嵌入式数据采集仪（共10篇）
嵌入式数据采集仪 篇1
计算技术的快速发展, 对工业的数据采集和控制系统也起到了重要的推动作用, 高速的数据采集系统为在线实时监测和设备的故障诊断起到了重要的技术支持。嵌入式系统具有可靠性高、体积小、易扩展、功能强、开发周期短等特点, 满足了恶劣环境的需要。近年来, 嵌入式的采集系统朝着多通道、高精度、模块化和高速高效的处理方向发展。本文对高速的数据采集系统进行研究, 采用ARM8019A作为处理的芯片, 设计系统的软件和硬件平台, 采集板的A/D转换电路, 并给予LINUX的编程环境进行设备的管理和程序的设计, 实现高速数据采集的目的。
1 嵌入式采集系统的概念
1.1 嵌入式系统的概念
嵌入式系统实际上是嵌入式计算机系统的简称, 嵌入到宿主设备中的微处理机系统。典型的嵌入式的处理机有微处理器、DSP、ARM等。嵌入式系统一般有嵌入式的处理器、外围设备和嵌入式的操作系统及软件组成, 根据任务的需要选用合适的处理器, 通过不同的外设实现嵌入式系统强大的功能, 嵌入式的软件设计根据不同的需要具有特定的专业领域, 需要根据任务的要求合理的选用和设计。
1.2 数据采集系统的概念
数据采集系统是进行实时监测和故障诊断的重要技术支持, 数据采集系统主要研究的是数据的采集、存储、处理和控制的内容。数据采集是基于传感器信号采集、微型计算机技术的一门综合的技术, 通过在工业现场信号源中采集相关的信号, 经过A/D转换、滤波和放大使之成为计算机能够接受的数字信号, 经过计算机处理和分析后形成控制信号, 完成工业的控制任务。数据采集系统正在朝着多通道、高精度、高速度的方向发展, 为实现准确复杂的工业控制提供了重要的技术支持。
2 高速嵌入式采集系统的总体设计
2.1 高速采集的系统设计方案
本文选用的是双通道的数据采集, 并且能够完成数据的存储和转发。数据采集系统的技术指标为每通道40MS/s同步采样, 2通道模拟信号输入, A/D转换的精度为12位;实施增益可控;支持实时触发、预触发、中间触发和后触等多种触发方式, 采集卡的型号为PCH8504。
主控器选用的是ARM8019A系列微处理器, ARM系列不同的产品具有专用的指令集, 能够满足不同要求的工业控制。ARM8019A的主频为512MHz, ARM微处理器已经延伸到了工业控制、无线通讯和网络等各个领域, 并且具有高性能、低功耗的特点, 是嵌入式系统常用的处理器。
嵌入式的操作系统选用的是LINUX, 专用的嵌入式LINUX系统在具有优良的特性:支持的硬件设备广泛, LINUX被成功移植到了数十种硬件平台上;源码开放, 具有丰富的软件资源;内核稳定高效, 具备完善的网路通讯功能。
2.2 数据采集系统的关键功能模块
电源模块, 电源模块为整个数据采集装置的不同模块提供电源, 保证供电稳定是系统工作的基本保证;A/D转换, A/D转换模块能够实现模拟信号到数据信号的转变, 并且每一路能够实现可变增益的放大, 从而实现对不同模拟信号的采集;通讯模块, 通讯采用了RS-485作为与PC通信的媒介;FPGA模块, 该模块能够提供数据采集的时钟控制, 并且为每路采集的数据进行缓冲;SD卡模块, 实现采集数据的存储功能。
3 高速嵌入式数据采集系统的硬件设计
3.1 系统的模拟部分电路设计
A/D选型对于采集系统具有重要的影响, 需要根据前端的信号频率的要求执行合理的转化电路。A/D采样速率为每通道40MS/s, 精度为12位, 每个通道的采样数据相互独立位于RAM的响应段中, 同步采样在采样的时序上是独立的, 每个通道的数据之间没有相位差。
3.2 系统的数字部分电路设计
系统的数字电路设计的任务是完成A/D采集的控制、放大增益的译码控制和采集数据的读取、存贮, 主要应用的控制器是ARM, 控制的对象为FPGA和网络控制器。A/D的工作脉冲周期由采样频率决定, 控制时钟在FPGA内产生, A/D触发图见图2。
4 数据采集系统软件程序模块设计
4.1 linux驱动程序
Linux系统的设备可以分三种类型:字节设备, 字节设备的读写单位是字节, 进行顺序读写, 操作简单;块设备的操作单位是块 (单位是512字节的倍数) , 块设备可以对任何块进行随机读写, 块设备和字节设备的区别在于内核和驱动程序接口不同;网络设备, 网络设备可以实现主机的数据交换, 通过网络子系统的驱动实现数据的发送和接收。
驱动程序的主要功能是对设备进行初始化, 启动或者是终止设备的运行, 将设备中的数据传动到内存, 再从内存传送到设备, 监测设备的状态等。驱动程序主要由初始化函数、驱动接口函数、中断函数和设备的专有部分组成。
4.2 系统主模块的驱动程序设计
采集系统的前端信号通过A/D采集, 传入到FPGA内部的FIFO, 首先需要初始化设备, 初始化的函数为int_initfifo_init (void) , 从而完成设备的初始化, 相对应的注销函数为void_exitfifo_cleanup (void) , 释放系统的内存需要使用内核级函数kmalloc/kfree () 来实现, 中断程序的信号可以选用FPGA的FIFO半满信号, 将数据传动至缓冲区。
4.3 数据的采集、存储程序设计
数据的采集功能是读取两路的FIFO中的A/D转换数据, 将读取的数据存储在数据缓冲区内, 等待数据的读取和发送程序。数据采集和读取的程序框图为图3。数据的存储是读取数据缓冲区内没有内存贮到SD卡中的数据, 同时进行相应的标记, 表示数据已经被写入到了数据文件中, 数据存储的程序框图见图4。两路的FIFO被映射到外部寄存器空间的两个端口, 当中断程序工作时, 依次对着两个端口进行读取, 每次读取的一定的字节数。
5 结论
本文对高速嵌入式系统进行了初步的探讨, 探究了系统的系统设计方案、硬件选型、软件和程序的设计, 讨论了LINUX环境下的驱动程序的组成和主要功能, 介绍了高速嵌入式系统的部分模拟电路和数字电路, 同时介绍了主模块的程序设计方案和数据的采集、存储和读取的程序框图, 为高速嵌入式系统的设计提供了一定的理论指导。
参考文献
[1]薛国将.基于ARM的数据采集系统的研究与开发[D].武汉:中国地质大学, 2007.
[2]王卫国.嵌入式Linux在高速数据采集系统中的应用研究[D].西安:西北工业大学, 2004.
[3]俞坤师.基于ARM架构的无线数据采集与处理终端的研究与开发[D].武汉:武汉理工大学, 2008.
嵌入式数据采集仪 篇2
INTRODUCTION
With the wide use of the networked, intelligent and digital distributed control system, the data acquisition system based on the single-chip is not only limited in processing capacity, but also the problem of poor real-time and reliability.In recent years, with the rapid development of the field of industrial process control and the fast popularization of embedded ARM processor, it has been a trend that ARM processor can substitute the single-chip to realize data acquisition and control.Embedded ARM system can adapt to the strict requirements of the data acquisition system, such as the function, reliability, cost, size, power consumption, and so on.In this paper, a new kind of remote I/O data acquisition system based on ARM embedded platform has been researched and developed, which can measure all kinds of electrical and thermal parameters such as voltage, current, thermocouple, RTD, and so on.The measured data can be displayed on LCD of the system, and at the same time can be transmitted through RS485 or Ethernet network to remote DAS or DCS monitoring system by using Modbus/RTU or Modbus/TCP protocol.The system has the dual redundant network and long-distance communication function, which can ensure the disturb rejection capability and reliability of the communication network.The new
generation remote data acquisition and moni-toring system based on the high-performance embedded ARM microprocessor has important application significance.STRUCTRUE DESIGN OF THE WHOLE SYSTEM
The whole structure chart of the remote data acquisition and monitoring system based on embedded ARM platform is shown in Figure 1.In the scheme of the system, the remote I/O data acquisition modules are developed by embedded ARM processor, which can be widely used to diversified industries such as electric power, petroleum, chemical, metallurgy, steel, transportation and so on.This system is mainly used for the concentrative acquisition and digital conversion of a variety of electrical and thermal signals such as voltage, current, thermal resistance, thermo-couple in the production process.Then the converted data can be displayed on the LCD directly, and also can be sent to the embedded controller through RS485 or Ethernet network communication interface by using Modbus/RTU or Modbus/TCP protocol.The data in the embedded controller platform is transmitted to the work-stations of remote monitoring center by Ethernet after further analyzed and pro-cessed.At the same time, these data can be stored in the real time database of the database server in remote monitoring center.The system has the dual redun-dant network and long-distance communication
function, which can ensure the disturb rejection capability and reliability of the communication network.The hardware platform of the Remote I/O data acquisition system based on emb-edded ARM uses 32-bit ARM embedded microprocessor, and the software plat-form uses the real-time multi-task operating system uC/OS-II, which is open-source and can be grafted, cut out and solidified.The real time operating system(RTOS makes the design and expansion of the application becomes very easy, and without more changes when add new functions.Through the division of the appli-cation into several independent tasks, RTOS makes the design process of the application greatly simple.Figure 1 Structure of the whole system THE HARDWARE DESIGN OF THE SYSTEM
The remote I/O data acquisition system based on embedded ARM platform has high universality, each acquisition device equipped with 24-way acquisition I/O channels and isolated from each other.Each I/O channel can select a variety of voltage and current signals, as well as temperature signals such as thermal resis-tance, thermocouple and so on.The voltage signals in the range of 0-75 mV ,1-5V ,0-5V, and so on, the current signals in the range of 0-10mA and 4-20 mA, the thermal resistance measurement components including Cu50, Cu100, Pt50, Pt100, and the thermocouple measurement components including K, E, S, T, and so on.Figure2.Structure of the remote I/O data acquisition system based on ARM processor The structural design of the embedded remote I/O data acquisition system is shown in Figure 2.The system equipped with some peripherals such as power, keyboard, reset, LCD display, ADC, RS485, Ethernet, JTAG, I2C, E2PROM, and so on.The A/D interface circuit is independent with the embedded system, which is independent with the embedded system, which is system has setting buttons and 128*64 LCD, which makes the debugging and modification of the parameters easy.The collected data can be sent to the remote embedded controller or DAS, DCS system by using
Modbus/RTU or Modbus/TCP protocol through RS485 or Eth-ernet communication interface also, and then be used
for monitoring and control after farther disposal.The system of RS485 has a dual redundant network and long-distance communication function.As the embedded Ethernet interface makes the remote data exchange of the applications become very easy, the system can choose RS485 or Ethernet interface through jumper to communicate with host computer.Ethernet interface use independent ZNE-100TL intelligent embedded Ethernet to serial port conversion module in order to facilitate the system maintenance and upgrade.The ZNE-100TL module has an adaptive 10/100M Ethernet interface, which has a lot of working modes such as TCP Server, TCP Client, UDP, Real COM, and so on, and it can support four connections at most.Figure3.Diagram of the signal pretreatment circuit
Figure 3 shows the signal pretreatment circuit diagram.The signals of thermo-couple such as K,E,S,T etc and 0-500mV voltage signal can connect to the positive end INPx and the negative end INNx of the simulate multiplexers(MUX directly.The 4-20mA current signal and 1-5V voltage signal must be transformed by resis-tance before connecting to the positive end INPx and the negative end INNx of the MUX of certain channel.The RTD thermal resistance signals such as Cu50, Cu100, Pt50 and Pt100 should connect one 1mA constant current before connecting to the positive end INPx and the negative end INNx of the MUX of certain channel.Figure4.Diagram of ADC signal circuit Figure 4 shows the ADC signal circuit, which using the 16-bit ADC chip AD7715.The connection of the chip and the system is simple and only need
five lines which are CS(chip select, SCLK(system clock, DIN(data input, DOUT(data output and DRDY(data ready.As the ARM microprocessor has the characteristics of high speed, low power, low voltage and so on, which make its capacity of low-noise, the ripple of power, the transient response performance, the stability of clock source, the reliability of power control and many other aspects should be have higher request.The system reset circuit use special microprocessor power monitoring chip of MAX708S, in order to improve the reliability of the system.The system reset circuit is shown in Figure 5.Figure5.Diagram of system reset circuit
SOFTWARE DESIGN AND REALIZATION OF THE SYSTEM
The system software of the remote I/O data acquisition system based on embedded ARM platform use the real-time operating system(RTOS uC/OS-II, which is open-source and can be grafted，cut out and solidified.The key part of RTOS is the real-time multi-task core, whose basic functions including task management, resource management, system management, timer management, memory management, information management, queue management and so on.These functions are used though API service functions of the core.The system software platform use uC/OS-II real-time operating system core simplified the design of application system and made the whole structure of the system simple and the complex application hierarchical.The design of the whole system includes the tasks of the operating system and a series of user applications.The main function of the system is mainly to realize the initialization of the system hardware and the operating system.The initialization of hardware includes interr-upt、keyboard、LCD and so on.The initialization of operating system includes the control blocks and events control blocks, and before the start of multi-task schedu-ling, one task must be started at least.A start task has been created in this system, which is mainly responsible for the initialization and startup of clock, the start-up of interruption, the initialization of communication task module, as
well as the division of tasks and so on.The tasks must be divided in order to complete various functions of the real-time multi-task system.Figure6.Functional tasks of the system software Figure6 shows the functional tasks of the system software.According to importance of the tasks and the demands of real-time, the system applications are divided into six tasks with different priority, which including the tasks of A/D data acquisition, system monitoring, receive queue, data send, keyboard input, LCD display.The A/D data acquisition task demands the highest real-time requirements and the LCD display task is the lowest.Because each task has a different priority, the higher-priority task can access the ready one by calling the system hang up function or delay function.Figure7.Chart of AD7715 data transfer flow Figure 7 shows the data conversion flow of AD7715.The application A/D conversion is an important part of the data acquisition system.In the uC/OS-II real-time operating system core, the realization process of A/D driver depends mainly on the conversion time of A/D converter, the analog frequency of the conversion value, the number of input channels, the conversion frequency and so on.The typical A/D
conversion circuit is made up of analog multiplexer(MUX, amplifier and analog to digital converter(ADC.Figure8.Diagram of the application transfer driver Figure8 shows the application procedure transfer driver.The driver chooses the analog channel to read by MUX, then delay a few microseconds in order to make the signal pass through the MUX, and stabilize it.Then the ADC was triggered to start the conversion and the driver in the circle waiting for the ADC until its completion of the conversion.When waiting is in progress, the driver is detecting the ADC state signal.If the waiting time is longer than the set time, the cycle should be end.During waiting time of the cycle, if the conversion completed signal by ADC has been detected, the driver should read the results of the conversion and then return the result to the application.Figure9.Diagram of serial receive Figure9 shows the serial receive diagram with the buffer and signal quantity.Due to the existence of serial peripheral equipment does not match the speed of CPU, a buffer zone is needed, and when the data is sending to the serial, it need to be written to the buffer, and then be sent out through serial one by one.When the data is received from the serial port, it will not be processed until several bytes have been received, so the advance data can be stored in buffer.In practice, two buffer zones, the receiving buffer and the sending buffer, are needed to be opened from the memory.Here the buffer zone is defined as loop queue data structure.As the signal of uC/OS-II provides the overtime waiting mechanism, the serial also have the overtime reading and writing ability.If the initialization of the received data signal is 0, it expresses the loop buffer is empty.After the interrupt received, ISR read the received bytes from the UART receiving buffer, and put into receiving buffer region, at last wake the user task to execute read operation with the help of received signal.During the entire
process, the variable value of the current bytes in recording buffer can be inquired, which is able to shows whether the receive buffer is full.The size of the buffer zone should be set reasonable to reduce the possibility of data loss, and to avoid the waste of storage space.CONCLUSIONS
With the rapid development of the field of industrial process control and the wide range of applications of network, intelligence, digital distributed control System, it is necessary to make a higher demand of the data accuracy and reliability of the control system.Data acquisition system based on single-chip has been gradually eliminated because the problem of the poor real-time and reliability.With the fast popularization of embedded ARM processor, there has been a trend that ARM processor can alternate to single-chip to realize data acquisition and control.The embedded ARM system can adapt to the strict requirements of the data acquisition system, such as the function, reliability, cost, size, power consum-ption, and so on.In this paper, A kind of ARM-based embedded remote I/O data acquisition system has been researched and developed, whose hardware platform use 32-bit embedded ARM processor, and software platform use open-source RTOS uC/OS-II core.The system can be widely applied to electric power, petroleum, chemical, metallurgy, steel, transportation and so on.And it is mainly used in the collection and monitoring of all
kinds of electrical and thermal signals such as voltage, current, thermal resistance, thermocouple data of the production process.Then these data can be sent to the remote DAS, DCS monitoring system through RS485 or Ethernet interface.The system has the dual redundant network and long-distance communication function, which can ensure the disturb rejection capability and reliability of the communication network.基于嵌入式ARM平台的远程I / O数据采集系统的研究和开发
导言
随着网络化，智能化，数字化分布式控制系统的广泛使用，基于单芯片的数据采集系统不仅在处理能力上受限制，并且在实时性和可靠性方面也出现了问题。近几年来，随着工业过程控制领域的迅速发展和嵌入式ARM处理器的迅速普及，ARM处理器代替单芯片实现数据的采集和控制成为了趋势。嵌入式ARM系统能适应数据采集系统的严格要求，如功能性，可靠性，成本，体积，功耗等等。
在本文中提出一种新型的基于ARM嵌入式平台的远程I / O数据采集系统已被研制开发，它可以衡量各种电气和热参数，如电压，电流，热电偶，热电阻等等。那个测量数据可以显示在液晶显示器的系统中，同时可通过使用Modbus / RTU或的Modbus / TCP协议从RS485或以太网网络传送到DAS或DCS远程监控
系统。该系统具有双冗余网络和长途电通信功能，它可以确保通信网络的干扰抑制能力和可靠性。基于高性能嵌入式ARM微处理器的新一代远程数据采集和监控系统具有重要的应用意义。
整个系统的结构设计
基于嵌入式ARM的平台的远程数据采集和监控系统的整个结构图在以下的图1中展示。在这系统的计划中，通过使用广泛用于多种行业如电气电力，石油，化工，冶金，钢铁，运输等的嵌入式ARM处理器来开发远程I / O数据采集模块。该系统主要用于的集中采购和将各种电和热信号如电压，热电阻，热电偶在生产过程中进行数字转换。转换的数据可直接在液晶显示器上显示，也可以通过使用的Modbus / RTU或的Modbus / TCP协议的RS485总线或以太网网络通信接口被发送到嵌入式控制器。嵌入控制器平台的数据通过进一步以太网的分析和处理被传送至远程监控中心的工作站。与此同时，这些数据可以存储在远程监控中心数据库服务器的实时数据库中。该系统具有双冗余网络和远程通讯功能，它可以确保通信网络的干扰抑制能力和可靠性。
基于嵌入式ARM远程I / O数据采集系统的硬件平台使用32位ARM嵌入式微处理器和软件平台使用的是开源的并且可移植，削减和巩固的实时多任务操作系统的第二代UC / OS核心。实时操作系统（RTOS）使设计和应用的扩大变得非常容
易，增加新的功能时也没多大变化。通过几个独立的任务的应用，实时操作系统使得应用的设计过程极为简单。
系统的硬件设计
基于嵌入式ARM平台的远程I / O数据采集系统具有很高的普遍性，每个购置设备配备24收购方式的I / O渠道且彼此孤立。每个I / O通道可以选择不同的电压和电流信号，以及温度信号如热电阻，热电偶等。在05V的,010毫安和4100TL智能嵌入式以太网串口转换模块。该ZNE500mV的电压信号可以直接接到模拟多路复用器（复用器）的INPx正极和INNx负极。45V的电压信号必须用阻抗转换。热电阻的电阻信号如Cu50，Cu100，Pt50和Pt100应在接到某些频道的复用器INPx正极和INNx负极前连接一1毫安的恒流源。
图4显示了使用16位ADC芯片AD7715的ADC信号电路。芯片与系统的连接非常简单，只需要CS（芯片选择），SLCK（系统时钟），DIN（数据输入），DOUT（数据输出）和DRDY（数据准备）5根线。
由于ARM微处理器具有高速，低功耗，低电压等优点，这使它在低噪音，纹波权力，瞬态响应性能，时钟来源的稳定，功率控制和许多其他方面需要有更高的要求。为了改善系统的可靠性该系统复位电路中使用特殊的微处理器电源监测芯片MAX708S。图5展示了该系统复位电路。
系统软件的设计与实现
基于嵌入式ARM平台的远程I / O数据采集系统的软件使用的是开源的并且可移植，削减和巩固的实时多任务操作系统的第二代UC / OS核心。RTOS的关键部分是实时多任务的核心，其基本功能包括任务管理，资源管理，系统管理，计时器管理，内存管理，信息管理，队列管理等。通过API服务职能核心使用这些功能。
该系统软件平台使用的是单一化的uC/ OS第二代实时简化操作系统核心，使整个结构系统简单和应用层次复杂。整个系统的设计包括操作系统的任务和一系列的用户应用程序。系统的主要职能是实现系统硬件和操作系统的初始化。硬件初始化包括中断，键盘，液晶显示器等。操作系统初始化包括控制模块和事件控制，在多任务调度前，至少有一个任务开始。一个开端任务已建立在这一系统，这系统主要负责初始化和启动的时钟，开办中断，通信任务模块的初始化，以及任务分工等。为了完成实时多任务系统的多种职能那个任务必须被划分。
图6显示系统软件的功能任务。根据任务的重要性和实时要求，系统的应用曾划分为六个不同优先级的任务，其中包括A / D数据采集任务，系统监控，接受队列，数据传送，键盘输入，液晶显示屏显示。A / D数据采集任务要求最高的实时要求和液晶显示器显示任务是最低的。因为每个任务都有不同的优先事项，通过使用系统挂断功能或延迟功能更高的优先任务可以开始已经准备好的任务。
图7显示的是AD7715的数据转换流。A / D转换器的应用是数据采集系统的一个重要组成部分。在uS/ OS的第二代实时操作系统的核心中，A / D驱动程序的实现过程主要取决于A / D转换器的转换时间，有转换价值的模拟频率，输入通
道的数量，转换频率等等。典型的A / D转换电路由模拟复用器（复用器），放大器和模拟到数字转换器（ADC）组成。
图8显示了申请程序转移的驱动程序。驱动程序可以在模拟通道读取由复用器，那么几微秒的延迟，以便使信号通过多路开关，并使其稳定。然后，当转换开始时，ADC被触发，并且驱动程序在一个周期内等待ADC的触发，直到完成转换。当等待的进展，该驱动程序检测ADC的状态信号。如果等待时间比规定的时间越长，周期应该结束。在等待的周期时间，如果转换完成ADC的信号被检测到，驱动程序应改为转换的结果，然后将结果返回给应用程序。
图9显示了缓冲区和信号量的序列接收图。由于外围串行设备的存在CPU的运行速度匹配，一个缓冲区是必要的，当数据发送到序列，它必须被写入缓冲区，然后通过串行逐一地被发送出去。当从串行端口收到数据，这些数据将不会被处理直到收到一些字节，因此先前的数据可以存储在缓冲区中。在实践中，两个缓冲区，一个接收缓冲区和一个发送缓冲区，它们是需要从内存开放出来。在这里缓冲区像循环队列数据结构一样被定义。
由于uC/OS-II提供额外时间等待机制的信号，串口也具有额外的阅读和写作能力。如果收到的数据信号初值为0，它表示循环缓冲区是空的。在中断收到后，ISR从UART接受缓冲区中读到收到的数据，并投入接收缓冲区域，最后通过收到的数据开始用户执行读操作的的任务。在整个过程中，变量价值目前字节在存储缓冲区中的字节的变量值是可以被询问的，这能够表明接收缓冲区是否已满。为了降低数据丢失的可能性和避免浪费存储空间应合理地设置缓冲区的大小。
结论
随着工业过程控制领域的快速发展和网络，智能，数字化分布式控制系统广泛应用，有必要发展对数据准确性和控制可靠性要求更高的系统。由于较差的实时性和可靠性基于单片机数据采集系统已逐步被淘汰。随着嵌入式ARM处理器的迅速普及，ARM处理器替代单芯片实现数据采集与控制成为了一种新的趋势。嵌入式ARM系统能够适应数据采集系统的严格要求，如功能，可靠性，成本，大小，耗电量等等。
用心采集数据，提升实验效率 篇3
一、指导仪器的用法
数据也称观测值，它来自实验测量、观察。测量和观察的准确性在实验过程中起着重要的作用。如果实验过程中，某种仪器使用不当或观察方法不正确，就会使实验数据失真，出现错误的实验结论。
例如，有位教师在测量水的温度时对一杯热水的温度变化进行测量，要求学生每隔2分钟观察一次杯中水的温度，然后记录下来。教师忘记强调读数时不能拿出温度计，结果学生在实验的过程中为了方便观察，每隔2分钟就把温度计拿出水面，使数据失真，严重影响最后的测量结果。
由此可见，指导学生正确地测量是获取真实的数据的基础，也是成功探究的一个重要因素。教师要耐心、认真地指导学生正确地使用实验仪器，指出使用过程中的注意事项。
二、精心选择材料
在探究活动中，教师要让学生选择典型的有结构的材料，因为只有这些材料才能凸显事物的本质特征，才能从中捕捉客观的数据，得出结论。
如在教学“物体在水中是沉还是浮”时，按照书本的意图，教师让学生自备萝卜来研究由同一种材料构成的物体在水中的沉浮规律，结果有些组改变萝卜的轻重和体积大小后，沉浮不变；有些组在改变萝卜的轻重和体积大小后，沉浮有变化，先浮后沉，这到底是怎么回事呢？教师发现，有些组的萝卜是空心的，切小后，由于长时间浸在水中，萝卜的重量增加，大于浮力，因此比较容易下沉。教师课前预设的“改变萝卜的轻重和体积大小，沉浮不变”与学生的实际结果产生了矛盾，数据缺乏客观性，不能得出正确的结论。假如在课前，教师能考虑到萝卜的这些特殊因素，让学生选择有结构的材料来做实验，学生就能轻而易举地发现由“同一种材料构成的物体在水中改变它们的轻重和体积大小，沉浮不变”的规律。
因此，教师在学生实验前，要为学生精心挑选有结构的材料，努力创造条件让学生采集到客观的数据，发现规律性的东西。在每一次实验前，教师必须反复尝试，发现实验中较难控制的无关变量，了解实验中需注意的事项，为学生的实验能顺利进行，为实验后学生能获取客观的数据做好充分的准备。
三、制定研究方案
实验研究方案的设计是得到有效数据的前提和保障。在实验前，教师要指导学生设计和制定周密的实验方案，站在学生的角度，与学生一起思考实验中可能出现的突发情况，使学生对即将开展的实验了然于心，这样就不会产生错误数据和无效数据了。
在“100毫升水能溶解多少克食盐”的实验中，有这样一个案例：
师：100毫升水大约能溶解35克食盐，你们如何证明？
生1：先测出一勺盐是多少克，再一勺一勺地放进水杯里，数出有几勺盐，再折算成几克。
师：一勺盐有多有少，怎样保证每一勺基本相同？
生2：用筷子在勺子上平勺，保证每次都一样。
师：那么怎样加盐呢？
生3：我们组打算一勺一勺地加。
生4：这样不行，应该先放15勺再放10勺然后慢慢减少，最后一勺一勺地放。
师：你们为什么要这么放呢？请说明理由。
生4：我们在上次做实验时发现，越到后面，食盐溶解的速度越慢。一开始食盐溶解得快就多放节省时间，后来溶解慢，就要一勺一勺地放，否则不知道水里还能溶解几勺盐。
师：最后一勺盐要不要计算？为什么？
生5：不计算，因为这勺盐已经不能溶解。
在案例中，教师充分把握了实验的细节，让学生在思考、议论中发表各自独特的见解，攻破实验中的一个个难点。这样，学生就能在有限的时间内顺利地做实验，少走弯路，有效地保证每一个实验数据的准确性，成功地完成实验任务，揭示规律。可以说，统计数据来源于实验方案，有了好的方案才有真实的数据，才能保障得出的结论是正确的、科学的。
四、设计记录方式
学生对科学概念的建构还处于直观形象的阶段，必须有直观并富有冲击力的证据放在面前，才能得出准确的结论。因此，教师要帮助学生设计形式多样的记录方式，整理、汇总数据，并借助直观的数据变化，挖掘事物的本质。如在“抵抗弯曲”中，宽度和厚度会影响纸的抗弯曲能力，但是厚度比宽度抗弯曲的能力更强。教材上的两个实验是独立的，虽然最后也有比较，学生也能模糊感觉厚度抗弯曲能力更强一些，但是总觉得没有说服力，如果这时将两者的数据结合起来，设计成表格，效果就不一样了。
通过横向、纵向的数据的观察和比较，学生就能发现，纸越宽抗弯曲能力越强，纸越厚抗弯曲能力越强。同样的条件下，纸的厚度抗弯曲能力比宽度更强。
在执教“一天的垃圾”时，我请学生在课前收集家中一天所产生的垃圾的量，通过Excel表格汇总数据。然后，我引导学生把这些垃圾的数量折算成学生能看得见的塞满垃圾的大垃圾袋的个数，之后继续折算为塞满垃圾的教室的数量，让学生进一步感受数据的冲击力。
在四年级上册的“温度与气温”中，教师可以用折线图记录学生一天中测量的不同时间段的气温。
通过折线图，学生能直观形象地感受到一天中温度的变化规律——从凌晨开始先慢慢上升，下午两点开始慢慢下降。如果用表格记录，是达不到这一视觉效果的。
在“点亮小灯泡”中，我让学生尝试用多种方法点亮小灯泡并画出简单的电路实物图。对四年级的学生来说，这有一定的难度，弄不好会影响教学的进度，但又不能没有记录，怎么办？我在教学实践中事先剪下一组灯泡和电池实物图，让学生采取贴图画导线的方法记录，这样既省时又高效。
总而言之，实验离不开记录，形式多样且切实有效的记录方式，为学生铺设了一条道路，使原本杂乱、无序的数据变得有序，更利于学生找寻、分析事物的规律。
五、开展实验探究，完成数据的收集
为了采集到全面而真实的实验数据，学生要全身心地投入实验。但是有的学生要么随便填数据，要么干脆空着，这样的实验效果可想而知，学生根本不可能从中发现事物的潜在规律，勉强找到的这些所谓的数据也毫无实证价值。因此，教师要为学生创设一个安静的实验探究氛围，给学生充足的时间，让学生集中精力，按实验步骤有条不紊地操作，及时把握时机收集有效的数据，从数据信息中发现问题。
数据是学生观察和实验的最重要的实证之一，是作出解释的最重要的依据，是学生形成科学认识的有力武器。在小学科学教学中，我们要充分利用数据，用事实说话。采集数据是数据求证活动中的重要环节，数据的有效性将直接影响学生对数据的整理和分析以及运用数据进行解释的实效性，因此，教师一定要把采集有效数据放在首要位置。
嵌入式USB便携数据采集卡研究 篇4
CY7C68013属于EZ-USB FX2系列, 架构图如图1所示:
FX2集所有USB外围要求的特点于一身, 为外围提供D+、D-两条USB连接线, SIE (串行接口引擎) 对串行数据编、解码, 并进行错误校验、位填充和其他USB传输的信号级任务。最终将串行数据变为并行数据与USB Interface间通讯。SIE操作在全速和高速模式, 为了增加USB2.0的带宽, 端点FIFO和从FIFO是一致的, 这样可以节省内部数据传输时间。CPU是增强的8051内核, 使用内部RAM来存储程序和数据。CPU在USB通讯中的角色是双重的, 第一, 通过控制端点服务主机请求, 实施高速USB协议。第二, 可以使用普通的8051功能。对USB通讯来说, 51内核的功能只是简单的配置接口, 监控传输, 本身并不会参与到传输中。
2 采集卡硬件电路设计
2.1 AD转换部分硬件设计
该设计中使用了AD7492作为主采样器件, 这是一款12位高速, 低功耗, 持续逼近型ADC, 操作电压2.7V-5.25V, 设计中使用了SV单电源供电, 采样频率高达1MSPS, 内部有低噪音、宽带宽的跟踪保持放大电路, 可以处理的带宽达到10MHz。
AD7492很容易与微处理器或DSP接口。输入信号从CONVST的下降沿开始被采样, 转换也从此点启动。忙 (BUSY) 信号线在转换起始时为高电平, 880ns后跳变为低电平以表示转换结束。没有与此过程相关的管线延时。转换结果是借助标准CS和RD信号从一个高速并行接口存取的。AD7492采用先进的技术来获得高数据通过率下的低功耗。在5V电压下, 速度为1MSPS时, 平均电流仅为1.72ma;它还可对可变电压/数据通过率进行管理。在5V供电电压和500kSPS数据通过率下的消耗电流为1.24mA。
这款芯片可以操作在全休眠模式或者部分休眠模式, 在转化结束后, 芯片自动进入休眠模式以减小高速时的功耗, 休眠模式可以通过pS/FS引脚选择, 其电路图如图2所示。
2.2 CPU与EEPROM的接口电路
CY7C68013芯片本身不带ROM, 所以扩展一片64Kbit的I2C串行E2PROM存储程序代码。该芯片为低功耗应用而开发, 可以充分利用FX2的I2C接口而不用占用其它I/O接口, 电路图如图4所示。
2.3 CPU与键盘、显示的接口电路
由于56引脚的68013只有PA, PB, PD三组IO, 对于12位的AD, 使用了PB, PD的第二功能, 配置为FD (Fifo Data) 。这样就只剩下PA口8个引脚可用, 不足以完成键盘、显示、测试预留等功能。所以采用了PCF8574 I2C转I0口的方式进行扩展。这样也可以留出足够的IO口用于扩展和测试。 I2C总线是PHILIPS公司推出的芯片间串行数据传输总线, 两根线 ( (SDA, SCL) 即可实现完善的全双工同步数据传送。能够十分方便地构成多机系统和外围器件扩展系统。I2C器件是把I2C的协议植入器件的I/0接口, 使用时器件直接挂到I2C总线上, 这一特点给用户在设计应用系统带来了极大的便利。I2C器件无须片选信号, 是否选中是由主器件发出的I2C从地址决定的。而I2C器件的从地址是由I2C总线委员会实行统一发配。PCF8574A的从地址是0x70a, 本设计中用到的显示模块是FDC-645模块, 是由六位数字显示的串行LCD。模块中常用的引脚有WR, CS和DAT, 占据了CPU的PA^3, PA^4, PA^5。
3 采集卡固件程序设计
关于USB的中断部分可以通过固件架构来负责处理。它针对USB事件的用户程序代码的声明提供了多个相对应的副函数钩子, 而固件架构之所以会这样设计与规划, 这是由于当Windows出现“发现新硬件”的窗口精灵时, 在等待用户按下“OK”信息按钮的这段时间, Windows就会忽略重新设备列举事件。
固件架构包含了很多的副函数钩子, 这些钩子就是应用程序之间的桥梁, 用于应用程序间互相交换数据等。所有的副函数钩子可以分为三类, 即工作分配器、标准设备请求剖析器、USB中断服务例程等。
工作分配器主要包括以下几个函数, void TD_Init (void) 在初始化 (包括设备重新列举前和后) 时被调用, 可在此设置全局变量的初始值。Void TD_Poll (void) 在设备操作过程中重复调用, 要执行的工作要在该函数中完成。
固件的while (1) 循环中调用了该函数。BOOL T'D_Suspend (void) 在设备固件进入中止模式前加以调用。void TDee Resume (void) 在外部有Resume事件时才会调用, 执行此函数后, 设备进入全功率模式。
设备请求剖析器主要包括取得描述符、设置接口、取得接口、取得配置等等的若干个函数。他们在固件架构解出程序代码后, 如果要实现上述功能, 便调用这些剖析器函数。如果在这些函数里面返回“TRUE”, 则实现该命令, 否则就忽略该请求不做任何事情。以取得设备描述符函数为例:
返回TRUE, 当设备有该请求时, 固件架构将实现该请求。其它与此类似。固件的中断服务例程中包括了对USB中断的服务处理。如端点的数据输入输出中断, USB中止中断, USB设置封包 (setup token) 中断等等。
4 结论
本文综合了USB技术与嵌入式技术的优点, 完成了数据采集卡硬件和软件部分的设计, 并从理论的角度分析了采样的速度。对于硬件的设计, 因为涉及到高频信号, 抗干扰性的设计尤其重要。建立在良好的硬件的基础上, 软件的设计相对较为简单。本文中主要从USB设备的特点和结构, 并进一步介绍了Linux下USB设备驱动程序的编写和使用等内容。不同的USB设备需要不同的驱动程序, 这些需要根据设备的功能以及用户对设备的要求来编写。由于设备文件系统的使用, 对于设备可以像操作文件一样使用, 不用记忆每个驱动中不同的入口函数等内容, 利于设备使用方法的统一。
参考文献
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嵌入式数据采集仪 篇5
发 布 时 间 : 2008-11-19 来 源 : 中电网 作 者 : 张永强,赵永勇,李崇德 浏 览 :
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多媒体通信技术的发展为信息的获取和传输提供了丰富的手段，视频采集是其中不可缺少的重要组成部分，该系统基于S3C2410的ARM9芯片和嵌入式Linux操作系统，采用USB摄像头捕捉视频，经MPEG-4算法压缩编码，系统直接与网络相连，用户使用标准的网络浏览器和流媒体播放程序即可查看远程视频影像。硬件系统
系统硬件平台选用基于ARM9架构嵌入式芯片S3C2410，稳定工作在202MHz主频，板载64MB SDRAM 64MB FLASH，主板资源包括：主USB口、从USB口、10M/100M以太网口，触摸屏、彩色LCD、键盘、8个用户自定义LED数码管，A/D，RTC电路,2个串口、1个JTAG通用接口，音频模块，支持MPEG4，MP3编解码，3个168PIN的扩展插座，32位的数据总线，保留充分扩展空间。
其中标配模块包括：IC卡+PS2模块、IDE硬盘+CF卡模块、PCMCIA+SD/MMC模块。另外可选配模块有：GPS模块，GPRS模块，FPGA模块，CAN+AD+DA模块、红外模块、蓝牙模块、摄像头模块。软件系统
2.1 内核配置与USB摄像头驱动
假定已经搭建好嵌入式Linux的开发环境，下面第一步工作就是USB摄像头的安装与驱动。首先检查Linux Kernel中是否已经添加了USB模块的支持，并且加入Video4Linux支持。
Multimedia devices→Video For Linux
Video For Linux→[*]V4L information in proc filesystem
在主菜单的USB Support下还有各种摄像头的驱动，选中将要使用的摄像头芯片类型。
<>USB IBM(Xirlink)C-it Camera support<*>USB OV511 Camera support<>USB Philips Cameras <>USB SE401 Camera support<>USB STV680(Pencam)Camera support<>USB 3com HomeConnect(akavicam)support 在USB摄像头选购时，优先考虑Linux内核公开支持的摄像头芯片，不然要额外编写相应的USB摄像头驱动程序，然后进行编译、安装。在此选用网眼公司的V3000产品，他采用了OV511的芯片。
确定USB摄像头被正常驱动后，下一步就是使用Video4Linux提供的API函数集来编写视频采集程序。
2.2 基于V4L设计的视频采集模块
在Linux下，所有外设都被看成是一种特殊的文件，称为设备文件。系统调用是内核和应用程序之间的接口，而设备驱动程序则是内核和外设之间的接口。他完成设备的初始化和释放、对设备文件的各种操作和中断处理等功能，为应用程序屏蔽了外设硬件的细节，使得应用程序可以像普通文件一样对外设进行操作。
Linux系统中的视频子系统Video4Linux为视频应用程序提供了一套统一的API，视频应用程序通过标准的系统调用即可操作各种不同的视频捕获设备。Video4Linux向虚拟文件系统注册视频设备文件，应用程序通过操作视频设备文件实现对视频设备的访问。
Linux下与Video4Linux相关设备及用途如表1所示。
这里主要针对设备文件/dev/video进行视频捕捉方面的程序设计。
Linux下视频采集流程如图2所示。
其中用到的主要函数有：
Camera_open()：用来开启视频设备文件，使用前需要首先声明一个video_device类型的设备文件。
Camera_get_capability()：通过调用ioctl()函数取得设备文件的相关信息，并存放到video_capability结构里。
Camera_get_picture()：通过调用ioctl()函数取得图像的相关信息，并且存放到video_picture结构里。
Camera_close()：用来关闭设备文件。Camera_grab_image()：用来抓取图像，采用mmap方式，直接将设备文件/dev/video0映射到内存，加速文件I/O操作，还可以使多个线程共享数据。
剩下的还有设备初始化、参数设备等相关函数，不再详述。
2.3 视频压缩编码模块
获取图像数据后，可以直接输出到FrameBuffer进行显示，由于本系统要将采集到的视频影响通过网络传输出去，所以在传输之前要对原始的图像数据进行压缩编码，在此选用MPEG-4视频编解码方案。和其他标准相比，MPEG-4压缩比更高，节省存储空间，图像质量更好，特别适合在低带宽条件下传输视频，并能保持图像的质量。
MPEG-4中基于对象的视频编码过程可以分为3步进行：
(1)从原始视频流中分割视频对象。
(2)对视频对象进行编码，对不同视频对象的运动信息、形状信息、纹理信息分配不同的码字。对输入的任意形状的VOP序列，用基于块的混合编码技术编码，处理顺序是先IVOP后PVOP，BVOP。在对VOP的形状信息编码后，取得任意形状VOP的采样，每个VOP划分为不相交的宏块，每个宏块含有4个8×8象素块进行运动补偿以及纹理编码，已编码的VOP帧保存在帧存中，在当前VOP帧和已编码VOP帧之间的计算运动矢量;对将编码的块和宏块，计算他们的运动补偿预测误差;运动补偿预测后的IVOP及误差用8×8块DCT变换，并进行DCT系数的量化，然后是游程编码和熵编码。
(3)对各个视频对象的码流进行复合，每个视频对象的形状、运动纹理信息复合成VOL比特流，各视频对象视频流复合成统一的码流输出。对视频流进行压缩编码以后，接下来就要实现网络传输部分的功能。
2.4 JRTPLIB网络传输模块
流媒体指的是在网络中使用流技术传输的连续时基媒体，RTP是目前解决流媒体实时传输问题的好办法，JRTPLIB是一个面向对象的RTP库，他完全遵循RFC1889设计，下面讲述如何在Linux平台上运用RTP协议进行实时流媒体编程。
2.4.1 初始化 在使用JRTPLIB进行实时流媒体数据传输之前，首先应该生成RTPSession类的一个实例来表示此次RTP会话，然后调用Create()方法来对其进行初始化操作。RTPSession类的Create()方法只有一个参数，用来指明此次RTP会话所采用的端口号。
2.4.2 数据发送
当RTP会话成功建立起来之后，接下来就可以开始进行流媒体数据的实时传输了。首先需要设置好数据发送的目标地址，RTP协议允许同一会话存在多个目标地址，这可以通过调用RTPSession类的AddDestination()、DeleteDestination()和ClearDestinations()方法来完成。目标地址全部指定之后，接着就可以调用RTPSession类的SendPacket()方法，向所有的目标地址发送流媒体数据。
2.4.3 数据接收
对于流媒体数据的接收端，首先需要调用PollData()方法来接收发送过来的RTP或者RTCP数据报。由于同一个RTP会话中允许有多个参与者(源)，因此既可以通过调用GotoFirstSource()和GotoNextSource()方法来遍历所有的源，也可以通过调用GotoFisstSourceWithDat()和GotoNextSourceWithData()方法来遍历那些携带有数据的源。在从RTP会话中检测出有效的数据源之后，接下去就可以调用RTPSession类的GetNextPacket()方法从中抽取RTP数据报，当接收到的RTP数据报处理完之后，要及时释放。
JRTPLIB为RTP数据报定义了3种接收模块，通过调用RTPSession类的SetReceiveMode()方法可以设置下列这些接收模式：
RECEIVEMODE_ALL：缺省的接收模式，所有到达的RTP数据报都将被接受;RECEIVEMODE_IGNORESOME：除了某些特定的发送者之外，所有到达的RTP数据报都将被接受，而被拒绝的发送者列表可以通过调用AddToIgnoreList()，DeleteFromIgnoreList()和ClearIgnoreList()方法来进行设置;RECEIVEMODE_ACCEPTSOME：除了某些特定的发送者之外，所有到达的RTP数据报都将被拒绝，而被接受的发送者列表可以通过调用AddToAcceptList()，DeleteFromAcceptList和ClearAcceptList()方法来进行设置。
2.4.4 控制信息 JRTPLIB是一个高度封装后的RTP库，只要PollData()或者SendPacket()方法被成功调用，JRTPLIB就能够自动对达到的RTCP数据报进行处理，并且还会需在要的时候发送RTCP数据报，从而能够确保整个RTP会话过程的正确性。
在本系统中，使用RTPSession JRTPLIB类库提供的方法来实现底层的RTP/RTCP操作，并且把他封装在CrtpTransmitter类中，该类从Media Sink类继承而来，接收到相应的媒体帧数据，使用RTPSession类库的操作把数据发送到网络上。结语
嵌入式数据采集仪 篇6
1 系统结构原理
流域、水库多处偏远的山岭地带, 缺电、环境恶劣、信息采集点分散、各采集点需采集的数据少 (水位、雨量、流量等几个数据) 、技术力量差 (常无人或只有文化较低的值班员) 等, 要能及时监测水文水情变化情况, 建立起完善的自动监测系统和水文水情数据采集信息, 提高水文工作质量, 为防治水、旱灾害提供现代化的技术支持和服务, 给水文水情监测提出了新的技术要求。本文利用现代电子技术、传感技术、通信技术和计算机技术, 提出基于嵌入式的水文水情数据采集系统, 能较好地实现水文水情的实时监测, 而且采用无线网络传输数据, 实现数据传输的高效率、低成本及实时性[2]。
各采集点的雨量、水位等数据在遥测终端 (可用嵌入式系统ARM9开发) 处理后, 由232串口连接到CDMA, 经互联网传送到数据中心。各遥测终端 (采集点) 与中心采用领牌通讯方式[3]。申请一个域名地址, 建立网络数据库, 遥测终端定时或触发方式访问网络数据库中的令牌, 读取命令或编码发送数据及站点地址信息, 中心站也定时或人工干预方式访问网络数据库中的领牌, 读取数据或发布命令。采用令牌通讯方式, 实现一对多通讯。同时, 可节约网络数据库空间, 减少费用。遥测终端采用太阳能供电, 解决缺电问题[4]。
2 系统工作方式及系统功能
2.1 系统工作方式
在水文水情数据监测系统中, 可采用自报式、查询应答式和自报/查询应答式3种工作方式之一。
2.1.1 自报式
自报式是一种不受中心站指令控制的工作方式, 当水文水情下位数据遥测终端的测量参数 (水位、雨量等) 发生一个按预先规定的数据变化时, 自动向上位机服务器中心发送水文水情信息。采用自报式工作方式, 设备功耗低, 实时性强。
2.1.2 查询应答式
遥测终端只对水文水情参数的变化自动采集与存储, 不主动发送给服务器中心, 只有当中心站发出查询指令时, 才将水文水情信息上传。特点是可控性好, 中心服务器可以随机或定时地对遥测终端进行巡测[5]。缺点是遥测终端随时处于工作状态, 以便接受中心站的指令, 上传数据, 终端值守功耗较大。
2.1.3 自报/查询应答式
以自报式为主, 查询应答式作为辅助。综合自报和应答2种方式的特点, 既能实时自报, 又具有受控功能, 功能相对较强。可以定时、定点、变化量以及阀值变化后触发上传数据。
2.2 系统功能
2.2.1 雨量监测
实时采集雨量数据, 记录雨量变化情况。当有降雨时, 对降雨情况进行监测, 降雨量每达阀值 (1 mm) 时, 发送一次数据。
2.2.2 水位监测
实时监测并记录水位变化情况。当水位变化量达阀值 (1 cm) 时, 发送一次数据;
2.2.3 状态监测
对遥测终端状态进行监控, 查询远程设备工作状态 (电压、运行情况等) , 设备复位等。
2.2.4 告警控制
通过设置监测点的基准值 (正常值) 及报警阀值, 并对实时采集数据进行分析, 出现异常时, 通过报警声、颜色及图标变化等方式向值班人员报警。
2.2.5 统计分析
水情采集数据包含有对水利建设, 灾害防控具有重要价值的信息。但这些数据必须进过统计分析后, 才能以直观的表现形式呈现出来, 为水利建设、灾害防控提供参考。本系统可设计按各种统计查询条件生成满足查询要求的各种统计图表, 如各站实时降雨量数据采集表;各站实时水位变化表采集表;各站降雨量日报、月报、年报;各站水位变化日报、月报、年报;各站降雨量逐时变化统计图, 时间轴可以是分、小时、天、月、年等;各站水位变化逐时统计图, 时间轴可以是分、小时、天、月、年等;各种汇总统计图表及趋势分析图等。
2.2.6 扩展性
系统要能扩展方便、灵活, 满足实际需要。
2.2.7 系统管理
用于系统基本字典信息维护, 参数设置, 系统用户的增、删、改管理, 权限控制, 口令修改等。
3 结语
随着科学技术不断进步和发展, 水文水情监测系统需要实现数据信息的共享, 实现水文监测功能的同时满足水文管理的要求, 增强和完善系统服务功能, 扩大监测的覆盖面积, 减少人力、财力和物力, 使资源利用率最大化。采用先进的通信方式, 解决在偏远无网络地区的数据采集和传输, 建设网络信息化, 特别是对经济欠发达的西南地区水文水情监测有重大的使用价值和现实意义。
本文提出的基于嵌入式的水文水情数据采集系统, 能实现水文水情的实时监测。采用无线网络传输技术, 可以实现高效率、低成本以及实时性数据传输。这对于目前的水文水情监测系统无疑是一较大的突破和改进。基于嵌入式的水文水情数据采集系统的设计思想还可以应用到更多的领域中, 如气象数据监测、灌区计量等野外以及偏远地区等环境恶劣的领域。
参考文献
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嵌入式数据采集仪 篇7
应急通信网络是应付紧急情况临时搭建的通信系统, 该网络是一个易受攻击的系统, 可能受到恶劣的外界环境、强干扰等多种因素的影响, 这些都使网络中的软硬件资源故障发生率居高不下。因此需要引入监控系统对其软硬件资源进行实时监控管理, 数据采集作为监控系统的基本功能, 采集的方式将直接影响到通信网络的整体性能。考虑应急通信网络具有小型化、节能、可移动性、简单易操作等特点, 数据采集系统应采用当前流行的嵌入式系统结构。嵌入式系统本身集成CPU、内存、FLASH、网口、串口、PCI接口等硬件资源, 数据的采集和处理工作主要通过嵌入式系统的资源完成, 从而减少了应急通信网络资源的消耗。
1 数据采集系统的硬件设计
系统的硬件结构框图如图1所示, 在硬件配置上以Intel公司的IXP425网络处理器为核心, 其内部的SDRAM控制器与四片HY57V561620CTP-H芯片相连, 构成128M动态存储空间;扩展总线上连接了两片JS28F128J3D75芯片组成32M的FLASH存储空间, 用来存放启动代码、操作系统、文件系统和数据采集程序;处理器的媒体独立接口与一片LXT972C芯片相连, 向外提供10/100M自适应网络接口。扩展板上包含RJ45以太网接口、PCI接口、调试串口、通讯串口等, 以太网接口与核心板LXT972C芯片相连, 负责主机数据和网络信息数据的传输;PCI接口与IXP425内部的PCI总线相连, 负责主机数据的传输和主机信息的采集;调试串口和通讯串口分别与IXP425内部的两个高速串行接口相连, 调试串口主要用于接收和发送调试信息, 通讯串口主要用来采集不支持PCI接口和网络通讯的设备信息。
2 数据采集系统的软件设计
本系统采用主动采集和被动采集相结合的采集方式, 主动采集主要应用简单网络管理协议 (SNMP) , 而被动采集主要采用网络探针和收集SNMP Trap报文的方法, 具体的数据采集结构如图2所示。
SNMP协议是应用层的通信协议, 主要采用Client/Server架构, SNMP协议定义了数据包的格式, 并且对外提供了用于控制管理信息库 (MIB) 对象的基本操作命令。基于SNMP协议的数据采集, 在实现上主要完成两部分的设计:管理者和管理代理。管理者运行在嵌入式板卡端, 负责构造SNMP请求报文, 与驻留在网络结点中的代理 (agent) 交换信息, 同时异步接收代理发送的Trap消息。而代理运行在被监控的网络结点中, 负责维护结点的状态信息, 接受管理者的查询, 而且当结点发生特定的事件的时候, 代理根据预先设定好的告警机制向管理者发送状态改变Trap消息, 目前网络主机和网络设备都提供了SNMP协议支持, 而且可以根据监控系统的需要对代理程序进行扩展。
网络探针是一种新兴的数据采集技术, 它是对计算机接入网络进行控制的一种程序。主机与板卡之间底层硬件通信结构如图3所示, 主机与板卡之间是利用PCI总线传输数据的, 两端的驱动程序采用网络驱动模型。发送数据流程为:主机应用程序调用板卡驱动程序将数据封装成数据链路层数据帧的格式, 之后调用PCI驱动程序将数据发送给板卡, 板卡驱动程序接收到数据包之后判断数据帧的目的地址, 如果是板卡与主机的内部通信地址, 则传送到板卡上层应用程序进行处理, 如果是外网地址, 则将数据帧的源地址改为板卡的有效地址将数据帧发送至外网。探针主要用来侦听传入的数据包, 在板卡接收数据包的同时将数据包暂时缓存在板卡内存中, 再按照网络协议的层次结构对数据包逐层进行分析, 获得当前网络运行的状态。
3 实际应用
针对应急通信网络复杂的应用环境, 实际应用中将板卡部署到应急通信网络的关键节点上, 由监控中心向板卡下达采集任务, 指定每个板卡需要监控的节点和具体的监控内容, 实际应用如图4所示。系统在设计时充分考虑到功能的扩展, 预留了多个扩展接口, 可以增加无线通信模块, 适应无线通信数据采集的需求, 对于不支持PCI接口和网络接口的设备可以通过串口进行数据采集。
结束语
本文根据应急通信网络实际应用环境的特点, 设计了基于嵌入式技术的数据采集系统。在硬件设计上, 以IXP425网络处理器为核心, 集成PCI接口、网络接口、串口等多种通信接口用于数据采集。在软件设计上, 采用SNMP协议和网络探针两种采集方式进行数据采集。系统开发完成后, 在实际应用环境中进行了实验, 数据采集效果良好, 达到了预期的应用需求。
摘要：针对应急通信网络的特点, 设计了以IXP425网络处理器为核心的数据采集卡, 该板卡集成PCI接口并具备网卡功能, 可以插入到主机中用于网络通信。系统采用SNMP协议和网络探针两种方式采集网络的状态信息, 在实际应用中系统性能稳定, 采集的数据可靠性较高。
关键词：嵌入式系统,数据采集,简单网络管理协议,网络探针
参考文献
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嵌入式数据采集仪 篇8
关键词：嵌入式,数据采集,智能电表,通讯
0 引言
智能电表是现代计算机技术和现代测量技术相结合的产物,具有数据自动储存、运算、逻辑判断、自动操作以及远程网络传输等能力和功能,在现代社会中应用广泛。近些年来,随着全球范围内“智能电网”及高级量测体系建设,并伴随着以计算机技术、通信技术为主的信息技术的快速发展和Internet的广泛应用,嵌入式系统应用入电量采集方面也得到了越来越多的应用。
1 嵌入式硬件设计
现在嵌入式的电力数据采集在硬件方面主要由两种构架来设计。一是使用通用芯片架构;二是MCU加载了专用集成芯片,是一种ASICS的架构。
在通用芯片架构领域内,随着嵌入式处理器的不断更新,单片机、ARM、CPLD、DSP、FPGA等通用硬件的引入,在功能和性能上均为系统设计提供了很大的空间。MCU作为核心处理器,用MSP430F149或51单片机作为核心芯片,通过模拟开关将多路被测模拟量接入A/D转换器,实现模拟信号转换成数字信号,再通过单片机编程控制其转换,在数码管上显示,进而达到过程控制和科学研究的目的。此系统的精确度和运算能力有限,人机交互界面不够直观友好、信息量小,并且数据传输距离、数据存储容量和实时分析能力都有限,数据采集模块加PC机或笔记本电脑模式的成本高、体积大。
采用DSP控制核心的电力数据采集设计,采用数字信号处理器DSP作为核心数据采集、处理和功率变换器。具有数字功率乘法器高精度、高稳定性的特点,能够同时测量出同一时刻三相电压、电流和功率的瞬时值。DSP处理器同时完成对结果数据的处理、显示、键盘等管理和控制。
也有基于ADm C812和DSP的数据采集系统,以ADm C812作为主机,完成ADC、DAC、显示、键盘等功能,而DSP作从机,专注于复杂的数据运算,两者通过通用的SRAM实现数据的交换和通信。
基于ARM的嵌入式数据采集,分为数据采集部分、数据传输部分、远端主机。嵌入式数据采集部分,采集系统置于被监控的设备处,通过互感器对电力系统的电压或者电流信号进行采样、保持,送入A/D转换器变成数字信号,并对采集到的数据进行滤波等简单的处理,同时提供调整运行参数的接口。数据传输部分,将嵌入式采集部分采集到的数据通过嵌入式系统的通讯接口传送到远端的主机,并把远端主机的控制信息传送到本地数据采集部分。远端主机,对传输过来的远程数据进行处理、存储、显示等工作,并可以修改嵌入式采集部分的运行参数,以控制数据采集的工作。
在ASICS架构的芯片领域,许多国内外芯片制造商纷纷定制出许多高性能的电能专用计量芯片模块,如ADI的ADE7755、ADE7758等,炬力的ATT7022B、ATT7023等三相多功能计量芯片;此外还有BL093系列单相电能计量芯片,BL0952数字式三相有功电能计量芯片,CS5460、FM7755、MAXQ3180等。
2 嵌入式软件设计
数据采集系统所应用的嵌入式系统软件平台,大多都是建立在Win CE,Linux和unix等嵌入式系统中。有在Linux系统下利用S3C2410采集数据并直接驱动MC39i模块进行数据远传的设计方案。也有在Windows CE操作系统的PDA上实现电力数据采集器的基本解决方案。
采用编程语言根据软件平台的不同,有汇编语言,C语言,C++,C#,java等。
3 数据通讯方式
除了电力数据采集系统所必需的软硬件之外,采集系统与电表之间的通讯方式也是不可缺少的一部分。大致可以分成两类:有线通信和无线通信。
有线通信通常采用RS-232、RS-485总线、CAN总线或有线MODEM等方式,还有基于Lonworks总线技术的智能多站点分布式通信。
RS-485可以进行多点和双向通信,允许多个发送器连接到同一条总线上,使得一个集中器管理多个电表的线路,易于实现。RS-485接口具有结构简单、成本较低,容易控制、抗噪声干扰性、传输距离较长等特点,使其成为首选的串行接口。
LonWorks总线是用于现场仪表、控制器与监控中心之间的一种全分散、全数字化。智能、双向、多变量、多点、多站的分布式通信系统,电力数据可通过Lonwork总线主控制模块向网络传输。
无线通信方面,在自动抄表系统中的抄表器及其下层附属的各个电表由一个采用Zig Bee通讯方式的多用户智能电表替代,构成Zig Bee局域网通信系统,进行数据传输。也有在电力数据采集模块中嵌入GPRS模块,与终端的IP协议通信及分组数据网直接互通,有效提高了数据传输速度和流量。应用GPRS通讯可以实现抄表系统的实时在线。亦有采用CDMA技术的无线通信技术实现远程通信,且CDMA传输速率相对更快些,而且支持mobile IP功能。
无线通信具有无需布线、成本低、组态灵活、功耗低、误码率低等特点,成为当电力数据传输的研究方向。
4 总结
电力数据采集系统服务于现今的“智能电网”和AMI技术,向着高速化、集成化、便携式、智能化等趋势发展。
参考文献
[1]静恩波.智能电表及其研究现状[J].低压电器,2011.03.
[2]王思彤,周晖,袁瑞铭,易忠林.智能电表的概念及应用[J].电网技术,2010.04.
[3]陈晓燕,庞涛,石亚麋,王光强.基于无线网络的电力数据采集系统,低压电器2011年13期.
嵌入式数据采集仪 篇9
1 嵌入式系统技术
1.1 嵌入式系统定义
广义的说, 一个嵌入式系统就是一个具有特定功能和用途的计算机软硬件集合体。如果要给嵌入式系统一个定义, 就是以应用为中心、以计算机技术为基础, 软硬件可裁减, 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。而从狭义上讲, 嵌入式系统则仅仅指装入另一个设备并且控制该设备的专用计算机系统。
嵌入式系统的最大特点是其目的性和专用性, 即每一套嵌入式系统的开发都有其特殊的应用场合与特定功能, 这也是嵌入式系统与通用计算机系统的最主要区别。另外, 嵌入式技术与实时性有着天然的联系。由于嵌入式系统是为特定目的而设计的, 且常常受时间、成本、存储、带宽等的限制, 因此它必须最大限度的在硬件和软件上“量身定做”以提高资源的利用率, 这样的结果也导致了实时性的增强。
1.2 嵌入式系统组成
嵌入式系统包含硬件和软件两部分硬件构架。硬件部分以嵌入式处理器为中心, 配置存储器、I/O设备、通信模块等必要的外部设备。软件部分以软件开发平台为核心, 向上提供应用编程接口 (API) , 向下屏蔽具体硬件特性的板级支持包 (BSP) 。嵌入式系统中, 软件和硬件紧密配合, 协调工作, 共同完成系统预定的功能。嵌入式系统的功能软件集成于硬件系统之中, 系统应用软件与硬件一体化。在嵌入式系统的硬件设备中, 嵌入式处理器是整个系统的核心部件, 其性能的好坏直接决定整个系统的运行效果。而RTOS (Real Time Operating System) , 是嵌入式系统的软件开发平台, R T O S的引入, 解决了嵌入式软件开发标准化的难题。
2 GPRS通信技术
GPRS (General Packet Radio Service) 是通用分组无线业务的简称, 是在现有的GSM系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务。GPRS在现有的GSM网络基础上增加一些硬件设备和软件升级, 形成一个新的网络逻辑实体。它以分组交换技术为基础, 采用IP数据网络协议, 提高了现有的GSM网的数据业务传输速率, 最高可达1 7 0 kb p s。GPRS把分组交换技术引入现有GSM系统, 使得移动通信和数据网络合二为一, 具有“极速传送”、“永远在线”、“价格实惠”等特点。GPRS与现有的GSM系统最根本的区别是, GSM是一种电路交换系统, 而GPRS是一种分组交换系统。因此, GPRS特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输, 也适用于偶尔的大数据量传输, 这一特点正适合环境监测领域频发、少量、实时性高的数据传输的应用。
3 嵌入式GPRS环境监测数据采集系统
嵌入式GPRS环境监测数据采集系统, 是以STM32处理器为核心, 通过AD驱动采集模块、通用串行口来采集现场监测仪器输出的数据 (包括模拟量和数字量) ;通过驱动GPRS通信模块, 经过GPRS无线网络连接到Internet网络实现无线上网, 与环保部门监控中心的上位机建立数据传输链路, 将采集到的数据实时上传到监控中心, 从而实现了各监测点无人职守的远程监控。该系统具有以下技术先进性:
3.1 采用STM32作为嵌入式环保数采仪的硬件核心
STM32具有性能强劲、功耗低、实时性能好、代码密度高等特点。它的高速度和内嵌的大容量存储器, 使得在进行正常的数据采集和无线数据传输之外, 还允许程序上运行更多的任务, 进行更复杂的算法运算。它的高度集成性和丰富的外部接口, 使得设计出来的数采仪在硬件上, 电路更加简洁、成本更低、功能更强大。STM32的CPU内核采用ARM的CORTEX-M3, 支持Thumb-2和Thumb指令, 代码密度更高, 编写的代码便于优化, 效率更高, 运行速度更快。
3.2 软件上支持分时复用的技术, 可以实现单个DTU向多个IP服务中心上传数据
一般的数采仪, 若要实现一机向多个IP服务中心上传数据的功能, 硬件上需要多个DTU支持, 一个DTU设定一个IP地址。本项目通过定时器分时复用的方法, 每隔30分钟切换一次DTU设定的IP地址, 将采集到的数据轮转着发送到各个IP, 以便用最小的硬件成本, 实现一机向多个IP发送的目的。
3.3 数采仪本身具有简单的数据分析和预测的功能
数采仪在记录数据的同时, 也通过回归分析的方法对记录的数据进行简单的数据分析, 比如作为衡量水质的重要指标COD (化学需氧量) , 它本身就是跟有机物的含量有着重要关系的, 如果一个污染企业, 排放的废水中主要含有苯甲酸、苯酚、氯苯等物质, 在测得的这些物质含量的同时, 就可以通过回归分析的方法, 得到各物质对COD的影响因子, 从而指导企业控制权重最大的排放量。此外, 还通过标准卡尔曼预测算法 (Kalmanprediction) , 能够根据当前和以往采集到的数据, 对下一个数据进行预测, 如果预测值超标, 则提前预警, 以便污染源企业能尽早采取应对措施。
该系统基于GSM/GPRS的嵌入式设计, 是一个专门用于环保数据采集、传输设备。可通过模拟信号接口、数字信号接口与流量计、COD、PH仪、氨氮、烟气测量仪等多种仪表连接, 使得对仪表监控和记录更加方便、快捷;同时它还具有数据传输的功能, 能够利用GPRS网络, 将采集到的数据实时的传送到数据监控中心。必要时, 还能利用标准规定的反控机制, 将污染过度的设备强制关停, 为环境监控提供了方便快捷的手段。
参考文献
[1]钱易, 唐孝炎.环境保护与可持续发展[M].北京:高教出版社, 2000.7.
[2]马文华.嵌入式系统设计与开发[M].北京:科学出版社, 2006.3.
嵌入式数据采集仪 篇10
1 关键技术研究
RDC的主要功能是提供飞机上各传感器/作动器与核心处理机之间的接口,它将传感器信号进行一定的预处理,通过航电总线接口传送给各数据处理系统,同时接收从数据处理系统发送来的控制数据,控制作动器接口工作。这要求RDC有较强的运算能力,丰富的传感器接口和多种航电总线接口。由于RDC的安装位置更靠近传感器和作动器,对功耗、体积和重量有严格的要求。
为防止大功率信号对小信号的干扰,RDC划分为主RDC和从RDC。大功率信号全部集中在大功率控制盒从RDC内。大功率控制盒通过RS232接口接受主RDC计算机的命令。RDC计算机系统结构框图如图1所示。
通过对飞机上的各种接口信号进行分析,将RDC的外部接口定义为传感器/作动器接口和航电接口。研究涉及的传感器接口包括高速A/D采样接口、小信号采样接口、离散量输入接口和模拟量采样接口。作动器接口包括离散量输出接口、模拟量输出接口、PWM(脉宽调制)信号输出和大功率开关控制。航电接口包括1553B接口、AS5643接口和AFDX接口[3,4]。
2 技术实现
由于串行总线具有线数少、传输能力可选的特点,能有效地解决以往并行数据传输带来的连线数多的问题,小型化潜力大,因此主RDC内部模块之间通过串行底板总线交连。采用PCI-express总线[5,6]作为主RDC计算机内部各模块间的互连总线。数据处理板通过PCI-express交换机制实现和通用I/O接口模块,高速A/D接口模块,小信号接口模块间的互联。通用I/O接口模块上的RS232接口用以向大功率控制盒发送动作命令。
PCI-express交换模块设计为上行1路X4的PCI-express总线接口和下行4路X1的PCI-express总线接口。还提供5路系统差分时钟100 MHz供PCI-express设备使用。上行的X4 PCI-express总线接口连接数据处理板。下行的X1 PCI-express总线接口分别连接高速A/D接口模块、通用I/O接口模块和小信号接口模块。数据处理板的CPU采用Motorola的处理器MPC8568E[7],主频1.3 GHz,支持X8 PCI-express总线,可配置为Root complex。在实际使用中设置为X4方式。
高速A/D接口模块提供了两通道ADC,最高1 GHz的采样频率,8位数据精度,每个通道配置64 MB DDR SDRAM用于保存采样数据,1 MB SRAM用于数据缓存。
通用I/O接口模块提供了RS422/232串行数据通讯接口,模拟量和离散量输入/输出接口。小信号接口模块提供了-5～50 mV电压信号采集和223～373 μA电流信号采集功能,适用于来自温度和压力传感器的模拟量的数字化。
大功率控制盒提供了PWM(脉宽调制)信号输出,大功率开关控制。它与主RDC间进行通讯,执行主RDC发来的命令并向主RDC报告执行状态。1553B接口,AS5643接口和AFDX接口设计为三种PMC背板,通过PCI总线和数据处理板互联。
为同时支持PCI[8]和PCI-express总线,主RDC采用Vxworks6.8作为操作系统,在此基础上进行应用程序的开发。总线双总线的即插即用功能,可对交换板和接口板的地址空间进行自动配置。
由于RDC接口众多、功能复杂,提供一个功能强大的仿真环境对应用的开发是有益的。在航电总线接口端,研究了Matlab Simulink与航电总线接口之间的互联技术。使用Simulink可以采集航电总线上传的数据并加以解析。反之,Simulink可以通过航电总线发送命令。
3 系统综合
在系统综合开始阶段,数据处理板和PCI-express交换模块之间的传输一直处于时通时断的状态。后来发现,初始设计中,数据处理板和PCI-express交换模块之间使用了分布式的Reference Clock设计。根据PCI express规范的描述,Reference Clock信号可以集中产生,也可以分布产生。对于分布产生的Reference Clock信号的要求是100 MHz(±3×10-4),由于所使用的晶振和时钟产生电路的偏差,PCI-express总线传输不稳定。查出原因后,数据处理板也使用了的交换板提供的100 MHz差分时钟,连续读取交换板ID号半个小时,均正确。穿过交换模块访问接口板也较稳定。
为仿真RDC连接的核心处理机,在工控机上开发了Simulink[9]和AFDX PC卡之间互通的中间层服务软件。Simulink通过UDP接口[10]将数据发送给服务软件,服务软件调用AFDX驱动将数据通过AFDX网卡转发出去。反方向,AFDX网络接受的数据也通过服务软件转发给Simulink。图2是服务软件的基本流程。服务软件包括两个相对独立的线程,其中一个调用阻塞的AFDX读取API,读出RDC通过航电数据网络交换机发送来的数据,作为客户端通过UDP协议主动发送至Simulink仿真软件进行处理。另一个线程是UDP服务器端,它等待Simulink仿真软件发来的UDP包,调用AFDX发送API将数据通过航电数据网络交换机发送给RDC。
图3是Simulink发送界面的设计实例,运行这个模型可以交互式地将命令发送给RDC,控制模拟量/输出,离散量输出和大功率控制盒的输出。实现了Simulink和RDC间的基本通信能力,结合Simulink本身强大的算法库和固有的信号发生/采集功能,使得通过Simulink进行软硬件综合仿真成为可能。
4 结束语
探讨了综合环境下嵌入式远程数据采集与传输技术的研究和实现中的关键技术。经试验证明,本技术具备高性能、高可靠性特点,各项指标符合新一代航空电子技术的要求,适合在恶劣复杂的嵌入式环境中使用。
参考文献
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[2]孙欢庆.民用飞机综合航电系统技术发展研究[J].航空科学技术,2010(3):6-8.
[3]校莉.AFDX在航空通信系统中的应用[J].电讯技术,2010(7):40-43.
[4]李大鹏,王世奎,李雯.AFDX端系统系统发送单元的研究与实现[J].航空计算技术,2012(2):128-131.
[5]梁小虎,王乐,张亚棣.高速串行总线RapidIO与PCI Express协议分析比较[J].航空计算技术,2010(3):131-134.
[6]MIND S I,RAVI B,DON A.PCI express system architecture[M].USA:Addison Wesley,2003.
[7]Freescale Inc.PowerQUICC III integrated host processor fam-ily reference manual[ED/OL].(2008-09-18)[2011-08-16]http://www.freescale.com.
[8]陈金鹏,李贵山.PCI据部总线及其应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003.
[9]王永虎,王欣,王玉梅.VB与Matlab混合编程在CAI系统中的应用[J].航空计算技术,2010(1):71-74.