基于通用總線技術(shù)的數(shù)據(jù)記錄存儲模塊設計

王豐

（中國航天科技集團北京航天長征飛行器研究所，北京，100076）

0 引言

電子電氣產(chǎn)品的研制調(diào)試不同于結(jié)構(gòu)等其他產(chǎn)品，很多的數(shù)據(jù)看不見，摸不到，而且電子電氣產(chǎn)品的可能故障點非常多，光是芯片的引腳就有幾百個，任何一點的虛焊，都會引起難以排查的故障。況且電信號的速度非常的快，很多的現(xiàn)象都是毫秒、甚至微妙級，轉(zhuǎn)瞬即逝，有的故障現(xiàn)象還是概率性事件，只有達到一定的測試次數(shù)才會復現(xiàn)，因此電子電氣工程師排查電氣系統(tǒng)的故障都必須使用專門的調(diào)試設備。

現(xiàn)階段比較普遍使用的測試設備是三用表和示波器。三用表使用簡單，價格經(jīng)濟便宜，可以檢測電壓信號、電流信號、測量電阻的大小；示波器的使用門檻比較高，價格比較昂貴，可以檢測微妙甚至納秒級的電信號，測試電壓范圍寬，采用率高，很多高端的產(chǎn)品還可以進行信號時域和頻域的轉(zhuǎn)換。但是這兩種產(chǎn)品都存在一個共同的缺點，就是不能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)長時間存儲并回放，這就給工程師帶來了麻煩。電子電氣產(chǎn)品中產(chǎn)生了概率性的問題后往往需要大量長時間的測試用于產(chǎn)品故障復現(xiàn)，為了抓住產(chǎn)品故障狀態(tài)下的信號波形，就需要對信號進行長時間監(jiān)測。

現(xiàn)階段在市面已經(jīng)存在具有數(shù)據(jù)采集存儲功能的測試儀，例如日置公司的數(shù)據(jù)存儲記錄儀MR6000、HBM公司的GEN3i，產(chǎn)品雖然能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集存儲，但是成本很高，不低于30萬，創(chuàng)業(yè)型小公司或者個人試驗室往往無法承受；并且產(chǎn)品體積大、重量大、便攜性不好。

基于上述產(chǎn)品的缺點，現(xiàn)設計一款成本低廉、便攜性好的基于通用總線技術(shù)的數(shù)據(jù)記錄存儲模塊（以下簡稱數(shù)據(jù)記錄存儲模塊），采用計算機通用總線傳輸數(shù)據(jù)，與筆記本電腦配合使用，發(fā)揮計算機總線的高速特性、大容量硬盤的存儲技術(shù)和Windows操作系統(tǒng)下成熟數(shù)據(jù)處理軟件技術(shù)，對測試數(shù)據(jù)進行大量存儲和精確分析，同時顯著降低產(chǎn)品成本。

三用表、示波器、數(shù)據(jù)存儲記錄儀以及數(shù)據(jù)記錄存儲模塊的優(yōu)缺點比對，詳見表1。

表1 各種數(shù)據(jù)記錄儀特性比對

經(jīng)過表1的比對分析得出，新設計數(shù)據(jù)記錄存儲模塊的綜合性指標要優(yōu)于其它測試設備，因此開發(fā)基于計算機通用總線技術(shù)的數(shù)據(jù)記錄模塊很有必要。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

基于通用總線技術(shù)的數(shù)據(jù)采集模塊設計原理詳見圖1。

圖1 模塊原理框圖

基于通用總線技術(shù)的數(shù)據(jù)記錄模塊，采用現(xiàn)階段計算機比較通用的USB總線，因為USB總線多用于筆記本電腦對外接口，接口速度快，連接使用方便，抗干擾能力強，其中USB接口轉(zhuǎn)接RS422接口模塊，也是市面很普遍的產(chǎn)品。而且很多的USB轉(zhuǎn)接RS422接口的模塊均為免驅(qū)動，通用的串口助手等數(shù)據(jù)存儲軟件也很多，這為上位機軟件的研制減少工作量。

模塊的核心設計采用DSP芯片，可以高速處理傳輸16位數(shù)據(jù)，并且DSP芯片自帶全雙工串口，方便擴展RS422接口。AD芯片為12位數(shù)據(jù)采集芯片，可以實現(xiàn)小數(shù)點后2位數(shù)的電壓精度。由于模塊采用RS422接口與上位機筆記本連接，模塊本身無法從USB接口取電，因此需要外接交流220V轉(zhuǎn)直流5V電源供電，采用市購通用的220V轉(zhuǎn)5V變壓器即可。

數(shù)據(jù)記錄存儲模塊使用時，將模塊與筆記本電腦USB接口連接，模塊電源與220V交流電源連接，將兩個探針分別連接被測設備的正負點，啟動串口助手，設置好通信的波特率和奇偶校驗位。將模塊配置數(shù)據(jù)通過串口助手發(fā)送至模塊，模塊配置好后自動開始采集數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)通過USB接口傳送至上位機的串口助手。點擊串口助手的數(shù)據(jù)保存功能，將數(shù)據(jù)單獨存儲為文件。用Matlab或者Origin軟件對數(shù)據(jù)進行分析。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 DSP電路設計

本模塊的CPU采用TI公司的TMS320F2812DSP芯片。此芯片為高性能32位定點數(shù)字信號處理器，內(nèi)核的指令執(zhí)行周期達到了6.67ns，最高運行頻率可以達到150MHz，保證了控制系統(tǒng)有足夠的數(shù)據(jù)處理能力。此外，F(xiàn)2812集成有許多外設，提供了整套的片上系統(tǒng)，從降低了系統(tǒng)成本，實現(xiàn)更簡單、高效的控制[1]。其片上外設主要包括2路SCI，1路SPI，1路McBSP，1路eCAN接口等，并帶有兩個事件管理模塊(EVA、EVB)，分別包括6路PWM/CMP，2路QEP，3路CAP，2路16位定時器(或TxPWM/TxCMP)。另外，該器件還有3個獨立的32位CPU定時器，以及多達56個獨立編程的GPIO引腳。芯片內(nèi)部有18K的SARAM，包括MO、M1、L0、L1、H0共5個存儲塊。各存儲塊保持獨立，可以在同一機器周期對不同的RAM塊進行訪問。而且F2812內(nèi)部有128K字的FLASH，適用于低功耗、高性能的控制系統(tǒng)。此外F2812提供了外部存儲器擴展接口(XINTF)，方便進行系統(tǒng)擴展，其尋址空間可以達到1MB。

2.2 AD采集電路設計

AD采樣電路采用AD7864芯片。AD7864是一款高速低功耗四通道同步采樣單5V供電的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它包含一個1.65μs逐次逼近ADC，四采樣保持放大器，2.5V電壓參考，時鐘振蕩器，信號調(diào)理電路和一高速并行接口，它可以同步采樣四路通道的輸入信號以保持四路模擬輸入的相對狀態(tài)信息。AD7864可以接受的輸入信號范圍為：AD7864-1型 為 ±10V，±5V；AD7864-2型為 0～2.5V，0～5V；AD7864-3型為±2.5V。模擬輸入的過電壓保護可以允許輸入電壓分別達到±20V，+20V／-1V，+20／-5V而對器件不產(chǎn)生損害或影響。通道選擇可以通過軟件或硬件進行選擇。AD7864四通道同時工作時，最大采樣率可以高達130kHz。

2.3 RS422電路設計

RS422接口芯片采用ADM2587E完全集成式隔離數(shù)據(jù)收發(fā)器，包含一個集成式隔離DC/DC電源，不再需要外部隔離電源模塊，是帶隔離的增強型RS-485收發(fā)器，ADM2582E/ADM2587E是具備±15kVESD保護功能的完全集成式隔離數(shù)據(jù)收發(fā)器，適合用于多點傳輸線路上的高速通信應用。它采用ADI公司的isoPowerTM技術(shù)，在單個封裝內(nèi)集成了一個三通道隔離器、一個三態(tài)差分線路驅(qū)動器、一個差分輸入接收機和一個isoPowerTMDC/DC轉(zhuǎn)換器，該器件采用5V或3.3V單電源供電，從而實現(xiàn)了完全隔離的RS-485解決方案。ADM2582E/ADM2587E驅(qū)動器帶有一個高電平有效使能電路，并且還提供一個高電平接收機有效禁用電路，可使接收機輸出進入高阻抗狀態(tài)[2]。

3 系統(tǒng)軟件設計

嵌入式軟件設計采用C語言進行設計，編譯器選用CCS3.3版本，軟件流程圖詳見圖2。

圖2 嵌入式軟件流程圖

軟件下載在DSP芯片中，上電后自動運行。軟件運行后，先對DSP芯片和AD芯片進行基本的配置，然后檢測是否有上位機通過RS422總線發(fā)送來的配置指令，若有則將相應的寄存器置位，同時檢測配置信息中是否有開始采集數(shù)據(jù)信息，若有，則將啟動采集寄存器置位。當DSP檢測到啟動采集寄存器職位后，開始按照配置數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過RS422接口編幀，傳輸給上位機[3]。

數(shù)據(jù)編幀的格式詳見表2。

表2 RS422接口數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

操作系統(tǒng)通過上位機軟件將USB接口傳輸過來的數(shù)據(jù)解幀，通過操作系統(tǒng)內(nèi)置函數(shù)存儲為十六進制文件.dat。當數(shù)據(jù)量比較大時，可以將數(shù)據(jù)分包，存成幾個文件，便于后續(xù)分析和處理。

采集結(jié)束時，發(fā)送RS422指令，停止數(shù)據(jù)采集，DSP處于待機狀態(tài)，繼續(xù)等待接收新的開始指令。

4 實驗結(jié)果與分析

對5V電壓進行采集測試，上位機現(xiàn)實的電壓數(shù)據(jù)曲線詳見圖6。此波形為采用Origin8.0軟件對5V電壓采集數(shù)據(jù)進行的繪圖。

圖3 電壓采集曲線

經(jīng)分析，模塊可是實現(xiàn)對5V直流電壓的精確采集。

通過將采集數(shù)據(jù)和其他公司設備采集數(shù)據(jù)相比較，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)趨勢基本一致，同時基于USB總線技術(shù)的數(shù)據(jù)采集設備在存儲方面明顯優(yōu)于其它設備，可以借用操作系統(tǒng)的對存儲系統(tǒng)管理的優(yōu)越性，顯著減少軟件數(shù)據(jù)處理的工作量，同時由于具有操作系統(tǒng)的支持，數(shù)據(jù)處理也變得很簡單，可以通過波形直接識別出總線數(shù)據(jù)，還可以定制自己的算法。