CN100403245C - 一种基于usb总线的嵌入式虚拟仪器的信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用嵌入式计算机技术、计算机信号采集技术的基于USB总线的嵌入式虚拟仪器的信号处理方法。目前国内虚拟仪器存在测试系统自动化程度不高、携带不方便等问题。本发明的嵌入式虚拟仪器包括信号采集模块、信号调理模块和显示屏，其信号处理方法具体包括多通道信号采集方法、多通道信号调理方法和数据波形显示方法，其中多通道信号调理方法是对采集的信号进行数字滤波，并将信号转换为标定曲线，包括数据缓冲和速度匹配方法、信号仲裁和控制方法。采用本发明的信号处理方法，可以实现多通道数据采集。本发明采用嵌入式处理器作为控制器，使整个发明携带和安装更加方便，易于扩展，同时降低了系统成本。

Description

一种基于USB总线的嵌入式虚拟仪器的信号处理方法

技术领域

本发明属于计算机应用技术领域，特别是涉及一种采用嵌入式计算机技术、计算机信号采集技术的基于USB总线的嵌入式虚拟仪器的信号处理方法。

背景技术

虚拟仪器(Virtual Instrument，简称VI)是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标点击虚拟面板，就可操作这台计算机系统硬件平台，就如同使用一台专用电测量仪器。虚拟仪器是一种计算机仪器系统，它利用PC机显示器(CRT)的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果，利用PC机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能。

虚拟仪器主要由硬件和软件构成。构成虚拟仪器的硬件平台主要有两部分：计算机和I/O接口设备。计算机一般为一台PC机或者工作站，是硬件平台的核心。I/O接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、转换。虚拟仪器软件由两部分构成：实现虚拟仪器面板功能的应用程序和I/O接口仪器驱动程序。开发虚拟仪器的软件工具一般有LabVIEW、HPVEE、Visual C++、Labwindows/CVI等。

虚拟仪器是电子测量技术与计算机技术深层次结合的、具有很好发展前景的新一类电子仪器。虚拟仪器要比传统的电子仪器更为通用，在组建和改变仪器的功能和技术性能方面更为灵活、更为经济，更能适应迅猛发展的当代科学技术对测量技术和测量仪器不断提出的更新并扩展功能与性能的要求。因此，虚拟仪器发展很快。

近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些仪器公司提供的开发平台组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。最早和最具影响的开发软件，是NI公司的LabVIEW软件和LabWindows/CVI。LabVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。LabWindows/CVI是为熟悉C语言的开发人员准备的、在Windows环境下的标准ANSIC开发环境。除了上述的优秀开发软件之外。美国HP公司的HP-VEE和HPTIG平台软件，美国Tektronis公司的Ez-Test和Tek-TNS软件，以及美国HEM Data公司的Snap-Marter平台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。

虚拟仪器的突出成就不仅是可以利用PC机组建灵活的虚拟仪器，更重要的是它可以通过各种不同的接口总线，组建不同规模的自测试系统。它可以藉不同的接口总线的沟通，将虚拟仪器、带接口总线的各种电子仪器或各种插件单元，调配并组建成为中小型甚至大型的自动调试系统。

当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括传统的RS232串行总线、GPIB通用接口总线、VXI总线，以及已经被PC机广泛采用的PCI总线和IEEE1394总线(即Firewire，也叫做火线)。世界各国的公司，特别是美国NI公司，为使虚拟仪器能够适应上述各种总线的配置，开发了大量的软件以及适应要求的硬件(插件)，可以灵活地组建不同复杂程度的虚拟仪器自动测试系统。RS232总线是PC机早期采用的通用串行总线，至今仍然适用于要求较低的虚拟仪器或测试系统。GPIB仪器总线已经风行多年，由于它只是8位并行仪器总线，传输速率和传输距离有限，已经跟不上当今大规模自动测试系统的需求。但是，采用GPIB总线的仪器或插件，仍然大量存在，一直在应用，因此GPIB总线仍然是组建中等水平自动测试系统所欢迎的总线。VXI总线是在VME总线的基础上发展起来的仪器总线，成为当今国际上测量仪器总线的主体。它可以满足当代科学技术发展的测试要求，成为世界各国开发虚拟仪器最重视的开发对象。在这一方面，不仅常有新的软件出现，也常有高水平的测试开发成果的报道。

虚拟仪器开发商不仅注意使虚拟仪器能够适应上述各种通用计算机总线系统，使之为虚拟仪器服务，而且也注意建立各种仪器专用的总线系统。美国NI公司在1997年9月1日推出模块化仪器的主流平台PXI，这是与Copact PCI完全兼容的系统。这种虚拟仪器模块化主流平台PXI/Compace，PCI的传输速度已经达到100Mb/s，是目前已经发布的最高传输速度。

虚拟仪器的开发厂家，为扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数据处理、表达模式及其变换方面也做了许多工作，发布了各种软件，建立了数据处理的高级分析库及开发工具库(例如测量结果的谱分析、快速傅立叶变换、各种数字滤波器、卷积处理和相关函数处理、微积分、峰值和阈值检队波形发生、噪声发生、回归分析、数值运算、时域和频域分析等)，使虚拟仪器发展成为可以组建极为复杂自动测试系统的仪器系统。

近年来，国内工业现场测试技术与现代动力工程技术的发展相适应，产生了飞速发展。随着电子技术、传感器技术、计算机技术和控制技术的推广与应用，以前采用人工采集处理测试数据、手工绘制曲线和人工操作等测试技术手段正被计算机自动测控系统所代替，测量和控制精度、可靠性、稳定性和灵活性都有了很大提高，虚拟仪器正在继续迅速发展。它可以取代测量技术传统领域的各类仪器。虚拟仪器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性与经济性，因而特别适用于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高更新的测量课题和测量需求。但是，目前国内虚拟仪器在性能测试方面存在不少问题，主要包括：

(1)测试系统自动化程度不高，仍然依靠人工手动调节和测试，还有些参数不能实现自动测试；

(2)信号测量精度低，跟随速度慢，实时性差，测试系统抗干扰能力差，需要运用先进的测试理论和测试方法加以分析和改进；

(3)测试工作现场环境差，而被测信号基本都是弱电信号，噪声信号较多，目前一般的测试系统的数据处理方法简单，因此所测数据的可靠性、真实性不高，需用先进的数据处理方法进行数据处理；

(4)传统的虚拟仪器系统往往是基于PC总线、VXI总线、PXI总线以及串行口等方式，数据传输较慢，很难满足现代测试任务要求；同时采用这些总线方式设计的虚拟仪器系统往往安装麻烦，携带不方便，对需要不断变换位置工业测试任务或实验来说，该种结构的虚拟仪器使用起来显得非常不方便；

(5)传统的虚拟仪器往往只能实时采集和处理单通道数据，对需要多通道测试数据的高速工业实时测试任务或实验来说，传统虚拟仪器信号处理方法不能满足要求。

发明内容

本发明就是针对现有技术的不足，提出一种以嵌入式处理器ARMS3C2440为嵌入式处理器，复杂可编程逻辑器件CPLD(ComplexProgramable Logic Device)为控制核心的硬件平台，采用USB总线技术实现的、可热插拔的嵌入式虚拟仪器系统的信号处理方法。

本发明的基于USB总线的嵌入式虚拟仪器包括：信号采集模块、信号调理模块、显示屏，信号采集模块和信号调理模块通过USB总线连接。信号采集模块包括多个异步双端静态存储器和多个A/D转换模块，异步双端静态存储器和A/D转换模块的数量与通道数量相同；信号调理模块包括嵌入式处理器ARM S3C2440和复杂可编程逻辑器件CPLD。

其中，底层硬件层是本发明的硬件部分，以嵌入式处理器为中心，取代现有虚拟仪器配备的通用计算机，复杂可编程逻辑器件CPLDXC95144XL为控制核心，异步双端静态存储器为数据缓冲区和速度匹配器，配置USB接口等I/O设备。本发明的软件部分是以嵌入式实时操作系统为核心，向上提供应用程序接口(API)，向下是屏蔽具体硬件特性如板级支持包BSP等。嵌入式虚拟仪器的应用程序层主要是对系统的测量参数进行设置和对测量数据波形显示和分析。

本发明的信号处理方法包括：通过异步双端静态存储器和A/D转换模块实现的多通道信号采集方法、通过嵌入式处理器S3C2440嵌入式处理器和复杂可编程逻辑器件CPLD XC95144XL实现的多通道信号调理方法以及信号显示方法。系统采用嵌入式处理器ARM S3C2440为嵌入式处理器，复杂可编程逻辑器件CPLD XC95144XL为控制核心，CY7C68013为USB控制器，异步双端静态存储器为数据缓冲区，结合A/D模块、USB SIE组成三级流水线结构，使数据采集、数据缓冲、数据传输、波形显示等操作并行执行，达到了高速、多通道并行处理的要求。本发明的信号处理方法具体包括：

a.多通道信号采集方法：该方法采用多个信号采集通道同时采集多路信号，每路采集通道均有1个A/D转换芯片AD9220和1个异步双端静态存储器IDT70V24组成，设定采集时间(采样周期或采样频率)，完成本发明多通道信号的高速采集；其中主要涉及到信号高速上传方法。本发明的信号高速上传方案采用多个A/D转换芯片AD9220芯片进行信号采集，1个USB控制器芯片CY7C68013以及现在流行的通用串行总线技术实现数据通过USB总线传输，具有USB接口的设备支持即插即用，安装方便，易于扩展，且USB2.0能达到高达480Mb/s的理论传输速度，采集到的数据通过USB接口实时发送到ARM S3C2440，，如果不考虑主机USB控制器和操作系统驱动程序的影响，该发明有效数据的传输速率可以达到384Mb/s，逼近USB2.0的理论上传速率480Mb/s。

b.多通道信号调理方法：该方法对采集的信号进行数字滤波，并将信号转换为标定曲线；其中主要涉及到数据缓冲和速度匹配方法、信号仲裁和控制方法。

1)本发明涉及到的数据缓冲和速度匹配方法是采用多个高速的异步双端静态存储器IDT70V24作为高速数据缓冲和速度匹配器。该异步双端静态存储器IDT70V24通过它其中一套地址和数据总线缓存对应的A/D芯片AD9220采集到的数据；在CPLD的控制下，各个通道的异步双端静态存储器IDT70V24依次通过另外一套地址和数据总线将数据读出并写入USB控制芯片中，异步双端静态存储器IDT70V24同时起着数据缓冲和速度匹配的作用。

2)本发明涉及到的信号仲裁和控制方法是：通过CPLD XC95144XL协调USB控制器CY7C68013、异步双端静态存储器IDT70V24、以及A/D转换器AD9220各个部件的运作。CPLD XC95144XL主要作用为地址产生、片选、读写控制、冲突仲裁以及采集频率生成和选择等，是整个系统的控制核心。由于功能相当复杂，本发明采用自顶向下和自底向上相结合的方法，将整体功能分解为包括采集命令读取子模块、分频子模块、A/D采集控制子模块、异步双端静态存储器IDT70V24读控制子模块、异步双端静态存储器IDT70V24写控制子模块和仲裁子模块子功能模块。

下面介绍下各个子模块的具体作用：

I)采集命令读取子模块：用户的采集命令(包括通道选择和采集频率)发送到USB控制器CY7C68013后，该模块负责从USB控制器CY7C68013中读取用户下发的采集命令，并将命令字传给仲裁模块。

II)分频子模块：将时钟源分频以获得需要的采集频率，由仲裁模块根据用户采集命令选择分频系数和分频时钟源。该模块有多种分频系数和多个时钟源，可以组合生成多种频率的采集时钟信号。

III)A/D采集控制子模块：向用户选择的通道对应的A/D转换器AD9220提供指定的采集频率以采集数据。采集频率由分频子模块提供。

IV)异步双端静态存储器IDT70V24写控制子模块：将采集通道中A/D模块采集到的数据储通过该通道对应的异步双端静态存储器。每个采集通道均对应一块A/D芯片和一块异步双端静态存储器存储芯片，仲裁子模块根据用户采集命令使能对应的采集通道。

V)异步双端静态存储器IDT70V24读控制子模块：该子模块控制逻辑将各个选定采集通道对应的多个异步双端静态存储器视为一块存储芯片。控制逻辑将各个芯片的片选信号抽象为低地址，片内地址线作为高地址，通过地址递增，从而依次读取各块SRAM中的数据并发送到USB控制器中。

VI)仲裁子模块：核心控制模块，根据用户采集命令和USB控制器、异步双端静态存储器IDT70V24当前状态控制上述各个子模块的运作。

c.数据波形显示方法：同时保存多通道采集到的信号，显示被测信号参数值，同时绘制曲线波形，在液晶屏上显示。该方法采用主频达到400MHz的嵌入式处理器ARM S3C2440嵌入式控制器控制波形显示，可以实时显示多通道采集的信号波形。

本发明的性能评估：

(1)传输速度

为了使有效数据的采集和传输速度最大化，本发明采用异步双端静态存储器为数据中转核心，联合AD模块、USB SIE组成三级流水线结构，使数据采集、数据缓冲、数据传输各部分操作并行发生。本发明采用流水线结构，总体的传输速度符合水桶原理；

根据水桶原理：用一堆长短不一的木板来做一个木桶，那么这个木桶的容积将取决于最短的那块木板，因此该数据采集系统的传输速度S受限于各个阶段中最慢的环节，取其最小值：

S＝MIN(S1，S2，S3)(b/s)

在本发明中，A/D的最高采样频率Fad＝10Mhz，异步双端静态存储器的最高读写频率设定为Fsram＝24Mhz，USB控制器的读写频率设定为24Mhz，传输数据宽度为16bits。因此可以计算出整个采集系统的最高有效数据传输速度为S＝384Mb/s，由于有效数据打包成USB封包时上传至PC时需要添加额外的控制字段，因此USB的传输速度大于384Mb/s。

(2)并行采样

CPLD根据用户采集命令使能指定的多个采集通道，实现理论意义上的并行采样。其并行性受到PCB布线长度不同导致的信号传输时延以及A/D芯片内部处理的误差影响，不过这允许范围之内，可以忽略。

(3)连续等间隔

在流水线不发生阻塞的条件下，所有封包的各个采样点之间连续且在时间上等间隔。如果PC主机读取数据包的时间不及时并且异步双端静态存储器缓冲被塞满，则系统将停止采样，直到主机读取数据后，继续启动采样进程。

本发明和现有技术相比有以下特点：

(1)采用USB总线技术进行数据传输，单通道数据传输速率达到384Mb/s，远远高于现有虚拟仪器机系统的传输速率；

(2)采用USB接口，支持即插即用，非常适合需要不断变换位置的工业测试任务或实验；

(3)采用本发明的信号处理方法，可以实现多通道数据采集，同时采集2路被测对象所需信号，能有效保证被测对象信号采集的实时性；同时，本发明的显示模块具有双窗口显示功能，通过小窗口可以对某个区域的波形突出显示；同时可以对波形进行放大或缩小处理；

(4)本发明的自动化程度更高，从被测信号采集到信号波形输出，全部自动完成；

(5)采用嵌入式处理器作为控制器，使整个发明携带和安装更加方便，易于扩展，同时降低了系统成本；

(6)系统的抗干扰能力更强，信号采集精度更高，提高了设备的可靠性。

附图说明

图1为本发明的体系结构示意图；

图2为本发明的技术解决方案示意图；

图3为本发明的一具体实施例的流程图。

具体实施方式

本发明提出一种基于USB总线的嵌入式虚拟仪器及信号处理方法，包括以下两个方面：

(1)如图1所示，本发明的基于USB总线的嵌入式虚拟仪器包括：信号采集模块、信号调理模块、显示屏，信号采集模块和信号调理模块通过USB总线连接。信号采集模块包括两个异步双端静态存储器和两个A/D转换模块；信号调理模块包括嵌入式处理器ARM S3C2440嵌入式处理器和CPLD控制部件。

(2)如图2所示，本发明的信号处理方法包括：通过异步双端静态存储器和A/D转换模块实现的多通道信号采集方法、通过嵌入式处理器S3C2440嵌入式处理器和复杂可编程逻辑器件CPLD XC95144XL实现的多通道信号调理方法以及信号显示方法。

具体实现方式：

(1)嵌入式虚拟仪器系统上电后，开始初始化各种参数后，嵌入式虚拟仪器系统开始工作；

(2)用户的采集命令参数由嵌入式处理器ARM S3C2440通过USB总线传输到USB控制芯片CY7C68013的存储器中，USB控制芯片CY7C68013通知CPLD控制部件XC95144XL；

(3)CPLD控制部件XC95144XL根据采集命令(包括采集通道号和数据采样频率)选择指定的采样频率并选中相应的采样通道，以建立对应的采样模式。

(4)图3是本发明的具体实施流程，图中方框内的操作是并行执行的，当采样通道选中后，在CPLD控制部件XC95144XL的控制下，判断异步双端静态存储器IDT70V24缓冲区未满时，A/D转换芯片AD9220将采样到的数据存储到对应的异步双端静态存储器IDT70V24缓冲区；与此同时，当CPLD控制部件XC95144XL判断出每个通道的异步双端静态存储器IDT70V24缓冲区存储的采样数据达到一定数量，并且USB控制芯片CY7C68013缓冲区未满，CPLD控制部件XC95144XL将异步双端静态存储器IDT70V24中的数据通过异步双端静态存储器IDT70V24的另外一套数据和地址总线读出并存储到USB芯片CY7C68013中。与上面操作同步，如果USB芯片CY7C68013中的SIE(串行接口引擎)在收到指定的数据量后，将该数据封包后通过USB总线发送到嵌入式处理器。

例如实现对三相异步交流电机的测功系统。被测对象为最大扭距20N.m的三相异步交流电机，信号采集模块采集的信号包括电机速度和电机力矩。通过信号调理模块进行处理以后，经过USB总线送到显示模块输出速度-力矩波形。

Claims (1)

1.一种基于USB总线的嵌入式虚拟仪器的信号处理方法，该嵌入式虚拟仪器包括信号采集模块、信号调理模块和显示屏，信号采集模块和信号调理模块通过USB总线连接；信号采集模块包括多个异步双端静态存储器和多个A/D转换模块，异步双端静态存储器和A/D转换模块的数量与通道数量相同；信号调理模块包括嵌入式处理器ARM S3C2440和复杂可编程逻辑器件CPLD，其特征在于该嵌入式虚拟仪器的信号处理方法具体包括：

a.多通道信号采集方法：该方法采用多个信号采集通道同时采集多路信号，每路采集通道均有1个A/D转换芯片AD9220和1个异步双端静态存储器IDT70V24组成，设定采集时间完成多通道信号的高速采集和上传；其中上传方法采用多个A/D转换芯片AD9220进行信号采集，1个USB控制器芯片CY7C68013以及通用串行总线技术实现数据通过USB总线传输，具有USB接口的设备支持即插即用；

b.多通道信号调理方法：该方法对采集的信号进行数字滤波，并将信号转换为标定曲线；包括数据缓冲和速度匹配方法、信号仲裁和控制方法；

1)数据缓冲和速度匹配方法是采用多个高速的异步双端静态存储器IDT70V24作为高速数据缓冲和速度匹配器，异步双端静态存储器IDT70V24通过它其中一套地址和数据总线缓存对应的A/D转换芯片AD9220采集到的数据；在复杂可编程逻辑器件CPLD的控制下，各个通道的异步双端静态存储器IDT70V24依次通过另外一套地址和数据总线将数据读出并写入USB控制芯片CY7C68013中；

2)信号仲裁和控制方法是通过复杂可编程逻辑器件CPLD XC95144XL协调USB控制芯片CY7C68013、异步双端静态存储器IDT70V24、以及A/D转换芯片AD9220的运作；采用自顶向下和自底向上相结合的方法，将整体功能分解为包括采集命令读取子模块、分频子模块、A/D采集控制子模块、异步双端静态存储器IDT70V24读控制子模块、异步双端静态存储器IDT70V24写控制子模块和仲裁子模块，各子模块具体功能和工作过程为：

I)采集命令读取子模块：将用户的采集命令发送到USB控制芯片CY7C68013后，该子模块负责从USB控制芯片CY7C68013中读取用户下发的采集命令，并将命令字传给仲裁子模块；

II)分频子模块：将时钟源分频以获得需要的采集频率，由仲裁子模块根据用户采集命令选择分频系数和分频时钟源，该子模块有多种分频系数和多个时钟源，可以组合生成多种频率的采集时钟信号；

III)A/D采集控制子模块：向用户选择的通道对应的A/D转换芯片AD9220提供指定的采集频率以采集数据，采集频率由分频子模块提供；

IV)异步双端静态存储器IDT70V24写控制子模块：将采集通道中A/D采集控制子模块采集到的数据通过该通道对应的异步双端静态存储器IDT70V24，每个采集通道均对应一块A/D转换芯片AD9220和一块异步双端静态存储器IDT70V24，仲裁子模块根据用户采集命令使能对应的采集通道；

V)异步双端静态存储器IDT70V24读控制子模块：将各个选定采集通道对应的多个异步双端静态存储器视为一块存储芯片，控制逻辑将各个芯片的片选信号抽象为低地址，片内地址线作为高地址，在异步双端静态存储器IDT70V24缓冲区存储的数据达到一定数量后，同时USB控制芯片CY7C68013缓冲区未满的时候，通过地址递增，依次读取异步双端静态存储器IDT70V24中的数据并发送到USB控制芯片CY7C68013中；

VI)仲裁子模块：根据用户采集命令和USB控制芯片CY7C68013、异步双端静态存储器IDT70V24的当前状态控制上述各个子模块的运作；

c.数据波形显示方法：同时保存多通道采集到的信号到异步双端静态存储器IDT70V24，在复杂可编程逻辑器件CPLD XC95144XL中绘制曲线波形，在液晶屏上显示被测信号参数值和曲线波形。

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