张 莉，周雪纯，张 乐

（中国飞行试验研究院测控所 陕西 西安 710089）

数据采集器是飞行试验中不可缺少的一个重要设备，以往使用的数据采集器均采用航空插头，与外设连接还需转换插头。而新型的PCM采集器采用USB2.0通讯技术，相对于传统的串行、并行接口，USB的优势在于即插即用，支持热插拔；传输速度快，USB2.0提供最高达480 Mbps的传输率；最多可连接127个设备；电源可从计算机或集线器获得，不需要外加电源，因此更加适合外场飞行试验使用。

1 概 述

该PCM数据采集器用于对机载环境的振动参数进行采集、记录和实时遥测，采用USB2.0高速通信方式[1]。该采集器共有4块采集板卡，每块采集板卡采集8路通道的数据，一共能够同时并行采集32路机载环境的振动数据。用户可通过上位机软件对每一通道的增益、采样率和截频点进行设置，并根据用户所设置的参数进行采集，并将数据通过内部总线读入到控制板中，经过数据处理按照100%振动参数PCM数据流、可选振动参数RS422数据流二种格式输出[2]。

2 PCM数据采集器硬件设计

2.1 USB通讯硬件接口设计

PCM数据采集器的USB接口设计包括接口的硬件设计、控制器芯片CY7C60131的固件开发、上位机通讯及编程加载软件设计3大部分内容，设计中主要参考了芯片CY7C60131的EZ-USB开发套件，其中CY7C60131的固件程序通过KEIL C软件进行编写、编译形成用于加载的*.IIC文件，通过开发套件里的EZ-USB interface下载到与芯片配套使用的EEPROM芯片中[3]，通过其固件程序设置了用于USB通讯的四个端口：端口2、端口4、端口6、端口8，其中端口2、端口4为输入端口（数据从上位机到采集器），端口6、端口8为输出端口（数据从采集器到上位机），端口2、端口6端口用于上位机和采集器之间通讯命令和应答信息，端口4、端口8端口用于上位机和采集器之间通讯数据信息。所以在端口2、端口6端口的缓冲区大小设置为512个16位字[4]。

整个采集系统的编程加载在这个插件上实现，编程加载的过程如下图所示：

1）在上位机上对PCM数据采集器的配置信息进行配置；2）连接采集器，与采集器通讯成功；

3）通过采集器内部的MCU微控制器下载配置数据到EEPROM中；

4）MCU控制数据采集器进行复位；

5）MCU从存储器EEPROM中提取出数据，对需要配置的插件进行配置。

采集器USB传输控制如图1所示。

2.2 USB通讯软件接口功能设计

图1 采集器USB传输控制图Fig.1 Collector USB transmission control chart

USB通讯软件接口功能设计主要包括板卡扫描、板卡配置写和板卡配置读等。综合实现了与上位机软件的PCM数据、RS422数据流的传输通讯功能[5]。

板卡扫描：上位机发出板卡扫描命令后，可从采集器中得到采集器中板卡数量、板卡串号、板卡基地址。板卡基地址是指板卡被分配的访问地址，它是上位机访问系统中每块板卡的标志，在之后的板卡配置读、写中都必须指定具体的板卡基地址，采集器才能知道要对哪那一块板进行操作。

板卡配置写：用户在上位机软件中选中某一块板卡，便可在它的配置界面进行设置，用户配置完成后，运行上位机软件加载数据，上位机先向采集器发出该板卡的配置写命令，在该命令中还包括了板卡基地址和配置文件的尺寸信息。与PCM数据采集器通讯成功后，上位机软件会将配置文件传给采集器。其中PCM数据采集器的控制板，即CCU板可设置的内容主要包括100%PCM数据帧格式、输出码型。采集器的数据接收板可以设置内容主要包括通道的可选RS422输出参数、波特率及奇偶效验位等。

板卡配置读：用户可通过给采集器配置读命令，从而读出采集器中每一块板卡目前的配置信息、也可用于配置写之后的信息效验。

3 上位机软件的加载及实时监控功能设计与实现

3.1 编程加载软件设计与实现

上位机与PCM数据采集器用通过USB2.0通讯，PCM数据采集器用连接好上位机的USB接口，并上电工作[6]。软件识别采集器后，首先通过板卡扫描，获得板卡个数，每块板的串号和板的基地址。其次通过板卡配置读进行检验及获取当前板卡的配置信息。用户将看到这些板卡的配置信息，检查是否需要修改。如果需要修改，用户对相应信息进行修改，然后生成一个十六进制的文件。最后完成板卡配置写，当下位机控制板准备好接受文件后，上位机给下位机发送配置文件。上位机软件流程如图2所示。

3.2 实时监控功能设计与实现

上位机编程加载软件的实时监控功能主界面主要实现了设备初始化、扫描板卡、读配置信息、新建配置信息、确认配置信息等功能。

1）设备初始化：连接 USB，采集器上电后，上位机识别设备；

2）扫描板卡：上位机识别采集器的板卡构成：板卡个数及板卡名称；

3）读配置信息：界面显示采集器每块板卡的缺省配置信息；

图2 上位机软件流程图Fig.2 PCsoftware flow chart

4）新建配置信息：用户对需要更改的缺省配置信息进行修改；

5）确认配置信息：所有板卡的配置信息满足用户需求，用户将其加载进配置文件中。

实时监控功能主界面如图3所示。

图3 实时监控功能主界面Fig.3 Real-time monitoring function main interface

3.3 PCM数据流编码功能

PCM数据流编码主要在PCM帧结构的设置（设置 主帧长和子帧长），及位速率确定的基础上，按照实现了PCM数据帧格式的编码，将两个同步字FE6B和2840及子帧识别字添加至PCM数据编码中。按照采样率由高到低的顺序，依次将参数等间隔的放入PCM数据帧结构中。该帧结构除了包含等间隔放置的参数外[7]，还有同步字，子帧识别字，时间字和填充字。所有参数放完后，剩余的空白位置均填填充字aaaa，最终生成PCM帧格式的数据文件，实现对机载振动环境数据的记录功能。同时，生成的PCM格式文件可以通过USB接口传送，加载给控制板，从而完成对振动采集器的配置。PCM数据流生成界面如图4所示，PCM数据帧结构设计界面如图5所示，生成的PCM帧格式的数据文件如图6所示。

图4 PCM数据生成界面Fig.4 PCM data creat interface

图5 用户设置帧结构形式Fig.5 Users to set the frame structure

图6 PCM帧格式数据文件Fig.6 PCM frame format data files

4 结束语

该PCM采集器采用USB总线作为数据传输通道，设计了上位机编程加载软件，实现了对每一板卡的每一通道的增益、采样率和截频点进行设置的功能，能根据所设置的参数进行机载环境振动数据的采集，并将数据通过内部总线读入到控制板中，经过数据处理按照100%PCM数据流、可选RS422数据流二种格式输出和记录，以供飞行后进行数据分析。

[1]边海龙，贾少华.USB2.0设备的设计与开发[M].北京：人民邮电出版社，2004.

[2]萧世文.USB2.0硬件设计[M].北京：清华大学出版社，2002.

[3]谢兰英.基于USB数据采集系统的研究与设计 [D].湖北：武汉理工大学，2007.

[4]周立功.USB2.0-与OTG#L范开发指南[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[5]肖踞雄，翁铁成，宋中庆.USB技术及应用设计[M].北京：清华大学出版社，2003.

[6]廖济林.USB2.0应用系统开发实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2006.

[7]肖笑.基于BCC算法的多机系统PSS参数优化设计[J].陕西电力,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.