基于USB2.0接口的PCM數據采集器設計與實現

張 莉，周雪純，張 樂

（中國飛行試驗研究院測控所 陜西 西安 710089）

數據采集器是飛行試驗中不可缺少的一個重要設備，以往使用的數據采集器均采用航空插頭，與外設連接還需轉換插頭。而新型的PCM采集器采用USB2.0通訊技術，相對于傳統的串行、并行接口，USB的優勢在于即插即用，支持熱插拔；傳輸速度快，USB2.0提供最高達480 Mbps的傳輸率；最多可連接127個設備；電源可從計算機或集線器獲得，不需要外加電源，因此更加適合外場飛行試驗使用。

1 概 述

該PCM數據采集器用于對機載環境的振動參數進行采集、記錄和實時遙測，采用USB2.0高速通信方式[1]。該采集器共有4塊采集板卡，每塊采集板卡采集8路通道的數據，一共能夠同時并行采集32路機載環境的振動數據。用戶可通過上位機軟件對每一通道的增益、采樣率和截頻點進行設置，并根據用戶所設置的參數進行采集，并將數據通過內部總線讀入到控制板中，經過數據處理按照100%振動參數PCM數據流、可選振動參數RS422數據流二種格式輸出[2]。

2 PCM數據采集器硬件設計

2.1 USB通訊硬件接口設計

PCM數據采集器的USB接口設計包括接口的硬件設計、控制器芯片CY7C60131的固件開發、上位機通訊及編程加載軟件設計3大部分內容，設計中主要參考了芯片CY7C60131的EZ-USB開發套件，其中CY7C60131的固件程序通過KEIL C軟件進行編寫、編譯形成用于加載的*.IIC文件，通過開發套件里的EZ-USB interface下載到與芯片配套使用的EEPROM芯片中[3]，通過其固件程序設置了用于USB通訊的四個端口：端口2、端口4、端口6、端口8，其中端口2、端口4為輸入端口（數據從上位機到采集器），端口6、端口8為輸出端口（數據從采集器到上位機），端口2、端口6端口用于上位機和采集器之間通訊命令和應答信息，端口4、端口8端口用于上位機和采集器之間通訊數據信息。所以在端口2、端口6端口的緩沖區大小設置為512個16位字[4]。

整個采集系統的編程加載在這個插件上實現，編程加載的過程如下圖所示：

1）在上位機上對PCM數據采集器的配置信息進行配置；2）連接采集器，與采集器通訊成功；

3）通過采集器內部的MCU微控制器下載配置數據到EEPROM中；

4）MCU控制數據采集器進行復位；

5）MCU從存儲器EEPROM中提取出數據，對需要配置的插件進行配置。

采集器USB傳輸控制如圖1所示。

2.2 USB通訊軟件接口功能設計

圖1 采集器USB傳輸控制圖Fig.1 Collector USB transmission control chart

USB通訊軟件接口功能設計主要包括板卡掃描、板卡配置寫和板卡配置讀等。綜合實現了與上位機軟件的PCM數據、RS422數據流的傳輸通訊功能[5]。

板卡掃描：上位機發出板卡掃描命令后，可從采集器中得到采集器中板卡數量、板卡串號、板卡基地址。板卡基地址是指板卡被分配的訪問地址，它是上位機訪問系統中每塊板卡的標志，在之后的板卡配置讀、寫中都必須指定具體的板卡基地址，采集器才能知道要對哪那一塊板進行操作。

板卡配置寫：用戶在上位機軟件中選中某一塊板卡，便可在它的配置界面進行設置，用戶配置完成后，運行上位機軟件加載數據，上位機先向采集器發出該板卡的配置寫命令，在該命令中還包括了板卡基地址和配置文件的尺寸信息。與PCM數據采集器通訊成功后，上位機軟件會將配置文件傳給采集器。其中PCM數據采集器的控制板，即CCU板可設置的內容主要包括100%PCM數據幀格式、輸出碼型。采集器的數據接收板可以設置內容主要包括通道的可選RS422輸出參數、波特率及奇偶效驗位等。

板卡配置讀：用戶可通過給采集器配置讀命令，從而讀出采集器中每一塊板卡目前的配置信息、也可用于配置寫之后的信息效驗。

3 上位機軟件的加載及實時監控功能設計與實現

3.1 編程加載軟件設計與實現

上位機與PCM數據采集器用通過USB2.0通訊，PCM數據采集器用連接好上位機的USB接口，并上電工作[6]。軟件識別采集器后，首先通過板卡掃描，獲得板卡個數，每塊板的串號和板的基地址。其次通過板卡配置讀進行檢驗及獲取當前板卡的配置信息。用戶將看到這些板卡的配置信息，檢查是否需要修改。如果需要修改，用戶對相應信息進行修改，然后生成一個十六進制的文件。最后完成板卡配置寫，當下位機控制板準備好接受文件后，上位機給下位機發送配置文件。上位機軟件流程如圖2所示。

3.2 實時監控功能設計與實現

上位機編程加載軟件的實時監控功能主界面主要實現了設備初始化、掃描板卡、讀配置信息、新建配置信息、確認配置信息等功能。

1）設備初始化：連接 USB，采集器上電后，上位機識別設備；

2）掃描板卡：上位機識別采集器的板卡構成：板卡個數及板卡名稱；

3）讀配置信息：界面顯示采集器每塊板卡的缺省配置信息；

圖2 上位機軟件流程圖Fig.2 PCsoftware flow chart

4）新建配置信息：用戶對需要更改的缺省配置信息進行修改；

5）確認配置信息：所有板卡的配置信息滿足用戶需求，用戶將其加載進配置文件中。

實時監控功能主界面如圖3所示。

圖3 實時監控功能主界面Fig.3 Real-time monitoring function main interface

3.3 PCM數據流編碼功能

PCM數據流編碼主要在PCM幀結構的設置（設置 主幀長和子幀長），及位速率確定的基礎上，按照實現了PCM數據幀格式的編碼，將兩個同步字FE6B和2840及子幀識別字添加至PCM數據編碼中。按照采樣率由高到低的順序，依次將參數等間隔的放入PCM數據幀結構中。該幀結構除了包含等間隔放置的參數外[7]，還有同步字，子幀識別字，時間字和填充字。所有參數放完后，剩余的空白位置均填填充字aaaa，最終生成PCM幀格式的數據文件，實現對機載振動環境數據的記錄功能。同時，生成的PCM格式文件可以通過USB接口傳送，加載給控制板，從而完成對振動采集器的配置。PCM數據流生成界面如圖4所示，PCM數據幀結構設計界面如圖5所示，生成的PCM幀格式的數據文件如圖6所示。

圖4 PCM數據生成界面Fig.4 PCM data creat interface

圖5 用戶設置幀結構形式Fig.5 Users to set the frame structure

圖6 PCM幀格式數據文件Fig.6 PCM frame format data files

4 結束語

該PCM采集器采用USB總線作為數據傳輸通道，設計了上位機編程加載軟件，實現了對每一板卡的每一通道的增益、采樣率和截頻點進行設置的功能，能根據所設置的參數進行機載環境振動數據的采集，并將數據通過內部總線讀入到控制板中，經過數據處理按照100%PCM數據流、可選RS422數據流二種格式輸出和記錄，以供飛行后進行數據分析。

[1]邊海龍，賈少華.USB2.0設備的設計與開發[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[2]蕭世文.USB2.0硬件設計[M].北京：清華大學出版社，2002.

[3]謝蘭英.基于USB數據采集系統的研究與設計 [D].湖北：武漢理工大學，2007.

[4]周立功.USB2.0-與OTG#L范開發指南[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[5]肖踞雄，翁鐵成，宋中慶.USB技術及應用設計[M].北京：清華大學出版社，2003.

[6]廖濟林.USB2.0應用系統開發實例精講[M].北京：電子工業出版社，2006.

[7]肖笑.基于BCC算法的多機系統PSS參數優化設計[J].陜西電力,2012（12）:51-54.XIAO Xiao.Optimal design of multi-machine power system stabilizer parameters based on bacterial colony chemotaxis algorithm[J].Shaanxi Electric Power，2012（12）:51-54.