基于LabVIEW和DSP的數據采集與監測系統①

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的數據采集與監測系統①

王夢謙 姜建國

(東北石油大學電氣信息工程學院)

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

溫度數據采集與監測系統 數字信號處理器最小系統 LabVIEW 串行通信

隨著信息技術的快速發展，以及自動化設備的廣泛應用，數據采集與處理技術被越來越多地運用到微機控制系統。數字信號處理器(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，需要保證激光器能夠持續地發射出穩定的中心波長信號，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，為保證系統的正常穩定工作，需要完成對激光器工作環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據傳輸的重要通道，廣泛應用于工業信號檢測系統。伴隨著虛擬技術的快速發展，LabVIEW越來越多地應用于測試領域，實現LabVIEW與串口通信的結合，使得系統更加簡單直觀。

筆者自主設計DSP最小系統和溫度采集外圍電路并集成制作開發板，通過DSP的SCI模塊實現與LabVIEW的串行通信，在上位機界面進行指令的發送和所采集數據的接收，實現對采集數據的實時動態監測[3，4]。

1 系統整體結構

筆者設計的數據采集與監測系統主要由DSP數據采集和LabVIEW上位機監測兩部分組成。首先，應用高精度模數轉換芯片AD7793實現對溫度信號的采集，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據快速傳入到DSP中進行軟件數字濾波等處理。在軟件部分需要對采集數據進行格式預處理，即完成浮點型數據向字符串型數據的轉換，并將轉換結果按照一定方式存儲到數據幀中等待傳輸。然后，通過SCI串行通信接口完成數據幀由DSP處理器到PC機的發送。最終，在LabVIEW上位機界面進行串口接收數據幀的識別、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連接方式實現了系統對目標信號的實時監測。

2 數據采集

2.1 硬件電路

該系統的溫度采集電路如圖1所示。以TMS320F2812芯片為核心開發設計DSP處理器最小系統。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型數據采集調制技術，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中[5，6]。其自帶的SPI串行同步通信接口，可實現與控制器的靈活數據通信。

圖1 溫度采集電路

系統采用負溫度系數熱敏電阻(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δ的計算式為：

(1)

式中ITH——流經NTC的電流，A；

Ta——環境溫度，℃；

Tb——實際穩定溫度，℃；

UTH——端電壓，V。

選用的NTC耗散系數為2mW/℃，如果采用210μA恒流源激勵，根據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的測量精度，滿足設計要求。

熱敏電阻阻值與當前環境溫度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C1=1.129e-3，C2=2.341e-4，C3=0.878e-7。

2.2 數據處理和格式轉換

在CCS環境下完成資源配置、源程序編輯及源程序調試等操作。如圖2所示，設置合適的系統波特率、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串口完成數據傳輸。數據通信時，SCI數據緩沖寄存器每次最多只能發送8位二進制數，而在DSP處理器中，浮點型溫度數據是按照IEEE754標準存儲的，每個數據占用32位二進制數。因此，通信前需將浮點型數據轉換為字符串型數據然后逐個字符進行傳輸[7]。為保證數據傳輸的準確性，需對每個數據加入設定的數據標識，將數據標識位、校驗位和實際數據值打包組成一個完整的數據幀，然后通過串口發送。

SCI接收器需要在收到一個起始位后開始工作。上位機接收到數據幀后，首先將數據幀中的實際數據值提取出來并按一定順序重組，進行數據格式轉換，最終得到所采集的溫度數據值[8]。如圖3所示，如果SCIRXD引腳檢測到連續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為數據的最低位，MSB為數據的最高位，在起始位得到確認后，CPU采用多數表決的方式確定下一個數據位的值。具體做法是對每個數據位第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據值。

圖3 SCI數據幀和異步通信格式

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，已經廣泛應用到儀器控制、數據采集等工業生產中[9，10]。軟件自帶的Real-Time仿真功能和數據處理、頻譜分析等子模塊為程序的設計實現提供了方便。本次設計，主要應用VISA子模塊實現數據串口通信編程，其中包括VISA串口配置、VISA寫入、VISA讀取、VISA緩沖區設置及VISA關閉等函數。設置系統通信波特率為19 200，數據位為8，停止位1，無校驗位。圖4為上位機數據通信程序流程。

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。在上位機程序的數據讀取循環中設置每次所要讀取的字節數(與處理器程序中即將發送的字符串型數據字節數相匹配)。每個數據幀傳輸完成后，將讀取緩沖區中的字符串提取出來并轉換為浮點型數據輸入到波形圖表中進行實時顯示。每一次循環結束前需要借助VISA設備清零函數將讀取緩沖區中的數據清除，避免現存數據對下一次數據讀取造成影響[11]。

4 試驗驗證

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

表1 溫度檢測試驗數據

圖5 LabVIEW后面板程序設計結構

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

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

圖6 LabVIEW上位機溫度數據監測界面

5 結束語

筆者自主設計DSP最小系統和高精度溫度采集電路，基于LabVIEW實現了溫度數據的實時監測。系統集成性強，利用DSP處理器的SPI、SCI等模塊完成對溫度數據的快速采集與通信傳輸。程序部分采用了典型數字濾波器設計方法，保證了數據采集精度。采用LabVIEW上位機界面代替傳統的液晶等顯示設備，降低了系統硬件和后期的維護成本，具有很高的工業應用價值。

[1] 王智遠,郝艷華.基于LabVIEW的PC與DSP串口通信研究[J].儀器儀表用戶,2007,14(2):20～22.

[2] 張鑫,李冬梅,黃元慶.基于LabVIEW的陣列式傳感器數據采集系統[J].儀器儀表學報,2006,27(z2):1393～1401.

[3] Rizk H，Papachristou C，Wolff F.Designing Self Test Programs for Embedded DSP Cores[C].Proceedings of the Conference on Design,Automation and Test in Europe.Piscataway,NJ:IEEE,2004:816～821.

[4] 劉單.基于LabVIEW并行通信的數據采集與處理系統研究[D].武漢:武漢理工大學,2006.

[5] 賈偉,邵左文,張玉猛.基于SPI總線的高速串行數據采集系統設計[J].國外電子測量技術,2007,26(4):37～40.

[6] 董鳴.AD7793在高精度溫度控制設備中的應用[J].電子技術,2015,15(6):30～32.

[7] 孫麗芹,王海龍,張景順,等.一種基于LabVIEW的串口數據傳輸方法[J].通信技術,2013,46(4):139～141.

[8] 王智遠,郝艷華.基于LabVIEW的PC與DSP串口通信研究[J].儀器儀表用戶,2007,14(2):21～22.

[9] Lorenz M,Marwedel P.Phase Coupled Code Generation for DSPs Using a Genetic Algorithm[C].Design,Automation & Test in Europe Conference & Exhibition.Piscataway,NJ:IEEE,2004:1270～1275.

[10] 梁國偉,陳方泉,林祖偉.基于LabVIEW的串口數據采集的實現及應用[J].現代機械,2009,30(5):57～59.

[11] 施雅婷,郭前崗,周西峰.一種改進的LabVIEW串口通信系統的實現[J].電子測試,2010,(8):64～69.

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。