之一，片內集成了高性能的串行接口引擎和3個端點的FIFO緩沖區，其中端點2具有64 B的雙緩沖區，適合數據傳輸量較大的場合應用。PDIUSBD12與NXP公司的8位MCU P89C58x2FN實現數據交換簡單可靠。MAXIM公司的12位4通道A/D轉換器MAX1247，有較快的轉換速率(7.5 μs)，在軟件控制下能實現對正負電壓信號量的讀取。
本系統主要由基于PC(USB Host)的虛擬示波器和數據采集設備(USB Device)兩部分組成。A/D轉換器MAX1247可最多連接4路模擬電壓信號量，轉換為數字量后通過其片上SPI接口傳輸給主控制器P89C59x2FN。主控制器將采集的數據包傳輸給USB接口芯片PDIUSBD12，數據將按照USB協議被傳輸給USB主機(PC)，通過USB設備驅動，動態鏈接庫，數據最后在虛擬示波器中顯示并進行相關的處理。數據采集設備通過USB電纜線連接到PC后即上電，它將以初始采樣頻率采集數據，并傳輸到虛擬示波器中。
2 系統軟件的設計
2.1 虛擬示波器軟件設計
虛擬示波器使用Lab Windows CVI 8.0開發，運行界面如圖2所示。
虛擬示波器的主要功能是顯示數據，進行數據處理，發出命令，設置數據采集設備的工作狀態。數據的讀取由封裝在動態鏈接庫中的讀端點2函數(unsigned long_stdcall ReadPort2(unsigned char*pData，unsigned long iLen))實現，讀取的數據被存放到顯示數組(static double measureData[BUFFER_SIZE])中。為了保持顯示數據的波形是連續的、緩和的，顯示數組的容量(512 B)8倍于讀端點2數據包的容量(64 B)，在每次將讀取的數據存放到顯示數組的首部前，要將顯示數組的數據向尾部移動64 B，其過程如圖3所示。數據經坐標化處理后，通過Lab Windows CVI控件函數即可顯示。顯示原則是先接收到的數據先顯示。
從虛擬示波器發出的控制指令通過寫端點2函數(unsigned long_stdcall WritePort2(unsigned char*pData， unsigned long iLen))傳輸給數據采集設備。修改數據采集設備的采樣頻率時，實際傳輸給數據采集設備的是定時器T1的中斷計數初值，該初值是在虛擬示波器中由采樣頻率值計算得出。這種處理可以節省單片機處理時間。
A/D芯片MAX1247的精度為12位，數據采集設備以單字節方式將數據傳輸到虛擬示波器中，數據包中相鄰兩字節為一個有效的樣點。而數據在虛擬示波器中以有效樣點為處理單元。在軟件上使用聯合體變量實現兩個單字節數據到雙字節數據的轉換。定義的聯合體adata包括兩個成員，其中char類型的成員PortBuf[64]接收數據包，與其同首地址的short int類型成員PortBuf2[32]用于虛擬示波器中對采樣數據的處理，這樣處理效率高。
2.2 USB設備驅動和動態連接庫
USB設備驅動程序D12TEST.SYS是用Win DDK 開發的，EasyD12.dll動態連接庫是用VC++開發的，D12TEST.SYS和EasyD12.dll是連接虛擬示波器和USB數據采集設備的橋梁。D12TEST.SYS把虛擬示波器發出的讀/寫命令變成規范的USB請求包傳給USB數據采集設備。EasyD12.dll中封裝了PDIUSBD12的端點2的讀/寫函數，通過這兩個函數實現從虛擬示波器到數據采集設備的端到端數據交換。
2.3 數據采集設備軟件設計
數據采集設備軟件使用Keil C51開發，軟件結構采用前后臺系統，后臺程序流程如圖4所示，它是一個無限循環，循環中不斷檢測USB的連接狀態。如果連接正常，就檢測數據發送允許位是否有效，如有效，將數據傳送到PDIUSBD12的端點2的FIFO緩沖區中。
前臺程序由中斷服務程序組成，主要包括兩個部分：(1)基于PDIUSBD12的USB協議相關的中斷服務程序，中斷源是P89C58x2FN的外部中斷INT0。由PIDUSBD12主動發起的任何與P89C58x2FN的信息交換都是通過外部中斷INT0來實現。單片機讀取PDIUSBD12的中斷寄存器后，執行相應的中斷服務子程序。(2)數據采集的中斷服務程序。數據采集中斷服務程序流程如圖5所示，數據采集使用定時器T1實現定時中斷采樣，每中斷一次采集一次樣點。進入中斷服務程序就對定時器T1的計數初值進行處理，這樣由采樣頻值計算計數初值時，就不用加入修正值。否則，單片機執行中斷服務程序的耗時在計算計數初值時是不能忽略的。在主程序中A/D初始化時完成了寫A/D控制字，在中斷服務程序中，先讀取A/D轉換結果，然后再寫A/D控制字，啟動A/D轉換，這樣處理使A/D在輸出結果前有充足的時間來完成模擬量到數字量的轉換。
2.4 A/D采樣轉換程序設計
A/D采用具有片上SPI接口的MAX1247芯片， P89C58x2FN片上沒有SPI接口，在A/D采樣轉換程序設計中，采用軟件模擬SPI主機模式。MAX1247的外部時鐘模式轉換時序如圖6所示。A/D轉換控制原理是，在每個外部時鐘脈沖的上升沿，將控制字的一位寫入MAX1247，寫入控制字(一個字節)后轉換啟動，在每個外部時鐘脈沖的下降沿，將一位的轉換結果從MAX1247中讀出。這樣寫入一個控制字需要8個外部時鐘脈沖，讀出一個轉換結果需要16個時鐘脈沖，其中前12個時鐘脈沖讀出有效的轉換結果。
對A/D的控制頻繁地使用了位操作，采用匯編語言編程具有明顯的效率優勢。寫控制字和讀采樣轉換結果程序流程如圖7所示，數據采集設備的主程序采用C語言編寫，在C語言中調用匯編語言子程序實現主控制器對A/D的控制。
寫控制字和讀采樣轉換結果分屬兩個不同的匯編子程序模塊，C語言程序調用匯編子程序模塊，需要在匯編模塊前做PUBLIC聲明，使用偽指令使CODE選項有效，并聲明為可再定位段類型，再選擇為當前段，函數名大。然后在C主程序中對函數進行外部聲明，就可以像調用普通的extern函數一樣調用匯編語言子程序模塊。
3 數據采集檢測系統的測試
香農采樣定理規定采樣頻率必須是信號頻率的2倍以上，才能完整保留原始信號的信息。對于復雜的規律性強的信號，只有采樣頻率遠高于信號頻率時，信號才能在虛擬示波器中連續、穩定地顯示，并得到有效、可靠的檢測結果。如圖8所示是采樣頻率為1 000 Hz、正弦波信號頻率為10 Hz的顯示效果。
在本數據采集檢測系統中，嵌入各種算法軟件模塊，可以很方便地對該數據進行相關的測試與分析。
將位置式PID算法和增量式PID算法的軟件代碼嵌入到虛擬示波器中，測試結果如圖9和圖10所示。為了達到良好的測試視覺效果，這兩種算法的相關參數設置不同。
通過理論計算，數據采集設備的最高采樣頻率約為13 kHz。經過測試，數據采集設備采集電壓信號量的頻率在500 Hz以下，規律性、復雜性強的電壓信號量的數據波形能夠在虛擬示波器中連續地、穩定地顯示出來，數據經計算處理后能達到很好的檢測效果。電壓信號量頻率過高，則虛擬示波器檢測的數據波形穩定性差，檢測效果難以保證。
本數據采集檢測系統可以方便、簡單地應用于被控對象頻率不高的采集檢測領域，并且采樣實時性好、顯示穩定、容易嵌入各種數據分析算法。與其他數據采集檢測系統相比，有體積小、使用方便、即插即拔、采用USB總線供電等優點。本數據采集檢測系統在信號測試和系統監測等瞬態信號的實時采集檢測場合有廣泛的應用前景。
參考文獻
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