Windows 95下智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

摘要：提出一種智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。用編程簡(jiǎn)單、定時(shí)分辨率高、工作可靠的單片機(jī)定時(shí)取代編程繁復(fù)、定時(shí)分辨率低、工作不可靠的Windows95下的定時(shí)。解決了Windows 95環(huán)境下短時(shí)間定時(shí)不準(zhǔn)確的難題，又簡(jiǎn)化了用戶的應(yīng)用程序。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效可靠，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的高性能采集。

引言

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在各行各業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。目前，已有各種各樣高速、高精度、多通道的數(shù)據(jù)采集卡問世。計(jì)算機(jī)通過卡上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采入數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理和圖形顯示等工作。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，Windows 95/98平臺(tái)下的應(yīng)用程序已經(jīng)成為數(shù)據(jù)采集與處理軟件開發(fā)的主流。

用于數(shù)據(jù)采集的常規(guī)Windows定時(shí)順又存在著嚴(yán)重的不足。首先，常規(guī)Windows定時(shí)器的定時(shí)分辨率低。定時(shí)器每隔55ms中斷1次，相當(dāng)于最高采樣頻率僅為18.2Hz。對(duì)由于Windows 95/98下的應(yīng)用程序無法直接與硬件打交道，不能通過對(duì)定時(shí)中斷重新安裝的方法改變定時(shí)時(shí)間長度。如此低的采樣頻率對(duì)于絕大多數(shù)的信號(hào)采集與處理都是不適合的，必須尋找能以更高頻率采集的方法。

其次，Windows系統(tǒng)是一個(gè)多任務(wù)操作系統(tǒng)，它是基于消息來驅(qū)動(dòng)事件的。定時(shí)器消息WMTIMER在串行消息隊(duì)列中的優(yōu)先級(jí)別很低，往往得不到及時(shí)響應(yīng)，甚至消息隊(duì)列中的幾個(gè)未及時(shí)處理的定時(shí)器消息會(huì)被合并為一個(gè)；而應(yīng)用程序無法確定由于這種處理而丟失的消息數(shù)，使實(shí)際的采樣間隔不均勻。

針對(duì)以上問題，人們想出了很多方法予以解決。目前常用的方法都是在PC機(jī)上編程，一般來講有以下3種方法：

（1）在Windows應(yīng)用程序中，使用普通C語言中常用的函數(shù)delay()[2,3]。

delay()是C語言中常用的延延、定時(shí)函婁。使用delay()，最高采樣率可達(dá)1kHz，但delay()與多任務(wù)的Windows操作系統(tǒng)不兼容。在Windows應(yīng)用程序中直接使用delay()會(huì)發(fā)生編譯警告和連接錯(cuò)誤�？梢酝ㄟ^程序中顯示說明函數(shù)delay（）原型并在Windows庫中包含DELAY模塊的方法去除這一錯(cuò)誤，從而可以在Windows應(yīng)用程序中，像普通C程序一樣使用delay()。然而，這種用軟件等待的方法，對(duì)于主機(jī)的資源來講是一個(gè)極大的浪費(fèi)。

（2）使用Windows多媒體定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)[4,5]

Windows多媒體定時(shí)器可以通過函數(shù)timeBeginPeriod來設(shè)置定時(shí)器分辨率，其分辨率最小為1ms，最大為16ms。這一分辨率代表了60～1000Hz的采樣率，可以滿足一般信號(hào)對(duì)采樣率的要求。而且多媒體定時(shí)器采用中斷完成定時(shí)服務(wù)，在中斷時(shí)刻調(diào)用1個(gè)回調(diào)函數(shù)，而不是向消息隊(duì)列發(fā)送WM_TIMER信息。在應(yīng)用程序中，使用Windows多媒體定時(shí)器并不容易，必須遵循嚴(yán)格的步驟。在使用回調(diào)函數(shù)的趕集，在中斷服務(wù)程序和用戶主程序之間，要進(jìn)行數(shù)據(jù)的共享，給編程和調(diào)試帶來不便。程序的穩(wěn)健性也會(huì)受到影響。在定時(shí)時(shí)間較短時(shí)，主機(jī)負(fù)荷過重。

（3）實(shí)時(shí)鐘定時(shí)[6]

實(shí)時(shí)鐘芯片在基準(zhǔn)頻率作用下驅(qū)動(dòng)內(nèi)部時(shí)鐘電路工作，同時(shí)可通過對(duì)內(nèi)部寄存器A（D3～D0）編程，選擇22分頻輸出信號(hào)頻率。實(shí)時(shí)鐘周期性地輸出方波和周期中斷請(qǐng)求信號(hào)（該中斷請(qǐng)求連到IRQ8），從而為程序中實(shí)現(xiàn)時(shí)間控制提供了另一條途徑。同時(shí)，在Windows機(jī)制中，使用優(yōu)先級(jí)高于一般的任務(wù)級(jí)，而等于系統(tǒng)級(jí)的VxD編制驅(qū)動(dòng)程序，可以保證驅(qū)動(dòng)程序在運(yùn)行時(shí)享有最高優(yōu)先權(quán)，在進(jìn)行硬件設(shè)備的管理、控制時(shí)不會(huì)被其他任務(wù)所中斷，充分保證了驅(qū)動(dòng)程序返還給用戶的數(shù)據(jù)是完全真實(shí)的值。而且可以直接對(duì)硬件進(jìn)行訪問，因而通過編寫VxD直接管理實(shí)時(shí)鐘中斷，定時(shí)分辨率更高。但VxD對(duì)調(diào)試者的編程水平要求較高，稍有不慎，很容易出現(xiàn)異常錯(cuò)誤或死機(jī)。

不難看出，直接在PC機(jī)上編程解決定時(shí)問題要求調(diào)試者有較高的編程水平，程序調(diào)試?yán)щy，可靠性差。

為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。用單片機(jī)89C51作為中央處理單元，控制模/數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等外圍設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)的定時(shí)采集和預(yù)處理。通過絕大多數(shù)電腦都具備的并行口作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的接口，與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由單片機(jī)管理定時(shí)采樣和進(jìn)行部分信號(hào)預(yù)處理工作，解決了Windows 95下定時(shí)采樣的問題，減徑了PC機(jī)方面編程的工作量，使應(yīng)用程序可以精力進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后的處理工作。

智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的框圖如圖1所示。信源信號(hào)經(jīng)放大濾波后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器。單片機(jī)以一定的采集率在定時(shí)中斷內(nèi)讀取A/D轉(zhuǎn)換器的輸出，送入RAM中暫存，在定時(shí)斷外則將RAM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不斷經(jīng)并口送入PC機(jī)。PC機(jī)中的應(yīng)用程序由并口接收單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。

1.單片機(jī)與主機(jī)間的并口通信

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)的并行口發(fā)生了很大的變化，由原來的只能打印，即只能向外設(shè)傳輸數(shù)據(jù)，發(fā)展成為可以在微機(jī)與外設(shè)之間進(jìn)行雙向、快速交換數(shù)據(jù)的雙向并行接口。利用雙向并行口使得PC機(jī)能與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的單片機(jī)之間以異步的、全互鎖的雙向并行方式通信。它能減少用戶交互地操作外部設(shè)備的次數(shù)，以更高的傳輸速率完成數(shù)據(jù)傳送。

并口通信硬件部分原理如圖2所示，軟件部分流程圖如圖3所示。

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