磁电机参数存储数据采集装置上位机测试软件设计的毕业设计.docx
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磁电机参数存储数据采集装置上位机测试软件设计的毕业设计
磁电机参数存储数据采集装置上位机测试软件设计
摘要:
存储式数据采集装置在设计阶段、生产调试阶段、校准、测试前状态设置、测试后数据回放时均要与地面PC机通信,由计算机下达相应指令,下位机实现相应的功能。
为此首先制定了通信规约,其内容包括了上位机、下位机的各种操作、各种命令、功能(包括清零、复位、幅度校准、时钟校准、预触发、解除保险、实时采集、数据回传、停止采集等)、字节格式、校验方式以及波特率等。
其次依据通信规约采用VisualBasic高级编程语言编制程序,向下位机发送的各种命令,同时接收下位机回送的数据帧。
再次编程完成数据显示、存储和简单处理等功能。
最后通过与下位机的联合调试,完全实现了通信规约中所规定的功能。
程序运行可靠,操作方便,基本可以达到使用要求。
关键词:
数据采集装置;通信规约;VisualBasic;数据帧
ThedesignofaTestPCProgramaboutStorageDataAcquisitionDeviceforMagnetoPowerGeneratorParameter’s
Abstract:
TheStorageDataAcquisitionDevicemustcommunicatewiththePCatthestagesofdesigning、productivedebugging,calibrating,statesettingbeforetest,datareturningaftertest.PCsendsorderstotheMCU,andthentheMCUrealizeit.Firstthecommunicationprotocolmustbemade,whichcontentseveralofoperations,severaloforders,functions(includingclear,reset,Scopecalibrating,clockcalibrating,pre-trigger,reliefinsurance,real-timecollecting,datareturning,stopcollecting...etc),byteformat,verifywayandBaudrateetc.Secondly,VisualBasicisusedtowritetheprogramaccordingtothecommunicationprotocol,thensendseveralorderstotheMCUandreceivethedataframeswhichreturnedfromtheMCU.Third,wewriteprogramtodisplay,saveandprocessdatasimply.Atlast,throughdebuggingwiththeMCU,allfunctionsdefinedbythecommunicationprotocolarerealized.Theprogramrunsreliably,anditiseasytooperate,andmeetsbasicrequesttouse.
Keywords:
DataAcquisitionDevice;CommunicationProtocol;VisualBasic;DataFrame
1绪论
1.1课题背景及目的
数据采集系统起始于20世纪50年代,1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统,目标是测试中不依靠相关的测试文件,由非熟练人员进行操作,并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。
由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性,可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务,因而得到了初步的认可。
大约在60年代后期,国外就有成套的数据采集设备产品进入市场,此阶段的数据采集设备和系统多属于专用的系统。
20世纪70年代中后期,随着微型机的发展,诞生了采集器、仪表同计算机融为一体的数据采集系统。
由于这种数据采集系统的性能优良,超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统,因此获得了惊人的发展。
从70年代起,数据采集系统发展过程中逐渐分为两类,一类是实验室数据采集系统,另一类是工业现场数据采集系统。
就使用的总线而言,实验室数据采集系统多采用并行总线,工业现场数据采集系统多采用串行数据总线。
20世纪80年代随着计算机的普及应用,数据采集系统得到了极大的发展,开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。
该阶段的数据采集系统主要有两类,一类由仪器仪表、采集器、通用接口总线和计算机等构成。
例如:
国际标准ICE625(GPIB)接口总线系统就是一个典型的代表。
这类系统主要用于实验室,在工业生产现场也有一定的应用。
第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成,例如:
STD总线系统是这一类的典型代表。
这种接口系统采用积木式结构,把相应的接口卡装在专用的机箱内,然后由一台计算机控制。
第二类系统在工业现场应用较多。
这两种系统中,如果采集测试任务改变,只需将新的仪用电缆接入系统,或将新卡再添加到专用的机箱即可完成硬件平台重建,显然,这种系统比专用系统灵活得多。
20世纪80年代后期,数据采集系统发生了极大的变化,工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合,用软件管理,使系统的成本降低,体积减小,功能成倍增加,数据处理能力大大加强。
20世纪90年代至今,在国际上技术先进的国家,数据采集技术已经在军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域被广泛应用。
由于集成电路制造技术的不断提高,出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统(DAS)。
目前有的DAS产品精度已达16位,采集速度每秒达到几十万次以上。
数据采集技术已经成为一种专门的技术,在工业领域得到了广泛的应用。
该阶段数据采集系统采用更先进的模块式结构,根据不同的应用要求,通过简单的增加和更改模块,并结合系统编程,就可扩展或修改系统,迅速地组成一个新的系统。
该阶段并行总线数据采集系统向高速、模块化、即插即用的方向发展,典型系统有VXI总线系统,PCI、PXI总线系统等,数据位数已达到32位总线宽度,采样频率可以达到100MSps。
由于采用了高密度,屏蔽型,针孔式的连接器和卡式模块,可以充分保证其稳定性及可靠性,但其昂贵的价格是阻碍它在自动化领域普及的一个重要因素。
但是,并行总线系统在军事等领域取得了成功的应用。
串行总线数据采集系统向分布式系统结构和智能化方向发展,可靠性不断提高。
数据采集系统物理层通信,由于采用RS232、RS485、双绞线、电力载波、无线和光纤,所以其技术得到了不断发展和完善,其在工业现场数据采集和控制等众多领域得到了广泛的应用。
由于目前局域网技术的发展,一个工厂管理层局域网,车间层的局域网和底层的设备网已经可以有效地连接在一起,可以有效地把多台数据采集设备连在一起,以实现生产环节的在线实时数据采集与监控。
1.2国内外研究状况
数据采集仪器是一种具有现场记录、分析功能的设备或现场记录、离线分析机器设备等状态数据功能的便携式分析仪器。
它是把安装在机器设备上的震动传感器和过程传感器等所测得的信号作为输入,配以各种测量分析技术以及多样化的显示格式组成的一个检测系统,主要应用于对机器设备进行定期巡回状态监测、故障诊断和产品质量检验等多种领域。
随着国外微电子技术、计算机技术、测控技术和数字通信技术的发展,目前国外数据采集技术已经较初期有了很大的发展。
从近来国外公司展示的新产品可以看出,主要的发展可以概括为功能多样,体积减小和使用方便等三个方面。
此外,数据采集器还有如下特点:
它既是一台数据采集器,又可以兼做其它仪器来用;储存量大,从低频到高频频率测量范围宽,能适应机器从低速到高速的各种监测范围需要;可利用振动传感器或过程传感器或电量传感器等输人多种物理量,如振动加速度、位移、相位、转速、温度、压力、流量、电压、电流和功率等,形成多参数监测系统;数据采集器配套的软件是以通用窗口的软件为基础,一套软件可同时支持数种不同型号与不同档次的数据采集器;数据采集器已经安装了LCD背光显示屏,并尽量减少了操作键,元器件高度集成化,并减轻机器的重量,采用防水防撞击的密封外壳,能适应恶劣的工业环境。
近年来国内一些仪器厂已研制出了多种数据采集器,基本已经达到了国外数据采集器的初期水平。
但是国内数据采集器与目前国外数据采集器相比,在技术上仍然存在着一定的差距,主要表现在:
由于受国内传感器水平的限制,给一些诊断和检测等带来了一定的困难;数据采集器的内存不大,数据采集器本身的信号处理功能不强,在现场只能做一些简单诊断,精密诊断需要离线到计算机上去做,现场精密诊断功能较弱;设备的软件水平,仍在设备维修管理和基本分析上徘徊,机器故障诊断和生产过程质量控制专家系统还需完善,软件人机界面有待改进。
数据采集系统是整个工厂自动化的最前端,测试精度、速度与实现该功能的成本是几个重要因素,数据采集仪器也正朝着这几个方向发展,实现高速、实时、便携数据采集。
市场上迅速出现了便携式数据采集器、USB数据采集器、高速数据采集仪等满足工业生产需求的数据采集仪器。
数据采集器已经由最简单的资料收集和有限的操作发展到可运行视窗软件,触摸屏技术也广泛采用,存储能力大大提高。
同时,随着Internet的发展、多媒体技术、工业控制技术的应用迅速普及,各种功能更加强大的数据采集器相继产生,它们将改变了的数据采集器仅作为数据存储的功能,能独立处理数据,并可通过网络与主机双向实时交流,使数据的采集处理更加快速准确,采集器的外形也将更加微型化、智能化,并逐步渗透到社会的各个领域。
1.3课题意义
由于存储式数据采集装置在设计阶段、生产调试阶段、校准、测试前状态设置、测试后数据回放时均要与地面PC机通信,由计算机下达相应指令,实现相应的功能,所以要设计相应的上位机测试软件,以实现对存储式数据采集装置在设计阶段、生产调试阶段各种测试与调试等。
利用VB高级编程语言,按照通信规约设计与下位机的通信软件,实现对下位机的各种操作和各种功能(包括复位,解除保险,强制预采,数据回传等)。
1.4主要研究内容和方法
研究的主要内容:
(1)UART的概念
(2)RS232C串行通信的概念
(3)上位机与下位机的通信规约
(4)VisualBasic高级编程语言
实现方法:
通过对UART和RS232C串行通信概念的熟悉,制定上位机与下位机的通信规约,最后按照规约的要求利用VisualBasic高级编程语言编写上位机的测试软件。
2串行通信的相关概念
2.1串行通讯的基本概念
与外界的信息交换称为通讯。
基本的通讯方式有并行通讯和串行通讯两种。
一条信息的各位数据被同时传送的通讯方式称为并行通讯。
并行通讯的特点是:
各数据位同时传送,传送速度快、效率高,但有多少数据位就需多少根数据线,因此传送成本高,且只适用于近距离(相距数米)的通讯。
一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。
串行通讯的特点是:
数据的传送按位顺序进行,最少只需一根传输线即可完成,成本低但送速度慢。
串行通讯的距离可以从几米到几千米。
根据信息的传送方向,串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。
信息只能单向传送为单工;信息能双向传送但不能同时双向传送称为半双工;信息能够同时双向传送则称为全双工。
串行通讯又分为异步通讯和同步通讯两种方式。
在单片机中,主要使用异步通讯方式。
MCS_51单片机有一个全双工串行口。
全双工的串行通讯只需要一根输出线和一根输入线。
数据的输出又称发送数据(TXD),数据的输入又称接收数据(RXD)。
串行通讯中主要有两个技术问题,一个是数据传送、另一个是数据转换。
数据传送主要解决传送中的标准、格式及工作方式等问题。
数据转换是指数据的串并行转换。
具体说,在发送端,要把并行数据转换为串行数据;而在接收端,却要把接收到的串行数据转换为并行数据[1]。
2.1.1串行通讯的概念及接口电路
图2-1数据传输图
所谓“串行通信”是指外设和计算机间使用一根数据信号线(另外需要地线,可能还需要控制线),数据在一根数据信号线上一位一位地进行传输,每一位数据都占据一个固定的时间长度。
如图2-1所示。
这种通信方式使用的数据线少,在远距离通信中可以节约通信成本,当然,其传输速度比并行传输慢。
由于CPU与接口之间按并行方式传输,接口与外设之间按串行方式传输,因此,在串行接口中,必须要有“接收移位寄存器”(串→并)和“发送移位寄存器”(并→串)。
典型的串行接口的结构如图2-2所示。
图2-2串行接口结构图
在数据输入过程中,数据1位1位地从外设进入接口的“接收移位寄存器”,当“接收移位寄存器”中已接收完1个字符的各位后,数据就从“接收移位寄存器”进入“数据输入寄存器”。
CPU从“数据输入寄存器”中读取接收到的字符(并行读取,即D7~D0同时被读至累加器中)。
“接收移位寄存器”的移位速度由“接收时钟”确定。
在数据输出过程中,CPU把要输出的字符(并行地)送入“数据输出寄存器”,“数据输出寄存器”的内容传输到“发送移位寄存器”,然后由“发送移位寄存器”移位,把数据1位1位地送到外设。
“发送移位寄存器”的移位速度由“发送时钟”确定。
接口中的“控制寄存器”用来容纳CPU送给此接口的各种控制信息,这些控制信息决定接口的工作方式。
“状态寄存器”的各位称为“状态位”,每一个状态位都可以用来指示数据传输过程中的状态或某种错误。
例如,用状态寄存器的D5位为“1”表示“数据输出寄存器”空,用D0位表示“数据输入寄存器满”,用D2位表示“奇偶检验错”等[2]。
2.1.2串行通信的三种方式
串行通信有以下三种传送方式,本设计采用全双工传送方式。
(1)单工
仅能进行一个方向的传送,即A只能作为发送器,B只能作为接收器。
两设备之间只有一根传输线。
如图2-3所示。
图2-3单工图
(2)半双工
能交替地进行双向数据传送,设备A可以作为发送器,又可作为接收器,设备B亦如此。
由于两设备之间只有一根传输线,因此,两个方向的数据传输不能同时进行。
如图2-4所示。
图2-4半双工图
(3)全双工
A、B均可以既作为发送器,又是接收器,两者之间有两根传输线,因此,能在两个方向上同时进行数据传输。
如图2-5所示。
图2-5全双工图
2.1.3串行通信的两种类型
串行通信可以分为两种类型:
同步通信和异步通信。
异步通信方式是把一个字符看作一个独立的信息单元,字符出现在数据流中的时间是任意的,即字符与字符之间的传送是异步的,它不需要有一个时钟来实现发送端和接收端信号的同步。
但每一个字符之间的各位是以固定的时间传送,即每位传送的时间相同,故需要规定字符的格式和统一的波特率。
同步通信方式是发送端和接收端使用同一时钟源来同步,该时钟不仅对一个字符中的各位之间进行定时,而且也对字符之间进行定时。
即省去异步通信方式中的字符的起始位和停止位,把数据装配成数据块传送,在数据块开始处插入一个或两个同步字符。
同步通信速度高于异步通信速度,同步通信可达500kbit/s,异步通信只有19.2kbit/s。
同步通信方式通常用于计算机之间的通信或计算机到CRT等外设之间的通信,异步通信方式适用于一般的长距离通信的场合。
2.1.4RS-232串口通信标准
RS-232是美国电子工业协会EIA(ElectronicIndustryAssociation)于1962年公布,并于1969年修订的串行接口标准。
它已经成为国际上通用的标准。
1987年1月,RS-232C经修改后正式改名为EIA-232D。
由于标准修改的并不多,因此现在很多厂商仍用旧的名称。
RS-232C标准(协议)的全称是EIA-RS-232C标准,其中RS(recommendedstandard)代表推荐标准,232是标识号,C代表RS-232的最新一次修改(1969)。
它适合于数据传输速率在0~20000bit/s范围内的通信。
这个标准对串行通信接口的有关问题,如信号电平、信号线功能、电器特性、机械特性等都做了明确规定。
目前,RS-232C已成为数据终端设备DIE(DataTerminalEquipment)与计算机和数据通信设备DCE(DataCommunicationEquipment)的接口标准,如Modem。
不仅在远距离通信中要经常用到它,就是两台计算机或设备之间的近距离串行连接也普遍采用RS-232C接口。
目前RS-232C是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口,在IBMPC机上的COM1、COM2接口,就是RS-232C接口。
2.1.5RS-232C接口特性
(1)接口的信号内容:
实际上RS-232-C的25条引线中有许多是很少使用的,在计算机与终端通讯中一般只使用3-9条引线。
RS-232-C最常用的9条引线的信号。
(2)接口的电气特性:
在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。
即:
逻辑“1”,-5—-15V;逻辑“0”+5—+15V。
噪声容限为2V。
即要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”,高到-3V的信号作为逻辑“1”。
(3)接口的物理结构:
RS-232-C接口连接器一般使用型号为DB-25的25芯插头座,通常插头在DCE端,插座在DTE端.一些设备与PC机连接的RS-232-C接口,因为不使用对方的传送控制信号,只需三条接口线,即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。
所以采用DB-9的9芯插头座,传输线采用屏蔽双绞线。
(4)传输电缆长度由:
RS-232C标准规定在码元畸变小于4%的情况下,传输电缆长度应为50英尺,其实这个4%的码元畸变是很保守的,在实际应用中,约有99%的用户是按码元畸变10-20%的范围工作的,所以实际使用中最大距离会远超过50英尺。
2.1.6RS-232C9接口引脚定义
RS-232C9芯接口的各个引脚功能定义见图2-6,信号分为3类:
传送信号(RXD,TXD)、联络信号(DCD,DTR,DSR,RTS,CTS,RI)和信号地(SG)。
图2-6RS-232C的管脚排列图
引脚信号名称说明:
(1)DataCarrierDetector(DCD)载波检测
(2)ReceivedData(RXD)数据接收
(3)TransmittedData(TXD)数据发送
(4)DataTerminalReady(DTR)数据终端准备好
(5)Ground(SG)地
(6)DataSetReady(DSR)数据设备准备好
(7)RequesttoSend(RTS)请求发送
(8)CleartoSend(CTS)清除发送
(9)RingIndicator(RI)振铃指示
2.2UART简介
UART(UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter)中文解释为:
通用异步接收器/发送器;通信异步收发信机。
UART是一种通用串行数据总线,用于异步通信。
该总线双向通信,可以实现全双工传输和接收。
在嵌入式设计中,UART用来与PC进行通信,包括与监控调试器和其它器件,如EEPROM通信。
2.2.1UART结构
UART主要有由数据总线接口、控制逻辑、波特率发生器、发送部分和接收部分等组成。
功能包括微处理器接口,发送缓冲器(tbr)、发送移位寄存器(tsr)、帧产生、奇偶校验、并转串、数据接收缓冲器(rbr)、接收移位寄存器(rsr)、帧产生、奇偶校验、串转并。
UART的典型应用如图2-7所示。
图2-7UART典型应用图
2.2.2UART的帧格式
UART的帧格式如图2-8所示。
包括线路空闲状态(idle,高电平)、起始位(startbit,低电平)、5~8位数据位(databits)、校验位(paritybit,可选)和停止位(stopbit,位数可为1、1.5、2位)。
这种格式是由起始位和停止位来实现字符的同步。
UART内部一般有配置寄存器,可以配置数据位数(5~8位)、是否有校验位和校验的类型、停止位的位数(1,1.5,2)等设置。
图2-8UART帧格式图
2.3UART的通信
UART首先将接收到的并行数据转换成串行数据来传输。
消息帧从一个低位起始位开始,后面是7个或8个数据位,一个可用的奇偶位和一个或几个高位停止位。
接收器发现开始位时它就知道数据准备发送,并尝试与发送器时钟频率同步。
如果选择了奇偶,UART就在数据位后面加上奇偶位。
奇偶位可用来帮助错误校验。
在接收过程中,UART从消息帧中去掉起始位和结束位,对进来的字节进行奇偶校验,并将数据字节从串行转换成并行。
UART也产生额外的信号来指示发送和接收的状态。
例如,如果产生一个奇偶错误,UART就置位奇偶标志[3]。
2.4数据方向和通信速度
数据传输可以首先从最低有效位(LSB)开始。
然而,有些UART允许灵活选择先发送最低有效位或最高有效位(MSB)。
微控制器中的UART传送数据的速度范围为每秒几百位到1.5Mb。
例如,嵌入在ElanSC520微控制器中的高速UART通信的速度可以高达1.1152Mbps。
UART波特率还受发送和接收线对距离(线长度)的影响。
2.5计算机中的UART
UART是计算机中串行通信端口的关键部分。
在计算机中,UART相连于产生兼容RS232规范信号的电路。
RS232标准定义逻辑“1”信号相对于地为3到25伏,而逻辑“0”相对于地为-3到-25伏。
所以,当一个微控制器中的UART相连于PC时,它需要一个RS232驱动器来转换电平。
它是广泛使用的串行数据传输协议。
UART允许在串行链路上进行全双工的通信。
串行外设用到RS232-C异步串行接口,一般采用专用的集成电路即UART实现。
如8250、8251、NS16450等芯片都是常见的UART器件,这类芯片已经相当复杂,有的含有许多辅助的模块(如FIFO),有时我们不需要使用完整的UART的功能和这些辅助功能。
或者设计上用到了FPGA/CPLD器件,那么我们就可以将所需要的UART功能集成到FPGA内部。
使用VHDL将UART的核心功能集成,从而使整个设计更加紧凑、稳定且可靠。
2.6小结
通过波特率发生器、发送器和接收器模块的设计与仿真,能较容易地实现通用异步收发器总模块,对于收发的数据帧和发生的波特率时钟频率能较灵活地改变,而且硬件实现不需要很多资源,尤其能较灵活地嵌入到FPGA/CPLD的开发中。
在EDA技术平台上进行设计、仿真与实现具有较好的优越性UART是用于控制计算机与串行设备的芯片。
有一点要注意的是,它提供了RS-232C数据终端设备接口,这样计算机就可以和调制解调器或其它使用RS-232C接口的串行设备通信了。
将由计算机内部传送过来的并行数据转换为输出的串行数据流。
将计算机外部来的串行数据转换为字节,供计算机内部使用并行数据的器件使用。
在输出的串行数据流中加入奇偶校验位,并对从外部接收的数据流进行奇偶校验。
在输出数据流中加入启停标记,并从接收数据流中删除启停标记。
处理由键盘或鼠标发出的中断信号(键盘和鼠标也是串行设备)。
可以处理计算机与外部串行设备的同步管理问题。
有一些比较高档的UART还提供输入输出数据的缓冲区
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