蘇 湘，羅健飛，吳仲城，申 飛

（中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，合肥 230031）

數(shù)據(jù)采集技術(shù)應(yīng)用廣泛，如科學(xué)研究、生產(chǎn)過程及現(xiàn)場(chǎng)施工中瞬態(tài)信號(hào)和環(huán)境參數(shù)的采集[1-2]。Android是目前最為流行的移動(dòng)終端操作系統(tǒng)，并保持迅猛的發(fā)展，并擴(kuò)展到平板和智能電視等領(lǐng)域[3]?？蒲泻蜕a(chǎn)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集在精度和速度上有較高要求，而Android是針對(duì)娛樂多媒體應(yīng)用的，在軟硬件架構(gòu)上并沒有像傳統(tǒng)桌面電腦一樣提供方便的數(shù)據(jù)采集接口和驅(qū)動(dòng)。但設(shè)備的便攜化是大勢(shì)所趨，如果能在Android移動(dòng)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集接口，方便構(gòu)建專業(yè)的測(cè)試與分析系統(tǒng)，將在科研與工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景。

目前移動(dòng)終端已具備較強(qiáng)的處理能力[4]，CPU主頻可達(dá)2 GHz，機(jī)身存儲(chǔ)容量可達(dá)64 GB，這為移動(dòng)設(shè)備上測(cè)試分析系統(tǒng)的構(gòu)建提供了條件，但其具體實(shí)現(xiàn)仍有諸多難點(diǎn)，如軟件開發(fā)上涉及內(nèi)容廣，要同時(shí)熟悉操作系統(tǒng)底層架構(gòu)和上層應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，另外用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌谶x擇也相對(duì)較少。

本文基于C8051F320設(shè)計(jì)了16位精度的數(shù)據(jù)采集卡，支持6通道模擬電壓信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，設(shè)計(jì)了多種數(shù)據(jù)連接方式便于不同應(yīng)用場(chǎng)合的使用，并設(shè)計(jì)了該數(shù)據(jù)采集卡的Android驅(qū)動(dòng)程序以及基于該驅(qū)動(dòng)程序接口的多維力傳感器[5]實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集Android應(yīng)用程序。

該采集卡的設(shè)計(jì)是對(duì)Android下實(shí)現(xiàn)較高要求的數(shù)據(jù)采集任務(wù)的探索研究，對(duì)Android移動(dòng)設(shè)備下專業(yè)測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建具有一定的參考作用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件電路設(shè)計(jì)

C8051F320為增強(qiáng)型51內(nèi)核單片機(jī)，采用流水線指令結(jié)構(gòu)，速度可達(dá)25 MIPS。片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件。C8051F320片內(nèi)自帶有USB收發(fā)器。系統(tǒng)的硬件架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure of the system

該采集卡用于實(shí)時(shí)采集外部傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并傳輸至Android主機(jī)，其硬件電路設(shè)計(jì)有電源管理、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)接口3個(gè)部分：

1）電源管理：設(shè)計(jì)的供電電壓為5 V，使用線性直流電壓轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為3.3 V用于板上芯片供電。外部可選擇USB供電和外接直流電源供電，適合不同的使用場(chǎng)合。

2）模數(shù)轉(zhuǎn)換：提供6路模擬電壓輸入接口，對(duì)每通道模擬輸入進(jìn)行濾波去除高頻噪聲，模擬信號(hào)經(jīng)16位的AD芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

3）數(shù)據(jù)接口：設(shè)計(jì)了3種接口用于接入Android終端，分別是 USB Host（USB 主機(jī)方式），USB Device（USB從機(jī)方式）和UART，使用時(shí)通過電路板的短路帽連接進(jìn)行選擇。3種接口方式均由C8051F320的同一串口引出，這樣在使用不同的接口方式與Android終端連接時(shí)只需改變短路帽連接，而不需要修改采集卡的固件程序。與Android終端的USB Host和USB Device接口的連接是通過使用FTDI公司的FT230和FT312D芯片來完成橋接的。

1.2 固件程序設(shè)計(jì)

該采集卡的固件程序用于控制模擬電壓信號(hào)的采集與傳輸，同時(shí)可接受主機(jī)發(fā)送來的命令字執(zhí)行相應(yīng)的處理，如采集的開始與停止、采樣通道數(shù)和采樣頻率的改變。程序流程如圖2所示。

圖2 采集卡固件程序流程圖Fig.2 Flow chart of the DAQ card firmware

C8051F320上電后進(jìn)行一系列初始化，包括IO口、系統(tǒng)時(shí)鐘、定時(shí)器等，并對(duì)AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行初始配置。進(jìn)入主程序后首先會(huì)查詢定時(shí)器時(shí)間是否到達(dá)，若定時(shí)時(shí)間到，則控制AD轉(zhuǎn)換器采集固定通道數(shù)的數(shù)據(jù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均濾波[6]去除白噪聲，然后將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。若定時(shí)時(shí)間未到，則直接進(jìn)行下一步操作。接下來會(huì)查詢主機(jī)是否有命令到達(dá)，主機(jī)發(fā)送來的命令用中斷方式接收，如沒有收到命令，則回到上一步判斷定時(shí)時(shí)間是否到。一旦接收到主機(jī)發(fā)送的命令，就解析出命令字，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，例如開始采集和停止采集命令會(huì)導(dǎo)致開或關(guān)定時(shí)器，采樣速率控制命令會(huì)改變定時(shí)時(shí)間的裝載值從而達(dá)到改變采樣速率的目的。采樣通道數(shù)可設(shè)置為1～6個(gè)通道，采樣頻率可設(shè)置到500 Hz。

2 數(shù)據(jù)采集性能測(cè)試與優(yōu)化

本文在Windows操作系統(tǒng)下用LabVIEW圖形化編程語言[7]設(shè)計(jì)了該采集卡的測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)的功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析與實(shí)時(shí)顯示等部分。圖3和圖4分別是采集的外部多維力傳感器原始數(shù)據(jù)的時(shí)域波形圖和FFT變換后的頻域波形圖。

圖3 多通道模擬輸入信號(hào)波形Fig.3 Oscillograph of Multi-channel analog input

圖4 某通道FFT頻域波形圖Fig.4 FFT oscillograph of one channel

從獲取的傳感器時(shí)域波形圖可看出該采集卡能實(shí)時(shí)穩(wěn)定的進(jìn)行多通道的模擬電壓信號(hào)的采集，數(shù)據(jù)隨著施加在多維力傳感器上力的改變而波動(dòng)。

傳感器靜止放置時(shí)對(duì)其中某一通道輸入信號(hào)進(jìn)行FFT變換后得到的頻域波形圖有一個(gè)很大的直流分量，其余頻率對(duì)應(yīng)的幅度均接近于0，微小的波動(dòng)為電路的隨機(jī)噪聲導(dǎo)致?；谝陨系臏y(cè)試結(jié)果，后期在采集卡的固件程序中設(shè)計(jì)了平均值濾波算法，獲得了更加精確穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。

另外在測(cè)試系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了采集卡的采樣頻率測(cè)試功能，通過對(duì)每秒最終采集的點(diǎn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)比理論設(shè)計(jì)的采樣速率與實(shí)際能達(dá)到的采樣速率之間的差異。圖5為設(shè)置為120 Hz采樣速率下每秒實(shí)際的采樣點(diǎn)數(shù)的統(tǒng)計(jì)情況。

圖5 120Hz采樣速率下采樣點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.5 Statistical result of 120Hz sample rate

從圖中可看到120 Hz的理論采樣率下實(shí)際能獲得118 Hz的平均采樣率，該采集卡能非常穩(wěn)定地進(jìn)行模擬電壓信號(hào)的采集。

3 采集卡相關(guān)Android程序設(shè)計(jì)

本文使用的Android終端主板基于S5PV210開發(fā)，S5PV210是三星公司推出的ARM CortexTMA8內(nèi)核的處理器，主頻可達(dá)1 GHz，可實(shí)現(xiàn)2000 DMIPS的高性能運(yùn)算，并在該主板上移植了Android 4.0操作系統(tǒng)。該終端同時(shí)具備UART接口、USB Host接口和USB Device接口，便于采集卡的Android驅(qū)動(dòng)程序和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和測(cè)試，下面將對(duì)程序設(shè)計(jì)的工作進(jìn)行介紹。

3.1 采集卡驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)程序用于Android終端與采集卡之間的通信，包括采集卡的控制和數(shù)據(jù)的傳輸，應(yīng)用開發(fā)者只需調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序提供的接口就可方便構(gòu)建數(shù)據(jù)采集應(yīng)用系統(tǒng)。本文基于Google的開源項(xiàng)目android-serialport-api（用于帶串口的Android設(shè)備與外部設(shè)備之間的串口通信項(xiàng)目）和FTDI公司官方的J2xx相關(guān)軟件包設(shè)計(jì)了采集卡的Android驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)了多種接口方式下Android終端與采集卡之間的通信，該驅(qū)動(dòng)程序提供的接口方法描述如表1所示。

表1 采集卡Android應(yīng)用程序接口方法描述Tab.1 Method description of the DAQ card API

3.2 數(shù)據(jù)采集Android應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

Android是支持多任務(wù)多線程的移動(dòng)操作系統(tǒng)，其應(yīng)用程序使用Java編程語言開發(fā)。Android數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序采用了生產(chǎn)者/消費(fèi)者架構(gòu)，創(chuàng)建一個(gè)線程用于傳感器數(shù)據(jù)的讀取，并將讀取到的有效數(shù)據(jù)放入緩沖隊(duì)列中，該數(shù)據(jù)讀取線程就是“生產(chǎn)者”。另外創(chuàng)建一個(gè)用于傳感器數(shù)據(jù)刷新顯示的線程，從緩沖隊(duì)列取出數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)刷新界面顯示，該數(shù)據(jù)刷新線程就是“消費(fèi)者”。Android的觸控界面交互是使用UI線程的事件觸發(fā)機(jī)制來完成的，對(duì)界面的控件注冊(cè)事件監(jiān)聽器，當(dāng)有用戶界面事件發(fā)生時(shí)就執(zhí)行相應(yīng)的操作。圖6為Android數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序的流程圖。

圖6 數(shù)據(jù)采集Android應(yīng)用程序流程圖Fig.6 Flow chart of the DAQ application

在本文使用的Android終端下能實(shí)現(xiàn)多維力傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，用戶界面交互流暢，采集卡運(yùn)行穩(wěn)定，Android下數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序運(yùn)行效果圖如圖7所示。

圖7 Android數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序運(yùn)行效果圖Fig.7 Effect of plans of Android DAQ application

4 結(jié)語

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更加小巧和便攜是未來的發(fā)展趨勢(shì)。創(chuàng)建測(cè)試測(cè)量應(yīng)用系統(tǒng)一般都在傳統(tǒng)桌面電腦環(huán)境下進(jìn)行，而便攜式Android終端下測(cè)試測(cè)量應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)建因?yàn)殡y點(diǎn)頗多而沒有取得較大進(jìn)展。

本文設(shè)計(jì)的支持Android的多通道數(shù)據(jù)采集卡，是對(duì)Android移動(dòng)終端下專業(yè)數(shù)據(jù)采集任務(wù)實(shí)現(xiàn)的探究。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件電路設(shè)計(jì)與測(cè)試，硬件固件程序的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集卡的Android驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序的開發(fā)，最終該采集模塊能穩(wěn)定精確的獲取外部傳感器的數(shù)值并能實(shí)時(shí)顯示。

該采集模塊的設(shè)計(jì)對(duì)Android移動(dòng)設(shè)備下專業(yè)測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建具有一定的參考作用，在科研工作和工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)等場(chǎng)景下有很好的應(yīng)用前景。

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