0 引言
近年来,随着铁路建设的跨越式发展,对机车信号检测的准确性和可靠性提出了越来越高的要求,传统的手持式信号检测系统已经远远不能满足需要,本文提出的车载信号采集系统采用数字信号处理(DSP)技术实现对机车信号波形的频谱分析。利用可靠的硬件和软件技术实
现机车信号检测的实时性和高精度要求。系统采用USB总线接口有效地解决了传统总线形式(如RS232、并口、ISA等)传输速度低、安装繁琐、易受机箱内环境的干扰、计算机系统资源限制等缺点,具有廉价、高速、支持即插即用、使用维护方便等优点。
1 系统总体设计
本数据采集系统的设计主要分为硬件和软件设计两部分。其中硬件设计主要包括信号调理、A/D转换、数据存储、控制部分以及USB接口部分等实现内容。
系统软件设计分为USBN件(Firmware)、USB设备驱动程序以及主机应用程序三部分内容。在Windows操作平台下,主机应用程序通过USB设备驱动程序与系统硬件接口USBDI(USBDeviceInterface)进行通信,然后由系统产生USB数据的传送动作。固件则是运行在接口芯片中的代码,用以响应各种来自系统的USB标准请求,完成数据的交换工作和事务处理。系统结构框架图如图1所示。
2 系统硬件设计
USB数据采集板硬件电路设计实现共分为5大部分,它们分别是信号调理、A/D转换、数据存储、控制部分以及USB接口部分。
2.1 信号调理
信号调理部分由脉冲计数式鉴频器完成。它由四部分组成(如图2所示),即过零比较器、微分电路、脉冲形成电路和低通滤波器,输入的调频波 Ui(t)经过零比较器后变成调频方波信号U1(t),调频方波信号通过微分电路后变为微分脉冲序列U2(t),微分脉冲序列经过脉冲形成电路后变为等脉宽的方波脉冲序列U3(t),等脉宽的方波脉冲序列通过低通滤波器后就输出调制信号Uo(t)。鉴频器各部分的波形如图3所示。
2.2 主控芯片的工作方式
本设计采用的主控芯片是Cypress公司的USB2.0控制芯片CY7C68013,它与计算机通过USB接口相连,使设备能在PC机的控制下进行操作。USB主控芯片通过逻辑控制电路连接到FIFO和A/D转换后的数据传送至FIFO芯片进行缓冲,缓冲后的数据输入主控芯片的从FIFO中,然后从FIFO以DMA(直接内存存取)的方式经由SIE(串行接口引擎)传给PC机。
为了实现高速数据采集的功能,A/D芯片采用的ADl*,它是一款12位,最高转换速度可达100kHz的A/D转换芯片,考虑到对FIFO容量的需求,系统采用GPLD和FIFO来实现。选用IDT7205完成数据缓存。其最高工作频率为133MHz,容量为8kB,能满足设计要求。
CY
2.3 FlF0的数据缓存作用
由于A/D最高采样频率可达100MHz,而主控芯片CY
IDT7205有两种工作模式,即IDT标准模式和FWFT模式。本设计中采用IDT标准模式,这种模式通过FF、PAF、PAE、HF、EF 五个标志位来实现数据的传输。/WEN(写使能端)置为有效时,数据可以写入FIFO。在WLCK(写时钟)的控制下,数据持续写入FIFO,当第一个数据被写入时,/EF(空标志)无效,数据不断地写入FIFO,即将写满时/PAE(将空标志)无效,/PAF(将满标志)有效,表示FIFO即将写满。当 FIF0写满时,/FF(满标志)置为有效,控制A/D芯片停止写数。开始读数据时的第一个读操作使/FF置为无效,此时开始持续地读取数据,当FIFO 中数据减少到一定程度,会使/PAF(将满)和/HF(半满)两个标志位置为无效,持续读出数据,而不写入数据;当FIFO中只剩下N个字时(N为空状态的缺省值),/PAF有效;当FIFO中的数据被全部读出时,/EF置为有效,此时控制主控芯片停止读取数据,与此同时A/D也开始下一个读取数据过程。