Windows 95下智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

摘要：提出一種智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。用編程簡單、定時分辨率高、工作可靠的單片機定時取代編程繁復、定時分辨率低、工作不可靠的Windows95下的定時。解決了Windows 95環(huán)境下短時間定時不準確的難題，又簡化了用戶的應用程序。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、高效可靠，實現(xiàn)了對信號的高性能采集。

關鍵詞：定時器 時鐘 并口 數(shù)據(jù)采集

引言

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在各行各業(yè)都有廣泛的應用。目前，已有各種各樣高速、高精度、多通道的數(shù)據(jù)采集卡問世。計算機通過卡上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采入數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理和圖形顯示等工作。隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，Windows 95/98平臺下的應用程序已經(jīng)成為數(shù)據(jù)采集與處理軟件開發(fā)的主流。

用于數(shù)據(jù)采集的常規(guī)Windows定時順又存在著嚴重的不足。首先，常規(guī)Windows定時器的定時分辨率低。定時器每隔55ms中斷1次，相當于最高采樣頻率僅為18.2Hz。對由于Windows 95/98下的應用程序無法直接與硬件打交道，不能通過對定時中斷重新安裝的方法改變定時時間長度。如此低的采樣頻率對于絕大多數(shù)的信號采集與處理都是不適合的，必須尋找能以更高頻率采集的方法。

其次，Windows系統(tǒng)是一個多任務操作系統(tǒng)，它是基于消息來驅(qū)動事件的。定時器消息WMTIMER在串行消息隊列中的優(yōu)先級別很低，往往得不到及時響應，甚至消息隊列中的幾個未及時處理的定時器消息會被合并為一個；而應用程序無法確定由于這種處理而丟失的消息數(shù)，使實際的采樣間隔不均勻。

針對以上問題，人們想出了很多方法予以解決。目前常用的方法都是在PC機上編程，一般來講有以下3種方法：

（1）在Windows應用程序中，使用普通C語言中常用的函數(shù)delay()[2,3]。

delay()是C語言中常用的延延、定時函婁。使用delay()，最高采樣率可達1kHz，但delay()與多任務的Windows操作系統(tǒng)不兼容。在Windows應用程序中直接使用delay()會發(fā)生編譯警告和連接錯誤?？梢酝ㄟ^程序中顯示說明函數(shù)delay（）原型并在Windows庫中包含DELAY模塊的方法去除這一錯誤，從而可以在Windows應用程序中，像普通C程序一樣使用delay()。然而，這種用軟件等待的方法，對于主機的資源來講是一個極大的浪費。

（2）使用Windows多媒體定時器的回調(diào)函數(shù)[4,5]

Windows多媒體定時器可以通過函數(shù)timeBeginPeriod來設置定時器分辨率，其分辨率最小為1ms，最大為16ms。這一分辨率代表了60～1000Hz的采樣率，可以滿足一般信號對采樣率的要求。而且多媒體定時器采用中斷完成定時服務，在中斷時刻調(diào)用1個回調(diào)函數(shù)，而不是向消息隊列發(fā)送WM_TIMER信息。在應用程序中，使用Windows多媒體定時器并不容易，必須遵循嚴格的步驟。在使用回調(diào)函數(shù)的趕集，在中斷服務程序和用戶主程序之間，要進行數(shù)據(jù)的共享，給編程和調(diào)試帶來不便。程序的穩(wěn)健性也會受到影響。在定時時間較短時，主機負荷過重。

（3）實時鐘定時[6]

實時鐘芯片在基準頻率作用下驅(qū)動內(nèi)部時鐘電路工作，同時可通過對內(nèi)部寄存器A（D3～D0）編程，選擇22分頻輸出信號頻率。實時鐘周期性地輸出方波和周期中斷請求信號（該中斷請求連到IRQ8），從而為程序中實現(xiàn)時間控制提供了另一條途徑。同時，在Windows機制中，使用優(yōu)先級高于一般的任務級，而等于系統(tǒng)級的VxD編制驅(qū)動程序，可以保證驅(qū)動程序在運行時享有最高優(yōu)先權(quán)，在進行硬件設備的管理、控制時不會被其他任務所中斷，充分保證了驅(qū)動程序返還給用戶的數(shù)據(jù)是完全真實的值。而且可以直接對硬件進行訪問，因而通過編寫VxD直接管理實時鐘中斷，定時分辨率更高。但VxD對調(diào)試者的編程水平要求較高，稍有不慎，很容易出現(xiàn)異常錯誤或死機。

不難看出，直接在PC機上編程解決定時問題要求調(diào)試者有較高的編程水平，程序調(diào)試困難，可靠性差。

為此，我們設計了一套智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。用單片機89C51作為中央處理單元，控制模/數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、外部數(shù)據(jù)存儲器等外圍設備，進行數(shù)據(jù)的定時采集和預處理。通過絕大多數(shù)電腦都具備的并行口作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計算機的接口，與PC機進行數(shù)據(jù)傳輸。由單片機管理定時采樣和進行部分信號預處理工作，解決了Windows 95下定時采樣的問題，減徑了PC機方面編程的工作量，使應用程序可以精力進行數(shù)據(jù)采集后的處理工作。

智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的框圖如圖1所示。信源信號經(jīng)放大濾波后進入A/D轉(zhuǎn)換器。單片機以一定的采集率在定時中斷內(nèi)讀取A/D轉(zhuǎn)換器的輸出，送入RAM中暫存，在定時斷外則將RAM中存儲的數(shù)據(jù)不斷經(jīng)并口送入PC機。PC機中的應用程序由并口接收單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對其進行數(shù)據(jù)處理和顯示。

1.單片機與主機間的并口通信

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，微機的并行口發(fā)生了很大的變化，由原來的只能打印，即只能向外設傳輸數(shù)據(jù)，發(fā)展成為可以在微機與外設之間進行雙向、快速交換數(shù)據(jù)的雙向并行接口。利用雙向并行口使得PC機能與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的單片機之間以異步的、全互鎖的雙向并行方式通信。它能減少用戶交互地操作外部設備的次數(shù)，以更高的傳輸速率完成數(shù)據(jù)傳送。

并口通信硬件部分原理如圖2所示，軟件部分流程圖如圖3所示。

并口通信利用了D觸發(fā)器74HC74的預置和清零功能提供傳輸數(shù)據(jù)所需的握手信號。用八D鎖存器74HC573完成單片機傳出數(shù)據(jù)的鎖存。在單片機向PC機送數(shù)時，單片機先將數(shù)據(jù)鎖存在74HC573中。74HC573的輸出端接到微機并行口的數(shù)據(jù)寄存器的輸入端。數(shù)據(jù)鎖存后，單片機將74HC74的清零端CD清零，使輸出端Q輸出低電平，Q端同時送至并行口的狀態(tài)寄存器，通知PC機可以取數(shù)。PC機檢測到這一信號后，經(jīng)控制口選通數(shù)據(jù)鎖存器，將鎖存的數(shù)據(jù)取出，并將觸發(fā)器置位端SD置1，使Q端輸出高電平，通知單片機數(shù)已取出，可以送下一個數(shù)據(jù)了。單片機檢測到觸發(fā)器Q端輸出變?yōu)楦唠娖胶?，又?個新數(shù)據(jù)鎖存至74HC573中，同時使觸發(fā)器輸出電平翻轉(zhuǎn)，通知PC機取數(shù)。如此往復，直到PC機不再需要讀數(shù)為止。值得注意的是：為了避免由于時序的不匹配造成的清零和置位端同時有效，在單片機（PC機）進行清零（置位）前，應對PC機（單片機）的置位（清零）端進行檢測；而為了避免數(shù)據(jù)的傳輸錯誤，每發(fā)16個數(shù)據(jù)即進行1次累加器和與異或和校驗。PC機如發(fā)現(xiàn)檢驗結(jié)果錯誤，即通知單片機重發(fā)剛才的16個數(shù)。

采用這種電路進行并口通道，電路設計簡單，只需1片74HC573和1片74HC74即可實現(xiàn)。74HC573和74HC74的使用都很簡單，使得程序編制也很容易，大大提高了傳輸速度。

2.單片機與RAM間的數(shù)據(jù)交換

在并口通信中引入RAM，是為了解決Windows下應用程序在數(shù)據(jù)采集時無法及時響應消息的問題。RAM在系統(tǒng)中起到了“蓄水池”的作用：數(shù)據(jù)采集卡上單片機89C51以200Hz的采樣率在定時中斷內(nèi)讀取模/數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX126各通道轉(zhuǎn)換結(jié)果，送入外部RAM中暫存；而在主程序內(nèi)，則將RAM中存儲的數(shù)據(jù)取出，通過并口通信傳給筆記本電腦。數(shù)據(jù)在RAM中以循環(huán)隊列方式存儲。這樣，在Windows響應其他消息，筆記本電腦速度較慢時，采入的數(shù)據(jù)在RAM中暫存；而在筆記本電腦速度快時，單片機將RAM中存儲的數(shù)據(jù)取出傳出。因為總體來講筆記本電腦的速度是足以在中斷時間內(nèi)傳完RAM中存儲的數(shù)據(jù)的。所以只要RAM的存儲量足夠大（幾倍于Windows響應其他消息可能花費的最大時間），就可以保證數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸。單片機與RAM數(shù)據(jù)交換流程如圖4所示。

3.最高采樣率的限制

對最高采樣率的討論可以分為兩種情況：實時傳輸和非實時傳輸。

在實時傳輸時，像前面提到的那樣，單片機采集到數(shù)據(jù)，在定時中斷內(nèi)經(jīng)RAM暫存，在定時斷外則不斷經(jīng)并口向PC機發(fā)送。因而采集系統(tǒng)的最高采樣率由于受到單片機與RAM間數(shù)據(jù)交換以及與PC機并口通信指令執(zhí)行時間的限制，并假設在使用89C51，12MHz晶振時，采樣數(shù)據(jù)精度是單字節(jié)的，則單通道采樣率不應高于32kHz。

如果對數(shù)據(jù)處理的實時性要求不高，允許對信號進行事后處理，則可以選擇非實時傳輸方式。即在單片機采集到數(shù)據(jù)后，放入大容量RAM中存儲，而不向PC機送數(shù)。在全部數(shù)據(jù)采集完成后，才進行單片機與PC機的并口通信，將RAM中存儲的數(shù)據(jù)一次送入PC機。非實時傳輸方式的最高采樣率不受單片機與RAM間地址比較以及并口的數(shù)據(jù)通過率的限制，使采樣的定時分辨率可以小于（1/32）ms。

采用以上原理實現(xiàn)的一套生理電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，單片機使用12MHz晶振，可以以500Hz的采樣率，進行16通道生理電信號的實時采集和處理。如果采用更高的晶振頻率，或采用較少的通道數(shù)，這一采樣率還可以進一步提高。

小結(jié)

本文提出了一種智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。用編程簡單、定時分辨率高、工作可靠的單片機定時取代了編程繁復、定時分辨率低、工作不可靠的Windows95下的定時。由單片機板上RAM的“蓄水池"的作用解決了Windows 95在定時采樣時響應消息的問題。不但解決了Windows 95環(huán)境下短消息的問題。不但解決了Windows 95環(huán)境下短時間定時不準確的難題，又簡化了用戶的應用程序。單片機還可以對采入的數(shù)據(jù)進行預處理，節(jié)省主機處理數(shù)據(jù)的時間。使PC機的應用程序可以不考慮定時問題，集中精力進行數(shù)據(jù)采入后的處理工作。

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與主機間采用間采用并行口通信，不但解決了Windows 95下的時采樣問題，提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過率，還使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、高效、可靠。同時帶來了一系列的好處：不須像目前常用的內(nèi)插式數(shù)據(jù)采集卡那樣占用PC機內(nèi)的一個擴展槽，而且可以和筆記本電腦相連接，攜帶方便，使用安全，對采集的信號造成的干擾小，從而實現(xiàn)了對信號的高性能采集。