时间:2023-03-05 22:04:01
关键词:数据采集系统;信号干扰;消除
随着信息技术的发展,数据采集系统被广泛应用到各行各业,数据采集系统是其他系统运行的基础。在应用实践中,数据采集系统可以实现对数据的处理和分析。数据采集系统能够很大程度上提高社会生产效率,便捷了人们生活,数据采集系统在运行过程中,可能收到环境因素的影响,降低数据采集的准确性,使得数据系统工作效率降低。
1数据采集系统信号干扰问题分析
在数据采集系统工作过程中,通常现场环境复杂恶劣,诸多因素会对工作效率产生影响,对信号产生干扰,影像数据采集系统的结果。通过对信息采集系统的干扰因素进行分析,进行分类。
1.1干扰的内外部影响
外部环境会对信号采集系统产生干扰,系统的内部信号也会对电路产生干扰。在工作过程中,由于电路电阻受热产生热噪音,电力元件长期运行,未及时进行更换,使元件运行效果产生变化;晶体管同其他配件相配合时产生工作噪音。信号采集系统在工作环境中,受到外部信号干扰,对采集系统信号产生干扰。例如,在运行过程中,由于运行故障,出现电火花,或者设备之间相互产生电磁信号,造成对数据采集系统的影响,降低数据采集的有效性。
1.2干扰信号的影响频率
通过对数据采集系统的干扰信号分析,可以发现有的干扰信号呈现出规律性。比如,当某数据信号采集系统附近存在较较强电力设备时,干扰源规律性出现,形成固定干扰信号。此外,还会出现不确定性干扰信号,这种呈现不确定性和不稳定性的信号,对数据信号采集系统产生周期性影响,这种信号干扰通常是外界环境的偶然干扰。比如在某电器使用过程中,出现雷电或者其他设备运行异常等的干扰,都会带来信号干扰,这类干扰信号难以进行预测,不能采取具有针对性的措施。
1.3不同类型的信号干扰
信号采集系统的信号干扰主要有静电干扰、磁场藕合干扰、电磁辐射干扰以及电导通路藕合干扰。净干扰是指寄生电容对周围设备运行产生干扰,人与电气设备之间相互摩擦会产生静电,对数据采集系统产生扰动;磁场耦合扰动是指收到周围环境的影响,闭合回路中出现电流,这种影响可能是受到变压器、电动机等设备的磁场信号干扰,这种干扰通常呈现为交流干扰;电磁辐射干扰是指数据采集系统受到周围辐射信号的扰动,通常是由大功率装置运行造成的高频电磁波造成的;电导通路干扰是指在电流回路上出现的阻碍行扰动。由于不同的节点,多条回路阻碍造成噪音,对数据采集系统信号产生扰动。电磁感应是指在导体的磁通量发生变化,从而产生电动势,闭合回路中就产生了电流,这种现象就成为电磁感应。电测仪表进行测量过程中,通过电磁耦合,会形成相互干扰。电测仪表周围有较多设备时,或者所处环境较复杂时,就会产生交变磁场,变压器、交流电动机等都会产生相互感应,电测仪表的稳定性就会降低。在两个物体发生相对位置移动情况下,物体间的电容作用就会造成两一个物体点位发生变化,造成电压干扰,电的耦合在进行测量时经常遇到。电测仪表干扰源和测量信号源间的容性耦合,压线电容耦合到信号电路就会造成信号干扰,电测仪表的稳定性就会降低。
1.4数据采集系统软件操作造成的干扰
由于软件的操作不当造成干扰信号产生,在数据采集系统中,算法不合理性,造成程序运行过程中,相似性对结果产生一定的误差,造成干扰信号,在数据进行最后处理时,对动作产生误导。计算机设备的精度问题,造成最后计算结果时,产生信号干扰。
2提高数据采集系统信号抗干扰的有效措施
外部环境因素和系统内部因素都会对数据采集系统的运行高效性和准确性产生影响,为了提高信号采集系统运行的效率,可以采取适当的措施,减少信号的干扰,增强信号的抗干扰措施,提高系统的工作效率,提高企业的经济效益。
2.1安置隔离变压器设备
隔离变压器能够降低噪音,可以直接降低寄生电容,能够有效地提高数据采集系统的抗干扰能力。在数据采集系统中,低下会形成电流回路,两者之间的电位差,从而造成干扰噪音的产生,出现信号干扰。安置隔离变压器能够对数据采集系统和电网进行隔离,减少噪音,降低寄生电容。电测仪表的安装环境会对测量结果产生较大的影响,在进行电测仪表安装时,要控制周围环境的温度、湿度、电磁干扰、震动等因素,选择合适的仪表进行测量,控制安装环境可以提高电测仪表的稳定性。
2.2采用电源低通滤波器
通过低通滤波器能够对大于50Hz的高次谐波进行过滤,从而除去电网中的大部分干扰,从而改善电源的性能。通过在滤波器前增设分布参数噪音衰减器,防止滤波器进入磁饱和。低通滤波器使用过程中,要注意低通滤波器本身的屏蔽,屏蔽盒要同系统外壳进行良好接触。导线要靠近地面进行布线,从而减少耦合现象。
2.3保证电路的接地原则
在数据采集系统接地时,要尽量使接地距离最短,从而降低噪音,在选择数字地和模拟地时,要尽量使用一点进行连接,按照一点接地原则进行,可以保障不出现共模干扰现象。在进行接地线路布设时,要选择尽可能粗的线进行接地。在不同的地理位置点电位差各不相同,在一些大功率电器周围,这种电位差更大,因此在大功率电器周围进行测量时,这种点测量仪表受到的干扰就更大,稳定性就越差。
2.4数据采集仪表选用要科学合理
数据采集系统测量的结果准确性受到电测仪表种类的影响较大,因此应重视电测仪表的选择。根据要测量物体的位置,对干扰情况进行分析,同时预测测量结果的大小,在根据精确度要求进行仪器选择。不同厂家生产的仪表的测量误差和稳定性各不相同,因此要选择稳定性高、测量误差小的仪表。同时要根据经济情况和测量要求进行仪表选择,提高电测仪表的精确度。
2.5对数据采集系统进行防干扰保护性处理
进行测量时,可以对数据测量仪器进行保护,比如通过金属屏蔽方法对信号导线进行包裹,减少周围环境对磁场的干扰。测量时对周围的干扰因素进行排查。可以通过信号源和仪表外壳接地的方法保证仪表的电势为零,提高测量准确性。通过对电测仪表的保护措施,能够降低耦合现象,提高电磁测量稳定性。
2.6选择专业人才进行专业管理
数据采集系统的使用有着一定的技术含量,周围环境会造成电测仪表的系统误差,人为因素也会造成人为误差。在进行数据采集时,要对采集人员进行培训,提高数据采集系统使用人员的专业技能,减少系统误差。不同的仪表有着不同的使用方法,进行电测仪表储存和使用时,要按照规定的测量程序,才能减少电测仪表的损害,提高测量精确度。
3结束语
在信号采集系统中,外界信号的干扰和系统内部信号的干扰都十分严重,对信号采集的质量产生影响,对后期数据处理和数据准确性都造成重要影响。因此,了解干扰产生的原因,并采取适当的措施减少干扰信号,增强系统抗干扰能力很有必要。在对数据采集系统进行分析时,要根据实际情况,对周围环境进行深入了解,并针对存在的干扰因素采取具体措施,提高数据采集系统抗干扰性能。数据采集系统被广泛应用于各行各业,很大程度上提高了社会生产率,促进了社会进步。
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关键词:数据采集;MVC;模块化
中图分类号:TP31 文献标识码:A 文章编号:1009-2374(2014)08-0013-03
1 概述
计算机技术和网络技术的发展使得军事领域广泛采用分布式系统方式实现战场环境模拟。利用网络优势可以将散布在不同地点的真实武器设备以及武器模拟器连接起来,实现大范围的分布式交互仿真,从而实现大规模军事协同作战。而对于分布式系统仿真过程中各节点产生的数据需要进行采集分析,并将获得的信息反馈给指控人员,实现对仿真过程的监控。数据采集系统正是针对分布式系统开发的对仿真数据进行集中采集处理的软件,通过获取分布式系统不同节点产生的数据,实现对模拟战场状况的综合掌控。数据采集系统采集的数据可以用于事后对仿真过程的分析,实现仿真过程的重演;可以对仿真过程中重要状况进行分析;可以对仿真细节进行重点关注,得出相关结果文件;可以实现对系统总体可信度评价;可以对系统性能进行验证,改进系统的不足;还可将获得的数据进行存储。数据采集系统主要分布式系统运行中不同节点传输的数据,并对数据进行处理,以实现数据的集中管理,适合在仿真过程中和仿真结束后对数据进行分析。以独立系统方式实现数据采集系统,免去了子系统对数据采集处理工作,易于实现对分布式系统增设的新设备的控制。目前,数据采集系统还未达到良好的灵活性,可扩展性和可靠性。本文针对以上问题提出了数据采集系统的模块化设计方法,重点阐述了系统数据采集的实现。
2 数据采集系统的总体设计
数据采集系统应实现同时从多个子系统采集数据功能,而且具备灵活的可扩展性,以适应要增加与之相连的设备情况,同时,不同系统间通信涉及不同专业领域的融合,因此,在系统设计过程中,系统框架应设计通用性通信接口,保证系统的集成性。数据采集系统各功能模块应充分解耦,实现各模块的独立运行调试,对系统中容易变动的功能进行封装实现,以保证系统某模块的修改不会对其他模块造成太大影响,实现系统结构的灵活性。考虑到数据采集系统的功能升级,对系统的内部实现和对外提供的功能,均要预留扩展空间。因此,在本数据采集系统的设计过程中,根据可集成性、可扩展性、易维护性和灵活性设计原则将系统功能分为对用户呈现的视图部分,封装数据信息的实体部分,控制业务逻辑的控制部分和接收数据的网络通信模块。各部分通过接口进行单向访问,使各部分高度内聚,降低了模块间的耦合性,同时各模块提供信息输入接口,输出参数验证等模块辅助验证功能,可完成各模块功能的单独测试,并且系统各功能模块以信息传递驱动,可以方便的应用到其它以数据流联系的系统中。
根据以上要求,本系统总体架构以MVC设计模式为依据,将系统对外显示界面作为视图,将数据实体信息作为模型,用控制器将这两部分连接,根据模型的更新控制视图的变动。数据采集系统中通信部分单独作为功能模块实现,保证通信方式改变不影响上层功能模块。系统实现了软件模块化的设计思想,保证了系统的可扩展性和与其它系统易于融合的特性。系统总体框架图如图1所示:
图1 系统框架图
3 数据采集系统的实现
依据数据采集系统的设计框架以及各模块间的关系,在软件的实现过程中,各部分功能采用独立实现方式,各部分通过设计良好的通信接口联系,降低了外界变化对系统功能模块的影响,提高了系统的可复用性。
数据采集系统网络通信模块通过网络获取其它子系统的数据信息,并实时更新数据封装模块的信息。将该模块单独实现,可以方便软件对通信方式进行修改,而且对该通信模块进行扩展时,不会对其它功能模块产生影响。在数据采集系统中,网络通信模块只是对其它仿真节点传递的数据信息进行初步的分析处理,判断数据信息产生地址,系统的其它上层功能部分对数据进行详细分析,该部分活动图如图2所示。
图2 接收消息用例活动图
我们将系统网络通信部分功能分为服务、消息和系统调用三部分实现。网络通信模块部分类图如图3。
图3 系统网络通信模块部分类图
服务部分是控制数据信息的关键,是数据信息处理的初始部分,该部分的实现由Inne rMessage Adapter,Inner Message Factory组成。Inner Message Thread用于在数据采集系统启动运行时构建线程,并调用具有私有性构造函数的Inner Message Adapter类生成的唯一实例。InnerMessageAdapter类的实例是服务部分完成其应用的关键部分,它通过缓冲区采用FIFO的原则对接收数据情况进行控制。此外,可以通过Inner Message Factory类对服务部分进行功能扩展。在系统中需要添加新的功能时,可以利用在Create Message方法添加新业务处理来实现,同时用过Produc eMessage来初始化添加的事物操。
消息部分为各种数据信息提供统一控制方法。数据信息是网络通信模块中消息部分的关键部分。系统中的所有据信息类都通过Cmessage基类继承实现。当系统要添加新的数据信息时,可以通过继承CMessage中的共有属性,以及对数据的通用操作,并对特定数据的特有要求进行修改即可实现。
系统调用部分实现对网络数据信息的访问。为避免产生同一组数据多次接收的情况,我们采用缓存最近接收的数据包,并对比接收的数据和缓存的数据的类型、数据包大小、生成时间等属性来检查数据是否重复接收。数据采集系统通过RS_SOCKETInner中提供的API方法来实现网络数据的接收。
数据采集系统中实体模块部分控制系统数据信息、业务规则。该部分实时更新数据信息,并返回视图请求的最终的数据信息。同一个实体模块可以对应不同视图,避免了代码重复设计,降低了工作量。该部分实现了一个实体基类,通过派生新类来实现不同数据实体,方便实现该部分功能的扩展。所有实体类的基类为CEntityObject,该类中SetEntityCode(…)函数实现了对实体类的编码,对不同实体类设定特定标志,Notify(…)接口完成更新的通知;CCodeEntity用于实现对索引节点删除、添加、判断等操作;CEntitiesFacade主要完成在系统退出时释放所有运用SingletonPattern的类的实例指针;该部分还实现了各不同数据信息对应的实体类,用于记录各仿真节点的数据信息。
数据采集系统的控制模块作为分发器控制实体与视图匹配一致,将用户对视图的操作请求作为实体模块的触发事件来调用相应封装数据并在视图中呈现。该部分实现的所有控制功能都继承自基类controller,需要增设新的数据控制过程时,可以添加新的派生类并根据控制流程增加功能,并控制相应视图,调用对应实体,即可实现功能扩展。CAddMessage用于读取缓冲区的数据信息。
视图模块是数据采集系统对外显示部分,实现与用户的信息交互。本系统能正确读取其它仿真节点的数据信息并能根据规定方式对数据进行处理,具备良好信息采集效率,达到了设计要求。MainFrame构建系统显示视图的总框架,系统通过CZongHeViewCMainView实现了数据详细信息的表页显示界面。CParserView用于显示各类数据信息解析后内容。视图提供数据文件解析、数据接收控制、文件操作、数据存储、数据操作功能。
数据文件解析:将通过网络接收到的数据文件的主要信息以表页的形式进行显示,同时可实现对数据解析过程进行如开始解析、选择解析文件和删除数据文件解析内容的控制管理的功能;
图4 过滤器作用协作图
数据接收控制:提供可设置过滤条件功能,并根据过滤需求提取数据文件;
文件操作:实现将接收到的数据信息导出功能(CDaoChuDlg),并以文本文件格式保存,同时也可回放已保存的数据文件;
数据存储:将接收到的数据信息保存到数据库;
数据操作:完成对数据信息仿真的开始和结束控制,实现系统运行状况的复现。
数据库处理模块将数据信息存储到数据库,数据表名可由用户自定义,也可以以数据类型标示和运行开始时间命名。该模块还可将数据库中信息导出实现数据重演。该部分在实现时利用CsqlServerDaoChu将数据存储到数据库中,通过connect(Server,DataBase,UID,PWD)命令连接数据库,CsqlServerGetData负责从数据库中导出数据并将数据显示在视图中,用SqlServerApi该模块对外接口,提供该模块操作方法,实现模块信息封装,方便实现模块功能扩展。
4 结语
本文介绍了针对战场环境分布式系统开发的数据采集系统的设计与实现。采用模块化的设计实现方法,将数据采集系统中的界面实现与网络通信功能分离,同时根据MVC设计模式将界面功能进行划分,并独立实现各部分,提高了系统的开发效率,保证系统的良好地灵活性、方便实现功能扩展等,可以快速适应不同的设备间通信,以及对于不同设备产生的数据的集中处理分析的需求。
参考文献
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实现[J].微计算机信息,2008.
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据采集及分析框架研究[J],系统仿真学报.2006.
【关键词】GPS 数据采集系统 设计
随着科学技术生产力的飞速发展,移动技术有了空前的飞跃,又一个新兴市场得到了开辟:定位导航。GPS(Global Positioning System,全球卫星定位系统),由美国发射的24颗地球定位卫星所组成,以高精度、全天时、全天候的特点,在定位、导航、授时、测距、遥感等领域有很多突出的优点,如测量精确度高、速度快、抗干扰能力强、用户无限制等,因此有广泛的应用前景。目前,GPS技术已经在军事、工农业生产、野外探险、交通运输等领域展开的研究与试验。数据采集,即通过传感器或是其他测试设备,从待测试目标中提取有用的模拟信息或数字信息的过程。在现代信息技术完善发展的前提下,数据采集技术在现代生活的很多方面都有越来越广泛的应用。因此,结合GPS的优势来设计数据采集系统已经成为一个热门方向。在这次的GPS数据采集系统中,主要通过GPS定位系统来得到具体地点的相关信息,通过软件处理得到实用性信息,并在其他方面加以利用。
1 GPS数据采集系统设计原则
在GPS数据采集系统的设计中,要遵守以下原则:
1.1 实用性原则
即在设计的过程中,以实用性为首要原则。
1.2 易操作原则
GPS数据采集系统的用户包括各个层次的管理和操作人员,故需要确保该系统方便操作。
1.3 安全及集成原则
在使用过程中,要求采集数据在不同地方都能准确处理、传输,并与其它相关系统无缝集成。
1.4 可扩展性原则
在采集数据中,可以根据不同时期的数据变化而调整。
2 GPS数据采集系统的体系结构设计
2.1 GPS数据采集系统整体描述
本次设计主要利用GPS定位功能,为发生事故的搜查和救援工作提供便利。其原理为:GPS输出的时间、定位信息经单片机接收后,将信息调整为便利标准,并用液晶终端显示经纬度、海拔高度、时间等相关信息,最终实现GPS数据的采集和转换工作。硬件系统由GPS射频前端、主控制器、液晶显示模块,数据传输单元构成。以MSP430F149单片机作为双串行接口,将定位信息传输至单片机,并对其进行采集和解析。该数据采集的整体系统框架图如图1所示。
2.2 GPS数据的格式和定位信息提取
GPS模块在工作时,每隔一定的时间段,则会返回一定格式的数据。数据格式包括:一个起始位,八个数据位以及一个停止位,在数据中,无奇偶校验。在输出中,默认的波特率为4800,在输出过程中,我们经常采用gprmc定位信息来获取所需要的信息,该gprmc语句如下:
$gprmc,utc时间(hhmmss格式),定位状态(A为有效定位,V为无效定位),纬度(ddmm.mmmm格式),纬度半球(N或S),经度(dddmm.mmmm格式),经度半球(E或W),地面速率,地面航向,utc日期(ddmmyy格式)……*hh
其中$是语句起始标志;gprmc为识别符;逗号为数据区分隔符;*为效验和识别符;hh为效验和;为语句结束符。
2.3 GPS数据采集系统的硬件系统设计
在该系统中,MSP430F149单片机具有集成度高、低功耗等优点。GPS模块则使用多功能独立型模组,以ROM为基础构架,能保证在任何可接收位置都可以拥有最佳定位性能,使GPS得到快速定位。GPS模块外部有多种接口,可以与单片机等无缝连接。
单片机完成定位信息采集和解析后,经USB接口将数据传入计算机进行下一步的处理。
2.4 GPS数据采集系统的软件系统设计
在数据采集系统中,软件系统的主要功能是用来完成接收单片机传送过来的时间、日期、经度、纬度、高度等定位参数信息,然后在计算机中,将经纬度信息转变为实用的高斯平面坐标。数据记录软件的职责主要有:数据格式解析、采样速率的设定、原始数据和计算结果显示、打包存储(txt文件)及数据处理功能等。
该软件系统使用标准图形化用户界面,汉化功能,可联机帮助,操作简单。各个功能可以按实际需求来灵活管理,也可以同时进行多任务的操作,如同时进行数据监视、数据处理等。各任务之间不影响。GPS数据采集系统应用软件的设计可以采用面向对象的编程技术,用C++或C语言实现,使用Linux++编译器,这样既可以保证软件的开发速度,同时也能具有良好的性能。
3 结语
随着科学技术的发展,人们发现GPS定位导航具有高精度,全天时等特点,在定位、导航、授时、测距、遥感等领域有很多突出的优点,在工农业、军事、交通运输等领域都有广泛的应用。因此GPS数据采集系统应运而生,现在已有很多基于GPS数据采集系统的设计方法。当然,我们更希望在此基础上,能在系统设计过程中,提高硬件设备和软件的编制过程,将软硬件更好地结合起来,将其应用于更多的领域中,充分发挥GPS导航定位的优势。
参考文献
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作者单位
【关键词】DSP;数据采集;CCS;TM320F2812
引言
随着科学技术的发展,工业生产的自动化程度已经迅速提高。越来越多的工厂生产逐渐改造了原有的手动控制,取而代之的是利用控制技术实现生产的自动进行。这给工业生产带来了变了和效率,也给工人带来了轻松,生产质量也逐步提高。自动化的发展离不开信息工业的迅速发展和进步。只有获取工业生产过程中的各种所需信息,并经过一定的分析和判断,获得工业生产的准确控制。这就需要有对应的系统对过程中的数据进行采集、分析和处理。具体的说就是自动化要把工业现场运用的各种传感器检测的数据进行提取、分析。这可以对工业现场进行监控和及时的进行故障诊断。因此数据采集是工业自动化的重中之重,其次是对数据的传输和处理等。
数据采集系统应用较为广泛,在整个工业生产中必不可少,它是一种对模拟量进行检测的装置。工作原理是把检测信号送到处理系统,根据需要进行分析和提取。计算机接受的是数字量信号,所以数据采集系统一般要进行模拟量和数字量的转换。我们所要考虑的是数据采集的质量和进程。一般不应该出现信号的严重失真和干扰,同时不应该出现数据的较大滞后,这些对工业生产和监控都有严重的影响。所以高性能的数据采集系统研究具有重要意义。
微电子技术的发展对数据采集系统的发展起到了促进作用。模数转换精度、采样率、通道数、分辨率都越来越高,这些在数据采集系统中是重要参数。以前多数用单片机构成数据采集系统,而且单片机的位数也在加大,近几年DSP的运用也较为常见。在测控方面,数据采集系统已经逐步用一个芯片代替,可以完成数据的采集和分析。为实现单一芯片数据处理的部分不足,采用DSP越来越受到重视,对DSP的数据采集系统研究十分必要。
1 基于DSP的数据采集系统方案
对系统的总体方案设计,是整个环节的主要部分。总体方案可以直接对系统的构成、特征、性能等结构做基本的介绍。
1.1处理器
处理器是数据采集系统的核心,要能达到数据处理的实时性和不失真,同时精度还要要求较高。目前运用较多的是TI公司的TMS320系列F2812芯片,它具有很高的性价比。在工业控制现场被广泛使用,而且精度和运算速度较快。它的基本性能大致有:
(1)32位处理器,中断响应迅速,兼容一些汇编语言;
(2)采用CMOS技术,主频可达150MHz;
(3)可以在线仿真,仿真模式较为先进;
(4)含有多个存储,16位的128KB闪存;
(5)有一些看门狗和定时器的各模块;
(6)低耗能,较为节能,支持各种空闲、等待、挂起模式;
(7)10位双向的数模转换器,采样频率高,精度高;
(8)有与外部设备进行通讯的各种模块,如串行通讯模块、外设模块、数字端口模块、CAN控制模块。
1.2 处理器通信
在通信设计中,有较多的通信电缆。考虑最多的是用RS485通信和CAN总线通信。比较这两种方式的总线特点,CAN总线在DSP数据采集系统中有较大优势。在网络中,各节点都可以根据优先权向总线发送信息;没有地址编码那么麻烦,不同节点可以得到相同数据;数据传输的实时性比较强,有较好的冗余系统,可靠性得到保证;CAN可以在节点出现错误的时候自动关闭数据的输出,而且具有良好的通信协议,开发容易;同时CAN总线具有很强的抗干扰能力、结构简单。DSP本身含有CAN控制模块,这对系统的开发设计提供便利。
1.3 上位机软件
组态软件是在工业控制中经常通用的开发软件,已经实现标准化。对一些标准的模块之间进行组态和编程即可实现高可靠性的专业控制程序,通过上位机人机界面进行监控,通用性较高。组态软件一般有专业的软件开发人员开发的,经过了工业现场的无数次测试,质量较为稳定,这可以作为上位机控制程序的主要软件工具。
1.4 PC和DSP接口
采用串行通讯方式,主要是通信简单、成本低,只需要一根传输线、而且可以实现双向信息传送,对远距离的通信较为合适。
现在已经选用TMS320F2812DSP芯片作为处理器,各个处理器采用CAN总线通信,在上位机进行程序编写,采用串行通讯的方式连接DSP和PC机,把现场的各种生产数据和信息传送到PC机进行现场的实时监控。
2 硬件设计
2.1 电源的电路和复位电路设计
TMS320F2812DSP芯片的工作需要flash电压3.3V和内核电压1.8V两部分,对电源较为敏感。在DSP系统的电源设计中TPS67D301可以双路输出和单独供电,刚好可以满足所需电压的两部分,较为适合,而且它能够自身产生复位信号,红色部分即为复位电路。
2.2 JTAG下载口电路的设计
在设计中,需要在DSP的端口设计电路对JATG下载进行干扰抑制,这是较为重要的部分。
2.3 通讯电路设计
对于通讯电路主要包括两种接口的电路设计,一是CAN总线电路,另一种是串口通信电路。前面已经根据总线特点选择CAN总线。设计中采用符合RS232标准的MAX232芯片。DSP和RS232通过74LS245进行电平转换。
3 软件设计
对于数据采集系统的软件设计,主要包括以下几个方面:
(1)考虑DSP时钟脉冲,这需要时钟模块实现;通过软件可以实现外设时钟,系统可靠性提高;
(2)避免DSP的外界严重干扰,程序被打断,造成系统工作不够顺畅,需要设计“看门狗”软件;
(3)DSP提供了较多的通用I/O口,而且有些接口可以复用,所以需要对I/O进行软件设计;
(4)过程控制中,中断是必不可少的,需要对中断系统进行软件设计;
(5)组态和DSP协议;
(6)数字信号和模拟信号需要进行转换,需要对此进行软件设计;
(7)CAN总线的运用少不了接口的软件设计。
4 结束语
文章对DSP的数据采集系统做出了基本的分析,提出了总体方案,并对其硬件设计进行研究,设计出各部分电路。并考虑了软件设计的各个方面,对整体系统的设计起到一定的指引作用。
参考文献:
[1]王淑芳等.基于DSP的数据采集系统开发与实现[J].北京石油化工学院学报,2005(13).
【关键词】综合数据采集系统;参数测试;总线
1、引言
随着直升机不断向高度综合化、智能化和通用化方向发展,用于记录飞机姿态信息和各种重要飞行信息的飞行参数记录系统[1]逐渐被综合数据采集系统取代,其功能也得到了进一步扩展。综合数据采集系统应用AFDX、1553B等数字总线技术实现对直升机维护数据、状态数据和飞行数据的采集。本文阐述了综合数据采集系统试验测试依据与标准,对试验测试的典型故障进行分析和总结。
2、测试的意义及必要性
综合数据采集系统是直升机重要机载系统之一。所记录的数据经地面数据处理站分析处理后,可用于直升机维护、训练评估和事故分析[2]。由于部件集成度高,与机载设备交联复杂,采集信号多样化,因此为了保障系统工作的可靠性,需要对其性能进行检测。
建立综合数据采集系统的试验能力,其意义和必要性主要体现在以下几点:
(1)在科研、生产过程中,如果将系统部品直接装机,一旦出现故障无法定位,还会给其它交联的机载设备带来安全隐患,因此需要对其进行装机前校验。
(2)由于综合数据采集系统主要应用于直升机飞行事故评估,其记录数据的可靠性将直接影响判定结论,因此必须建立系统试验能力,实现对系统记录数据可靠性检测。
(3)对综合数据采集系统试验能力的建设,利于对其它机载系统故障的判读与解析,极大地提高了解决总装通电和试飞时故障问题的能力。
(4)可建立对单机试验测试数据的管理,形成测试档案提供给用户,为直升机今后的故障预测与系统维护提供科学依据。
3、测试依据与标准
按照GJB6346-2008《军用直升机飞行参数采集要求》的规定,采集信号的类型分为模拟量、数字量、开关量和频率量信号,标准中对各类参数的采集精度、采样间隔、信号源和采集范围都进行了明确规定。在对综合数据采集系统记录参数进行测试时,结合此标准,针对不同机型用户的要求,来制定相应的系统参数采集标准。
试验测试时对对参数的采集应遵循以下原则:
(1)参数的模拟范围应全面、准确。既能够反映整机工作状态,又能够准确反映飞机状态急剧变化及飞机系统工作瞬间异常变化的情况。
(2)对每个参数的采集点设计,应从机载信号源头进行引接,确保真实、准确的反映机载设备的工作状态,中间未经转接与数据处理。
(3)与机载其它系统交联进行参数采集测试时,不能影响其它系统的正常工作。
4、典型故障分析
4.1采集点选择错误
对发动机系统的“发动机停车”参数进行测试时,发现不管如何模拟信号状态变化,测试结果均显示“停车”状态。
“发动机停车”参数是开关量信号,源于油门杆位置微动开关,其接口参考图1所示[3]。拉动油门杆置“停车位置时”,其内部继电器触点NC闭合,采集点(B)的电压由原来的悬空状态转换为+28V直流高电平信号输入,通过测量采集点的电压由低电平到高电平状态的变化,来判断“发动机停车”的状态。
由于采集点未出现电平状态变化,经分析可能原因有:(1)油门杆位置微动开关损坏,不能实现接通;(2)在“发动机停车”功能未接通时,采集点信号虽然是低电平,但处于+3.3V与7V之间高阻状态,输出可能是低电平或是高电平,无法实现电平状态变化,(3)采集点错误。
通过对“发动机停车”参数采集点的电压测试,发现“发动机停车”功能接通和未接通两种状态下,测量值都是+28V,表示没有有效信号输入。测试油门杆位置微动开关的信号输出点(A)的电压值,发现未接通时为3.5V,接通后为28V其输出值是正确的,那么只说明采集点出现了错误。经检查发现采集点(B)接到了28V输出点处,线路连接修改后故障排除。
4.2测试方法错误
4.3测试标准设计错误
5、结束语
文章介绍了一种基于STM32的惯性传感器数据采集系统的设计方法。采用STM32作为核心处理器,通过SPI通信协议完成核心处理器对惯性传感器数据的采集,并通过RS232串口实现核心处理器与上位机实时通信。阐述了系统工作原理以及相关硬件和软件设计,核心处理器内部集成功能模块丰富,无需外部扩展芯片,大大简化了系统设计。实际数据采集过程及结果表明,系统具有软硬件设计稳定可靠、采集数据真实准确、数据显示和保存方便等优点。
关键词:
STM32;惯性传感器;数据采集;SPI通信
近年来,随着半导体集成电路微细加工技术的快速发展,微机电系统(MEMS,Micro-Electrical-MechanicalSystem)得到了快速发展,MEMS惯性器件包括MEMS陀螺仪和MEMS加速度计[1]。由于它具有集成化、智能化、微型化、可靠性强、抗冲击能力强等特点[2],并且数据融合框架以及硬件性能的提高[3-4]使得越来越多的国家开始研究这种微型化、低成本的微型惯性导航系统。实时、高效地采集MEMS惯性器件测量的数据对于后续的导航定位、数据分析具有极其重要的意义。目前,针对不同的应用环境,MEMS数据采集系统核心器件有FPGA、DSP、ARM、单片机等,FPGA、DSP多应用于数据采集速率要求较高的环境[1],但是成本较高,而本系统所采集数据将用于对惯性器件数据进行误差分析,考虑数据采集速率与成本两方面要求,本系统采用ARMCortexM3内核的STM32F103VBT6作为核心处理器件对惯性传感器ADIS16488A的陀螺仪和加速度计进行数据采集,既保证了较低的设计成本又保障了一定的数据采集实时性。
1器件性能特点
本数据采集系统的惯性传感器采用战术级10自由度惯性传感器ADIS16488A,核心处理器采用STM32F103VBT6,通过STM32F103VBT6核心处理器控制ADIS16488A完成数据采集并通过串口将数据实时发送到PC机端。以上三者通信示意图如图1所示。
1.1ADIS16488A惯性传感器
1.1.1ADIS16488A性能特点ADIS16488A是一款完整的惯性系统,内置一个三轴陀螺仪以及三轴加速度计、一个三轴磁力计、一个压力传感器和温度传感器。陀螺仪和加速度计用以完成对惯性器件数据的测量,三轴陀螺仪可提供±450°/秒动态范围,三轴加速度计动态范围为±18g,该系统可实现可编程工作与控制,SPI和寄存器结构针对数据收集和配置提供简单的接口[5]。该系统通过单电源供电方式运行,电源工作电压为3.0V至3.6V,可在-55℃至+105℃环境温度下工作。ADIS16488A的工作功能框图如图2所示[5]。
1.1.2ADIS16488A寄存器结构ADIS16488A寄存器结构是连接传感器处理系统与外部主机处理器的桥梁。ADIS16488A寄存器包括输出寄存器和控制寄存器。输出寄存器包括最新传感器数据、实时时钟、错误标志、报警标志和识别数据。控制寄存器寄存内容包括采样速率、滤波、输入输出、报警、校准和诊断配置选项[5]。ADIS16488A与外部处理器之间的所有通信都会读取或写入其中一个用户寄存器。ADIS16488A寄存器结构采用分页寻址方案,包括13个页面,每个页面含有64个寄存器位置。每个寄存器都是16位宽,每个字节在相应页面的存储器映射内都有唯一的地址[5]。ADIS16488A寄存器工作的基本原理如图3所示。
1.1.3ADIS16488A引脚配置ADIS16488A引脚分配图如图4所示[5]。
1.2STM32F103VBT6核心处理器
1.2.1STM32F103VBT6性能特点STM32F103VBT6使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC内核,工作频率为72MHz,处理器内置高速存储器分别为128K字节的闪存和20K字节的SRAM,并且系统内置增强的I/O端口以及连接到两条APB总线的外设[7]。器件包含3个16位的定时器、1个PWM定时器、2个12位的ADC以及各类通用的通信接口(2个I2C总线接口、SPI通信接口、3个USART、1个USB和1个CAN)。STM32F103VBT6可工作于-40℃到+105℃的工作范围,外部供电电压范围为2.0V到3.6V,并且器件设计的各类省电模式很好地实现了低功耗的要求[7]。
1.2.2Cortex-M3内核结构Cortex-M3内核是建立在高性能哈佛结构三级流水线基础上,为ARM7架构。为提高各个时钟周期的性能,普遍采用时钟选通相关技术,比如单周期内32位计数乘法和硬件除法,性能得到了较大提高。通过基于堆栈异常模式的设计,大大缩小了器件尺寸[6]。指令接口和数据接口各使用一条总线,与常规的Cortex-M3不同,ARM7系列处理器使用冯•诺依曼架构,数据和指令公用存储器以及信号总线。由于指令以及数据可以同时从存储器中读取,Cortex-M3对多个操作行执行,因此大大加快了系统的执行效率[6]。
2数据采集系统总体硬件设计
2.1总体设计方案数据采集系统硬件设计的总体方案为:以STM32F103VBT6作为系统核心控制器件,STM32F103VBT6与ADIS16488A通过SPI通信协议进行数据传输,SPI通信模式中,STM32F103VBT6为主设备,ADIS16488A为从设备,实时采集惯性器件测量数据并通过RS232串口通过异步通信的方式将数据实时发送到PC机端,实时显示并保存采集数据。系统总体设计方案图如图5所示。
2.2SPI通信模式设计当存在有效电源时,ADIS16488A会自动启动,完成相关初始化功能后,传感器开始采样、处理并将校准后的惯性传感器数据传入输出存储器,通过SPI端口可以访问数据[5]。本数据采集系统SPI端口连接到STM32F103VBT6核心处理器的兼容性端口。STM32F103VBT6核心处理器作为主设备,ADIS16488A作为SPI通信模式的从设备,SPI通信接线如图6所示。主机NSS引脚用于选择从机[7],ADIS16488A的DIO2引脚连接到处理器的中断请求IRQ引脚,当输出数据寄存器中有新数据可用时,该引脚变为低电平,提醒核心处理器进行数据采集。主机通过SCLK引脚向从机提供串行时钟信号,MOSI引脚作为主机输出引脚,MISO作为从机输出引脚。完成相关硬件连接后需要对主机处理器进行相关配置以实现SPI通信,STM32F103VBT6使用内置控制寄存器来配置其串行端口,按照SPI通信协议,主机处理器的初始化程序可以通过固件命令方式将相关配置写入其串行控制寄存器,主机相关配置如表2所示。SPI端口支持全双工通信,主机处理器可以在读取DOUT的同时向从设备写入DIN,有效保证了数据传输的效率以及数据传输的实时性。SPI通信协议时序图如图7所示[5]。SPI使用图示的位分配方式向控制寄存器写入信息,一次一个字节。每个寄存器都有16位,首先写入寄存器的低位字节,然后写入高位字节。单个寄存器读操作需要两个16位SPI周期。在第一个周期中,利用SPI通信时序请求读取一个寄存器的内容。在第二个周期中,寄存器的内容通过DOUT输出,这样在一个16位SPI周期内,同时完成了写入与读取操作[5],并且写入操作是为下一周期读取做准备,因而采用SPI通信方式可以极大提高数据的采集速率,保证数据传输的实时性。
2.3RS-232串口接口电路设计STM32F103VBT6与PC机进行通信时,RS-232C标准规定:-3~-15V表示逻辑“1”,+3~+15V表示逻辑“0”,电压范围与STM32F103VBT6TTL电平不兼容,因而需要在此基础上进行电平转换。本数据采集系统采用MAX232芯片实现电平转换,MAX232低功耗、单电源双RS232发送/接收器特点可以很好满足采集系统需求。MAX232内置的电压变换器可以把输入的+5V电压转换为±10V电压,因而芯片接口的串行通信系统只要单一的+5V的电源即可满足需求[1]。STM32F103VBT6与PC机之间的数据传输采取异步通信的方式,数据的发送和接收采取常规的格式进行。RS232通信电路原理图如图8所示。
3数据采集系统总体软件设计
本数据采集系统软件设计采用英蓓特公司和ARM公司联合推出的高效基于Cortex-M、Cortex-R4、ARM7、ARM9处理器设备的完整的开发环境[8]。应用程序包括以下四个部分:①主程序。②数据采集相关程序。③SPI通信程序。④串口通信程序。各程序以主程序为主线按照严格的时序执行,主程序主要完成系统时钟、串口通信、SPI通信的配置以及ADIS16488A复位功能、ADIS16488A自测功能的实现。完成主机与从机的相关初始化以及配置后,STM32F103VBT6通过RS232通信机制与上位机进行通信,传输数据通过串口调试助手可以实时显示并进行存储,方便后续进行数据分析与处理。实现软件工作流程图如图9所示。在SPI通信模块设计中由于SPI时钟频率为9MHz,STM32F103VBT6处理器主频为72MHz,并且STM32F103VBT6的时钟配置模式只有2、8、16、25四种分频模式,兼顾主从设备的时钟频率匹配关系,最后STM32F103VBT6采用72MHz下的8分频作为处理器数据采集频率。
4实验验证
为了验证数据采集系统所采集数据的可靠性,需要对采集得到的数据进行验证。通过串口传输的数据通过串口调试助手在PC机上显示并可转化为txt格式进行存储,读取存放的txt格式文件相关数据进行实验验证。完成实验验证需要的设备包括以下两个:(1)已搭建完善的MEMS惯性传感器数据采集系统。(2)920E型单轴速率位置转台。实验验证思路如下:设定单轴转台以某一固定角速率进行旋转,分三次进行数据采集,分别将ADIS16488A三轴某一轴向与转台轴重合,完成惯性器件数据采集。得到三组惯性器件测量到的数据,将不同轴指向条件下采集到的陀螺仪输出数据与设定的固定旋转角速率值进行比较,另外在静态条件下以相同方式完成加速度计测量数据的采集并与重力加速度进行比较,验证测量数据的正确性。实验验证单轴转台以速率运动模式工作,设定单轴旋转速率为30°/s,实验验证实物图如图10所示。将惯性器件测量到的数据与理想设定值(转台旋转角速率,加速度计理想测量值为重力加速度1000mg)进行比较,得到如下陀螺仪(见图11)和加速度计真实测量数据曲线图(见图12)。实验数据与理想数据存在偏差有以下两个方面的主要原因:①惯性器件本身存在的测量误差。②器件放置导致的三轴指向与理想坐标轴指向存在偏差导致的测量误差。从图12可以看出,实测数据由于以上两方面原因确实存在误差,但都在理想值附近波动,说明数据采集系统所采集的数据是真实的惯性器件实测数据。另外本数据采集系统也完成了磁力计、压力传感器以及温度传感器测量数据的采集,实验验证表明数据采集准确可靠。
5结语
本文介绍的惯性传感器数据采集系统,以ADIS16844A作为惯性传感器,STM32F103VBT6作为核心处理器,通过SPI通信协议完成核心处理器对惯性传感器测量数据的实时采集,通过RS232串口完成处理器与上位机的实时通信。通过SPI通信模式相关配置方式完成数据采集系统处理器与传感器的硬件和相关软件设计,通过RS232串口通信模式以异步通信方式完成处理器与上位机相关硬件和软件设计,保证数据可靠、准确传输至上位机。所设计的数据采集系统稳定可靠,采集数据真实准确,并可通过上位机完整显示和保存。此数据采集系统可为后续数据误差分析及补偿建立基础,为今后以ADIS16488A作为惯性传感器的惯导系统设计创造条件。
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一、以前临时试验数据采集的方式和方法
为了解决以上问题,以往通常采用两种办法:(1)一些发动机工程技术人员为了能对自己需要观测的数据进行测量采集,不得不利用USB数据采集模块自己制作临时数据采集系统。这样既要接传感器又要接电源,还要自编数据采集软件等,对发动机工程技术人员要求较高。(2)通过直接连接传感器而做成的临时数据观测装置,这种装置只能通过二次仪表显示测量的数据,不能对试验数据进行自动记录和曲线显示。同时,这些装置自定义性相对较差,检测压力的二次仪表如要根据试验要求改为测流量、湿度和油耗等物理量时,仪表内参数设置相对复杂。
二、数据采集系统制作
为了能制作一种携带方便、使用灵活的试验数据采集系统,我们采用研华ADAM5000/485试验数据采集控制系统+传感器接口+USB转串口试验数据采集软件的形式制作了一种便携式试验数据采集系统。这套采集系统向上通过串口转USB线与上位计算机相连,向下通过通用传感器接口直接连接测量传感器。上位计算机通过安装专用软件控制并采集通过传感器测量的数据,并能对测量的数据进行加工、定义、显示和保存等操作。本系统组成上可分为软件和硬件两部分。
1.硬件设计硬件部分采用ADAM5000/485试验数据采集控制系统+传感器接口集成。研华ADAM5000/485系列产品(见图1)是一个数据采集控制系统,它能够通过多通道的I/O模块进行控制、监视和数据采集,系统能够提供智能化信号调理、模拟量I/O、数字量I/O、RS232和RS485通讯。ADAM5000系列由系统本身和I/O模块组成,系统本身有4个I/O模块插槽,可插接模拟输入、模拟输出和数字量输入输出模块。(1)温度模拟输入。本系统安装有两个ADAM-5013I/O模块,这是一种具有三通道RTD热电阻的输入模块,可以连接PT100和Ni热电阻的温度传感器。它的优点是:在ADAM5000中测量的数据直接就是温度值,不需转换,方便可靠。将两个模块上总共6个通道线直接引出,接在采集箱上6个快插接头上。这样在试验室中测量温度时,只需将含有快插接头的温度传感器接入采集箱接口中,便可直接采集温度。(2)压力模拟量输入。采用一个ADAM-5017I/O模块,它是8通道模拟输入模块,可输入±5V、±10V、±20mA(接250Ω电阻)等模拟量。为了能方便测量4个压力数据,使用前4个通道并安装4个需要24V电源的压力变送器,分别的量程为0~50kPa、0~200kPa、0~300kPa、0~1000kPa,然后将传感器接口对外固定在采集箱上。测量气压或油压时只需将压力管接至相应量程的传感器上就可直接采集。另外压力传感器采集的模拟量是0~5V电压信号,必须对采集的电压信号进行系数修正。在软件上对这四个压力传感器进行标定和曲线拟合,保证在软件上显示的曲线各数值都是实际测量值。(3)其他模拟量输入。为使采集系统能方便对其他模拟量如油耗、流量、转速等进行测量,留出ADAM-5017I/O模块的后4个通道并用排线接出,使用者可方便将要采集的模拟量接入采集箱。整个采集箱(见图2)选用380mm×300mm电控箱制成,使用220V/24V标准开关电源,为数据采集控制系统和压力变送器提供电源。通过标准R232串口数据线用与同上位机相连,使得整套系统体积小,标准电源和通讯接口及信号输入接口,使用方便。
2.软件设计各种传感器采集的试验数据是经过ADAM5000通过串口R232通信方式传送给上位计算机的,而ADAM5000要向上位机发送信息,必须先要有上位机通过串口向它发送指令代码,否则ADAM5000不会自动向上位机发送数据。同时ADAM5000接收的只是包含采集数据的字符串,这样的数据用户是不方便记录和显示的,因此必须为ADAM5000采集系统制作专用采集软件。(1)软件部署。本软件是运行在.net平台下的,同时由于运行时调用了研华的图表显示控件,所以安装本采集软件前,本机上要安装有FrameWork2.0(.net运行时)及研华ActiveDAQPro(数据采集控件)。同时为了本系统能与通用电脑连接和通信,本系统将ADAM5000的串口通信加装了USB转R232转接线,所以本机电脑上还要安装USB转串驱动程序。(2)本采集系统的可拓展性。在测量通道数量上,本采集系统还留有一个数据采集I/O插槽,通过加装一个ADAM-5017模拟量采集模块,就能再增加8模拟量采集通道;在系统控制上,通过在I/O插槽上加装其他模块,如数字量输入输出模块、模拟量输出模块、继电器输出模块等,就能将本系统扩展成集采集、控制为一体的可自定义控制系统。
三、采集系统应用
本采集系统的制作是为了采集发动机试验室进回油调压装置的进回油压力及进油温度。通过本采集系统,可以对试验室进回油调压装置要采集的温度和压力进行方便的连接和采集。此外在轮毂试验室的整车瞬时油耗测量上也有应用,通过本采集装置,可以将油耗仪的输出电压接入采集器。通过一组在不同流量下油耗仪所显示电压,经曲线拟合找出对应关系,可将整车瞬时油耗测量的数据方便的采集并通过曲线方式动态显示在电脑上。
四、结语
综上所述,这是一个自定义性很强的采集系统,通过便携的移动、方便的连接和简单的设置,它可在试验室内及野外通过笔记本电脑方便地搭建一套用户想要的数据采集系统。与同类其他进口便携数据采集系统相比,在价格、自定义性、功能性和可扩展性上都有一定的优点,具有良好的应用前景。
关键词:多路数据;采集系统;单片机
中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2017)14-0214-02
多路数据采集系统的构建主要借助于单片机进行数据的收集和传输,整个设计包括数据显示、报警、数据测量和系统的控制四大部分,可以说现阶段智能化的多路数据采集系统更是成为了电气生产中不可缺失的一项综合技术设备,与传统的数据采集系统相比其数据的准确率更高、数据的采集更快,且所出现的故障更少,因此备受现阶段设电气行业的追捧。随着我国多路数据采集系统在行业中应用的范围越来越大,对其设计的整体要求也就有增无减,所以相关的设计人员需要不断的完善自身的专业知识,在多路数据采集系统的实际工作中找寻到其中存在的问题,通过完善设计的方式加以纠正,使其更加适应于现阶段的行业应用中,满足于市场的需要。
1系统硬件电路设计
整个多路数据采集系统的硬件设备可以分为以下几部分:
1)以ATmega8单片机为基础构建的控制电路;
2)LCDl2864显示电路;
3)以MAX487为基础构建的485通信电路;
4)以AT24C64为基础构建的数据存储电路和键盘电路;
5)A/D转换电路。
这五部分共同构建成了多路数据采集系统的硬件电路,其具体的设计如图1。
由图中电路图显示可知ATmega16单片机是多路数据采集系统中的核心,其主要负责整个多路数据采集系统的控制,因此其本质上是一个八位的微处理器,且具有性能^高、功耗较低的特点,其结构是最为先进的RISC结构;因此整体的运算时间大大缩小了,且可以做到读写同步。ATmega16但骗子自身的驱动能力很高,在工作室5V时其I/O口的输出电压可达5V,每一个I/0口的输出电流也可以达到40mA。
由于整个系统的主要作用就是采集数据,所以一般需要ADC芯片的参与。但是当我们在多路数据采集系统设计中加入ATmega16单片机之后,由于其本身就具有8路10位A/D,所以就不需要用单独的芯片参与了,不仅节约了成本,还提高了速度。变送器和传感器主要以电流信号为主要方式在输出回路中强度在4~20mA之间随后变成1~5V的电压信号输送到单片机AD中,在转变的过程中需要电阻的参与,所以在设计上需要在回路上增加一个250欧的电阻以弯沉该工作。AT-mega16自身携带ADC,因此只要和8通道的模拟多路复用器连接在一起就可以对端口A的所输入的电压数据进行采样收集。一端的电压输入是以OV(GND)为基准。ADC由AVCC引脚单独的提供电源,AVCC和与VCC之间产生的偏差不得大于±0.3V。为了更好的减少噪音可以在在AREF引脚上加一个电容进行解耦。
现场显示的实现主要是借助于LCD12864完成的,具体来讲是4位和8位相并行的一种接口方式,且2线和3线的串行也具有多种形式,同时液晶显示器模块是点阵图形且具有国标简体中文字库,显示为中文文字方便信息读取。其显示的为128×64的分辨率,其中包含8000多个16平方点的汉字以及128个16乘以8点ASCII字符集。这一显示电路的接口方式更为的简单,在其指令的过程中需要的指令和操作简洁明了,所以可以实现人机之间的直接中文的交流,更加方便与理解其显示的含义所在,对于专业程度技术不高的人员来说中文显示器的使用提高了工作效率。在设置多路数据采集系统的时候考虑到实用性其单片机的PD口连接LCD 12864的数据线,PC3到7口连接控制的总线,其可变电阻的RV1可以对显示屏的亮度进行一定的调节。单片机的PB5到B7连接键盘电路,从而可以确保所输入信息的准确性,同时引脚逐一接到1K的上拉电阻上,在其程序上的设置上设定为沿触发。
多数据线路现场采集的信号的储存是借助AT24C64来实现的,其由64K位串行的CMOS E2PROM构成的,且内部具有8k的8位字节,数据传送的控制由两部分构成,即产生串行的时钟以及所有起始停止的信号相对应的主器件来实现的。主器件或者从器件都能作为接收器或者是发送器等等,但是因为主器件自身功能在于控制数据的传输,是通过A0、A1和A2等构件的共有八种情况,换句话说就是要借助器件的地址输入端与多个AT24C64器件构件连接在总线上而实现的,所以需要对于选择器件上进行合理的配置考虑。在这一设计过程中仅仅运用了一个AT24C64,所以A0、A1和A2的连接还要接地。
为了保证对现场现场数据的准确信号的传输并确保主机中的数据的准确读取,本次设计多路数据采集系统的时候选择了RS485总线,这种总线自身就具有平衡发送和差分接收的特点,所以其抗干扰的能力更强,对于波特率下且距离过长的传输具有一定的优势。
2软件设计
在对于多路数据采集系统设计的思路中,整个系统控制都需要由ATmega16单片机来完成,在软件设计的单片机中选择ATmega16第一要完成实现初始化的设置,特别是对于引脚寄存器、LCD12864等进行的初始化操作。第二是依照相应的顺序通过PA口对所有数据电路上的模拟电压进行读取,并把它转换成相应的数字量,使其可以在LCD12864上进行中文和数值的显示,且通过AT24C64将所得到的数据存储起来,这些数据在通过485总线将数据信号传输到主机中去。本文中所选择的ATmega16单片机的AD转换以及MAX487之间的通信传递,其他的模块不多赘述。
ADC在对输入的模拟电压进行转变的时候是借助逐次逼近的手段使其转换成一个10位的数字量。其中最小值用字母GND表示,最大值用字母AREF表示。借助设置AD-CSRA寄存器的形式可以实现ADC的启动。向ADC启动转换位ADSC位写”1”运用这种方式可以进行单次的启动转换。对ADCS-RB寄存器的设置中要注意ADC的触发选择位于ADTS上因此可以依照其选择相应的触发源。在软件系统的设置中所选择的触发信号产生一定的上跳沿的时候ADC预分频器复位且可以进行一定的转换,当转换结束了之后触发信号依旧还仍然,但是还不能自动的启动下一次转换。
图2AD转换时序图MAX487有2个控制端RE和DE,1个TYL(CMOS)数据接收RO端和1个TTL(CMOS)数据发送端DI,以及1对RS485差分信号端A和B。当TXD为高电平时,经74HC04反向为低电平,使得RE=0且DE=0,接收器R打开,驱动器D关闭,此时MAX487处于数据接收允许状态;当TXD为低电平时,经74HC04反向后,DE/RE为高电平,使接收器R关闭,驱动器D打开,此时MAX487处于数据发送允许状态。具体设计如图2:
3结论
关键词:通用串行总线 USB接口 数据采集
1、引言
现代工业生产和科学研究的发展使其对数据采集系统的要求日益提高,传统的方法已经难以适应。而通用串行总线( Universal Aerial Bus, 简称USB)的出现,以其可靠性高、使用灵活、传输速度快等不可比拟的优点,实现了对各种数据进行采集, 如液位、温度、压力、频率等,有效地克服了传统数据采集系统的缺陷,将USB总线应用于数据采集系统,是数据采集系统的一种比较好的选择,很容易就能实现低成本、高可靠性、多点的数据采集。
2、 USB 简介
USB 是由一些PC 大厂商,如Intel、Microsoft等为了满足日益增加的PC 外设需求,解决有限的主板插槽和端口之间的矛盾而研制的一种串行通信的标准, 从研发至今已得到各PC 厂家的广泛支持。现在生产的PC几乎都配备了USB 接口,如Microsoft 的WINDOWS98、NT 以及Linux、FreeBSD、Mac0S等流行操作系统也都增加了对U S B 的支持。
主控制器(Host Controller)、USB Hub和USB 外设( Peripherals Node)组成USB系统的系统拓扑结构,并以其速度快、设备安装和配置容易、易于扩展、能够采用总线供电的优点适应了不同设备的需要。
USB有两种传输方式:高速和低速, 其主要模式为高速模式,传输速率为12Mbps,另外,为了适应一些如鼠标等不需要很大吞吐量和很高实时性的设备,USB还提供低速方式,传输速率为1.5Mb/s。现在安装U S B 设备不必再打开机箱,加减已安装过的设备完全不用关闭计算机。所有USB 设备已经支持热拔插, 系统会对其进行自动配置, 彻底摒弃了过去的跳线及拨码开关设置。另外,通过使用Hub 扩展可拨接多达127个外设,通过Hub或者中继器可以使外设距离达到惊人的30m。USB接口可以采用总线供电,USB 总线可提供最大达5V电压、500mA 的电流。USB通常都有4种传输模式: 同步传输(Synchronization)、控制传输(CONTROL)、批量传输(bulk)、中断传输(interrupt),这四种方式可适应不同设备的需要。
3、采用USB 传输的数据采集设备
3.1 硬件组成
USB数据采集系统主要包括A/D转换器、微控制器和USB 通信接口。还可以加上多路模拟开关和数字I/O 端口,扩展其用途。系统的数字I/O、 A/D的设计可沿用传统的设计方法,根据采集数据的精度、速率以及通道数等诸元素选择合适的芯片,设计时必须充分注意抗干扰的性能。在微控制器和USB 接口的选择上有两种方式,一种是采用普通单片机加上专用的USB通信芯片。另一种方案是采用具备USB 通信功能的单片机采用普通单片机结合专用USB的方案的设计和调试比较麻烦, 成本相对而言也比较高。随着USB应用的日益广泛,各大芯片厂商都推出了具备USB 通信接口的单片机。这些单片机处理能力强,构成系统的电路简单,调试方便,电磁兼容性好。USB的另一大优点是可以提供电源,因此在数据采集设备中耗电量通常不大,可以设计成采用总线供电设备。
3.2 软件构成
WINDOWS 提供了几种USB设备的驱动程序,但并没有一种专门针对数据采集系统的驱动程序,所以还要针对特定的设备来编制驱动程序,通常情况下采用Windows DDK 来实现。目前已经有许多第三方的软件厂商提供了各种各样的驱动生成工具,比如Blue Waters的Driver Wizard和Compuware 的driver works等,它们可以在几分钟之内生成质量较高USB的驱动程序。目前没有哪个家商提供了自动生成设备中单片机程序的工具,因此编制一个稳定、完善的单片机程序也关乎设备的性能,要给予充分的重视。而用户关心的更多的是如何高效地通过终端来操作设备,以及如何处理、分析采集进来的大量数据,因此还必须给客户配备高质量的用户软件。用户软件需要具备三个基本条件:首先必须有友好的界面;其次要有强大的数据分析和处理能力;最后还要为用户提供进行再开发的接口。
4、 实时数据发送与接收及实现USB 远距离采集数据传输
目前,用VC++6.0编写出的USB调试助手软件,已经能够快速、准确地对USB设备进行数据的读写操作,并实时监控从USB发来的数据,通过调试窗口实时显示出来。
在启动软件插上所要操作的USB设备以后,单击“设备刷新列表”按钮即可获取当前操作系统中能标识出的USB设备。设置好发送、接收端点以及接收和发送数据管道的大小后即可启动监听线程。然后点击“启动”按钮启动监听线程即可。在数据发送缓冲区和接收缓冲区还可以实现对缓冲区内的数据进行清空和存储操作。单击“更改路径”按钮设置好要存储的文件名之后,单击“存储”按钮就可以把接收窗口中的数据存储到指定文件中。单击“更改路径”按钮,设置好要导入的文件名后,即可将文件中的数据导入到发送窗口中。
限制USB在工业现场应用的一个最大障碍是传输距离,即使增加了中继,USB 传输距离也不超过几十米,对于工业现场而言这显然还是太短了。现在工业现场已经开始大量的采用RS-485 传输数据的采集设备。RS-485的传输距离可以达到1200 米以上,同时可以挂接多个设备。但其也有不足之处,它的传输速度慢,而且采用总线方式,设备之间会相互影响, 导致可靠性差,同时成本高,安装麻烦。巧合的是,RS-485的这些缺点恰好能被USB接口弥补,将RS-485与USB结合起来,优势互补,就能产生一种快速、可靠性高、低成本的可进行远距离数据采集的系统。这种系统可以在现场将传感器采集到的数据数字化以后, 再利用RS-485协议将数据上传至PC终端。在PC 端有一个双向的RS-485-USB的转换接口,它接收RS-485 的数据,然后通过USB 接口传输到PC 机进行整理、分析处理。
5、结束语
传统的通过RS232接口或并口来完成计算机与外设的通信任务会导致数据传输速率太低且传输距离太短。如果改用USB接口,可以极大程度地提高数据传输速度,同时简化接口和电缆,克服传统两种接口的不足。USB接口适用于高速数据采集系统与主机进行数据通信,同时,它也为便携式系统提供了方便快捷可靠的接口解决方案。目前,USB设备的应用在国外处于高速发展的阶段,在我国,USB设备数据采集也取得了一定的研究成果。USB已经广泛地应用于PC上,尤其是USB 2.0协议推出后,USB的数据传输能力和速度得到大大提高。此外,USB的突出优势使得它必将在不久的将来拥有更广阔发展空间。总之,USB接口的实现必将对今后的产品设计产生重要而深远的影响。
参考文献:
[1] Jan Axelson(美)著,陈逸等译.USB大全.北京:中国电力出版社,2001
[2]周立功等. PDIUSBD12 USB固件编程与驱动开发.北京:北京航空航天大学出版社,2003
[3]赵亮等 .单片机C语言编程与实例.北京:人民邮电出版社,2003
[4] 孙传友. 测控系统原理与设计[M ]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2003.
[5] 范逸之. VB 硬件设计与开发[M ]. 北京: 清华大学出版社, 2004.
关键词:数据采集;实时系统;监视系统;数据库
中图分类号:TP274文献标识码:A
1引言
数据采集是信息科学的重要分支之一,研究生产过程数据的检测采集、存储、处理和控制等问题,是一门以传感器、信号测量和计算机等为基础的综合应用技术。将被测对象(外部世界、生产现场)的各种参量(温度、压力、流量、位移、物位等)检测采集到后,转换为数字信号,送到计算机存储、处理和分析等,这一过程称为 “数据采集”,相应的系统称为数据采集系统[1]。
计算机数据采集系统不直接输出电气信号到执行机构或调节器,而是通过人的分析与判断,进行操作才构成信息反馈[2]。计算机、执行机构和对象还没有构成闭环控制系统,所以控制精度、反应速度都很十分有限。但是,这类数据采集系统比较简单、可靠、安全,对于复杂生产过程或控制规律难于完全掌握,又需要实时和准确监测大量现场数据的情况下,不失为一种可取的方案。
2系统介绍
2.1系统需求
该发电厂电气设备由三台发电机组,6台变压器,18台高压开关,低压断路器,联络线,辅机等组成,要用本采集系统,实时监测并记录系统的电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、频率、有功电度和无功电度;对高压开关进行远程控制;其中有520个模拟量98个数字量需要监测。通过应用计算机的高速数据分析能力,有利于提高系统的可靠性,降低操作人员的劳动强度,提高发电厂的管理水平和事故分析水平。
2.2数据采集的总体结构
数据采集系统实时采集生产过程的模拟量、数字量等电参量,同时向上位机发送各种数据信息及控制命令。它能长期有效地监测工业现场装置,由高精度工业级计算机对工业装置各项参数进行自动采集,及时、准确的提供现场装置运行状况的各项参数数据,对于监视工业装置的运行情况、分析故障数据、保护装置的安全经济运行起着十分重要的作用。
采集系统总体框图如图1所示系统总体结构是主从式结构,站控层采用工业以太网高速总线,间隔层通讯网络采用经济型的RS-485总线,分散式就地安装综合智能终端设备,实现测量、控制、通信功能。同时采用通讯控制器实现数据的高速交换。上位机工作站是研华工业PC机,智能数据采集模块为从机,通过RS-485总线通信。总线控制器用来扩展工控机的串口,并把RS-485转换为RS-232进入PC机。总共分为4条RS-485总线,四条总线并行采集互不影响。
图1系统总体架构图
计算技术与自动化2007年3月第26卷第1期曾强等:自备电厂数据采集系统的研制
3系统软件设计
在设计采集程序前需先根据每个采集模块的协议编写DLL文件做为配置程序,当采集完数据时调用这些DLL得到所采集到的电量的实际值。上位机通过发送采集命令来获取下位机采集模块的响应,采集命令下达后智能数据采集模块响应发送当前采集到的数据,主机通过查询串口缓冲区来获得下位机送上来的数据。上位机接收数据后通过调用各个智能模块的驱动程序进行相应的数据转换,把转换后的电气参量进行:数据分发,报警逻辑判定,数据存储,等一些列系统需要的数据处理。各条总线之间并行采集,对于每条总线的设备按照地址顺序采集,数据采集主程序(如图3所示)包括4个阶段:配置、采集基本数据、调用相应的驱动程序处理数据、存储数据。配置:为采集模块配置对应的驱动程序,采集来得基本数据通过调用驱动程序处理后得到实际值。
采集基本数据:如图2所示系统采用轮叫轮询每个智能模块来共享RS-485总线,首先把所有模块信息读入上位机,上位机向逐个智能模块发送采集命令,命令智能模块发送数据,过100ms后读该数据端口,智能模块接收到命令后响应发送采集数据,接收成功后计数器减1,如果在100ms后读不到数据说明读取数据失败,再发一次采集命令,如果再次失败则计数器减1然后跳过该模块采集下面的智能模块,重复以上操作直到设备计数为0即该条总线的所有模块采集完毕,因为采集周期为2s对于监测系统可以允许。调用相应的DLL处理数据:采集到的基本数据都放在工控机的内存的一段区域中,这时调用事先为每个采集模块配置的DLL处理数据得到电量的实际值。存储数据:得到电量实际值后一方面用于显示一方面用于存储,在存储上考虑到数据量较大该系统采用SQL Server 2000 做为后台数据库。
图2数据采集主程序
在本数据采集系统中共设计了6个线程来实现对三条RS-485总线并行采集数据、存储数据,从而实现了一台主机同时对三条总线的数据采集和对后台数据库的操作。当数据采集开始时读取采集周期,采集定时器触发采集线程同时对三条总线进行数据采集,当采集结束后同时触发数据展现线程和判断是否到达存储阈值,如果未到达则继续进行采集如果到达存储阈值则把所有数据复制到另一块内存区域然后调用存储线程把数据存储到上位机的数据库中,把数据复制到另一块区域的目的是防止如果数据量大后对数据库操作的时间长必然变长,会使得存储线程未完成存储任务新数据就覆盖了旧数据从而出现同时操作一块数据存储区的严重错误。
4数据处理及数据库设计
4.1多通道数据服务
多通道数据服务主要具有通信和数据分析两大功能,通信功能按照制定的接口定义标准或子系统对外的接口标准来定义,主要完成数据的正确接收;数据分析功能是根据特定子系统与接口组件的数据通信协议定制的,将通信模块的数据进行分析,并将其根据一定的格式进行处理,主要完成数据打包、解码与分析功能[3]。其工作框图如图4所示:
图3数据采集子程序
在此服务中,系统首先检测网络是否通畅,若成功则建立通道发送数据,不通则丢弃本次数据,并通知用户查看网络。为提高系统资源利用率,系统还将数据进行分类,每一类数据采用一个通道进行发送,各通道相互独立,互不干扰。这样,对拥有资源的单位,不用频繁的切换,从而进一步提高系统的并发程度。
采集到的实时数据经过相应处理后将到网络中的各个终端,以实现共享实时数据需要。另一份直接存入内存数据库,用内存数据库管理系统来管理实时数据,这样可以扩大实时数据的应用范围,也可以与其他数据信息结合在一起,以实现数据共享。多通道的数据还包括报警信息,设备故障信息等。在实时数据的同时报警、故障信息。 图4 多通道数据工作框图[JZ)]
4.2故障自诊断
故障诊断的工作流程为:故障诊断子系统检测到故障信息后,将有关的信息组织好,放在内存数据库中,然后发故障事件通知故障处理模块进行处理,该模块判断如果确实是故障,并比较故障队列中的已存在故障的优先级,根据高优先级的处在队列的底部的原则,按顺序插入到则将此故障队列中,如果当前处理的故障为较低优先级的,将立即停止当前处理,转入高优先级故障的处理[4]。故障处理将在人机界面上弹出故障画面提示信息,然后发消息把信息写入操作记录中故障自诊断的流程图如图5所示。
图5故障自诊断流程图[JZ)]
4.3数据库设计
计算机数据采集系统中,存在着大量实时数据处理和历史数据访问等工作进程。首先,数据采集模块周期性地采集并存储各过程参数;然后,上位机要对采集到的实时参数进行各种处理和分析,如实时数据显示、趋势显示、报警比较和控制调节等[5]。因此,在计算机数据采集系统或控制系统中,不仅需要对实时采集到的大量数据及已经过去的历史数据进行合理的组织和保存;实时数据库的数据包含被控对象的所有实时信息和对被控对象进行控制的控制信息,而且实时数据库中的数据要不断地被更新,频繁地和客户端应用程序进行数据交互;要为所有访问这些数据的任务提供通用快捷的接口方式,以满足不同任务对实时数据库和历史数据库的数据查询等要求,简化实时作业的程序实现。所以,在数据采集系统的软件设计中,需要引入数据库技术并对数据库进行统一设计和管理。
5结束语
本文所介绍的自备电厂监视系统,在一次图上可以动态的显示实时数据,刷新周期为2s;可以很直观的看到各断路器的实时状态;报警参数及故障模块都可以在界面上很醒目的显示出来,方便了管理人员的故障排除即监视;测量精度为:电流、电压、频率:0.2级;其他电量0.5级。本系统采用模块化的结构实现了总线和采集终端的混合网络。可靠性高,每一个数据采集模块通过RS-485通信总线与系统构成了一个 网络,数据采集模块相互之间彼此独立;可扩充性好,每路RS-485通信总线可以支持32个数据采集模块,增加采集模块时只需接通硬件后在本系统作相应的设置就可以使采集模块工作在系统中,网络扩充功能好,可以扩充到32台客户端,足够满足用户需求,且扩充方便,只需在局域网内下载客户端安装即可。利用多线程技术实现了对三条总线的并行数据采集和高速数据存储;利用网络通讯技术方便快捷的实现信息共享。试运行表明系统稳定、设备状况良好、设计合理。本系统经济实用,在实际运用中有很好的借鉴作用。