基于串口通信的虚拟仪器平台的设计与测试

图1 硬件整体结构图基于串口通信的虚拟仪器平台的设计与测试张 怡,黄劲松,郑 乐(西北工业大学电子信息学院,陕西西安710072)摘 要:设计了一套基于串口通信的虚拟仪器平台。

系统硬件采用DSP 平台和PC 平台协同工作的模式,其中D SP 芯片为协处理器,负责信号采集和预处理。

PC 平台负责信号分析与工作状态控制,用户可以通过开发好的PC 平台软件完成对系统的控制,PC 机与DSP 的通信采用串口实现。

分析了串口通信质量对信号测量的影响,实验结果显示串口通信稳定可靠,通信误码对信号分析影响不大,能够满足串口通信虚拟仪器平台的需求。

关键词:虚拟仪器平台;串口通信;D SP中图分类号:TP 391.6 文献标识码:A 文章编号:1671O 654X (2010)05O 0095O 04引言随着计算机技术、信号处理技术的飞速发展,并与测试技术的进一步结合,由传统的测试仪器模式发展出新概念的测试仪器)))虚拟仪器(V irt u al Instr u -m ent),简称V I 。

经过十几年的发展,虚拟仪器技术在军事和民用领域获得了广泛的应用,对现代测控技术产生了深远的影响。

这是由于虚拟仪器利用了计算机的强大资源使本来需要传统硬件实现的功能软件化,不仅大幅度地降低了测试系统成本,而且增加了系统的功能和灵活性[1-2]。

开发物美价廉的实验仪器以满足人才培养的需求,是许多高校着重研究的课题之一。

虚拟仪器技术的采用,在降低使用成本的同时,可满足高校教学需要[3]。

目前,主流的虚拟仪器平台基于PC 总线。

这些平台虽然技术比较成熟,且在Labv ie w 等软件的支持下开发方便,但是存在造价昂贵的缺点。

而基于串口的虚拟仪器平台,虽然精度有所降低,但是造价低廉且使用方便,尤其适用于高校教学的需要,有着巨大的潜力。

本文使用串口作为通信方式,构建了一套用于信号频谱分析的虚拟仪器平台,该平台基于DSP 芯片T M S320VC5509A 实现,具有结构简单,易于实现,费用低廉的优点;而且由于其协议的通用性以及硬件电路的可移植性,所以具有较大的实际意义。

1 总体设计1.1 系统硬件结构在硬件上本系统主要由PC 平台和DSP 电路组成。

DSP 电路也就是虚拟仪器的信号采集和前端处理模块,它由DSP 芯片及其外围电路构成。

PC 平台则由计算机和信号转换处理电路部分组成,主要完成信号分析、存储、显示和网络传输。

硬件的整体结构功能如图1所示。

本设计选用DSP 芯片T M S320VC5509A 控制实现信号的采集和预处理。

T M S320VC5509A 芯片是T I 公司生产的一款DSP 处理器,它采用低功耗设计,比上一代C54XX 器件功耗低30%左右,并且处理速度更快,采用双核结构,速度大约为400M I PS 。

由于本系统应用于信号频谱分析,所以DSP 电路首先对信号发生器的输入信号进行采样和AD 转化,利用DSP 芯片的强大数字信号处理能力对转换后的数据进行预处理即收稿日期:2010O 07O 17基金项目:国家自然科学基金资助项目(60672184);航空科学基金资助项目(20085553016);国家大学生创新实验计划资助项目(07GZ1601)作者简介:张 怡(1958-),女,上海市人,副教授,硕士生导师,博士研究生,研究方向为通信、导航系统的信息传输与处理、数字信号处理、多媒 体与计算机通信。

第40卷 第5期航空计算技术Vo.l 40N o .52010年9月A eronautical Computi ng T echn i queSep .2010FFT 变换,得到信号的频谱数据。

使用串口将输入信号的频谱数据发送到PC 主机,PC 系统会自动将数据存入数据库,再根据用户的要求对信号进行分析显示,也可以将数据上传至Internet 。

系统中PC 机承担主控任务,负责该测控系统的通信参数设定、数据的采集处理及对DSP 运行的控制信号进行采集。

通信协议为:采用RS-232异步通信方式,DSP 串口通信方式为8位异步串行通信方式,其波特率是可变的,1位起始位,8位数据位,1位停止位,无奇偶校验。

DSP 接收PC 机的指令,根据指令信息实现相应的通信波形的发生和结束,调整相应的寄存器可以改变系统波特率。

下位机按接收到的指令工作,若PC 平台发出无效或错误指令,将不作任何控制。

本系统的特点是PC 系统与DSP 平台采用串口通信。

使用DSP 进行信号处理和分析在目前已经被广泛应用,在Labv ie w 等软件的支持下的基于PC 总线的虚拟仪器平台的性能也已十分稳定。

但是基于串口通信协议的虚拟仪器平台的应用及其在低信噪比条件下的稳定性却很少有人讨论。

下面针对本文设计的串口通信电路进行详细描述。

1.2 串口通信电路设计中在板上驱动电路部分使用TL16C550C 和M ax232芯片。

驱动电路主要完成将输出的0~3.3V 电平转换成异步串口的工作电平,转换电平的工作由MAX232芯片完成,但由于它是5V 器件所以它同DSP 间的信号线必须有电平转换,此板采用的是74LVC245。

TL16C550C 是一个标准的串口接口芯片,它的控制寄存器基地址为0x400200,寄存器占用T M S320VC5509的8个地址单元。

在设计中串口中断与TM S320VC5509的I N T0连接。

可以使用T M S320VC5509的中断0响应串口中断,从而实现异步通信[4]。

E I A -RS-232C 对电气特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。

规定说明了RS -232C 标准对逻辑电平的定义。

对于数据(信息码):逻辑/10(传号)的电平低于-3V,逻辑/00(空号)的电平高于+3V;对于控制信号;接通状态(ON )即信号有效的电平高于+3V,断开状态(OFF)即信号无效的电平低于-3V,也就是当传输电平的绝对值大于3V 时,电路可以有效地检查出来,介于-3~+3V 之间的电压无意义,低于-15V 或高于+15V 的电压也认为无意义,因此,实际工作时,应保证电平在?(3~15)V 之间。

E I A -RS-232C 是用正负电压来表示逻辑状态,与TTL 以高低电平表示逻辑状态的规定不同。

因此,为了能够同计算机接口或终端的TTL 器件连接,必须在E I A -RS-232C 与TTL 电路之间进行电平和逻辑关系的变换。

实现这种变换的方法可用分立元件,也可用集成电路芯片。

目前较为广泛地使用集成电路转换器件,本设计选用MAX232芯片完成TTL 与E I A 的双向电平转换。

2 软件设计系统软件设计主要包括硬件驱动和应用程序两个部分,硬件驱动的主要功能是底层硬件的初始化配置,硬件寄存器的读写;应用程序主要实现读取缓存区的采集数据,然后通过DSP 前端处理后发送至PC 平台,PC 平台完成数据的后续处理并显示结果。

2.1 串口下位机程序设计本系统与插卡型虚拟仪器、并行口式虚拟仪器以及GPI B 总线方式的虚拟仪器等虚拟仪器平台最主要的区别就在于使用了串口通信平台。

平台的程序设计如下面的程序流程如图2所示。

图2 串口下位机程序流程图程序开始后首先对DSP 时钟,E M I F 以及16C550C 的控制寄存器进行初始化,之后启动串口。

串口首先检查是否有来自上位机发送过来的控制命令。

如果有控制命令则根据命令设置串口启动参数,否则等待启动参数。

启动参数成功设置后DSP 平台检测信号采集状态,若信号采集发生异常则会触发中断,以免对硬#96# 航空计算技术 第40卷第5期件造成伤害。

若信号采集正常则将处理后的信号发送至PC 端。

PC 端对收到的信号进行分析,如需要串口传送状态则可以通过串口或者直接通过DSP 板上的按键对串口通信参数(波特率,码形等)进行调整,得到更优的信号波形。

2.2 PC 平台软件设计使用V isua lC ++进行软件开发得到PC 平台,平台负责数据分析和PC 端的串口通信,串口通信的程序采用自定义串口通信类来实现,串口读写主要运用ReadF ile()与W rite F ile()API 函数。

异步通信方式,两函数中最后一个参数为指向结构的非空指针,在读写函数返回值为F ALSE 的情况下,调用Get L ast E rror()函数,返回值表明I /O 操作悬挂,即操作转入后台继续执行[5]。

于是,定义全局变量为新建类的对象,就可以通过调用类的成员函数即可实现所需串行通信功能,从而成功搭建虚拟仪器的PC 平台。

制作好的PC 平台的软件界面及功能介绍如图3所示。

图3 PC 平台交互界面在操作过程中,用户根据上图中的PC 平台首先选择串口工作方式,然后启动下位机,从波形显示区和接收区可以实时的对采集到的信号进行分析。

考虑到高校教学的需求,教师可以将数据添加入数据库,一方面为进一步分析数据提供了条件,另一方面也可以通过I nternet 将数据传给学生。

由于PC 平台使用VC 开发,保存的数据形式相对于Labv ie w 来说具有通用性,学生可以根据个人情况使用M atlab 等信号分析工具直接读取信号并进行分析,既不需要进行任何数据格式转换,也不需要添加任何驱动。

3 测试结果及讨论由于本系统使用串口作为通信方式,所以讨论通信状况对系统性能的影响显得尤为重要。

通信质量的好坏,直接关系到PC 端的频谱分析。

因此,在系统测试阶段本文利用已实现的系统,重点研究不同波特率情况下串口通信的对信号的失真度的影响,进一步验证系统的稳定性。

系统上电后,信号输入模块接上信号发生器,输入标准正弦信号。

调整输入信号频率,传输波特率以及传输信噪比,测量不同信噪比条件下的正弦信号失真度,得到的结果如图4所示。

图4 失真度曲线由图4的实验结果可以看出,当信号频率分别为2kH z 时和10kH z 时,波特率越高则信号失真度越大。

而对于给定波特率,比如波特率设为9600,信号频率的变化对失真度的影响并不明显。

这说明基于串口通信的信号分析仪对于频率变化具有很好的稳定性,当测量信号为宽带信号时,能够将频谱失真控制在尽可能小的范围之内。

为了进一步验证上述结论,再研究串口通信对三角波和方波的影响,并与正弦信号进行对比。

三角波与方波存在理论失真度,为了客观的进行失真度比较,定义观测失真度与理论失真度(正弦信号的理论失真度为0)之差为相对失真度,主要比较相对失真度的大小,实验结果如图5所示。

图5 三种波形失真度曲线图5的结果显示,三种波形在信噪比较低时方波#97#2010年9月张 怡等:基于串口通信的虚拟仪器平台的设计与测试失真度最大,但是随着信噪比的提高,信号失真度均明显下降,相对失真度再次趋于一致。

这从另一个角度验证了本系统的测量稳定性,说明系统在降低成本的同时在测量精度上相对于PC 总线虚拟仪器平台并不会产生明显下降。