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利用Delphi3开发微机数据采集与处理软件系统
摘要: 结合开发“无线电话务模拟训练系统”Win32版软件的实例,本文详细介绍利用Delphi3.0开发微机数据采集与处理软件系统的方法。
微机数据采集与处理系统简介
数据采集与处理是计算机应用的一个重要分支,主要研究信息数据的采集、存贮、处理及控制等内容。70年代以来,由于微机技术的快速发展及其在军、民用工程领域的广泛应用,尤其是适于通用微机(如IBM PC系列)使用的板卡级数据采集产品的大量出现,以微机为核心的可编程数据采集与处理技术得到迅速发展。现在的微机,只需在其扩展槽内插上一块数据采集板,并辅以应用软件,即可组成一套微机数据采集与处理系统,实现信息处理和实时控制功能。
数据采集与数据处理
数据采集与处理技术主要研究模数、数模转换(A/D、D/A)、数据处理等问题,需要计算机硬件电路和软件编程知识。
数据采集:为对温度、压力、流量、速度、位移、振动、噪声等物理量进行测控,首先通过传感器把上述物理量转换成模拟电信号,而后由A/D-D/A板将模拟电信号转换成时间、数值上量化且离散的数字量输入计算机系统。数据采集的核心是A/D转换。
数据处理:计算机根据被测控对象的需要,对采集到的数据进行数学分析运算,处理结果一方面送至显示器、打印机等外设,一方面由A/D-D/A板将数字量转换成模拟电信号输出,对外部物理量进行实时监控。数据处理的核心是数值处理和D/A转换。
２、微机数据采集与处理系统硬件组成
系统主要由被测控对象(设备)、A/D-D/A通道、开关量I/O通道、微机等组成,如图1所示。较复杂的系统包括单片机等多机系统。
图1 微机数据采集与处理系统硬件组成
３、与IBM PC兼容的板卡级数据采集产品
利用IBM PC系列微机及其兼容机I/O通道开放的设计特点,许多厂商已经设计出采用板卡级结构的数据采集产品。这类产品在一块印刷电路板上包括了模拟多路开关(MUX)、采样保持电路(S/H)、模数、数模转换器(ADC、DAC)等部件(有的板型还提供并行I/O接口8255,定时／计数器8254／8254等通用可编程芯片),采用IBM PC总线,可直接插入微机任一扩展槽。本文介绍台湾AXIOM公司生产的AX5412高速数据采集板,以及利用Delphi开发该产品A/D-D/A接口软件的方法。
软件系统设计
㈠、预备知识
软件开发工具的选择
为开发基于Windows95／NT／98操作平台的３２位数据采集与处理系统,软件设计应符合以下需求:
⑴具有在Windows下实时访问80x86 CPU I/O端口、硬件中断调用等功能;
⑵支持３２位编程;
⑶代码执行速度快、界面友好、使用方便;
⑷开发周期短、代码可重用性好、效费比高。
综上所述,根据VC5.0、VB5.0、Delphi3.0(或其最新版Delphi4.0)三种流行RAD工具的不同特点,作者在开发Windows版“无线电话务模拟训练系统”软件过程中选择了Delphi3.0,利用Delphi的IDE环境编写VCL构件,结合虚拟设备驱动程序(.vxd)实现⑴的功能。
２、VCL构件主要属性、方法、事件、过程介绍
⑴通用属性、方法、过程
·ActiveHW: Boolean:该属性只读且运行时有效,如果虚拟设备驱动程序正常工作,则ActiveHW为True,否则为False。
·OpenDriver:该方法加载虚拟设备驱动程序,为其分配内存,使程序具有直接访问系统硬件的能力。如果虚拟设备驱动程序加载成功,ActiveHW属性被设置为True,否则为False。
·CloseDriver:该方法关闭虚拟设备驱动程序,释放为其分配的内存。如果虚拟设备驱动程序关闭成功,ActiveHW被设置为False。
⑵I/O端口访问
·HardAccess: Boolean:该属性决定虚拟设备驱动程序采用何种方式访问I/O端口。如果HardAccess为False,I/O访问速度较快,但若指定I/O地址已被其它驱动程序占用,I/O访问可能失败;如果HardAccess为True,I/O访问速度稍慢,但能保证若指定I/O地址已被其它驱动程序占用,I/O访问仍能进行。
·Port[Index: Word]: Byte:该方法数据类型为Byte-字节。(读／写指定地址的I/O端口,参数Index为指定I/O端口地址,数据类型为Word-字,下同)
·PortW [Index: Word]: Word:该方法数据类型为Word-字。
·PortL [Index: Word]: dWord:该方法数据类型为DWord-双字。
I/O读写代码实例:
with myPort do
begin
{...}
Port[$2F0]:=$47; //向地址为2F0H的I/O端口写一个字节的数据47H
{...}
myInpute:=Port[$2F9]; //从地址为2F9H的I/O端口读一个字节的数据,并赋给变量
//myInpute
{...}
end;
⑶硬件中断调用
与DOS不同,在Windows操作系统中,硬件中断调用功能被隐藏或屏蔽起来,Windows一般不允许直接调用硬件中断。为此,需使用以下属性、事件、方法:
·OnHwInterrupt: TnotifyEvent:该事件通知系统一个硬件中断已经被调用。应将中断服务程序放在该事件中。
·IRQNumber: Byte:该属性指定欲调用的中断号(IRQ1-15),不支持0号中断(IRQ0-系统时钟)。
· SetIRQ:该方法将IRQNumber指定的中断分配给OnHwInterrrupt过程,并将IsIRQSet属性设置为True。
·UnmaskInterrupt:该方法解除Windows对IRQNumber指定中断的屏蔽,当中断产生时,将调用OnHWInterrupt事件,并将Masked属性设置为False。
·MaskInterrupt:该方法恢复Windows对IRQNumber指定中断的屏蔽,并将Masked属性设置为True。
·DestroyIRQ:该方法释放为解除屏蔽由IRQNumber指定中断分配的内存空间,并将IsIRQSet属性设置为False,Masked属性设置为True。
·IsIRQSet: Boolean:该属性只读,如果SetIRQ设置中断成功,IsIRQSet属性被设置为True,否则为False。
·Masked: Boolean:该属性只读,如果中断设置成功,Masked为False,否则为False。
3、AX5412数据采集板性能简介
与其它产品(如MS1215)相比,AX5412具有许多优越性能。限于篇幅,本文无法对产品特性、开关描述、用户连接、引脚功能、板上寄存器结构和格式等逐一介绍,仅简要介绍与接口编程有关的重要部分,以便阅读下文所述程序时理解。
⑴采用12位A/D转换器,A/D转换时间为9us。
⑵可编程增益控制。
⑶开关选择单端16通道模拟输入或差动8通道模拟输入(可抑制嗓声,得到高精度A/D转换结果)。
⑷占用16个连续I/O端口地址,通过板上基地址选择开关设置基地址,默认为300H。
⑸`定时器基频率选择开关(J3):AX5412自带一片8254计数／定时器,8254中的计数器1和计数器2在内部串联起来产生一个固定周期信号作为A/D转换的触发源。有两个基频率1MHZ或10MHZ通过J3选择,默认为1MHZ。级联定时器的频率由下式确定:
除数1和除数2分别对应于8254计数器1和计数器2设定的计数值(2~65535,计数器是16位的)。计数器1和计数器2值串联相当于一个32位的计数器,可以用于时间很长的定时。
⑹A/D数据寄存器(基址+0和基址+1)
·基址+0(读):低4位说明进行A/D转换的通道号(0~15);高4位是A/D转换值的低4位。
·基址+0(写):写任意值即实施软件触发开始A/D转换。
·基址+1(读):A/D转换值的高8位。
⑺转换通道控制寄存器(基址+2,读／写):低4位表示多通道A/D转换的开始通道,高4位表示多通道A/D转换的结束通道。如低4位和高4位写入的值相同,表示单一通道连续采样。
⑻0通道D/A输出(基址+4和基址+5,写)
·基址+4:写该寄存器高4位输出D/A0低4位,该寄存器低4位无效。
·基址+5:写该寄存器8位输出D/A0高8位。
⑼1通道D/A输出(基址+6和基址+7,写)
·基址+6:写该寄存器高4位输出D/A1低4位,该寄存器低4位无效。
·基址+7:写该寄存器8位输出D/A1高8位。
⑽状态寄存器(基址+8)
·读:第7位(A/D转换完成位)EOC表示A/D转换是否完成。若EOC=0,A/D转换已完成,可以读取A/D转换数据;若EOC=1,A/D转换未完成。当开始读取数据,EOC被重新置1。
·写:向该寄存器写任何值清除中断请求。在实际中断服务程序中,在开中断前应先清中断,再利用控制寄存器(基址+9)开中断。
⑾控制寄存器(基址+9)
·0~1位:控制启动A/D的触发源。
·2位:为1,DMA方式有效;为0,DMA方式无效。
·4~6位:选择中断级别。(PC机8259中断控制器管理的中断中,中断2系统未用,一般选2级中断)
⑿定时器控制寄存器(基址+10,写)
·0位:若为1,表示AX5412板上8254计数器中由计数器1和计数器2串联成的定时器触发起作用;否则,不起作用。
⒀增益控制寄存器(基址+11,读／写):低4位组合表示增益。
㈡、编程实例
以下程序均以AX5412为例。
1、软件启动,查询管理
·A/D轮换:
设有一模拟输入信号单端输入,输入10通道,现对其进行A/D转换,输入计算机。
{...}
var
const Basea:Word=$300;//AX5412默认基地址为300H
{...}
procedure Adc:Integer;//A/D转换
var
state :Byte;//读取A/D转换完成位
al :Byte;//A/D转换低4位
ah :Byte;//A/D转换高8位
adval :Integer;//A/D转换结果
begin
with myPort do
begin
Port[Basea+2]:=$AAH;//10通道单通道连续采样,170D=AAH
Port[Basea+11]:=0;//增益为1
Port[Basea+9]:=0;//软件启动A/D转换
Port[Basea]:=0;//开始A/D转换
repeat
state:=Port[Basea+8];
until b and $80=$80;//检测A/D转换完成情况
al:=Port[Basea];//读A/D转换值低4位
ah:=Port[Basea+1];//读A/D转换值高8位
adval:=(al / 16) or (ah * 16);//计算12位A/D转换结果
Adc:=adval;//返回值
end;
end;
·D/A转换:
设将一模拟控制电压Volt从D/A1通道输出,控制某一对象。
说明:AX5412数字量输出满量程(即12位均为1时,数字值为4095D)时输出的模拟电压为5伏。
procedure Dac(Volt:Float);//D/A转换
var
al :Integer;//D/A转换低4位
ah :Integer;//D/A转换高8位
daval :Float;
begin
daval:=4095/5*Volt;//将欲输出的模拟电压值近似为数字值
ah:=Int(daval/16);//A/D转换高8位
al:=Int(daval-ah*16)*16;//A/D转换低4位
with myPort do
begin
Port[Basea+6]:=al;//取D/A通道1,输出D/A转换值低4位
Port[Basea+7]:=ah;//输出D/A转换值高8位
end;
end;
定时启动,中断管理
设采样点数为1024,采样频率为3000HZ,32位定时器采用1MHZ基频率,连接PC机8259的2级中断。
⑴设定采样参数
Point:=1024;//采样点数为1024
Count:=1000000/3000;//采样频率为3000HZ,Count为计数器1和计数器2级联成的
//定时器的计数值
Count1:=2;//设定计数器1的计数值为2
Count2:=Int(Count/2);//计算计数器1的计数值
Low1:=2;//计数器1计数值的低字节
High1:=0;//计数器1计数值的高字节
Low2:=Count2 mod 256;//计数器2计数值的低字节
High2:=Count2/256;//计数器2计数值的高字节
with myPort do
begin
Port[Basea+11]:=0;//增益为1
Port[Basea+2]:=$11H;//通道1单通道连续采样
Port[Basea+15]:=$74H;//选择计数器1为工作计数器,按方式2工作,对计数器进
//行2次读/写操作,先低字节,后高字节
Port[Basea+13]:=Low1;//写计数器1计数值的低字节
Port[Basea+13]:=High1;//写计数器1计数值的高字节
Port[Basea+15]:=$B4H;//选择计数器1为工作计数器,按方式2工作,对计数器进
//行2次读/写操作,先低字节,后高字节
Port[Basea+13]:=Low2;//写计数器2计数值的低字节
Port[Basea+13]:=High2;//写计数器2计数值的高字节
end;
⑵编写中断服务程序
procedure TForm1.myPortHwInterrupt(Sender: TObject);//中断服务程序
{...}
ImportHigh:=Port[Basea+1];//读A/D转换高8位
ImportLow:=Port[Basea];//读A/D转换高8位
Sample:=ImportHigh*16 or ImportLow/16;//计算12位A/D转换结果,并赋值给采
//样数组
i:=i+1;
Port[Basea+8]:=0;//清中断
end;
⑶设置中断
with myPort do
begin
if ActiveHW then CloseDriver
else
begin
OpenDriver;
if not ActiveHW then
begin
MessageBeep(0);
Application.MessageBox('系统发现指定I/O端口未能成功打开！',
'请注意！',mb_OK or mb_ICONHAND);
end
else
begin
IRQNumber:=2;
SetIRQ;
end;
end;
end;
⑷开中断,进行采样
Port[Basea+9]:=$A3H;//选择定时器触发,连接PC机2级中断,开中断
Port[Basea+8]:=1;//选择定时器触发
i:=0;
while i<>Point do ;//等待中断,每中断一次采样一个数据,直至采满Point个点
⑸退出系统前关闭中断
procedure TForm1.FormClose(Sender: TObject; var Action: TCloseAction);
begin
{...}
myPort.CloseDriver;
{...}
end;
在实际工作中,读者应根据具体数据采集板的硬件特性,参考上述方法,编写数据采集、分析、输出代码。
