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1、USB数据采集系统技术手册济南润天测试机械有限公司目录第一章 概 述2第二章 电气原理及技术参数31.1USB数据采集板电气原理及技术参数31.1.1电气原理图31.1.2技术参数71.2上位机技术参数16第三章 使用步骤182.1安装182.2信号连接注意事项182.3使用19第四章 注意事项24第五章 常见故障分析处理26第一章 概 述本产品是一款主要面向同步高速信号测量的USB2.0总线采集模块。采用新华龙电子公司的C8051F060单片机，基于16位AD转换，采集的数据通过CYPRESS公司的CY68013型USB转换芯片上传给上位机，上位机将采集的数据进行保存，并进行相关数据、波形处
2、理。使采样结果能够简单明了的展示给用户。USB采集板识别信号为10mV3.5V。上位机能够清晰显示的信号范围为50mV3.5V。而USB板的放大电路中支持的输入信号上限为3.3V，而放大电路的放大倍数为1.051.1,故输入信号范围应为50mV3V。本系统的采样由上位机控制，可自行设置转速和缸数。本系统使用中断进行控制采样。由于不同的中断源有不同的中断优先级，而USB采集卡采集数据时是一次性集中采样，即会不停的进中断。故本系统不支持多路同时采样。本系统USB采集卡与上位机采用USB通信方式。通信速度为400KB+每秒。USB板的工作电压为直流5V。工作环境温度为-4085。 第二章 电气原理及
3、技术参数本系统包括两部分：USB数据采集板和上位机软件。本系统采用5V直流稳压电源驱动，输入信号为差分输入，经缓冲电路滤波后进入放大电路将信号进行放大本系统的信号放大倍数为1倍，实际试验过程中放大倍数约为1.031.1倍左右。放大的信号从放大电路出来后进入C8051F060单片机进行A/D转换，将模拟电压值转换成16位数据把数据送到外部存储器存储（C8051F060单片机的A/D转换过程使用通用定时器进行定时执行），而CY68013芯片则将外部存储器中的数据转换成满足USB2.0通信协议的数据类型并将数据传送给上位机。 1.1USB数据采集板电气原理及技术参数1.1.1电气原理图接口电路 放大
4、电路 缓冲滤波C8051F060单片机外部存储器图1 采集模块电路连接样图CY68013图2 接口电路图3 滤波电路图4 放大电路图5 C8051F060单片机图6 外部存储器图7 转换芯片1.1.2技术参数1).放大电路 放大电路采用的是美国ADI国内公司推出的一种低价格、高性能的仪表放大器AD623AN.它具有低功耗，宽电源电压的特点，适合电池供电系统，并且线性度高、温度性好，同时还具有较高的共模抑制比。输入信号加到作为电压缓冲器的PNP晶体管上，并且提供一个共模信号到输入放大器。每个放大器接入一个精确的50K的反馈电阻以保证增益可编程。差分输出为：VO=1+100kRGVC然后差分电压通
5、过输出放大器转变为单端电压，该放大器也能抑制输入放大器输出信号中的任何共模电压。图8 AD623AN放大器简化原理图图9 AD623AN放大器外形尺寸 AD623AN的基本连接电路中，+Vs和-Vs端接电源，电源可以是双极性（Vs=2.5到6V），也可以是单电源（+Vs=3.0V到12V，-Vs=0）。电源须在靠近器件电源引脚出加电容去耦。去耦电容最好选用0.1uF表面安装的陶瓷片状电容和10uF的钽电解电容。2).C8051F060单片机 C8051F060单片机是完全集成的混合信号片上系统型MCU，具有59个数字I/O引脚,片内集成了两个16位、1Msps的逐次逼近寄存器型ADC，带DMA
6、控制器。 带有全速、非侵入式的在系统调试接口(片内)；两个12位DAC，具有可编程数据更新方式；64KB可在系统编程的FLASH存储器；4352字节的片内RAM；可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口；硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口；5个通用的16位定时器；具有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列；片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器。本系统主要使用了C8051F060单片机的16位AD转换功能、振荡器的自定义配置功能、外部数据存储和交叉开关功能、端口的输入/输出选择以及C8051F060提供的通用16位定时器。 ADC模块 C8051F060的A
7、DC子系统包括两个1Msps、16位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC(ADC0和ADC1)，ADC中集成了跟踪保存电路、可编程窗口检测器和DMA接口。图9 ADC控制通路框图 ADCn(n=0,1)的电压基准电路允许使用多种不同的电压基准配置，可以使用专用的内部电压基准或外部基准。图10 ADC电压基准原理框图 此外，本系统还使用了C8051F060单片机的ADC2转换测量得到的单体泵工作环境温度。ADC2子系统包括一个9通道的可编程模拟多路选择器(AMUX2)，一个可编程增益放大器(PGA0)和一个200ksps，10位分辨率的逐次逼近型寄存器。ADC中集成了跟踪保存电路和可编程窗口检测器。A
8、DC2可以工作在单端方式或差分方式，可以被配置为测量端口1任一引脚的输入或温度传感器的输出。图11 10位ADC2功能框图 振荡器模块 C8051F060包含一个可编程内部振荡器和一个外部振荡器驱动电路。系统时钟可以由外部振荡器电路或内部振荡器分频提供。本系统使用的是22.1184MHZ的外部晶体振荡器。图12 振荡器框图图11 振荡器框图 外部数据存储和交叉开关本系统不仅使用了C8051F060的4K片内XRAM，还通过使用专用于访问片外存储器和存储器映射器件的外部数据存储器接口(EMIF)扩展了64K的外部XRAM。方法如下：a. 将EMIF使能到高端口(P4、P5、P6、P7)b. 配置
9、端口引脚的输出方式为推挽方式c. 配置对应EMIF引脚的端口锁存器为休眠态d. 选择非复用方式e. 选择不带块选择的分片方式f. 设置与片外存储器的时序 本案中交叉开关及相关引脚配置如下： XBR0 = 0x04; / UART0的TX0连到P0.0,RX0连到P0.1 XBR1= 0x3a; /T0连到P0.2，T1连到P0.3，INT1连到P0.4，T2连到P0.5， XBR2= 0x40; / 交叉开关使能 XBR3= 0x01; / T3 连到0.6 P0MDOUT = 0x81; /P0.0及P0.7输出为推挽方式，P0.1P0.6输出为漏极开路。 P1MDIN = 0xfd;/P1
10、.1输入为模拟输入方式，P1其他位为数字输入方式。 P1MDOUT = 0x00;/P1各引脚输出为漏极开路方式。 P2MDOUT = 0x03;/P2.0与P2.1输出为推挽方式，其他引脚输出为漏极开路方式。 P3MDOUT = 0xdb;/P3.5、P3.3与P3.2输出为漏极开路方式，其他引脚输出为推挽方式。 P0 = 0x7e; P1 = 0xff; P2 = 0xff; P3 = 0x3c;图13无块选择的非复用8位读时序图14无块选择的非复用8位写时序图15 交叉开关示例 定时器本系统使用定时器1定时控制采样。采样间隔和采样长度由USB板上的单片机根据用户在上位机上设置的转速和缸数
11、自动计算得出。计算方法如下：待测单体泵每转经过360，采集系统每0.1采集一个数据。假设用户在上位机上设置的转速round为:round=3000 r/min=50 r/s (1)即50 r/s，周期为20ms。同时假设用户在上位机上设置的单体泵缸数numcy为:numcy=4缸 (2) 即每缸一转经过90，则每缸对应的USB采集系统在单体泵每周期T=20ms的时间内只采集1/4个周期，900个数，即有5ms的时间采集数据，另外15ms时间用于传输数据和等待下次触发信号的到来以确定再次采集数据。采样间隔wid则确定为: Wid=(T/numcy)/clen=(1/round)/numcy)/c
12、len =1/(3600*round*numcy) =2500/(9*round*numcy) (3) 单位：us 此公式中round的单位为 r/s。带入已知数据计算出该工作状况下的采样间隔为5.555us。采样长度clen确定为:Clen=(360/ numcy)/0.1 (4)单位：个带入已知数据计算出该工作状况下的采样长度为900个。定时器1配置为8位自动重装载的定时器。TL1保持计数值，TH1保持重载值。当TL1中的计数值发生溢出(从0xFF到0x00)时，定时器溢出标志TH1被置位，TH1中的重载值被重新装入到TL1.并进入T1中断，在中断中进行数据的采集和AD转换。TH1中的重载
13、值保持不变。本系统将定时器1的时钟配置为系统时钟4分频。即每0.18us计一个数。图16 T1 8位重装载原理框图1.2上位机技术参数本系统上位机采用Visual C+语言编写，稳定性较好。示意图如下：图17 上位机示意图第三章 使用步骤2.1安装关于USB用户的计算机必须支持USB2.0接口，本USB数据采集系统不能工作在USB1.1接口标准。如果没有USB2.0接口，用户可以通过安装扩展卡来实现。一些品牌的笔记本计算机的供电能力有限，如果USB数据采集卡因此不能正常工作，请额外配备+5伏电源（注意外部供电电压为5伏5%），电源要求必须是稳压电源，输出电流大于500毫安。此外用户也可以另外配
14、置一个USB HUB，将USB板直接连接到HUB上。用户在应用时请尽量采用随机配备的原装电缆。如果需要单独配备电缆，请按照以下原则配备：l 电缆要选择粗的电缆以满足供电要求。l 电缆必须满足USB2.0 480Mbit/s 传输速度的要求。2.2信号连接注意事项1. 输入连接电缆必须用屏蔽电缆，电缆的屏蔽外层最好只在一端连接到地线上。2. 模拟信号的地线应该连接到前端的模拟输出的地线上，不能与数字地线混合。如果需要混合数字、模拟地线，可以将数字地线连接到前端的电源地线上。3. 如果前端信号干扰较大，如电力信号采集应用时，最好将PC机的外壳与前端的地线单独连接。这样可以避免干扰、高压烧毁USB板
15、。4. 对于高精度、高速采样，要求前端设备输出有尽量低的输出阻抗及高速电流驱动能力。2.3使用 将待采信号传感器正信号接到A+上，负信号或小信号接到A-上。给USB数据采集卡通上5V直流稳压电后，将USB数据采集卡与上位PC机连接好即可通过上位机软件控制采样了。 上位机的波形显示采用的是NTGraph控件。选择正确的输出/输入通道后即可点击“试验开始”按钮进行本次采样了，与此同时，“试验开始”按钮将变化为“试验结束”按钮。待采样完成后点击“试验结束”按钮即可。 采样完成后，点击上位机界面的“波形显示”即会显示刚刚采集过的数据。由于本USB数据采集卡采用的是批量传输，故一次传输的数据较多，从而导
16、致无法实线实时波形显示。本系统采用的是将N次采样数据求平均值的方法显示波形。故N不宜过大，建议不大于5次特征值显示的是本次波形显示中波形的特征值。各个特征值意义介绍如下：特征值窗能够实时显示当前波形窗的波形参数：llllll 峰峰值：最大值-最小值l 顶部值：5%(此值可以根据用户需要由设计者进行重新设置)的波形数据大于某电平，则该电平为顶部值l 底部值：5%(此值可以根据用户需要由设计者进行重新设置)的波形数据小于某电平，则该电平为底部值l 幅值：顶部值-底部值l 过冲幅度：100（最大值-顶部值）/幅值%l 下冲幅度：100（底部值-最小值）/幅值%l 上升沿宽度：波形从1%(此值可以根据
17、用户需要由设计者进行重新设置)的幅度值处上升到99%(此值可以根据用户需要由设计者进行重新设置)的幅度值处的时间l 下降沿宽度：波形从99%(此值可以根据用户需要由设计者进行重新设置)的幅度值处下降到1%(此值可以根据用户需要由设计者进行重新设置)的幅度值处的时间l 顶部时间：波形数据大于等于顶部值的时间长度l 底部时间：波形数据小于等于底部值的时间长度l 周期：波形特征多次重复出现，其中连续两次出现所经过的时间；l 频率：在单位时间内波形振动的次数，单位为赫兹(1赫兹=1次/秒)。l 占空比：方波或数字周期信号的顶部时间与周期之比。而上位机界面中显示的“数据处理”框中“微分”、“积分”则是对
18、波形进行微分、积分处理并显示出来。（1） 波形的积分操作用梯形法对波形数据作一阶（次）积分，结果显示在处理窗。其数学定义为：其中：是积分后的输出时间序列。是积分前的输入时间序列。是采样点的间隔值。本上位机软件对一阶（次）积分的数学定义为： 其中符号定义同上。（2） 波形的微分操作一般情况下，对离散时间序列数据进行微分处理都采用差分方法描述，数学定义：Y(n)=(X(n)-X(n-1) )/ Deltax其中：X(n)是微分前的输入序列。Y(n)是微分后的输出序列。Deltax是采样点的间隔值。本上位机软件对一阶（次）微分的数学定义为： Y(n)=（X(n)-X(n-5)）/Deltax Y(n
19、)=Y(n-3)+Y(n-2)+Y(n-1)+Y(n)+Y(n+1)+Y(n+2)+Y(n+3)此数学定义是根据实验求的，这样可以不仅平滑微分后的波形，而对于特殊的拐点也能求得比较准备的微分。上位机界面中的“Setup”框中“转速 r/min” 指的是实际转速，此项由用户根据实际情况进行设置。此数范围为30 r/min 3000 r/min。默认值为3000 r/min .“缸数”为实际测试过程中使用的缸数。默认值为4缸.数据发送组合框中显示的“Random Byte”、“Incrementing Byte”、“Incrementing DWORD”指的是数据的发送形式。本系统暂时未开放此项功
20、能。可以随意选择一项即可。“设备”组合框中显示的是连接的USB设备。“Execute”框中的“成功”、“失败”静态文本显示的是采样的成功、失败次数。按下“复位”按钮将会复位本采样系统。“试验开始”按钮则控制试验的开始、结束。 “温度”静态文本框后面的编辑框用来显示USB采集的单体泵的工作环境温度。“数据处理”框中的“波形显示”按钮用来将该次采样得到的数据用波形显示出来。“积分”、“微分”则是对该次采样波形进行积分、微分处理。为方便比较，积分、微分的同时仍然将原波形在波形控件中显示出来。“图像保存”按钮用来保存采样图像，点击该按钮，在弹出的保存对话框中选择合适的保存路径，输入正确的、自拟的名字然
21、后再点击对话框上的“保存”按钮即可实现图像保存。 第四章 注意事项一本系统在采集低压低频信号时，表现出色。由此，请不要将本系统放在高压甚至超高压、高频甚至超高频以及电磁环境恶劣的环境中使用。尤其是待采信号的传感器与USB数据采集卡之间的连接线越长，越容易受到干扰。二本系统务必使用5V直流稳压电源。来源可以用开关电源将220V交流电转换为5V直流稳压电。三上位机中的开始值文本框中的数据为软件触发启动信号，请不要更改。四采样之前，请将上位机的输出端口选为0X06，输入端口选为0X08。否则无法采集信号。本系统的上位机需要用户进行选择的主要是输出/输入端口号。选择完成后点开始即可。五由于本USB数据
22、采集系统采用的是批量传输，故每次传输数据较多，从而导致无法实现实时显示波形。本系统的波形显示是将N次采样数据求平均值进行显示，故采样次数N不宜过大，否则将使程序运行过慢，甚至导致死机。建议采样次数N不大于5次。六若用户没有选择上位机界面上的“出错停止”项，则一旦“Execute”框下的“失败”计数值为非0值，即说明本次采样有错误，此时用户应该选择停止采样试验，复位后重新进行采样。若选择了“出错停止”项，则一旦采样有错误，系统将自动停止采样。七本系统采用定时器进行定时采样。 采样间隔与采样长度由USB板上的单片机根据上位机上用户设置的转速和缸数自动计算得出。不要将转速设置过大或过小，应该设置在3
23、0 r/min 3000 r/min范围内。缸数则不得小于2缸，不要大于6缸。 八USB板中的放大电路模块采用的是3.3V电压驱动，故从传感器传入的采样信号请不要大于3.3V，实际上由于放大电路模块的放大倍数为1.051.1，采样信号应该尽量小于3V。否则将可能导致失真。第五章 常见故障分析处理Q:点击上位机界面上的“试验开始”按钮时，“Execute”框中的“失败”文本框显示非0值。A:这种情况说明本次采集试验失败，可能原因是输出/输入通道没有选择正确。Q：采样过程中“Execute”框中的成功次数显示为2后失败此数不断增加。A：这是正常的。本系统的采样方式为在单体泵每个转动周期内，USB采集系统只采集其中的1/numcy个周期的数据，numcy为缸数。每个周期的其他时间内则用来传输数据和等待下一次触发信号的到来。详情请看本说明书的第15页第16页。Q：采样完成后进行波形显示时，特征值中的最大值大于等于3.3V。而显示的波形亦出现失真现象。A：可能原因是采样电压信号过大。 USB板中的放大电路模块与单片机中A/D转换模块的基准比较电压采用的均是3.3V电压驱动，故从传感器传入的采样信号不得大于3.3V，实际上由于放大电路模块的放大倍数为1.051.1，采样信号应该尽量小于3V。27