基于串行通信的虛擬儀器數(shù)據(jù)采集器

1、基于串行通信的虛擬儀器數(shù)據(jù)采集器徐云楊川王超黃璐清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系北京市100084【摘要】目前的虛擬儀器系統(tǒng)大多采用美國(guó)N I公司LabView平臺(tái),采用PCI總線結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。主從式虛擬儀器技術(shù)在軟件和硬件都擺脫了LabView的框套。該技術(shù)利用基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和預(yù)處理,通過(guò)RS-232串行口與主機(jī)進(jìn)行信息傳送,插拔方便。主機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。用戶可以通過(guò)主機(jī)的軟件界面對(duì)單片機(jī)(從機(jī)進(jìn)行控制,使之能按照不同的要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。關(guān)鍵詞:主從式虛擬儀器串行通信A/D轉(zhuǎn)換中圖分類號(hào):TP274+12Data-S a

2、mpler for Virtu al Instrument B ased on Serial CommunicationX u YunYang Chu anW ang ChaoH u ang LuThe Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Beijing100084Abstract:At present most Vitual Instrument Systems are developed based on LabView produced by N I and In those systems Data-Acqu

3、isition-Cards of N I are used.Introduces a virtual instrument s ystem with a master-slave structure. The hardware and software of this system break away from the restrict of N I developing enviorment.This system uses a Data-Sampler based on microcontroller which communicate with a PC throu gh RS-232

4、serial port.The data sampled by the Data-Sampler is processed by the data processing software installed on the PC.Users can control the Data-Sam pler through the virtual control panel on the PC.K ey Words:Virtual Instrument with Master-Slave Structure;Serial Communication;A/D Convertion1引言目前虛擬儀器的開(kāi)發(fā)廣

5、泛采用的是美國(guó)N I公司的LabView開(kāi)發(fā)平臺(tái),對(duì)信號(hào)的采樣多采用LabView 專用的PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡。采用內(nèi)置的數(shù)據(jù)采集卡的缺點(diǎn)在于受機(jī)箱和總線限制,電源功率不足,機(jī)箱內(nèi)部噪聲電平高。雖然LabView隱含了對(duì)設(shè)計(jì)虛擬儀器時(shí)所面臨的多種困難的考慮、簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程,對(duì)于開(kāi)發(fā)虛擬儀器有方便、相對(duì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),但LabView 軟硬件的價(jià)格影響了虛擬儀器在國(guó)內(nèi)的推廣使用。主從式虛擬儀器由主機(jī)和從機(jī)兩部分組成,從機(jī)部分即為數(shù)據(jù)采集器,它利用單片機(jī)功能全面的優(yōu)勢(shì),使調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集電路智能化,從而使虛擬儀器在保證數(shù)據(jù)采樣速率的前提下,更加方便使用。主從式虛擬儀器由從機(jī)和主機(jī)兩部分組成;從機(jī)部

6、分是以80C196KC單片機(jī)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的,性能價(jià)格比高和插接方便是從機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn);主機(jī)的數(shù)據(jù)處理和顯示界面軟件自行設(shè)計(jì)編程。該數(shù)據(jù)采集器為外接式,利用標(biāo)準(zhǔn)RS-232串口與PC機(jī)連接,插拔方便,適合與筆記本電腦組成便攜式儀器。如果采用調(diào)制解調(diào)器和載波機(jī)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量。主從式虛擬儀器技術(shù)從硬件到軟件都能擁有自己獨(dú)立的知識(shí)產(chǎn)權(quán),擺脫虛擬儀器開(kāi)發(fā)對(duì)LabView的依賴。2從機(jī)硬件結(jié)構(gòu)從機(jī)的硬件部分的示意圖如圖1所示,從機(jī)系統(tǒng)主要組成部分:單片機(jī)、外置存儲(chǔ)器、信號(hào)調(diào)理電路、通訊電平轉(zhuǎn)換電路等 。圖1從機(jī)的硬件部分的示意圖211單片機(jī)從機(jī)硬件系統(tǒng)的核心部件采用的是美國(guó)Intel公司生產(chǎn)的80C196K

7、C單片機(jī),它屬于MCS-96系列中的80C196子系列。它采用了CHMOSIII技術(shù),比以往的系列進(jìn)一步提高了性能,降低了能耗。它將很多“外部設(shè)備”集成在片內(nèi),具有如下的技術(shù)特征:5個(gè)8位雙向I/O口,兩個(gè)16位硬件定時(shí)器和4個(gè)16位軟84儀表技術(shù)與傳感器2002年收稿日期:2001206213修改稿日期:2001210217件定時(shí)器,高速輸入輸出口,帶8路通道的A/D轉(zhuǎn)換器,全雙工串行通信接口(UAR T,片選單元。采用單片機(jī)后,只要預(yù)先編制好程序,從機(jī)即可按照主機(jī)的指令完成一系列的測(cè)量、自動(dòng)校準(zhǔn)、信息處理等功能,表現(xiàn)出智能化的特點(diǎn)。212外置存儲(chǔ)器為了固化單片機(jī)的程序,采用了一塊16K的8

8、位EPROM27128。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中,為了保證均勻的采樣,單片機(jī)在采樣時(shí)不響應(yīng)任何中斷。將一次連續(xù)采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器里,再以數(shù)據(jù)幀的方式進(jìn)行傳送。一次采集的數(shù)據(jù)量為幾K字節(jié),而80C196KC 的片內(nèi)可讀寫存儲(chǔ)器RAM的存儲(chǔ)量只有488字節(jié),所以還要擴(kuò)展一片片外存儲(chǔ)器HM62256。213A/D轉(zhuǎn)換和信號(hào)調(diào)理電路80C196KC附帶有8路的10位A/D轉(zhuǎn)換口。其對(duì)模擬信號(hào)要求為單極性的05V電壓,所以需要通過(guò)調(diào)理電路將輸入信號(hào)變換到A/D轉(zhuǎn)換口所需的范圍。這使得調(diào)理電路除了包含分壓電路、電子開(kāi)關(guān)電路、緩沖電路外,還應(yīng)有極性轉(zhuǎn)換電路。為了避免因采用非線性電路對(duì)信號(hào)還原及測(cè)量精度造成(誤差

9、影響,利用從機(jī)智能化的特點(diǎn),采用了軟硬件整流方式作交流/直流變換。214通訊電平轉(zhuǎn)換電路由于MCS96系列單片機(jī)采用的是TTL電平,PC 機(jī)的串行口多是RS-232的電平,所以單片機(jī)與PC 機(jī)不能直接連接,首先必須進(jìn)行RS-232C電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)中采用MAX232CPE芯片。3從機(jī)軟件設(shè)計(jì)從機(jī)按照主機(jī)的指令,完成數(shù)據(jù)采集,并且將數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ),在串口空閑的時(shí)候?qū)?shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。單片機(jī)部分的程序流程圖如圖2。在程序中有兩個(gè)重要的子程序,分別為A/D采樣子程序和通信子程序。311A/D采樣子程序設(shè)計(jì)由于80C196KC的A/D采樣的轉(zhuǎn)換時(shí)間為88個(gè)狀態(tài)周期,在16MHz的晶振下為16.

10、5s,要提高采樣的速率,就應(yīng)該盡量簡(jiǎn)化指令,并且合理安排指令執(zhí)行的時(shí)間先后,使CPU充分的利用A/D轉(zhuǎn)換的這段時(shí)間來(lái)進(jìn)行其他必要的操作。例如,對(duì)寄存器的數(shù)據(jù)進(jìn)行移位和存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的操作利用下面兩條指令來(lái)完成:shrax,#6stax,bx+這兩條指令的執(zhí)行時(shí)間分別為12個(gè)和9個(gè)狀態(tài)周期,將這兩條指令與A/D轉(zhuǎn)換同時(shí)進(jìn)行,使兩次A/ D采樣的間隔縮短了近8 s.圖2 單片機(jī)部分的程序流程圖圖3單路采樣子程序的流程圖由于要對(duì)采樣速率進(jìn)行控制,設(shè)計(jì)中采用了加循環(huán)延時(shí)環(huán)節(jié)的方法。當(dāng)延時(shí)環(huán)節(jié)循環(huán)次數(shù)為0時(shí),數(shù)據(jù)采集器達(dá)到16MHz晶振下的最快速率。通過(guò)對(duì)80C196KC的指令執(zhí)行時(shí)間的查詢和計(jì)算,這個(gè)

11、速率為27.187s.如果利用延時(shí)來(lái)控制,則增加1次延時(shí)循環(huán),這個(gè)周期增加168個(gè)狀態(tài)周期,等于31.5s.所以兩次采樣的時(shí)間可以為(2712+k3115s,其中k =0,1,2,3;而采兩路時(shí)的時(shí)間隔為(47.8+k3115s,其中k=0,1,2,3.這樣的采樣速率對(duì)于工頻的電能質(zhì)量分析足夠了。312通信子程序設(shè)計(jì)80C196KC的雙緩沖結(jié)構(gòu)的收發(fā)器在串行通信接口采用了雙輸出輸入緩沖寄存器,在前一個(gè)字節(jié)尚未讀取時(shí)就可以接收下一個(gè)字節(jié)。只要在第1個(gè)字節(jié)接收結(jié)束后的8個(gè)狀態(tài)周期里讀取字節(jié),就不會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失。設(shè)計(jì)中采用了異步通信標(biāo)準(zhǔn)方式,利用查詢方式工作。程序流程圖如圖4所示。單片機(jī)在接收到主

12、機(jī)送來(lái)的命令后,將采來(lái)的數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)里,在串行口可用時(shí)將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(下轉(zhuǎn)第52頁(yè)94第1期研究與開(kāi)發(fā)性,通過(guò)與原始圖像的比較可以準(zhǔn)確的檢測(cè)出水印。由于本算法中水印信號(hào)隱藏在圖像細(xì)節(jié)分量中, 所實(shí)圖5水印嵌入與檢測(cè)結(jié)果現(xiàn)的水印具有抗一般信號(hào)處理(如圖像壓縮、濾波、裁剪、次采樣等和噪聲干擾的能力。參考文獻(xiàn)1Stephane.G.M.A theory for multiresolution signal decomposition :The wavelet representation.IEEE Trans.on Pattern Analysis and Machine Intelligenc

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14、字電視廣播.廣播與電視技術(shù),1997(8.(上接第49頁(yè)的數(shù)據(jù)連續(xù)的發(fā)送到主機(jī)?？偠灾?在主從式虛擬儀器里從機(jī)所完成的功能是接受主機(jī)的指令,按主機(jī)的要求進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并緩存,在串口空閑時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī) 。圖4方式1查詢法接收發(fā)送子程序流程圖4主機(jī)軟件設(shè)計(jì)主機(jī)軟件的工作主要是給用戶提供友好的圖形界面,便于對(duì)從機(jī)進(jìn)行控制。并且對(duì)從機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,實(shí)現(xiàn)各種傳統(tǒng)儀器的功能。本系統(tǒng)的軟件界面設(shè)計(jì)和通信模塊主要利用VisualBasic 編寫,數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊采用C 語(yǔ)言編寫。實(shí)現(xiàn)了對(duì)電壓電流信號(hào)的波形展示,諧波分析和功率因數(shù)的測(cè)量,取得較好的效果。圖5是對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行諧波分析的結(jié)果。其中,縱坐標(biāo)每大格表示的電壓幅值大小可以由界面右邊的文本框設(shè)定,單位為V/DIV 。橫軸表示諧波的次數(shù) 。圖5對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行諧波分析的結(jié)果5結(jié)束語(yǔ)數(shù)據(jù)采集器配合相應(yīng)的主機(jī)軟件,實(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量檢測(cè)的幾個(gè)基本功能。雖然主從式虛擬儀器技術(shù)還處在初級(jí)的階段,但由于它擺脫了LabView 的束縛,所以具有很高開(kāi)放性和擴(kuò)展空間,有廣闊的發(fā)展前景