CN1752981A - 即插即用高速多通道智能化综合数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种即插即用高速多通道智能化综合数据采集系统，具有数字信号处理器，其数字信号输入端接有模/数转换器，外部存储器接口接有随机存储器及闪存，数字信号处理器通过通用串行总线与上位机相连；所述闪存或上位机中存有数据采集与处理程序。本发明具有采集通道可扩展、可配置，可通过即插即用的连接方式动态装载数字信号进行预处理，并能够进行高速同步采集与智能等周期采集等特点。

Description

即插即用高速多通道智能化综合数据采集系统

技术领域

本发明涉及一种以高速数字信号处理器为核心的智能数据采集设备，具体地说是一种即插即用的高速多通道智能化综合数据采集系统。

背景技术

数据采集是工业中一项基础的技术手段，是获得产品、设备、环境等各方面状态数据的根本途径。能否进行准确、及时、灵活的数据采集，会对整个生产过程的工艺水平和安全性、可靠性产生直接的影响，并上升到管理层面决策的正确性等一系列问题，这些问题也直接关系到企业经营的效益和经营指标。传统的数据采集技术是通过AD芯片将模拟数据转换成数字信号，然后上传给PC机或者工控机，进行下一步的处理和应用。这样的数据采集设备结构简单，功能单一，只能在固定的一种或几种参数状态下进行工作，无法对采集到的信号进行灵活的处理。然而工业生产中需要采集的信号是多种多样的，对它们的采集也应该根据它们的幅值范围、频率范围、自相关性等自身特性以及物理环境、噪声环境等外在因素而选择不同的采集方式，并进行适合的信号处理，才能使采集到的数据更加准确、高效。

发明内容

为了解决现有数据采集系统工作方式单一，采集能力有限，无信号处理能力等问题，本发明的目的在于提供一种即插即用高速多通道智能化数据采集系统，其可以灵活对设备的采集结果进行显示保存，该系统的采集设备是动态可配置的，其工作方式和处理过程可以通过上位机进行设定与控制。

为了实现上述目的，本发明技术方案是：

具有数字信号处理器，其数字信号输入端接有模/数转换器，外部存储器接口接有随机存储器及闪存，数字信号处理器通过通用串行总线与上位机相连；所述闪存或上位机中存有数据采集与处理程序。

所述模/数转换器为多个，其中第1模/数转换器的接收帧同步引脚与数字信号处理器的发送帧同步引脚相连，第1模/数转换器的数据接收引脚与数字信号处理器的数据发送引脚相连，第1模/数转换器的同步时钟引脚同时与数字信号处理器的同步时钟输出引脚及同步时钟输入引脚相连，第1模/数转换器的数据输出引脚与第2模/数转换器的数据接收引脚相连，第1模/数转换器的发送帧同步引脚接至第2模/数转换器的接收帧同步引脚，第2模/数转换器的数据输出引脚及发送帧同步引脚以上述相同的方式与其他模/数转换器级联，最后一个即第n模/数转换器的数据输出引脚接至数字信号处理器的数据输入引脚，第n模/数转换器的发送帧同步引脚与数字信号处理器的接收帧同步引脚相连，数字信号处理器的主时钟输出端与第1～n模/数转换器的主时钟输入端相连，数字信号处理器的通用外部I/O引脚同时接至第1～n模/数转换器的片选端及复位端。

所述数据采集与处理程序的具体流程为：首先调用片上支持库函数，对系统设置进行初始化，然后对USB模块进行初始化，并通过USB口获得上位机编制的采集配置信息表，并下载相应的数字信号处理算法程序，对各个采样通道的硬件和软件状态进行配置，当所有配置完成后，就可以接受上位机指令开始进行采样；采样与上传是通过在一个主循环程序里分别响应采样中断和通信中断来实现采样与上传的并发。

下载相应的数字信号处理算法程序的具体过程为：首先通过USB口从上位机程序读取将要下载的算法程序的运行定位信息表，并与系统运行空间分配表进行比较，判断将要下载的程序所需空间是否可用，如果不可用，则将系统运行空间分配表上传给上位机，由上位机根据该表重新安排算法程序在下位机的运行空间；如果程序所需空间可用，则开始下载程序；对于压缩程序，先下载到缓冲区里进行解压缩，然后再复制到运行空间；对于非压缩程序，直接下载到运行空间；如果程序需要在下位机中永久驻留保存，则将程序烧写进闪存中。

本发明弥补了以往数据采集设备的不足，更具有如下特点：

1.采集通道可扩展：本发明采用多AD芯片级联的方式实现多通道采集，可以通过改变级联回路的方式扩展采集通道数目，使用者可以在使用采集器主体部分的基础上根据需要选择不同的采集接口板卡，从而实现最少6通道，最多144通道的数据采集；

2.采集通道可配置：本发明可以通过系统配套的PC端软件对设备的采集频率、硬件信号调理方式进行设置，使用者可以通过该设备对不同频率范围、不同幅值范围、不同环境下的各种模拟信号进行采集；

3.可动态装载的数字信号预处理：本发明信号采集设备的主控制器是高速的数字信号处理器，可以实时对采集结果进行数字信号预处理，使用者根据采集对象的不同需要，可通过PC端软件选择各种数字信号预处理算法通过USB接口进行动态装载，使设备系统直接输出采集信号的有效信息，通过这种方式，本设备在固定硬件上可以成为各种应用领域的专业数据采集器；

4.高速同步采集与智能等周期采集：本发明通过使用级联的AD芯片，本发明能够实现多通道的高速同步采集，本发明还可以指定某一通道为周期采样通道，通过设备内部数字信号处理器的计算反馈，动态自调节果样频率，实现等周期采样等特殊采样功能；采样滑动窗口技术，减少采样结果在设备中的驻留时间，提高设备采样的实时性能；

5.即插即用的连接方式：本发明通过数字信号处理器上集成的USB接口模块与PC机或工控机实现即插即用的高速通信，这使本设备在拥有高速的通信能力同时，又可以非常方便地进行安装和使用；

6.综合分析管理软件：本发明与数据采集设备配套的综合分析管理软件不但可以对采样数据进行显示、保存和处理，还可以对设备进行设置和控制，更可以通过整合数字信号处理器的编译链接工具和MATLAB(一种数学运算软件)的相应功能实现设备数字信号处理程序的高效开发。

附图说明

图1为本发明系统结构原理框图；

图2为采集设备DSP与AD连接原理图；

图3为数据采集与处理程序流程图；

图4为下载数字信号处理算法程序流程图；

图5为本发明一个采样值输出示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明具有数字信号处理器DSP，其数字信号输入端接有模/数转换器AD，外部存储器接口接有随机存储器RAM及闪存FLASH，数字信号处理器DSP通过通用串行总线USB与上位机相连；所述闪存FLASH或上位机中存有数据采集与处理程序。

本发明的数据采集设备即数据信号处理器DSP采用TI公司的TMS320VC5509，其最高可以运行在144MHZ时钟条件下，在数据信号采集过程中可实现高效数据运算处理，并且其片上集成了多通道缓冲串口、USB接口、模数转换器AD、实时时钟等多个外设，大大简化了设备的电路结构；设备可采集的电压值范围为0V～10V或者-5V～+5V，可以连接输出值在此范围内的各种类型传感器。为了保证数据通讯过程中不受干扰，系统的数据采集子系统与数字系统部分之间的通讯采用光电隔离的措施，耐压达2000V-3000V，使数据传输顺畅。设备通过USB接口直接从上位机(本实施例采用PC机)获得供电，无须外接电源。

数据信号处理器DSP通过每一个McBSP(多通道缓冲串口)级联1～8个模数转换器AD(本实施例采用AD73360)，其为6通道模拟输入的16位串行可编程A/D转换器，由于采用∑-ΔA/D转换原理，它具有良好的内置抗混叠性能，前端只需一阶RC低通滤波器即可满足要求；数据信号处理器DSP可以通过USB接口向上位机传送数据以及接收程序指令，在外接的随机存储器RAM(本实施例采用同步动态随机存储器SDRAM)中可暂存2M的采样数据；数据信号处理器DSP即可以运行保存在闪存FLASH中的程序，也可以通过USB接口从上位机下载程序。

如图2所示，数据信号处理器DSP通过片上集成的多通道缓冲串口连接多个模数转换器AD，实现多通道采集，本实施例选用的模数转换器AD芯片AD73360为六通道差分输入，且由内部寄存器标识设备号支持最多8个设备的菊花链级联，数据信号处理器DSP有三个McBSP(多通道缓冲串口)，由此，可以实现最多144个通道的同时采样；本实施例采用8个模数转换器进行级联，其中第1模数转换器AD1为主板上固定存在，其余7个模数转换器分别为扩展卡，菊花链的回路根据插卡的个数进行手动配置，具体接线为：第1模/数转换器AD1的接收帧同步引脚SDIFS1与数字信号处理器DSP的发送帧同步引脚FSX相连，第1模/数转换器AD1的数据接收引脚SDI1与数字信号处理器DSP的数据发送引脚DX相连，第1模/数转换器AD1的同步时钟引脚SCLK1同时与数字信号处理器DSP的同步时钟输出引脚CLKX及同步时钟输入引脚CLKR相连，第1模/数转换器AD1的数据输出引脚SDO1与第2模/数转换器AD2的数据接收引脚SDI2相连，第1模/数转换器AD1的发送帧同步引脚SDOFS1接至第2模/数转换器AD2的接收帧同步引脚SDIFS2，第2模/数转换器AD2的数据输出引脚SDO2及发送帧同步引脚SDOFS2以上述相同的方式与其他模/数转换器级联，最后一个即第8模/数转换器(AD8)的数据输出引脚SDO8接至数字信号处理器DSP的数据输入引脚DR，第8模/数转换器AD8的发送帧同步引脚SDOFS8与数字信号处理器DSP的接收帧同步引脚FSR相连，数字信号处理器(DSP)的主时钟输出端(CLKOUT)与第1～n模/数转换器(AD1～ADn)的主时钟输入端(MCLK1～MCLKn)相连；数据信号处理器DSP的McBSP(多通道缓冲串口)是支持多种通信方式和SPI协议的多通道缓冲串口，由于各个设备的串行时钟是同步的，所以只需要将第1模数转换器AD1的同步时钟引脚SCLK与数据信号处理器DSP的同步时钟输出引脚CLKX及同步时钟输入引脚CLKR相连；将数据信号处理器DSP的发送帧同步引脚FSX与接收帧同步引脚FSR连接在一起，形成sync frame(同步帧)的循回；本实施例中模数转换器AD(AD73360)不需要在传输过程中进行复位，即在运行时只需将低有效的复位端RESET信号置高，而模数转换器AD的片选端SE信号也是高有效，所以低有效的复位端RESET信号和高有效的片选端SE信号一并交给数据信号处理器DSP的通用外部I/O引脚XF控制，即可满足时序的要求。

如图3所示，数据信号处理器DSP的工作过程分为程序引导和正常工作两个阶段。设备上电以后首先启动存储在数据信号处理器DSP内部ROM中的引导程序，该引导程序根据外部I/O引脚的电平，选择跳转到外部存储器接口引导方式的程序段，并开始读取闪存FLASH中的程序到随机存储器RAM中，读取完毕后程序跳转到随机存储器RAM中的程序起始地址，至此，程序引导过程结束；在设备的正常工作阶段，首先调用片上支持库函数，对系统设置进行初始化，然后对USB模块进行初始化，并通过USB口获得上位机编制的采集配置表，并下载相应的信号处理算法程序，对各个采样通道的硬件和软件状态进行配置，当所有配置完成后，就可以接受上位机指令开始进行采样；采样与上传是通过在一个主循环程序里分别响应采样中断和通信中断来实现采样与上传的并发。

如图4所示，下载数字信号处理算法程序的具体过程如下：首先通过USB口从上位机程序读取将要下载的信号处理算法程序的运行定位信息表，并与系统运行空间分配表进行比较，判断将要下载的程序所需空间是否可用，如果不可用，则将系统运行空间分配表上传给上位机，由上位机根据该表重新安排算法程序在下位机的运行空间；如果程序所需空间可用，则开始下载程序；对于压缩程序，先下载到缓冲区里进行解压缩，然后在复制到运行空间；对于非压缩程序，直接下载到运行空间；如果程序需要在下位机设备中永久驻留保存，则将程序烧写进闪存FLASH中。

本设备使用滑动窗口策略对确定需要进行处理数据包。在以往的数据采集设备中，一般都用双缓冲区策略或FIFO(先进先出)策略进行数据包的缓存，这两种策略使设备始终以一数据包为单位保持相对新生成的数据，且并发对数据包进行处理；这两种策略是采集设备在数据上传时消除了对数据进行处理的延时，但又不可避免存在数据包在设备内驻留。由于本设备中采用的是高频率的数字信号处理器，对采样结果的处理可以在极短的时间内完成，故系统的主要不再是信号处理时间而是数据包的驻留，所以设备采用滑动窗口技术，使上传的数据包始终是当前时刻的最新值，然后经过极高速的处理以后进行上传，大大降低了采集设备的延时，提高了设备的实时性能。

使用本发明时，本实施例以采集旋转类设备振动信号为例，首先根据振动信号采集和分析的需要，在上位机挂接的CCS(其为一种软件开发环境)上开发滤波、FFT(快速傅立叶变换)以及轴心轨迹等处理算法，并转换成目标数字信号处理器DSP能够执行的二进制文件包；进行数据采集时，将设备与主机通过通用串行总线USB进行连接，待主机正确加载USB设备驱动后，在综合管理程序中设定要采集的通道数目，采样频率，各通道的增益放大系数等参数，和所需的处理程序包一并下载到采集设备中，待采集设备通道设定和程序加载成功以后，便可以启动采样；采样数据和处理结果通过管理程序实时连续显示，如图5所示，并进行实时保存，以供进一步分析处理。

综上所述，本发明采样高速数字信号处理器，使数据采集设备不但能够实现多通道，高速数据的采集和上传，还可以根据需要设定采集参数并对采集结果进行实时的数字信号处理；使用本发明可以通过开发有各种处理程序与算法并下载到数据采集设备中，使其成为有领域针对性的专业数据采集设备。

Claims (6)

1.一种即插即用高速多通道智能化综合数据采集系统，其特征在于：具有数字信号处理器(DSP)，其数字信号输入端接有模/数转换器(AD)，外部存储器接口接有随机存储器(RAM)及闪存(FLASH)，数字信号处理器(DSP)通过通用串行总线(USB)与上位机相连；所述闪存(FLASH)或上位机中存有数据采集与处理程序。

2.按权利要求1所述的即插即用高速多通道智能化综合数据采集系统，其特征在于：所述模/数转换器(AD)为多个，其中第1模/数转换器(AD1)的接收帧同步引脚(SDIFS1)与数字信号处理器(DSP)的发送帧同步引脚(FSX)相连，第1模/数转换器(AD1)的数据接收引脚(SDI1)与数字信号处理器(DSP)的数据发送引脚(DX)相连，第1模/数转换器(AD1)的同步时钟引脚(SCLK1)同时与数字信号处理器(DSP)的同步时钟输出引脚(CLKX)及同步时钟输入引脚(CLKR)相连，第1模/数转换器(AD1)的数据输出引脚(SDO1)与第2模/数转换器(AD2)的数据接收引脚(SDI2)相连，第1模/数转换器(AD1)的发送帧同步引脚(SDOFS1)接至第2模/数转换器(AD2)的接收帧同步引脚(SDIFS2)，第2模/数转换器(AD2)的数据输出引脚(SDO2)及发送帧同步引脚(SDOFS2)以上述相同的方式与其他模/数转换器级联，最后一个即第n模/数转换器(ADn)的数据输出引脚(SDOn)接至数字信号处理器(DSP)的数据输入引脚(DR)，第n模/数转换器(ADn)的发送帧同步引脚(SDOFSn)与数字信号处理器(DSP)的接收帧同步引脚(FSR)相连，数字信号处理器(DSP)的主时钟输出端(CLKOUT)与第1～n模/数转换器(AD1～ADn)的主时钟输入端(MCLK1～MCLKn)相连，数字信号处理器(DSP)的通用外部I/O引脚(XF)同时接至第1～n模/数转换器(AD1～ADn)的片选端(SE1～SEn)及复位端(RESET1～RESETn)。

3.按权利要求1所述的即插即用高速多通道智能化综合数据采集系统，其特征在于：所述模/数转换器(AD)与数字信号处理器(DSP)之间设有光电隔离器。

4.按权利要求1所述的即插即用高速多通道智能化综合数据采集系统，其特征在于所述数据采集与处理程序的具体流程为：首先调用片上支持库函数，对系统设置进行初始化，然后对USB模块进行初始化，并通过USB口获得上位机编制的采集配置信息表，并下载相应的数字信号处理算法程序，对各个采样通道的硬件和软件状态进行配置，当所有配置完成后，就可以接受上位机指令开始进行采样；采样与上传是通过在一个主循环程序里分别响应采样中断和通信中断来实现采样与上传的并发。

5.按权利要求1所述的即插即用高速多通道智能化综合数据采集系统，其特征在于下载相应的数字信号处理算法程序的具体过程为：首先通过USB口从上位机程序读取将要下载的算法程序的运行定位信息表，并与系统运行空间分配表进行比较，判断将要下载的程序所需空间是否可用，如果不可用，则将系统运行空间分配表上传给上位机，由上位机根据该表重新安排算法程序在下位机的运行空间；如果程序所需空间可用，则开始下载程序；对于压缩程序，先下载到缓冲区里进行解压缩，然后再复制到运行空间；对于非压缩程序，直接下载到运行空间；如果程序需要在下位机中永久驻留保存，则将程序烧写进闪存(FLASH)中。

6.按权利要求1所述的即插即用高速多通道智能化综合数据采集系统，其特征在于：所述上位机为PC机或工控机。

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