一種嵌入式便攜數(shù)據(jù)采集分析儀

引言

對旋轉機械的多點振動測試實踐中，需要使用多種儀器，如示波器、動平衡儀、振動分析儀等。隨著測試技術的進步，虛擬儀器的出現(xiàn)將其合而為一，大大簡化了復雜的測試工作。虛擬儀器的概念是使用計算機對被測信號進行數(shù)據(jù)采集，并對采集到的數(shù)據(jù)序列進行分析和顯示的全過程。按照虛擬儀器概念搭建的儀器需要三部分：計算機、數(shù)據(jù)采集硬件和分析軟件。數(shù)據(jù)采集硬件一般由A/D板卡實現(xiàn)。然而計算機的進步和總線的變化使曾經(jīng)可行的測量結構和分析程序在新的總線、操作系統(tǒng)上不能正常工作。各個廠家的A/D板卡一般只具有簡單的采樣觸發(fā)方式；硬件和windows底層源代碼的保密性又扼殺了用戶自行開發(fā)新的采樣觸發(fā)方式的可能性。PC機體積過大不便移動工作；筆記本電腦雖便攜，內(nèi)部幾乎沒有插入板卡的空間，接口性能也嬌氣。這些不足又為測試工作帶來了新的不便。

近年來嵌入式技術發(fā)展很快，使用單片機控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方興未艾。但由于單片機性能的限制，采樣速率有限，存儲空間很小，不能滿足高速大容量采樣的需求，更不可能使儀器運行分析軟件，擺脫電腦獨立工作。

ARM系列微處理器功耗低且性能大大高于單片機，使在嵌入式系統(tǒng)上實現(xiàn)虛擬儀器成為可能。本文基于ARM7TDMI設計的嵌入式數(shù)據(jù)采集分析儀實現(xiàn)了上述目的。

硬件結構和工作原理

儀器的硬件結構及工作原理圖如圖1所示。處理器選用三星（samsung）公司的s3c44b0x替代51單片機，在保持微小功耗的前提下獲得了更高的運行頻率和更強大的數(shù)據(jù)處理能力。其ARM7TDMI內(nèi)核應用改進的RISC設計思想來獲得更好的功耗性能比，具有0.06mW/MHz的低功耗，保證儀器可以在電池供電條件下工作較長時間。ARM7的三級指令流水線提供0.97MIPS/MHz的指令效率，接近每周期執(zhí)行一條指令。

圖1 硬件結構及工作原理圖

S3c44b0x外接10MHz的晶體振蕩器，通過內(nèi)部的PLL倍頻，運行在64MHz的主頻下。這樣的主頻比一般單片機高了5~10倍，保證處理器在控制高速A/D進行數(shù)據(jù)采集的同時，還能提供額外運算時間來分析數(shù)據(jù)。除ARM7TDMI內(nèi)核外，s3c44b0x還提供PWM計數(shù)器、UART、DMA、 8通道10位精度A/D變換器等外圍設備。

存儲器方面，系統(tǒng)配置了8Mbyte的SDRAM和16Mbyte的FLASH。大容量的SDRAM提供了充足的程序運行空間和采集數(shù)據(jù)緩存。FLASH 一部分用作系統(tǒng)的啟動存儲器；一部分存儲采集到的數(shù)據(jù)，即使掉電也不會丟失。存儲器通過16位數(shù)據(jù)線、地址線和片選線與處理器連接。S3c44b0x提供八個存儲器片選空間（bank）。

A/D變換器是數(shù)據(jù)采集的關鍵部件。儀器擁有兩個A/D變換器。一個是s3c4bb0x內(nèi)部的A/D變換器，具有10位精度，8通道和單通道最高 100kSps的速度。另一個是AD公司的AD7859芯片，具有12位精度，8通道和單通道最高200kSps的速度，自帶采樣保持器。AD7859通過16位數(shù)據(jù)線、地址線和片選線連接到處理器，占用一個存儲器bank。處理器以訪問存儲器的方式訪問AD7859，也可以使用處理器的DMA控制數(shù)據(jù)傳輸。AD7859的觸發(fā)端通過一個多路開關分別連接了儀器外時鐘輸入端和處理器的計數(shù)器輸出端，以實現(xiàn)多種觸發(fā)方式。此外，處理器還可以通過數(shù)據(jù)線傳送命令的方式觸發(fā)AD7859進行采樣。

USB控制器是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕考?。本儀器選用Philips公司的PDIUSBD12芯片，符合USB1.1標準，數(shù)據(jù)傳輸速度達到12Mbps。 PDIUSBD12作為下位機通過8位數(shù)據(jù)線、地址線和片選線連接到s3c44b0x，占用一個存儲器bank。PDIUSBD12的INT_N管腳連接到s3c44b0x的EINT2管腳，通過中斷方式通知處理器處理USB上位機的呼叫。PDIUSBD12的硬件連接電路原理圖如圖2所示。

圖2 PDIUSBD12硬件連接原理圖

儀器的人機交互界面由一塊320×240的高分辨率單色液晶顯示器和一塊4×4鍵盤組成。液晶顯示器模塊以8位數(shù)據(jù)線、地址和片選連接到s3c44b0x，占用一個存儲器bank。

軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)主要包括初始化程序、操作系統(tǒng)、采樣觸發(fā)程序、USB固件和應用軟件5個部分。

初始化程序

初始化程序是針對s3c44b0x使用匯編語言編寫的。在將控制權交給操作系統(tǒng)前，初始化最基本的硬件設備。主要工作是配置SDRAM并將操作系統(tǒng)代碼從FLASH拷貝到SDRAM中。這一部分的主要代碼如下：

ResetHandler：

ldrr0，=WTCON；//watchdogdisable

ldrr1，=0x0

strr1，[r0]

mrsr0，cpsr；//disableinterrupt

orrr0，r0，#0xc0

msrcpsr，r0

/*Setclockcontrolregisters*/

ldrr0，=LOCKTIME

ldrr1，=2000； //count=t_lock*Fin

strr1，[r0]

ldrr0，=PLLCON

ldrr1，=0xf8033； //MCLK=64MHz

strr1，[r0]

ldrr0，=CLKCON

ldrr1，=0x7ff8； //AllunitblockCLKenable

strr1，[r0]

；/*Setmemorycontrollerregisters，initializeSDRAM*/

ldrr1，=0x11110002；//BWSCON

ldrr2，=0X600； //GCS0FLASHROM

ldrr3，=0X7FFC； //GCS1LCDCONTROLLER

ldrr4，=0X7FFC； //GCS2

ldrr5，=0X7FFC； //GCS3

ldrr6，=0X7FFC； //GCS4

ldrr7，=0X7FFC； //GCS5

ldrr8，=0X18000； //GCS6SDRAM

ldrr9，=0X18000； //GCS7SDRAM

ldrr10，=0x820419； //REFRESH

ldrr11，=0x16； //BankSize

ldrr12，=0x20； //MRSR6

ldrr13，=0x20； //MRSR7

ldrr0，=0x01c80000； //BWSCONAddress

stmiar0，{r1-r13}

；/*Copyentireprogramsto0x0c008000atSDRAM*/

ldrr0，=0x0；//startaddressoftheflashrom

ldrr1，=0xc008000； //targetaddressintheSDRAM

ldrr2，=0x128e0； //thenumberofbytesneedtocopy