一種嵌入式便攜數(shù)據(jù)采集分析儀

USB固件

儀器上的USB驅(qū)動程序也稱為USB固件。儀器連接到上位機(jī)后，PDIUSBD12響應(yīng)上位機(jī)的信號，并向ARM7發(fā)出中斷請求。ARM7響應(yīng)中斷并調(diào)用固件中的程序處理上位機(jī)的請求，發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)從SDRAM或FLASH傳輸?shù)絇DIUSBD12，由后者發(fā)送給上位機(jī)。數(shù)據(jù)傳輸采用bulk方式以保證準(zhǔn)確性。實(shí)際傳輸實(shí)驗(yàn)表明，傳輸速度達(dá)到1Mbytes。

應(yīng)用軟件

數(shù)據(jù)分析軟件是本儀器應(yīng)用軟件的主要部分。目前已開發(fā)出的數(shù)據(jù)分析軟件是示波器功能軟件。本儀器在采集數(shù)據(jù)的同時(shí)可以由大屏幕液晶顯示器進(jìn)行波形示蹤。這個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)充分體現(xiàn)了ARM7比單片機(jī)運(yùn)算速度快的優(yōu)勢。A/D的最高采樣速率是200ksps，即每個(gè)采樣周期為5ηs。ARM7運(yùn)行在64MHz主頻下，每個(gè)周期為15.625ns。這樣每個(gè)采樣周期包括320個(gè)主頻周期。ARM7具有0.97MIPSMHz的指令效率，320個(gè)主頻周期可以運(yùn)行約 310條的指令。在計(jì)數(shù)器觸發(fā)A/D采樣的情況下，處理器的工作是每采樣周期從A/D讀取一次數(shù)據(jù)并保存到RAM中，代碼如下：

LDRr0，[r1]；/*寄存器r1中保存了A/D數(shù)據(jù)寄存器的地址；需要3周期*/

STRr0，[r2，#4]!；/*寄存器r2中保存了RAM中數(shù)據(jù)存儲空間的起始地址；需要2周期*/

這個(gè)操作需要5個(gè)主頻周期。利用剩余的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間，ARM7就可以將上一次采集的數(shù)據(jù)顯示在大屏幕液晶上，實(shí)現(xiàn)波形示蹤，方便使用者進(jìn)行現(xiàn)場信號觀察，省去了攜帶示波器的麻煩。這是其他的數(shù)據(jù)采集儀所不具備的。

充分利用ARM7高性能的優(yōu)勢，還可以進(jìn)行其他數(shù)據(jù)分析處理。目前其他數(shù)據(jù)處理功能正在開發(fā)中。μC/OS-II操作系統(tǒng)大部分用C語言編寫，開發(fā)方便。除儀器自帶的軟件模塊外，用戶可以自己開發(fā)新的模塊，不斷擴(kuò)展功能。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

按照上述思路設(shè)計(jì)的嵌入式數(shù)據(jù)采集分析儀已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)。使用s3c44b0x內(nèi)置A/D變換器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。選擇內(nèi)觸發(fā)方式和倍頻觸發(fā)方式分別采集714Hz三角波。內(nèi)觸發(fā)方式選擇最高采樣頻率fs=100kHz，采樣長度為512點(diǎn)；倍頻觸發(fā)模式選擇32倍頻（N=32），采集4個(gè)周期（M=4）；各采樣兩組。將采集到的數(shù)據(jù)通過USB傳輸?shù)诫娔X，用Matlab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分別繪制波形圖；進(jìn)行FFT后繪制幅頻圖。結(jié)果如圖4所示。

從圖4中各圖可以看出由本儀器采集的數(shù)據(jù)繪制的波形平滑沒有雜波，說明儀器實(shí)現(xiàn)了其性能指標(biāo)。

圖4 對三角波的采樣對比分析圖

對比圖4中各圖可以看出這兩種觸發(fā)方式的幾點(diǎn)區(qū)別：

（1）圖4a和圖4c中兩個(gè)波形存在相位差異；而圖4e和圖4g的相位是相同的。這說明內(nèi)觸發(fā)采樣開始和結(jié)束的時(shí)間是隨機(jī)的；而倍頻觸發(fā)采樣的起點(diǎn)（開始于外觸發(fā)）和終點(diǎn)（結(jié)束于整周期末尾），都是相對固定的。

（2）圖4a和圖4c的波形都不是整周期的；圖4e和圖4g的波形都是整4個(gè)周期。

（3）反映在各自的FFT幅頻圖上：圖4b和圖4d都有明顯的泄漏效應(yīng)和柵欄效應(yīng)，最大旁瓣幅值為一倍頻幅值的5.75%；圖4f和圖4h都是干凈的三角波n次諧波分量的譜線，最大旁瓣幅值僅為一倍頻幅值的1.09%。上述現(xiàn)象說明倍頻觸發(fā)方式能保證采樣數(shù)據(jù)序列的整周期截?cái)?，保證采樣頻率是待測信號基頻的整數(shù)倍，有利于提高FFT信號分析的準(zhǔn)確性；內(nèi)觸發(fā)采樣則由于其采樣頻率和截?cái)嚅L度的人為性，以及開始和結(jié)束的隨機(jī)性，不具備這個(gè)特點(diǎn)。要得到好的 FFT結(jié)果，或者修改采樣頻率和截?cái)嚅L度，或者加特種窗函數(shù)，給測試過程帶來許多麻煩。

每一種被測信號均有不同的特性。選擇合適的觸發(fā)方式可以過濾無用的信號，獲得更多有用的信號。例如進(jìn)行旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動測試時(shí)選用本儀器提供的倍頻觸發(fā)方式就可以獲得適合進(jìn)行FFT的整周期信號，利于后續(xù)分析；其他的觸發(fā)方式就顯得不適合。而采集激勵振動信號就需要選用電平觸發(fā)方式，以準(zhǔn)確獲得從激勵開始的信號。作為儀器設(shè)計(jì)者，應(yīng)當(dāng)多進(jìn)行各種測試實(shí)踐，了解各種測試的實(shí)際需要，不斷豐富儀器的采樣觸發(fā)方式，以適應(yīng)不同測試環(huán)境的需要。