电路设计数据采集（精选12篇）
电路设计数据采集 篇1
0 引言
随着石油勘探技术的快速发展,特别是高分辨率勘探技术的深入,越来越要求地震数据采集应具有高精度、高质量等特点,也就是说采集数据要具有宽频、高保真、高信噪比、高动态,这样才能更好地识别岩性、流体、裂缝油藏,以及改进油藏定位、储集特征、油藏连通性的描述和提高采收率等[1]。如何提高地震勘探仪器技术指标、采集速率及数据预处理能力,已成为现代地震勘探仪器发展的关键技术,其中数据采集电路设计尤为重要。本文针对上述技术问题进行讨论与研究,提出了关于多通道高速地震数据采集电路设计方案,该系统应用嵌入式ARM内核处理器和24位高速ADS1256模/数转换器作为本系统核心控制,充分利用ARM内核芯片的电气特性和ADS1256自集成多功能模块,从而大大的增强了仪器的实时可操作性、降低了仪器本身体积及功耗、提高了数据采集速率及数据精度,并且能通过模拟开关进行灵活的通道选择。
1 总体电路结构组成
1.1 系统总体结构框图
电路总体结构如图1所示,采用三星公司生产的ARM9系列S2C2440[2]微处理器作为核心控制芯片,由地震检波器输出微弱、复杂的地震信号首先经模拟信号调理电路的放大、跟随以及滤波等处理后,再通过控制模拟开关进行选择通道,然后再应用ADS1256进行模数转换,采集到的数据是通过SPI总线的方式送入海量存储器中,以便以后查阅和分析。
1.2 模拟信号调理电路
模拟信号调理电路主要包括地震微弱信号的滤波、放大等。地震信号首先通过桥式低通滤波构成的输入电路,然后再通过前置放大电路。
输入电路主要是起到RC阻抗匹配网络的作用,压制长导线传输中的共模信号,阻止高频信号,提高抗干扰能力,另外也对接收进来的妨碍有效波记录的干扰波进行压制,电路原理如图2所示。
前置放大电路主要由两级组成,两级采用直接耦合的方式连接,第一级把双端输入地震信号放大,然后单级输出,再通过第二级差分线性放大器,转换输出方式,为A/D转换提供双端输入差分信号,也进一步的消除了输入电路的共模信号,电路原理如图3所示。为保证输入端保持平衡状态,第一级两个输入端对地的电阻值应相等,为了降低共模电压放大倍数,一般使R7=R8,R9=R10。
1.3 模/数转换电路
采用ARM处理器控制ADS1256作为模/数转换电路,ADS1256只能工作在SPI通信模式下。设计采用ARM处理器的通用I/O口来控制ADS1256片上寄存器,也可以通过串口读/写这些寄存器,通过控制ADS1256的CS端信号来选择是否开始转换。通过读取DRDY引脚的电平来表示转换是否已经完成,低电平时表明数据转换完成,高电平时表示数据转换未完成。从DOUT引脚读取最新转换数据,控制内部模拟开关寄存器来配置四通道差分输入,将AIN0~AIN7作为输入端,AINCOM不用,一般接地就可以,其中PSEN3~PSEN0为差分信号的正输入端选择位,NSEL3~NSEL0为差分信号的负输入端选择位。用ADCON寄存器来配置输出时钟、传感器检测选择、程控放大倍数选择,CLK1,CLK0为输出时钟选择位。其中:00表示输出时钟关闭;01表示输出fCLKIN;10表示输出fCLKIN2;11表示输出fCLKIN4,主时钟由外部晶振提供,晶振选取7.68 MHz,PGA2~PGA0为程控增益放大器的放大倍数选择位:000=1,001=2,010=4,011=8,100=16,101=32,110=64,111=128,可以根据信号的强度来来配置寄存器。DIR7~DIR0为数据速率选择位,11110000=30 k S/s为默认值。这样可以通过软件编程控制各个寄存器来灵活的配置所需要的时钟输出、传感器检测选择、程控放大倍数、数据转换速率等。其控制电路连接如图4所示。
在PCB板布线时晶振必须靠近ADS1256,为保证起振并得到一个稳定的频率,须外接小于0.1μF的陶瓷电容,本系统取18 p F。
1.4 外围接口电路
其主要接口电路包括触摸显示电路、存储电路和上位机通信电路等,基本与开发板上的接口电路相似,这里只作简单的文字叙述。电路主要采用扩展FLASH和SDRAM,用于系统的启动和运行程序的加载,其中FLASH用来保存用户的程序代码,SDRAM用来存储程序运行时的数据和少量数据。显示部分采用平板型结构的液晶显示器件,它具有显示信息量大、低压、低功耗、长寿命、无辐射、无污染的优良特性,其在显示领域占据了重要地位。一般使用间接访问的方式来实现控制器芯片与液晶显示模块间的电路连接,液晶显示模块的数据通常需要并行输入,这里需要应用串转并器件来串/并转换,为液晶显示提供并行输入,模块的读、写、片选、复位等控制信号由S3C2440的通用I/O引脚控制。选择高速USB总线传输技术的方式与上位机进行通信。这种实现必须要在S3C2440和专用USB通信驱动芯片及外围电路共同完成,为了方便USB接口的硬件调试,还须增加一个RS 232接口。
2 结语
随着现代仪器发展的要求,应用现代嵌入式ARM内核和24位高精度A/D转换芯片共同完成对微弱而又复杂的地震信号进行采集电路设计,从而提高了采集效率、降低了设备功耗及缩减了体积和重量,为仪器的便携式要求提供了有利的条件。在数据采集模块采用桥式低通滤波双端输入电路,有效地抑制了整个数据的采集系统长导线共模信号,选择差分信号作为A/D输入信号,有利于扩大地震信号动态范围,能够识别小信号并且大大的提高了系统的抗电磁干扰能力。
摘要：介绍了以ARM内核S3C2440为处理器,24位自带模拟开关的ADS1256芯片为A/D转换和信号输入通道选择,利用其特性、工作原理来设计具有高精度、多通道、实时操作性强的地震数据采集系统电路。数据通过桥式低通滤波输入,有效地抑制了长导线共模信号,并且大大提高了整个电路抗电磁干扰能力,从而可以实现地震数据采集系统的高精度、高质量、低功耗和便携式等特点。
关键词：ARM,ADS1256,模拟开关,检波器
参考文献
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电路设计数据采集 篇2
关键词：USB数据采集 PDIUSBD12
1USB协议和芯片选择
理解好USB协议是USB系统开发的第一步。USB协议版本包括1.0、1.1和2.0，USBOTG是对2.0版本协议的补充。虽然USB协议内容繁多且复杂，然而，对USB开发影响较大的却只是少数部分，以下对协议版本1.1[1]中这些部分进行介绍。
1.1USB协议
一般，每个USB设备由一个或多个配置(Configuration)控制其行为。使用多配置原因是对操作系统的支持;一个配置由接口(Interface)组成;接口则是由管道(Pipe)组成;管道与USB设备的端点(Endpoint)对应，一个端点可以配置为输入输出两个管道。在固件编程中，USB设备、配置、接口和管道都用描述符报告其属性。
图1为USB多层次通信模型。端点0默认配置为控制管道，用来完成所规定的设备请求(USB协议第九章)。其它端点可配置为数据管道。对开发而言，主要的大数据传输都是通过数据管道完成的[2]。
USB传输类型包括批量传输、等时传输、中断传输和控制传输，每种传输类型的传输速度、可靠性以及应用范围都不同[3]。控制传输可靠性是最高的，但速度最慢;等时传输速度快，满足实时性，但可靠性低。在具体应用中，端点传输类型可根据传输速度和可靠性选择。
在USB通信协议中，主机取得绝对主动权利，设备只能是“听命令行事”，通过一定的命令格式(设备请求)完成通信。USB设备请求包括标准请求、厂商请求和设备类请求。设备的枚举是标准请求命令完成的;厂商请求是用户定义的请求;设备类请求是特定的USB设备类发出的请求，例如海量储存类、打印机类和HID(人机接口)类。固件编程中设备请求必须遵循一定的格式，包括请求类型、设备请求、值、索引和长度。
1.2USB接口芯片选择
USB接口芯片的类型有：
(1)按传输速度的高低：低速(1.5Mbps)和全速(12Mbps)可选USB1.1接口芯片，例如Philips公司的PDIUSBD12和Cypress公司的EZ-USB2100系列;高速(480Mbps)可选USB2.0接口芯片，例如Philips公司的ISP1581和Cypress公司的CY7C68013。
(2)是否带MCU(微控制器)：一般Philips公司的都不带MCU，Cypress公司大多都带，例如AN2131。
(3)是否带主控器功能：不需要主机参与，主从设备间可进行数据传输，芯片有Philips公司的ISP1301和Cypress公司的SL811HS等。
多路以太网数据采集系统设计 篇3
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：
电路设计数据采集 篇4
容性设备是指绝缘结构采用电容屏的电气设备,主要包括耦合电容器(OY)、套管、电流互感器(CT)以及电容式电压互感器(CVT)等。在变电站中,高压容性设备是其重要的组成部分[1]。这些高压容性设备绝缘性能的好坏,对于整个变电站的运行安全至关重要。现有的技术手段是通过测量介质损耗tanδ及电容量Cx,可较为灵敏地发现电容型设备的绝缘缺陷。目前所有的在线监测系统均把介损作为重点测量的对象[2]。
为了提高系统监测的精度,本系统采用基于相对本地测量单元的数字介损测量技术。放弃传统的过零比较技术,利用TMS320F2812具有较强的数字运算能力,通过DFT算法,精确的提高系统介损测量的准确度[3]。
1 数据采集系统设计方案
在以往的系统设计中,通常采用母线的电压作为基准进行测试,但是这种测试方式经常会受到现场环境和传输过程的干扰影响[4]。为了减小干扰,可以采用系统的供电电源为基准源。这样不但可以减小干扰提高精度,操作起来也十分的方便。系统测量的方案如图1所示,在该系统中,假设流过系统的阻性电流为Ix,而系统的容性电流为In。同时,设基准源流过参考电阻Rs的电流为Is。利用高精度电流传感器把被测电流信号Ix,In变换为电压信号Ux,Un。电流传感器在±12 V直流电源的供电下可以将100μA~700 m A的电流信号转换成电信号输出。电压信号的峰值为0~10 V。然后由数字化测量系统对信号进行同步采样及傅里叶变换处理,获得这两个信号的基波向量及其相位夹角phUx-phUn。如果不考虑电压互感器(PT)的相位失真问题,则可方便地计算出电容型设备Cx的介质损耗tanδ值[5]。
电容型设备的介损测量通常需要选用母线电压作为相位测量的基准。传统的处理方式是把母线PT的二次侧电压信号直接提供给检测系统,其主要缺点是现场布线复杂,模拟信号在长距离的传送过程中易受电磁场干扰的影响,有可能导致介损测量结果失真[5]。本方案所设计的绝缘监测系统采用信号处理单元的220 VAC电源作为参考基准,不用将PT二次信号进行远距离传输。该方法较好地解决了基准电压信号的取样问题,也是目前比较通用的解决方式。
由图1可知,该系统主要由两个数据采集单元组成。每个采集单元都包含了信号调理和A/D采样两个部分。
2 硬件电路设计
对于设备阻性电流和容性电流的获得是通过有源零磁通传感器来实现的。该电流传感器相对于传统的无源电流传感器来讲能够大大提高对微电流信号测量的准确度。其电流精度可以达到微安数量级。如此高的精度对于复杂环境中的容性设备来讲,信号调理电路的设计和软件滤波器的设计尤为重要[6]。
2.1 放大电路
本系统放大电路采用动态增益的办法实现。其具体电路如图2所示,CH1 A,CH1 B,CH1 C接CPLD,由CPLD进行控制。即如图3中的R6通过数字控制的方式来实现。主控芯片CPLD选用EPM3128ATCl00-10,该芯片是一款高性能、低功耗、基于E2PROM的可编程逻辑器件,片内集成了2 500个可用门,8个逻辑阵列模块(LAB),每个LAB由16个宏单元组成,最多为用户提供80个I/O口,通过JTAG接口进行在线编程,可以进行100次的程序烧写。选用该芯片主要基于以下几点考虑:Altera器件采用铜铝布线的先进CMOS技术,功耗低、速度快,采用互连结构,提供快速、连续的信号延时和具有相同延时的时钟总线结构。逻辑集成度高,开发周期短,使用专用软件设计输入、处理、校验及器件编程一共仅需几个小时。FPGA/CPLD中寄存器资源或组合逻辑资源比较丰富,更适合于时序电路和组合逻辑电路的设计[7]。
为了防止信号的振荡,电路中增加电容C3,对其进行消除振荡影响。
2.2 滤波电路
为了提高信号采集的数据精度和稳定性,在数据采集之前要对信号实现硬件滤波[8]。硬件滤波采用以OPA2277为核心的二阶巴特沃斯低通滤波器。
由于该系统使用环境的特殊性,系统极易受到白噪声信号以及高频噪声的影响,所以有必要对信号进行前级处理。根据以往试验现场数据分析可知,高频信号的影响尤为突出。该系统采用了硬件滤波的方法得到理想信号[9]。在得到传感器的输出信号之后,设计了频带宽度为20 Hz,中心频率为50 Hz的二阶带通滤波器。其电路连接结构如图4所示。该滤波电路是利用理想运算放大器的开环增益较高和深度负反馈的原理设计实现的。电路的连接方式为通用方式,电路中C4,C5为供电电源滤波电容,采用并联方式。R2,C5,R3,C4组成通用的二阶滤波电路,R4,R5用来放大信号和平衡系统。
2.3 A/D转换器数据采集电路
本系统采用多通道高速度高精度A/D转换器ADS8365,是一种高速、低功耗、6-channel模拟器,16位A/D转换器。包含6个4μs逐次逼近ADC,6个差分sample-and-hold放大器,内部2.5 V基准源。通道有一个HOLD信号(HOLDA,HOLDB,HOLDC)允许对每个通道的同步取样。并且可以实现对信号的双极性采集[10]。
数据采集的准确性和系统的基准源息息相关,本系统采用电阻分压的形式得到2.5 V基准源电压。再通过电容滤波,可以得到比较纯净的电压信号。为了提高系统的抗干扰能力和负载能力,用高精度运算放大器OPA2350组成电压跟随器和有源滤波电路,REFIN和REFOUT分别和A/D转换器的62,61引脚相接。具体电路连接如图5,图6所示。
本系统中,ADS8365对于正弦波的采集,涉及到正负两个半周期的信号。所以需要涉及双极性信号的调理,调整采集信号的极性。在A/D转换器采用了差分输入电路。差分输入电路具有较高抗干扰能力、EMI抑制能力和动态范围高的特点。具体的电路设计如图7所示,R4X和R5X具有比例放大作用。C1X,C2X并联在电源两端起到滤波作用,电容滤除供电电源对系统杂波干扰。信号由Vinx进入和Ref相加之后输出,最终进入后端A/D转换器的信号为(V+-V-)。在该电路中,对于理想运算放大器而言利用其虚短特性,可以对R1X,R2X,R3X实现运算。在本电路中的Vref就是图5中产生的参考电压。
在信号进入A/D转换器之后,信号进入DSP信号处理电路。DSP处理器通过对信号进行数字滤波和分析计算之后,通过串口发送数据和显示数据。
3 最后结果
为了验证系统的稳定性,采用VC++编写上位机软件,用来实时采集下位机的数据。软件界面和数据如图8所示。设备类型包含在下拉列表中共7种类型(CT,CVT,MOA,OY(OC),PT,TB,TR),此选项根据当前要测试的设备的类型进行选择。该显示页面为PT单元的测试数据。
在该数据测试系统中,校准相位点的电流大小为20 mA。在基波大小为100 mA,A,B,C三相的谐波分别设定在30 mA,20 mA,10 mA,10 mA的情况下测定,其电流幅值误差在±5%范围内。在此情况下,相位角的偏差在0.3%之内,满足系统设计要求。
4 结论
系统采集的主要参数为介损,该参数经常受到很多条件的影响。比如高频信号、环境因素、仪器性能等等。需要说明的是如果遇到整体偏差的需修改系数,比如PT单元的相位偏差允许在±15′范围内。但是总体来说,该采集系统在各个采集单元的误差还是可以达到测量精度的要求的。
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《表格数据的数据计算》教学设计 篇5
一、教材分析
“表格数据的数据计算”是教育科学出版社出版的《信息技术基础》中第四章第二节的第一部分内容。本节内容主要讲解怎样对数据进行计算、排序和分类汇总。这个知识点在现代办公中应用非常广泛，也是Excel数据应用中的一个重点和难点。
二、教学目标
1、理解信息的表格化、掌握表格数据的处理
2、熟练运用公式与函数统计数据
3、通过培养学生的分析能力和动手能力，提高处理实际问题的能力。
三、教学重点、难点
教学重点：掌握工作表数据计算、运用公式与函数统计数据的操作方法。
教学难点：培养学生对数据进行计算、排序和分类汇总等
四、教法: 讲练结合法和网络教学模式法, 任务驱动法, 自主学习法
五、教学过程：
1、创设情境、导入新课
上次重点中学联考各科的成绩都出来了，如果要你把每个同学的的总分算一下，你该怎么办？把每个同学的平均分算一下你打算怎么办？如果再看看你的成绩名次你该怎么办？
（用传统手算或者是计算器计算与计算机的使用引出人们常用的表格办公，激发学生的学习兴趣）
2、引出新课
在日常学习和工作中，我们经常要处理各种各样的表格，如学生成绩表、考勤表、学籍档案表、工人工资表等等，并对这些表格数据进行挖掘、提炼后统计和分析，形成科学准确地分析报告，以便人们能快速地接收和提取所需的信息，作出有效的判断和决策。
常用的表格处理软件是Execl，我们下面就以Execl为例看一下表格信息的加工和表达。讲述概念:
单元格：单元格是表格中行与列的交叉部分，它是组成表格的最小单位，单个数据的输入和修改都是在单元格中进行的。
工作表：工作表是一个由若干行和列组成的表格，一行和一列的交叉部分称为单元格。一般而言，数据处理都是在单元格内进行的。电子表格常常处理成批的数据，它一般包含大量的单元格。工作簿：工作簿一般由若干个工作表组成，并以文件形式存放在磁盘上。所以，工作簿是面向用户操作的一个概念，而文件则是面向计算机系统的一个概念。
3、教师活动：通过实例介绍，一边讲解以上概念，一边演示操作过程。
下面，具体来看这个实例：下面是某班的部分同学成绩表。
要求：
1、利用公式计算出每位同学的总分、平均分。(目的是引入公式、函数的计算)
2、利用公式计算出每学科的最高分、最低分。(目的是为了引入函数计算)
3、按总分从高分至低分进排序，看看谁第一名。(目的是引出数据的排序操作,让学生理解当中文做关键字时，按拼音顺序排列)演示操作讲述后让学生自主练习，培养学生自主学习能力，激发学生学习的兴趣，使学生体验到成功的喜悦。
4、课堂练习：
通过上面的学习我们对数据表格表示和表达已经有了一定的认识，下面让我们来处理一下下面的表格：
完成以下任务：用公式算出合计里的总销售量和销售额，算出每种商品的利润和总利润
电路设计数据采集 篇6
【关键词】工业仪表；无线数据；采集系统
基于ZigBee工业仪表无线数据采集方案，主要运用ZigBee技术，搭建一套无线的数据采集方案，利用虚拟仪器技术和数据库技术，实现工业仪表数据的采集和收集。通过大量实践证明该系统运行可靠、性能稳定、能耗低，在工业生产中发挥重要作用。
一、系统总体结构设计介绍
工业仪表无线采集系统整体分为数据采集端和数据管理中心两部分。为了更好的实现对不同工业仪器仪表的数据采集，ZigBee适配器拥有多个采集接口，并通过串口的方式和工业仪器相连采集仪表的各种输出数据，比如测量数据、过程数据等，最后将采集的数据结果通过ZigBee网络发送给ZigBee协调器，以此完成数据的采集任务。
在数据管理中心，ZigBee无线网络协调器以串口的方式和管理中心计算机相连，在无线通讯模块的帮助下完成采集数据的收集工作。为了实现数据的整理和分析，数据管理中心需要安装软件相关软件，比如，监控软件和数据库软件等。
二、数据采集端设计
1.硬件设计
（1）ZigBee协调器设计
ZigBee无线数据采集系统要想正常工作，必须拥有专门的部件控制网络的运行，负责网络的建立、保证网络信号的正常传输、管理网络各个节点的任务。基于ZigBee无线数据采集系统的协调器主要由串口通信模块、无线通讯模块、液晶显示模块、电源模块和按键输入模块组成。而将电源模块、液晶显示模块、按键输入模块、串口通信模块设计在同一个板卡上称之为网络扩展板。无线通信模块和网络扩展板之间通过I/O相连的方式组成ZigBee协调器。
液晶显示器和无线通信模块通过I/O接口相连，能显示网络中各个节点的数据，实现对网络节点的管理。另外，将无线协调器通过自身的RS-232接口和计算机相连可以接收由串口传输的数据。无线数据采集系统工作时，协调器始终保持信息的接、发送状态，且使用外部供电方式。
（2）ZigBee适配器设计
为了实现对工业生产中不同仪器的数据采集，ZigBee拥有多种数据采集接口，比如现场仪器的工作电压、电流和脉冲信号等，整个适配器系统主要以CC2430模块为核心。
工作中为了实现数据采集的通用性将各种模块比如，电压、电流转换模块、脉冲采集模块等设计安装在同一个工作面板上。将适配器安装在需要采集数据的仪表上，以此完成数据采集工作。
2.软件设计
（1）ZigBee协调器软件设计
ZigBee协调器和ZigBee适配器安装的程序，均以ZigBee协议栈为基础。程序运行时首先对协议栈、CC2430以及液晶初始化，同时打开中断。初始化结束后，协调器开始建立网络连接，如果连接成功会在显示器上出现连接成功的提示信息，ZigBee主要通过自组织方式建立无线网络连接链路。然后开始对网络节点进行监控，并对加入的节点发送是否同意接入的命令，如果允许节点接入，协调器还需要负责节点信息的接收工作，同时将接收的数据信息向上一级管理结构传送。
（2）ZigBee适配器软件设计
当无线数据采集协调器建立网络连接后，适配器开始搜索网络同时发送加入网络的信号。一般加入网络后ZigBee适配器进入休眠状态，这种机制的设计能够最大限度的降低能耗。在整个系统中适配器按照设计规则间歇性的工作，根据设定的时间进行数据的采集和发送相关的数据。节点同样才用低能耗设计方式，当网络中有数据传送节点被唤醒进入工作状态，否则进入低能耗的休眠状态。CC2430主要有PM0、PM1、PM2、PM3四种休眠模式，其耗能依次有大到小。ZigBee无线数据采集系统采用PM2低耗能休眠模式。另外数据发送的时间可以自行设定，这里设为500ms。
三、系统测试
1.整体功能测试
在安装ZigBee无线数据采集系统之前，需要对系统采集信息的准确性进行测试。选择和仪表具体工作环境类似的多相流检测实验室，对ZigBee无线数据采集系统整体工作性能进行测试。测试中以采集温度变送器、压力变送器以及电磁流量器为目标进行，测试结果显示采集的电压、电流信号等参数满足要求，并且系统工作稳定。
2.无线通讯距离测试
在实际工作中为了保证采集信息传输的正确性，研究丢包率和组网时间关系，需要对适配器和协调器之间的距离进行测试。另外，测试需要考虑在无障碍和有障碍两种条件下进行。
在无障碍条件下如果两个节点的距离小于50m，则需要对每个距离测试三次；当节点之间的距离大于50m时，需要对每个距离测试五次，并将测试时间保持在10分钟，并对测试的结果记录分析，最后得出以下结论：当节点之间的距离大于60m时，信号传输很不稳定且经常出现信号中断情况。
在有障碍环境中测试时，分别测试障碍物厚度为30cm和60cm的情况，将障碍物放置在两个节点中间，测试过程中需要不断增加节点之间的距离，每个测试点进行三次测试，并保持测试时间为10分钟。对测试结果记录分析得出以下结论：当障碍物厚度在30cm时，节点之间的距离大于25m传输信号变得微弱，经常出现中断情况；障碍物厚度在60cm，节点之间距离超过5m信号受影响比较明显。
对无线通讯距离测试，分析无线信号传输距离对信号的影响，给实际工作节点距离布置提供有意义的参考。
四、总结
工业无线数据采集系统能够远距离完成现场仪表数据的采集工作，通过对采集数据综合分析，采取应对措施对工业生产有效控制，从而提高生产效率，达到生产材料合理利用的目的。工业无线数据采集系统在工业生产中的优势越来越明显，加强对无线数据采集系统设计和实现的研究，对指导工业生产具有重要的现实意义。
基于ZigBee的工业仪表无线采集系统是仪表数据无线采集系统的主要代表，本文从硬件和软件设计方面对其进行阐述，提供了系统安装前的测试思路，为无线数据采集技术在工业上的设计和实现提供参考。
参考文献
[1]沈晓昱，李文军，孙斌.基于ZigBee的工业仪表无线数据采集系统的设计[J].工业控制计算机，2009（11）
电路设计数据采集 篇7
1 Δ-ΣADC的工作原理
越来越多的应用, 例如高品质音频设备、工业过程控制等, 都需要高分辨率、高集成度的A/D转换器, 而新型的Δ-ΣADC恰好可以满足这些要求。Δ-ΣADC利用过采样技术、噪声整形技术以及数字滤波技术, 在数字域进行高精度信号处理, 模拟域进行低精度的信号处理, 从而获得更好的转换效果, 目前推出的Δ-ΣADC可以达到24 bit的转换精度。
Δ-ΣADC由Δ-Σ调制器和数字/抽样滤波器两部分组成, 它们协调工作产生高分辨率的数据流输出。其结构如图1所示。
Δ-Σ调制器主要负责数字化模拟输入信号和减少低频噪声。它以大大高于Nyquist频率若干倍 (64~1 024倍) 的速率对输入的模拟信号进行粗略采样, 并进行低比特量化。与所有量化器一样, Δ-Σ调制器生成代表输入电压的1位数据流, 而不同于大多数量化器的是, Δ-Σ调制器内部包括一个积分器, 它的作用是将量化后的低频噪声推升到相关频带以外更高的频带, 成功地在转换过程中减少了低频噪声, 这种特别的功能被称为噪声整形。但是, 整形后的高频噪声又成了问题, 它是转换器最终输出所不需要的, 这时, 就需要数字/抽样滤波器来解决这个问题。
数字/抽样滤波器分为数字滤波器和抽取滤波器2个功能模块。Δ-Σ调制器输出的不良特性是高频噪声和高速、1 bit输出速率, 如果高频噪声驻留在数字域中, 会对信号产生很大的影响, 这时, 使用数字滤波器模块通过首次对1 bit代码调制器数据流采样, 实现低通滤波器功能, 降低了高频噪声;在抽取滤波器模块中, 通过降低采样率以去掉多余的数据, 这些采样不会导致丢失任何信息, 便可以降低数字信号的输出速率。数字/抽样滤波器不仅可构建出十分平坦的带通响应, 不引入任何相位误差, 而且能够在截止频率具有陡峭的截止特性, 极好地抑制无用频率成分, 最后以低数据速率将输入信号传送至转换器的输出端[2]。
2 总体方案设计
设计中采用16个独立的Δ-ΣA/D芯片分别对16路模拟信号进行采集存储。整体电路设计框图如图2所示。
输入模拟信号由跟随和分压调理, 将其调整到ADS1271可输入范围内。在逻辑控制器FPGA的控制下, Δ-ΣADC对调理后的模拟信号进行采样和量化、编码, 完成信号的采集过程, Δ-ΣADC转换后的数据由FPGA进行编帧处理, 送至Flash存储器进行存储。
3 硬件电路设计
整个硬件电路部分分成2个模块:数据采集模块、数据存储模块。数据采集模块由信号调理、A/D和FPGA组成, 数据存储模块由Flash和FPGA组成, 下面对关键电路设计予以详细介绍。
3.1 信号调理和ADC驱动电路设计
1) 信号调理电路设计
信号调理单元包括电压跟随器和分压电路, 如图3所示。
输入的模拟信号V1 (0~5 V) 接入由运算放大器OPA4137构成的电压跟随器, 这样可以缓冲、隔离前后级之间的影响。由于输入模拟信号幅值范围是0~5 V, 而ADS1271模拟输入范围是0~2.5 V, 所以设计中利用电压跟随器和一对10 kΩ的精密电阻R1、R2对输入模拟信号进行分压, 将输入电压转换到ADS1271的差分输入电压范围内。用Multisim10.0.1对调理电路进行仿真如图4, 图中通道A的电压值为V1经过跟随电路后的值, 通道B的电压值为V1经过分压电路后的值V2, 由仿真结果可看出, 调理电路将5 V的电压调理为2.5 V, 满足设计要求。
2) ADC驱动电路设计
大多数高精度A/D转换芯片都要求模拟信号是差分输入的, 优点在于其抗干扰性能要比单端输入好, ADS1271基于差分参考电压VREF=VREFP-VREFN来测量差分输入信号VIN=AINP-AINN, 而前端调理后的模拟信号是单端输入的, 所以在模拟信号传输到A/D芯片之前, 要用一个单端转差分电路来驱动A/D芯片, 设计采用全差分运放驱动芯片OPA1632作为单端转差分的芯片, 为避免可能的振荡同时保持稳定, 在电源与地之间并联使用10μF的钽电容C5、C7和0.1μF的陶瓷电容C4、C6。如图5所示。
Δ-ΣADC通过对信号进行过采样, 放宽了对模拟抗混叠滤波的要求, 简单的RC滤波电路足以起到抗混叠滤波器的作用。输入信号的采样速率为调制器输入采样速率fs, 远高于最大输入信号频率的2倍 (奈奎斯特频率) , 图6显示抽取滤波器频率响应的大致特征。
从图6中可以看出, fb和fs-fb之间的频率分量大幅衰减, 因此, 可以使用Δ-Σ转换器内部的数字滤波器来滤除位于[fb, fs-fb]范围内的所有转换器能量。但是, 转换器无法区分输入端位于[0, ±fb]与[kfs±fb]范围内的信号, 其中k为整数。这些范围内的所有信号 (或噪声) 均通过采样过程而混叠降频至目标带宽[0, fb];抽取滤波器只对数字化样本有效, 对衰减这些信号不起作用, 因此, 在转换器对输入信号进行采样之前, 必须通过设计一个抗混叠滤波器来消除[kfs±fb]这些频带内的输入噪声能量, 同时保证目标带宽内的信号不能被衰减。
在实际应用中, 目标带宽为0~10 k Hz, 这个范围内的信号衰减不得超过0.988 6的比率。由单级点滤波器的衰减公式可得
式中, fb=10 k Hz, 设R=50Ω, C=6.8 n F, 代入式 (1) 计算出滤波器对混叠至基带内的[0, fb]频段内信号产生的衰减比率ratio约为0.999 7, 可以看出在目标带宽内信号几乎没有衰减。而对于混叠至基带内的[kfs±fb]频段内的信号, 取f=50 k Hz×OSR, 其中OSR为过采样率, 根据ADS1271的芯片资料可知其值为128, 计算得f=6.4 MHz, 设R和C的值不变, 代入公式 (1) 计算出衰减比率ratio约为0.072 9, 可以看出在[kfs±fb]频段内信号衰减很大, 综合考虑后, 图5中R4=50Ω, R5=50Ω, C8=6.8 n F构成的抗混叠滤波电路可行。
3.2 影响Δ-ΣADC采集精度的分析
对于ADC而言, 有2个重要的指标:转换速度和精度。转换精度是指将模拟信号转变为离散的数字信号在幅度上的准确度, 通常用分辨率和转换误差来描述。设计选用新型的高精度Δ-ΣADC, 其精度由内部的调制器部分决定, 调制器结合过采样技术和噪声整形技术, 以此来提高ADC的精度。下面从信噪比 (SNR) 的角度定量计算过采样技术对调制器精度的影响。
ADC转换时可能引入很多种噪声, 例如:热噪声、杂色噪声、电源电压变化、参考电压变化、由采样时钟抖动引起的相位噪声以及由量化误差引起的量化噪声。有很多技术可用于减小噪声, 例如:精心设计电路板和在参考电压信号线上加旁路电容。但是ADC总是存在量化噪声, 所以一个给定位数的A/D转换器的最大SNR由量化噪声决定, 过采样技术可以减小量化噪声从而改善SNR, 这将有效地提高ADC的转换精度[3]。
对电压幅值在0~VREF范围内的模拟信号进行n位二进制字符串编码, 有2n种不同编码, 因而输出码的最低有效位 (LSB) 为。假设量化噪声为白噪声, 代表量化噪声e的随机变量在ADC码之间分布的平均值为0, 计算得到量化噪声的功率为
因此, 量化噪声功率谱密度ρe可以表示为:。信噪比SNR定义为频带内信号功率有效值与噪声功率有效值的比值, 为
为了得到最佳的SNR, 输入信号的动态范围必须与VREF一致。如果假设最佳情况下的输入信号是一个满度的正弦信号, 则它的有效值是VREF的函数:, 信号功率有效值ex2为
在信号频带内量化噪声功率e2rmsy的值为
式中:e定义为过采样量化噪声, ;OSR定义为过采样率, ;f0和fs分别为信号频率和过采样频率。将式 (4) 、 (5) 代入式 (3) 中, 计算得到信噪比SNR为
由式 (6) 可以看出, 如果输入的信号是正弦波, 当过采样率增加一倍, 信噪比将大约提高3 d B。采用过采样技术确实可以减少信号频带内的量化噪声, 使Δ-ΣADC的转换精度有了很大的提高。
3.3 Flash存储电路设计
数据存储器是将采集转换后的数据进行存储, 作为数据实时传送有误或试验环境条件不允许实时传输数据时的备份, 保证每次试验参数测试的有效性。设计选用三星 (SAMSUNG) 公司的NAND Flash芯片K9WBG08, 其存储容量为4G×8 bit, 除些之外还有1 024 Mbit的空闲存储区。
K9WBG08其一页4 224 byte的写操作所需时间的典型值为200μs, 其264 kbyte一块的擦除时间的典型值为1.5 ms。页读操作中, 每个字节只需25 ns。K9WBG08有8位I/O端口, 采用地址、数据和命令复用的方法, 使NAND Flash有简洁和通用的接口, 很容易进行容量扩展。其片内的写控制器能自动执行写操作和擦除功能。包括必要的脉冲产生和内部校验等, 完全不用外部微控制器考虑, 简化了器件的编程控制难度[4]。
设计中, 所有对Flash的操作都是通过FPGA内的Flash控制模块完成, 所以在硬件接口设计上非常简单, 只要将Flash的各控制引脚和I/O引脚直接连到FPGA的I/O端口就行, FPGA内的Flash控制器实现所有的逻辑控制。
4 控制逻辑设计
FPGA软件利用VHDL语言在Xilinx ISE7.1环境下开发, 采用自顶向下的模块化设计方法, 完成各控制模块的设计, FPGA内部主要由时钟产生模块、A/D采集控制模块、数据编帧模块、Flash控制器模块以及FIFO模块构成。其内部结构框图如图7所示。
A/D采集控制模块实现对ADS1271数据采样的控制, 采样后的数据送往FIFO1缓存等待数据编帧。通过MODE引脚浮空使ADS1271芯片工作在高分辨率模式下, FORMAT引脚接地而使芯片采用SPI串行接口, 引脚分别接FPGA的16个用户I/O口, 作为数据就绪状态查询信号, DOUT引脚分别接FPGA另外的16个用户I/O口, 用以接收转换后的串行输出数据, ADS1271无需启动信号只要通电即可开始转换, 并且在任何需要的时候通过查询为低电平时取走数据, 状态转换如图8所示。
当引脚为高, 转换一直进行, 当它变低并且保持低电平超过219CLK个时钟周期时, ADS1271处于低功耗状态;当CLK上升沿到来的同时引脚返回高, ADS1271退出低功耗状态, 转换重新开始。ADS1271使用一个斩波稳压调制器来提供非常低的失调漂移, 而为了进一步最小化失调, ADS1271在处于低功耗状态时自动地执行一个失调自校准, 当低功耗状态结束, 引脚保持高电平时, 失调自校准状态开始, 一旦有效数据可以被取出, 引脚返回低, 失调自校准状态结束, 转换重新开始[5]。
FIFO作为一个先入先出堆栈, 其作用是暂时保存数据, 待需要提取时再按其原有顺序输出。为确保数据不被覆盖, 任何时刻FIFO都不能被写满, 在Flash判断无效块期间和页编程期间FIFO只写入不读出, 而Flash页编程时间最大为700μs, 为保证可靠性, FIFO容量应根据各通道在最大采样率下工作且Flash页编程期间写入FIFO的数据量来确定, 16路模拟信号的采样率最大为50 k Hz, 字长为16 bit, 在编程期间A/D转换送来的数据量为
实际应用中利用2 kbyte内部FIFO作为数据缓存。Flash采用页写模式, 依次读取FIFO中的数据并写入2 kbyte的页寄存器, 页寄存器写满后2 kbyte数据一起写入内部存储单元, 这时不再读取FIFO中数据, 而由ADC转换的数据还需要继续写入FIFO, 为保证数据不丢失, 采用2×2 kbyte的FIFO实现乒乓操作。
5 测试结果
测试时用AFG-3051型函数信号发生器产生峰-峰值为4 V的1 k Hz正弦波, 通过上位机软件对采集的数据生成波形, 以第一路信号为例, 生成的波形如图9。
图9中横轴为采样的点数, 纵轴为电压幅值。可以看出生成的波形光滑无毛刺、频率稳定、幅值精确。
6 小结
介绍了一种基于FPGA的高精度多通道数据采集存储电路, 文中对Δ-ΣADC工作原理、硬件设计、控制逻辑设计予以详细论述。采用Δ-ΣADC通过过采样、噪声整形、数字滤波和抽取等近乎纯数字技术完成了对16路模拟信号的高精度采集转换, 测试结果表明, 采集的数据无丢帧现象, 很好地还原了被测信号。
摘要：为满足多路多种类信号高精度采样的需求, 设计了一种基于FPGA的高精度多通道数据采集存储电路。设计采用新型的高精度Δ-Σ模数转换器 (Δ-ΣADC) 对模拟信号进行采样转换, 并给出了电路的硬件设计和控制逻辑设计。具体介绍了抗混叠滤波电路的设计, 并详细分析了影响Δ-ΣADC采集精度的因素;设计采用FPGA作为主控芯片, 实现对整体电路的逻辑控制。测试结果表明, 设计实现了对16路模拟信号的高精度采集存储, 满足实际需求。
关键词：Δ-Σ模数转换器,高精度,数据采集,FPGA
参考文献
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[3]何欣.Δ-ΣAD转换器改进及后端设计[D].北京:清华大学, 2008.
[4]郭铮, 刘文怡, 冯妮.基于FPGA多通道高速数据采集存储器设计[J].电视技术, 2012, 36 (7) :56-57.
高速数据采集存储板卡设计 篇8
高速采集存储系统目前在雷达、图像处理、语音识别、声纳、通信等领域有着广泛地应用。为了满足雷达高速数据采集的需要,要求设计高速大容量的数据存储器,可以在现场采集数据、保存后进行回放和后期处理。特别是随着雷达成像技术逐渐成熟,分辨率和采样率都大幅提升,需要实时保存海量数据。Atmel公司的1 GS/s速率的A/D变换器件,可以工作1 GHz上进行采样。NAND型FLASH芯片,以半导体作为记忆载体,比传统的存储设备可靠性更高,体积及重量更小,日趋成为存储器的主流。
在某机载合成孔径雷达的试验中,雷达以正侧视条带式工作在X波段,空间分辨率达到0.5 m×0.5 m(0.3 m×0.3 m)的高分辨率,I,Q双通道采样,采样频率640 MHz,采样位宽为8 b,场景距离向45 120 (22 560)点,方位向重复频率为2 k/s,要求最小存储速度2×8 b×45 120×2 k/s=180.480 Mb/s。本文将详细介绍所设计的A/D_FLASH系统是如何构建来满足数据采集和存储要求的。
1 核心芯片选择
存储介质采用Samsung公司的NAND FLASH芯片K9WAG08U1A-PIB0,他的外部接口速度为40 MHz,接口宽度8 b。每个芯片含8 192×2个数据块,1个块分64页,每页大小为(2 k+64)B,其中64 B为空闲区,存储总容量为16 Gb。
数据采集芯片采用Atmel公司的AT84A/D001B,他是双通道8位AD,采样速率可达2 Gs/s(此时是2个通道),输入接口是SMA,触发选用外接触发,触发信号为3.3 V的TTL或者CMOS电平。输入信号带宽可为1～1 500 MHz,输入信号幅度为-2 dBm(Vpp=500 mV),输入阻抗50 Ω,信号通过SMA接头接入。
FPGA是控制核心,他非常适合复杂时序逻辑的设计,这里选用Altera公司的STRATIXⅡ系列的EP2S60F1020C5芯片。他的内置存储RAM,可以缓存一定量的数据,支持3.3 V,64 b,66 MHz PCI,可以作CPCI的功能控制。
PCI桥接芯片采用了PIX公司的PCI9656BA芯片,以简化与主机进行通信时PCI部分的设计。借助PCI9656,可实现与主机间进行64 b,66 MHz的PCI总线,与FPGA间实现32 b,66 MHz的局部总线协议,并可实现板卡的热插拔。该芯片应用灵活,性价比较高,是进行CPCI接口开发的一块性能优良的芯片。
2 A/D芯片部分的操作
AT84A/D001B有2路(I,Q)模拟输入,变换的结果可以最多有4路的差分输出,这4路都连到FPGA的差分IObank上,A/D的时钟输入也是差分的,最高可以达1 GHz,如果设定成将这个时钟反相后作为另一路的时钟输入,那么采样速率实际可达2 GS/s,工作模式的设定都是通过FPAG输出时序给A/D,其中要注意的FPGA输出的信号经过一个电平转换芯片后再连到A/D的配置接口上,因为A/D支持电平是2.2 V,可以用FPGA的3.3 VBANK的I/O接口转换。
3 FLASH芯片接口操作
K9WAG08U1A可以看作由2片存储容量为8 Gb的小芯片组成,对此,芯片有2个片选信号ce1和ce2,对应还有2个rdy信号。芯片的各种操作必须写入相应的命令才能顺利执行,由于命令、地址、数据共用I/O,所以要通过命令锁存信号和地址锁存信号共同控制而分时复用。FLASH存储中主要使用的操作简介如下:
(1) 页编程(PAGE PROGRAME)
器件的编程以页为单位,但在一个页编程周期中允许对部分页(一个或连续的多个字节,最多不超过页容量)编程。一个页编程周期由串行数据加载阶段和紧随的编程阶段组成。在数据加载阶段,数据被加载到数据寄存器中;在编程阶段,已加载的数据写入实际的存储单元,编程典型时间为200 μs。
(2) 页读(PAGE REA/D)
器件在上电时,就被初始化为读模式,此时可以不写00h命令,直接写入地址和30h命令即可。有2种类型的读,分别是随机读和顺序页读。命令打入后经过最多20 μs的时间,数据会从选择的页传到数据寄存器中。
(3) 块擦除(BLOCK ERASE)
器件的擦除操作是以块为单位的。块地址加载由擦除建立命令60h启动,然后输入确认命令D0h,执行内部擦除过程。这一先建立再执行的两步命令时序,确保了存储内容不会由外部的干扰而意外擦除。
4 板卡大致布局
板卡有一个高速CPCI接口,方便与CPCI工控机之间的数据交换。此外采用自定义的两个高速数据接口(SCSI)。64片FLASH芯片并行操作,另外8片FLASH芯片专门用于冗余校验, FPGA为整个板卡的控制核心,其硬件结构如图1所示。
由于CPCI的插槽J3,J4和J5用户自定义应用,在这里把J3设计成自定义I/O,总共有80根线连到FPGA的引脚上,这样只要跟这块板卡插在同一块CPCI工控机的底板上,就可以很自由地实现板间通信而不需要主机的太多干预。J4没有连接,而J5则按照TigerShark公司的TS201的链路口协议进行链接,这样以来,这块板卡就可以实现与以TS201为核心的雷达信号处理板卡之间的通信。 布局时要把数字部分和模拟部分尽量彻底分开,模拟部分主要是指A/D上的模拟电源,模拟地,模拟信号等。这块板卡的布局如图1所示:
5 重要模块设计
程序的大致结构流程如图2所示:
FPGA是整个存储卡的控制核心,EP2S60F1020I4实现的内部功能模块如图3所示:
6 A/D的配置及与FPGA数据传输
Atmel的这款A/D变换芯片采用3线式配置其工作方式,通过这个接口配置他的时钟源,单路或是双路模拟输入,以及变换结果的输出通道数,并可以配置2路的增益和补偿。这种配置方式只需往芯片的内部8个寄存器写入相应的配置值即可,并可以根据应用场合及时修改配置参数,适应各种要求的数据采集要求。A/D的3线配置时序如图4所示:
A/D变换工作的频率比较高,FPGA要接收这个数据需采用一个LVDS接收器,这样就可以把接收器的输出直接连到FPGA中的FIFO去,接下来通过FIFO接口把数据传给FLASH模块去存储。A/D变换的结果进入FPGA后,再经过一个解串器,把速度降下来,就可以分到把数据送给FLASH去存储。
6.1 FLASH流水工作
考虑存储速度要求和接口的最高速度,我们以接口速度320 MB/s进行设计,由于每组17片FLASH并行操作,分配到每个FLASH芯片的速度为320/16=20 MB/s。K9K8G08U0M芯片接口的写入速度最高可达40 MB/s,所以工作在20～40 MB之间就可满足所需要求。
考虑FLASH的结构特点,设计过程中基于整个页进行读写操作。数据加载时间,即1页数据写入FLASH寄存器的时间为:页容量/接口速度=102.4 μs。数据加载结束后,进入编程阶段。K9K8G08U0M芯片编程时间的典型值为200 μs,最大值为700 μs。为了系统达到最大稳定,以最大时间700 μs进行设计,编程时间/数据写满每组FLASH一页的时间为:700 μs/102.4 μs=6.8,说明经过7组FLASH的写入加载操作后,第一组FLASH编程结束,又可进行再次加载。由此可见,在一次循环操作中,用8组FLASH是比较合适的,也就是如图5所示的样子。
6.2 用于FLASH存储的坏块列表
NAND FLASH内部有随机分布的坏块,需要建立坏块信息列表,对FLASH的操作都要基于此列表。芯片在出厂的时候,在每块第一页和第二页的空闲区的首字节(第2 048个字节)处留有标记,如果不是FFH则为坏块。建立坏块信息列表如图6所示。
在实际操作中发现,每组17片FLASH总的坏块从80到130不等,但相对于总块数8 192而言仍算少数。所以把每组17片FLASH各自的坏块信息相与,建立一个新的组坏块信息列表,一共8组FLASH所有的坏块信息是8 192个字节,总的大小很小。由于每组FLASH共同控制,那么基于同一个坏块列表操作就显得非常的方便。
存储操作及坏块列表的更新,如图7所示。FLASH在长期使用中,会产生新的坏块,要及时对坏块信息进行更新。更新时,把新的坏块内容写入第一块中去,但不重新写入原来的地址。这样确保原始坏块信息的安全。
6.3 数据的冗余校验
在实际信道传输数据时,如果由于信道传输特性不理想,并且受到噪声和干扰的影响,就会造成接收端误判而发生差错,或者由于个别芯片出现读写失败时,也会造成数据的丢失。为了尽可能的降低通信的误码率,提高数据存储的完整性,同时使用循环冗余校验码CRC(Cyclic Redundancy Check)与奇偶校验码来检查和恢复错误数据,保障存储系统数据的可靠性。
循环冗余码采用CRC-CCITT国际标准,其生成多项式为:G(X)=X16+X12+X5+1。为了提高运算速度,使用并行计算方法。奇偶校验的法则为,数据有奇数个1时,校验码为1,否则为0,在FPGA内部使用异或组合逻辑就可轻松实现所需算法。
7 性能参数
板卡的性能参数如表1所示。
8 FPGA内部实现的功能结构
FPGA内部主要完成的工作主要有,接收从CPCI工控机来的的命令,判断执行的命令的类型(存储、回放、擦除数据等),实现FPGA与PCI9656的通信,对A/D的工作模式进行配置,把A/D变换的结果传给FLASH,建立坏块列表,以及对数据的冗余校验。低速模块对高速输入的处理,是个通过数据流的串并转换,面积换速度的方法达到。
9 结 语
本文对FLASH的固存技术进行研究,所设计的基于FPGA的存储卡,在存储速度、容量、纠错性能上都满足了机载合成孔径雷达成像试验所需的要求。在速度要求愈高的发展趋势下,高速大容量的存储器将在各个领域都会有广泛的应用前景。
参考文献
[1]K9WAG08U1A A/Dvanced FLASH Memory Data SheetSAMSUNG Electronics,2005.
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煤矿监控数据采集分站的设计 篇9
关键词：PROFIBUS总线,监控数据采集,智能分站
0 引言
煤矿井下监控系统一般采用传感器—分站一地面的三级结构。分站收集传感器信号,并按某种约定的传输协议和地面系统通信。由于煤矿井下每个监测点的监测种类众多,且分布不均匀,有的测点模拟量多,有的测点开关量多,为使分站能适应不同的测点,分站需具有多路采集通道且最好是不区分模拟量通道和开关量通道。分站和地面的通信协议对整个监控系统性能好坏起着至关重要的作用,工业测控领域的PROFIBUS总线通信协议支持多主站,实时性强、可靠性高、传输速率高、传输距离远,经过电气防爆方面的改造,能够很好地满足矿井监控系统对监控分站的要求。
1 系统总体结构设计
整个煤矿安全监控系统设计分为3个结构:中心站—井下监控分站—传感器。其中中心站负责接收、存储和显示从井下监控分站传来的各种井下生产环境安全监控数据,并通过各个井下分站发送各种配置命令和对现场设备的控制命令(如配置传感器参数、报警参数、控制参数等,配置完成后,把井下分站纳入监控网)。传感器负责收集各种现场环境安全监控数据和设备运行状态数据。井下分站负责把传感器采集到的各种数据通过通信介质传输到中心站,然后接收中心站的控制命令,完成对现场设备的控制,以及声光报警等。采用PROFIBUS控制器总线进行井下智能节点的设计。图1是系统的结构图。
在中心站和井下控制分站之间采用西门子公司推出的网络接口卡CP5613,来实现现场总线协议和中心站计算机标准接口协议的相互转换,以便形成基于Internet的煤矿监控系统的设计。
2 井下监控分站智能节点的硬件设计
在分站硬件设计时,采用模块化的设计方法。设计对象包含PROFIBUS总线接口部分、CPU、复位芯片、总线地址译码部分和I/O接口部分及数据采集部分。该系统采用Philips公司的P87C51RD2,PROFIBUS通信控制器采用西门子公司的SPC3和65ALS1176,看门狗电路采用Xicor公司的串行E2PROM和WDT一体化的电路,防止程序跑飞。图2为井下分站智能分站的硬件框图。
D I P开关用来设置该智能分站的节点号,这个节点号是预先约定C的协议分配给每个分站的唯一地址,用户在分站P下井前根据这个分配的地址进行配置节点号。
矿用模拟量传感器输出信号以频率型为优选,开关量为触4点型或电流型。将来自传感器的8路频率信号(200~1000Hz)进行整形,从而得到波形、电平规范的方波信号。光耦电路则主要负责信号的隔离,消除共模电压的影响并遏制过程通道上的一些脉冲干扰,从而提高系统的信噪比。单片机定时巡检8路信号,对得到的数字量进行判断和运算U,进而用得到的控制量,去自动控制继电器的状态,从而实现对井下设备的控制。利用LED数码管显示频率8、通道号、通道类型以及线路状态等。PROFIBUS总线把单片机根据主站命令采集的安全监控监测数据传给上位机。智能分站也能够根据主站发来的命令允许对继电器的状态进行手动控制。注意:通信采用双绞线进行,为了避免电缆反射波,同时也为了抗信号线上的回波干扰,要在通信线的两侧加上120Ω的终端电阻H。
3 上位机与下位机的连接
中心站上位机通过基于PCI总线的CP5613智能网络通信接口卡与7井下分站进行数据通信。智能分站设计完成之后编写智能分站的GSD文件(电子设备文件),利用STEP7组态软件完成系统组态。
4 系统软件设计
采用模块化程序设计方法,主要分为以下几个模块的设计:分站数据采集和处理程序,PROFIBUS总线通信程序,监控和操作界面以及数据库管理。
4.1 数据采集和处理程序
由于C井下环境恶劣,复杂多变,为了能够及时准确地将井下的情况C反馈给地上的监控人员,要求数据的采集和处理程序有较高的实时性和可靠性,因此采用汇编语言编写。当然该段程序包含LED显示程序设计和对异常情况处理程序的设计。
4.2 PROFIBUS总线通信程序
PROFIBUS总线通信程序是整个软件设计的重要部分。通信过程主要包括发送和接收部分,本设计中2部分都设置成中断方式而不是查询方式,把它们做成模块,采用调用子程序的方式来访问。
上电复位后,首先完成对数据采集分站的初始化,包括设置SPC3允许的中断,写入从站识别号和地址,设置SPC3方式寄存器,设置诊断缓冲区,参数缓冲区,地址缓冲区,初始长度,在完成初始工作后,执行监控主程序,等待发送中断或接收中断请求。主程序流程见图3。其中输入输出都是相对于主站而言。上位机向从站发送数据后,在SPC3的输出缓冲区可以得到数据。从站采集的数据放入到SPC3的输入缓冲区,上传给上位机。
4.3 监控机操作界面和数据库管理程序
系统中心站监控界面采用Visual Basic的IFIX监控软件包,主要是对各分站进行设置、更改、监控等。为了更加方便用户的使用,也为了开发基于互联网络的煤矿监控系统,在后台采用实时数据库把数据保存起来,以供查阅、分析、管理之用。
5 结语
采用PROFIBUS总线技术的煤矿数据采集系统,具有通信可靠、抗干扰性能好、传输距离远等特点。同时该系统建立了实时数据库,在此基础上,可以对这些数据进行一定的算法处理,开发煤矿安全预警系统,使煤矿工人的安全得到进一步的保证。
参考文献
[1]李正军.现场总线及其应用技术[M].北京:机械工业出版社,2005
[2]阳宪惠.工业数据通信与控制网络[M].北京:清华大学出版社,2003
临床电子数据采集系统的设计 篇10
关键词：临床资料,电子化采集系统,设计
1 引言
随着循证医学(evidence based medical,EBM)的发展,为临床诊疗、决策提供更为可靠的量化证据已经成为现代医学研究的要求。医院对于各类数据的电子化采集越来越重视,很多医院已从不同程度上建立了医院信息系统(hospital information system,HIS)和临床信息系统(clinical information system,CIS)[1,2],实现了收费、药品、医嘱、护理、检查、检验等工作的电子化。而临床资料作为患者主要诊疗信息的载体,长期以来,却存在着资源丰富而客观分析利用不足的问题。目前,国内很多大型医院已经采用了电子病历系统(electronic medical records,EMR)规范日常临床资料的电子化采集、管理和使用[3]。EMR通常可以提供临床病历的电子化存储,提取某些诊疗信息;提供用户权限和密码保护,提高电子数据的安全性;提供检索功能满足医生临床、科研和教学对病案的查询要求等[4]。而对于医学科研的临床研究数据有更为严格的采集要求,如变量名称规范、数据的完整性、安全性等,EMR的数据常难以满足这些要求。
国际上,基于网络的临床研究电子数据采集(electronic data collection,EDC)替代纸质数据采集(paper-based data collection,PDC)已经成为发展趋势[5,6,7,8]。有文献将EDC与PDC进行了比较,结果显示EDC能节约49%~62%的研究成本[9]。而我国绝大多数临床试验采用的是纸质采集的方式。
本文从便于进行深入统计分析并使临床资料能直接为临床科研服务的角度出发,结合临床研究数据的特点和规范,提出了灵活可靠的临床电子数据采集系统设计方案,为临床电子数据的标准化采集提供参考。
2 电子病历(EMR)存在的主要问题
2.1 临床数据的可靠性、完整性难以保证
虽然采用了EMR,但临床资料在采集过程中仍采用手工填写纸质病历后再录入计算机的方式,录入人员水平的差异会影响到电子数据的质量;并且,对采集过程缺乏监控,使得部分资料记录不及时,有些信息甚至是通过医生的回忆进行录入,准确性难以保证[10];对于某些信息,如不良事件(adverse event,AE),由于系统未专门设置录入界面和变量,常会被遗漏[11]。
另一方面,虽然EMR本身可以提供对住院和门诊临床数据的采集,但其使用过程和特点对于记录住院患者的临床资料较有优势,而用于门诊却过于繁琐。因此,绝大多数医院仅对住院患者采用了EMR。这使得EMR无法采集到患者出院后的门诊随访资料,提供患者预后的相关信息,获得必要、完整的科研数据。
2.2 数据未进行量化,难以进行深入分析。
实际临床资料往往具有以下特点:内容繁多,包括患者的基本信息、症状体征、检验数据、治疗信息等;涉及到的变量复杂,涵盖了所有变量类型,既包括计量、计数、等级等数值型资料,也包括日期型、字符型等资料类型;结构交错,如基本信息重复出现等。而EMR采用的数据格式是可扩展标记语言(extensible markup language,XML),虽然可以采用定义结构化节点的方式提取变量,但对于复杂的临床资料很难实现[12]。鉴于此,目前绝大多数的EMR中病历仍采用自由文本的形式输入,没有或很少进行结构化处理,不同科室(或医生)对病历描述的详细程度和内容也不相同[13],难以提取有意义的分析变量,进行深入的统计分析和数据挖掘研究;部分较常用的临床信息,如:性别、年龄、病程等,虽然已经量化,但变量名由用户自定义,不具有通用性,必须获得变量名列表和说明才能进行统计分析,使采集到的临床电子数据难以真正用于临床科研、决策和管理。
并且,EMR未提供与常用专业统计分析软件之间的接口,无法直接导出可被统计分析软件读取的数据库;而从XML格式文件转换成可读的数据库极为困难,转化过程中的数据质量也难以控制,增加了采用SAS、SPSS等专业统计软件进行数据深入分析的难度和复杂度。
3 标准化临床电子数据采集系统的设计
3.1 系统基本框架
根据日常临床资料的采集需要,结合临床试验电子数据采集的要求和医疗科研数据的质量要求,标准化临床电子数据采集系统将主要由3个模块组成:基本功能模块、临床试验扩展功能模块和系统优化模块。其中,基本功能模块主要供一般临床资料的采集使用;临床试验扩展功能模块则在此基础上,新增某些特定功能,如患者标识、双录入即时比对、数据监察、及时消息等,以满足临床试验数据的采集需要;而系统优化模块则保证所构建的系统具有较强的稳定性、适应性和可扩展能力,便于未来的发展和使用。其基本框架如图1所示。
3.2 系统基本功能
3.2.1 规范、简便的电子数据采集功能
3.2.1. 1 基于web的远程数据采集
医院信息科作为主服务器和数据库的存放地点,病房与门诊作为数据采集点,通过院内局域网上传所采集的临床数据。
3.2.1. 2 单位或项目的结构树
编制医院现有科室,或某科室现有研究项目的目录树,并可追加或删减,便于数据采集、汇总。
3.2.1. 3 变量字典
建立通用变量字典和字典模版。其中,通用变量字典,以变量名、标签、属性、变量说明的形式,保存常用的临床医疗指标,包括患者基本信息、检查、检验指标、不良事件等,实现变量的规范化采集;字典模版,则提供标准的变量编码规则,允许各个科室根据不同需求上传特定的变量字典,以满足不同科室或项目个性化数据采集的需要。
3.2.1. 4 数据导入与导出
提供数据导入功能,用于历史数据的恢复;提供数据导出功能,可导出TXT格式,以及Oracle、SAS、SPSS等格式的数据库,便于对数据采用专业统计软件进行深入分析。
3.2.2 质量控制功能
3.2.2. 1 录入即时逻辑核查
数据采集过程中,对数据进行有效值核查。有效值核查分为取值域核查和取值范围核查:取值域核查适用于对定性指标进行核查,如性别;而取值范围核查适用于对定量指标的核查,如体温。
通过了核查的数据可直接保存进数据库;未通过核查的数据系统将报警,提示用户数值可能出错,但系统不会强行限定录入值,在用户核查无误后仍可将确实异常的值保存至数据库。
3.2.2. 2 采集过程提醒
系统设定标准的数据采集过程,当完成某一步骤(表单)的数据采集后会对下一步采集进行提醒,避免资料遗漏。如:患者是否有合并用药一项,填入“是”,则提醒“请填写合并用药信息”,并弹出合并用药表单。
3.2.3 安全性保障
3.2.3. 1 用户权限设置,定期更新,密码保护
系统通过以下途径提高其安全性和保密性,主要包括:控制用户权限;用户口令的长度大于7位;口令必须由字母和数字混合组成;用户3次登录系统失败即自动退出;设置用户名的有效期;系统管理员可以根据情况注销某些用户,如已经离开科室的研究生、进修生。
3.2.3. 2 修改留痕
设置数据修改留痕功能,当数据被修改后,将记录修改者的用户名、修改时间、原值、修改值等信息。
3.2.3. 3 数据备份与恢复
建立数据备份与恢复,保证意外情况下的数据安全。
3.2.4 简单的查询、分析功能
提供统计查询引擎,用户可根据自定义的条件组合或者系统先前定义的表格,实现各种数据查询需求,快速、便捷地得到所需要的数据;提供简单的统计分析功能,对数据进行统计描述和简单分析,生成并输出统计报表、图形等,便于了解临床数据的特征,进行合理使用。
3.3 系统临床试验扩展功能
临床试验扩展功能的目的是令采集系统在原有日常临床资料电子化数据采集的基础上,也能用于临床试验数据的采集,主要包括以下扩展功能。
3.3.1 患者标识
提供临床研究人群分类标识功能,方便区别普通患者和参加临床试验的患者,实现研究人员对2类不同患者临床数据的共享,并通过标识激活相应的临床试验扩展功能。
3.3.2 双录入即时比对
在进行临床试验的数据采集时,采用2次录入即时比对和有效值校验的方式,以保证试验数据采集的准确性。
3.3.3 数据监察
设定数据监察功能,由监察员进行操作,监察临床试验过程中数据的采集、存储和分析,一旦出现错误可以向项目管理员发送及时的提醒信息,实现对整个临床试验数据采集过程的实时监察。
3.3.4 及时消息
提供基于web的及时消息传输功能,可以使各科室的数据采集终端和管理员、监察员之间及时传送消息,纠正问题。
3.3.5 数据加密上报
临床试验数据上报时,设置加密和身份认证机制,以保障试验数据在网络中的传输安全。
3.4 系统优化功能
3.4.1 系统自动更新
通过服务器发布系统更新,客户端自动下载更新,进行升级。
3.4.2 系统扩展
采用插件体系结构(plug-in architecture)以满足新接口和功能的添加。
4 系统与医院其他信息系统之间的信息交互
为系统设置开放的、文档化的应用程序接口,一方面实现其与医院其他各类信息系统(如HIS、CIS)的信息交互,提高数据采集的效率和准确性;另一方面,与专业统计分析软件(如SPSS、SAS)之间的数据传输,可将临床数据直接导出到专业统计软件中进行数据的深入分析和信息挖掘,如图2所示。
5 讨论
随着医学科研循证要求的不断加强,如何利用好临床医疗数据,使其更好地为科研、决策服务,越来越引起科研工作者和医疗管理者的重视。建立标准化的临床电子数据采集系统,规范临床电子数据的采集过程,实现门诊、住院分散的临床资料的汇聚与集中,重要临床医疗指标的量化、规范化,最终形成可供分析的标准化临床资料数据库,不仅可以实现临床电子数据的规范化、个性化管理,增强临床资料的可用性,还能够深入发掘资料所蕴含的信息,为临床医疗科研、疗效评价、临床决策、医疗质量评价等寻求量化证据提供高质量的数据保障。
电路设计数据采集 篇11
（清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京，100084）
随着汽车保有量的不断增加，空气质量问题越来越引起人们的重视，同时排放法规日益严格，这些都要求汽车发动机在运行过程中具有良好的排放性能。因此，在发动机标定过程中，实时获得不同转速、负荷下的各项排放数据，将有助于发动机排放性能的优化。
LabVIEW是一种工业标准图形化编程工具，具有数据采集与分析、信号发生与处理、输入输出控制等功能［1］。在LabVIEW中开发的程序被称为VI（虚拟仪器），包含前面板、程序框图以及图标三部分。其中，前面板是图形化用户界面，该界面上有交互式的输入和输出两类控件，用于数据输入和观察量输出的设置；程序框图是实现VI逻辑功能的图形化源代码；图标/连线端口用于将程序定义为子程序，以利于在其他程序中调用［2］。
本文以LabVIEW作为编程工具，设计开发燃气发动机排放数据采集系统。
1 试验硬件系统
试验用燃气发动机为东风汽车有限公司生产的EQD210N－20单点电控天然气喷射发动机。
电控系统采用实验室自己设计的ECU，具有传感器信号处理、工况判断、运算处理、执行器控制信号输出等功能，完全满足发动机运行需求。
排放测量采用的是HORIBA公司生产的排气分析仪 MEXA-7100FX， 可以测量 CO、CO2、THC、CH4、NOx等。其测量精度较高，可选择量程范围广，响应快速稳定［3］。
数据采集采用NI公司的USB-6009多功能数据采集卡。其有8路模拟输入通道（14位分辨率，48 KS/s）,2路模拟输出通道 （12位分辨率，150 KS/s），12条数字I/O线，32位分辨率计数器。可采集排放仪输出的模拟信号，通过USB口传输到上位机，供LabVIEW程序进行处理。试验硬件系统构成如图1。
2 程序设计模式
在LabVIEW程序设计中，常用的程序设计模式有： 状态机 （State Machine）、主/从结构（Master/Slave）、生产者/消费者结构（Producer/Consumer）、队列消息结构 （Queued Message Handler）、启动界面（Launcher）等［2］。 本文将以 Anthony Lukindo 改进的队列状态机［4］为架构，进行系统软件的开发设计。
2.1 状态机
状态机是LabVIEW程序设计中最常使用的设计模式之一，可以清晰地实现任何状态图之间的转移，常用在“决策”算法中，例如监测、控制和诊断等。状态机包含三要素：状态、事件和动作。
状态机程序框图，主要有一个主循环和一个Case结构组成，并利用移位寄存器来实现状态间的转移［2]。其中，主循环为While循环，用于维持状态机的运行，主循环里面包含一个条件结构，用于对各个不同状态进行判断，实现状态间的转移［5］。
2.2 生产者/消费者结构
生产者/消费者结构主要用于数据的处理，循环之间通过队列来传递数据。
数据采集系统，一般包括数据采集、数据分析和结果显示三个步骤。若通过数据流直接将这三个步骤连接起来,即每进行一次采集数据都要经过数据分析及显示后才能开启第二轮采集，则数据分析引起的时间延迟有可能增大数据采集的周期，更有甚者造成数据的丢失或重复利用等问题。采用生产者/消费者结构的数据采集系统,通过并行的方式实现多个循环。其中一个循环不断地采集数据(生产者),另一个循环不断地处理数据(消费者)，这两个循环通过消息队列进行通信,彼此之间不产生干涉，从而可以很好地解决这些问题［5]。
2.3 队列状态机
队列状态机是把所有要执行的状态存在队列中，并将状态名与状态机的每个状态进行一一对应,以达到控制状态转换顺序的目的。当某一状态执行完成，其状态名称将会从队列中删除，同时依据运行时状态的动作或触发的事件，新的状态名将会被添加到队列中［6］。本文采用Anthony Lukindo改进的队列状态机［4］，其结构示意图如图2所示。
从图中可以看出，该队列状态机由事件结构2、状态结构3和并行运行的子程序4.1-4.3组成，并通过队列引用1相互连接。具体的实现步骤：1.1获得子程序4.1-4.3的状态引用；1.2为通过 “元素出队列”VI获取队列中的第一个元素，并将该元素从队列中删除；1.3为通过 “按名称解除捆绑”VI获得状态名和数据；1.4为将获得的状态名与 “EXIT”的比较，相同时则停止循环；1.5为队列管理子VI；2.1为前面板动作产生的指令，将所需跳转至的状态名称添加到队列中；3.4为条件case结构；3.5为程序代码；3.6 为下一个状态序列［6］。
3 软件设计
软件部分具有数据采集、实时显示、数据保存等功能，并采用模块化的编程思想，利于程序的拓展。
3.1 数据采集
为了能够测量不同转速和负荷下的发动机排放数据，需要分别设计转速、进气歧管绝对压力、排放数据三部分的测量方案。
3.1.1 转速测量
为了能够测量发动机的转速，一般都在曲轴上安装一个齿盘和一个曲轴转角传感器。本实验使用的天然气发动机采用的是22个7°的齿，齿与齿之间的间隔有21个为8°，剩下一个为38°。
本文采用可变磁阻式曲轴转角传感器，主要参数输出电压幅值/转速为400 mV/60r/min。经过实验室自己设计ECU的信号处理，可将转速信号处理为0～5V的方波。用USB6009测量时，使用其32位计数器功能，下降沿触发，就可对方波个数进行计算。通过计算单位时间内收到的方波个数就可以计算出发动机当前转速。测量方案如图3所示。
采用LabVIEW进行编程，转速采集程序如图4所示，因共有22个齿，故采用移位寄存器的方法实现第1齿和第22齿的时间记录，每当前后齿数相差等于22时，进入转速计算结构中，容易得到转速n=（r/min）
3.1.2 进气歧管绝对压力测量
采用进气歧管绝对压力传感器来测量进气歧管的压力，ECU根据此信号判断进入发动机的空气量和发动机的负荷，本实验采用的传感器可测量的压力范围为20～200 kPa，压力传感器的输出范围在0～5 V范围内，经滤波后可以直接被USB6009的AD转换口接收，从而计算出发动机负荷状态。
3.1.3 排放数据测量
MEXA-7100FX排气分析仪在对发动机尾气分析过程中，会输出相应的电压信号 （0～5 V），使用USB6009进行AD采集，即可完成对排放数据的采集。
3.2 程序功能实现
由于转速、进气歧管绝对压力、排放均能由USB-6009完成采集，因此将其封装成子VI，采用基于队列状态机进行编程。如图5所示，主程序接受数据采集子VI传递来的数据，并实现数据实时显示、数据保存功能，而数据(转速、压力、排放)采集封装在子VI中。
在数据采集子VI中，如图6，将DAQ采集到的数据和状态一起捆绑成簇，当保存按钮为假时，只以队列的形式将数据和“Get the Data”状态传送至主程序，实现数据的实时显示；当保存按钮为真时，采用顺序结构，依次将 “Get the Datas”和 “Save the Datas”状态传送至主程序，从而实现数据的实时显示和保存功能。前面板如图7。
3.3 数据的保存
由于实验中需要实时保存转速、进气歧管压力、排放（HC、CO、NOx）等数据，通道多，数据量较大，为方便数据保存和管理，采用TDMS(Technical Data Management Streaming)文件格式保存数据。TDMS文件，采用二进制数据格式，具有占用磁盘空间小以及支持数据流高速写盘的特点，是NI公司近年来重点开发的测试测量数据存储格式［7］。其有三层结构:文件、组和通道，每个文件下可以设置多个组，每个组可以设置多个通道。在文件、组和通道上，都可以定义相应属性以及添加若干附加信息，利于数据查询和管理［6］。
在本系统数据存储中，每次只有一个文件，以采集的次数为组名，以转速、压力以及HC、CO、NOx分别为通道名；数据读取时，以组名依次读取每个通道的数据。
3.4 数据处理
在数据处理过程中，采用基于动态链接库DLL的TDMS文件的Matlab处理方法。为了更好地推广TDMS文件，NI公司提供可供Matlab调用并处理TDMS文件的DLL动态链接库。首先通过Matlab中loadlibrary函数载入动态链接库nilibddc.dll和头文件 nilibddc_m.h［8］，接着通过 uigetfile 函数选取需要读入Matlab的TDMS文件，然后通过calllib函数调用DDC_GetDataValues函数可以得到TDMS文件中的原始采集数据，并可将其读入到Matlab环境中，最后就可以运用Matlab强大的数据分析功能进行相关数据分析[7］。TDMS文件导入Matlab的NOx排放分析图，如图8所示。
4 结语
本文以LabVIEW队列状态机为主体结构，设计开发了发动机排放数据采集系统。该系统能够实时采集发动机转速、负荷及排放数据，并具有数据显示、保存的功能，响应速度快，且可以避免采集数据的丢失，为发动机标定提供完整的数据。在后续数据处理过程中，采用基于DLL文件的Matlab读取TDMS文件的方法，不仅发挥了TDMS文件的优势，而且便于利用Matlab进行数据处理。
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［7］陈宏希.TDMS文件及其 Matlab读取方法［J］.兰州石化职业技术学院学报，2010，10（4）：28-30.
多通道温度数据采集系统设计 篇12
温度是工业、农业生产中常见的和最基本的参数之一, 伴随工业科技、农业科技的发展, 它的测量需求越来越多, 也越来越重要, 在生产过程中常需对其进行监测。利用微型机对温度数据进行检测, 数据显示信息控制保存对增加生产效率和提高产品质量有重要作用, 所以温度测量系统的精确度和智能化一直受到企业的重视[1,2,3]。
但是在有些特殊的工业现场, 人们无法长时间在现场观测设备运行情况, 就需要对现场数据进行采集并传送到控制室。有线数据传输方式需要铺设电缆, 而且容易受到电磁干扰, 此时需用无线传输的方式进行数据传输[4]。
多路无线温度采集系统可被广泛应用于温度测量或相应地可转换为温度量的工业、农业、环保、服务业、安全监控等工程中。通常需要对分布式多点温度进行监测。本设计以单片机作为控制核心构成分布式温度采集与控制系统。控制器通过温度传感器实时检测各节点的温度变化, 并依此显示各节点的温度, 从而远程实现对整个系统的温度检测。
1 系统设计
多通道温度采集系统分为温度数据采集部分和温度数据处理显示部分。温度数据采集部分由单片机、温度传感器和无线数据发射模块构成, 总体框图如图1所示。温度数据采集部分可以多个分布在测量范围内不同的地方。温度数据处理显示部分由单片机、无线数据接收模块和显示模块构成, 总体框图如图2所示。
2 硬件设计
基于无线通信的温度数据采集系统硬件电路包括:单片机、传感器、无线数据发射模块、无线数据接收模块和显示模块。下面对每个模块进行详细说明。
温度传感器采用Dallas公司生产的一线式数字温度传感器DS18B20。采用寄生电源方式供电, 单片机只需一根端口线就能与DS18B20通信, 占用微处理器的端口少, 可节省大量的引线和逻辑电路[5]。单片机采用美国Atmel公司生产的低电压AT89S52单片机[6]。无线数据发射模块和无线数据接收模块采用PT2262/2272[7,8]。采用6位地址码和6位数据码, 这时编码电路PT2262和解码PT2272的第1-6脚为地址设定脚, 有三种状态可供选择:悬空、接正电源、接地三种状态, 所以地址编码不重复度为729个。数据采用两次传输。PT2262将编码后的数据从输出端17引脚串行输出到F05V发射模块, 再通过天线发送出去。图3是PT2262发射原理图。为了能稳定传输数据, PT2262每次发射时至少发射4组字码。因为无线发射的特点, 第一组字码容易受平干扰产生误码, 所以2272只有在连续两次检测到相同的地址码加数据码才会把数据码中的驱动相应的数据输出端为高电平和驱动VT端同步为高电平。F05V当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号, 当17脚为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡, 所以高频发射电路完全受控于PT2262的17脚输出的数字信号, 从而对高频电路完成幅度键控相当于调制度为100%的调幅。显示模块采用1602字符型LCD。用单片机的P0口作为数据线, 用P2.5、P2.6、P2.7分别作为LCD的E、R/W、RS。其中E是下降沿触发的片选信号, R/W是读写信号。当接收模块获取相应的数据后, 由接口P0 (D0-D7) 输入液晶显示电路, LCD1602以直观数字显示处理后的温度数据, 并由单片机进行必要的记录。
3 软件设计
整个系统由软件驱动硬件电路工作。从系统软件的功能上可以把它分为主程序和子程序两类。主程序完成温度的循环检测和驱动各部分工作。子程序完成各种功能如温度采集、温度显示、数据通讯等。主程序控制调用子程序, 实现温度数据实时读出、传输, 处理DS18B20的测量温度值、并显示。其程序流程图如图4所示。
图5-6分别是单片机控制的发射与接收模块子流程图。发射子程序包括温度传感器在单片机的控制下采集数据信息, 经过DS18B20数据转换器处理后发送给单片机进行处理转换, 同时, 温度数据输入到单片机中, 单片机对这些数据进行分组打包, 无线传输芯片PT2262进行编码, 再通过PT2262模块天线传送到PT2272接收模块进行解码。接收子程序对数据进行解码, 输入单片机中, 然后再通过单片机处理数据, 同时驱动LCD1602进行温度数据显示。
4 系统调试和测试
系统调试包括硬件调试和软件调试, 两者密不可分。硬件调试比较简单, 硬件调试分各电路模块调试和联机调试, 试验电路是否正确, 并排除一些加工工艺性错误。首先检查焊接是否有虚焊等问题, 然后可用检测仪器测试并通电被检测电路。软件调试以程序为主进行主程序、子程序的调试。软件调试到能显示和检测变换的温度。由于DS18B20与单片机采用单线串行数据传送, 因此必须严格按通信协议的时序编程才能读出正确的测量结果。
调试完成后进行系统测试。测试系统包含一个发射部分和一个接收部分。当按下电源开关, 启动开始键后, 可以稳定传输数据。系统预留了与计算机的接口, 可以把数据输入计算机中分析存储。
5 结束语
本文设计了基于无线通信的多路温度数据采集系统。该系统的实现功能是将来自温度传感器的信号用单片机处理后无线传输到接收部分, 由接收部分存储和驱动LCD进行显示。该系统的数据处理功能强大、显示直观、界面友好、性价比高, 可广泛应用于工业现场、农业环境温度监测等诸多领域。
参考文献
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