八通道串口数据采集与处理虚拟仪器系统设计

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                    　　摘要：为解决TI公司提供的数据采集卡的成本过高问题，设计一套代替NI采集卡的数据采集系统。前端采集下位机硬件部分为基于LPC2378处理器的数据采集电路板，采用双缓存技术存储数据；上位机软件部分用Labview8．5虚拟仪器设计平台编写，采用循环和事件结构，界面友好，操作简便，实现了八通道数据的采集与处理。经实际运行测试证明，具有数据同时采集、实时显示、存储与管理、信号处理等功能，保证了数据准确性，同时采集设备的成本下降2～5倍。
　　无线传感器网络是近几年国际研究的热点问题，而数据采集又是无线传感器网络系统性能*估、应用的基础环节。在数据采集过程中应用虚拟仪器可以尽可能地缩短数据采集的时间，同时降低实验成本，因此虚拟仪器在测控领域得到越来越广泛的应用。传统的前端数据采集设备都是，TI公司的数据采集卡，成本高且维修不便。本系统下位机采用NXP公司LPC2378为依托的数据采集电路板，上位机操作系统基于La-bview8．5编写，通过串口通信实现了数据的实时采集，可以对采集信号进行处理分析并显示。
　　l 系统设计
　　数据采集系统分为下位机和上位机2部分，二者通过驱动程序组成采集系统。下位机是指直接控制设备获取设备状况的计算机，一般是PLC／单片机之类；上位机是可以直接发出操控命令的计算机，一般是PC，屏幕上显示各种信号变化，如图l所示。图中程序部分采用Labview来实现。在数据采集之前，先对下位机采集板卡进行初始化，其中处理器Buffer是下位机采集存储的重要环节。可以采用外部触发(比较精确)，也可采用软件触发(容易实现)。由于上位机数据处理阶段要对采集到的一个周期的数据进行处理，所以系统采用软件触发，每个周期采样l024点。






　　1．1．2 核心处理器
　　从价格、操作系统、接口类型、内存大小等条件考虑，该系统设计的处理器采用LPC2378，它是一款基于ARM的微处理器，包含10／100 Ethernet MAC、USB 2．0全速接口、4个UART、2路CAN通道、1个SPI接口、2个同步串行端口(SSP)、3个I2C接口、1个I2S接口和MiniBus(8位数据／16位地址并行的总线)。工作频率为72 MHz，ARM局部总线上有32 KB的SRAM，可以进行高性能CPU访问和简单的算法实现。
　　1．1．3 电源模块
　　考虑到MEMS传感器最佳工作电压为5 V，所以系统采用ZY2405WHBD-3W型DC-DC变换器，输入电压9～36V，输出电压为5V。其他部分主要起稳压作用，其电源模块电路如图3所示。






　　1．2 上位机系统设计
　　数据流程如图5所示，数据经下位机采集处理后，由通信模块通过串口发送到上位机，上位机主要包括数据读取、数据验证、数据处理及数据存储4部分。






　　2 用户界面
　　将8个MEMS传感器并排，然后拍击桌面的信号波形图。8个通道可独立使用，如直接一路传感器，其他通道数据都为0。可手动更改串口名称、波特率、停止位、奇偶校验、流控制、传输数据位和显示信号线的线性、颜色，界面友好。可根据需求添加峰值显示、频谱显示，傅里叶变换等复杂信号处理内容。通道l至通道8信号波形分别用：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫、洋红显示。
　　3 系统特色
　　1)系统采用了双缓冲技术，即将计算机Buffer分为2个相同区域Bufferl和Buffer2，数据先存往Bufferl，当Bufferl存满时，标志位置位，数据继续存往Buffer2，同时将Bufferl中的数据送往处理器进行处理，完毕后，Bufferl存数，Buffer2发送，如此循环，注意正确设置存储速度和处理速度之间的关系，以保证数据无遗漏。
　　2)Labview编程与Matlab编程相结合进行数据处理分析。对于Labview中没有的数据处理功能可直接调用Matlab脚本文件，功能更加强大。
　　3)上位机程序采用条件循环结构和事件结构设置，前面板和程序框图同时执行，最大程度地节省了CPU资源。界面友好，具有良好的可操作性。
　　4 结论
　　本系统主要用于实验数据的采集，由于采用串口通信，所以设备布设简便，方便操作。经实际测试证明系统性能稳定，信号失真度较小，很好替代了NI公司数据采集卡：同时可扩展性强，修改板子处理器ARM程序，采用CAN通信后，结合算法，即可用于工程需要，实时监测待控领域。