李 明，刘琳霞

（河南机电高等专科学校，河南 新乡 453002）

1 装置技术设计过程

1.1 装置的组成结构

嵌入式系统是一种特定的计算机系统，偏向于应用、控制等领域，在体积、可靠性、成本、实时性以及能耗方面均有自身要求并能完成指定功能的系统，其在系统设计方面，采用软件和嵌入式微处理器（DSP）作为硬件方面的配合进行工作，该便携式数据采集装置主要由DSP数据采集模块和嵌入式计算机来完成开关量信号、多路模拟量以及频率量的采集任务。此外，为了实现易操作性、可视化以及数据存储功能，系统的组成还包含USB接口、串/并口，U盘存储、TFT触摸屏等。系统整体结构如图1所示：

图1 系统整体结构图

1.2 设计装置硬件

装置的硬件组成主要包括DSP、嵌入式计算机、芯片以及其他外围电路，硬件分支模块分为实时时钟系统、主控系统、数据采集系统三部分。该采集装置采用了由美国TI生产的MSP430 F425，它是一款16位单片机。这款单片机可以实现超低功耗运作、具有精简指令的处理构架和多流水线处理模式，内部含2kB的随机存取存储器（RAM），寻址空间可达64 k，满足系统8路开关量和16路模拟量数据采集的设计要求。主控系统用于实现存储电路设计，接口选用通用串行总线，也就是USB。

图2 微处理器中电路

（1）设计装置电路。装置通过开入开出电路以及RAM将采集到的数据上传至计算机，进行处理。开入电路包括总线转换芯片和缓冲器，开出电路包括缓冲器和锁存器，此电路设计可以实现8路开入电路和16路开关量的输出。为方便寻址，外围译码电路主要由74 HC245锁存器（1片）和GAL16V8地址译码器（两片）构成。微处理器中电路（如图2所示）是整个电路设计的中心，电路设计的好坏与整个装置的效率和性能密切相关。MSP430F425单片机的时钟振荡电路又被称为晶振电路，有三种输入源：32K低速晶体振荡器、450 K以上高速振荡器以及数控振荡器。其为各个电路的工作提供准确的时钟信号，频率32 KHz，ACLK分频输出，在上电条件下，为处理器提供1048576MHz的时钟信号（由32768*32得出）其是装置中其他系统硬件和单片机传输信号的枢纽，同时也要执行保证电路正常复位的功能。

（2）设计装置的存储。装置执行数据采集的目的是为了对数据进行后期的整理、筛选和分析，所以便携式数据采集装置必须具有存储功能，其存储硬件包括接口和存储介质两个方面，这里主要讨论存储的输出传输接口，综合方便、快速、高效、普遍等原则，我们选用通用USB接口作为装置的外接接口，其具有造价低廉、技术成熟和传输稳定的优点，USB选用支持多种并行总线结构的CH375接口芯片；在存储介质的选择上，我们为装置配备了2种类型的介质，16 G容量的U盘和闪存卡（CF卡），16 G的U盘不仅满足容量要求，而且有着便于数据离线分析的优势。CF卡全称Compact Flash，具有较快的存取速度，耗电量极小，能适应大范围的温差变化，宜被用来存储数据采集和分析程序。另外，此数据采集装置采用了基于5*7点阵图显示的TFT触摸屏，显示驱动芯片为HD44780，该芯片的时钟频率在250 KHz附近，逻辑工作电压也在5伏左右，且可实现高速度、高亮度且对比性地显示信息，通电初始化时，要将地址计数器默认设置为“+1”。

1.3 设计装置的软件

系统软件设计选择上，我们选用μC/OSII多任务嵌入式系统，μC/OSII通过OS-ENTER或是OS-EXIT宏可以控制系统的中断（打开/关闭），然后ARM7TDMI处理器可以小于100 HZ的频率产生定时器中断，每次的中断行为中，首先将向一个堆栈内放入当前任务的CPU寄存器，然后将原来的工作寄存器从另一个堆栈内恢复过来，并重新继续执行这个任务。因此，μC/OSII具有稳定高效的处理内核，它的移植性特别强，能够适应多种微处理器，程序代码结构清晰、公开、可固化、可裁剪，μC/OSII是目前应用最为广泛的嵌入式系统之一。程序设计面向DSP模块，采用汇编语言，实现μC/OSII与处理器相关代码的编写，实时地帮助硬件完成数据的采集、存储和传输。

（1）设计数据采集启动程序。数据采集启动程序需要进行启动条件的判断和确定，通常便携式数据采集装置的启动条件分为循环记录、连续记录以及按条件记录三类。循环记录指的是当数据记录达到规定的长度阈值时，新的数据记录会自动覆盖旧的记录，这是一种数据更新式的记录方式；连续记录又称定时连续记录，所谓定时，指的是操作者可以为装置设定一个启动时间，当到达规定的时间点后，装置会自动启动，并且在一定时间内连续进行数据的采集；按条件记录毋庸置疑是为装置的启动设定一定的条件，当满足条件时，装置才会启动并记录数据，具体来说，这些条件包括以下几种形式：①正序量、零序量及负序量启动。正序量启动包括装置在运行时的过电压、过电流的启动，零序量启动包括稳态过量以及零序量电压、电流启动，负序量启动与包括负序过电流以及过电压启动。②突变量启动。突变量启动指的是电压和电流在短时间发生变化是时的启动形式。③频率启动。其是按频率变化或是频率阈值为条件的启动形式，常用的启动是按频率高于高频阈值或是频率低于低频阈值为标准的。④直流量启动。指的是将电流转换至直流状态后的电压及电流的不足或是过量时的启动形式。

（2）μC/OSII下的数据存储程序。数据存储概念是采集装置数据读写、数据保存以及防止修改的综合，利用外接USB接口，可以实现U盘的读写操作，CH375接口芯片具有8位数据总线，在芯片内集成了通讯协议固件，专门用来存储大量的信息，还可实现读写控制和中断输出，容易与MCU系统总线挂接，写入程序代码如下：

1.4 URAT通讯任务

UART是一种通用的异步接受/发送装置，因为其发送时钟是不同步的，所以称之为异步，可以实现并行输入、串行输出，计算机内部存储的数据本身是并行的，不能进行异步传输。因此，需要借助UART的异步传输功能，才能将嵌入式计算机本身的并行数据转换成了串行输出。

2 装置的功能

嵌入式计算机以及微处理器是数据分析的主要硬件，另外在对采集到的数据做分析时，系统电路（如外围译码电路以及开入/开出电路等）起到数据存取、传输以及交换的功能。在分析程序中，我们首先要设定数据的开关量、数据记录形式以及模拟量相关参数，在调用已经存储的默写数据时，设定文件管理模块以实现需要数据的查询和浏览，数据的分目录存储可以帮助操作人员快速找到相关文件，快速提取并调用到数据分析的软件程序中，数据分析主要用于实现波形显示、功率谱分析、谐波分析、对称分量显示、随机信号分析以及电能质量分析等。波形显示指的是装置对数据的采集转换成模拟量的采集，模拟量具有一定的波形，显示出波形后，操作人员可以对波形进行调整，可以实现多通道的同时显示，也可以调整波形横纵轴的幅值；功率谱分析主要是针对随机信号进行的，可以实现对模拟信号功率的分析（参照功率随频率的变化）；谐波分析利用傅立叶方法，对数据的谐波以及基波进行分析，并以直方图显示，包含数据有效值、实/虚部以及相角；对称分量显示指的是用向量图直观地表示装置故障前后的电压以及电流的变化情况；随机信号分析，该装置具有对随机信号分析的功能，随机信号是一种不确定信号形式，包含特征量和暂态量，对其分析时要先将这两种量态分隔开来；电能质量分析主要内容包含对电压变化、不平衡度以及系统谐波状态等，通过分析，最终能提供有功/无功功率，电压、频率以及电流的相关参数。

3 结语

综上所述，本文所研究的数据采集装置是一种基于嵌入式和数字信号处理器（DSP）技术的便携式数据采集装置，该装置可以实现8路开关量、16路模拟量的信号采集，它的突出特点是大容量储存空间、低能耗、携带方便。该装置在电子通信领域仍有广泛的研究和改善空间。

[1]张雄伟.DSP芯片的原理与开发应用[M].北京：电子工业出版社，2002.

[2]夏路易.MSP430单片机原理与智能仪器[M].北京:兵器工业出版社，2005.