信号采集和处理系统（精选9篇）
信号采集和处理系统 篇1
摘要：随着我国铁路事业的高速发展, 对机车的安全性要求也越来越高。有效的数据采集是确保机车安全可靠运行的保障之一, 同时也是机车故障诊断系统的重要组成部分。准确的采集机车运行时的状态信息, 对机车的安全运行至关重要。简要探讨了机车制动系统信号的数据采集和处理方式。
关键词：制动系统,信号采集,模拟信号,开关量信号
0引言
随着我国综合国力的提高以及轨道交通运输业的迅猛发展, 铁路运输以其安全性能好、能源消耗少、环境污染低和经济效益好等诸多的优点成为了安全可靠的现代化交通工具轨。机车作为铁路运输的关键组成部分, 其运行状态的质量关系着整个铁路运输系统的质量, 而机车制动系统是机车所有的系统中最重要的系统, 一次轨道交通对制动系统的安全性、稳定性和可靠性提出了更高的要求。如果机车在行车中制动系统出现故障或存在隐患, 而不能被及时发现和处理, 将直接危及车辆、旅客和物资的安全, 造成重大损失。因此, 如何保障制动系统的稳定性、可靠性, 实时有效的信号采集和处理是制动系统重要的组成部分, 通过对进行信号的转换、处理, 能够采集并传输机车制动系统的状态数据, 进行数据的分析和故障诊断, 能促进对机车运行质量信息的监控, 有效实施确保机车制动系统的稳定性和可靠性。
1系统的主要功能和总体结构
考虑机车制动系统的实用性和经济性, 因此, 机车制动系统所要采集的信号有两部分组成, 包括大小闸以及制动柜上管路的压力开关和传感器的采集。
本系统以BCU制动控制单元与显示屏作为核心, BCU通过采集的数据进行处理, 再将一些重要的信号通过网络传输给制动显示屏, 给现场的司乘和技术人员提供一个简便且界面友好的制动信息监视, 各种机车运行状态的监视以及故障的浏览、存储和查询, 保证故障的及时解决。图1为系统的总体框图。
国外先进的机车制动机大多采用微机控制电空制动机系统, 如Knorr 、Faiveley等公司的先进的机车制动系统。株机公司研制的新一代具有微机模拟控制的网络机车电空制动机, 为了符合国际上先进制动机的技术发展的趋势, 机车制动系统也需要采集实时、稳定的制动机的状态参数。对制动控制单元输入信号的正确采集是确保制动系统控制安全可靠的保证。
2系统采集信号的选择
2.1 模拟信号的选择
在模拟信号的采集中, 有电压和电流信号采集, 电压和电流信号分别用于不同的场合。对于信号传输距离较长 (>200 m) 时, 一般采用用标准的电流来传输信号。信号在传输的过程中容易衰减, 而干扰信号一般是电压信号, 电压信号的传输距离越长, 信号衰减得越厉害, 而电流信号的抗干扰能力强, 传输线路长。
如果1个模拟电压信号从发送点通过长的电缆传输到接收点, 那么信号可能很容易失真。原因是电压信号经过发送电路的输出阻抗, 电缆的电阻以及接触电阻形成了电压降损失。由此造成的传输误差就是接收电路的输入偏置电流乘以上述各个电阻的和。
如果1个电流源作为发送电路, 它提供的电流信号始终是所希望的电流而与电缆的电阻以及接触电阻无关, 也就是说, 电流信号的传输是不受硬件设备配置的影响的。同电压信号传输的方法正相反, 由于接收电路低的输入阻抗和对地悬浮的电流源 (电流源的实际输出阻抗与接收电路的输入阻抗形成并联回路) 使得电磁干扰对电流信号的传输不会产生大的影响。
2.2 4-20mA电流信号理论传输距离计算
4-20mA电流传输距离的理论计算如下:
2Ln=L=S*r/ρ
r= (V-△V-16) /Imax-RL
其中V=24v, △V=1.2v, ρ=0.021 7Ω.mm2/m (铜的电阻率) , RL常见的有250 Ω, 100 Ω。根据公式可以算出其理论距离, 其截面大多选择S=1.5和1.0 mm2的居多。代入上式得到L1=3 310 m, L2=1 659 m
根据应用者的经验, 当对于信号传输距离较长 (>200 m) 时, 一般采用用标准的电流来传输信号。
2.3 0-10 V电压信号理论传输距离计算
0-10 V电压传输距离的理论计算如下:
R=ρ*L/S
Vi=V-R*I
通过以上公式可以算出信号传输的距离。
在机车制动系统电压信号和电流信号的传输距离一般在100 m以内, 都在2种信号所能采用的有效范围之内, 从理论计算的角度来讲, 采取两种方式的任何一种都满足使用要求。
3系统采集模块的硬件设计
机车上为了降低干扰的影响, 系统硬件从选用隔离器件、屏蔽、电源、接地和软件设计等几个方面实行了抗干扰措施。在开关电源的周围加接压敏电阻和阻容滤波, 可有效地滤去电源中的高频干扰。在机车系统中, 传输信号较多, 引线较长, 不能忽略其带来的干扰。特别是制动系统的网络传输电缆、传感器的电缆、大小闸模拟信号电缆应该选择屏蔽电缆或屏蔽双绞线, 同时应该远离电源线或者是高电压大电流器件。为防止振动对信号线的影响, 对信号线进行很好的固定, 同时使所有的信号线很好的绝缘, 防止由接触引入的干扰。下面主要针对开关量信号和模拟信号进行探讨。
3.1 开关量信号通道的采集
由于机车控制110V电压是有波动的, 根据技术要求, 当输入在0～77 V时认为输入为0, 当输入在77～137.5 V时, 认为输入为1。在开关量输入单元包括电阻网络降压单元、稳压管限幅单元、电容滤波单元、光电隔离单元以及施密特触发器, 输入信号经依次相连的电阻网络降压单元、稳压管限幅单元、电容滤波单元、光电隔离单元、施密特触发器后送至主控制单元的输入端, 再经主控制单元输出。其开关量的输入板电路如图2所示。
其中光电隔离设计如图3。在设计中, 通过调整稳压管和分压电阻的值来改变光耦的导通临界值。在光耦输出端, 通过1K电阻连接施密特触发器。经查TLP624的器件手册可知, 光耦启动和关断时间分别为100 ms和300 ms, 有比较大的时延。所以用施密特触发器来优化输出波形, 使信号的边沿跳变时间大于ns级, 并把信号送给CPU, 以保证信号的完整性。这种电路可靠性很高, 抗干扰能力强, 能适应机车上的恶劣工作环境。
3.2 模拟量信号通道的采集
工业上通用的电压信号0～5 V或者0～10 V, 电流信号0～20 mA或4～20 mA作为模拟信号的传输方法。机车制动系统中采集的这里的模拟信号是指电压信号 (0～10 V) 和电流信号 (4～20 mA) 。
在远距离传输或使用环境中电磁干扰较大的场合, 电压输出型传感器的使用受到了极大限制, 暴露了抗干扰能力较差, 线路损耗破坏了精度等缺点。根据一些实际应用, 传输距离一般在200 m左右, 如果需要传输更远的距离, 则需要使用差分电路进行传输, 而两线制电流输出型变送器以其具有极高的抗干扰能力得到了广泛应用。
如果采用4～20 mA电流信号传输时, 传输距离过长时, 可采用增加传输导线截面积的方法来提高其传送效果, 表1是信号系统传输时导线距离与截面积参考值。
模拟量输入单元主要用来采集传感器送来的电流信号, 4～20 mA的电流信号, 经过整形转换成0～5 V的电压信号, 再通过限幅、滤波403等处理后送到ADS8344芯片4010进行模数转换。电路采用16位精度的采样芯片, 通过隔离将模拟信号转换成数字信号到主控制单元进行运算。单块模拟板包含14路4～20 mA电流信号输入通道和2路0～10 V电压信号输入通道。从传感器来的4～20 mA电流, 经过RCV420 (402) 转换为0～5 V电压。0～10 V电压信号经过OP37 (407) 转换为0～5 V电压。由于机车上电磁环境复杂, 会对模拟输入信号产生干扰, 因此模拟信号进行A/D转换器之前还必须进行滤波403消除干扰。如图4所示。
4系统的软件设计实现
从大/小闸过来的开关量信号可能会由于干扰而引起误动作, 为此只当信号持续一段时间后才确定采集该信号有效信号。由于空气流动的特性会使压力在管路中出现涌动现象, 所以在软件设计方面需要考虑避免由均衡和列车管压力的涌动引起误动作, 因此, 在软件方面采取将采集来的均衡和列车管压力经过滤波及分段处理来获得列车管压力的精确值。然后通过比较均衡管压力值与特定目标值以确定电空阀得电与失电, 从而实现由制动机控制机车和车辆的制动与缓解。在某一闸位上有可能是制动过程, 也可能是缓解过程, 所以就要判断这一位置是缓解还是制动, 这就要求判断列车管压力流量是上升还是下降, 在这个过程中要进行一定时间范围内排除压力波动的设计, 准确判断出列车管的上升下降状态, 进而控制相应电空阀的得失电。
5结语
本论文简要探讨了机车制动系统的采集系统, 机车制动系的信号采集主要包括开关量、模拟信号的采集。其开关量的采集的处理是通过硬件进行去抖动。对模拟量的信号采集, 比较了两种信号的抗干扰能力以及在实际应用中的传输距离。开关量输入/输出信号、4～20 mA模拟量信号采用上述方法已经在SS4升级改进制动机上采用, 实现了信号控制基本功能, 大小闸0～10 V模拟信号采集已经应用在160 km/h机车, 其稳定性有待于进一步验证和探讨。
参考文献
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[3]李永平, 王立德, 王宝华.机车状态信息采集系统[J].今日电子, 2005 (5) :87-89.
信号采集和处理系统 篇2
关键词：开关量；RS485；STC89C51；控制模块
Design of Switch Signal Acquisition Card with 32-Channels
FAN Chen，LI Na-na，CAO Fan，YANG Zhen-kun
（Xi an University City College，Shanxi Xi' An 710018）
Abstract: Aiming at control of switch quantity the method of controlling by communication between supervisory computer and controller board was come up with. A type of controller board with RS485 and modbus interface that takes STC89C51 as its core was designed. Some function comes true，such as collecting single-numbers，controling，displaying，judging and running operations.
Keywords: switch quantity；RS485；STC89C51；controller board
在现代工业控制系统中，各级设备的启动、停止，对整个系统的运行状况有着一定的影响，对这些装置开关量信号的采集、动作时序的记录也显得尤为重要[1]。因此有必要设计一种开关量信号采集卡，来对这些信号进行采集，以便对设备运行状态、生产事故的检测和分析及查询提供依据。本文介绍的32通道开关信号采集卡采用增强型STC89C51单片机为核心，可对32路开关量输入信号进行采集，对开关量的跳变波形及发生时间进行实时测量，并将数据上传至上位机历史数据库。同时，可通过与上位机软件的配合对历史数据进行查询，以分析系统运行情况。
采集卡留有UART通讯接口，与控制器联网，将采集的数据输送到控制器处理后，再发送到工作站显示状态，并同时记录事件发生的时间和状态，将记录的数据存入工作站历史数据库。
1 信号采集卡总体设计
采集卡在卡件主面板上以32 通道LED灯指示通道信号状态，同时在通道与通道之间、通道与底板之间进行隔离，并实现了与现场的电磁屏蔽，以保证测量到的信号不受干扰。采集卡模块指标[2]如表1所示。
同时，采集卡通过UART通讯接口，通讯物理层使用RS-485总线驱动芯片SN65LBC184，通讯协议采用modbus协议，与控制器联网，将所采集的数据发送到控制器中。
2 采集卡硬件设计
32通道开关量信号采集卡硬件电路由信号采集电路、单片机系统、通讯接口电路、外接引脚、人机接口五部分组成，其硬件电路结构示意图如图1所示。
2.1 开关量信号采集电路
开关量信号采集电路是实现将现场的各路开关量信号采集送入处理芯片内，实际设计中采用增强型STC89C51单片机。现场32路开关量信号接入卡件测量端子，由于考虑到现场信号的波动和干扰，为了保证系统稳定、可靠运行，防止各类现场及电源干扰对系统的影响，通道中采用了光电耦合器，将卡件内部与现场输入信号进行隔离，从而实现信号的准确测量。实际设计中，采用了TLP521-4型光电耦合器，卡件测量通路的结构框图如图2所示。经过光电耦合器隔离转化后的信号，通过双向总线驱动器与处理芯片的数据总线相连接，将数据送入处理芯片STC89C51中进行处理[3]。
2.2 RS-485通讯电路
RS-485通讯电路的主要作用是将开关量输入数据上传给上位机，从上位机接收开关量输出数据，并和上位机保持实时通信。单片机串口信号TXD和RXD以及控制信号P4.2与SN65ALS176D连接。SN65ALS176D是SN5176行业标准范围内的差分数据线收发器。采用这类电路可提供可靠的低成本的直连(不带绝缘变压器)数据线接口，不需要任何外部元件，就可以完成将RS-485总线标准信号发送到Modbus网络中。
2.3 单片机系统
处理芯片选用增强型STC89C51，具有超强抗干扰能力，可抵抗4 kV快速脉冲干扰(EFT)，抗静电能力强，超宽工作电压范围可达5.5～3.4 V(5 V单片机)。而且，内部电源供电系统经过特殊处理，大大的降低了电源带来的外部干扰。片上集成大容量的RAM(1280)个字节。超低功耗，Power Down<0.1 μA，可外部中断唤醒，中断优先级可设置成4级(IP，IPH，并增加2个外部中断，Int2/P4.3，Int3/P4.2)，还集成了8位A/D转换器。STC89C51 的较小的封装和极低的功耗使其可理想地用于小型系统中，如访问、控制。同时，由于在系统运行中各种干扰等因素的影响，往往会引起程序运行出现死循环后跑飞现象，系统中还采用了内部的watchdog电路[4]。
2.4 通讯接口电路
为了使测量卡件能够有效的将采集到的数据发送给控制器，卡件设计了UART串口电路。通过串口，卡件可根据上位机的操作命令，完成有关的数据传送、参数调整和时钟校对等任务。卡件采用RS-485通讯，它是专为串行通讯模式设计的，输出端还接有稳压管保护电路，接口电路如图3所示。卡件模块及其外接电路引脚卡件通过专用引脚与卡件底板相连接，以传输采集到的信号。
nlc202309031619
2.5 人机接口
卡件采用串口通讯与控制器通讯，再将测量的信号上传到上位机，由上位机的组态画面显示，人机界面友好，数据可用于系统组态、历史数据查询等操作，同时可以实现过程控制SOE查询，通过与其配套使用的SOE软件，可实现去除抖动、削峰、削谷等功能，实现了SOE事故追忆和查询，其精度可达到1 ms级。
2.6 扩展接口
卡件带有扩展接口，可以扩展为64通道开光量信号采集卡或者32通道开关量信号采集和16通道开关量控制卡。
3 采集卡软件设计
卡件软件设计采用模块化结构。全部软件包括主程序、中断服务子程序等。其中主程序用来巡回检测和执行上位机送来的命令。中断服务子程序分为溢出中断子程序和串行口中断子程序，前者用于开关量跳变信号的采集，后者用于接收上位机发来的数据。
3.1 主程序
卡件上电后，进入主程序，流程图如图4所示。首先判断卡件是否为上电复位，如果不是上电复位，则通过死机恢复处理后直接进入巡回检测阶段；如果是上电复位，则先进行卡件自检及初始化，包括设置堆栈指针，清内存，设置时间常数等，然后允许中断，进入正常的巡回处理程序。可以通过参数设置，改变开关量跳变时间、状态采集等功能。如果在主程序中检测到程序中定义的接收数据标志位置位，表明单片机已接收到上位机发出的数据，接收数据过程由串行口中断子程序来完成。根据上位机的数据，测量卡件作出相应的响应，或回送数据，或参数设置[5]。
void main(void)
{
initProg();//系统初始化
while(1) //任务死循环
{
timeProc();//定时处理程序
checkComm0Modbus();//modbus协议处理程序
WDT_CONTR=0x35; //看门狗重新计数
}
}
基于如上所示的超级循环结构的系统既可靠又安全。并且总体结构很简单，易于理解。
3.2 初始化子程序
单片机初始化程序的作用是将单片机初始化到一个已知状态，并且使串口处于接收状态，为进入工作循环做好准备。系统上电复位后，单片机会立即调用初始化子程序，初始化子程序代码包括：
◇ 初始化单片机内部寄存器、定时器T0和串口并且开中断；
◇ 初始化单片机内部看门狗寄存器；
◇ 初始化温度传感器LM73；
◇ 单片机串口波特率设置，以及将串口设置为接收状态。
◇ 读取单片机在Modbus总线中的器件地址。
3.3 中断服务子程序
信号采集服务子程序主要完成发生动作的开关量信号的采集，由溢出中断来实现，每0.5 ms中断一次。实现对开关信号的周期采集，为信号的通讯提供准备。
3.4 通讯子程序
通讯服务子程序主要指的是对上位机数据的接收子程序，由串行口中断来实现。而发送回上位机的数据大多为开关量记录信息，数据量较大，主要在主程序中完成。同时，可以设置通讯时波特率的大小，此项在卡件参数设置中可实现。
4 仿真与测试
系统的上位机软件设计用的是太力信息产业有限公司的组态软件EpSynall。EPSynall系统是一个全开放的电力自动化系统开发平台，它拥有稳定可靠、快速高效、扩展性强、兼容性好的电力专业SCADA功能，可作为各种电力应用的基本SCADA平台使用[6]。
5 结束语
开关量控制板带有RS485 接口，可以方便地接入到RS485 网络中，上位机通过与其通讯来实现对开关量输出的控制，与传统的开关量控制方式相比较可有效提高控制系统的自动化程度，拥有较好的扩展性，可将多块控制板接入到同一个控制网络中从而达到扩展更多路开关量输出的目的。且通过改变上位机及控制板程序便可实现不同的控制方法，从而适用于不同的控制场合。目前该卡件已投入使用。各项性能指标皆达到原设计要求，运行可靠，状况良好，可广泛适用于化工、冶金、电力等行业工业过程中，实现开关量的采集，事故追忆等功能。
参考文献
[1] 王家桢.调节器与执行器[M].北京：清华大学出版社，2003：34-46.
[2] 张靖.检测技术与系统设计[M].北京：中国电力出版社，2002 ：308-340.
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[6] 钟肇新.可编程控制器原理及应用[M].武汉：华南理工大学出版社，2002：50-53.
作者简介
樊 琛(1983-)，女，山东济南人。西安交通大学城市学院机械工程系，助教。
信号采集和处理系统 篇3
激光多普勒测振计是实现声- 光耦合、浅海地形遥感探测的重要组成部分,激光多普勒测振计应用多普勒效应,利用激光的高相干性测量水面的振动速度,进而获取水下声信息[2]。由于激光多普勒测振计实现声光探测的真实工作环境为动态水面,水面处回波信号光会因动态水面波动而发生实时改变,致使回波信号光偏离测振计接收视场范围,造成信号丢失,影响系统的探测率。因此,采用多路激光多普勒测振计实施测量,可提高回波信号光的捕获概率,增强系统的适用性。
综合考虑多路激光多普勒测振计的工作环境特点以及系统输出信号的频谱特征,采用数据采集卡PCI5616 设计实现多路激光多普勒测振计的信号采集和处理,进而获取水面的振动信息和水下声信号的分布特征[3,4]。
1 信号采集和处理系统设计
1. 1 数据采集卡PCI5616
数据采集卡PCI5616 是一款4 通道同步并行高速数据采集卡,非实时采集时每通道的最高采样率可同时达到5 MSimple · s- 1,内部A/D的转换精度为16 bit,并配有16 k B的FIFO,且板载缓存可增加至512 MB。 同时,兼容32 位PCI Specification Version2. 1 总线接口标准,具有即插即用( Pn P) 的功能,并支持DMA实时数据传输。利用PCI5616 的并行同步扩展总线还可扩展得到更多数据采集通道,实现多通道高速动态信号的实时记录,满足多通道并行同步采集的应用需求[5,6,7]。
因此,基于PCI5616 数据采集卡,可选用VC ++ 开发工具,实时实现多路激光多普勒测振计的信号采集,并能够对采集信号进行处理,最终获得水面的振动信息和水下声信号特征。
1. 2 信号采集
信号采集采用Windows消息机制实现,以更好满足实时采集中响应时间的要求,操作界面的具体设计流程如图1 所示。在信号采集工作开始前,首先在硬盘中创建16 进制数据存储文件,用于保存实时采集得到的信号。其次,打开动态库,将信号采集所需的采集类函数封装在Open Topdll( ) 函数中,完成采集准备工作,PCI5616 采集卡中的采集类函数都是以dll形式给出的。
准备工作完成之后,首先分配系统内存,确定采集到的信号的临时存放位置。其次,设置系统参数,包括通道耦合方式、通道滤波器带宽、K系数、每通道量程范围、每通道偏移量、通道采集是否允许、采集触发模式、触发源类别、总线触发逻辑、通道触发逻辑及触发电平值、采样时钟源、采集长度、外时钟频率等,以上采集参数均需在每次采集前重新确认设置。待设置部分参数只需设为相应的索引值即可,例如Ctrl Block[i].smpclk_idx[j]= 2,表明设定PCI5616 数据采集卡的每通道采样率为2 MSimple·s- 1。
采集参数设置完毕,数据采集卡调用采集函数p Top Dll Ex→ Acq ( i,0xff) 启动数据采集,并发送消息Top_Trgevent到上层应用程序。当数据采集卡工作在触发方式时,当且仅当外触发信号到达后,数据采集卡才能保存指定长度的数据,指定的数据长度即为参数设置中设定的采集长度。指定长度的数据采集结束后,系统将不再保存采集得到的数据,并发送Top _Acqover消息结束采集过程。单次数据采集结束后,调用Status Check函数,检测采集卡的当前状态,并将该状态信息返回到相关结构变量中,以进行后续数据读取操作。数据采集卡的工作状态包括准备采集、正在采集以及结束采集3 种。在数据读取时,调用Pack函数取出采集卡保存的数据,并将该部分数据写入数据采集开始前创建的数据存储文件中。然后,调用this→Invalidate( TRUE) 和On Draw( ) 函数,实时显示本次采集到的数据信息。
如需再次进行信号采集,则要重新设置采集参数,依次执行信号采集命令。否则,调用函数Stopacq( ) ,终止采集卡的工作过程,并在MFC视图类中执行动态库关闭命令( Close Topdll命令) 。
1. 2. 1 数据采集卡的控制
数据采集卡控制功能的实现在于准确调用数据采集卡PCI5616 提供的API函数,API函数是以动态链接库的形式提供的,该类函数的调用顺序要符合逻辑要求。通过调用相关API函数,即可实现对数据采集卡硬件的控制,达到层次性结构管理的目的。此外,为实现操作系统的实时控制,可采用直接处理硬件实时中断服务工作方式。
图2 所示为API函数的调用流程。首先,对数据采集系统进行自检和初始化处理; 其次,调用采集类函数,依次执行硬件参数设置、采集启动、采集卡状态检测以及数据打包和头文件信息获取等功能命令; 最后,关闭动态库,完成API函数的调用。每次数据采集时,上述函数的调用过程均需顺序执行一次。
1. 2. 2 采集信号的显示和保存
( 1) 信号显示。信号采集处理系统要求具有丰富的操作功能,主要包括采集信号的实时显示、保存、采集方式的选择以及每通道量程和采样率的设定。在采集方式方面,由于信号采集处理系统是利用脉冲信号触发而开始信号采集的,且每次触发的时间间隔为1 s或2 s。所以,信号采集选用多次采集的工作方式。其次,每通道的量程可以在 ± 10 V、± 5 V、± 2 V和 ± 1 V中切换。由于数据采集卡PCI5616 的非实时采集最高采样率为5 MSimple·s- 1/ 通道,实时采集最高采样率为2 MSimple·s- 1/ 通道,因此,数据采集处理系统设定为采样率可选形式,以满足不同的应用场合。
信号采集处理系统要求具备采集信号的实时显示功能以及信号处理结果的实时显示功能,因此,在信号显示功能实现过程中,借助Windows API函数invalidate( ) 实现该要求。Invalidate ( true) 函数的作用是擦除显示背景,使整个显示窗口客户区无效,表明窗口客户区需要重绘。同时,Windows会在应用程序的消息队列中,调用消息处理函数On Draw( ) ,并放置WM_PAINT消息,最终实现数据的显示[8,9]。
( 2) 信号保存。在实时显示采集信号的同时,还要进行采集信号的实时保存,以满足激光多普勒测振计输出信号的离线分析和后处理需求。以4 通道信号采集为例,信号保存结构如图3 所示,数据头记录了数据采集卡以及本次采集的相关信息,而4 个通道的信号则是以采集时间为准,逐一保存在数据存储文件中的,在4 个通道信号的第一点数据全部保存结束之后,再依次记录4 个通道的后续采样结果。
1. 3 信号处理
信号处理是激光多普勒测振计有效获取水面振动信息的重要手段,信号处理算法如图4 所示,可分别借助离线处理和在线处理两种方式实现。离线处理方式中,数据采集卡PCI5616 采集并保存原始信号,再利用Matlab对该信号进行离线处理,进而提取水面的振动信息; 在线处理方式中,直接对采集得到的信号进行处理,并实时在线显示处理结果,较离线处理方式而言,在线处理实时性强,缩短了系统的反应时间。
2 性能测试与实验结果
多路激光多普勒测振计的信号采集和处理的操作界面如图5 所示,工具栏中包含文件、编辑、查看、量程、采样率等内容,可设定采集数据保存路径以及数据采集参数。另外,增加4 个快速访问按钮,以使初始化系统、采集次数设定以及停止采集的控制更加便捷。根据激光多普勒测振计信号采集的要求,采集过程可分别设定为单次采集、多次采集和连续采集3 种方式[10,11]。
为验证激光多普勒测振计信号采集和处理系统的工作性能,进行了一系列实验验证,主要包括实验室内模拟实验和外场实验。
实验室内,设定数据采集卡PCI5616 的采样通道数为2、每通道采样率为2 MSimple·s- 1、量程范围为± 2 V。图5 所示为信号采集和处理系统双通道信号采集的实时显示结果,一路信号为频率为1 k Hz、幅值为1. 5 V的正弦信号采集显示,另一路为未连接信号时数据采集卡的固有输出显示结果[12,13,14]。
在浙江省千岛湖进行的水声信号外场测量实验中,数据采集卡PCI5616 实时采集并保存激光多普勒测振计输出的两路信号I( t) 和Q( t) ,且数据采集卡工作在外触发方式。激光多普勒测振计两路信号的分布规律如图6 所示,纵坐标为信号幅值,横坐标是数据采集卡采样点数。实际测量环境下,湖面的晃动导致水面处的回波光信号偏离激光多普勒测振计的接收视场。因而,图6( a) 中PCI5616 采集得到的激光多普勒测振计的输出信号时断时续,且返回接收视场的回波光信号越强,信号的幅值越大。图6( b) 为有回波信号返回系统时激光多普勒测振计输出信号的细节信息。由此证明,信号采集和处理系统工作正常,能够满足激光多普勒测振计的信号采集处理需求。
3 结束语
本文基于数据采集卡PCI5616 设计实现了用于激光多普勒测振计的信号采集和处理系统,系统的采集方式、采样速率、量程范围等参数均可调。实验表明,该系统可达到激光多普勒测振计的信号采集和处理要求,能有效实现实际水面的振动信号的采集、存储和在线实时处理。因此,对于水面振动特征的提取以及水下声信号的获得具有重要的现实意义。
摘要：为实现激光-水声浅海地形遥感探测中,激光多普勒测振计的数据采集和处理,解决数据采集处理中采样率低、人机界面操作不便、在线处理不及时、采样通道数目少等问题,设计了一种可视化的信号采集和处理系统。借助VC++编程技术,对PCI5616数据采集卡进行了二次开发,实现了激光多普勒测振计输出信号的采集、实时显示、保存以及在线处理。实验表明,该信号采集处理系统能满足实际水面测量的工作需求,有效实现了激光多普勒测振计输出信号的实时采集与处理,并具有操作灵活、实时性强、集成度高等特点。
信号采集和处理系统 篇4
摘要：采用FPGA和DSP的结构实现实时图像采集处理系统，利用FPGA运行速度快、并行处理能力强的优势，采用“对数拉伸”算法对摄像头采集的数据进行前期预处理，达到图像增强，使得停车场类昏暗光线图像亮度分布不均匀的图像变得清晰；利用DsP具有较强处理复杂算法的优势，对FPGA传送过来的分块图像数据采用JPEG并行压缩算法进行图像的压缩，实验结果表明，图像增强模块能够明显改善图片质量，FPGA和DSP的结构能够很好的满足系统实时性的要求，
关键词：FPGA；DSP；图像采集；图像增强；图像压缩
DOI：10.15938/j.jhust.2016.04.008
中图分类号：TP391.41
文献标志码：A
文章编号：1007-2683（2016）04-0040-05
0引言
随着现代技术的发展和人们对图像采集处理质量需求的不断提升，对图像采集系统的性能和实时性提出了更高的要求，而对于数据量大、噪声干扰严重的图像数据，采用单个DsP芯片难以满足系统的性能和实时性的要求，用FPGA对图像进行预处理并实现对DSP的控制与管理，就可以很好的解决了这类问题，本系统针对停车场类昏暗光线图像，利用FPGA采用零有效视频信号提取算法提取出输入的有效的YUV视频数据，采用对数拉伸增强算法对图像进行预处理，预处理后的图像送入到DSP内采用并行JPEG压缩算法对数据进行压缩，仿真结果表明，图像增强模块使昏暗光线图像明显增强，数据压缩后使信息传输量减少20%，能很好地满足系统实时陛要求，
1.实时图像采集处理系统总体结构
系统总体框图如图1所示，系统分为9个模块，FPGA内包含的模块有视频解码模块，12C配置模块，视频帧存模块，去除隔行模块，视频增强模块，DSP接口模块，
DSP芯片内包含的模块有图像数据接口模块，图像数据缓存模块，图像压缩模块，通过CCD摄像头对视频进行采集，图像数据送入视频A/D转换芯
2.1视频解码模块设计
视频解码模块接受模数转换器ADV71781 B的YUV数字信号，这些数字信号中包含有场参考信号VS、行参考信号HS和奇偶场信号，要对YUV信号分别进行处理必须从图像数据中提取出有效的Y、u、V数据，摄像头采集的数据经过ADV7181B转片中，经12C总线对视频A/D转换芯片初始化，完成控制寄存器的配置，使其上电后进人工作模式；A/D转换芯片输出图像送人视频解码模块，视频解码模块接收A/D转换的视频流后对视频流进行解码，产生YUV数据；视频帧存储模块采用乒乓存储算法结构对YUV数据进行存储，使YUV图像数据转化成并行数据；为了增强视频效果，消除抖动闪烁去除隔行模块完成采集图像的奇场帧和偶场帧的合并，由于系统应用于地下车库监控系统，采集的图像数据光线以及灯光等原因图像画面不清晰，通过图像增强模块增强其对比度使图像清晰；增强后的图像数据通过DSP接口模块送入DSP芯片内进行压缩；DSP芯片压缩处理数据量很大，为避免数据丢失，图像数据通过DSP内部的接口模块和图像缓存模块缓存到SDRAM中；缓存一帧图像数据后，在DSP内也采用乒乓读写操作将数据送入压缩模块进行压缩，压缩后数据送回FPGA存储待发送。
2.FPGA内部模块设计
FPGA内部共有5个模块组成，顶层仿真设计电路如图2所示，输人为摄像头采集的复合信号DATA，时钟信号elk，输出为经过处理的视频有效信号和压缩后传回FPGA的YUV_DATA、YUV_DA-TA0信号，换后输出符合ITU—R656的信号DATA，行同步信号HS，帧同步信号VS，DATA的数据格式如图3所示，视频解码模块主要是提取出YUV数据，即将串行的数据转换为并行的YCrCb数据，
从上图可以看出AV信号都是以“FF0000”作为开始信号，但SAV的XY[4]=0，EAV的XY[4]
1.利用这点我们构造一个检测电路来实现YUV数据的并行输出，视频数据提取算法如图4所示，算法在实现上利用状态机完成对“FF0000'数据流以及SAV、EAV的识别，识别出有效数据后操作设置好的计数器cnt，算法中YUV数据为422格式，当cnt=0时输出Cb，cnt=1时输出Y，cnt=2时输出Cr，cnt=3输出Y，最终得到YUV有效的视频数据，
2.2视频帧存模块设计
视频解码模块输出的YUV信号需要三个缓存器进行缓存，通过软件自带的端口RAM的宏模块把每个缓存定义成双端口的深度均为1024，每个数据端口宽度为8位RAM缓存器，
2.3去除隔行模块设计
去除隔行模块采用帧内复制的方法，具体实现方法就是改变视频帧存模块中双端口RAM的读写时钟，使读时钟是写时钟频率的两倍，这样每行的数据读两遍，隔行数据就变成了逐行数据，
2.4图像增强模块设计
2.4.1图像增强算法
地下车库的灯光相对较暗，往来进出的车辆很多而且都开着大灯，在图像中显示结果为车灯的部分特别亮，使得周围的图像模糊不清，从灰度值方面来说，灰度值为O～125之间和200～255之间的像素特别集中，这时如果直接使用原图，则图中的一部分低灰度细节可能会丢失，由于原图的灰度动态灰度值分布范围不均匀，可能大于显示设备允许的范围，使得原图的一些灰度级显示不出来，为此将地下车库的采集图像做灰度映射，使原图的动态灰度值分布变得均匀，对数形式的压缩算法可以很好地解决此类问题，其原理为：
利用上式可将原来动态范围很大的s转换为动态范围较小的t，从图5中可以看出，大部分低灰度值的像素经过映射后其灰度值会集中到高亮度区段，总体来说就是同时增大图像的亮度，对于原来灰度值小的增亮的幅度大些，原灰度值大的增亮的幅度小些，从而达到图像亮度均匀，细节不模糊的效果，
2.4.2图像增强模块硬件结构设计
图像增强主要针对于亮度信号，也就是YUV信号中的Y路信号，去除隔行模块输出的是YUV三路并行的8位信号，因此在增强模块中还要保证u、V两路信号的同步，为此采用与之前模块同样的方式设置三个宽度为8位，深度为1024的FIFO，增加一个检测电路使三路信号完成并行转换到串行，使输出给接口控制模块的数据为单路8位宽的有效图像数据，从后面仿真对比图可以看出经过图像增强模块后图像对比度明显增强，从图6的a）图可以得出整个处理过程共需O，17 ms，而从b）图可以看出在MATLAB软件上完成的时间为1，7s，
2.5接口控制模块设计
FPGA内部的接口控制模块通过一个时钟锁相环来控制，FPGA和DSP的数据通信接口如图7所示，为了将处理后的视频数据并行处理，采用8个FIFO寄存器将视频数据进行分块，第9个FIFO用来接收DSP送回的压缩数据，视频数据采集、处理完成之后，FPGA通过FIF08的空信号（empty flag）查看8个FIFO中是否数据已满，如果未满，则将数据在写时钟的逻辑控制下，顺序写入到FIFO中；同时将FIF08中满信号连接到DSP的中断引脚，满信号置高，会触发DSP的DMA进程，将寄存器中数据读走，DSP压缩一帧数据完成后通过EMIF接口将数据送回FPGA。
3.DSP内部设计
3.1图像压缩并行算法
为了达到实时性的目的对预处理后的图像进行并行JPEG压缩处理，JPEG压缩编码主要由预处理、DCT变换、量化、Huffman编码等流程构成，如图8所示，
JPEG压缩编码时，需先将原始的二维图像分成8×8的数据块并行处理，然后将各数据块按从左到右，从上到下的顺序分别进行DCT变换、量化、“之”字型（Zig-Zag）扫描和Huffman编码，分别需要量化表和Huffman编码表的支持，将8×8数据块的DCT转换为16次一维8点DCT变换，只要提高一维DCT的速度就可以提高二维DCT的速度，利用DSP的专用指令乘累加运算来优化DCT算法，DCT变换和Huffman编码采用和传统算法一样的实现方法，用C语言和汇编语言在DSP内部实现，
与传统JPEG算法在DSP芯片上实现有所不同的是，在图像压缩模块中并没有进行对二维图像的分块处理，DSP压缩模块接受的是经过FPGA分块处理后的图像数据，DSP在经过缓存后可以直接对其进行后续的压缩处理，这样既提升了整个系统的处理速度，更好的满足实时性，又减少了DSP对存储器的调用，
3.2图像压缩结果
经过DSP芯片压缩后的数据通过与FPGA接口模块传送回FPGA，最终存储或显示出来，由图9（a）（b），可以明显看出比原图像更加清晰，由图9（c）可以看出压缩后尽管有一些失真，但还是保留了原图像的细节，达到了要求，
5.结论
信号采集和处理系统 篇5
1 心音与心电的对应关系
P波、R波和QRS波是心电图的主要组成部分。所谓心电信号就是指携带人体心脏生理活动时序信息的电信号,心电能够反映心脏电活动的过程。在同步采集的心电、心音信号中,可以将心电信号作为参考。心音与心电的对应关系如图1所示。
2 心音、心电采集系统设计与实现
2.1 整体设计
2.2 心电采集电路
前端放大电路采用仪表放大器用于抑制噪声和预放大,后级采用高通滤波放大。后级电路截止频率fc=0.034Hz,放大倍数是40倍。电路见图2。
2.3 心音采集电路
采用HKY-06B心音传感器,信号经过高通滤波电路以及电压跟随器处理后,使心音电路的负载能力有所增加。放大电路采用MC34119,其输入电压范围宽(2~16v),静噪电源电流低,供电可以使用电话线或电池。输入电路用来获取心音信号,放大电路用来放大音频功率,进行听诊。电路见图4.
2.4 信号同步采集、存储软件系统的设计与实现
Lab VIEW是可以取代文本语言的图形化语言的一种虚拟仪器的开发平台,可以对程序框图中节点的数据流向进行定义。图形化语言的函数表现形式是图标。
2.4.1 DAQ-mx持续读取
DAQ-mx持续读取由DAQmx创建通道子VI、DAQmx采样定时(采样时钟)VK DAQmx开始任务子VI、DAQmx读取子VI(模拟ID波形、N通道N釆样)和波形图标组成。
2.4.2 心音、心电信号存储
本文使用Lab VIEW文件I/O中的写入测量文件VI对心电、心音信号文件进行保存,其存储格式为.Ivm。.Ivm格式文件是动态数据类型,是一种基于文本的测量文件,并将数据保存于文本中。DAQ-mx读到的数据是一种心电和心音的复合信号,通过拆分信号VI可以将数据拆分为心电和心音两路信号,并将其存于对应的ECG存储路径和PCG存储路径中。
3 心音、心电信号的预处理
信号分析的准确性由心音、心电信号的预处理的精确度直接影响,本文采用matlab软件处理。
3.1 小波变换
在非平稳信号进行分析时,小波变换的优势十分明显,主要是由于其自适应性很强。当信号类型为低频长时信号时,频率分辨率变高,而时间分辨率变低。
3.2 小波去噪
(1)心电信号小波阈值去噪。小波去噪是处理非平稳的心音信号的方法之一,对于一维信号的小波去噪的步骤包括:(a)确定要处理的小波,根据小波信号的特点进行N层小波分解;(b)小波分解系数的阈值量化;(c)一维信号的小波重构。
(2)心音信号小波阈值去噪。心音频率在5~600HZ,而杂音频率高达约1200HZ。对心音信号采用db6小波进行8层分解。
3.3 归一化香农能量提取心音、心电信号包络
归一化香农能量是一种信号包络提取算法,其特点在于能够在降低低强度的噪声的同时对中等强度的信号进行加强,运用这种方法提取心电、心音包络,可以清晰直观的体现心电、心音信号的时域特征。其主要包括三个步骤:
第一,将X(k)被处理信号进行归一化后,其序列为Xnorm(k)。
第二,平均香农能量公式为:
第三,计算归一化香农能量P(t),公式:
Mean(Es(t))指的是Es(t)的平均值,而Std(Es(t))指的是Es(t)的方差。
3.4 心音信号自动分段定
小波去噪和包络提取能够使心音信号的时域特征明显的体现出来,但是由于心音信号是一种生理信号,其并非一种平稳的信号,还需要采用合适的分段算法。本文不做重点阐述。
4 结语
本文的论述主要是基于Lab VIEW的心音、心电采集系统研究了心电、心音信号的预处理方法。采用了传统的小波阈值去噪方法对心音、心电信号进行滤波,去噪效果明显。利用归一化香农能量的方法对心音、心电信号进行包络的准确提取。实现了信号的实时采集、存储以及预处理。为心音、心电数据库的构建和后续的信号处理奠定了基础。
摘要：心电、心音信号是对心脏疾病初步判断的非常有效的信号,本文介绍了一种基于Lab VIVW的心音、心电实时采集系统,最后用MATLAB进行信号预处理的信号处理解决方案。
信号采集和处理系统 篇6
基于Lab VIEW的数据采集与信号处理系统的优点在于它的智能化平台和对用户开放性的界面。相信在不久的将来, 虚拟仪器能够彻底的取代传统测试仪器, 在各大科研院校以及科研企业中发挥重要的作用。Lab VIEW是由NI公司研制并开发, 是目前用途最为广泛的的虚拟仪器之一, 它是基于一种图形化的编程方式, 通过G语言的编译及运行, 开发出系统要求的的虚拟测试仪器。不仅在测试方面, Lab VIEW更在数字信号处理, 数据分析以及数据的采集方面发挥着重要的作用。
1 系统设计思路
根据系统的逻辑功能, 将系统划分为各个模块, 如图1所示。由图1可以知道, 从系统的深度层次来分, 整个系统可以分为三个层级:第一个层级是系统主页, 第二个层级是包含了信号源选择、信号分析模块和帮助菜单的选项菜单, 第三个层级相当于第二个层级的分菜单。整个系统如果按照平行划分的方式划分的话, 可以分为多个功能模块, 这些模块存在着互相调用以及重复调用的关系, 因此采用模块化的编程思想十分必要, 否则会使得整个系统逻辑混乱以及一些重复性的工作, 最终降低了工作效率以及系统后期的调试和扩充的繁琐。因此, 在对整个系统进行编程的过程必须要使用模块化的思想。
Lab VIEW中已经内置许多功能强大的测试函数, 用户调用这些测试函数进而实现自身需要的测试系统。通过对测试仪器进行模块化的实现具有很高的系统灵活性以及测试精度, 并且在数据测试量上也有着明显的优势。总之, 模块化编程不仅可以提高系统编码的效率、系统结构的清晰度、方便了系统的调试及修改, 更便于集成式的系统模块开发、系统功能的扩展和程序性能的完善。
2 系统的实现
如果按照系统的功能来区分的话, 整个系统可以分为3个父模块和6个子模块。在系统设计过程中, 三个父模块仅实现了功能的接口, 也就是说在实现父模块的时候不需要实现菜单的功能, 只需要留下调用实际功能的入口足矣, 具体的功能由子模块实现。这样, 系统的设计显得十分清晰, 也会使各个部分之间耦合度明显降低, 下面介绍各个模块的功能。
(1) 实时采集信号模块。该模块的作用是对实际的数据进行采集, 并且将采集的数据存入数据存储空间。 (2) 历史重载信号模块。该模块的作用是通过调用本地的参数设置文件或者保存过的数据文件, 进行快速的参数设置以及历史数据读取和分析。 (3) 仿真信号模块。该模块的作用是通过设置波形的类型从而得到我们所需要的对应波形, 例如频率时间函数或者幅度时间函数等。 (4) 时域分析模块。该模块的作用是对时域参数的测量, 例如时间、电压等, 进而通过显示屏显示出具体数值。 (5) 频域分析模块。该模块的主要作用是对被测试系统的频域效应进行分析。 (6) 辅助模块的作用是一些其他的辅助功能。
基于Lab VIEW的信号采集和信号分析系统的核心是软件的编程, 通过对程序定制以及硬件 (采集卡) 上的依附从而实现特定的虚拟测试功能。按照系统软件的工作流程可以讲系统软件逻辑功能表示如下图2所示。外部的数据通过计算机的声卡采集到计算机缓存内, 进而传输到计算机中预先安装的Lab VIEW软件平台。通过对Lab VIEW的编程实现数据采集以及处理的功能, 并且能够将采集到的数据显示到仪器面板。其中, Lab VIEW平台中的应用程序可以由多个Lab VIEW子模块组成, 进而通过各个子模块所组成的应用程序对数据进行分析及显示, 不仅提供了良好的人机交互界面, 更提供了强大的数据分析功能。
系统首页设计框图如图3所示。当用户点开系统首页时将看到如图3所示的系统首页, 该系统首页上显示了该系统的软件版本、开发的单位和日期, 通过单击“进入系统”就可以进入系统的下一步系统层级, 从而调用系统的主模块, 通过单击“退出系统”则退出系统主页。此外, 主页面还显示了“信号源选择”“信号分析处理”“帮助”和“退出”四个菜单选项。
3 结论
本文设计了基于Lab VIEW数据采集与信号处理系统的方案。该系统的实现应用了声卡传感器、数据采集、Lab VIEW图形化编程软件开发等技术。该系统集成了数据采集和信号处理, 构建了一个功能完整虚拟测试环境, 可以完成对数据的采集以及处理并且包括数据可视化显示。
摘要：介绍了在Windows环境下利用虚拟仪器开发工具LabV IEW开发的信号采集、处理系统的软件结构、功能和特点。应用虚拟仪器技术开发信号处理分析系统, 界面友好, 有很大的扩展性, 使用者可以根据需要修改软件系统来增加所需的功能, 可大大提高开发效率。
关键词：LabVIEW,信号处理,数据采集
参考文献
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[4]李文涛, 曹彦红, 卜旭芳.Lab VIEW数据库U;问技术的实现和应用[J].工矿自动化, 2012 (3) :69-72.
信号采集和处理系统 篇7
典型的DSP(数字信号处理器)内部采用改进的哈佛结构和流水线技术,可以在单指令周期内完成乘加运算,具有较高的处理能力。一个典型的基于DSP的信号采集处理系统,通常由DSP、A/D转换器、存储器和相应的接口电路组成,大都做成PCI(外设部件互连)接口插卡形式和主控计算机一起工作。各种控制信息通过PCI发送给DSP,采集处理后的结果再通过PCI接口发送回主控计算机。PCI接口部分一般需要采用接口芯片来完成,这样会显著增加系统的设计调试难度,并使成本增加。而选用本身带有PCI接口的DSP处理芯片就可以省去这一部分额外的电路,不但降低了开发难度,也降低了设备成本。TMS320C6205就是这样一种带有PCI接口的DSP芯片,本文重点讨论基于这种芯片的信号采集处理系统的实现方法。
1TMS320C6205芯片的技术特点
TMS320C6205是基于TMS320C6000平台的高性能DSP,TMS320C6205源自TMS320C6201B,一种有新的PCI接口且性能提高的DSP芯片。TMS320C6205工作在200 MHz时的最大处理能力达到了1 600 MIPS(百万条指令每秒)。所有TMS320C6000系列DSP芯片在代码上都有兼容性,TMS320C62x定点DSP都基于相同的CPU核心设计,通过指令的并行性获得了较强的处理能力。该系列DSP芯片具有8个处理单元,包括2个乘法器和6个ALU(算术逻辑单元),所有的处理单元都可以并行工作,因此在每一个时钟周期内最多可以同时执行8条指令。
TMS320C6205和TMS320C6201及TMS320C62-01B具有高度的兼容性,这几种DSP芯片在以下几个方面完全相同:TMS320C6205的CPU与TMS320C620-1B完全相同,因此为TMS320C6201所写的代码可以不加修改地在TMS320C6205上运行;多通道缓冲串口(McBSP)、时钟、中断选择也完全相同;TMS320C6201与TMS320C6205的内部存储空间也相同,都具有64 kB的程序和数据存储区。与TMS320C6201相比,TMS320C6205通过升级具有了更强的处理能力,升级后的TMS320C6205和TMS320C6201有以下不同[2]:
a)EMIF(扩展存储器接口总线)做了简单修改,减少了芯片的引脚数。SDRAM(同步DRAM)和SBSRAM(同步猝发SRAM)在EMIF上共用了相同的控制信号。这两种信号是互斥的,因此在系统中只能在两种类型的存储器中任选一种。
b)为提高DMA(直接存储器访问)的数据吞吐量,4通道的DMA控制器为每一个通道都配备了专用的FIFO,这样就无需对FIFO信号进行仲裁。
c)用PCI模块代替了TMS320C6201B的HPI(主机接口),PCI模块具有高性能的32 bit主/从PCI即插即用功能,支持33 MHz的桌上电脑PCI接口,与PCI本地总线规格2.2版兼容,该接口模块可作为具有33 MHz、32 bit宽度地址数据的PCI主从对象使用,该模块包含配置寄存器、校验生成、校验和系统错误检测和报告(PERR#,SERR#)以及电源管理能力。
d)具备4线EEPROM串行接口,这样,PCI的控制空间寄存器就可以从外部的串行EEPROM加载配置,PCI模块无需DSP的干涉就可以实现自动初始化。
e)TMS320C6205的PLL有x1、x4、x6、x7、x8、x9、x10和x11等模式,这些模式可以通过CLKMODE0引脚和EMIF数据引脚的上推和下拉电阻来选择。
f)TMS320C6205使用15C05(0.15 μm)处理技术,通过电池处理技术提供更低的核电压和功耗。
g)用上推和下拉电阻实现了自举模式配置。
2信号采集处理系统硬件设计
该系统硬件部分主要由DSP、FPGA(现场可编程门阵列)和存储器构成,具体的硬件结构如图1所示。
从图中可以看出,信号采集处理系统的核心部分是TMS320C6205的DSP处理器,该DSP除了担负信号处理任务外,还担负着接收数据和输出处理结果两项任务。信号采集处理系统中的FPGA主要担负数据采集和控制信号生成两项任务。该系统的设计针对的是接收机解调后输出的TCL电平的数字信号,因此数据采集部分比较简单,就是将数据的时钟作为触发信号,根据触发时刻的数据电平值来确定输入数据是“0”还是“1”,采集后的数据在FPGA内按照McBSP的数据规格成帧,然后通过McBSP写入SDRAM中。该系统可以同时采集两路数字信号,在采集电路与DSP之间通过DMA方式交换数据,由于DSP中有专门的DMA控制器,因此在数据交换时无需DSP干预,具有较高的处理效率。DSP所需的控制信号也由FPGA产生,由于数据采集部分比较简单,控制信号产生和数据采集可以共用同一片FPGA。DSP通过PC接口模块与主机之间进行数据交换,由于PCI接口模块具有完整的PCI接口功能,无需额外添加外部电路,因此接口部分的电路设计相对来说比较简单。DSP与工控机进行数据交换时采用主从方式,DSP为主设备,工控机为从设备,两者之间利用中断响应进行数据通信,当DSP内部的输出数据缓冲区被写满后,会发送一个中断请求到主机的PCI总线上,PCI总线驱动程序响应该中断并通过Windows的事件(Event)通知主机软件读出数据。为了扩充DSP的存储空间,使DSP能满足大速率信号的处理要求,信号采集处理系统上集成了一片大容量存储器,即SDRAM,具有较高的数据存取速度。信号采集处理系统上的Flash存储器主要用来存储DSP软件,可通过PCI总线在主机端动态加载,这样该信号采集处理系统就可根据不同的输入数据进行不同处理,大大增加了系统使用时的灵活性。该系统还包括时钟电路和电源电路,这些电路可以参照技术手册的要求进行设计,电源电路可选用现成的电源模块,这样就可进一步降低电路设计难度。从总体上看,采用TMS320C6205构成的信号采集处理系统由于省去了额外的PCI接口电路,整个系统设计较简洁,开发难度低,开发周期短,是一种较理想的硬件设计方法。
3基于DSP/BIOSⅡ的实时信号处理技术
信号采集处理系统中的DSP不但要实现高速信号处理,还需要处理数据的输入输出和中断请求,这都要用到基本的任务调度和输入输出服务,DSP/BIOS实时基础软件提供了一个小的具有基本运行服务的固件核,开发者可以把这个核嵌入目标DSP中。DSP/BIOSⅡ是性能得到提升的第2代实时基础软件,利用该软件可以缩短实时信号处理软件的开发时间,并且可以显著提高代码的可重用性。
基于DSP/BIOSⅡ使信号处理技术实现起来比较简单,整个配置过程都可以利用一个图形化的界面来实现。首先,新建一个DSP/BIOS的配置文件,然后在“Syetem”文件夹下选择“MEM”,也就是存储区管理模块,在该模块增加两个新的MEM项,分别对应信号采集处理系统的SDRAM和Flash存储器,设置好SDRAM和Flash存储器的基地址和长度,至此片外存储区的设置就全部完成了。由于DSP和数据采集部分通过McBSP交换数据,因此还需要对McBSP进行设置。找到“CSL”也就是芯片支持库文件夹,在McBSP选项下的McBSP配置管理(MsBSP Configuration Manager)增加两个新的McBSP的配置控制项,这两个控制项分别对应McBSP0和McBSP1,然后设定这两个配置项的参数,最关键的是接收模式和输出模式的设置,接收和输出均采用无压扩的LSB方式,对于有压扩的话音数据,可以根据需要选择μ律或A律压扩,这样在数据读写的同时,利用DSP硬件也就完成了μ律或A律压扩。McBSP可以实现数据的双向传输,在本系统中只是从数据采集部分读入数据,没有用到其双向数据传输功能。实际上,利用其双向数据传输功能,结合μ律或A律可以很方便地实现话音的实时处理[2]。所有配置都设置完后,将配置文件存盘加入当前工程,整个基于DSP/BIOS的配置便完成,在中断响应函数配合下,就可实现整个实时处理软件的开发。
实时处理软件的数据流如图2所示。从图中可以看出,数据从McBSP通过DMA方式写入SDRAM输入缓冲区,整个输入缓冲区划分成若干片,数据处理部分按片进行处理,由于McBSP写入的数据片与DSP处理的数据片不是同一个数据片,数据处理和数据写入就可以同时进行,这是保证数据实时处理的一个关键。显然,所分数据片数越多,可以有越长的处理时间,越适合进行一些复杂的算法,这样要付出的代价就是输出延时比较长,同时需要大的DSP片外存储空间。数据处理后的结果存放在输出缓冲区,输出缓冲区的大小与输入相同,当输出缓冲区写满后,触发PCI总线中断处理函数,把处理后的结果通过PCI总线写到主机缓冲区,主机程序从该缓冲区将数据读出,存储到计算机硬盘上的制定文件中。
显然,该信号处理软软件中最关键的是McBSP的DMA中断响应函数和PCI中断响应函数,下面分别介绍这两个函数。
DMA中断响应函数的主要代码如下:
从代码中可以看出,DMA中断响应函数最核心的部分是按照给定条件初始化DMA控制器,然后启动DMA通道,开始接收数据。这里的给定条件主要是保证DMA的写入地址符合要求,特别是在循环写入的情况下不致发生地址冲突[3]。DSP与主机缓冲区之间的数据交换也是通过中断响应方式进行的,与通过DMA方式从McBSP读数据不同,PCI接口工作在猝发方式,其中断响应函数在输出缓冲区全部写满后将缓冲区内的全部数据写到主机缓冲区,因此,输出缓冲区无需分片。采用这种方式可以减少PCI接口读写次数,提高数据传输效率。
4基于多线程的主机处理技术
DSP数据采集处理系统的处理结果需要输出到主机,主机可以对处理结果进行进一步处理。主机程序最关键的部分是要将主机缓冲区的数据读出来,再写到硬盘上的文件中。DSP数据采集处理系统的驱动程序在计算机内存中开辟主机缓冲区,在一台主机上可以允许多个数据采集处理系统同时工作,这时需要同时开辟多个缓冲区。为保证多个数据采集处理系统同时工作,主机在处理时采用了多线程技术,整个主机处理软件利用C++Builder开发,在该开发环境下很容易实现多线程处理技术。
主机处理软件的核心代码如下:
从代码中可以看出,主机多线程处理技术的核心是一个线程执行函数(Execute( )),该函数将缓冲区内的数据写到文件中,在多个数据采集处理系统同时工作时,该处理函数以轮循的方式将对应缓冲区的数据写入不同的文件句柄(g_hFiles[i][0]),也就是写入不同的文件,这样就不会在数据写入时发生冲突。
主机程序除了将数据写入指定文件外,还可以控制每一个数据采集处理系统的启动和停止,并具备在线加载并配置DSP程序的能力,用户可以通过修改DSP程序的参数来执行不同的处理任务。所有这些功能都是由该系统的硬件驱动程序提供,该硬件驱动程序已封装成一个库函数,调用起来较为方便。这样,用户就可根据自己的需要开发不同的主机应用程序。
5结束语
基于TMS320C6205的数据采集处理系统已经在实际应用中获得了良好的效果,特别是该系统可以通过加载不同的DSP处理程序进行不同的数据处理,大大拓展了该系统的应用范围,充分体现了基于DSP的数据采集处理系统在应用上的灵活性。同时,由于多个采集处理系统可同时工作,整个处理系统可以适合不同应用场合的需要,可以胜任不同处理能力的需要。
参考文献
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信号采集和处理系统 篇8
光纤布拉格光栅具有抗电磁干扰强、灵敏度高、尺寸小、成本低等特点, 被广泛用于传感器领域[1,2]。在测头研究方面, 光纤光栅的优势更是得到了体现。合肥工业大学研制的光纤布拉格光栅三维测头具有精度高、测量灵敏等特点[3], 而对测头三路输出信号的实时采集与处理关系到整个测头系统的性能。目前, 该测头的信号采集与处理系统采用的是PMAC卡与上位机结合的方式, 既需要搭建上位机虚拟数据处理系统, 又要解决采集卡与上位机的接口问题[4]。这样显得系统过于庞大与臃肿, 且成本高, 不能达到便携式与嵌入式标准。此外, 数据采集与处理分别位于两个不同的系统中, 容易引入外界干扰, 再者, 信号处理的实时性难以得到保证。
针对以上的问题, 本研究提出基于DSP的集三路光纤测头信号采集、处理与控制于一体的系统设计方案, 简化了整个测头系统, 解决了信号采集的同步性与信号处理的实时性, 同时也降低了成本。
1 系统方案设计
由于需要对三维测头输出的3路光电信号进行同步采样, 且为了配合光纤测头的高精度与高灵敏度的测量性能, 系统采用高速数字信号处理器DSP与外扩A/D转换器相结合的方式进行设计。其中, DSP处理器为了保证数据处理的实时性, 外扩A/D转换器为了实现信号采集的同步性。该系统采用模块化设计的思想:首先, 将3路光纤测头信号经光电转换器转换为电压信号, 由旁路电容滤波, 经电压跟随器进行缓冲隔离, 再由A/D转换器进行同步转换, 转换结果由DSP处理器连续读出并作均值求和计算, 最后, 将运算结果与所设定的阈值做比较, 当结果大于阈值时, 通过DSP的I/O口向外设发送触发激励脉冲。为了提高触发信号的驱动能力, 在DSP的I/O输出端设置了电压驱动器。系统还可以通过串口模块与上位机进行数据通讯, 总体设计结构如图1所示。该方案能实现3路信号采样的同步性与数据处理的实时性, 满足光纤测头高精度与高灵敏度的设计要求, 具有可行性。
2 系统硬件设计
硬件系统由信号预处理模块、A/D转换模块、DSP处理模块、驱动模块、串口通讯模块及电源模块构成。各个模块之间以信号流的形式构成信号采集与处理系统。
2.1 信号预处理电路设计
信号预处理部分包括光电转换器和电压跟随器。光电转换器采用了光电转换组件, 具有高灵敏度与外围设计简单的特点, 实现变化的光信号到电压信号的转换。电压跟随器采用运算放大器的正相端作输入, 反相端与输出直接连接构成。由于电压跟随器具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点, 带负载能力较强, 在该系统中起光电信号与后级电路的缓冲隔离作用, 可防止光电信号与后级电路信号之间的相互干扰, 电路设计如图2所示。
2.2 DSP与A/D接口设计
DSP处理器采用了IT公司2000系列的TMS320-F2812芯片, 其主要用于工业控制领域。它是一款主频高达150MHz, 数据处理位数为32位, 内部自带128KBSDRAM和128KB FLASH存储容量, 且具有丰富外设结构的高性能处理器[5]。
A/D转换器采用了ADI公司的AD 7656芯片。它是一款6通道输入, 能实现同步采样, 具有16位采样精度, 采样速率高达250Ksps的模数转换器[6]。本系统用了其中3个输入通道, A/D模式采用的是16位并行输出模式, 模拟电压输入范围为±10V。根据AD 7656的数据转换时序图[7], 如图3所示, 将A/D启动转换信号CONVSTA、B、C连在一起由DSP的GPIOA 1端控制, 作为A/D转换器6通道同步转换的启动信号;A/D转换忙输出信号BUSY连接到DSP的外部中断XINT1端, 当A/D转换完成后通知DSP及时读取转换结果;A/D片选信号CS及读信号RD分别由DSP的GPIOA 0端和读引脚XRD控制;A/D转换完成的数据直接输出到DSP的数据总线XD上;结果读取完成后A/D的复位脉冲信号RESET由DSP的GPIOA 2端控制。
DSP与AD 7656的接口电路设计如图4所示。控制过程为:首先由DSP的GPIOA 1端给A/D转换器一个高电平, 启动A/D的6个输入通道同时转换;此时, A/D的忙信号BUSY自动由低变为高电平, 3μs后A/D完成数据转换, BUSY信号由高变为低电平, 同时通知DSP数据转换已经完成, 此时DSP外部中断XINT1做出响应, DSP开始读取A/D转换结果, GPIOA 0端变为低电平片选A/D, DSP读信号端XRD连续发出3个低电平脉冲信号依次读取A/D前3个输入通道结果寄存器中的数据 (该系统只用了A/D前3个输入通道, 其他3个通道接地处理) ;最后, 由DSP的GPIOA 2端向A/D发出一个100ns的复位脉冲, 以便下一次读取A/D转换结果的次序从通道1开始。3个通道数据读取完成后, A/D启动转换信号变为低电平, 准备下次启动转换。
2.3 驱动电路设计
由于DSP对外部设备发出的触发脉冲不超过3.3V, 而所需的驱动脉冲达到了5V左右, 为了增强触发脉冲的驱动能力, 采用电压串联负反馈来增强电路驱动能力, 驱动电路的电压放大倍数为Au=1+Rf/R1, 通过调节反馈电阻Rf的值即可实现输出电压的调节。该方法电路简单、效果明显、驱动能力强, 如图5所示。
3 系统软件设计
根据系统的功能要求, 软件设计分为3个部分, 分别为: (1) DSP控制A/D进行同步采样; (2) DSP对采集的数据做运算处理; (3) 系统向外设发送触发脉冲。程序流程图如图6所示。首先初始化DSP系统, 初始化DSP外设、I/O及中断;初始化A/D转换时序, 使A/D转换处于初始状态;启动DSP定时器中断, 在定时器中断服务程序中执行A/D采样、数据运算和向外设发送触发脉冲等操作。启动A/D转换后, 首先需判断A/D转换是否结束;当转换结束后, 启动DSP外设中断, 在外设中断服务程序中读A/D 3个通道采样结果;连续采集和读取A/D转换结果N次 (N的大小可以根据采样速率设定, 本系统设为1000) ;进入算法程序, 对采样结果求均值, 再将3路均值求和, 与阈值做比较, 当求和结果大于阈值, 系统向外设发送触发脉冲。
4 系统测试
为验证系统的采样精度, 笔者给系统输入1.470V干电池直流信号, 经A/D采集, 送上位机显示, 采样结果如图7所示。得平均值为1.465V, 则采样精度约为0.003V。
接着, 本研究再分别给系统输入10.3Hz与15.1Hz, 峰峰值为2V的正弦波信号, 以验证系统采集数据的准确性[8]。并通过串口将数据传输到上位机, 对信号做时域与频域分析。设定系统的采集频率为125Hz, 作1 024点FFT。
频率为10.3Hz信号的时域图与频域图如图8所示, 其频谱图显示幅值最大点为第84点, 对应频率为:
频率为15.1Hz信号的时域图和频域图如图9所示, 其频谱图显示幅值最大点为第124点, 对应频率为:
由测试结果表明, 系统A/D采样精度较高, 采集的正弦信号正确。
5 系统实验
对系统进行联机实验, 实验平台如图10所示, 当测头对工件进行触碰测试时, 用示波器观察系统的触发输出[9]。在软件算法里设定系统零阈值触发, 当测头碰触到工件时[10], 系统就实时做出响应, 向外设发送触发脉冲信号, 如图10所示。系统采集的数据还可以通过串口发送至上位机进行绘图显示与保存备案。实验结果表明, 系统具有较高的灵敏度与响应速度, 采集数据正确, 实现了设计功能。此外, 通过更改传感器, 该系统还可以用于其他信号的采集与分析。
6 结束语
本研究设计的基于DSP的光纤三维测头信号采集与处理系统, 解决了三路光纤信号同步采集和快速处理问题, 并具有实时对外设发送脉冲脉冲信号的功能, 体积小, 实现了系统的便携式和嵌入式。
测试实验结果表明:该系统采集精度高, 响应速度快, 系统稳定性较好, 为布拉格光纤三维测头的后级信号采集与处理提供了一个有效的实现工具。
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信号采集和处理系统 篇9
蓝绿激光在水下可用波长为0.45～0.55 μm波段内, 在海水中的穿透深度可达300 m以上。在用于水下通信时, 准直性好, 不易被截获, 且不受电磁辐射和核辐射的影响;它的发射设备更为轻巧, 隐蔽安全。在用于水下目标探测时, 搜索效率和探测点密度远远高于声纳, 可用于精度和机动性要求高的场合[1]。
激光在水下传输以及探测都和海水介质以及水下的流场环境有很大的关系, 激光的衰减有其规律性, 因此通过采集连续激光探测到目标产生的回波信号, 然后与理想的激光功率曲线对比, 就可以准确地分析出水下激光传输的相关特性, 从而为水下目标探测和水下通信提供很好的理论基础。
目前, 文献[2,3]主要是用蒙特卡罗模拟的方法研究激光在水中的传输机制, 而随着APD (Avalanche Photo Diode, 雪崩光电二极管) [4]以及DSP (Digital Signal Processor, 数字信号处理器) 的发展[5], DSP芯片在各种领域得到广泛的应用, 如文献[6,7,8]设计的基于DSP的数据采集系统, 这使得水下信号的采集以及后处理分析变得成熟。因此本文根据水下连续激光传输环境的特殊性, 设计了激光水下发射控制以及回波信号采集的系统, 它是基于DSP的高精度、低功耗系统。
1 系统设计
该系统的水下实验环境如图1所示。该系统由激光发射模块、APD接收模块、DSP电路、PC机四大主要部分组成。将激光发射和接收的载体置于实验环境中。上位机通过DSP控制激光发射模块, 发射连续的蓝绿激光, 激光探测目标后产生回波, APD接收到该回波信号进行预处理, 并发送到DSP的外围处理模块, 然后经过DSP内部集成的A/D转换模块转换为数字量, 最终通过串口通信将数据输出到上位机中进行显示和后处理, 系统结构框图如图2所示。DSP芯片作为下位机的MCU (Micro Control Unit, 微控制单元) , 它主要实现的是激光器发射电源通断控制以及激光回波信号采集和A/D转换。
2 硬件设计
该系统的硬件系统主要由APD接收模块、中间调理电路、DSP控制电路三大部分组成。
2.1 APD接收模块
该模块主要包括光学透镜、APD、放大电路以及电源电路, 如图3所示。光学透镜的选择取决于激光的作用距离、传输介质、焦距、透光直径要求、几何尺寸要求等, 具体设计可参考文献[9]。
APD称为雪崩二极管[4], 它是利用光电效应把光信号转变为电信号的光电检测器件, 主要作用是检测经过传输的微弱光信号, 并放大、整形、再生成原传输信号。APD的工作原理是通过光电效应产生电子和空穴在高电场区运动时被迅速加速, 可能多次碰撞其他原子产生的结果使载流子迅速增加, 反向电流迅速加大, 形成雪崩倍增效应。选择使用APD的原因主要为通过利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增后的接收高灵敏度。它的优点很多, 具有灵敏度高、响应快、噪声小、成本低和可靠性高等特点。APD工作条件:需要有一定的反向偏压才能产生相应的倍增效应, 其计算公式如下:
APD的光电流:
倍增:
式中:Io为初始的光电流;Iop为倍增后的光电流。
APD存在击穿电压Vbr, 当Vapd=Vbr时, M为∞, 此时雪崩倍增噪声也变得非常大, 这种情况为APD击穿。该处APD选择的是上海欧光公司的AD500-8TO, 它的击穿电压在80～200 V, 最大倍增M可以达到100, 暗电流最大值为0.25 mA。
选用MAXSIM的MAX5026主要是提供大于90 V的高压, 用于APD的反向击穿。MAX5026是固定频率、脉冲宽度可调的低噪音升压式转换器, 是能产生高电压的低压系统。由于具有低噪音、输出电压高的特点, 因此被广泛用于升压、反馈、隔离输出等拓扑结构中。其工作电压最低为3 V, 转换频率为500 kHz。固定频率、电流式PWM的结构使其低的输出噪音很容易被滤掉。MAX5026用于提高输出电压时需要外接一个反馈电阻, 其输出电压通过两个外接电阻R1和R2确定。如图4所示, R2为固定值, 通过调节R1可调电阻的阻值提供一定范围的高压。由于MAX5026的转换频率高, 因此需要一个高速整流器。肖特基二极管可以满足很多应用的要求, 是因为其具有恢复时间快, 管压降低的优点。选择二极管的额定电流值要大于或等于电感电流的峰值, 并且二极管的反向截止电压必须大于输出电压, 因此选择串联两个1N4148, 其单个的耐压值为100 V。
集成运放供电采用±5 V的双电源供电模式, 选用National Semiconductor生产的LM2661M, 它的输入电压为1.5～5.5 V, 可以提供反相、双倍增益、半分压三种模式, 输出阻抗6.5 Ω, 在100 mA的转换效率可以达到88%。
放大电路主要芯片选择集成运放AD8066, 它集激光调整FET输入级与ADI公司的超快速互补双极性 (XFCB) 工艺于一体, 实现了高精度与高速度的卓越组合。AD8066是一款高性能、带宽145 MHz的电压反馈型双路运算放大器, 其工作噪声极低, 输入阻抗非常高, 具有轨对轨的输出, 并且成本很低。图5所示为APD与AD8066的综合电路, MAX5026提供的高压经过多阶滤波, 给APD提供稳定的反向击穿电压。APD接收到激光的回波, 通过光电效应产生反向电流, 由于雪崩效应反向电流倍增, 最终产生电流信号。该电流通过AD8066的两次电流转电压并增益, 形成电压信号输出到P1。还有一点值得注意的是, 在布线时应该考虑到高压电源部分尽量远离信号处理模块, 并且在高压电源的元器件外围加屏蔽罩, 消除噪声对信号的影响。
2.2 中间处理模块
如图6所示, 中间处理模块中选用德州仪器公司的满电源输出幅度双运算放大器TLC2272, 器件提供相当好的AC性能, 具有较现存CMOS运放更好的噪声, 输入失调电压和功耗性能。TLC2272所具有的低噪声和高输入阻抗非常适宜用于诸如电压/电流传感器之类的小信号的调理。在将APD接收并转换的信号发送给DSP之前, 还需要预处理, 因为ADC采样端口的最高输入电压为3 V, 实际设计中通常需要考虑余量, 一般输入的最大值设计在3 V的80%左右, 即2.5 V。如果输入的电压过高, 如超过3 V或者输入的电压为负电压, 都会烧毁DSP, 因此需要将采样输入的信号先经过调理电路进行调整使其输入电压范围在ADC正常工作范围之内。
2.3 DSP控制模块
本系统采用TI的32位定点数字信号处理芯片TMS320F2812作为信号采集和处理的核心[5], 基于其高处理速度和处理精度的优势, 在电子控制系统中有着广泛的应用, 其主要特点有外部时钟经过锁相环倍频后达到150 MHz (时钟周期为6.67 ns) 、有着丰富的外设接口 (异步串行接口SCI, 同步串行接口SPI, CAN, EV, ADC等) 、具有多达56个可复用的GPIO口。充分利用TMS320F2812芯片内部的12位的A/D模块对数据进行不同采样频率采集, 每次A/D采样完成后通过中断调用数据处理程序对所采集到的数据进行处理并进行存储。TMS320F2812芯片中集中了一个伪双12位A/D转换器模块, 是一个带流水线的模数转换器, 该模数转换单元的模拟电路包括前向模拟多路复用开关 (MUXs) 、采样/保持电路、变换内核、电压参考以及其他模拟辅助电路, 它完全能满足该系统的采样速度和精度要求。关于ADC的时钟控制, 采用30 MHz外部晶体给DSP提供时钟并使能DSP上的PLL电路进行5倍频使DSP工作在150 MHz的主频下。其工作的主要功能图如图7所示, 后面将做详细介绍。
2.3.1 DSP电源电路
TMS320F2812是双电源供电器件, 采用1.8 V (或1.9 V) 和3.3 V作为其内核及I/O口的工作电压。在该芯片上、下电的过程中必须满足一定的时序要求。因此在设计电源模块时, 为保证系统主机、系统从机可靠工作并延长TMS320F2812的使用寿命, 采用了TI公司推出的TPS767D318作为TMS320F2812的电源管理芯片, 它能同时提供3.3 V和1.8 V的电压。同时考虑到数字电路工作在高速脉冲状态, 瞬时的涌浪电流很大, 会对直流电压产生高频干扰, 影响小信号的模拟电路工作, 所以要求高的电路设计是把模拟电源和数字电源分开的, 数字地与模拟地只在各自汇流后一点共地, 使干扰降至最低, 因此该电源模块还设计了相应的隔离电路, TPS767D318引脚和接法如图8所示。
2.3.2 DSP激光发射控制模块
为了保证系统可靠性, 提供了两个通道的通用I/O输出口, 外围电路运用了一个三极管2N4401和P-MOS管NTR4171P, 芯片引脚输出高电平时导通三极管, R10上分有电压, PMOS管导通, P3的1引脚接通AVDD5电, 这样就实现了小电压控制大电源的通断, 如图9所示。
2.3.3 DSP A/D采集部分电路
模/数转换模块ADC有16个通道[5], 可配置为2个独立的8通道模块, 分别服务于事件管理器A和B, 两个独立的8通道模块也可以级联构成一个16通道模块。尽管在模数转换模块中有多个输入通道和2个排序器, 但仅有1个转换器。两个8通道模块能够自动排序, 每个模块可以通过多路选择器 (MUX) 选择8通道中的任何一个通道。在级联模式下, 自动排序器将变成16通道。对于每个通道而言, 一旦ADC转换完成, 将会把转换结果存储到ADCRESULT (结果寄存器) 中。本系统采用了级联和同时顺序工作方式, 连续转换模式, 双通道信号采集, 具体电路如图10所示。
开始ADC转换由事件管理器启动转换, 每次转换结果放在ADCRESULT寄存器的高12位, 而ADCRESULT寄存器是16位的数字量, 所以取数时要对ADCRESULT寄存器的值进行右移4位的操作, 实际输入的模拟电压值计算公式如下:
式中:ADRESULT为结果寄存器中的数字量;VOLTInput是模拟电压输入值;ADCLO是ADC转换的参考电平, 实际使用时与AGND相连, ADCLO为0。DSP串口通信部分, 采用的是非常成熟的RS 232接口。
3 软件设计
整个系统的系统信号采集、处理及数据传输程序都在DSP上完成, DSP编程工具采用TI公司的DSP集成开发环境CCS 3.3[10], DSP程序结构化编程, 从系统初始化到算法实现划分成不同的子任务模块, 包括各级初始化函数、外部输入函数、算法实现函数以及中断处理函数等, 系统根据不同的任务调用不同的子任务模块。程序主体采用C语言。为保证程序运行效率, 中断向量表和DSP初始化程序采用汇编语言编写。
DSP上电后, 先调用一系列的初始化子任务模块, 具体包括初始化系统控制部分 (包括PLL, 看门狗以及外设时钟等) 、通用目的数字量I/O (GPIO) 功能设置、初始化PIE控制寄存器、映射PIE中断向量表、初始化SPI/eCAN/SCI通信设置等, 然后给I/O口输出一个高电平, 经过激光发射控制模块电路后, 给激光发射器供电, 而后启动中断, 程序交由中断控制。数据采集模块由DSP控制内部集成的ADC模块对经过调理过的光电转换的电压信号进行模/数转换和采样, 并将采集到的数据送入DSP内部对采样数据进行软件滤波和前端处理, 将处理结果通过SCI串口通信传入PC机进行后端分析、处理和显示, 程序结构图如图11所示。
主程序如下:
4 实验分析
通过实物测试实验, 选取空气、玻璃和自来水三种传输介质, 进行激光的发射和回波接收, 采集变换后的信号波形图如图12～图14所示。
图12显示的是在干净的空气中, 激光传输探测到目标后产生回波, 由于连续激光器的作用, APD接收到光信号, 电压上升, 并且保持高电平。
通过玻璃介质, 在发射端和接收端分别经过两个空气和玻璃的交界面, 激光的传输角度受到影响, 调整角度位置后, 系统准确接收到回波信息, 如图13所示。
而从图14可以看出激光通过自来水介质的时候, 由于流动水中的散射和吸收影响, 回波信号产生波动变化。总结三幅图可以看出, 该激光回波采集系统正常工作, 满足设计要求。后续的研究中还需要要将接收到的信号通过串口传输到上位机PC中, 详细比较三种传输介质中, 激光回波功率曲线的变化, 进行分析。
5 结 论
文中介绍的基于DSP2812和APD雪崩管的激光发射控制以及回波信号采集系统, 能实时准确地控制激光的发射并采集回波的信号, 并通过SCI串口通信将数据传输到上位PC机。实验证明该系统可以满足设计要求, 并且为进一步实现水下激光传输特性的研究提供了基础, 在水下通信和水下探测具有一定的应用前景。
摘要：针对水下蓝绿激光传输环境的特殊性, 提供了一种基于定点DSP芯片TMS320F2812和APD (雪崩二极管) 技术的水下激光发射控制及回波信号采集的系统。给出了系统的总体结构、硬件实现和软件程序设计, 其中对APD处理电路和DSP的ADC控制模块做了详细的设计。通过实验测试表明, 该系统能够准确地采集水下激光的回波信号, 便于后期的水下激光传输特性的研究。
关键词：水下激光,APD,TMS320F2812,信号采集
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