数据采集仪（共12篇）
数据采集仪 篇1
摘要：格林尼治时间6月1日凌晨, 法航一架空客A330客机在大西洋海域上空失踪。机上228人遇难, 震惊世界。由于“黑匣子”坠入海底, 飞机失事原因成为难解之谜, 那么“黑匣子”到底是什么呢?《飞机数据采集仪--黑匣子》将为您讲述黑匣子的来历和作用。
格林尼治时间6月1日凌晨, 法航一架空客A330客机在大西洋海域上空失踪。机上228人遇难, 震惊世界。由于“黑匣子”坠入海底, 飞机失事原因成为难解之谜。
美国运输部前总监玛丽·夏沃女士分析:客机失踪前最后4分钟自动发出一大堆信号背后隐藏的“线索”很重要。在发现“黑匣子”之前, 对这些信号的分析非常关键。可见, “黑匣子”数据是判断飞机失事原因的可靠依据。那么, “黑匣子”到底是什么呢“
黑匣子的“正名”
“黑匣子”是俗名, 它的正名是“飞行数据记录仪”。它是一种将飞机飞行的情况储存下来的仪器, 当“不幸”发生以后, 需要了解飞行情况时, 可以通过一些设备把它们播放放出来。
飞行记录仪为什么称为“黑匣子”呢?
原来, 为了保证这种设备在飞机出事故后不被破坏, 根据欧洲的标准, , 黑匣子必须能够抵受2.25吨的撞击力, 在1100℃高温下10小时仍不会受损。要达到这个标准, 黑匣子通常是用铁金属和一些高性能的耐热材料做成的。, 它具有极强的抗火、耐压、耐冲击振动、耐海水 (或煤油) 浸泡、抗磁干扰等能力, 即便飞机已完全损坏, 黑匣子里的记录数据也能完好保存。黑匣子约四五块砖大小。一般都被涂成明黄、橘红等鲜艳夺目的色彩, 以便之后寻找。当飞机失事时, 黑匣子上有定位信标, 相当于无线电发射机, 在事故后可以自动发射出特定频率, 以便搜寻者溯波寻找。由此可知, “黑匣子”是人们视“飞行数据记录仪”为空难的不祥之物而起的名字。
黑匣子的故事
1908年, 美国发生了第一起军用飞机事故。以后, 随着飞行事故增加, 迫切需要有一种研究事故发生原因的仪器。二战时, 飞行记录仪正式在军用飞机上使用。战后开始用到民航飞机上。由于当时的科技水平有限, 早期的记录方式比较落后, 用的是机械记录的方法, 记录在照相纸上。虽然有所记录, 但是很多都“消失”了。当磁记录方式发明后, 可靠性才有所改变。
20多年前, 挪威上空一架军用飞机发生爆炸坠毁, 飞行员身亡。挪威当局赶到出事现场, 从飞机残骸和飞行员的尸体中, 辨认出这是一架某国的军用侦察机。挪威向某国提出抗议, 某国矢口否认。后来, 挪威找到了飞机上的黑匣子, 从黑匣子记录的数据进行分析, 揭露了真相。某国在铁的证据面前只好认错。
为了回收方便, 黑匣子上安置了降落伞, 一般当飞机达到某一极限, 其可以自动弹出安全降落。为了确保安全, 它通常安装在远离飞机中心的尾翼翼根的地方。看来, 飞机设计人员对这位特殊的“见证人”是备加照顾的。
目前, 大多数的客机、军用飞机上安装的黑匣子有两种。
一种是称为飞机数据记录器 (FDR) 的黑匣子, 专门记录飞行中的各种数据, 如飞行的时间、速度、高度、飞机舵面的偏度、发动机的转速、温度等, 共有30多种数据, 并可累计记录25小时。起飞前, 只要打开黑匣子的开关, 飞行时上述的种种数据都将收入黑匣子内。一旦出现空难, 整个事故过程中的飞行参数就能从黑匣子中找到, 人们便可知道飞机失事的原因。
另一种称为飞行员语言记录器的黑匣子 (CVR) , 就像录音机一样, 它通过安放在驾驶舱及座舱内的麦克风, 录下飞行员与飞行员之间以及座舱内乘客、劫机者与空中小姐的讲话声, 它记录的时间为30分钟, 超过30分钟又会重新开始录音。因此这个黑匣子内录存的是空难30分钟前机内的重要信息。
随着科技的迅速发展, 黑匣子也在不断更新换代。20世纪60年代问世的黑匣子 (FDR) 只能记录5个参数, 误差较大。70年代开始使用数字记录磁带, 能记下100多种参数, 保存最后25小时的飞行数据。90年代后出现了集成电路存储器, 像电脑中的内存条那样, 可记录2小时的CVR声音和25小时的FDR飞行数据, 大大提高了空难分析的准确度。每架飞机上, 黑匣子通常有两个, 它们的学名分别叫“飞行数据记录仪”和“机舱话音记录器”。前者主要记录飞机的各种飞行数据, 包括飞行姿态、飞行轨迹 (航迹) 、飞行速度、加速度、经纬度、航向以及作用在飞机上的各种外力, 如阻力、升力、推力等, 共约200多种数据, 可保留20多小时的飞行参数。超过这个时间, 数据记录仪就自动吐故纳新, 旧数据被新数据覆盖。机舱话音记录器主要记录机组人员和地面人员的通话、机组人员之间的对话以及驾驶舱内出现的各种音响 (包括飞机发动机的运转声音) 等。它的工作原理类似普通磁带录音机, 磁带周而复始运行不停地洗旧录新, 总是录留下最后半小时的各种声音。
A330的“黑匣子”
新华网报道, 法国民航安全调查分析局负责人保罗·路易·阿尔斯拉尼安6日指出, 法航失事客机 (A330) “黑匣子”上安装的信号发射器有可能脱落。他说:“我们完全无法确定信号发射器是否仍和‘黑匣子’在一起。它很可能已从‘黑匣子’上脱落。”尽管是这样的分析, 但仍然不放弃找回“黑匣子”。法国民航安全调查分析局6日发布消息说, 美国临时借给法国一批声学搜寻装置已经运抵法航客机失事海域, 将安装在两艘参与搜寻行动的船只上, 以便尽快展开最大范围的搜寻。法国负责交通事务的国务秘书多米尼克·比瑟罗5日在接受媒体采访时表示, 当前主要目标是全力寻找失事客机的“黑匣子”。
A330的“黑匣子”, 你在哪里!
数据采集仪 篇2
舰船数据信息采集方法研究
文章针对新型舰船信息系统内部和系统间广泛采用网络进行信息交换这一发展趋势,研究了在不涉及系统软硬件修改前提下的`网络信息采集,提出了新的信息采集方法,以适应新型系统的发展需求.
作 者：孙晓明 作者单位：渤海船舶职业学院电气工程系 刊 名：科技信息 英文刊名：SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 年，卷(期)： “”(12) 分类号：G64 关键词：以太网 信息采集基于遥感的数据采集技术 篇3
关键词：遥感影像；空间数据；环境监测
中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 12-0000-01
一、遥感的基本概念与原理
（一）遥感概述。遥感技术是20世纪60年代在航空摄影测量的基础上迅速发展起来的一门综合性空间数据采集技术。所谓的遥感，就是从远处在不直接接触地表目标物和现象的情况下，获取其信息的科学和技术。遥感具有以下特点：探测范围广，能够提供综合宏观的视角；获取手段多样，获取的信息量大；获取信息快，更新周期短，可进行动态监测；全天候作业；遥感技术可以根据不同的目的和任务，选用不同的波段和不同的遥感仪器，取得所需的信息等等。
（二）遥感的物理基础。不同地物具有不同的电磁波辐射特性，表现在遥感图像上就具有不同的图像特征。电磁波是由振源发出的由交变电场和磁场相互激发在空气中传播的电磁震荡。而我们将不同电磁波段透过大气后衰减的程度不一样原因进行了介绍，可知有些波段的电磁辐射能够透过大气层时衰减较小，即透过率较高，这个波谱范围，叫做“大气窗口”。
遥感除了利用上述的大气窗口作为工作波段外，有些气象卫星是选择非透明区作为大气波段（如水汽，二氧化碳，臭氧吸收区），以测量它的含量，分布，温度等，不同的大气投射窗口对应于不同的光谱范围，适于使用不同的传感器，因此，研究地面的光谱特性，选用合适的大气透射窗口和传感器对于提高遥感探测的质量具有十分重要的意义。
二、遥感平台与传感器
（一）遥感平台。遥感数据获取是在由遥感平台和传感器构成的数据获取技术系统的支持下实现的。遥感平台可以分为地面平台、航空平台和航天平台三种。由于各种平台和传感器都有自己的适用范围和局限性，因此往往随着具体任务的性质和要求的不同而采用不同的组合方式，从而实现在不同高度上应用遥感技术。
遥感平台主要依据遥感图像的空间分辨率，一般的说，近地遥感具有较高的空间分辨率，但观察范围较小，而航空遥感地面分辨率虽然中等，但其观测范围广，航天遥感地面分辨率低，但覆盖范围广。
（二）传感器传感器一般由采集单元、探测与信号转化单元、记录与通信单元组成。各种卫星通过不同的遥感技术实现不同的用途。各种卫星通过不同的遥感技术，实现了不同的用途。数字工程中常用的遥感数据有Landsat和TMM遥感、SPOT和Radarsat以及我国的资源卫星数据和高分辨率卫星遥感数据。传感器的类型大类上分为主动式和被动式，其中又各分为非图像式和扫描图像式。
三、遥感图像及其特征
遥感的核心问题就是不同地物的反射辐射或发生辐射在各种遥感图像上的表现特征的判别，当然，不同的目的的需要精心的设计对于遥感成像的方式或选择波段，这样我们才能使不同的地物在图像特征区别。遥感图像反映的信息主要有几何信息，波谱信息，空间信息和时间信息等。
（一）几何特征。遥感图像不仅反映了地物的波谱信息，而且还反映了地物的空间信息形成特征，一般包括空间频率信息，边缘线性构造清息，结构或纹理信息以及几何信息等。影响遥感空间信息的主要因素有传感器的空间分辨率、图像投影性质、比例尺和几何熵变等。
（二）光谱信息。遥感图像中每个像元的亮度值代表的是该像元中地物的平均辐射值，它是随地物的成分、纹理、状态、表面特征及所使用电磁波段的不同而变化的。遥感图像的信息虽主要取决于两个因素：波譜分辨率和空间分辨率。前者主要影响波谱信息量，后者主要影响空间信息量。多波段图像的信息量除上述两个因素外还与波段的选择和数目有关。
（三）时间特征。同一地物对象由于其在不同的阶段含有不同的成分等原因造成对象在不同阶段具有不同的光谱特性，表现在遥感图像上就是该地物在不同时间段的图像上具有不同的图像特征。时相主要影响图像的处理效果，利用对泳衣区域各个阶段分别进行遥感，加以对比而研究，则可以获取该区域的连续变化特征。
四、遥感处理的基本流程与技术
利用遥感的手段进行数字工程空间信息更新时，应用需求以及卫星影像数据处理流程会有所不同，但是主要的过程和技术方法基本一致，在利用遥感影像进行空间数据更新的关键技术和流程主要可归纳为一下几个方面：遥感波段（卫星遥感数据）选择；卫星影像读入；卫星遥感影像处理技术；信息提取技术；矢量编辑与地图更新技术。
五、遥感应用
随着卫星数据图像空间分辨率、光谱分辨率及时间分辨率的不断提高，以及遥感数据购买费用的逐步下降，卫星数据图像的应用领域越来越广，从图像中提取信息的要求也越来越多，遥感已经成为获取地面信息的主要手段。
利用遥感技术可以制作各种遥感相关产品——数字正射影像（DOM）、数字线划图（DLG）、数字高程（地形）模型（DEM/DTM）、数字栅格模型（DRG）等4D产品；提供行业或部门专题地理数据——专题影像地图；利用遥感数据进行基础地理数据的产生或更新等。
（一）基础数据更新。比如用SPOT/ERS卫星影像更新地图数据为例，可以采用影响的几何纠正、色彩转换技术、统计和算法以及影像融合技术。遥感数据又有多波段、多时相的信息源，且能快速真实地提供丰富的地表空间信息，遥感已经成为地图更新和制作的有效而又重要的手段。我国目前的若干地形图大都在20世纪70年代测绘生产的，目前也都面临这地图更新的问题。
（二）土地利用调查与动态监测。土地利用基础数据对于数字工程进行土地规划与开发、土地管理、开发利用潜力分析等很重要。目前，中小比例尺的土地利用遥感动态监测与变更，主要应用TM、ETM、SPOT等遥感影像。利用遥感技术进行土地利用现状调查，调查精度比常规调查方法高，且时间短速度快。农作物与植被方面，用于农业气象、作物监测等领域的观测参数需要有更高的光谱分辨率，一般是短波红外波段。根据农业耕作和土地利用特点，选定影响最佳的获取时间应在5月—6月或9月—10月。研究的主要技术过程主要有下面几个：数据预处理、影像合成、不同数据源图像融合、图像分类和后处理、外业调绘、内业分析以及成果输出和更新。
（三）灾害调查与监测。各种自然灾害往往需要制作大比例尺图，以判明水灾发生时的洪涝区域、地震发生后的建筑物损坏情况、火灾发生后对地区造成的破坏等。地质灾害的调查、火灾监控和油污与赤潮监测。为了能将不同的信息区别开来，一般都要进行色彩合成，即在3个通道上安装3个波段图像，然后分别负于红绿蓝并叠合在一起，形成彩色图像，合成后的彩色图像含有丰富的颜色信息，便于解释，理解和处理。
参考文献：
[1]边馥苓.地理信息系统原理和方法[M].北京：测绘出版社，1996.
数据采集仪 篇4
随着科技的发展，测试逐渐在人民生活和国家建设中占有越来越重要的地位。数据采集是指将振动、温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成数字量后，经过上位机应用软件分析、计算、仿真等进行存储、处理、显示或打印的过程，相应的系统称为数据采集系统[1]。测试设备的发展是朝着更加便携更加智能的方向发展，从解放初期的大型测量设备到今天的各种各样便携式采集仪和智能化设备，使得测试变得更加简单可靠。
在数据采集领域中，时间同步技术是保证同步的基础。时间同步可以采取有线方式，也可以采取无线方式[2]。同步线同步适合近距离设备之间的同步，精度高而且稳定;以太网时钟同步协议PTP(Precision Time Protocol)是基于局域网实现测试系统高精度同步[3];卫星授时理论上能够让任何可接收到卫星信号系统之间实现同步(目前北斗卫星只能覆盖亚太地区)。本文主要研究我国自主研发的北斗在数据采集仪之间同步授时的应用。
1 北斗授时应用于我国数据采集仪之间同步的可行性分析
1.1 卫星信号的覆盖范围
北斗卫星信号的覆盖范围是北纬5°～55°和东经70°～40°之间的区域，上大下小，最宽处大约在北纬35°，包括我国大陆及台湾等岛屿、海域，还包括我国周边的部分国家和地区[4]。在此范围内能够全天候全天时地提供高精度定位、授时和短报文通信服务。此外，由于北斗卫星位于赤道上空36000km的静止轨道，高度约为GPS卫星的1.8倍，接收机相对卫星的可工作仰角范围为10°～75°，遮蔽角比GPS小，信号不易被接收机附近的高大物体遮蔽，该特点特别适合我国一些高山地区的测试环境。
1.2 北斗授时同步性能
授时脉冲的同步性能体现在上升沿同步精度和上升沿斜率两方面。北斗系统单向无源授时只要锁住一颗可用卫星，即可获得授时信息，北斗星历电文的更新率为每分钟一次，分脉冲(Pulse Per Minute,PPM)的授时精度服从正态分布，授时脉冲的1σ精度在100ns以内，秒脉冲由授时卡根据星历信息再处理获得，精度在300ns以内。
为测试北斗授时脉冲的同步精度设计了北斗与GPS的授时脉冲触发对比试验，将北斗秒脉冲和GPS秒脉冲同时引入示波器，记录两个脉冲的上升沿时间差。随机抽取1200组数据进行统计，北斗与GPS的秒脉冲时间误差主要分布在0.5μs的范围内，已满足数据采集系统同步测量要求。如图1所示。
1.3 可扩展的用户容量
北斗导航系统具有单向和双向2种授时功能，根据不同的精度要求，提供100ns(单向授时)和20ns(双向授时)的时间同步精度[5]。授时技术的可扩展性受到用户容量的限制，因此必须考虑北斗授时的用户容量限制问题。
在单向授时模块已知用户机精密坐标的情况下，北斗信号接收模块不需要与地面中心控制系统进行交互就可知卫星信号传送至地面中心控制系统的传输时延。双向授时是通过定时接收机与地面中心控制系统交互的方式来进行授时，因此系统的用户容量取决于中心站允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率，用户数量受到一定的限制。一般情况下当同步相量测量装置的接收天线安装好后就不会移动位置，因此可在安装好后将天线的位置坐标通过软件写入北斗授时模块中，授时模块在知道位置坐标的情况下采用单向授时方式，用户设备容量就不受限制[6]。
2 方案设计
数据采集仪的硬件模块框图如图2所示。
系统主要模块包括:模拟信号调理与ADC采集模块，FPGA控制模块，DSP数据处理模块，北斗信号接收模块TD3015，以及电源和晶振等。
模拟信号调理部分可接各种振动或声传感器的模拟信号，输入有AC、DC、ICP等多种模式，并由软件通过FPGA控制。前端采用2级运放和可编程增益放大，总体效果达到最佳。
模拟转换器ADC采用CIRRUS LOGIC公司业界最新的CS5381,24位分辨率，动态范围120Db，可以设置多种采样频率，单通道最高可达192kHz。另外，它使用了一个5阶多位△-∑调节器，结合数字滤波器和简化器，并可选择数字滤波模式，从而无需外置抗混滤波器，由于采用差分结构，可提供卓越的抗噪性能。
FPGA采样XILINX公司的XC3S500E，其性价比高，配合1GB的大容量DDR2存储器，主要负责把ADC出来的数据汇总、缓存、发送给处理器，并可以进行实时基线校正和滤波等，处理速度快。并负责前面调理电路的控制。
数据处理、存储与传输模块采用TI公司的ARM+DSP多核处理器OMAPL138，主频可达527MHz，体积小，功耗低，处理器之间通信效率高，内部集成了SD卡、DDR、USB、SATA、UART、以太网MAC、实时时钟等接口。其中，ARM负责网络通信与存储等任务;DSP为定浮点兼容C674X核，可实时进行基线校正、IIR滤波、FFT变换、各通道相关和传函、加窗、统计最大最小值及各种平均值的计算。
同步模块主要完成不同采集仪之间的同步。TD3015双模授时模块支持BD2 B1频点和GPS L1频点的双模授时，内部集成了具有中国自主知识产权的BD2 B1/GPS L1双模SOC基带芯片和一个可配置的BD2 B1/GPS L1双模射频芯片，能够实现高精度、低成本的解决方案。其功能框图和电路设计如图3-4所示。
设计中TD3015模块通过RF＿IN连接SMB接口，外部可接支持BD2 B1/GPS L1有源授时天线，并对其供电。空中卫星信号被天线接收后发送给射频芯片，射频芯片内部经LNA放大、混频处理后送到中频滤波器，然后通过VGA和AGC，再经过AD转换成数字中频信号送给基带芯片[7]。基带芯片接收到射频芯片送来的数字中频信号，经过捕获和跟踪、定位解算等一系列算法处理后，通过串口输出NMEA数据并给出1PPS信号和TIMEMARK信号[8]。
3 数据采集仪之间的同步与晶振频率偏差的校准
在TD3015的$BDZDA信息中就包含有跳秒修正参数，而且一旦授时有效，北斗模块可以自己计算并更新到准确的UTC时间，实现精准对时。北斗模块可以通过解析还能够发送出准确的1pps(秒脉冲)，该秒脉冲与卫星发送的UTC时间严格对准，模块在每一秒发送一个周期的方波脉冲，此时钟可以作为标准同步时钟源，当达到所设置的同步时间后，以此时钟作为采样的触发信号，方可同步采集数据。
在一个设备中存在多个模拟数字转换器，要实现设备之间的同步，首先应解决的是一个设备中多个模拟数字转换器之间的同步，这个过程是由FP-GA配合模拟数字转换器来统一完成的，通过FPGA对同步命令端口的控制，达到各通道之间的同步。另外相对于其他设备，整个AD转换电路的同步时钟也是由FPGA发出，进行统一控制的。ADS1281的同步是通过管脚SYNC来实现的，当有一个共同的事件同时操作在多个ADS1281的SYNC管脚时，就能够同步多个模数转换的进行。
不同地点仪器之间的同步过程。首先，设置每台仪器在同一个时刻开始同步采集，当TD3015接受到北斗卫星发出的1pps时，比对接受到的UTC时间和本身设置的时间是否一致，如果一致下一个秒脉冲到来时，就初始化各台仪器的AD，由于AD初始化需要一定的时间，必须等各台仪器AD初始化完成之后的下一个秒脉冲到来时，各台仪器才开始采数，这时各台仪器已经同步工作了。
晶振频率的误差分析。晶振选用丰雁公司的普通晶振:65.536MHz、±30ppm。假设两台仪器同步误差为0，晶振经过pll锁相环3倍频，由晶振的上下极限偏差带来的相位差计算如下:F晶振=65.536MHz(1±30ppm)、信号频率F=100Hz,AD输入的采样频率需要满足:F采×512×N=F晶振，下极限偏差偶分频的采样频率fs1=21332.693Hz，上极限偏差偶分频的采样频率fs2=21333.972Hz。
N是采样的已到的点数，取N为一个周期的点数，计算得到Δδ=0.021599°，10秒相位差Δδ=0.21599°，100秒相位差Δδ=2.1599°，随着时间的增长相位差逐渐增大。
由于老化或温度变化引起的误差对频率的影响极为缓慢，它不会突然改变晶振频率。如果能够测得老化或温度变化对晶振的影响，就可以通过软件补偿频率误差。AD用的时钟是由晶振通过FPGA分频所得，分频数写在FPGA寄存器里面，因此可以通过控制寄存器里面的分频值来微调FPGA输出的分频时钟，由于每次微调的数值为晶振的整个周期，为了使每次微调的精度更高，可以先由FPGA内部的pll倍频晶振的频率，使它向上接近200MHz，当晶振越高，每次微调改变的时间差周期越小精度就越高。以TD3015接收到北斗信号发出的1pps为标准秒脉冲，计数这一秒钟晶振倍频上升沿的个数为N1，然后计算在1pps内，以晶振理论值倍频计算脉冲的个数为N2。假设需要的采样频率为Fs，由理论晶振倍频频率值分频算得分频值为N，现在通过N1和N2来修正N的值。
分析过程如下:
1秒钟实际频率与理论频率的频率差:
如果f采>=ΔN
在当前的1秒内，ΔN为正N每隔α个周期加1、ΔN为负N每隔α个周期减1，下一次又变回原来的N，再隔α个周期又加1或减1,1秒内这样循环。把β作为ΔN也代入式(3)中继续式(3)-(4)的理论上一直迭代直到β为0，这里实际编成测试就迭代一次。
如果f采<ΔN:
在当前的1秒内，ΔN为正N每隔1个周期加α、ΔN为负N每隔1个周期减α，下一次又变回原来的N，再隔1个周期又加α或减α，1秒内这样循环。把β作为ΔN也代入式(3)中继续式(3)-(4)的理论上一直迭代直到β为0，这里实际编程测试就迭代一次。经过一次迭代补偿修正后再计算晶振的上下极限偏差偶分频得的采样频率，下极限偏差偶分频的采样频率fs1=21333.3328732Hz，上极限偏差偶分频的采样频率fs2=21333.3337934Hz，代入式(1):
0.0000155°/0.021599°=1393.5，可见修正后的相位差减小了1393.5倍。
4 结果分析
信号频率100Hz，采样频率21333Hz左右，测得两台仪器不同步相位差和同步相位差如图5-6所示，在测试中发现，同步功能对于各测点之间的相位差影响很大，当不使用任何同步功能时，不同设备之间的相位差达到了143度，如图6所示。而进行北斗同步之后相位差回到了0.004度，由于实际同步开始有1个周期的最大可能相位差0.001度左右，还有环境温度影响，迭代也不完全，导致实测的结果不如理想的结果，如图6所示。
5 结束语
本文通过TD3015芯片完成北斗同步在数据采集仪中的应用设计，通过秒脉冲及时间信息实现无线同步功能，并通过晶振频率偏差补偿的方法，实现不同采集仪的同时采集功能，且数量不受限制，达到了预期的目标，对分布式数据采集系统的同步问题提供了一种可行的工程方法。
摘要：为了解决数据采集仪之间远距离同步的问题,提出采取北斗授时和晶振频率误差补偿的方法。首先通过从北斗卫星信号覆盖范围、卫星授时精度、可扩展的用户容限等方面的分析,探讨了北斗授时应用于我国数据采集仪之间同步的可行性;接着介绍了同步数据采集仪的硬件设计,然后分析了晶振频率的偏差对数据采集仪同步性能的影响,并通过软件方法补偿晶振频率的误差;最后通过实际测试结果进行验证。
关键词：数据采集仪,北斗同步,频率修正
参考文献
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数据挖掘理论在数据采集中的运用 篇5
摘要：在社会经济发展的过程中，地理信息测绘技术也得到了迅速的发展。因此，在现阶段地理信息测绘技术的应用过程中，就应该通过数据挖掘理论的应用实现数据的采集，从而实现科学化的信息技术处理。
关键词：数据挖掘 数据采集 实践应用 理论基础
数据挖掘理论，可以在地理信息测绘的过程中，为测绘系统提供依据，而且也可以实现预测及决策的功能，而在理论依据应用的过程中为了得到有效性的信息，就应该建立数据采集平台。但是，在现阶段数据挖掘理论的应用过程中，仍然存在着一定制约性的因素，为整个数据内容的采集带来了制约性的影响，因此，应该逐渐优化我国测绘地理信息事业的技术理念，从而在经济发展的同时实现数据挖掘的核心理念，如果在数据采集系统的应用过程中，没有得到有效性的数据内容，就会为整个地理信息测绘技术的建立造成严重性的影响。因此，在现阶段技术逐渐优化的过程中，应该实现系统性、科学性数据挖掘理论以及数据采集平台的建立，从而为测绘技术的应用营造良好的空间。
一、数据挖掘的基本含义及功能分析
1.1 数据挖掘的基本含义
数据挖掘主要是指：在实践过程中所产生大量的、模糊的以及随机数据中，提取出隐藏在数据中的潜在性数据内容，对于提取处理的数据进行系统性的分析，处理，从而发现数据与数据之间的关联性，为地理信息测绘技术的优化奠定良好的基础。而且，在理论应用的过程中也可以实现新型的技术处理形式，同时也可以实现大量的业务数据转换、分析等模型的处理。也就是说，数据挖掘是一种深层次数据分析理念，与传统的测量方式存在着一定的差异性，而且，其目的的结果主要是用来分析数据的价值，验证命题的正确性。而数据分析主要是指，在没有明确假设的前提之下挖掘信息的关联性，对于挖掘出的信息而言，对测绘技术的设计具有一定的应用价值。
1.2 数据挖掘的功能性分析
在测绘地理信息技术的分析过程中，其数据挖掘的理论可以将采集到的数据转化为相关的测绘知识，再通过对数据内容的运用，可以实现以下几种功能：第一，是聚类功能，就是按照数据内在的规律，将数据聚合分类;第二，是关联分析功能，主要是在数据分析的基础之上发现重要的问题形式，并建立多次的检测形式，在分析的过程中如果发现数据之间的差异性较小，也就说明在数据挖掘的同时存在着一定的关联性;第三，分类功能，通过对不同数据内容的.分析可以发现，其分类的内容及标准会形成不同的检测形式，而且，在分类偏差系统的优化过程中，可以对技术进行科学化的调整，从而优化功能性的问题分析。在实践的过程中可以发现，事物是具有一定内在联系的，为了充分实现数据的总结、分类以及聚类，就应该对采集的数据进行系统性的分析，从而为技术人员的工作提供充分性的保证。
二、数据挖掘理论在数据采集中的应用
2.1 建立科学化的数据采集平台
随着科学技术的之间发展，数据采集以及平台应用理念逐渐推出，在数据采集平台的建立，可以实现大量的数据储蓄，根据最新的统计显示可以发现，一个完整的数据采集平台一次就可以形成50万以上的数据。而在数据分析的过程中很多数据是表面上的数据，而通过数据挖掘理论系统的建立，与数据挖掘理论进行充分性的融合，可以做出准确性的预测性分析，从而也可以将单独的数字进行总结、分析以及管理分析，将分散性的数据进行系统性的整合，从而挖掘出隐藏在系统中的信息，同时也可以实现技术应用过程中的管理及优化的技术处理形式。
2.2 数据挖掘的应用基础
由于科学技术的不断优化，数据库的储存量不断充实，导致数据采集需要在不断完善中得到发展。而且，随着信息储备量的增大，数据平台的信息量储存发生了很大的变化。首先，系统的版本得到了不断的更新，例如，Web数据采集中的系统版本，由08c版转变为现阶段的10a001版;其次，是汇总部分字段以及文字采集的阶段，数量逐渐增加，从而使数据采集平台形成了规模化的发展。而且，在整个过程中也不断强化了数据与数据之间的关联性，为数据挖掘理论的应用提供了基础平台，同时也为技术人员合理的运用数据挖掘理论提供了充分性的保证。
2.3 关联规则的挖掘理论
在关联规则的使用过程中，主要是将独立的、单独的数据内容进行充分性的结合，从而多角度、多方位的分析某一事物的变化。对于初次使用数据平台的技术人员而言，在数据采集的过程中，如果要根据数据采集的现状，对测评系统进行合理化的设计，是十分困难的，他们在分析的过程中，很难发现数据与数据之间的关联性。因此，在现阶段数据挖掘理论基础的建立过程中，就应该充分的认识到这一点内容。在工作的过程中全面培养技术性人才，通过对员工工作状态的分析，发现存在的问题，然后在制定出科学化的工作决策理念，从而为员工树立正确性的发展方向。与此同时，数据采集平台只是为了提供数据，而在数据挖掘理论内容的分析过程中，是为了发现数据与数据之间的关联性，挖掘出数据检测中的基本理念，从而在根本意义上为技术的应用建立科学性的依据。
三、结束语
总而言之，在数据挖掘平台建立的过程中，为了实现数据采集平台的应用技术，就应该在采集平台建立的同时，强化数据挖掘的理论基础，从而实现数据处理的合理性。但是，在整个理念应用的过程中，由于其自身的局限性，所以在使用的过程中，应该对测绘技术进行合理化的分析，优化数据的采集，从而为整个数据挖掘的理论性应用提供合理化的依据。
参考文献：
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数据采集仪 篇6
关键词：果园;环境数据;数据表示;XML
中图分类号：TP274+2 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.12.018
Data Acquisition and Data Format of Orchard Environment based on XML
ZHOU Guo-min，FAN Jing-chao，WU Ding-feng，XIA Xue，QIU Yun
（Agricultural Information Institute， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Beijing 100081， China）
Abstract：According to the lack of exchanging and sharing data format in the orchard environment，based on analyzing the characteristics of the orchard environment data， an orchard environment data format which was expressed by Schema XML was presented by method of variable data acquisition indicator. It consisted of 43 elements. The root element was <OrchardEnvironmentData>， and consisted of 7 elements： <Version>， <BeginDate>， <EndDate>， <Orchard>， <FruitVariety>， <RecordingDefinition>， <RecordSet>. Its feasibility was verified by the actual application of data representation which acquired by the Orchard Data Acquisition System， and by the data share application in Internet.
key words：orchard;environment data;data format;XML
突破传统果业的限制，发展现代果业是我国水果产业发展的必然趋势。现代果业的重要特征是果园生产和管理的数字化、信息化、机械化，数字果园的概念也应运而生[1]。果园环境涉及的数字化对象包括空气温湿度、光照强度、光有效辐射、紫外线强度、降雨量、风速、风向、露点、土壤水分含量、土壤温度、土壤NPK含量、土壤微量元素含量、土壤重金属含量等。近年来，果园环境数据采集系统的研制与应用已得到重视，相关研究也比较多。在围绕某一个指标进行数据采集和监测的研究方面，Changying Li[2]报道了一种气体传感器阵列监测蓝莓果实病害的方法，樊志平等[3]设计实现了柑橘园土壤墒情远程监控系统，李光林等[4]研制了一种基于太阳能的柑桔园自动灌溉与土壤含水率监测系统， 张会霞等[5]利用“3S”技术设计实现了一种柑橘园GPS数据采集系统。在对整个果园环境多个指标进行数据采集和综合管理的研究方面，叶娜等[6]报道了一种苹果园环境监控系统的研究与设计，王新忠等[7]研究了基于无线传感的丘陵葡萄园环境监测系统，杨爱洁等[8]提出了一种基于无线传感器网络的果园数字信息采集与管理系统，王文山等[9]采用物联网技术设计了一种果园环境信息监测系统。另外，还有一些学者的研究则侧重在果园环境数据采集所涉及的信息通讯技术，如Raul Morais等[10]报道了用于葡萄精准管理的多点环境数据采集装置，岳学军等[11]采用GPRS和ZigBee技术实现了果园环境监测系统，潘鹤立等[12]采用ZigBee和3G/4G技术研究分布式果园远程环境监控系统的设计，徐兴等[13]报道了山地橘园无线环境监测系统优化设计方法及如何提高监测的有效性。综上，这些研究工作基本上都是在利用多种信息技术来实现果园环境数据的获取和监测，不同的是使用的监测指标和监测手段有所差异，但他们都对所获取的数据多采用私有的数据格式进行存贮和管理，对如何把所监测的数据与其他信息系统进行交换和共享则几乎没有涉及。
近年来如何从技术角度来消除“信息孤岛”，解决信息系统之间的数据交换问题受到很多研究者的关注，常志国等[14]提出了一种交通信息基础数据元XML Schema表示模型来解决交通信息系统之间的数据交换和共享，潘峰等[15]构建了国家卫生数据字典XML Schem来实现卫生数据的交换与共享，农业领域也有学者开展数据交换和共享方面的研究，如戴建国等[16]针对国营农场管理报道了基于 REST 架构和XML的农情数据共享技术研究，陈宏等[17]提出了蔬菜种植元数据模型信息描述方法。但针对果园环境数据表示以及数据共享技术方面的研究几乎没有涉及。
本研究在分析果园环境数据内涵的基础上，研究基于XML技术的果园环境采集数据表示技术，重点解决果园环境采集数据的表示格式，为不同系统之间果园环境采集数据的交换和共享应用提供支撑。
1 材料和方法
1.1 果园环境数据分析
果园环境是果园中果树群体以外的空间，以及直接或间接影响该果树群体生存与活动的外部条件的总和。果园环境包括非生物因素和生物因素两方面，非生物因素是指温度、光、水分、空气、土壤、地形、污染等环境因素;生物因素是指果树以外的动物、植物、微生物等环境因素。果园环境采集数据就是利用技术手段获取的各种环境因子的状态数据或者特征数据，从数据形态上来看，有数值、字符、图像、视频、声音、矢量等。
果园气候环境因子方面，大气、温度、光照、水分等气候因子与果树生产有密切的关系，目前利用物联网技术可直接采集的数据包括空气温湿度、光照强度、光有效辐射、紫外线强度、降雨量、风速、风向、露点等。
果园土壤环境因子方面，利用物联网技术或者实验室检测手段可以采集的数据有土壤含水率、土壤pH值、土壤有机质含量、土壤电导率、土壤温湿度、土壤重金属含量、地下水位、土壤盐分等。其中，土壤有机质含量是评价果园土壤肥力的重要指标，也是影响果树生长的重要因素。土壤水分是果树吸收水分的主要来源，土壤湿度过低时，果树吸水困难，甚至凋萎，但如果土壤湿度过高，又会发生渍害，土壤水分含量影响着果树的产量和品质。土壤中重金属含量影响着果品安全，也越来越受到人们的关注。
果园地形环境因子方面，一般利用遥感技术和GIS技术获取和管理果园的地形起伏、海拔、山脉、坡度、坡向、高度等地貌特征数据。
果园生物环境因子方面，果园病虫害和杂草方面的数据更受关注。近来利用现代信息技术手段自动测报果园病虫害数据得到研究和应用部门重视。伍梅霞等[18]报道了自动虫情测报灯在果园有害生物测报上的初步应用情况。邢东兴等[19]利用光谱数据定量化测评红蜘蛛虫害对红富士苹果树的危害程度。
1.2 果园环境采集数据表示格式设计方法
果园环境采集数据不但为果园生产管理系统提供支撑，同时也是果品质量追溯、果品电子商务等果园经营管理系统的数据源之一，果园环境采集数据需要在不同管理系统之间实现自动交换和共享。现有的果园数据采集与管理系统一般采用私有的数据格式进行数据存贮和管理，因此需要设计一个果园环境采集数据表示格式，基于这样的标准格式，才能在不同系统之间实现数据的自动交换和共享。
XML（Extensible markup language）是国际互联网联盟（W3C）开发的用于网络环境下进行数据交换和管理的技术[20]，它以一种开放的、自我描述的方式定义数据结构，通过Schema使XML文档结构化，并能创建不依赖于平台、语言或者格式的共享数据。近年来，农业领域一些学者也开始采用XML技术来研究农业数据元数据标准以及数据表示。日本学者吉田智一[21]提出了农业生产工程管理中的数据表示格式FIX-pms，欧洲学者Martini[22]提出了用于农业信息交换的agriXchange格式规范，Kunisch M[22-23]提出了针对农场的信息表示格式规范agroXML。本研究也采用XML技术来描述果园环境采集数据。
果园环境因子众多，不同果园因管理目的不同，所选择的采集指标也不同，不同采集指标的采样频率也不尽相同。为了提高果园环境采集数据表示格式的通用性，本研究采用可变采集指标项的数据表示方法。该方法把果园环境采集数据文件分为两个部分。第一部分用来定义所选择的采集指标项情况，包括指标名称、数据单位、数据采集点的GPS坐标、数据采用方法说明。第二部分用来顺序存放所采集的数据，每条数据中采集指标项的次序与第一部分定义的数据采集指标项相对应。
2 结果与分析
2.1 果园环境采集数据格式的Schema
果园环境采集数据采用XML文件来存贮，按照可变采集指标项的数据表示方法，其XML文件的语法规则采用Schema文件来定义。在Schema文件中，按照基本数据类型、基础子元素类型、子元素类型、根等4个层次，一共定义了43个元素。Schema文件中各元素之间逻辑关系如图1所示。
从图1可以看出，果园环境采集数据表示格式的根元素是<OrchardEnvironmentData>，它由<Version>、<BeginDate>、<EndDate>、<Orchard>、<FruitVariety>、<RecordingDefinition>、 <RecordSet>这7个元素组成。版本元素<Version>描述了果园环境数据表示格式所采用的XML Schemas版本号。时间元素< BeginDate > EndDate >描述果园环境数据采集的开始时间和结束时间。<Orchard>元素描述果园名称和果园ID号， < FruitVariety>元素描述水果品种名称、学名和ID号。通过这两个元素的ID号可以把果园的环境数据与其他生产经营管理数据进行关联。<RecordingDefinition>元素描述数据存贮的结构，是对具体数据记录存放形式的解释，由若干个数字型、矢量型、图像型、视频数据型、声音型、备注型的数据采集指标项的结构定义组成，支持可变指标项的定义，可根据实际情况来决定数据采集指标项的数量。<RecordSet>元素是实际采集数据的记录实体，由顺序存放的<Record>元素组成，<Record>元素中的数据项和<RecordingDefinition>元素中定义的数据采集指标项是一一对应的，并通过数据采集指标项中的<index>元素值来关联。
2.2 果园环境采集数据表示格式实例
以位于陕西洛川某果园的数据采集系统为例，其数据采集点现场以及采集数据的快照如图2。各种传感器采集的果园环境数据由专门系统来进行管理，并存贮在SQL Server数据库中。
根据Schema文件中所规定的语法形式，就可以把SQL Server数据库中存贮的果园环境数据表示成XML格式的数据。图3是所形成的果园采集环境数据XML文件的片段。如图3所示，在<RecordingDefinition>元素部分，定义了所采集的指标项分别是大气温度、大气湿度、降雨量、监测点1的土壤温湿度和监测点2的土壤温湿度以及光合辐射，这些数据都是DataItem型，如果涉及到监测点的GPS坐标，则在<Coord>元素中定义。在< RecordSet >元素部分，则通过<Record>元素来顺序存放所采集的数据。
2.3 果园环境采集数据表示格式的应用
对于现有的果园数据采集与管理系统来说，利用本文所述的果园环境数据表示格式，不需要改变其数据存贮形式和相应的管理程序，只需在此基础上，通过一个数据转换程序，把果园的环境数据转换成符合果园环境数据表示格式的XML文件，然后通过webservices技术实现一个数据共享接口，需要使用这个果园的环境数据时，只需要调用这个数据共享接口，就能获得相关的数据。其应用方案的逻辑结构如图4，其特点在于不改造原有的果园数据采集系统，仅需通过新增加一个数据共享接口就能实现果园环境数据的共享应用。
果园环境数据共享服务包括3个接口。GetDataStruct接口返回数据结构定义信息，实际上就是<RecordingDefinition>元素中的内容。GetDataBeginEndDate接口返回已有数据的起始和结束日期，以图2所示的实例为例，其返回开始日期是2015-01-01T08：00：00，结束日期是2015-01-01T15：00：00。GetData接口返回指定起止日期的果园环境数据，实际输出形如图3的XML文件。
3 结 论
本研究设计了一种果园环境采集数据表示格式，并通过对某果园数据采集系统所采集数据的实际表示，以及在Internet环境中的共享应用，来验证果园环境采集数据表示格式的设计。结果表明，该格式的设计是可行的，并且具有潜在的良好性能：（1）数据格式简明易用;（2）系统集成简单，用户可以很方便地建立起一个网络化的果园环境数据集成共享系统;（3）透明，用户关心的事情少，并不需要知道原有果园数据采集系统的实现细节，只需要了解能提供的服务。
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数据采集仪 篇7
国内测量煤的瓦斯吸附常数实验装置应用较多的是早年从国外引进的容量法吸附装置, 其存在结构不稳定、设备老化、易碎、自动化程度低、汞害严重等缺点。人工读数、人工记录和计算, 也存在较大误差, 同时步骤繁杂。煤炭科学研究总院重庆研究院在原设备基础上经研究改进, 利用饱和食盐水替代汞, 去除汞害威胁, 研制出新型煤的瓦斯吸附常数测定设备装置, 并为实现瓦斯吸附常数实验数据的自动精确测定, 开发了专用的数据采集仪。该数据采集仪通过配接现代新型电子压力传感器, 实现了实验过程中瓦斯解吸数据的自动采集、数据预处理等功能。同时数据采集仪、传感器和配合研制的计算机综合分析软件, 构成了整套实验测定设备的数据采集部分, 实现了实验数据的自动测试, 数据处理、分析、打印、结果输出等功能。告别了实验人员手工操作实验测试和计算的过程, 提高了实验设备的自动化程度和准确性, 降低了使用人员操作难度。
1 数据采集仪主要技术指标
电源:输入电压220 V AC;
测量范围:0~8 MPa;
测量精度:0.5级;
存储容量:256 kB;
工作电流:<200 mA;
通信方式:RS232串行;
路数:4路。
2 主要性能指标
1) 测量功能:
数据采集分析仪器, 通过相关连接气路, 实现对每组相对压力传感器信号的采集, 并传输给台式计算机主控软件, 由专家系统软件对采集数据进行分析、存储、计算和显示;
2) 采集仪显示:
汉字液晶显示;
3) 键盘:
触摸式按键;
4) 串行接口:
外扩展与IBMPC兼容串行接口;
5) 数据处理精度:
采集仪数据处理精度小于等于1%。
3 硬件设计[1,3]
根据设计要求, 数据采集仪作为实现煤的瓦斯吸附常数实验测定过程中数据采集的重要设备, 与配套工作的主控计算机专家系统软件和传感器共同组成了煤的瓦斯吸附常数测定设备装置的数据采集部分, 如图1所示。
数据采集仪作为数据采集部分的核心, 通过程序控制传感器对煤样解吸压力变化过程进行实时采集, 将A/D转换、滤波及分析处理后的数字信号传送给主控计算机, 主控计算机通过内嵌专家系统软件再对采集的数据进行分析、处理, 得出煤的瓦斯吸附常数等实验室输出结果值。同时可对采集的实时和历史数据进行存储、显示, 并可通过打印输出设备输出。
数据采集仪由89系列单片机作为控制CPU, 主要由CPU、A/D转换电路、滤波电路、存储设备、液晶显示器、通讯电路、电源等部分组成。液晶显示器采用内置HD61202U控制芯片的128×64的液晶模块, 该显示模块采用与CPU的并行接口连接的间接控制方式。计算机通过对这些接口的操作, 达到对液晶显示模块的控制。这种方式的特点是电路简单, 控制时序由软件实现, 可以实现高速计算机与液晶显示模块的接口。
汉字显示提示可以使数据采集仪操作直观方便。汉字显示选用16×16点阵字体, 每个汉字字模数据为32个字节, 点阵位置为每行2个字节, 单个字节每位代表1个点, 共16行。但由于HD61202U显示存储器的特性不同于计算机内的汉字点阵直接显示, 需要将其点阵数据旋转90°后再写入, 因此其生成字库的格式是前16个字节为上半部16×8点阵字模数据, 后16个字节为下半部16×8点阵字模数据。根据字模数据, 通过单片机CPU依次向液晶128×64阵列的相应点区 (16×16) 写入一个汉字的32字节数据, 即显示相应的汉字。
滤波电路将传感器输入的模拟信号滤波处理后送A/D转换电路, 经CPU控制采集, 计算存储, 然后瓦斯解吸实时数据通过通讯电路传送到主控计算机, 由专家系统解算出煤的瓦斯吸附常数等实验数据值。
数据采集仪电原理框图见图2。
4 软件设计[2]
4.1 数据采集仪软件
数据采集仪主要功能是实现煤样瓦斯解吸压力数据的采集、预处理、显示、传送, 传感器信号的连接通过硬件滤波电路实现。传感器信号的采集通过采集仪CPU程序控制实现, 其中涉及液晶显示模块液晶点阵汉字的显示, 由采集仪主程序通过调用汉字显示子程序实现。采集仪程序用C语言编程。数据采集仪主程序和汉字显示子程序流程见图3—4。
4.2 计算机专家系统软件
为配合数据采集仪的自动运行和实验过程实时监测, 配套研制了主控计算机软件, 该软件主要由数据处理专家系统软件、显示、输出、控制等部分组成, 基于Windows XP操作系统, 由VB程序开发平台编程实现, 软件具有功能:使用人员和报表管理, 吸附罐信息管理, 传感器数据监测, 吸附平衡报警提示, 监测结果记录, 试验结果输出, 吸附等温曲线绘制, 过程恢复, 历史数据查询, 报表设计输出等。主控程序流程见图5。
5 结语
煤样瓦斯吸附常数测定设备用数据采集仪经研究、试验, 作为煤的瓦斯吸附常数测定设备数据采集部分的重要部件, 对实现实验数据的自动、精确采集计算等功能的实现起到重要作用, 通过性能考察, 证明其硬件、软件设计合理、工作可靠、性能稳定。各
项性能指标均达到设计指标及产品技术条件的要求, 同时其操作简单, 便于学习和使用。新式电子压力传感器和相关计算机设备的配合应用, 改变了传统指针式压力设备人工读数、手工计算等落后的实验方式。专家系统软件的应用提高了实验数据分析的准确性。采集设备人性化的汉字界面显示也使仪器的档次得以提升, 智能化程度更高。设备的研制和推广应用对测定煤的瓦斯含量等煤矿基础资料将起到重要作用。
参考文献
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高速数据采集系统 篇8
这是一种纯硬件串行数据传输设计方式, 该系统具有电路连接简单, 设计方便, 新片管脚少的特点, 用单片机来控制的数据采集系统, 具有8Bits高精度传输能力, 并且采用计算机虚拟软件显示, 消差处理, 该方案有A/D转换电路, 存储单元, D/A转换电路, 并用计算机软件与8051单片机控制相结合, 使信息传送方便, 传输速度高, 系统结构简化, 并且有利于系统功能扩展, 而且装配调试费用低。
(二) 系统组成及工作原理
1. 系统组成
本系统有三部分组成, 即 (1) A/D转换部分, 它的主要作用是将模拟信号转换成数字信号; (2) D/A转换部分, 它主要是将采集来的数字信号转换成模拟信号以便于进行显示, 从而对数据进行分析测量; (3) RAM部分用做将采集来的数据进行存储。
2. 工作原理
原理框图如图1所示:
(1) A/D转换部分
A/D转换接口是数据采集系统前向通道的一个环节。数据采集和转换系统从一个或几个信号源中采集模拟信号, 并将这些信号转换为数字形式, 以便输入计算机。因此, 对于一个模拟信号转换成为数字信号所基本的要求: (1) 模拟多路转换与信号调节; (2) 采样/保持放大器; (3) 模拟/数字 (A/D) 转换器; (4) 通道控制电路。
前向通道中与传感器相连接的是信号调节器, 它完成传感器初次模拟信号的调节任务。而模/数转换中的多路转换及信号调节则要将模拟信号变换成能直接满足模/数变换所需要的信号电平及输入方式。为了减少动态数据测量的孔径误差, 对于快速动态信号应采样/保持电路以防止采样过程中信号发生变化。因此, 模拟数据的采集及模/数变换通道设计时不仅仅是单纯选择A/D转换芯片及设计A/D转换接口, 要综合考虑从传感器到计算机数据输入的全过程。
为了实现系统中的“高速”, 我们采用了AD578LN芯片, AD578LN最大的应用特性就是它的高速A/D转换特性, 因此当AD578LN与微处理器接口时, 由于大多数微处理器的时钟比较慢, 这时用CPU控制AD578LN的转换就是有可能丢失数据, 另外由于AD578LN的数据输出没有三态缓冲数据输出, 所以必须和微处理器的I/O口直接相连。
作为控制A/D转换的部分, 即传送控制信号的芯片我们采用的单片机为MCS-51系列的单片机, 在本系统中它主要是进行寻址和发出控制信号使整个系统在它的控制之下能够同步快速的完成系统功能。
根据以上各个芯片的功能及用法特点, 我们做了如图2所示的A/D转换部分:
在进行AD578LN高速A/D转换与8051单片机的接口设计时, 相对较好的方法是将8位的A/D转换结果缓冲锁存在寄存器里, 然后再对数据进行处理, 电路如上图所示.图中所示电路是采用查询方式完成AD578LN的A/D转换, 其中缓冲锁存存器采用74LS244总线锁存器以实现对A/D转换数据输出的单向锁存。74LS244的片选由74LS138译码得到, 其中之一输出信号和/WR构成AD578LN的启动信号START。
由于本系统在BIPoff上没有接滑动变阻器, 所以为单极性输入方式, 即输入电压是0~+10V或0~+20V, 当74LS138译码后的一路信号与/WR的信号通过74LS02的与非门产生一个能触发START信号的高电平, 则AD578LN开始工作, 将其输入的信号转换为8路数字信号, 并通过74LS244进行锁存, 而74LS244的触发则是/RD信号与74LS138的一路信号相与后产生, 当74LS244产生触发信号后则将74LS244锁存的信号输入到8051单片机中, 而转换结束信号则是START信号的逻辑非信号, 这样在START为低电平时, EOC为高电平时, 这样A/D转换就结束。
(2) D∕A转换部分
数/模转换换部分是基于后向通道配置与接口技术设计思想而进行设计的。在单片机的控制当中单片机总要对控制对象实现控制操作, 因此, 在这样的系统当中, 总要有后向通道, 后向通道是计算机实现控制运算处理后, 对控制对象的输出通道接口, 后向通道是对控制对象实现控制操作的输出通道。后相通倒应解决的问题: (1) 功率驱动。将单片机输出的信号进行放大, 以满足伺服驱动的功率要求。 (2) 干扰防治。主要防治伺服驱动系统通过信号通道、电源以空间电磁场对计算机系统的干扰。通常、采用信号隔离、电源隔离和对大功率开关实现过零切换等方法进行干扰防治。 (3) 数/模转换。对于二进制输出的数字量采用D/A变换器;对于频率量输出则可以采取F/V转换器变成模拟量。
后向通道中常用的器件及电路主要有数/模转换、功率驱动和干扰防治器件及电路。其中我们重点了解D/A部分。
D/A转换是应用系统后向通道的典型接口技术内容。现阶段单片机应用系统D/A转换接口设计主要是选择D/A转换集成芯片, 配制外围电路及器件, 实现数字量至模拟量的线形转换, 他不涉及D/A转换器的结构设计, 也不必对其中内部电路作详细分析。
(三) D/A转换接口设计的一般性问题
1.D/A转换芯片的选择原则
选择D/A转换芯片时, 主要考虑芯片的性能、结构及应用特性能在。在性能上必须满足D/A转换的技术要求;在结构和应用特性上应满足接口方便, 外围电路简单、价格低廉的要求。
(1) D/A转换芯片的主要性能指标
D/A转换器的主要性能指标有:在给定的工作条件下的静态指标, 包括各项精度指标;动态指标, 通常以建立时间和尖峰等参数表示;环境条件指标, 主要有反映环境温度影响的增益温度系数。实际上, 用户在选择时主要考虑的是以位数表现的转换精度和转换时间。
(2) D/A转换芯片的主要结构特性与应用特性选择
D/A转换器的特性主要有: (1) 数字输入特性。数字输入特性包括接收数码制、数据格式以及逻辑电平等。目前批量生产的D/A转换芯片一般都只能接收自然二进制数字代码。因此, 当输入数字代码为偏置码或2的补码等双极性码时, 应外接适当的偏置电路后才能实现。 (2) 模拟输出特性。目前多数D/A转换器件均属电流输出器件。对于输出特性具有电流源性质的D/A转换器 (如DAC-08) 用输出电压允许范围来表示由输出电路 (包括简单电阻负载或者运算放大器电路) 造成输出端电压的可变动范围。只要输出端电压小于输出电压允许范围, 输出电流和输入数字之间保持正确的转换关系, 而与输出端的电压大小无关。对于输出特性为非电流源特性的D/A转换器, 无输出电压大小允许范围指标, 电流输出端应保持公共端电位或虚地, 否则将破坏其转换关系。 (3) 锁存特性及转换控制。D/A转换器对输入数字量是否具有锁存功能将直接影响与CPU的接口设计。如果D/A转换器没有输入锁存器, 通过CPU数据总线传送数字量时, 必须外加锁存器, 否则只能通过具有输出锁存功能的I/O口给D/A送入数字量。 (4) 参考源。D/A转换中, 参考电压源是唯一影响输出结果的模拟参量。是D/A转换接口中的重要电路, 对接口电路的工作性能, 电路的结构有很大影响。
2.参考电压的配制
目前大多数参考电压源均由带温度补偿的齐纳二极管构成。这类稳压管的稳压值一般在5.5~6.5V之间, 温度系数为±5 ppm/℃, 如国产的2DW (2DW7C) 型温度补偿稳压二极管。
D/A转换接口中的外接参考电路有两种形式:即外接参考电压源可以采用简单稳压电路形式, 也可采用带有运算放大器的稳压电路。前者电路简单, 但负载电流变化对电压稳定性有一定影响, 而且所提供的参考电压为固定值。带运算放大器的参考电压源具有驱动能力强, 负载变化对输出参考电压没有直接影响, 所提供的参考电压可以调节。
(四) D/A转换性能与集成芯片
D/A转换器的主要性能指标:D/A转换器的主要性能指标有静态指标、动态指标以及环境和工作条件指标。
1. D/A转换器的静态指标
(1) 分辨率
D/A转换器的分辨率定义为:当输入数字发生单位数码变化时, 即LSB位产生一次变化时, 所对应输出模拟量 (电压或者电流) 的变化量。对于线性D/A转换器来说, 分辨率Δ与数字量输出的位数n呈下列关系:
在实际应用中, 表示分辨率高低得更常用的方法是采用输入数字量的位数或最大输入码的个数表示, 位数越多, 分辨率就越高。
(2) 标称满量程与实际满量程
标称满量程 (NFS) 是相应与数字量标称值2n的模拟输出量。但实际数字量最大为2n-1, 要比标称值小1个LSB, 因此实际满量程 (AFS) 要比标承志满量程 (NFS) 小1个LSB增量。即
AFS=NFS-1LSB增量=2n-1/2n×NFS
(3) 精度
D/A转换器的转换精度与D/A转换集成芯片的结构和接口配置的电路有关。一般来说, 不考虑其它D/A转换误差时, 但是D/A转换精度还与外电路的配置有关, 当外电路的器件或者电源误差较大时, 会造成较大的D/A转换误差, 当这些误差超过一定程度时, 会增加D/A转换位数。
D/A转换器中的电阻网络、模拟开关及驱动电路均非理想电阻性元件, 各种寄生参量及开关电路的延迟响应特性会造成有限的转换速率, 从而使转换器产生过度过程。实际建立时间的长短不仅与转换器本身的转换速率有关, 还与数字量变化的大小有关。
根据建立时间的长短, D/A转换器分成以下几档:
由于一般线形差分运算放大器的动态响应速度较低, 因此D/A转换器内部带有输出运算放大器或者外接输出放大器的电路, 其建立时间往往比较长。
(4) 尖峰
尖峰是输入数码发生变化时刻产生的瞬时误差。尖峰的持续时间虽然很短 (一般在数十毫微秒数量级) , 但幅值可能很大。在有些应用场合下, 必须采取措施加以避免。
产生尖峰的原因是由于开关在换向过程当中, “导通”延迟时间与“截止”延迟时间不相等造成的。由于尖峰出现的幅值和出现的时刻不是周期性的, 故不能采用简单的滤波办法完全去掉。如图3采取了用两极运算放大器来有效的消除尖峰。
2. 环境及工作条件影响指标
一般情况下, 影响D/A转换精度的主要环境和工作条件因素是温度和电源电压变化。
D/A转换器的工作温度:标准军品可工作于-55~+125℃, 工业级工作温度为-25~+85℃, 而普通级工作温度为0~70℃。多数器件其静、动指标均为25℃的环境温度下测量得到, 环境温度对于各项精度指标的影响用其温度系数来描述。
D/A转换器受电源变化影响的指标为电源变化抑制比 (PSRR) , 它用电源变化1V时所产生的输出误差相对满量程的比值来描述, 以ppm/V表示。
基于以上的各种参数和指标我们作了如图3所示的D/A转换部分:
此部分是整个系统的核心部分之一, 我们选用的是8位的DAC0832, 这种芯片是80××系列的DAC芯片中最快的, 可达到64K以上, 它利用了一种4位改良的FLASH技术, 可以在少于1.5us的时间内完成一个完整的8位转换, 当A/D转换占用时间时, 它可通过内置的采集和锁定功能来捕捉和存储当前的信号。由于系统中只有一路D/A转换或虽然是多路转换, 但不要求同步输出时间, 则采用单缓冲方式接口, 如在本系统中我们就是采用的这种方式。
控制部分我们采用系统中的8051单片机系列。
基于DAC0832的应用特性我门用8051来控制它的片选通信号。利用8051单片机的接DAC0832的WR1和WR2信号, 这样在触发一个信号之后则触发了DAC的写选通信号, 这样DAC0832就进入选通状态, 而输入寄存器信号和数据传诵信号同时接收AD578LN的EOC信号, 这样就保证了A/D与D/A的同步, 即在A/D开始转换的同时就保证数据从AD578LN传送到DAC0832, 这样就保证了工作的时实性从而减少转换时间保证了系统的功能实现的速度。再如图所示的原理图中DI0~DI7直接AD578LN的B1~B8这样才能保证数据传递时无误差和以时间较短的延迟来进行。在DAC0832的输出口IOUT1和IOUT2我们分别用了两极运算放大器LM358, 由于运算放大器的放大功能即可保证输出信号能够以最小失真的放大输出, 这一点对模拟信号的输出非常的重要, 因为D/A的模拟信号输出断与显示部分相连接, 如果输出的模拟信号不能时实得复现原来的数字信号, 那么显示部分就不能正确的显示采样信号, 这对于工作人员来说将不能正确的进行调试和数据分析, 如果对于高精度的数据采集, 那么就有可能造成采集来的数据不准确。
3. 储器扩展
在本系统中我们采用了静态的6116来扩展片RAM。如图4所示:
从而对采集来的数据进行保存, 由于它的容量为2K所以用地址线为11位, 我们的设计思想是用8051单片机的P0.0~P0.7经74LS373锁存后接6116的A0~A7作为6116的高8为地址线, 用P2.0~P2.2直接接到6116的A0~A7作为6116的低3位地址线。这样就可以充分保证6116的2K的寻址范围, 它的选通位用单片机的与位号控制, 即保证了单片机工作的实时性。
(五) 结论
高速数据采集系统通过硬件串行数据传输设计方式, 实现了高速采集系统的模拟量采集的通道数多、数据采集的精度高、低功耗和稳定性等。
参考文献
[1]沈兰荪.数据采集处理器[M].能源出版社出版, 1990:72.
[2]何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计[M].北京航空航天大学, 1990:58.
[3]薛钧义, 张彦斌.MCS-51/96系列单片微型计算机及其应用[M].西安交通大学出版社, 1999.
[4]孙涵芳, 徐爱卿.MCS-51/96系列单片机原理及应用[M].北京航空航天大学.
数据采集仪 篇9
1 测量方法介绍
1.1 多路转换开关扩展定时/计数器测量数字传感器信号方法
采用定时/计数器测量数字传感器信号是最常规的方法。可以实现一个定时/计数器测量多个数字传感器的一对多式测量。该方法共用到:数字输出通道、多路转换开关CD405l BE、定时/计数器。具体方法在此不作详述。
1.2 模拟通道测量数字传感器信号方法
采用模拟通道测量数字传感器信号的方法, 就是把传输出的脉冲信号通过模拟通道采集进计算机, 通过设置采样数和采样频率, 使采样时间内包含若干个脉冲周期, 通过数据采集卡模拟信号输入通道将脉冲信号完整采集进来后, 利用Lab VIEW里面的提取单频信号子vi可以获得信号频率。
1.3 数字通道测量数字传感器信号方法
数字通道常用于开关量的测量, 不适宜做脉冲信号采集。以PCI-6024E为例, 该卡使用DAQ-STC芯片包括3个定时器组, 它们分别控制着模拟输入、模拟输出和通用定时/计数功能。显然, 数字通道没有硬件时钟, 称之为静态DIO。静态DIO依赖于系统, 若用静态DIO测量脉冲信号, 只能在软件中采用while循环, 通过读取信号的下降沿变化循环监测I/O口状态。但其速度会根据主机的处理能力发生变化, 无法保证采样精度。借用模拟输入、输出或者定时/计数器时钟作为数字任务的定时源。利用Lab VIEW里面的提取单频信号子VI可以获得信号频率。
实验用Nl公司PCI-6221数据采集卡数字关联I/O的最采样频率1 MHz, 远远高于流量计的最高信号频率为1400Hz。采用模拟通道采集符合香农定理, 能达到所需要的精度。同时, 在软件中设定获得多个值后求均值, 可以有效地解决压力脉动问题。
2 测量方法的实验研究
2.1 实验系统介绍
为简化实验, 我们在JSP-04E自组装液压试验台上, 构建了如图1所示的试验系统, 将两个流量传感器的输出信号分别分成三路, 接到多路转换开关、模拟通道1和2、数字通道1和2上, 利用Lab VIEW的多线程功能, 采用一个采集卡进行试验, 以确保3种方法采集的数据是相同的。
2.2 数字流量传感器
该测量系统选用LWGY-6型数字流量传感器, 输出信号为方波信号, 由采集卡和计算机对一定时间内方波的个数计数, 即可完成流量的测量。其流量测量公式为:其中q流量, f为测得的频率, k为传感器标定系数。
2.3 实验结果和数据分析
图2为模拟通道采集的脉冲信号效果图, 右端Devl/ai0表示采用设备一。即:PCI-6221的第一条模拟通道。
表1是使用PCI-6221分别采用三种方法在测得的三处流量数据表, 在液压试验台上对LWGY-6型数字流量传感器进行测量的结果。
表1数据可以看出, 采用三种方法测量流量的数据基本一致, 精度很高。实验证明采用本文方法获得精确的流量测量结果, 是一条解决采集卡定时/计数器个数有限行之有效的方法。
结束语
通过以上实验分析, 我们可以得出以下结论:a.可以充分利用数据采集卡中模拟通道资源。采集卡中模拟通道的数量较多 (一般为16路) , 采用该方法可以减少采集卡的数量, 简化数据采集系统。采用该方法, 可以解决测频法中“+1误差”问题, 精度高。b.可以充分利-用数据采集卡中模拟通道资源。数字I/O通道一般有16路, 采用本方法后, 不用增加定时器/计数器采集卡。其缺点是需要外部提供时钟, 程序稍微复杂。优点是, 其采样频率高。c.被测信号频率低的情况下, 推荐使用模拟信号扩展方法;在被测信号频率高的情况下, 推荐使用数字关联I/O, 并且最好用模拟输出时钟或者定时/计数器时钟。d.本方法是对硬件的应用创新, 无需增加硬件设备, 结构简单, 可以降低成本。同样适合于其它虚拟仪器软件如:Visual C++、Visual Basic、Labwindows/CVI、HPVEE等。
参考文献
[1]姜万, 牛慧峰, 赵春艳, 等.基于虚拟仪器的电液比例方向阀静动态特性综合CAT系统[J].传感器技术学报, 2005:13-22.
[2]李光提.虚拟仪器在0CS003液压实验台上的开发及应用[D].泰安:山东农业大学, 2004:44-68.
[3]冯雪.数据采集卡性能指标与应用[J].工业控制计算机, 2008, 21 (5) :10-11.
测井井下数据采集研究 篇10
1 针对测井井下数据采集的现状分析
在石油勘探、开采以及后续的生产过程中, 油井的测试工作贯穿始终, 而测井的目的就是判断油井的静态与动态状态, 从而指导石油的生产, 所以测井对于石油生产具有非常重大的意义。测井的数据采集工作重要包括信号的获取、信号的传输以及信号的采集, 在这个工作基础上, 相关技术人员才能对这些数据进行分析, 从而了解到井下中的相关参数。一般而言, 测井就是采用专门的测量仪器, 采集地球物理参数, 并利用地球物理方法分析井下流体的运动状况、井身的结构情况以及产油层物理地质状态的变化。在早期的石油勘探活动中, 一般通过裸眼的方式进行探测。到了二十世纪五十年达, 温度计、压力计和流量计可以组成一台测井仪, 可在地面上记录测井后的数据。到了二十世纪七十年代, 油井测井中陆续引入了声波测试与放射性测试, 测井井下的参数可以较为方便的记录下来。使用中子进行测井的寿命评价和次生伽马能谱对产层的性质进行判断后, 不但可以探测井内流体的运动, 而且可通过声波和变密度检查测井固井的质量。到了二十世纪八十年代, 伴随着信息革命与计算机技术的飞速发展, 测井的数据采集技术进入了数字化与信息化的新时代。
通常, 测井的数据采集系统由测试控制系统、传输系统、传感器三部分组成。而测试控制系统主要包含信号采集系统与信号控制系统。而测井的传输系统, 主要用于传输和采集信号, 这些信号一般由传感器所获取。在测井的数据采集系统中, 传输系统主要包含电缆及与测试控制系统和传感器系统两端的相关设备。测井数字采集系统中的传感器通常包含敏感探测元件为核心的仪器与与之相关的辅助测量元件。一般意义上, 传感器需要进入待测量区域的内部空间, 对其的相关信号进行采样后, 通过传输系统向采集系统传递, 最终被采集系统收集并记录下来。
2 新型关键技术在测井井下数据采集
现代测井数据采集工作中应用了当今最为先进的信息技术、网络技术计算机技术等, 这些技术推动了测井的数据采集工作大幅度的进步, 但是如何传统的信号处理技术对于建立一套稳定、精确的数字采集信号系统而言, 仍是不可或缺的。
2.1 网络技术
网络技术主要应用于数据采集主机与前端设备的连接工作中, 这些连接工作采用了很多种方式, 但这些连接可以采取多种方式, 但这些连接方式都需要网络协议的支持。在测井的数据采集系统中, 使用恰当的网络连接技术将井下的设备与仪器通地面上的采集系统连接起来。由于信号在测井电缆中的传输的情况非常特殊, 比如噪声、信号衰减、不同信号相互干扰等现象造成了信号的畸变, 使用网络连接技术中, 仍需要利用成熟的信号处理方法消除以上所述的信号噪声, 这一问题也是研究的热点。
2.2 使用嵌入式实时操作系统及其开发技术
嵌入式实时操作系统及其开发技术涉及到主机与前端设备的分工、高速数据及时采集问题。通常主机一般都预先装好了通用的商业系统, 如Windows等。但这些设备的主要面向于普通大众, 虽然其通用性较好, 但对用工业领域实时性却非常差, 只能适用于交互式的应用程序, 对要求较高的高速数据采集应用程序的变现却非常差, 所以有必要采用嵌入式实时操作系统来解决这一问题, 而通用的操作系统主要用于显示、记录等工作。所以, 嵌入式系统开发技术对于测井的数据采集系统的高速数据采集工作而言是极其关键的
2.3 数据质量审核与维护技术
测井数据的采集质量影响着测井数据的分析与判断, 为了保证数据采集质量, 首先需要利用数据的采集软件进行审核与处理, 然后就是要建立响应的实施审核机制, 预先测井的数据特征进行研究, 并建立响应的数据判断机制, 从而有效的保证数据的准确性与及时性。将采集好的数据存储在采集系统中, 并实施一系列的备份技术, 对于便于用户实行分级管理、授权查询等工作而言具有重要意义。而且这些数据的使用范围, 从石油的勘探生产部门到相关管理与科研部门都会涉及到。从这个方面而言, 如何建立起一套实时、精确的数据质量审核与维护系统, 将是测井数据采集研究的热点。
3 总结
通过以上对测井井下的数据采集相关分析与研究可以看出, 现代测井井下数据采集的重要工作主要集中在相关软件技术与信息技术的应用上, 甚至硬件的开发越来越依赖与各种各样的软件开发上, 而测井数据的采集、处理最终均通过软件的形式存在。因此, 软件的开发在现代测井数据采集上所占的地位也会越来越重。而传统信号处理技术对于测井井下数据的采集的地位则依然非常重要。信号传输的方式以及模拟信号与数字信号转换的精度等问题仍将在未来很长一段时间中, 仍是测井井下的数据采集研究的热点。
摘要：文本针对测井井下数据采集中的现状, 从对其现状的分析入手, 根据其存在的难点与数据的结构特点, 分析了先进的科学技术应用的意义, 并指出只有将先进的信息技术与计算机技术等高新技术, 应用在测井井下数据采集领域, 才能有效的推动测井井下数据采集的技术进步与科技创新。
关键词：测井,数据采集,现状分析,先进的科学技术应用
参考文献
[1]刘子文.中国石油学会第十四届测井年会.测井数据库建设及应用, 2005[1]刘子文.中国石油学会第十四届测井年会.测井数据库建设及应用, 2005
[2]刘磊.胜利油田测井数据管理[J].今日科苑.2007, (18) [2]刘磊.胜利油田测井数据管理[J].今日科苑.2007, (18)
[3]胡道元, 主编.计算机网络 (高级) [M].清华大学出版社, 1999[3]胡道元, 主编.计算机网络 (高级) [M].清华大学出版社, 1999
多路以太网数据采集系统设计 篇11
关键词：多路以太网；数据采集系统；设计
中图分类号：TP274.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）11-0067-02
1 背景概述
以太网是目前应用最广泛的局域网技术，凭借开放性好、成本低廉、数据传输率高等诸多优势，在工业自动化和过程控制领域得到了越来越多的应用[1]。依靠以太网技术实现信息共享，给办公自动化带来很大的变革，对系统设计产生了深远的影响。数据的采集与监控在工业生产中也变得尤为重要，尤其是数据的准确性和实时性，本论文就以远程数据采集展开研究。
数据采集系统可以对设备数据进行采集、存储、处理和显示实现对相关物理量的监控、分析和保存[2]。远程数据采集系统是对数据采集后进行远程传送具有不受环境、气候、时间等因素影响的优势。以太网（Ethernet）技术支持几乎所有的网络协议，所以在数据信息网络中得到广泛应用，具有传输速度高、距离远、低能耗、便于安装、兼容性好、开放性高和支持设备多等方面的优势[3]。
2 整体系统方案设计
本文采用下位机负责模拟数据的采集，主控制器负责采集七路数据，并应答主机发送的命令将数据发送至上位机，上位机负责处理接受过来的数字量的处理及显示，上位机和下位机采用以太网进行通信。
上位机将所有数据保存到计算机中，这样用户可以随时对数据进行有效查询和分析，有利于工业过程的长期正常运行和检查。下位机采用的是STM32单片机，上位机采用Visual Basic 6.0编写。
下位机根据上位机发送的命令选择单通道速数据采集还是低速7通道数据同时采集，然后将数据经以太网发送至上位机，上位机将数据显示并保存入库。
3 数据采集-下位机
本设计采用单通道高速采样、多次发送方式和多通道循环采样、实时发送两种模式，其模式的选择由上位机发送命令给下位机，当收到上位机发送到“duotongdao”字符串时，下位机转换到多通道模式，当收到上位机发送到“dantonfdao”字符串时，下位机转换到单通道模式。
3.1 模式一（单通道模式）
在程序中顺序定义多个缓冲区，ADC高速采样并依次将5个缓冲区填满，一旦缓冲区全部填满，停止采样。当最后一个缓冲区的数据发送完成，ADC采样标志位置位，将开始新一轮的数据采样。经测试，单通道连续采样频率为23 kHz。
單通道模式，如图3-1所示，A-B，B-C分别是一次连续的ADC采样。从图中可看出，在一次连续采样中，数据的连续性很好，但跳跃性大，即采样死区时间长。
3.2 模式二（多通道模式）
多通道模式是对七路数据进行轮询采样，依次将采集到的数据放置到指定的缓冲区内。一共采集1 400次，每个通道占用200字节。在一次数据包成功发送完成后，ADC采集标志位置位，进行下一次的ADC采集，直到采样完成，停止采样并发送数据包。由于数模转换器（ADC）采用的是单次转换，所以，单通道模式的采样速率是多通道的七倍，即多通道模式采样速率约等于3 kHz。
多通道模式，如图2所示，A-B是一次数据包，数据包到达后紧跟着下一个数据包就到，如此连续。
采集到数据需要将数据发送至上位机，为了标志通道数据，下位机将数据放入IP包时，分别用“A”、“B”、“C”、“D”、“E”、“F”、“G”来表示多通道模式一至七通道每个数据的开始。
3 数据显示处理—VB上位机
3.1 上位机系统设计
上位机的主要功能是接收下位机数据，并对数据进行处理。主要包括数据的接收、显示、保存、绘图。上位机数据的显示主要是对接收到的12位ADC数据显示，以及将ADC数据转换为对应的电压值，并显示出来。数据的保存是将接收到的所有数据按照通道数和时间顺序保存到计算机上，以便于以后的查询。数据绘图是将接收到的数据变化曲线绘制出来，便于观察。
3.2 上位机界面介绍
①启动以太网数据采集卡后除了出现客户端界面外，还弹出了电压比例选项设置面板，可以打开和关闭所要观察的通道数据显示，再对每个通道选择数据，“0”表示关闭“1”，“2”，“3”，“4”分别表示采集数据的1倍显示，2倍显示，3倍显示，4倍显示。
②主机名和端口号可以手动输入服务器的IP地址和监听端口号，输入之后点击“链接”按钮。窗体可实时收缩和还原。
③在主窗体下方有“通道一”至“通道七”七个按钮，点击按钮，可绘图。通道按钮对应的下的颜色和绘图区通道的颜色一致，可明显区分。
④点击主窗体左下方“数据库”按钮，弹出上位机数据库，如图3所示。点击后会弹出数据库窗体，在该窗体中可以查看过去任意时刻所有通道的数据。
3.3 上位机数据保存
①写数据。在本设计中数据保存的格式是以日期和时间分钟为单位命名文件，写数据格式为：数据序列号+系统时间+数据。
②读数据。工业应用中，在数据保存入库后，还要方便查询，因此上位机中提供了数据查看器，可以方便查询所需要的数据：所有的数据按照时间先后依次排列。
4 调试结果
用示波器给下位机输入模拟信号，上位机链接成功，调节输入信号的频率；上位机选择单通道模式，并根据采样点调整面板采样点sampl的值。采1 000 Hz，20 Hz正弦波实时折线图，如图4、图5所示。
从测试结果来看，当正弦波频率超过1 300 Hz时，单通道模式下采样得到的数据波形有一点失真，当正弦波频率是1 000 Hz时，采样的波形几乎没有失真，从图4中，可以大约推算出ADC的采样频率。
上位机选择多通道模式，并根据采样点调整面板采样点sampl的值。采集250 Hz，200 Hz正弦波实时折线图如图6、图7所示。
从图中可以看出，多通道模式下，当正弦波频率大于 250 Hz时， 采样到的数据波形有失真，正弦波频率是200 Hz时，几乎没有失真。多通道数据采集的速率是单通道的七倍，测试结果与下位机采样频率一致。多通道模式对数据的采样率低，但是数据整体连续性好，不会让大范围的数据流失。
5 结 语
多路以太网数据采集系统的设计是基于STM32下位机采集七路模拟信号经过模数转换，然后通过以太网将数据发送至上位机，最终的测试结果很理想。本设计的核心在于数据的远程发送，对于嵌入式系统在以太网中的应用目前已经基本成熟，数据经以太网传输具备很大的优点，比如数据量大，速度快，安全等。本设计能成功的一个重要因素也在于uIP协议栈的推广，它是TCP/IP协议的精简版，也是缩小版，很容易应用到各种微型控制器中。
参考文献：
水位数据采集系统软件设计 篇12
关键词：水位数据采集,水位实时检测,mscomm控件,历史曲线绘制
引言
水位实时检测系统主要用于水位实时检测记录。系统主要由上位机及下位机二个部分组成, 由单片机组成的下位机完成对水位高度的实时检测、数据处理、贮存 (相关内容已另有文章发表) 。水位数据采集系统上位机软件主要利用mscomm控件实现和RS232串口的数据通信, 实现了对下位机参数设置、数据采集、传输, 保存、查询。并利用picture控件实现水位历史数据的曲线绘制。
1 硬件系统结构
1.1 单片机及外围线路。
水位检测系统下位机的单片机选择了PHILIPS公司近期推出51LPC系列中的P87LPC764 OTP单片机, 该系列单片机采用80C51改进型MCU、增加了WDT看门狗、I2C总线及PWM输出[2]。存储器选用了新型、大容量Flash:MM36SB020。MM36SB020是MEGAWIN公司生产的低功耗、大容量串行e-Flash存储器。存储空间为2Mbits, 由52048个页面组成, 每个页面为128字节。RS232串口驱动芯片采用了MAX232并通过串行中断的方式现实上下位机的通信连接。
1.2 传感器及信号调理电路。
水位传感器选用Motorola公司的高精度X型硅压力传感器[3]。传感器的信号调理电路如图2所示, 水位信号经MPX压力传感器变为电信号, 再送入放大电路, 进行调理后输出到A/D模数转换。1.3电源管理及信号采集。由于实时时钟芯片及掉电状态下的单片机应处于长期的电源供电状态。而其它线路处在间隙性工作状态, 以延长蓄电池的工作时间, 因此采用了间隙电源管理方式, 最长采集间隙周期为4小时, 而系统的最小采样周期为1分钟。由于间隙数据采集的特点, 在上电后, 必须等传感器处于稳定工作状态后, 才可采样, 因此必须进行一定的延时稳定。
2 下位机软件设计
下位机软件的设计主要包括主程序及串口中断服务程序的设计。主程序主要包括VDD2上电延时、PCF8563时钟信号读取及贮存、水位数据采样及处理、PCF8563计数定时启动、掉电状态进入程序、掉电状态中断唤醒程序等模块组成[4]。
水位数据一次采样采集10个水位数据, 软件滤波、误差修正后, 送存储器保存。间隙性时间长短由实时时钟芯片PCF8563的8位的计数器定时产生, 其最长定时时间为255分钟, 而最小定时时间设计为1分钟采集一次。
3 上位机软件设计
上位机软件设计主要包括利用Mscomm控件实现RS232串口的数据通信;水位数据采集、传输、保存、查询;利用picture控件实现水位历史数据的曲线绘制;下位机实时时钟设置、水位采集时间间隔设置、系统误差修正、传感器误差修正等模块。
以下对上位机主要软件模块的设计作一分析介绍。
3.1 mscomm串口通信模块。
mscomm控件可以通过串行端口传输和接收数据, 为应用程序提供串行通信功能, mscomm控件可提供两种处理通信方式:一是事件驱动方式, 该方式相当于一般程序的中断方式。当串口发生事件或错误时, mscomm控件会产生mscomm事件, 用户可以捕获该事件进行处理。二是查询方式, 在用户程序中定时查询mscomm控件的某些属性是否发生变化, 从而确定相应的处理。本文采用前一种工作方式, 可以实现接收下位机器从串口上传的数据和对下位机参数的设置。
串口设置的源代码如下:
MSComm2.Comm Port=1'设定Com1
If (MSComm2.Port Open=False) Then
MSComm2.Settings="19200, n, 8, 1
'9600波特率, 无校验, '8位数据位, 1位停止位
MSComm2.Port Open=True'打开串口
End If
MSComm2.Out Buffer Count=0'清空发送缓冲区
MSComm2.In Buffer Count=0'滑空接收缓冲区
MSComm2.Input Len=0
MSComm2.RThreshold=1
MSComm2.EOFEnable=True'接收二进制数据
MSComm2.Input Mode=com Input Mode Binary
MSComm2.Input Mode=1
3.2 上、下位机交互模块。
水位数据采集系统的上位机软件与下位机交互的软件模块有:
联机测试模块、下位机参数设定模块 (包括下位机水位采集时间设定、下位机水位数据记录清除、水位标定标定及误差修正、水位采集时间间隔的设定) 和上传下位机水位记录模块。如水位采集时间间隔的设定的见面见图1。
水位高度的测量由下位机单片机系统中的的Motorola公司的X型硅压力传感器实现。由于传感器存在着线性误差 (包括放大电路、A/D转换器的线性误差) 及离散性的非线性误差, 因此系统设计了传感器的线性误差、非线性误差修正软件。
线性误差的修正在满量程或接近满量程时进行, 由上位机发出相应的指令给下位机, 读取A/D转换器的转换数据, 并由上位机计算出相应的误差系数, 再回传给下位机存贮。
非线性误差修正程序。采用分段线性插值法对测量值的曲线进行误差修正, 按量程分10个工作区段, 其数据处理及贮存方式同系统的线性误差修正。其中非线性误差修正软件界面如图2所示。
3.3 水位记录查询模块。
下位机水位记录上传后, 记录已保存在水位数据文件中。在水位记录查询模块中, 可以打开保存的水位数据的文件, 在“查询历史记录”的对话框中, 选择某一天的某一时间点的水位历史数据进行查看。该模块通过Datacom控件实现日期和时间相结合的选择, 确定要查询的某天的那个水位采集时间点, 然后水位数据会在“数据记录”栏中显示, 水位记录查询界面见图3。
3.4 水位历史曲线模块。
水位历史曲线由VB的picture控件的画线功能来实现, 具体包括:24小时水位历史曲线、月水位历史曲线、年水位历史曲线。
4 结论
通过程序设计实现的水位数据采集软件已完成上位机对下位机的参数设置、误差修正, 数据接收、保存并分析等功能, 实现了课题中对水位数据采集软件要求, 现场使用稳定可靠。
参考文献
[1]龚沛曾, 陆慰民, 杨志强.Visual Basic程序设计简明教程 (第二版) [M].北京:高等教育出版社, 2003.
[2]李玉东, 李罡, 李雷.Visual Basic6.0控件大全[M].北京:电子工业出版社, 2000.
[3]蔡勇, 周明耀.灌区量水实用技术指南[M].北京:中国水利水电出版社, 2001.