王夢謙 姜建國

(東北石油大學電氣信息工程學院)

基于LabVIEW和DSP的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)①

王夢謙 姜建國

(東北石油大學電氣信息工程學院)

自主設計數(shù)字信號處理器最小系統(tǒng)，利用其高速數(shù)據(jù)處理能力和豐富的片內(nèi)資源完成對目標信號的采集與處理，結合典型數(shù)據(jù)處理算法設計數(shù)字濾波器，以滿足數(shù)據(jù)采集的高精度要求。在CCS下完成系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換等程序設計，并在LabVIEW平臺設計上位機界面?；诖谕ㄐ艆f(xié)議，利用SCI接口實現(xiàn)處理器與PC機間的數(shù)據(jù)傳輸。采用高精度溫控箱進行的系統(tǒng)試驗驗證分析結果表明：系統(tǒng)對溫度信號的采集誤差可保證在±0.05℃范圍內(nèi)，同時上位機界面實現(xiàn)了對目標信號的實時監(jiān)測。

溫度數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng) 數(shù)字信號處理器最小系統(tǒng) LabVIEW 串行通信

隨著信息技術的快速發(fā)展，以及自動化設備的廣泛應用，數(shù)據(jù)采集與處理技術被越來越多地運用到微機控制系統(tǒng)。數(shù)字信號處理器(DSP)憑借其精度高、可靠性高及速度快等特點，在工業(yè)控制、圖像處理等領域被普遍應用[1]。如，以激光器為主要應用設備的有害氣體檢測系統(tǒng)，需要保證激光器能夠持續(xù)地發(fā)射出穩(wěn)定的中心波長信號，由于其信號的中心波長主要與工作電流和工作溫度有關，并且中心波長隨溫度變化范圍為0.3～0.4nm/℃。因此，為保證系統(tǒng)的正常穩(wěn)定工作，需要完成對激光器工作環(huán)境溫度的實時檢測和高精度控制[2]。

串口作為計算機同外部控制器進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾ǖ溃瑥V泛應用于工業(yè)信號檢測系統(tǒng)。伴隨著虛擬技術的快速發(fā)展，LabVIEW越來越多地應用于測試領域，實現(xiàn)LabVIEW與串口通信的結合，使得系統(tǒng)更加簡單直觀。

筆者自主設計DSP最小系統(tǒng)和溫度采集外圍電路并集成制作開發(fā)板，通過DSP的SCI模塊實現(xiàn)與LabVIEW的串行通信，在上位機界面進行指令的發(fā)送和所采集數(shù)據(jù)的接收，實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的實時動態(tài)監(jiān)測[3，4]。

1 系統(tǒng)整體結構

筆者設計的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)主要由DSP數(shù)據(jù)采集和LabVIEW上位機監(jiān)測兩部分組成。首先，應用高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7793實現(xiàn)對溫度信號的采集，并借助其SPI通信接口和DSP處理器的SPI串行同步通信模塊將采集數(shù)據(jù)快速傳入到DSP中進行軟件數(shù)字濾波等處理。在軟件部分需要對采集數(shù)據(jù)進行格式預處理，即完成浮點型數(shù)據(jù)向字符串型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結果按照一定方式存儲到數(shù)據(jù)幀中等待傳輸。然后，通過SCI串行通信接口完成數(shù)據(jù)幀由DSP處理器到PC機的發(fā)送。最終，在LabVIEW上位機界面進行串口接收數(shù)據(jù)幀的識別、處理、存儲和顯示。在不增加其他外部硬件設備的基礎上，以簡單的串口總線RS-232連接方式實現(xiàn)了系統(tǒng)對目標信號的實時監(jiān)測。

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 硬件電路

該系統(tǒng)的溫度采集電路如圖1所示。以TMS320F2812芯片為核心開發(fā)設計DSP處理器最小系統(tǒng)。以溫度值作為信息采集目標信號，選用AD7793芯片進行外圍電路設計。AD7793芯片采用∑-Δ型數(shù)據(jù)采集調(diào)制技術，具有高分辨率、低功耗及低噪聲等特點，廣泛應用于有高精度檢測要求的系統(tǒng)中[5，6]。其自帶的SPI串行同步通信接口，可實現(xiàn)與控制器的靈活數(shù)據(jù)通信。

圖1 溫度采集電路

系統(tǒng)采用負溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)進行溫度檢測，其典型工作溫度范圍15～40℃，熱敏電阻的阻值R會隨著溫度的增加迅速降低，具有很高的溫度靈敏性[6]。NTC熱敏電阻耗散系數(shù)δ的計算式為：

(1)

式中ITH——流經(jīng)NTC的電流，A；

Ta——環(huán)境溫度，℃；

Tb——實際穩(wěn)定溫度，℃；

UTH——端電壓，V。

選用的NTC耗散系數(shù)為2mW/℃，如果采用210μA恒流源激勵，根據(jù)熱敏電阻溫度阻抗特性可知，其最大阻值為20kΩ，則最高自加熱溫升：

=0.441℃

可以看出，如果采用210μA恒流源激勵，將嚴重影響系統(tǒng)的測量精度。

當采用10μA恒流激勵源時，其自加熱造成的最大溫升：

=0.001℃

該溫升遠小于激光器允許的溫度波動范圍和檢測系統(tǒng)的測量精度，滿足設計要求。

熱敏電阻阻值與當前環(huán)境溫度T成非線性反比例關系，滿足Steinhart-Hart方程[7]：

1/T=C1+C2×lgR+C3×lgR3

(2)

溫度阻抗系數(shù)C1=1.129e-3，C2=2.341e-4，C3=0.878e-7。

2.2 數(shù)據(jù)處理和格式轉(zhuǎn)換

在CCS環(huán)境下完成資源配置、源程序編輯及源程序調(diào)試等操作。如圖2所示，設置合適的系統(tǒng)波特率、時鐘模式等，對SPI模塊進行基本的初始化配置，使DSP處理器與AD7793芯片的時序相匹配，實現(xiàn)兩者間的同步串行通信。

圖2 SPI通信時序圖和實驗波形

DSP處理器與PC機之間通過SCI串口完成數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)通信時，SCI數(shù)據(jù)緩沖寄存器每次最多只能發(fā)送8位二進制數(shù)，而在DSP處理器中，浮點型溫度數(shù)據(jù)是按照IEEE754標準存儲的，每個數(shù)據(jù)占用32位二進制數(shù)。因此，通信前需將浮點型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符串型數(shù)據(jù)然后逐個字符進行傳輸[7]。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性，需對每個數(shù)據(jù)加入設定的數(shù)據(jù)標識，將數(shù)據(jù)標識位、校驗位和實際數(shù)據(jù)值打包組成一個完整的數(shù)據(jù)幀，然后通過串口發(fā)送。

SCI接收器需要在收到一個起始位后開始工作。上位機接收到數(shù)據(jù)幀后，首先將數(shù)據(jù)幀中的實際數(shù)據(jù)值提取出來并按一定順序重組，進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，最終得到所采集的溫度數(shù)據(jù)值[8]。如圖3所示，如果SCIRXD引腳檢測到連續(xù)4個SCICLK周期的低電平，SCI就會認為收到一個有效的起始位。LSB為數(shù)據(jù)的最低位，MSB為數(shù)據(jù)的最高位，在起始位得到確認后，CPU采用多數(shù)表決的方式確定下一個數(shù)據(jù)位的值。具體做法是對每個數(shù)據(jù)位第4、5、6個SCICLK周期進行采樣，如果3次采樣中有兩次以上的值相同，這個值就被認為是該位的數(shù)據(jù)值。

圖3 SCI數(shù)據(jù)幀和異步通信格式

3 LabVIEW上位機

LabVIEW軟件作為虛擬儀器領域中最具普適性的圖形化編程工具，已經(jīng)廣泛應用到儀器控制、數(shù)據(jù)采集等工業(yè)生產(chǎn)中[9，10]。軟件自帶的Real-Time仿真功能和數(shù)據(jù)處理、頻譜分析等子模塊為程序的設計實現(xiàn)提供了方便。本次設計，主要應用VISA子模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)串口通信編程，其中包括VISA串口配置、VISA寫入、VISA讀取、VISA緩沖區(qū)設置及VISA關閉等函數(shù)。設置系統(tǒng)通信波特率為19 200，數(shù)據(jù)位為8，停止位1，無校驗位。圖4為上位機數(shù)據(jù)通信程序流程。

圖4 LabVIEW串口通信接收流程

圖5為LabVIEW后面板程序設計結構圖。在上位機程序的數(shù)據(jù)讀取循環(huán)中設置每次所要讀取的字節(jié)數(shù)(與處理器程序中即將發(fā)送的字符串型數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)相匹配)。每個數(shù)據(jù)幀傳輸完成后，將讀取緩沖區(qū)中的字符串提取出來并轉(zhuǎn)換為浮點型數(shù)據(jù)輸入到波形圖表中進行實時顯示。每一次循環(huán)結束前需要借助VISA設備清零函數(shù)將讀取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)清除，避免現(xiàn)存數(shù)據(jù)對下一次數(shù)據(jù)讀取造成影響[11]。

4 試驗驗證

利用高精度溫控箱對該溫度監(jiān)測系統(tǒng)進行性能測試。在15～40℃范圍內(nèi)，以溫度梯度5℃進行測試，結果見表1。

表1 溫度檢測試驗數(shù)據(jù)

圖5 LabVIEW后面板程序設計結構

實驗結果表明，該監(jiān)測系統(tǒng)測量誤差小于±0.05℃，完全能夠滿足激光器應用系統(tǒng)對工作環(huán)境溫度波動范圍的要求。

通過LabVIEW上位機界面實現(xiàn)對溫度采集數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。如圖6所示，將高精度溫控箱設定為25℃時進行測試，在大量的溫度數(shù)據(jù)采樣點中偏差最大的采樣點溫度值為24.97℃，能滿足系統(tǒng)設計要求。

圖6 LabVIEW上位機溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測界面

5 結束語

筆者自主設計DSP最小系統(tǒng)和高精度溫度采集電路，基于LabVIEW實現(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。系統(tǒng)集成性強，利用DSP處理器的SPI、SCI等模塊完成對溫度數(shù)據(jù)的快速采集與通信傳輸。程序部分采用了典型數(shù)字濾波器設計方法，保證了數(shù)據(jù)采集精度。采用LabVIEW上位機界面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液晶等顯示設備，降低了系統(tǒng)硬件和后期的維護成本，具有很高的工業(yè)應用價值。

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DataAcquisitionandMonitoringSystemBasedonLabVIEWandDSP

WANG Meng-qian, JIANG Jian-guo

(CollegeofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity)

The minimum system of DSP processor was designed independently; through making use of its high-speed data processing ability and the chip’s abundant resources, the target signal’s acquisition and processing were completed. Combined with the typical data processing algorithm, a digital filter was designed to satisfy data acquisition at high accuracy; meanwhile, in CCS environment, having the system initialization implemented, including the data type conversion and the design of host computer interface at LabVIEW software platform; through having the serial communication protocol based, the data communication between PC and DSP was realized. Having the system tested with high precision temperature control box shows that, the error of the temperature signal acquisition stays within the range of ±0.05℃ and the interface of the host computer realizes real-time monitoring of the target signals.

temperature data acquisition and monitoring system,DSP minimum system,LabVIEW, serial communication

TH865

A

1000-3932(2017)08-0778-05

2016-10-26,

2017-07-07)

黑龍江省自然科學基金項目——天然氣管道泄漏次聲波信號的檢測算法研究(E2016013)。

王夢謙(1993-)，碩士研究生，從事電力電子與電機傳動的研究，wangmq182@163.com。