基于串行通信的虛擬儀器數(shù)據(jù)采集器

1、基于串行通信的虛擬儀器數(shù)據(jù)采集器徐云楊川王超黃璐清華大學(xué)電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系北京市100084【摘要】目前的虛擬儀器系統(tǒng)大多采用美國N I公司LabView平臺,采用PCI總線結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集。主從式虛擬儀器技術(shù)在軟件和硬件都擺脫了LabView的框套。該技術(shù)利用基于單片機的數(shù)據(jù)采集器進行A/D轉(zhuǎn)換和預(yù)處理,通過RS-232串行口與主機進行信息傳送,插拔方便。主機通過數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進行處理和分析。用戶可以通過主機的軟件界面對單片機(從機進行控制,使之能按照不同的要求對信號進行數(shù)據(jù)采集和處理。關(guān)鍵詞:主從式虛擬儀器串行通信A/D轉(zhuǎn)換中圖分類號:TP274+12Data-S a

2、mpler for Virtu al Instrument B ased on Serial CommunicationX u YunYang Chu anW ang ChaoH u ang LuThe Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Beijing100084Abstract:At present most Vitual Instrument Systems are developed based on LabView produced by N I and In those systems Data-Acqu

3、isition-Cards of N I are used.Introduces a virtual instrument s ystem with a master-slave structure. The hardware and software of this system break away from the restrict of N I developing enviorment.This system uses a Data-Sampler based on microcontroller which communicate with a PC throu gh RS-232

4、serial port.The data sampled by the Data-Sampler is processed by the data processing software installed on the PC.Users can control the Data-Sam pler through the virtual control panel on the PC.K ey Words:Virtual Instrument with Master-Slave Structure;Serial Communication;A/D Convertion1引言目前虛擬儀器的開發(fā)廣

5、泛采用的是美國N I公司的LabView開發(fā)平臺,對信號的采樣多采用LabView 專用的PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡。采用內(nèi)置的數(shù)據(jù)采集卡的缺點在于受機箱和總線限制,電源功率不足,機箱內(nèi)部噪聲電平高。雖然LabView隱含了對設(shè)計虛擬儀器時所面臨的多種困難的考慮、簡化了設(shè)計過程,對于開發(fā)虛擬儀器有方便、相對簡單的優(yōu)點,但LabView 軟硬件的價格影響了虛擬儀器在國內(nèi)的推廣使用。主從式虛擬儀器由主機和從機兩部分組成,從機部分即為數(shù)據(jù)采集器,它利用單片機功能全面的優(yōu)勢,使調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集電路智能化,從而使虛擬儀器在保證數(shù)據(jù)采樣速率的前提下,更加方便使用。主從式虛擬儀器由從機和主機兩部分組成;從機部

6、分是以80C196KC單片機為基礎(chǔ)設(shè)計的,性能價格比高和插接方便是從機的主要優(yōu)點;主機的數(shù)據(jù)處理和顯示界面軟件自行設(shè)計編程。該數(shù)據(jù)采集器為外接式,利用標準RS-232串口與PC機連接,插拔方便,適合與筆記本電腦組成便攜式儀器。如果采用調(diào)制解調(diào)器和載波機可實現(xiàn)遠距離測量。主從式虛擬儀器技術(shù)從硬件到軟件都能擁有自己獨立的知識產(chǎn)權(quán),擺脫虛擬儀器開發(fā)對LabView的依賴。2從機硬件結(jié)構(gòu)從機的硬件部分的示意圖如圖1所示,從機系統(tǒng)主要組成部分:單片機、外置存儲器、信號調(diào)理電路、通訊電平轉(zhuǎn)換電路等 。圖1從機的硬件部分的示意圖211單片機從機硬件系統(tǒng)的核心部件采用的是美國Intel公司生產(chǎn)的80C196K

7、C單片機,它屬于MCS-96系列中的80C196子系列。它采用了CHMOSIII技術(shù),比以往的系列進一步提高了性能,降低了能耗。它將很多“外部設(shè)備”集成在片內(nèi),具有如下的技術(shù)特征:5個8位雙向I/O口,兩個16位硬件定時器和4個16位軟84儀表技術(shù)與傳感器2002年收稿日期:2001206213修改稿日期:2001210217件定時器,高速輸入輸出口,帶8路通道的A/D轉(zhuǎn)換器,全雙工串行通信接口(UAR T,片選單元。采用單片機后,只要預(yù)先編制好程序,從機即可按照主機的指令完成一系列的測量、自動校準、信息處理等功能,表現(xiàn)出智能化的特點。212外置存儲器為了固化單片機的程序,采用了一塊16K的8

8、位EPROM27128。在數(shù)據(jù)采集過程中,為了保證均勻的采樣,單片機在采樣時不響應(yīng)任何中斷。將一次連續(xù)采集的數(shù)據(jù)存儲在存儲器里,再以數(shù)據(jù)幀的方式進行傳送。一次采集的數(shù)據(jù)量為幾K字節(jié),而80C196KC 的片內(nèi)可讀寫存儲器RAM的存儲量只有488字節(jié),所以還要擴展一片片外存儲器HM62256。213A/D轉(zhuǎn)換和信號調(diào)理電路80C196KC附帶有8路的10位A/D轉(zhuǎn)換口。其對模擬信號要求為單極性的05V電壓,所以需要通過調(diào)理電路將輸入信號變換到A/D轉(zhuǎn)換口所需的范圍。這使得調(diào)理電路除了包含分壓電路、電子開關(guān)電路、緩沖電路外,還應(yīng)有極性轉(zhuǎn)換電路。為了避免因采用非線性電路對信號還原及測量精度造成(誤差

9、影響,利用從機智能化的特點,采用了軟硬件整流方式作交流/直流變換。214通訊電平轉(zhuǎn)換電路由于MCS96系列單片機采用的是TTL電平,PC 機的串行口多是RS-232的電平,所以單片機與PC 機不能直接連接,首先必須進行RS-232C電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換。設(shè)計中采用MAX232CPE芯片。3從機軟件設(shè)計從機按照主機的指令,完成數(shù)據(jù)采集,并且將數(shù)據(jù)暫時存儲,在串口空閑的時候?qū)?shù)據(jù)發(fā)送給主機。單片機部分的程序流程圖如圖2。在程序中有兩個重要的子程序,分別為A/D采樣子程序和通信子程序。311A/D采樣子程序設(shè)計由于80C196KC的A/D采樣的轉(zhuǎn)換時間為88個狀態(tài)周期,在16MHz的晶振下為16.

10、5s,要提高采樣的速率,就應(yīng)該盡量簡化指令,并且合理安排指令執(zhí)行的時間先后,使CPU充分的利用A/D轉(zhuǎn)換的這段時間來進行其他必要的操作。例如,對寄存器的數(shù)據(jù)進行移位和存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的操作利用下面兩條指令來完成:shrax,#6stax,bx+這兩條指令的執(zhí)行時間分別為12個和9個狀態(tài)周期,將這兩條指令與A/D轉(zhuǎn)換同時進行,使兩次A/ D采樣的間隔縮短了近8 s.圖2 單片機部分的程序流程圖圖3單路采樣子程序的流程圖由于要對采樣速率進行控制,設(shè)計中采用了加循環(huán)延時環(huán)節(jié)的方法。當延時環(huán)節(jié)循環(huán)次數(shù)為0時,數(shù)據(jù)采集器達到16MHz晶振下的最快速率。通過對80C196KC的指令執(zhí)行時間的查詢和計算,這個

11、速率為27.187s.如果利用延時來控制,則增加1次延時循環(huán),這個周期增加168個狀態(tài)周期,等于31.5s.所以兩次采樣的時間可以為(2712+k3115s,其中k =0,1,2,3;而采兩路時的時間隔為(47.8+k3115s,其中k=0,1,2,3.這樣的采樣速率對于工頻的電能質(zhì)量分析足夠了。312通信子程序設(shè)計80C196KC的雙緩沖結(jié)構(gòu)的收發(fā)器在串行通信接口采用了雙輸出輸入緩沖寄存器,在前一個字節(jié)尚未讀取時就可以接收下一個字節(jié)。只要在第1個字節(jié)接收結(jié)束后的8個狀態(tài)周期里讀取字節(jié),就不會造成數(shù)據(jù)的丟失。設(shè)計中采用了異步通信標準方式,利用查詢方式工作。程序流程圖如圖4所示。單片機在接收到主

12、機送來的命令后,將采來的數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)里,在串行口可用時將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(下轉(zhuǎn)第52頁94第1期研究與開發(fā)性,通過與原始圖像的比較可以準確的檢測出水印。由于本算法中水印信號隱藏在圖像細節(jié)分量中, 所實圖5水印嵌入與檢測結(jié)果現(xiàn)的水印具有抗一般信號處理(如圖像壓縮、濾波、裁剪、次采樣等和噪聲干擾的能力。參考文獻1Stephane.G.M.A theory for multiresolution signal decomposition :The wavelet representation.IEEE Trans.on Pattern Analysis and Machine Intelligenc

13、e ,1989,11(7:674-693.2Zhao.J.,KOCH.E.,LUO.C.Digital watermarking in business todayand tomorrow.Communications of ACM.1998,41(7:67-72.3Hsu.C.T.,Wu.J.L.Hidden digital watermarks in images.IEEETrans.on Image Processing ,1999,8(1:58-684陳青,王延平.數(shù)字水印知識產(chǎn)權(quán)保護的新技術(shù).中國圖像圖形學(xué)報,1999,4(9:800-804.5張?zhí)m英,陳彤,李忠源.信息隱含技術(shù)與數(shù)

14、字電視廣播.廣播與電視技術(shù),1997(8.(上接第49頁的數(shù)據(jù)連續(xù)的發(fā)送到主機?？偠灾?在主從式虛擬儀器里從機所完成的功能是接受主機的指令,按主機的要求進行數(shù)據(jù)采集并緩存,在串口空閑時將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機 。圖4方式1查詢法接收發(fā)送子程序流程圖4主機軟件設(shè)計主機軟件的工作主要是給用戶提供友好的圖形界面,便于對從機進行控制。并且對從機采集的數(shù)據(jù)進行處理,實現(xiàn)各種傳統(tǒng)儀器的功能。本系統(tǒng)的軟件界面設(shè)計和通信模塊主要利用VisualBasic 編寫,數(shù)學(xué)運算模塊采用C 語言編寫。實現(xiàn)了對電壓電流信號的波形展示,諧波分析和功率因數(shù)的測量,取得較好的效果。圖5是對方波信號進行諧波分析的結(jié)果。其中,縱坐標每大格表示的電壓幅值大小可以由界面右邊的文本框設(shè)定,單位為V/DIV 。橫軸表示諧波的次數(shù) 。圖5對方波信號進行諧波分析的結(jié)果5結(jié)束語數(shù)據(jù)采集器配合相應(yīng)的主機軟件,實現(xiàn)了電能質(zhì)量檢測的幾個基本功能。雖然主從式虛擬儀器技術(shù)還處在初級的階段,但由于它擺脫了LabView 的束縛,所以具有很高開放性和擴展空間,有廣闊的發(fā)展前景