楊澤林，何 莉

(重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，重慶 400054)

基于LPC2148的動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊澤林，何 莉

(重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，重慶 400054)

為了適應(yīng)動(dòng)態(tài)信號(hào)處理算法，保證信號(hào)采樣質(zhì)量，提出了動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)的多采樣方式、連續(xù)無(wú)丟失高速數(shù)據(jù)傳輸和抗干擾能力關(guān)鍵性能指標(biāo)，并利用ARM7 LPC2148 MCU和AD7606 ADC設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)。采取電源及USB接口隔離措施抑制系統(tǒng)內(nèi)(外)部干擾，保證模擬信號(hào)的質(zhì)量；構(gòu)建采樣函數(shù)程序庫(kù)，通過賦值A(chǔ)RM MCU的中斷服務(wù)程序入口地址寄存器實(shí)現(xiàn)多采樣方式，給出了關(guān)鍵程序代碼；設(shè)計(jì)了雙指針環(huán)形緩沖區(qū)模型，實(shí)現(xiàn)高速連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸，降低了對(duì)MCU性能和內(nèi)存容量的要求；給出了以此模型為基礎(chǔ)的系統(tǒng)軟件架構(gòu)、功能組成原理及程序流程。重型卡車變速箱一軸內(nèi)錐孔錐度現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)量結(jié)果表明：50 kHz雙通道采樣時(shí)，環(huán)形緩沖區(qū)長(zhǎng)度為8 K，可連續(xù)采集和傳輸32K點(diǎn)數(shù)據(jù)而不丟失數(shù)據(jù)且無(wú)誤碼，采集系統(tǒng)模擬部分電源紋波小于5 mV，錐度測(cè)量誤差小于3″。

動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)；采樣方式；雙指針環(huán)形緩沖區(qū)；信號(hào)干擾

在重型卡車變速箱一軸內(nèi)錐孔加工過程的質(zhì)量控制中，需在線快速自動(dòng)測(cè)量其大、小端的圓度和直徑,并計(jì)算擬合出錐孔的錐度，因此需要雙通道采集被測(cè)量工件的表面形狀誤差與回轉(zhuǎn)誤差動(dòng)態(tài)信號(hào)，并采用互相關(guān)原理進(jìn)行測(cè)量[1]。為自動(dòng)完成整個(gè)測(cè)量過程，首先在測(cè)頭位置調(diào)整階段采用定時(shí)器觸發(fā)A/D的自由采樣方式觀察處理信號(hào)。在錐孔參數(shù)測(cè)量階段，采用外部圓光柵觸發(fā)A/D的空間跟蹤360°整周期采樣方式[2-3]，同時(shí)采集的動(dòng)態(tài)信號(hào)應(yīng)實(shí)時(shí)傳輸給上位機(jī)，以便進(jìn)行處理和過程控制。因?yàn)檎`差動(dòng)態(tài)信號(hào)十分微弱，容易受到干擾，直接影響測(cè)量精度，所以采集系統(tǒng)還應(yīng)有較好的抗干擾能力。為此，利用體積小、成本低且功能豐富的ARM7 LPC2148 MCU與AD7606 ADC轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，設(shè)計(jì)了相應(yīng)采集系統(tǒng)硬件，并通過USB接口與上位機(jī)相連。根據(jù)測(cè)量過程要求，結(jié)合ARM的中斷控制管理策略，編寫一組采樣函數(shù)，作為外部中斷0的中斷服務(wù)程序，通過改寫ARM MCU向量地址寄存器VICVectAddr2，選擇執(zhí)行具體的采樣函數(shù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程中的多采樣方式；由于LPC2148內(nèi)存較小，設(shè)計(jì)雙指針環(huán)形緩沖區(qū)模型，以實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)連續(xù)、高速地傳輸給上位機(jī)。將采集系統(tǒng)劃分為上位機(jī)、MCU數(shù)字電路和模擬電路3個(gè)部分，采取電源隔離等措施彼此隔離，降低對(duì)誤差動(dòng)態(tài)信號(hào)及模擬電路的干擾。

1 采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 AD采樣及控制電路

ARM7 LPC2148 MCU[4]片內(nèi)SRAM為40 kB，內(nèi)部時(shí)鐘最高可達(dá)60 MHz，具有快速GPIO功能，自備的USB2.0傳輸速度達(dá)12 Mb/s。AD7606 ADC[5]轉(zhuǎn)換芯片具有16位精度，8個(gè)輸入通道同時(shí)采樣，每通道最高轉(zhuǎn)換速度可達(dá)200 kHz，滿足機(jī)械測(cè)試等動(dòng)態(tài)信號(hào)采樣要求，轉(zhuǎn)換結(jié)果可以并行和串行輸出，控制時(shí)序與接口簡(jiǎn)單，不需要初始化。AD采樣及控制電路如圖1所示。

圖1 AD采樣及控制電路Fig.1 AD sampling and control circuit diagram

DB0:15為AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，Con為AD啟動(dòng)信號(hào)，Busy為AD轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，下降沿有效。為多采樣方式提供硬件支撐，將ADC的啟動(dòng)信號(hào)Con接口通過多路開關(guān)進(jìn)行擴(kuò)展，可以由定時(shí)器、程序控制GPIO和外部圓光柵等信號(hào)提供。Eint1用于相位或位置參考信號(hào)輸入。

當(dāng)開關(guān)K撥向T0，ADC由定時(shí)器或程序GPIO觸發(fā)，可實(shí)現(xiàn)定時(shí)器觸發(fā)和程序控制GPIO觸發(fā)的自由采樣方式。當(dāng)開關(guān)K撥向圓光柵信號(hào)，ADC由外部設(shè)備觸發(fā)，可實(shí)現(xiàn)空間位置跟蹤采樣方式。參考信號(hào)用于起停采樣進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)位置/外部事件同步采樣方式。信號(hào)T0、GPIO、外部圓光柵、參考信號(hào)組合便可產(chǎn)生多種采樣方式。

1.2 抗干擾措施

1.2.1 電源隔離電路

采集系統(tǒng)主要分為上位機(jī)、MCU控制單元數(shù)字電路、信號(hào)調(diào)理及AD轉(zhuǎn)換模擬電路3個(gè)部分，彼此干擾，嚴(yán)重影響誤差動(dòng)態(tài)信號(hào)質(zhì)量和模擬電路性能。實(shí)驗(yàn)和理論表明：干擾源主要是上位機(jī)和MCU控制單元等數(shù)字電路，通過電源及地回路引入[6]。因此，除采用單點(diǎn)接地外[7]，還必須對(duì)各部分的電源回路采取隔離措施，阻斷干擾的傳導(dǎo)途徑。電源隔離電路如圖2所示。

圖2 電源電路原理圖 Fig2 circuit diagrams of power

L1和C1組成的差模隔離電路用以隔離上位機(jī)與MCU控制單元的差模干擾，共模電感L2/L5，C2組成的共模隔離電路用以隔離上位機(jī)與NCU控制單元的共模干擾。同樣，由電感L3、共模電感L4/L6、電容C3和C4對(duì)模擬電路與數(shù)字電路進(jìn)行隔離。

1.2.2 USB通訊接口隔離電路

為了保證采樣數(shù)據(jù)高速傳輸穩(wěn)定，對(duì)USB通訊接口也要采取相應(yīng)措施進(jìn)行隔離[8]。如圖3所示。

圖3 USB接口電路圖Fig.3 USB interface circuit diagram

C11、C12構(gòu)成抗差模干擾電路， C10、R1、R2構(gòu)成抗共模干擾電路作為USB通訊接口電路，起到隔離和抗干擾的作用。

2 多采樣方式實(shí)現(xiàn)

多采樣方式是動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)的一個(gè)重要功能，用以很好地配合不同的動(dòng)態(tài)信號(hào)處理算法。如圖1所示，AD轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)Busy輸出到LPC2148的外部中斷Eint0，AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后，其下降沿將觸發(fā)外部中斷0，這樣可以通過中斷服務(wù)程序讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果和進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)采樣工作。根據(jù)ARM MCU的中斷管理策略，中斷服務(wù)程序的入口地址由向量地址寄存器VICVectAddr確定，它具有函數(shù)指針的屬性[4]，只要改變VICVectAddr的指向值就可執(zhí)行不同采樣方式的中斷函數(shù)。

將外部中斷Eint0劃定為優(yōu)先級(jí)2的VIC中斷，中斷服務(wù)程序入口地址由VICVectAddr2確定。為不同采樣用方式編寫對(duì)應(yīng)的采樣函數(shù)，組成采樣方式函數(shù)庫(kù)。由于函數(shù)名就是函數(shù)指針，所以定義一個(gè)函數(shù)指針數(shù)組，將所有的采樣函數(shù)作為這個(gè)數(shù)組中的元素[9]，根據(jù)上位機(jī)命令將數(shù)組對(duì)應(yīng)的元素賦給VICVectAddr2，即可實(shí)現(xiàn)多采樣方式，主要的程序形式如下：

//采樣函數(shù)聲明

void __irq Timer_FreeMode(void)；//定時(shí)自由采樣方式

void __irq Space_TrackMode(void)；//空間跟蹤采樣方式

……

//定義采樣函數(shù)指針數(shù)組并賦初始值

void (*SampMode[])(void)=

{ Timer_FreeMode,//定時(shí)器自由采樣方式

Space_TrackMode,//空間跟蹤采樣方式

}

//采樣方式選擇函數(shù)

Viod SampModSel(uint i) //i 采樣方式序號(hào)

{

VICVectAddr2=(unsigned int) SampMode[i];

}

//定義采樣函數(shù)

Void_irqTimer_FreeMode(void)//采樣函數(shù)體

{

}

Void __irq Space_TrackMode(void) //采樣函數(shù)體

{

}

上位機(jī)根據(jù)各個(gè)測(cè)量階段所需的采樣方式，將采樣函數(shù)序號(hào)i傳遞給采集系統(tǒng)，通過采樣方式選擇函數(shù)進(jìn)行切換。這樣，采樣方式函數(shù)庫(kù)能非常簡(jiǎn)單靈活地進(jìn)行采樣方式擴(kuò)充與完善，不斷增加動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)的核心功能。

3 采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 雙指針環(huán)形緩沖區(qū)模型

在測(cè)量過程中，上位機(jī)需要實(shí)時(shí)觀察和處理被測(cè)量信號(hào)，因此需將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給上位機(jī)。由于LPC2148的內(nèi)存容量較小，不能大量臨時(shí)緩沖存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)，為了不丟失數(shù)據(jù)以保持信號(hào)的連續(xù)性，在內(nèi)存中開辟一段緩沖區(qū)，構(gòu)成如圖4所示的環(huán)形結(jié)構(gòu)[10]。

圖4 雙指針環(huán)形緩沖區(qū)模型Fig.4 Dual pointer ring buffer model

Wptr為寫指針偏移量，指向A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寫入的位置。Rptr為讀指針偏移量，指向程序讀出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的位置。讀出的數(shù)據(jù)寫入LPC2148 MCU的USB控制器緩沖區(qū)。L為緩沖區(qū)的大小。Δn為兩個(gè)指針的距離，每寫入1個(gè)數(shù)，Δn加1，Wptr循環(huán)加1；每讀出1個(gè)數(shù)，Δn減1，Rptr循環(huán)加1。讀寫數(shù)據(jù)時(shí)2個(gè)指針以不同的速度繞著環(huán)形緩沖區(qū)旋轉(zhuǎn)，Wptr在前，Rptr在后。開始采樣時(shí)，2個(gè)指針處于同一位置，Δn=0，Wptr=Rptr。

若Δn=0，表明傳輸速度高于A/D轉(zhuǎn)換速度，緩沖區(qū)空，此時(shí)傳輸應(yīng)處于等待狀態(tài)，Rptr停止旋轉(zhuǎn)；反之，若Δn=L，表明傳輸速度低于A/D轉(zhuǎn)換速度，緩沖區(qū)處于滿狀態(tài)，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果將會(huì)溢出,會(huì)丟失數(shù)據(jù)，此時(shí)Wptr應(yīng)停止旋轉(zhuǎn)，并報(bào)錯(cuò)。可以通過增大緩沖區(qū)的大小進(jìn)行改善。

隨著讀寫指針的旋轉(zhuǎn)，環(huán)形緩沖區(qū)被動(dòng)態(tài)地反復(fù)使用，大大地提高了緩沖區(qū)的效率，降低了對(duì)MCU內(nèi)存容量的要求。緩沖區(qū)的大小可以根據(jù)實(shí)際最高采樣頻率通過實(shí)驗(yàn)確定。

3.2 程序設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)的測(cè)控軟件架構(gòu)以雙指針環(huán)形緩沖區(qū)模型為基礎(chǔ)，主要由主程序和采樣中斷服務(wù)程序兩部分構(gòu)成。主程序負(fù)責(zé)與上位機(jī)的通訊，接收上位機(jī)命令，選擇采樣方式及采樣參數(shù)，將環(huán)形緩沖區(qū)的采樣結(jié)果轉(zhuǎn)移至USB等通訊接口緩沖區(qū)。采樣中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，根據(jù)采樣方式要求判斷有效數(shù)據(jù)及起止點(diǎn)，將有效數(shù)據(jù)存入環(huán)形緩沖區(qū)等。流程如圖5、圖6所示。

圖5 主程序流程Fig.5 Main program flow chart

圖6 中斷采樣程序流程Fig.6 Interrupt sampling program flow chart

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)的采樣函數(shù)庫(kù)，滿足錐孔參數(shù)自動(dòng)測(cè)量過程中對(duì)多采樣方式的需求。應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：環(huán)形緩沖區(qū)長(zhǎng)度L=8 K字時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)雙通道50 kHz采樣速度下連續(xù)采樣傳輸32 K點(diǎn)數(shù)據(jù)且無(wú)誤碼；采取電源、接口隔離抗干擾措施后，模擬電源紋波小于5 mV，動(dòng)態(tài)信號(hào)質(zhì)量很高。產(chǎn)品設(shè)計(jì)錐度為12°57′34″，測(cè)量結(jié)果與作為基準(zhǔn)的Tailor Honbson-265圓柱度儀相比較，最大誤差小于3″，保證了測(cè)量精度。采樣系統(tǒng)的功能與性能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

多采樣方式、數(shù)據(jù)高速連續(xù)傳輸及抗干擾能力是動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)的主要功能與性能指標(biāo)。該采集系統(tǒng)充分挖掘和利用了LPC2148 MCU硬件資源的優(yōu)勢(shì)，原理十分簡(jiǎn)單，抗干性能優(yōu)越。利用ARM中斷管理策略，采用中斷函數(shù)庫(kù)的方法，簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)了多采用方式。根據(jù)雙指針環(huán)形緩沖區(qū)模型設(shè)計(jì)的測(cè)控軟件，架構(gòu)科學(xué)合理，具有小內(nèi)存資源下采集數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)高速傳輸?shù)哪芰?。采集系統(tǒng)軟硬件開放性好，二次開發(fā)容易，作為數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，可以方便地嵌入到各類測(cè)控系統(tǒng)之中，為專業(yè)技術(shù)人員提供了高性能、實(shí)用開放、通用的動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)。

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(責(zé)任編輯 楊文青)

Design of Dynamic Signal Acquisition System Based on LPC2148

YANG Ze-lin, He Li

(College of Electrical and Electronic Engineering, Chongqing University of Technology,Chongqing 400054, China)

In order to adapt to the dynamic signal processing algorithm and ensure the signal acquisition quality，the key performance of the dynamic signal acquisition system is proposed which is a multi sampling method, continuous and no loss high speed data transmission and Anti-interference capability. The acquisition system is designed by using LPC2148 MCU AD7606 and ADC ARM7. To ensure the quality of analog signals, the power and USB interface isolation measures are taken to inhibit the system internal (external) interference. To implement multi sampling method by assigning MCU ARM interrupt service program, the sampling function library is constructed and the key program segment is given. In order to achieve high speed and continuous data transmission and to reduce the requirements of MCU performance and memory capacity, the dual pointer ring buffer model is designed. The system software architecture, program composition and function principle flow chart are all given in the research. In the process of the application of the inner cone angle measurement, it shows that: the analog power ripple is less than 5mv; under dual-channel acquiring 32K points at 50 kHz sampling rate, the data is without losing and Bit-error when the size of ring buffer is 8K word. Taper error is less than 3″.

dynamic signal acquisition system; signal sampling method; dual pointer ring buffer; signal interference

2016-08-08

重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(kj130833)

楊澤林(1962—),男,湖北公安縣人，碩士，副教授，主要從事動(dòng)態(tài)測(cè)試、信號(hào)處理及嵌入式系統(tǒng)方面的研究，E-mail：yzl@cqut.edu.cn。

楊澤林，何莉.基于LPC2148的動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(1):113-117.

format：YANG Ze-lin, He Li.Design of Dynamic Signal Acquisition System Based on LPC2148[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(1):113-117.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.01.018

TP274.2

A

1674-8425(2017)01-0113-05