李紅波,李盛,陳恒

(西京學(xué)院　控制工程學(xué)院,西安　710123)

DSC的USB多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

李紅波,李盛,陳恒

(西京學(xué)院控制工程學(xué)院,西安710123)

為了降低USB多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度和復(fù)雜度,本文利用單一DSC(數(shù)字信號(hào)控制器)芯片設(shè)計(jì)了一款USB四通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過(guò)軟件編程DSC內(nèi)設(shè)的ADC、定時(shí)器和USB2.0通信模塊等,實(shí)現(xiàn)同步采集并實(shí)時(shí)上傳采集數(shù)據(jù)到Lab VIEW上位機(jī)。本文結(jié)合三相有功功率測(cè)量實(shí)例,詳細(xì)介紹了該同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程,為多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種理想方案。

同步采集;DSC;Cortex-M4;Lab VIEW

引 言

目前,設(shè)計(jì)USB多通道同步數(shù)據(jù)采集的方案較多。上位機(jī)軟件較多采用VC++、VC.NET或Lab VIEW等軟件來(lái)設(shè)計(jì),其中基于圖形化編程方法的Lab VIEW軟件專業(yè)易用,應(yīng)用較多。下位機(jī)硬件較多由高性能控制器和同步采樣芯片進(jìn)行組合設(shè)計(jì),但因其在采樣速度、集成度、設(shè)計(jì)復(fù)雜度和調(diào)試難度等的不同,主要有4種方案:第一種,采用USB單片機(jī)和同步采樣芯片構(gòu)成的方案[7],這種方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,但由于數(shù)據(jù)采用串行輸出,采樣速度低,不適合高速實(shí)時(shí)采樣的場(chǎng)合。第二種,采用ARM處理器、USB接口芯片和同步采樣芯片構(gòu)成的方案[3],該方案集成度不高,設(shè)計(jì)復(fù)雜。第三種,采用高性能FPGA/CPLD作為同步采樣芯片和USB接口芯片的時(shí)序發(fā)生器和邏輯控制器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[2,5-6],設(shè)計(jì)較復(fù)雜,調(diào)試較困難。第四種,FPGA/CPLD、32位控制器和同步采樣芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[1],該設(shè)計(jì)靈活性高,但設(shè)計(jì)復(fù)雜,調(diào)試?yán)щy,性價(jià)比低。本文利用單片DSC進(jìn)行設(shè)計(jì),不僅保證了性能,而且大大降低了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度、復(fù)雜度和調(diào)試難度,縮短了開(kāi)發(fā)周期。

1 DSC數(shù)字信號(hào)控制器

DSC數(shù)字信號(hào)控制器是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于Cortex-M4核的高性能片上系統(tǒng)控制器,專門為解決模數(shù)混合信號(hào)的控制應(yīng)用問(wèn)題而推出的。該控制器內(nèi)部帶有DSP擴(kuò)展、FPU浮點(diǎn)運(yùn)算單元和高級(jí)模擬外設(shè)。4個(gè)獨(dú)立的12位ADC轉(zhuǎn)換器支持超高速雙模式操作,使得6位采樣時(shí),速度高達(dá)18 Msps;12位采樣時(shí)速度高達(dá)10 Msps。另外,全速USB2.0通信接口,支持DMA雙緩沖區(qū)工作,使數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到了最高極限。該主控器不僅可以方便地用來(lái)設(shè)計(jì)三相電能表、三相電機(jī)控制器、傳感器以及音視頻濾波等混合信號(hào)電路系統(tǒng),而且還可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、便攜式設(shè)備的場(chǎng)合,成為測(cè)控領(lǐng)域的集成解決方案。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)主要由4路信號(hào)輸入電路、4路信號(hào)調(diào)理電路、

DSC控制器和Lab VIEW上位機(jī)組成,多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

其中,被測(cè)模擬信號(hào)接入信號(hào)輸入電路,完成4路信號(hào)隔離輸入;信號(hào)調(diào)理電路完成4路輸入信號(hào)的放大和極性變換功能,以滿足ADC轉(zhuǎn)換器的信號(hào)輸入要求;DSC控制器作為系統(tǒng)主控,負(fù)責(zé)定時(shí)采集和USB數(shù)據(jù)通信; Lab VIEW上位機(jī)負(fù)責(zé)接收采集數(shù)據(jù),及時(shí)處理后將數(shù)據(jù)顯示出來(lái)并存儲(chǔ),完成采集的目的。

2.2 信號(hào)輸入電路

高電壓大電流交流信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓互感器TV1～TV3和電流互感器TA1～TA3隔離輸入后,信號(hào)被衰減到一定的范圍內(nèi)。信號(hào)輸入電路如圖2所示,其中uia、uib和uic分別是電流互感器的二次電流在負(fù)載Ra、Rb和Rc上的壓降,輸出取樣電壓范圍為-0.5～+0.5 V。uva、uvb和uvc是電壓互感器的二次輸出電壓,輸出取樣電壓范圍-1.5～+1.5 V。

圖2 信號(hào)輸入電路

2.3 信號(hào)調(diào)理電路

從信號(hào)輸入電路來(lái)的信號(hào),再經(jīng)過(guò)后級(jí)運(yùn)算放大器放大,其中電流信號(hào)增益為3;然后通過(guò)運(yùn)算放大器把雙極性信號(hào)變換到單極性信號(hào)0～3.0 V以內(nèi),以適應(yīng)ADC量程,可以保證采樣精度。信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。由于3路的電壓電流信號(hào)調(diào)理電路基本相同,圖中僅給出了1路的電流電壓調(diào)理電路圖。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路

2.4 ADC轉(zhuǎn)換器

DSC控制器內(nèi)設(shè)的4個(gè)ADC轉(zhuǎn)換器,最多可連接16路外部模擬輸入信號(hào),模擬輸入通道只有被編入規(guī)則組或注入組的才能被采集。獨(dú)立的ADC在雙模式工作時(shí)ADC1(主)和ADC2(從)組成一組,ADC3(主)和ADC4(從)組成二組。工作時(shí)每個(gè)ADC又有4種采樣模式選擇:單次、連續(xù)、掃描和間斷模式,但當(dāng)工作于雙模式時(shí),從ADC采樣模式服從主ADC采樣模式,并且主從ADC支持同步數(shù)據(jù)采集。當(dāng)兩組ADC在同一個(gè)觸發(fā)信號(hào)和相同的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下時(shí),就可實(shí)現(xiàn)四通道數(shù)據(jù)同步采集。同步采集ADC結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。同步時(shí)鐘由系統(tǒng)時(shí)鐘經(jīng)過(guò)分頻器后提供。

ADC轉(zhuǎn)換器共有11路的觸發(fā)源,分別是定時(shí)器觸發(fā)/捕獲比較事件信號(hào)(TIM1_CC3、TIM1_TRGO、TIM1_TRGO2、TIM2_TRGO、TIM3_TRGO、TIM4_ TRGO、TIM8_TRGO、TIM8_TRGO2、TIM15_TRGO)和外部中斷線輸入信號(hào)(EXTI Line2和EXTI Line 11),它們分別被連接到EXT2～EXT14上。

2.5 USB2.0通信接口

USB2.0接口工作于全速模式,支持高達(dá)12 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率。該接口通過(guò)和控制器共享一塊512字節(jié)的片內(nèi)RAM緩沖區(qū)(包緩沖區(qū))實(shí)現(xiàn)上位機(jī)內(nèi)存和控制器內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,最多支持8個(gè)端點(diǎn),每個(gè)端點(diǎn)最多可使用64字節(jié)緩沖區(qū)。片內(nèi)專設(shè)了Arbiter部件和雙緩沖區(qū)操作的DMA機(jī)制,使得主機(jī)與控制器可以進(jìn)行零遲延的高速訪問(wèn),提高了傳輸效率。通信接口USB2.0結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖4 同步采集ADC結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 USB2.0通信接口結(jié)構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括設(shè)備固件程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)Lab-VIEW應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

3.1 設(shè)備固件程序設(shè)計(jì)

設(shè)備固件程序設(shè)計(jì)是基于CMSIS(Cortex Micro Controller Soft Ware Interface Standard)軟件架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的,主程序通過(guò)調(diào)用STM32庫(kù)函數(shù)完成程序設(shè)計(jì)。該程序主要包括ADC配置、定時(shí)器T1定時(shí)觸發(fā)配置和USB端點(diǎn)配置等三部分。

(1)ADC配置

工作在雙模式時(shí),4個(gè)ADC模塊,形成兩組同步采集組,每組在同步觸發(fā)信號(hào)下,同時(shí)啟動(dòng)主從ADC轉(zhuǎn)換器,實(shí)現(xiàn)4路同步數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)采用TIM1_CC3事件作為同步觸發(fā)信號(hào),ADC配置的主要代碼如下:

(2)定時(shí)器T1定時(shí)觸發(fā)配置

TIM1_CC3事件是由Timer1定時(shí)器的比較輸出單元產(chǎn)生的,所以需要配置定時(shí)器1的比較輸出單元。配置的主要代碼如下:

(3)USB端點(diǎn)配置

在本系統(tǒng)中,采用端點(diǎn)0進(jìn)行控制傳輸,用于USB設(shè)備枚舉。端點(diǎn)1為IN批量上傳端點(diǎn),用來(lái)把采集后的數(shù)據(jù)上傳至Lab VIEW上位機(jī)。端點(diǎn)2為OUT批量傳輸端點(diǎn),用來(lái)接收上位機(jī)的命令,實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)采集過(guò)程的管理與控制。根據(jù)固件范例,進(jìn)行修改相關(guān)描述符(設(shè)備描述符、接口描述符、端點(diǎn)描述符等)、設(shè)備接口函數(shù)和USB通信代碼等,可方便地進(jìn)行USB設(shè)備固件開(kāi)發(fā)。

端點(diǎn)1和端點(diǎn)2的主要配置代碼如下:

3.2 上位機(jī)應(yīng)用程序

上位機(jī)軟件采用Lab VIEW進(jìn)行設(shè)計(jì),利用LibUSBWin32驅(qū)動(dòng)程序可方便地實(shí)現(xiàn)Lab VIEW與USB設(shè)備的互聯(lián)通信。LibUSB-Win32是一個(gè)開(kāi)源的通用USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。該驅(qū)動(dòng)程序允許使用者在不寫任何一行核心驅(qū)動(dòng)程序代碼的情況下,可以訪問(wèn)Windows系統(tǒng)上的任意一個(gè)USB設(shè)備。該驅(qū)動(dòng)程序支持批量和中斷傳輸,支持USB規(guī)范中定義的所有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求和支持USB設(shè)備制造商的自定義請(qǐng)求。LibUSB-Win32遵守LGPL和GPL許可協(xié)議,不只用于開(kāi)源軟件而且允許用于商業(yè)軟件。

圖6是該系統(tǒng)的二瓦計(jì)法測(cè)量三相電路有功功率的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)界面。

圖6 三相電路有功功率測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)界面

二瓦計(jì)法測(cè)量有功功率需要4個(gè)參量,本實(shí)驗(yàn)在50 ksps采樣速度下,對(duì)Uab、Ia、Ubc和Ib進(jìn)行同步采樣,并在Lab VIEW中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,繪制實(shí)時(shí)曲線和及時(shí)顯示平均值、有效值、基波頻率和相位等相關(guān)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)證明:本系統(tǒng)具有構(gòu)建簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)采集精度高,上傳速度快,開(kāi)發(fā)調(diào)試方便等特點(diǎn)。

結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)采用單芯片設(shè)計(jì),結(jié)合外部信號(hào)輸入電路和調(diào)理電路就可完成采集系統(tǒng)的構(gòu)建,通過(guò)Lab VIEW上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)信息,無(wú)需外擴(kuò)USB接口芯片和同步采樣芯片,從而降低了設(shè)計(jì)難度和復(fù)雜度,提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

[1]林偉,王毅男.基于FPGA與STM32的低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2015,43(2):210-214.

[2]劉文斌,朱名日,鄭丹平,等.基于FPGA的大容量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2014,22(11):3751-3753.

[3]潘玲嬌,張自嘉.嵌入式16通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2013(11):91-92.

[4]張旭,亓學(xué)廣,李世光,等.基于STM32電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù),2010,33(11):90-91.

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[7]劉紅梅,李平舟,郭志華.基于USB2.0的同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007(9):136-137.

李紅波(講師),主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)獲取與控制、嵌入式技術(shù);李盛(副教授),主要研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)信號(hào)處理與儀器、虛擬儀器技術(shù);陳恒(副教授),主要研究方向?yàn)殡娔茏儞Q與質(zhì)量檢測(cè)、機(jī)器人技術(shù)。

USB Multi-channel Synchronous Data Collection System Based on DSC

Li Hongbo,Li Sheng,Chen Heng

(College of Control Engineering,Xijing University,Xi’an 710123,China)

In order to reduce the difficulty and complexity of USB multi-channel synchronous data collection system,a new kind of fourchannel USB data synchronous collection system is proposed using only one DSC(Digital Signal Controller)chip.The system can collect four-channel data and upload to the Lab VIEW synchronously,which is composed of ADC which is embedded in DSC,the timer and the USB 2.0 communication module.The design method of the three-phase active power measurement is introduced in detail,which provides a better resolution for the multi-channel synchronous data collection system.

synchronous sampling;DSC;Cortex-M4;Lab VIEW

TN273

A

國(guó)家自然科學(xué)基金(典型非對(duì)稱聲帶發(fā)聲機(jī)制的空氣動(dòng)力學(xué)建模及高速攝影研究,61371163)。

(責(zé)任編輯:楊迪娜2016-05-30)