一種嵌入式便攜數(shù)據(jù)采集分析儀

引言

對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的多點(diǎn)振動(dòng)測(cè)試實(shí)踐中，需要使用多種儀器，如示波器、動(dòng)平衡儀、振動(dòng)分析儀等。隨著測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步，虛擬儀器的出現(xiàn)將其合而為一，大大簡(jiǎn)化了復(fù)雜的測(cè)試工作。虛擬儀器的概念是使用計(jì)算機(jī)對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行分析和顯示的全過(guò)程。按照虛擬儀器概念搭建的儀器需要三部分：計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集硬件和分析軟件。數(shù)據(jù)采集硬件一般由A/D板卡實(shí)現(xiàn)。然而計(jì)算機(jī)的進(jìn)步和總線的變化使曾經(jīng)可行的測(cè)量結(jié)構(gòu)和分析程序在新的總線、操作系統(tǒng)上不能正常工作。各個(gè)廠家的A/D板卡一般只具有簡(jiǎn)單的采樣觸發(fā)方式；硬件和windows底層源代碼的保密性又扼殺了用戶自行開(kāi)發(fā)新的采樣觸發(fā)方式的可能性。PC機(jī)體積過(guò)大不便移動(dòng)工作；筆記本電腦雖便攜，內(nèi)部幾乎沒(méi)有插入板卡的空間，接口性能也嬌氣。這些不足又為測(cè)試工作帶來(lái)了新的不便。

近年來(lái)嵌入式技術(shù)發(fā)展很快，使用單片機(jī)控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方興未艾。但由于單片機(jī)性能的限制，采樣速率有限，存儲(chǔ)空間很小，不能滿足高速大容量采樣的需求，更不可能使儀器運(yùn)行分析軟件，擺脫電腦獨(dú)立工作。

ARM系列微處理器功耗低且性能大大高于單片機(jī)，使在嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)虛擬儀器成為可能。本文基于ARM7TDMI設(shè)計(jì)的嵌入式數(shù)據(jù)采集分析儀實(shí)現(xiàn)了上述目的。

硬件結(jié)構(gòu)和工作原理

儀器的硬件結(jié)構(gòu)及工作原理圖如圖1所示。處理器選用三星（samsung）公司的s3c44b0x替代51單片機(jī)，在保持微小功耗的前提下獲得了更高的運(yùn)行頻率和更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。其ARM7TDMI內(nèi)核應(yīng)用改進(jìn)的RISC設(shè)計(jì)思想來(lái)獲得更好的功耗性能比，具有0.06mW/MHz的低功耗，保證儀器可以在電池供電條件下工作較長(zhǎng)時(shí)間。ARM7的三級(jí)指令流水線提供0.97MIPS/MHz的指令效率，接近每周期執(zhí)行一條指令。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)及工作原理圖

S3c44b0x外接10MHz的晶體振蕩器，通過(guò)內(nèi)部的PLL倍頻，運(yùn)行在64MHz的主頻下。這樣的主頻比一般單片機(jī)高了5~10倍，保證處理器在控制高速A/D進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，還能提供額外運(yùn)算時(shí)間來(lái)分析數(shù)據(jù)。除ARM7TDMI內(nèi)核外，s3c44b0x還提供PWM計(jì)數(shù)器、UART、DMA、 8通道10位精度A/D變換器等外圍設(shè)備。

存儲(chǔ)器方面，系統(tǒng)配置了8Mbyte的SDRAM和16Mbyte的FLASH。大容量的SDRAM提供了充足的程序運(yùn)行空間和采集數(shù)據(jù)緩存。FLASH 一部分用作系統(tǒng)的啟動(dòng)存儲(chǔ)器；一部分存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)，即使掉電也不會(huì)丟失。存儲(chǔ)器通過(guò)16位數(shù)據(jù)線、地址線和片選線與處理器連接。S3c44b0x提供八個(gè)存儲(chǔ)器片選空間（bank）。

A/D變換器是數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵部件。儀器擁有兩個(gè)A/D變換器。一個(gè)是s3c4bb0x內(nèi)部的A/D變換器，具有10位精度，8通道和單通道最高 100kSps的速度。另一個(gè)是AD公司的AD7859芯片，具有12位精度，8通道和單通道最高200kSps的速度，自帶采樣保持器。AD7859通過(guò)16位數(shù)據(jù)線、地址線和片選線連接到處理器，占用一個(gè)存儲(chǔ)器bank。處理器以訪問(wèn)存儲(chǔ)器的方式訪問(wèn)AD7859，也可以使用處理器的DMA控制數(shù)據(jù)傳輸。AD7859的觸發(fā)端通過(guò)一個(gè)多路開(kāi)關(guān)分別連接了儀器外時(shí)鐘輸入端和處理器的計(jì)數(shù)器輸出端，以實(shí)現(xiàn)多種觸發(fā)方式。此外，處理器還可以通過(guò)數(shù)據(jù)線傳送命令的方式觸發(fā)AD7859進(jìn)行采樣。

USB控制器是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕考?。本儀器選用Philips公司的PDIUSBD12芯片，符合USB1.1標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到12Mbps。 PDIUSBD12作為下位機(jī)通過(guò)8位數(shù)據(jù)線、地址線和片選線連接到s3c44b0x，占用一個(gè)存儲(chǔ)器bank。PDIUSBD12的INT_N管腳連接到s3c44b0x的EINT2管腳，通過(guò)中斷方式通知處理器處理USB上位機(jī)的呼叫。PDIUSBD12的硬件連接電路原理圖如圖2所示。

圖2 PDIUSBD12硬件連接原理圖

儀器的人機(jī)交互界面由一塊320×240的高分辨率單色液晶顯示器和一塊4×4鍵盤(pán)組成。液晶顯示器模塊以8位數(shù)據(jù)線、地址和片選連接到s3c44b0x，占用一個(gè)存儲(chǔ)器bank。

軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)主要包括初始化程序、操作系統(tǒng)、采樣觸發(fā)程序、USB固件和應(yīng)用軟件5個(gè)部分。

初始化程序

初始化程序是針對(duì)s3c44b0x使用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的。在將控制權(quán)交給操作系統(tǒng)前，初始化最基本的硬件設(shè)備。主要工作是配置SDRAM并將操作系統(tǒng)代碼從FLASH拷貝到SDRAM中。這一部分的主要代碼如下：

ResetHandler：

ldrr0，=WTCON；//watchdogdisable

ldrr1，=0x0

strr1，[r0]

mrsr0，cpsr；//disableinterrupt

orrr0，r0，#0xc0

msrcpsr，r0

/*Setclockcontrolregisters*/

ldrr0，=LOCKTIME

ldrr1，=2000； //count=t_lock*Fin

strr1，[r0]

ldrr0，=PLLCON

ldrr1，=0xf8033； //MCLK=64MHz

strr1，[r0]

ldrr0，=CLKCON

ldrr1，=0x7ff8； //AllunitblockCLKenable

strr1，[r0]

；/*Setmemorycontrollerregisters，initializeSDRAM*/

ldrr1，=0x11110002；//BWSCON

ldrr2，=0X600； //GCS0FLASHROM

ldrr3，=0X7FFC； //GCS1LCDCONTROLLER

ldrr4，=0X7FFC； //GCS2

ldrr5，=0X7FFC； //GCS3

ldrr6，=0X7FFC； //GCS4

ldrr7，=0X7FFC； //GCS5

ldrr8，=0X18000； //GCS6SDRAM

ldrr9，=0X18000； //GCS7SDRAM

ldrr10，=0x820419； //REFRESH

ldrr11，=0x16； //BankSize

ldrr12，=0x20； //MRSR6

ldrr13，=0x20； //MRSR7

ldrr0，=0x01c80000； //BWSCONAddress

stmiar0，{r1-r13}

；/*Copyentireprogramsto0x0c008000atSDRAM*/

ldrr0，=0x0；//startaddressoftheflashrom

ldrr1，=0xc008000； //targetaddressintheSDRAM

ldrr2，=0x128e0； //thenumberofbytesneedtocopy