0 引 言
傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般采用單片機,，系統(tǒng)大多通過PCI總線完成數(shù)據(jù)的傳輸。其缺點是數(shù)學運算能力差,；受限于計算機插槽數(shù)量和中斷資源,；不便于連接與安裝；易受機箱內(nèi)電磁環(huán)境的影響,。這些問題遏制了基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的進一步開發(fā)和應用,。因此,，需要一種更為簡便通用的方式完成采集系統(tǒng)和計算機數(shù)據(jù)的交互。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的好壞,，主要取決于它的精度和速度,。在保證精度的條件下應盡可能地提高采樣速度，以滿足實時采集,、實時處理和實時控制的要求,。實踐表明，采用ARM 32位嵌入式微處理器作為控制器,，用USB(通用串行總線)和上位機連接構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能大大提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的能力,，降低對PC機和接口速度的依賴。
1 系統(tǒng)硬件設計
實現(xiàn)系統(tǒng)功能的基本思路是：以CPLD／FPGA實現(xiàn)儀器的數(shù)字平臺,，和ARM嵌入式處理器及單片機一起實現(xiàn)對整機的智能控制和高速的數(shù)據(jù)處理,。
1．1 系統(tǒng)框圖
系統(tǒng)原理方框圖如圖1所示，該系統(tǒng)主要由微處理器,、數(shù)字邏輯平臺,、輸入控制、A,，B通道輸入處理,、C通道輸入處理、整形,、A／D轉(zhuǎn)換,、采樣時序控制、鍵盤液晶顯示,、存儲器擴展等模塊構(gòu)成,。
1．2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)硬件如圖2所示，利用一片規(guī)模較小的CPLD和一片規(guī)模較大的FPGA組合構(gòu)成系統(tǒng)的數(shù)字邏輯平臺,。CPLD主要用作輸入控制，F(xiàn)PGA則連接了系統(tǒng)的其他各個部分,。CPLD／FPGA可實現(xiàn)現(xiàn)場編程,，使用CPLD／FPGA可使設計方便，利用它靈活,、校驗快以及設計可隨意改變的特點,，可大大縮短研制時間。
1．3 主要部分功能
1．3．1 微處理器
系統(tǒng)采用由Philips公司生產(chǎn)的ARM 32位微處理器LPC2105作為主CPU,，進行高速的數(shù)據(jù)處理,，用8位單片機P89C51RD2作為輔CPU，進行速度較慢的數(shù)據(jù)處理,，控制其他外圍芯片和模塊實現(xiàn)A,，B通道模擬帶寬100 MHz,、峰值電壓±100 V和C通道二極管通斷、電壓,、電流,、電阻值的數(shù)據(jù)采集功能。
1．3．2 A,，B通道部分
通過自動增益電路(AGC)即程序控制放大器,，將被測模擬信號調(diào)理到適合ADC芯片(AD9288)采樣的范圍。根據(jù)頻率的大小和觸發(fā)方式,，運用實時采樣或等效采樣對調(diào)理后的模擬信號進行采樣(A／D轉(zhuǎn)換),。利用高速FIFO存貯器(IDT72V261LAl0A)存儲采樣后得到的數(shù)據(jù)。
結(jié)合鍵盤操作和系統(tǒng)設置,，對采樣后的數(shù)據(jù)進行數(shù)學運算,，將還原后的波形數(shù)據(jù)和參數(shù)送液晶顯示器顯示或存入閃存里面或通過USB接口傳送給PC機，從而實現(xiàn)了A,，B通道高速數(shù)據(jù)采集的功能,。
1．3．3 C通道部分
C輸入通道為多功能輸入通道，系統(tǒng)通過控制繼電器矩陣來選擇不同的模塊測量電壓,、電流或二極管的通斷和電阻,。被測元件參數(shù)或電壓、電流經(jīng)過多功能轉(zhuǎn)換電路處理后,，其信號送24 b的A／D轉(zhuǎn)換器ADS1211采樣后送單片機P89C51RD2,，分析被測元件或電壓、電流的參數(shù)值,，從而實現(xiàn)了C通道高精度數(shù)據(jù)采集的功能,。
1．3．4 鍵盤、液晶顯示接口電路
本系統(tǒng)采用4×8的鍵盤和320×240不帶驅(qū)動器的液晶顯示模塊,，驅(qū)動器和顯存設計在FPGA內(nèi),。以上系統(tǒng)通過USB接口與PC機通信，在上位機的控制下,，實現(xiàn)可視化人機交互界面,。同時系統(tǒng)也保留了傳統(tǒng)的RS 232接口，但只是用于ARM和單片機的編程下載,。
2 軟件設計流程
LPC2105芯片作為系統(tǒng)主控制中心及數(shù)據(jù)處理中心,，整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)受到它的控制，例如響應用戶的按鍵操作,，發(fā)出通道控制,，A／D采樣時鐘控制，F(xiàn)IFO寫時鐘的選擇,，菜單及系統(tǒng)狀態(tài)顯示,，F(xiàn)IFO數(shù)據(jù)的處理,，信號或參數(shù)的自動測試等。
數(shù)據(jù)采集卡的軟件程序結(jié)構(gòu)如圖3所示,，可分為系統(tǒng)初始化模塊,、鍵語分析模塊、系統(tǒng)核心控制模塊,、通道控制模塊,、觸發(fā)控制模塊、A／D采樣控制模塊,、FIFO讀寫控制模塊,、讀取頻率字模塊、參數(shù)測試模塊,、狀態(tài)顯示模塊,、波形顯示模塊、存儲控制模塊,、其他功能模塊,。
系統(tǒng)的初始化模塊包括開機自檢、硬件參數(shù)初始化,、系統(tǒng)狀態(tài)初始化(如通道的波形顯示狀態(tài)初始化)等,。鍵語分析模塊對面板上的用戶輸入進行分析處理，通過核心控制模塊調(diào)用相應的功能處理模塊,，通過對通道控制模塊,、觸發(fā)控制模塊、A／D采樣控制模塊,、FIFO讀寫控制模塊,、讀取頻率字模塊、參數(shù)測試模塊,、狀態(tài)顯示模塊,、波形顯示模塊、存儲控制模塊,、其他功能模塊的函數(shù)調(diào)用來實現(xiàn)對來自鍵語分析的處理功能,。狀態(tài)顯示模塊顯示程序運行時的各種狀態(tài)，如當前數(shù)據(jù)采集的掃描速率,、通道的垂直靈敏度等。波形顯示模塊顯示采集的波形,。
整個系統(tǒng)的程序又可分成底層驅(qū)動和上層軟件,。底層驅(qū)動指對本系統(tǒng)其他外設或器件直接控制或訪問的程序部分，包括LPC2105和單片機的初始化(即對片內(nèi)各核心寄存器的操作賦值,、對片上外設的初始化賦值,、對片內(nèi)各外設中斷及外部中斷的控制操作),。上層軟件主要指：菜單的設計及顯示、數(shù)據(jù)的處理,、波形的恢復及平滑等,。