專利名稱：即插即用高速多通道智能化綜合數據采集系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種以高速數字信號處理器為核心的智能數據采集設備，具體地說是一種即插即用的高速多通道智能化綜合數據采集系統。
背景技術：
數據采集是工業中一項基礎的技術手段，是獲得產品、設備、環境等各方面狀態數據的根本途徑。能否進行準確、及時、靈活的數據采集，會對整個生產過程的工藝水平和安全性、可靠性產生直接的影響，并上升到管理層面決策的正確性等一系列問題，這些問題也直接關系到企業經營的效益和經營指標。傳統的數據采集技術是通過AD芯片將模擬數據轉換成數字信號，然后上傳給PC機或者工控機，進行下一步的處理和應用。這樣的數據采集設備結構簡單，功能單一，只能在固定的一種或幾種參數狀態下進行工作，無法對采集到的信號進行靈活的處理。然而工業生產中需要采集的信號是多種多樣的，對它們的采集也應該根據它們的幅值范圍、頻率范圍、自相關性等自身特性以及物理環境、噪聲環境等外在因素而選擇不同的采集方式，并進行適合的信號處理，才能使采集到的數據更加準確、高效。
發明內容
為了解決現有數據采集系統工作方式單一，采集能力有限，無信號處理能力等問題，本發明的目的在于提供一種即插即用高速多通道智能化數據采集系統，其可以靈活對設備的采集結果進行顯示保存，該系統的采集設備是動態可配置的，其工作方式和處理過程可以通過上位機進行設定與控制。
為了實現上述目的，本發明技術方案是具有數字信號處理器，其數字信號輸入端接有模/數轉換器，外部存儲器接口接有隨機存儲器及閃存，數字信號處理器通過通用串行總線與上位機相連；所述閃存或上位機中存有數據采集與處理程序。
所述模/數轉換器為多個，其中第1模/數轉換器的接收幀同步引腳與數字信號處理器的發送幀同步引腳相連，第1模/數轉換器的數據接收引腳與數字信號處理器的數據發送引腳相連，第1模/數轉換器的同步時鐘引腳同時與數字信號處理器的同步時鐘輸出引腳及同步時鐘輸入引腳相連，第1模/數轉換器的數據輸出引腳與第2模/數轉換器的數據接收引腳相連，第1模/數轉換器的發送幀同步引腳接至第2模/數轉換器的接收幀同步引腳，第2模/數轉換器的數據輸出引腳及發送幀同步引腳以上述相同的方式與其他模/數轉換器級聯，最后一個即第n模/數轉換器的數據輸出引腳接至數字信號處理器的數據輸入引腳，第n模/數轉換器的發送幀同步引腳與數字信號處理器的接收幀同步引腳相連，數字信號處理器的主時鐘輸出端與第1～n模/數轉換器的主時鐘輸入端相連，數字信號處理器的通用外部I/O引腳同時接至第1～n模/數轉換器的片選端及復位端。
所述數據采集與處理程序的具體流程為首先調用片上支持庫函數，對系統設置進行初始化，然后對USB模塊進行初始化，并通過USB口獲得上位機編制的采集配置信息表，并下載相應的數字信號處理算法程序，對各個采樣通道的硬件和軟件狀態進行配置，當所有配置完成后，就可以接受上位機指令開始進行采樣；采樣與上傳是通過在一個主循環程序里分別響應采樣中斷和通信中斷來實現采樣與上傳的并發。
下載相應的數字信號處理算法程序的具體過程為首先通過USB口從上位機程序讀取將要下載的算法程序的運行定位信息表，并與系統運行空間分配表進行比較，判斷將要下載的程序所需空間是否可用，如果不可用，則將系統運行空間分配表上傳給上位機，由上位機根據該表重新安排算法程序在下位機的運行空間；如果程序所需空間可用，則開始下載程序；對于壓縮程序，先下載到緩沖區里進行解壓縮，然后再復制到運行空間；對于非壓縮程序，直接下載到運行空間；如果程序需要在下位機中永久駐留保存，則將程序燒寫進閃存中。
本發明彌補了以往數據采集設備的不足，更具有如下特點1.采集通道可擴展本發明采用多AD芯片級聯的方式實現多通道采集，可以通過改變級聯回路的方式擴展采集通道數目，使用者可以在使用采集器主體部分的基礎上根據需要選擇不同的采集接口板卡，從而實現最少6通道，最多144通道的數據采集；2.采集通道可配置本發明可以通過系統配套的PC端軟件對設備的采集頻率、硬件信號調理方式進行設置，使用者可以通過該設備對不同頻率范圍、不同幅值范圍、不同環境下的各種模擬信號進行采集；3.可動態裝載的數字信號預處理本發明信號采集設備的主控制器是高速的數字信號處理器，可以實時對采集結果進行數字信號預處理，使用者根據采集對象的不同需要，可通過PC端軟件選擇各種數字信號預處理算法通過USB接口進行動態裝載，使設備系統直接輸出采集信號的有效信息，通過這種方式，本設備在固定硬件上可以成為各種應用領域的專業數據采集器；4.高速同步采集與智能等周期采集本發明通過使用級聯的AD芯片，本發明能夠實現多通道的高速同步采集，本發明還可以指定某一通道為周期采樣通道，通過設備內部數字信號處理器的計算反饋，動態自調節果樣頻率，實現等周期采樣等特殊采樣功能；采樣滑動窗口技術，減少采樣結果在設備中的駐留時間，提高設備采樣的實時性能；5.即插即用的連接方式本發明通過數字信號處理器上集成的USB接口模塊與PC機或工控機實現即插即用的高速通信，這使本設備在擁有高速的通信能力同時，又可以非常方便地進行安裝和使用；6.綜合分析管理軟件本發明與數據采集設備配套的綜合分析管理軟件不但可以對采樣數據進行顯示、保存和處理，還可以對設備進行設置和控制，更可以通過整合數字信號處理器的編譯鏈接工具和MATLAB(一種數學運算軟件)的相應功能實現設備數字信號處理程序的高效開發。
圖1為本發明系統結構原理框圖；圖2為采集設備DSP與AD連接原理圖；圖3為數據采集與處理程序流程圖；圖4為下載數字信號處理算法程序流程圖；圖5為本發明一個采樣值輸出示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明具有數字信號處理器DSP，其數字信號輸入端接有模/數轉換器AD，外部存儲器接口接有隨機存儲器RAM及閃存FLASH，數字信號處理器DSP通過通用串行總線USB與上位機相連；所述閃存FLASH或上位機中存有數據采集與處理程序。
本發明的數據采集設備即數據信號處理器DSP采用TI公司的TMS320VC5509，其最高可以運行在144MHZ時鐘條件下，在數據信號采集過程中可實現高效數據運算處理，并且其片上集成了多通道緩沖串口、USB接口、模數轉換器AD、實時時鐘等多個外設，大大簡化了設備的電路結構；設備可采集的電壓值范圍為0V～10V或者-5V～+5V，可以連接輸出值在此范圍內的各種類型傳感器。為了保證數據通訊過程中不受干擾，系統的數據采集子系統與數字系統部分之間的通訊采用光電隔離的措施，耐壓達2000V-3000V，使數據傳輸順暢。設備通過USB接口直接從上位機(本實施例采用PC機)獲得供電，無須外接電源。
數據信號處理器DSP通過每一個McBSP(多通道緩沖串口)級聯1～8個模數轉換器AD(本實施例采用AD73360)，其為6通道模擬輸入的16位串行可編程A/D轉換器，由于采用∑-ΔA/D轉換原理，它具有良好的內置抗混疊性能，前端只需一階RC低通濾波器即可滿足要求；數據信號處理器DSP可以通過USB接口向上位機傳送數據以及接收程序指令，在外接的隨機存儲器RAM(本實施例采用同步動態隨機存儲器SDRAM)中可暫存2M的采樣數據；數據信號處理器DSP即可以運行保存在閃存FLASH中的程序，也可以通過USB接口從上位機下載程序。
如圖2所示，數據信號處理器DSP通過片上集成的多通道緩沖串口連接多個模數轉換器AD，實現多通道采集，本實施例選用的模數轉換器AD芯片AD73360為六通道差分輸入，且由內部寄存器標識設備號支持最多8個設備的菊花鏈級聯，數據信號處理器DSP有三個McBSP(多通道緩沖串口)，由此，可以實現最多144個通道的同時采樣；本實施例采用8個模數轉換器進行級聯，其中第1模數轉換器AD1為主板上固定存在，其余7個模數轉換器分別為擴展卡，菊花鏈的回路根據插卡的個數進行手動配置，具體接線為第1模/數轉換器AD1的接收幀同步引腳SDIFS1與數字信號處理器DSP的發送幀同步引腳FSX相連，第1模/數轉換器AD1的數據接收引腳SDI1與數字信號處理器DSP的數據發送引腳DX相連，第1模/數轉換器AD1的同步時鐘引腳SCLK1同時與數字信號處理器DSP的同步時鐘輸出引腳CLKX及同步時鐘輸入引腳CLKR相連，第1模/數轉換器AD1的數據輸出引腳SDO1與第2模/數轉換器AD2的數據接收引腳SDI2相連，第1模/數轉換器AD1的發送幀同步引腳SDOFS1接至第2模/數轉換器AD2的接收幀同步引腳SDIFS2，第2模/數轉換器AD2的數據輸出引腳SDO2及發送幀同步引腳SDOFS2以上述相同的方式與其他模/數轉換器級聯，最后一個即第8模/數轉換器(AD8)的數據輸出引腳SDO8接至數字信號處理器DSP的數據輸入引腳DR，第8模/數轉換器AD8的發送幀同步引腳SDOFS8與數字信號處理器DSP的接收幀同步引腳FSR相連，數字信號處理器(DSP)的主時鐘輸出端(CLKOUT)與第1～n模/數轉換器(AD1～ADn)的主時鐘輸入端(MCLK1～MCLKn)相連；數據信號處理器DSP的McBSP(多通道緩沖串口)是支持多種通信方式和SPI協議的多通道緩沖串口，由于各個設備的串行時鐘是同步的，所以只需要將第1模數轉換器AD1的同步時鐘引腳SCLK與數據信號處理器DSP的同步時鐘輸出引腳CLKX及同步時鐘輸入引腳CLKR相連；將數據信號處理器DSP的發送幀同步引腳FSX與接收幀同步引腳FSR連接在一起，形成sync frame(同步幀)的循回；本實施例中模數轉換器AD(AD73360)不需要在傳輸過程中進行復位，即在運行時只需將低有效的復位端RESET信號置高，而模數轉換器AD的片選端SE信號也是高有效，所以低有效的復位端RESET信號和高有效的片選端SE信號一并交給數據信號處理器DSP的通用外部I/O引腳XF控制，即可滿足時序的要求。
如圖3所示，數據信號處理器DSP的工作過程分為程序引導和正常工作兩個階段。設備上電以后首先啟動存儲在數據信號處理器DSP內部ROM中的引導程序，該引導程序根據外部I/O引腳的電平，選擇跳轉到外部存儲器接口引導方式的程序段，并開始讀取閃存FLASH中的程序到隨機存儲器RAM中，讀取完畢后程序跳轉到隨機存儲器RAM中的程序起始地址，至此，程序引導過程結束；在設備的正常工作階段，首先調用片上支持庫函數，對系統設置進行初始化，然后對USB模塊進行初始化，并通過USB口獲得上位機編制的采集配置表，并下載相應的信號處理算法程序，對各個采樣通道的硬件和軟件狀態進行配置，當所有配置完成后，就可以接受上位機指令開始進行采樣；采樣與上傳是通過在一個主循環程序里分別響應采樣中斷和通信中斷來實現采樣與上傳的并發。
如圖4所示，下載數字信號處理算法程序的具體過程如下首先通過USB口從上位機程序讀取將要下載的信號處理算法程序的運行定位信息表，并與系統運行空間分配表進行比較，判斷將要下載的程序所需空間是否可用，如果不可用，則將系統運行空間分配表上傳給上位機，由上位機根據該表重新安排算法程序在下位機的運行空間；如果程序所需空間可用，則開始下載程序；對于壓縮程序，先下載到緩沖區里進行解壓縮，然后在復制到運行空間；對于非壓縮程序，直接下載到運行空間；如果程序需要在下位機設備中永久駐留保存，則將程序燒寫進閃存FLASH中。
本設備使用滑動窗口策略對確定需要進行處理數據包。在以往的數據采集設備中，一般都用雙緩沖區策略或FIFO(先進先出)策略進行數據包的緩存，這兩種策略使設備始終以一數據包為單位保持相對新生成的數據，且并發對數據包進行處理；這兩種策略是采集設備在數據上傳時消除了對數據進行處理的延時，但又不可避免存在數據包在設備內駐留。由于本設備中采用的是高頻率的數字信號處理器，對采樣結果的處理可以在極短的時間內完成，故系統的主要不再是信號處理時間而是數據包的駐留，所以設備采用滑動窗口技術，使上傳的數據包始終是當前時刻的最新值，然后經過極高速的處理以后進行上傳，大大降低了采集設備的延時，提高了設備的實時性能。
使用本發明時，本實施例以采集旋轉類設備振動信號為例，首先根據振動信號采集和分析的需要，在上位機掛接的CCS(其為一種軟件開發環境)上開發濾波、FFT(快速傅立葉變換)以及軸心軌跡等處理算法，并轉換成目標數字信號處理器DSP能夠執行的二進制文件包；進行數據采集時，將設備與主機通過通用串行總線USB進行連接，待主機正確加載USB設備驅動后，在綜合管理程序中設定要采集的通道數目，采樣頻率，各通道的增益放大系數等參數，和所需的處理程序包一并下載到采集設備中，待采集設備通道設定和程序加載成功以后，便可以啟動采樣；采樣數據和處理結果通過管理程序實時連續顯示，如圖5所示，并進行實時保存，以供進一步分析處理。
綜上所述，本發明采樣高速數字信號處理器，使數據采集設備不但能夠實現多通道，高速數據的采集和上傳，還可以根據需要設定采集參數并對采集結果進行實時的數字信號處理；使用本發明可以通過開發有各種處理程序與算法并下載到數據采集設備中，使其成為有領域針對性的專業數據采集設備。
權利要求
1.一種即插即用高速多通道智能化綜合數據采集系統，其特征在于具有數字信號處理器(DSP)，其數字信號輸入端接有模/數轉換器(AD)，外部存儲器接口接有隨機存儲器(RAM)及閃存(FLASH)，數字信號處理器(DSP)通過通用串行總線(USB)與上位機相連；所述閃存(FLASH)或上位機中存有數據采集與處理程序。
2.按權利要求1所述的即插即用高速多通道智能化綜合數據采集系統，其特征在于所述模/數轉換器(AD)為多個，其中第1模/數轉換器(AD1)的接收幀同步引腳(SDIFS1)與數字信號處理器(DSP)的發送幀同步引腳(FSX)相連，第1模/數轉換器(AD1)的數據接收引腳(SDI1)與數字信號處理器(DSP)的數據發送引腳(DX)相連，第1模/數轉換器(AD1)的同步時鐘引腳(SCLK1)同時與數字信號處理器(DSP)的同步時鐘輸出引腳(CLKX)及同步時鐘輸入引腳(CLKR)相連，第1模/數轉換器(AD1)的數據輸出引腳(SDO1)與第2模/數轉換器(AD2)的數據接收引腳(SDI2)相連，第1模/數轉換器(AD1)的發送幀同步引腳(SDOFS1)接至第2模/數轉換器(AD2)的接收幀同步引腳(SDIFS2)，第2模/數轉換器(AD2)的數據輸出引腳(SDO2)及發送幀同步引腳(SDOFS2)以上述相同的方式與其他模/數轉換器級聯，最后一個即第n模/數轉換器(ADn)的數據輸出引腳(SDOn)接至數字信號處理器(DSP)的數據輸入引腳(DR)，第n模/數轉換器(ADn)的發送幀同步引腳(SDOFSn)與數字信號處理器(DSP)的接收幀同步引腳(FSR)相連，數字信號處理器(DSP)的主時鐘輸出端(CLKOUT)與第1～n模/數轉換器(AD1～ADn)的主時鐘輸入端(MCLK1～MCLKn)相連，數字信號處理器(DSP)的通用外部I/O引腳(XF)同時接至第1～n模/數轉換器(AD1～ADn)的片選端(SE1～SEn)及復位端(RESET1～RESETn)。
3.按權利要求1所述的即插即用高速多通道智能化綜合數據采集系統，其特征在于所述模/數轉換器(AD)與數字信號處理器(DSP)之間設有光電隔離器。
4.按權利要求1所述的即插即用高速多通道智能化綜合數據采集系統，其特征在于所述數據采集與處理程序的具體流程為首先調用片上支持庫函數，對系統設置進行初始化，然后對USB模塊進行初始化，并通過USB口獲得上位機編制的采集配置信息表，并下載相應的數字信號處理算法程序，對各個采樣通道的硬件和軟件狀態進行配置，當所有配置完成后，就可以接受上位機指令開始進行采樣；采樣與上傳是通過在一個主循環程序里分別響應采樣中斷和通信中斷來實現采樣與上傳的并發。
5.按權利要求1所述的即插即用高速多通道智能化綜合數據采集系統，其特征在于下載相應的數字信號處理算法程序的具體過程為首先通過USB口從上位機程序讀取將要下載的算法程序的運行定位信息表，并與系統運行空間分配表進行比較，判斷將要下載的程序所需空間是否可用，如果不可用，則將系統運行空間分配表上傳給上位機，由上位機根據該表重新安排算法程序在下位機的運行空間；如果程序所需空間可用，則開始下載程序；對于壓縮程序，先下載到緩沖區里進行解壓縮，然后再復制到運行空間；對于非壓縮程序，直接下載到運行空間；如果程序需要在下位機中永久駐留保存，則將程序燒寫進閃存(FLASH)中。
6.按權利要求1所述的即插即用高速多通道智能化綜合數據采集系統，其特征在于所述上位機為PC機或工控機。
全文摘要
本發明公開一種即插即用高速多通道智能化綜合數據采集系統，具有數字信號處理器，其數字信號輸入端接有模/數轉換器，外部存儲器接口接有隨機存儲器及閃存，數字信號處理器通過通用串行總線與上位機相連；所述閃存或上位機中存有數據采集與處理程序。本發明具有采集通道可擴展、可配置，可通過即插即用的連接方式動態裝載數字信號進行預處理，并能夠進行高速同步采集與智能等周期采集等特點。
文檔編號G06F17/40GK1752981SQ200510047558
公開日2006年3月29日 申請日期2005年10月26日 優先權日2005年10月26日
發明者鄧慶緒, 關楠, 于戈, 鄧建軍, 劉明, 陳佳升, 張軼 申請人:東北大學, 沈陽市嵌入式技術工程研究中心