速率陀螺电压信号采集与串口通讯技术总结.docx
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速率陀螺电压信号采集与串口通讯技术总结
速率陀螺电压信号采集与上位机串口通讯技术总结
1概述
随着科学技术的发展，计算机已经广泛的应用于生活中的方方面面。
利用计算机解决问题的前提是，要把现实中各种模拟信号转换为数字信号。
很多时候需要利用AD转换器对模拟信号进行采集。
同时，对于现在的工程项目一般不可能在一台设备中完成，往往需要多台设备协同工作，所以设备间的通讯也必不可少。
通讯方式有很多种，其中最为常见就是通过串口来实现设备间的通讯。
本次实验主要对一个单轴速率陀螺的电压输出信号进行采集，然后通过串口把采到的数据发送到上位机，利用上位机来监视陀螺信号。
其功能相当于一台数字示波器。
实验的主要工作包括：
1）陀螺信号的采集；2）采集卡与上位机的串口通讯；3）上位机监视界面的编写。
2实验软硬件平台
1）装有LABVIEW、MicrosoftVisualC++6.0、CCStudiov3.3等软件的计算机一台；
2）NI采集卡套件、TMS320F2812开发板套件、示波器、稳压电源等。
3）USB转232串口的转接线及相关连接线材、DB9连接器等。
3实验过程分析与实现
图
（1）总过程
实验需要对一路电压信号进行采集，该信号为MEMS单轴速率陀螺输出电压信号其基本性能如下表所列。
表
（1）MEMS单轴速率陀螺输出电压信号特性
陀螺特性
电源
±9V
分辨率
0.005°/s
测量量程
-500°/s~500°/s
输出量程
±9V
动态性能
200Hz
标度因数
18mV/°/s
其中标度因数为：
最大电压输出/最大测量角速度=
由于使用的速率传感器在其内部已经进行过信号的滤波与放大，陀螺输出的电压信号已经是干扰较小的电压信号，只需缩放陀螺输出电压到AD转换器能够识别的电压就能够对其进行采集了。
假设实验对的陀螺性能需求如下表所示：
表
（2）实验假设陀螺性能参数
性能参数
数值
电源
±9V
分辨率
0.56°/s
测量量程
-500°/s~500°/s
输出范围
±9V
动态性能
200Hz
标度因数
18mV/°/s
实验设定陀螺的最小输出值为：
标度因数×实验假设陀螺分辨率=
对AD转换器的需求：
1）AD转换器的LSB小于等于10.08mV，才能保证采样精度需求；
2）需要AD转换器采样率是陀螺动态性能的两倍以上，即采样频率≥2×陀螺动态性能，所以至少达到400Hz。
实验设计了两套方案来实现数据采集于串口发送的功能，其一是利用TI公司的DSP2812提供的ADC模块对陀螺电压信号进行采集，然后再利用其SCI串口通讯模块把数据发送到上位机进行监视；其二是利用NI公司的高速采集卡配合LABVIEW来完成数据采集于串口发送的功能。
实验中，因为需要传输的距离小于两米；传输速度与采样速率相当即可，即每秒至少传400个数据，假设传输每个数据需要6个字节，那么传输速率至少为24000bps，传输速率不是很快；所以选择最容易实现的RS232串口，波特率定位38400bps来实现与上位机进行通讯，并设置串口发送格式为一位起始位，一位停止位，八位数据位，无奇偶校验位。
在上位机监控软件的编写上，因为MFC功能强大，其程序运行效率高，且对于以后学习发展更为有利，所以选择MFC来编写上位机监控软件，实现串口数据接收与绘制动态电压曲线图的功能。
3.1基于DSP2812数据采集与串口发送
图
（2）DSP解决方案
TMS320F2812数字信号处理器自身带有12位的A/D转换器，其性能如下表所示：
表（3）DSP2812ADC基本性能参数表
性能参数
数值
最高采样速率
25MSPS
模拟输入量程
0V～3V
位宽
12
LSB
0.7mv
与表
（2）相对照，发现DSP2812的AD转换模块模拟输入量程0V～3V小于实验陀螺输出电压范围-9V~9V，所以在接入DSP2812的AD转换模块前需要加入调理电路把陀螺电压调理为0~3V。
实验为了达到采样不失真且能够在上位机实时显示，采样率必须大于400Hz（陀螺动态性能的两倍）且串口传输速度需要比采样速度稍快同时DSP2812还提供了SCI模块，可以通过编程设置串口数据发送的参数，使发送速率大于实验最低要求24000bps。
下图为DSP程序设计总图。
图（3）DSP软件编程总图
主要利用定时器定时来触发开启AD转换器，然后当AD采集完数据后，在AD中断函数中开启FIFO中断程序对数据进行发送。
下面就如何利用DSP2812的ADC模块与SCI模块实现实验目的进行详细技术分析。
3.1.1基于DSP2812的AD采样
DSP2812功能简介
TI公司的TMS320F2812PGFA数字信号处理器自身就带有12位的A/D转换器，其前端为2个8选1的多路切换器和2路同时采样/保持器，构成16个模拟输入通道。
通道的自由切换由硬件自动控制，并将16个模拟通道的转换结果顺序存入16个结果寄存器中。
该模块内部实际上只有一个A/D转换器。
其中，模拟部分主要包括前端模拟多路复用器MUX、采样/保持电路S/H-A及S/H-B、转换核心电路、电压调节器和其它的模拟支持电路；数字部分包括可编程的转换序列发生器、结果寄存器、与模拟电路的接口、与装置外围总线的接口以及与其它片上模块的接口。
DSP2812采样实现方案
在实验中，由于只采集一路电压信号，设置采样率为500Hz（大于400Hz）。
所以没有使用过采样技术来校正采样值，而是直接使用一路模拟输入通道进行采样。
使用DSP进行AD采样的思路如下图。
图（4）AD采样流程图
这里用事件管理器来启动AD转换器，当AD转换完成后触发AD中断函数，在AD中断函数中对转换结果进行保存然后再次启动定时器以进行下一次采样。
事件管理器定时启动AD转换器最大的特点在于当定时器的周期与设置周期匹配后就自动启动AD转换器，不需要占用CPU资源。
即AD转换器开始运行，而主程序也继续向下运行，互不干扰同时进行。
只有当AD转换完成后产生中断，CPU才会暂停当前工作而来处理AD中断程序。
定时器的时间加上AD的转换时间约等于采样周期。
而本次实验的采样周期2ms，远远大于AD转换时间（约等于0.4μs），所以可以忽略AD转换时间。
中断函数是由AD转换完成后，自动把AD中断标志位置位，再通过中断管理器使CPU进入中断函数。
AD寄存器关键设置
1）时钟设置
DSP2812一般通过对一频率为30MHz的晶振倍频或者分频来确定自身系统时钟。
DSP2812的工作最高频率为150MHz，为了能够充分发挥DSP的性能，一般把30MHz倍频到150MHz。
实验中由于采样频率不高，所以设置AD转换器工作时钟为2.5MHz。
2）AD工作模式设置
在设计方案中，AD转换器是由定时器进行周期匹配启动的，所以必须设置AD转换器的事件触发使能，并设置定时器周期为2ms。
然后需要把转换完成的数据存入数组以及启动FIFO中断，所以必须开启ADC所在的PIE组中占据的CUP中断INT1，同时设置AD转换完毕后中断使能，以便进入AD中断函数。
最后因为实验只需要采集一路数据，所以采用了最简单的单序列顺序工作模式，只对一路通道进行采样。
3.1.2基于DSP2812的串口发送
DSP2812的SCI功能简介
DSP2812提供了两个完全相同的异步串行通信接口——SCI。
每个SCI模块都有各有一个接受器和发送器，它们分别有一个接收缓存和发送缓存，所以可以工作于半双工方式和全双工方式。
更为方便的是，SCI模块的接收器和发送器都分别有一个深度为16，位宽为8的FIFO队列，所以SCI还可以工作于FIFO模式。
在FIFO模式下，可设置中断级数。
以发送为例，可以设置只有当FIFO队列中没有数据时才产生中断，无需每发送一个字符就产生一次中断，提高了CUP中断效率。
DSP2812串口发送实现方案
本次实验中，需要把AD转换后的数字信号通过RS232串口发送给上位机，需要对发送数据进行以下几点处理，以保证数据正确而快速地发送。
1）为了保证数据的正确性，在有效数据位前加上两字节的帧头；
2）经DSP2812采样的数值都被放大21840倍，所以根据输入电压值范围为0~3V，输出数值为0~65520。
所以对于每个AD采集后的数据都需要用两个字节来表示，高字节表示数值对256取商，低字节表示数值对256取余；
3）为了提高CPU中断效率，采用FIFO工作模式。
每个有效数据需要占四个字节，而DSP2812的FIFO深度为16级，实验中选择每次采样3个数据后，产生一次发送中断，把这12个字节一起发出去；
4）本次实验的AD采样周期为2ms，为了在上位机实时观察，需要串口的发送速度基本与采样速率相当，所以设置串口波特率为38400bps。
计算得到每个数据的发送时间为
，满足实时性的要求。
图（5）FIFO发送流程
实验中，FIFO中断是在AD中断函数中开启的，当AD采集进3个数据，计数器等于4，就开启SCI的FIFO中断程序，把待发送的数据写入FIFO队列中，出中断后FIFO就开始自动发送数据，AD中断程序中又重新开启定时器，等待新的中断。
前面已经说过，这实验中，由于FIFO发送数据的时间小于AD采样周期，所以可以确保采集到的数据能够实时地、完整地送出。
SCI寄存器关键设置
实验主要通过了SCI中断实现，所以必须开启SCI的工作时钟与SCI中断使能；
要使SCI模块工作于FIFO模式，所以必须开启FIFO使能，然后选择需要的波特率和数据格式。
3.2基于LABVIEW的AD转换与串口发送
实验先利用了NI公司配套的Pxie-6363采集卡实现AD采样，其性能如下表所示：
表（4）Pxie-6363采集卡性能参数表
性能参数
数值
最高采样速率
2MSPS
模拟输入量程
-10V～10V
位宽
16
LSB
0.305mv
与实验假设陀螺性能参数表对照，易发现该采集卡的性能都符合实验要求，只需要把采样率设置为400Hz以上即可对陀螺信号进行比较好的采样。
其次再配合LABVIEW软件提供的串口通讯模块，就能快速实现电压信号采集与串口数据发送。
图（6）LABVIEW解决方案
图（7）LABVIEW软件编程总图
实验中，首先开启AD转换模块，对陀螺信号进行采集，把采集到的数据压入队列中。
然后把队列中的数据放入串口缓存进行发送。
下面就如何利用LABVIEW实现AD信号采集与串口发送数据进行详细论述。
3.2.1基于LABVIEW的AD转换
实验中，选择一路通道，设置采样率为500Hz，运行程序就能启动NI采集卡对陀螺电压信号进行采集。
图（8）LABVIEW采样流程
上图就是利用LABVIEW实现速率陀螺电压信号采集的编程流程，因为LABVIEW是图形化编程语言，在实现AD转换功能时，只需要设定好AD转换的几个重要参数：
通道号、采样率，就能够实现AD转换。
实验中对速率陀螺数据采集后的数据类型直接就是有符号的浮点数，且没有进行过编码和缩放，可以直接利用。
但是由于后面需要把这个浮点数通过串口发出去，而LABVIEW的串口不支持浮点数发送，所以需要对采集进来的数编码后再放到发送队列中。
3.2.2基于LABVIEW的串口发送
LABVIEW串口通讯简介
LABVIEW为串口通讯提供了单独模块，需要配置好串口参数，连接上串口发送函数与串口关闭函数就能够实现串口通讯。
其中串口参数配置包括串口通讯必须的波特率、数据位、奇偶效验位、停止位和流控制等。
只是在LABVIEW只支持字符串发送，所以在接收时需要进行ASCⅡ解码。
LABVIEW串口发送实现方案
图（9）LABVIEW串口发送
实验中，使用232串口把收到的数据发送给上位机。
LABVIEW只支持字符串的发送，所以使用转换函数，把采集进来的浮点数直接转换成符合精度要求的字符串。
即把一个有符号的浮点数分别用ASCⅡ码表示它的每一字符，包括符号、每一位数值和小数点。
虽然这样做能够实现实验功能，但是串口发送时每个字节都只存一个ASCⅡ码，没有充分利用串口缓存资源，增加每个有效数据的发送代价。
LABVIEW为串口提供了4000字节缓存，但为了保证数据的完全性使用了FIFO队列，把采集的数据压入队列，把队列的数据再放入串口缓存以便发送。
3.3基于MFC串口数据接收与监视
前面利用数据采集卡采得陀螺信号后，再通过串口把数据以一定格式发给上位机。
在实验中，需要在上位机中用一个有串口接收、数据处理及画图功能的软件来实现对陀螺信号的监视。
图（10）数据接收与监视功能图
上图图显示了实验中，利用MFC编写的软件总体功能。
首先利用串口控件实现RS-232串口接收功能；然后根据发送方的数据格式，把数据转为便于处理与绘图的整形正数，并保存至内存中等待定时器到时来出发绘图功能；最后，当定时器到时间，把准备好的一组数据画在相应的位置。
至于选择哪个串口类来实现串口接收是实验需要考虑的。
其中比较常用的是MSComm串口类，CSerialPort类和API函数实现串口通讯三种方案。
其中MSComm类微软公司提供的简化Windows下串行通信编程的ActiveX控件，它封装了串口通讯的全部API函数，其优点在于使用者不必花费大量时间去了解复杂的API函数，也不需要去了解复杂的硬件串口编程，编出来的程序简单易懂。
但是它的编程不够灵活，很难编出高质量的通信程序，而且需要间接调用API函数，执行效率相比API函数较低，且对多线程支持不稳定。
而CSerialPort类与MSComm类相比，它支持多线程串口类编程，且函数都是开放透明，允许进行改造，同时它在打包时不需要加入其他文件。
但是它也存在缺陷，这个类只能发送字符，不能处理二进制数据发送，甚至它存在内存泄露的问题。
而利用API函数可以编写出高质量的通讯程序，尤其在CPU处理任务较为繁重，与外围设备有大量通信数据时，API函数编写的程序运行效率有着很大优势。
只是利用API函数编程要求相对较高，编程难度相对较大。
根据实验需求，不难发现实验仅需要与一台设备进行通讯，通讯任务较为简单；而且与DSP通讯时，需要对二进制数进行接收。
综合三种通讯方式的优劣，选择MSComm类更方便达到实验目的。
实验中，对于MSComm串口控件的应用以及定时器调用绘图程序都体现了MFC消息映射机制的特点。
MFC在每个能接收和处理消息的类中，都定义一个消息和消息函数静态对照表，也就是消息映射表。
在消息映射表中，消息与对应的消息处理函数指针是成对出现的。
当某个类能处理的所有消息及对应的消息处理函数的地址都列在了这个类所对应的静态表中。
这里用的MSComm与Timer都是如此，当接收缓存区有数据或者定时器到时，都会产生消息。
MFC就会调用消息对应的消息处理函数进行处理。
分别使用了NI的高速采集卡配合LABVIEW与DSP来实现数据采集于串口发送，因为两套系统的硬件特点不同，与上位机的串口通讯协议也有所不同，所以需要上位机接收软件的数据解析功能模块将对应两种协议分别设计。
下图为MFC实现串口数据接收、数据解析与绘图的软件编程总图。
图（11）上位机软件编程总图
利用MFC编写的串口接收与绘图软件，主要利用MSCcomm与Timer分别捕获串口事件与定时器事件来实现串口接收数据功能和定时绘图功能。
下面就如何实现该软件的设计进行了详细的论述。
3.3.1串口数据接收
对于串口通讯中的数据接收，需要与发送方约定好对串口的重要参数的设定，如波特率、起始位数目、停止位数目、数据位数目、有无奇偶校验等。
在实验中主用利用MFC提供的MSComm串口通讯控件进行串口数据接收，通过读取接收缓存区以及数据类型转换最后把数据存储于字节数组中，为后续的数据解析做准备。
1）MSComm控件功能简介
MScomm控件提供了两种处理通信问题的方法：
一是事件驱动，二是查询法。
事件驱动方式在于可以通过控件MSComm的OnComm进行事件捕获并处理通信方式。
而查询法则是利用CPU不停地去查询某些标志位，当达到要求是时就处理通信事件。
与DSP中的中断和查询方式相似。
同时一个MSComm控件只能对应一个串口，要与多个串口进行通讯，必须使用多个MSComm控件。
2）串口接收设计方案
实验要求上位机监视软件拥有接收数据和绘图功能，为了使计算机CPU能够得到充分利用。
在整个软件设计时，把串口数据接收与绘图都做成事件驱动的方式，只有当对应事件发生才让CPU调用其相应消息处理函数处理。
实验利用MSComm提供的SetRThreshold函数对接收缓冲区是否存在字符进行捕获，如果有超过一个字符，则立即产生一个消息，并调用这个消息的处理函数OnComm（）对缓存中的数据进行格式转换以及后续的数据解析、数据显示和绘图数据准备等。
3.3.2数据解析
在串口数据通讯中，不仅需要发送与接收双方约定好串口通讯的参数设置，同时需要约定好即将进行通讯的数据格式——通讯协议，才能方便接收、解析正确含义的数据，为后面数据显示、保存以及绘图做准备。
实验中使用了两套数据采集设备，分别采用了两种串口通讯协议，所以针对每种通讯协议，需要对上位机串口接收与绘图软件的数据解析分别设计。
1）与LABVIEW的串口通讯协议
因为LABVIEW的串口通讯模块只支持字符串发送，并且由高速采集卡Pxie-6363采集到的速率陀螺电压信号已经是一个有符号的浮点数。
实验为了实现串口发送定长字符串，利用LABVIEW的数据转换函数把有符号的双精度浮点数转为一个字符串，然后通过串口发送该字符串。
由于速率陀螺在供电为±9V的情况下，输出绝对值不大于9V。
且精度为0.01，可以断定接收到的字符串包含了符号、小数点和数值，一共4或5（连上负号）个字符。
在收到正数的情况下是4个字节，收到负数时为5个字节。
由于接到的数据是由单一字符组成的字符串，为了得到其原来数据表达的含义，需要把每一字符进行ASCⅡ码解码，并按十进制放大一百倍组合成相应大小的整形数。
把所得数据加上最小负数的相反数，去掉负号，便于后续画图处理。
图（12）解码算法1
2）与DSP串口通讯协议
因为DSP能够灵活支持不同数据类型的发送，而且AD采样输出结果已经是正整形数，根据前面DSP串口发送描述的。
对于每个有效数据，发送四个字节，前两个字节为约定好的帧头，后两个字节分别是有效数据对256的倍数与对256取的余数。
针对DSP串口通讯协议，接收软件需要首先判断前两个字节是否是合法字节，如果不是则不接收，如果是则把倍数乘以256加上余数则可以得到原数据。
可以用该数据直接进行更新绘图数组以用来绘图，无需再对其转码或进行其它处理。
图（13）解码算法2
3）小结
实验中分别针对两种串口协议设计了两套解码算法，其中最为关键的一点在于都是把串口数据存储在字节类数组中。
它可把串口缓存中的数据一一安排在字节当中，便于后续的数组处理。
从上面两种解码过程来看，明显与DSP的串口通讯协议更优化，一是充分利用了每一个字节，还加入了帧头以确保接收数据的正确性，而且每一个有效数据地发送需要的资源明显少。
与LABVIEW的通讯中，每个字节都只存储了一个ASCⅡ码，每次解析都要把这些单一的ASCⅡ解出来再组合成相应的整数，效率上就明显不如前者。
3.3.3画图功能
1）简述
为了更为直观地观察速率陀螺输出信号，上位机软件不仅不要把通过串口接收到的数据显示出来，还要需要把这些数据绘制在时间-电压值坐标系中，横坐标为时间轴，纵坐标为陀螺输出电压值。
2）MFC波形显示设计方案
为了能够实时地看到速率陀螺变化曲线，实验中主要用了一个数组专门来保存准备绘制到设备上的数值。
只是该数值的值是动态更新的，相当于一个FIFO队列，每次用新接到数据往队列数值里写，队列也丢掉最先进入数组的数据。
只需要定时把该数组绘制到屏幕上就能实时动态的监视速率陀螺输出变化曲线了。
图（14）MFC绘图
从上图可以看到，解析后的数据一边进行显示，一边压入绘图准备队列中；一旦定时器到时，就发出消息调用消息处理函数；在消息处理函数中，把需要绘制的图像在缓存中绘制好，然后把缓存中的图像直接绘制在设备上。
有以下几点关键点：
1）定时器的触发时间设定；
2）绘图数据队列的深度；
3）清空数据显示框数据的频率；
4）缓存绘图的必要性。
根据实验需要，已经设定好的串口传输速率为38400bps，每帧数据长度约为40bit，基本上1ms可以接受到一个数据，如果忽略解析数据所用的时间，大约每1ms向绘图数据队列写入一个数值。
为了使人眼能够看清楚速率陀螺输出变化曲线，定时时间至少为40ms（曲线刷新速率为25Hz），即更新速率陀螺电压曲线的最大频率为25Hz；为了能够看出整个变化的趋势，需要绘图数据队列达到一定长度，又因为绘图设备面积资源限制，实验设置队列深度为751。
最后使用缓存绘图的原因是在缓存上绘图比在设备上快得多，因为直接在设备上进行操作，每画一个点都需要重新刷新显示屏，显示屏最大刷新频率为50Hz，一方面画完750个点需要15s，远远低于串口接收速度，绘图速度比数组更新速度慢太多，每次还没有画完数组又变了；另一方面，由于每个数据点都需要重新绘制，曲线刷新频率50Hz高于25Hz，视觉上产生剧烈跳变，使人眼难以识别。
所以使用缓存绘图，提高图像绘制速度，同时降低曲线在设备上地更新速度，既能保证曲线完整也便于人眼观察。
只是利用缓存绘图后，每次在设备上更新点的数目不再是一个，而是约等于定时器时间与接收一个有效数据所需时间的倍数，实验中为40倍，即显示设备每次都更新40个数据。
但是由于更新速度还是很快，且更新数据数目与队列深度751差距还是很大，在视觉上也是能够接受的。
4总结
本次实验通过NI高速采集卡配合LABVIEW软件与TI公司的DSP2812实现了速率陀螺输出电压信号采集，并通过串口与上位机通讯把相关数据绘制到坐标系中进行监视。
由于采用了两套AD采样系统，以及硬件的资源的不同，实验实现的过程有些区别。
使用NIPxie-6363高速采集卡时，因为其提供了±10V的模拟输入通道，通过LABVIEW简单的编程直接就能把原始电压信号采集进来。
可是由于LABVIEW软件只能支持字符串口通讯，只有把采集进来的信号经过数据类型转换才能通过串口发送出去，在上位机接收方又需要对接收到的字符进行重新解析。
使用DSP实现采样与串口发送功能时，因为DSP只提供了0~3V的模拟通道输入电压，所以采集±9V的速率陀螺电压输出信号需要加外围电路对电压进行缩放才能实现采集。
在进行信号采集后，DSP的AD模块已经把实际电压值放到0~65520的整数范围中，配合DSP的SCI串口通讯模块能够使通讯协议相对灵活简单。
由于本次实验的所采集的信号动态性能不是很强，在相对较低的采样率下，两套系统都能够比较好的对其进行采集，一致性都比较好。
只是在进行串口通讯过程中，LABVIEW编写的信号采集-发送软件与上位机的接收软件串口通讯质量高，在没有加数据帧头滤除传输错误前，就能够实现比较好的通讯。
相反，DSP与上位机在未加数据帧头率错前，出现的传输错误相当多，到达了实验不能容忍的地步，所以只能加上数据帧头，来过滤错误字符。
下表列出了两种实现方式的优劣。
表（5）两种实验方案优劣
优势
劣势
DSP2812
1）实时性强，能够调整控制AD转换时间，串口中断时间等；
2）采用哈佛结构，程序和数据总线分开可以独立读取程序和数据存取；
3）流水作业，能同时完成取指令、译码、访问、执行等步骤。
4）有独立累加器和乘法器，可进行高速乘法运算；
5）体积小，价格相对便宜；
1）
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