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便携式数据采集与分析仪器关键技术与应用

人气: 发表时间:2016-02-27 00:53

汽车整车或其零部件的道路模拟试验是对汽车运行性能与可靠性进行评估的常用方法,目前已得到了广泛的应用。为获取汽车道路模拟试验所需的汽车实际道路运行的振动数据,需要便携式的数据采集与分析仪器。这类仪器需具有移动便携、操作方便、连续记录、海量存储的特性。我国在适用汽车行驶中数据采集的便携式测试仪的研发方面进展缓慢,目前市场上销售的较高端便携式数据采集与分析仪器主要依赖于进口,但在便携性和连续数据存储容量方面还显不足。笔者将根据嵌入式技术、检测技术、数字信号处理技术的新进展,提出适于汽车行驶过程中数据采集与分析仪器的设计新方案。

1仪器系统设计便携式数据采集与分析仪不但要具有体积小和连续海量数据记录的能力,同时应具有一定的分析能力,以便对测试数据进行实时的处理与分析。根据这一特点,提出将嵌入式arm和DSP结合,充分发挥DSP的灵活性,使开发的数据采集与分析仪器能满足汽车行驶中数据采集与分析的需求。

笔者提出的便携式数据采集与分析仪器由硬件和嵌入式软件组成。仪器硬件以高性能的ARM处理器和DSP处理器为核心,配以模拟输入模块、数字采样模块、彩色液晶触摸屏、外部设备通讯接口模块构成;嵌入式软件由ARM和DSP软件构成,运行于ARM处理器的软件实现与用户的交互和数据的存储,运行于DSP的软件实现数据采样、实时处理与传输等功能仪器的软件采用动态配置,用户可选择不同的软件来实现不同的数据采集与分析功能,以满足汽车其他的测试需求。

2硬件设计根据便携式数据采集与分析仪器的系统设计构思,系统相应的硬件设计框图如所示。

2.1信号输入与采样模块该模块实现多路模拟信号和数字信号的输入。模拟输入通道可联接加速度、速度、位移、声压、温度、湿度等传感器,并内置ICP恒流源。每个通道均有模拟信号调理放大、低通与高通道滤波器。仪器共有8通道模拟输入,输入电路采用低噪声设计技术,信噪比大于100dB.每个通道同步采样,采样频率根据实际测试需要设置,最高采样频率为2.2DSP处理器DSP处理器是数据处理的核心,实现数字信号的实时处理,包括抽取滤波、触发采样、时域分析、频域分析等。仪器采用美国TI公司6000系列32位浮点DSP处理器,主频为350MHz. 2.3ARM处理器ARM块主要用于仪器与用户的交互、数据的辅助处理、数据连续存储。仪器通过彩色液晶触摸屏来实现用户的设置、数据的显示。将所有采样通道的采样数据连续存储于仪器所带的微硬盘中,硬盘具有40G存储容量,能满足长时间无间隙存储的需求。仪器的DSP、FPGA软件存放在微硬盘中,当用户选择相应功能时,ARM DSP、FPGA实现仪器多种采集与分析功能,适用于多种应用要求。

2.4仪器接口模块仪器接口包括USB2.0、无线网。仪器通过USB2.0接口导出存储数据。无线网络模块实现远程通信,同时可利用仪器的网络功能,将多个仪器构成一个较大型的测试系统,芫成更多的测试任劳。

3仪器软件设计由于测试仪器要实现多种数据采集与分析功能,每个分析功能对应的分析处理算法各不相同。由于DSP处理器资源的限制,不可能在同一程序中实现所有的功能。本系统采用运行模式动态配置技术,仪器功能由ARM处理器实时下载,这不但在同一硬件上实现多种功能,同时也便于系统的升级与功能的扩展。

仪器的软件层次图仪器软件采用分层结构,整个软件分为四层,第一层主要负责与用户的交互;第二层主要负责数据的存储、数据和消息的转换以及数据的后处理;第三层为驱动层,负责DSP与ARM处理器的通讯;第四层主要实现实时信号采集与处理的算法,由DSP、FPGA实现。运行于DSP与FPGA软件由PC机根据使用要求实时下载。软件层次结构如所示。

笔者提出仪器的主要目的是实现数据采集与分析、连续海量数据存储,实现这一功能的软件的流程如所示。在以上基础上开发了相应的软件,实现预期的功能,达到了汽车行驶中长时间连续数据采集的目的。

仪器应用软件流程4结束语在以上研究的基础上,解决了低功耗硬件电路设计、嵌入式DSP与ARM间的高速数据传输、软件动态配置等技术难题,已成功开发了适于汽车行驶中数据采集与分析的仪器,仪器的各项功能达到了设计要求,可以采集存储汽车行驶中数小时至数十小时的振动数据。同时该仪器也可推广到工业现场的振动噪声测试,提升了我国在便携式数据采集与分析仪器的水平。

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