一种基于USB总线的嵌入式虚拟仪器的信号处理方法技术

本发明专利技术涉及一种采用嵌入式计算机技术、计算机信号采集技术的基于ＵＳＢ总线的嵌入式虚拟仪器的信号处理方法。目前国内虚拟仪器存在测试系统自动化程度不高、携带不方便等问题。本发明专利技术的嵌入式虚拟仪器包括信号采集模块、信号调理模块和显示屏，其信号处理方法具体包括多通道信号采集方法、多通道信号调理方法和数据波形显示方法，其中多通道信号调理方法是对采集的信号进行数字滤波，并将信号转换为标定曲线，包括数据缓冲和速度匹配方法、信号仲裁和控制方法。采用本发明专利技术的信号处理方法，可以实现多通道数据采集。本发明专利技术采用嵌入式处理器作为控制器，使整个发明专利技术携带和安装更加方便，易于扩展，同时降低了系统成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于计算机应用
，特别是涉及一种采用嵌入式计算机技术、计算机信号采集技术的基于USB总线的嵌入式虚拟仪器的信号处理方法。
技术介绍
虚拟仪器(Virtual Instrument，简称VI)是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标点击虚拟面板，就可操作这台计算机系统硬件平台，就如同使用一台专用电测量仪器。虚拟仪器是一种计算机仪器系统，它利用PC机显示器(CRT)的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果，利用PC机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能。虚拟仪器主要由硬件和软件构成。构成虚拟仪器的硬件平台主要有两部分计算机和I/O接口设备。计算机一般为一台PC机或者工作站，是硬件平台的核心。I/O接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、转换。虚拟仪器软件由两部分构成实现虚拟仪器面板功能的应用程序和I/O接口仪器驱动程序。开发虚拟仪器的软件工具一般有LabVIEW、HPVEE、Visual C++、Labwindows/CVI等。虚拟仪器是电子测量技术与计算机技术深层次结合的、具有很好发展前景的新一类电子仪器。虚拟仪器要比传统的电子仪器更为通用，在组建和改变仪器的功能和技术性能方面更为灵活、更为经济，更能适应迅猛发展的当代科学技术对测量技术和测量仪器不断提出的更新并扩展功能与性能的要求。因此，虚拟仪器发展很快。近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些仪器公司提供的开发平台组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。最早和最具影响的开发软件，是NI公司的LabVIEW软件和LabWindows/CVI。LabVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。LabWindows/CVI是为熟悉C语言的开发人员准备的、在Windows环境下的标准ANSIC开发环境。除了上述的优秀开发软件之外。美国HP公司的HP-VEE和HPTIG平台软件，美国Tektronis公司的Ez-Test和Tek-TNS软件，以及美国HEM Data公司的Snap-Marter平台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。虚拟仪器的突出成就不仅是可以利用PC机组建灵活的虚拟仪器，更重要的是它可以通过各种不同的接口总线，组建不同规模的自测试系统。它可以藉不同的接口总线的沟通，将虚拟仪器、带接口总线的各种电子仪器或各种插件单元，调配并组建成为中小型甚至大型的自动调试系统。当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括传统的RS232串行总线、GPIB通用接口总线、VXI总线，以及已经被PC机广泛采用的PCI总线和IEEE1394总线(即Firewire，也叫做火线)。世界各国的公司，特别是美国NI公司，为使虚拟仪器能够适应上述各种总线的配置，开发了大量的软件以及适应要求的硬件(插件)，可以灵活地组建不同复杂程度的虚拟仪器自动测试系统。RS232总线是PC机早期采用的通用串行总线，至今仍然适用于要求较低的虚拟仪器或测试系统。GPIB仪器总线已经风行多年，由于它只是8位并行仪器总线，传输速率和传输距离有限，已经跟不上当今大规模自动测试系统的需求。但是，采用GPIB总线的仪器或插件，仍然大量存在，一直在应用，因此GPIB总线仍然是组建中等水平自动测试系统所欢迎的总线。VXI总线是在VME总线的基础上发展起来的仪器总线，成为当今国际上测量仪器总线的主体。它可以满足当代科学技术发展的测试要求，成为世界各国开发虚拟仪器最重视的开发对象。在这一方面，不仅常有新的软件出现，也常有高水平的测试开发成果的报道。虚拟仪器开发商不仅注意使虚拟仪器能够适应上述各种通用计算机总线系统，使之为虚拟仪器服务，而且也注意建立各种仪器专用的总线系统。美国NI公司在1997年9月1日推出模块化仪器的主流平台PXI，这是与Copact PCI完全兼容的系统。这种虚拟仪器模块化主流平台PXI/Compace，PCI的传输速度已经达到100Mb/s，是目前已经发布的最高传输速度。虚拟仪器的开发厂家，为扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数据处理、表达模式及其变换方面也做了许多工作，发布了各种软件，建立了数据处理的高级分析库及开发工具库(例如测量结果的谱分析、快速傅立叶变换、各种数字滤波器、卷积处理和相关函数处理、微积分、峰值和阈值检队波形发生、噪声发生、回归分析、数值运算、时域和频域分析等)，使虚拟仪器发展成为可以组建极为复杂自动测试系统的仪器系统。近年来，国内工业现场测试技术与现代动力工程技术的发展相适应，产生了飞速发展。随着电子技术、传感器技术、计算机技术和控制技术的推广与应用，以前采用人工采集处理测试数据、手工绘制曲线和人工操作等测试技术手段正被计算机自动测控系统所代替，测量和控制精度、可靠性、稳定性和灵活性都有了很大提高，虚拟仪器正在继续迅速发展。它可以取代测量技术传统领域的各类仪器。虚拟仪器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性与经济性，因而特别适用于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高更新的测量课题和测量需求。但是，目前国内虚拟仪器在性能测试方面存在不少问题，主要包括(1)测试系统自动化程度不高，仍然依靠人工手动调节和测试，还有些参数不能实现自动测试；(2)信号测量精度低，跟随速度慢，实时性差，测试系统抗干扰能力差，需要运用先进的测试理论和测试方法加以分析和改进；(3)测试工作现场环境差，而被测信号基本都是弱电信号，噪声信号较多，目前一般的测试系统的数据处理方法简单，因此所测数据的可靠性、真实性不高，需用先进的数据处理方法进行数据处理；(4)传统的虚拟仪器系统往往是基于PC总线、VXI总线、PXI总线以及串行口等方式，数据传输较慢，很难满足现代测试任务要求；同时采用这些总线方式设计的虚拟仪器系统往往安装麻烦，携带不方便，对需要不断变换位置工业测试任务或实验来说，该种结构的虚拟仪器使用起来显得非常不方便；(5)传统的虚拟仪器往往只能实时采集和处理单通道数据，对需要多通道测试数据的高速工业实时测试任务或实验来说，传统虚拟仪器信号处理方法不能满足要求。
技术实现思路
本专利技术就是针对现有技术的不足，提出一种以ARM S3C2440为嵌入式处理器，复杂可编程逻辑器件CPLD为控制核心的硬件平台，采用USB总线技术实现的、可热插拔的嵌入式虚拟仪器系统的信号处理方法。本专利技术的基于USB总线的嵌入式虚拟仪器包括信号采集模块、信号调理模块、显示屏，信号采集模块和信号调理模块通过USB总线连接。信号采集模块包括两个异步双端SRAM存储器和两个A/D转换模块；信号调理模块包括ARM S3C2440嵌入式处理器和CPLD控制部件。其中，底层硬件层是本专利技术的硬件部分，以嵌入式处理器为中心，取代现有虚拟仪器配备的通用计算机，复杂可编程逻辑器件(CPLD)XC95144XL为控制核心，异步双端静态RAM为数据缓冲区和速度匹配器，配置USB接口等I/O设备。本专利技术的软件部分是以嵌入式实时操作系统为核心，向上提供应用程序接口(API)，向下是屏蔽具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ＵＳＢ总线的嵌入式虚拟仪器的信号处理方法，该嵌入式虚拟仪器包括信号采集模块、信号调理模块和显示屏，信号采集模块和信号调理模块通过ＵＳＢ总线连接；信号采集模块包括两个异步双端ＳＲＡＭ存储器和两个Ａ／Ｄ转换模块；信号调理模块包括ＡＲＭ　　Ｓ３Ｃ２４４０嵌入式处理器和ＣＰＬＤ控制部件，其特征在于该嵌入式虚拟仪器的信号处理方法具体包括：　　　　　ａ．多通道信号采集方法：该方法设定采集时间完成本专利技术多通道信号的高速采集和上传；其中上传方法采用２个ＡＤ９２２０芯片进行信号采集，１个ＵＳＢ控制器芯片ＣＹ７Ｃ６８０１３以及通用串行总线ＵＳＢ总线技术实现数据通过ＵＳＢ总线传输，具有ＵＳＢ接口的设备支持即插即用；　　　　ｂ．多通道信号调理方法：该方法对采集的信号进行数字滤波，并将信号转换为标定曲线；包括数据缓冲和速度匹配方法、信号仲裁和控制方法；　　　　１）数据缓冲和速度匹配方法是采用２个高速的异步双口静态存储器ＩＤＴ７０Ｖ２４作为高速数据缓冲和速度匹配器，采用２个信号采集通道同时采集２路信号，每路采集通道均有１个Ａ／Ｄ芯片ＡＤ９２２０和１个异步双端静态ＲＡＭＩＤＴ７０Ｖ２４组成，该异步双端静态ＲＡＭ　　ＩＤＴ７０Ｖ２４通过它其中一套地址和数据总线缓存对应的Ａ／Ｄ芯片ＡＤ９２２０采集到的数据；在ＣＰＬＤ的控制下，各个通道的ＩＤＴ７０Ｖ２４依次通过另外一套地址和数据总线将数据读出并写入ＵＳＢ控制芯片中，异步双端静态ＲＡＭ　　ＩＤＴ７０Ｖ２４同时起着数据缓冲和速度匹配的作用；　　　　　２）信号仲裁和控制方法是通过ＣＰＬＤ控制部件ＸＣ９５１４４ＸＬ协调ＵＳＢ控制器ＣＹ７Ｃ６８０１３、异步双端静态ＲＡＭ　　ＩＤＴ７０Ｖ２４、以及Ａ／Ｄ转换器ＡＤ９２２０灯各个部件的运作；采用自顶向下和自底向上相结合的方法，将整体功能分解为包括采集命令读入、分频模块、Ａ／Ｄ采集控制、异步双端静态ＲＡＭ　　ＩＤＴ７０Ｖ２４读控制、异步双端静态ＲＡＭ　　ＩＤＴ７０Ｖ２４写控制和仲裁模块等子功能模块；　　　　ｃ．数据波形显示方法：同时保存多通道采集到的信号，显示被测信号参数值，同时绘制曲线波形，在液晶屏上显示。...

【技术特征摘要】
1.一种基于USB总线的嵌入式虚拟仪器的信号处理方法，该嵌入式虚拟仪器包括信号采集模块、信号调理模块和显示屏，信号采集模块和信号调理模块通过USB总线连接；信号采集模块包括两个异步双端SRAM存储器和两个A/D转换模块；信号调理模块包括ARM S3C2440嵌入式处理器和CPLD控制部件，其特征在于该嵌入式虚拟仪器的信号处理方法具体包括a.多通道信号采集方法该方法设定采集时间完成本发明多通道信号的高速采集和上传；其中上传方法采用2个AD9220芯片进行信号采集，1个USB控制器芯片CY7C68013以及通用串行总线USB总线技术实现数据通过USB总线传输，具有USB接口的设备支持即插即用；b.多通道信号调理方法该方法对采集的信号进行数字滤波，并将信号转换为标定曲线；包括数据缓冲和速度匹配方法、信号仲裁和控制方法；1)数据缓冲和速度匹配方法是采用2个高速的异步双口静态存储器IDT70V24作为高速数据缓冲和速度匹配器，采用2个信号采集通道同时采集2路信号，...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴国骏，张翔，曾虹，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]