一种数据采集系统的设计和实现

　　摘 要：介绍了一种利用USB2.0的高速传输特性，基于USB和DSP的数据采集系统。详细论述了系统的总体结构、部分硬件设计，并简要叙述了相应固件程序的实现。

　　测量仪器是为了取得目标物某些属性值而进行衡量所需要的第三方标准，故测量仪器一般都具有刻度，容积等单位。一般分为接触试和光学试测量两种，概念其基本内容包括、误差、测量标准器材、长度测量、角度测量、形状测量、传统光学仪器、在精密测量上的应用等。

　　测量仪器一般由数据采集、数据分析和显示三部分组成，而数据分析和显示可以由PC机的软件来完成，因此只要额外提供一定的数据采集硬件就可以和PC机组成测量仪器。这种基于PC机的测量仪器被称为虚拟仪器[1]。而在一些数据量比较大、采集时间比较长的场合，就需要采用高速的数据传输通道。基于虚拟仪器的思想和高速传输通道的要求，设计了一种基于DSP和USB2.0的高速数据传输接口。

　　1 数据采集系统硬件

　　数据采集系统由A/D数据采集单元、USB从接口单元、U盘读写单元组成。硬件原理图如图1所示。被测信号经A/D转换后写入FIFO中；当FIFO数据半满后，产生中断，通知DSP进行数据压缩处理；DSP把压缩好的数据依次写入USB接口芯片的4个从FIFO中，4个从FIFO对应USB的4个端点，DSP一边写入数据，已写满的从FIFO就一边通过相应端点由SIE把数据发送到上位机，上位机一边把收到的数据通过多线程存储到硬盘中，一边把数据解压并把波形实时显示出来。对于少量的数据，可以存储到U盘，送回PC机进行分析显示。

    该系统具有如下特点：数据采集通用性较强。不仅可采集电气量，亦可采集非电气量。电气参数采集用交流离散采样，非电气参数采集采用继电器巡测，信号处理由高隔离运算放大器AD202JY调理，线性度好，高。

　　整个系统采用分布式结构，软、硬件均采用了模块化设计。数据采集部分采用自行开发的带光隔离的RS-485网，通信效率高，安全性好，结构简单。后台系统可根据实际被监控系统规模大小及要求，构成485网、Novell网及WindowsNT网等分布式网络。由于软、硬件均为分布式、模块化结构，因而便于系统升级、维护，且根据需要组成不同的系统。

　　数据处理在WindowsNT平台上采用VisualC++语言编程，处理能力强、速度快、界面友好，可实现网络数据共享。

　　整个系统自行开发，符合我国国情。对发电厂原有系统的改动很小，系统造价较低，比较适合中小型发电厂技术改造需要。

　　1.1 A/D采集模块

　　作为单通道输入的MAX1189，主要控制信号有CS、R/C（Read/Conversion）、EOC（End of Conversion）。图2为MAX1189的时序图[2]。如图2所示，每个采样周期长达CS信号的三个周期。在个CS信号的下降沿，如果R/C为低电平，也就进入了应答模式，这是开始采样前必须的准备工作。低电平时，ADC内部参考电压无需进行转换，这样在开始下一个周期的转换时无需等待电压的变化。高电平时，内部参考电压会进行调变，这样在开始下一周期的转换时需要等待大约12?滋s的时间。在CS信号的第三个下降沿，EOC信号变为低电平，表示采样结束，此时R/C信号为高电平，会把采样数据放到总线上，这样就完成了一个周期的采样。采样模块的控制信号是由FPGA控制的。

　　1.2 DSP与FIFO的连接

　　数字信号处理（Digital Signal Processing，简称DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。德州仪器、Freescale等半导体厂商在这一领域拥有很强的实力。

　　主处理器DSP既要控制采集，又要完成数据的处理和传输，因此数据采集模块采集来的数据不能直接传送给DSP,这会极大影响DSP的处理效率。解决办法是利用数据缓冲器如双口RAM、FIFO等，对数据进行适度缓存，当缓存的数据量达到一个设定值时，可以通知CPU进行高速数据传输，将缓存的数据性地读入。在设计中采用了缓冲，较好地解决了采集端与处理端的速度匹配问题。

　　FIFO的读写由各自的控制时钟FIFOR和FIFOW控制，写时钟与采样时钟同步，读时钟与DSP处理数据的时序有关。当FIFO半满后，FPGA会根据FIFOHF、FIFOE/F、FIFOPAFE的相应位判断FIFO是否半满，FPGA便向DSP发出中断请求。本设计中采用外部中断的EXTINT3来作为FIFO缓冲数据的DMA传输触发事件。DSP响应FPGA中断请求，读取数据进行数据压缩。当DSP数据处理速度跟不上采集数据速度时，FIFO就会全满，FPGA根据FIFOHF、FIFOE/F、FIFOPAFE相应位状态判断到FIFO已全满，于是向USB接口芯片单片机发出中断请求，通知系统数据己溢出，采集发生严重错误。

　　1.3 USB从接口电路

　　USB ,是英文Universal Serial BUS（通用串行总线）的缩写，而其中文简称为“通串线，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在PC领域的接口技术。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。USB用一个4针（USB3.0标准为9针）插头作为标准插头，采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来，多可以连接127个外部设备，并且不会损失带宽。USB需要主机硬件、操作系统和外设三个方面的支持才能工作。目前的主板一般都采用支持USB功能的控制芯片组，主板上也安装有USB接口插座，而且除了背板的插座之外，主板上还预留有USB插针，可以通过连线接到机箱前面作为前置USB接口以方便使用（注意，在接线时要仔细阅读主板说明书并按图连接，千万不可接错而使设备损坏）。而且USB接口还可以通过专门的USB连机线实现双机互连，并可以通过Hub扩展出更多的接口。

　　USB从接口单元采用CYPRESS的CY7C68013芯片。如图3所示，USB接口芯片CY7C68013由3.3V电源供电。PAO/INTO#选择INTO工作方式，其中断级别，当FIFO全满造成数据溢出导致数据采集发生严重错误时，该中断请求发生，系统通知数据溢出错误，并停止数据采集。RESET#为USB接口芯片复位输入。

　　USB的FDO～FDl5与DSP的I/O数据线相连，用于DSP与USB从FIFO通信，SLWR为写控制时钟。FLAGB、FLAGC用于输出2,4,6,8相应端点从FIFO的空满状态，以便DSP写USB从FIFO时获取空满状态。

　　FIFOADRO、FIFOADR1用于DSP寻址2,4,6,8相应端点USB从FIFO，FIFOADRO及FIFOADR1功能真值表如表1所示。FIFOADRO、FIFOADR1的初值为00，对应DSP写端点2的从FIFO, FIFOADRO和FIFOADR1的值自加变为01，对应DSP写端点4的从FIFO。以此类推，DSP依次写2,4,6,8端点数据，当FIFOADRO和FIFOADR1的值为11时，再自加，FIFOADRO和FIFOADR1的值又变为00,因此，DSP可循环写2,4,6,8端点。需要说明的是，当DSP开始写一新端点的从FIFO之前，DSP要读FLAGB、FLAGC标志位，若该端点不空，则等待；若空，则进行写数据操作。

　　1.4 U盘读写单元

　　此电路单元采用USB主控芯片CH375。CH375 是一USB总线的通用接口芯片，支持USB-HOST主机方式和USB-DEVICE/SLAVE设备方式。此系统中只采用USB的主功能，用来读写U盘[4]。

　　CH375 芯片的RD#和WR#引脚分别连接DSP的读选通输出引脚和写选通输出引脚。CS#由地址译码电路驱动。INT#输出的中断请求是低电平有效，可以连接到DSP的中断输入引脚。当RD#为高电平并且CS#和WR#都为低电平而A0 为高电平时，D7～D0上的数据被作为命令码写入CH375芯片中。CH375内置了处理Mass-Storage 海量存储设备的专用通讯协议的固件，DSP可以直接以扇区为基本单位读写常用的USB 存储设备（包括USB硬盘/USB闪存盘/U 盘）。

　　2 软件设计

　　本设计的软件主要由两大部分组成：USB芯片软件及DSP通信软件。其中，USB芯片软件的设计是关键，它又包括固化程序、驱动程序、PC机端应用程序[5]以及DSP端通信接口程序。

　　2.1 固化程序

　　USB芯片的固化程序主要负责：

　　（1） 寄存器初始化工作，设置一些特殊功能寄存器的初值以实现所需的属性或者功能；

　　（2） 辅助硬件完成设备的枚举过程，对主机的设备请求作出适当的响应；

　　（3） 完成中断处理、数据接收及发送以及对外围电路的控制。

　　2.2 驱动程序

　　开发USB设备驱动程序可采用Jungo公司的WinDriverv6.03，并以VC++6.0作为辅助开发环境。利用WinDriver提供的开发平台，用户即可完成驱动程序的设计工作，剩下的底层细节由WinDriver内核统一处理，从而降低了对开发者编程能力的要求，同时也大大缩短了开发周期。下面对使用WinDriver开发驱动程序的步骤作一个简要说明：

　　（1） 启动WinDriver的DriverWizard工具；

　　（2） 利用DriverWizard检测硬件是否正常；

　　（3） 在DriverWizard中选择所使用的开发环境，这里使用VC6.0开发环境，并生成驱动程序代码；

　　（4） 对生成的代码进行修改，使其符合系统的需要；

　　（5） 在WinDriver环境的用户模式下调试驱动程序。

　　2.3 PC端应用程序

　　USB主机应用程序是计算机中完成特定功能的程序，其关键是实现从USB 外设读取或发送特定数量的数据、USB标准设备请求和特定的命令等。另外，可以对数据做进一步的处理，如：存储、显示、快速傅立叶变换等。

　　主机应用程序的编写使用ＶＣ编译环境中的ＡＰＩ函数实现。应用程序的编程方法与串口编程类似。首先必须查找设备，调用WIN32函数CreateFilea（ ）打开设备的句柄；然后调用WIN32函数DeviceIoControl（ ）就可以进行数据读写和控制操作；关闭设备句柄。

　　2.4 DSP端通信接口程序

　　在本设计中，DSP处于主控地位，通过INT中断决定什么时候接收USB送来的数据，并把接收来的数据做简单的压缩运算，决定何时往USB发送这些数据。在读数据时，应首先判断FX2的FIFO2是否为空，如果不为空则将数据读进来，读进一个16位数。在写数据时，首先判断要写的数据个数是否为512字节的整倍数。

　　由于开发此系统涉及到USB驱动开发以及应用程序的设计，比较繁琐，尝试利用Mass Storage协议开发虚拟设备，把数据采集卡当作一个Windows的外围设备，采用文件系统格式直接以文件形式存储数据。这部分主要是修改CY7C68013的固件程序，如设备描述符、端点描述符，主机会把采集卡认为是一Mass Storage设备，然后利用SCSI协议以及文件系统就可以直接存储由DSP传过来的数据，这样就省去了复杂的驱动和应用程序设计。

　　本文介绍了基于USB2.0的16bit数据采集系统，采用数据压缩算法完成了数据量的压缩以及高速数据传输。由于USB的即插即用特性，弥补了传统数据采集卡插拔困难的缺点，相信随着技术的进步，USB技术必将得到更广泛的应用。