数据采集与传输控制（精选9篇）
数据采集与传输控制 篇1
一、引言
现代家用电器被人们设计的越来越人性化, 越来越便于使用, 由于生活的高节奏, 人们对解放双手的需求也越来越迫切, 传统的手动遥控家电控制的方式已经不能满足这方面的要求, 单片机技术和语音识别技术的出现, 使人们找到了一种可以替代按键的操作方式。本文利用具有语音处理功能的低成本SPCE061A单片机作为无线语音控制器的核心器件, 通过对语音资料的压缩和解压缩, 采用信息容量较少的低频段数据传输, 软件系统采用了特定发音人语音识别的策略, 能以较高的识别率实现对照明系统、空调和电视机等家用电器的语音控制, 根据初始训练的语音命令来控制家电, 具有友好智能的人机交互方式。
二、系统功能设计
(一) 硬件平台。分析家用电器的工作特点, 我们要完成语音控制家电需要两个工作终端, 一个我们称为发送端, 即为实现语音控制的终端;另一个我们称为接收端, 主要完成接收来自控制端的语音指令并执行的终端。这两个终端均由以SPCE061A为核心的开发板和一个n RF2401模块组成, 硬件结构是相同的, 发送端接的喇叭用在语音训练时使用, 接收端接有喇叭用对语音输出。发送端利用SPCE061A自带的ADC, 通过其MIC通道将语音转换为数字量, 按照一定的格式编码通过n RF2401无线模块将数据发送出去;接收端通过n RF2401无线模块接收到来自发射端的编码数据, 并对之解码, 然后执行相应的操作。在初期试验中, 我们设计了一个发送端 (控制端) 和两个接收端 (模拟家用电视机和空调) 。
(二) 系统软件设计。系统运行后, 当发送端训练成功则一直处于等待状态, 在等待状态下判断是否有语音输入。如果检测到有语音输入, 进行录音判断并发送相应的数据;另一端在接收到数据后进行指令的判断, 进而执行相应的动作。如发送端没有发送, 接收端就一直处在等待状态。
两个接收端的硬件组成和软件的主要部分是一样的, 它们只是里面的语音资源不一样, 一个里面放的关于电视的语音资源, 另一个放的是关于空调的语音资源, 因此这两个发送端可以归并成一个, 即可称为发送端。下面将详细介绍这两大部分 (接收端和发送端) 的实现。
1.发送端程序设计思想。SPCE061A训练模式启动后, 系统播放语音提示, 提示用户语音训练己启动, 接下来用户可按照系统提示依次对各条命令进行训练, 在训练过程中, 如训练成功则有语音提示进行下一条命令进行训练, 如出现训练失败, 也会提示用户继续训练此条语音, 直到全部命令训练完毕后系统将准备进行语音识别。当人向控制器发出语音命令时, 声波通过Mic输入, 将相应的信号传递到SPCE061A处理芯片, 经编解码电路和数字信号处理后, 在芯片中通过相关程序与预先植入的语音库中的命令进行比较识别, 根据识别的结果进行判断, 转换为能被系统识别的信号, 从而对被监控的家用电器进行控制。
2.语音训练程序设计思想。该程序主要包括两个部分, 即语音训练部分和语音识别部分。通过语音训练可以使系统适应特定人的发音。语音识别部分则实现对特定人发出的语音命令与系统存储的语音命令的比较, 并根据比较结果产生相应的控制信号。程序执行步骤如下:程序开始运行, 首先将Flash (闪存) 中的语音模式擦除, 为下面语音训练的存储做准备。然后将播放训练提示音“一一”开始训练, 训练人听到提示音后开始训练, 此后开始第一条命令的训练。训练前先要训练触发名称像“电视”, 而后逐条命令进行训练。本系统设置了十五条语音命令, 分别为“遥控器”、“电视”、“空调”、“电灯”, “关机”等, 每五条指令为一组, 共分三组。每一条语音命令需要训练两次, 这两次训练系统会自动做出比较判断。当训练人两次发出的语音命令在误差允许的范围内, 系统则认为训练人发出的语音命令与系统存储的语音命令相同, 并判断为训练成功, 同时将训练人的发音特征存储到系统中。当训练人两次发出的语音命令不在误差允许的范围内时, 程序返回上一层对该条语音命令再次进行训练, 直到训练成功。像这样继续对余下的几条语音命令进行训练, 直到十五条语音命令完全训练成功。语音训练成功后, 程序进入语音识别阶段。首先初始化语音识别器, 播放提示音, 此时训练人可以对控制系统发出语音命令。然后, 系统将采集的语音进行处理, 并与存储器中训练人的语音样本进行比较。如果采集的语音是训练人的语音, 系统则将该语音与存储的语音命令比较, 根据比较结果产生相应的控制信号, 否则不产生控制信号。语音识别过程循环进行, 完成一条语音命令的控制任务后系统将等待训练人再次发出语音命令。如果训练人不再发出语音命令, 系统将一直处于等待状态。
3.接收端程序设计思想。接收端就是和家电相连接的控制器, 当收到指令时, 由控制器进行判断, 然后对相应的家电进行控制, 以达到语音通过无线传输来控制家电。接收端不需要进行语音的训练, 它主要的作用就是对收到的数据做出正确的判断。发送端在不发数据的情况下, 接收端处于空闲状态, 也就是一直处于等待的状态, 不断的进行检测, 看是否有数据的到来。
三、系统的实现说明
利用凌阳科技的集成开发环境IDE2.0进行设计, 程序编制完成后下载装入, 运行。分别把发送端和接收端的程序相应的装入单片机, 这个装入顺序不分先后, 当把发送端的程序装入并运行时, 作为发送端的单片机会出现提示音, 这是就开始训练了。训练完并成功时会有稍微长的提示音, 这时若接收端没有打开电源, 把电源打开, 就可以无线语音遥控。若是脱机运行即程序已经下载到单片机里面, 这时分别打开接收端和发送端的电源, 对接收端进行训练, 训练成功后可以无线语音遥控。
按以下的顺序对发送端进行训练:遥控器, 电视, 空调, 电灯, 关机, 电视, 开机, 河北卫视, 频道加, 频道搜索, 空调, 开机, 自动模式, 制冷模式, 制热模式。训练成功后, 无线语音遥控器就可以使用, 但每次触发一个命令时, 必须先触发“遥控器”这个名称, 然后在执行相应的指令。
以SPCE061A单片机为核心器件设计的无线语音接收、无线发送模块共同组成了无线语音单向通话系统。在程序的编制过程中, 由于要用到许多函数, 不仅要用到C语言的, 还需要用到汇编语言的一些指令, 所以为了简化程序的编制流程, 在设计时, 定义了许多模块, 便于程序中的调用。
四、结语
本文所述基于凌阳SPCE061A单片机的语音控制系统, 经过多次试验证明其控制效果较好。在训练过程中也发现训练人语气的强弱、声音的大小、背景噪音都会影响系统的灵敏性, 因此为使系统具有更强的适应能力, 还需要深人研究和改进。该语音控制系统有一个显著特点, 这就是只有经过训练的特定训练人发出的语音命令系统才会做出响应, 因而在安全保密系统中将具有一定的应用前景。由于该系统体积小, 可靠性好, 性价比高, 可用于设备的语音智能控制, 应用前景看好, 如加以完善可以实现非特定说话人的语音识别。
参考文献
[1].黄军辉, 董晓倩, 李建波.单片机原理与应用-凌阳SPCE061A[M].北京:人民邮电出版社
[2].李晶皎.嵌入式语音技术及凌阳16位单片机应用[M].北京:北京航空航天大学出版社
数据采集与传输控制 篇2
融合计费数据传输通过统一的接口在规定的时间内完成传送完整、准确的数据到目的地。
其数据格式数据块大小消息描述符的结构格式队列容量消息描述符，消息描述符的标识消息的优先级消息的生命周期消息旧消息体拆分消息体组合往往有其统一的标准和统一的接口规范。
1.1.1 融合计费数据传输模型融合计费数据传输模型是对采集不同网络、不同业务的数据统一传输的模型。
通过信息交换技术传送融合的数据从数据源到数据目的地。
解决计费数据融合后数据传输的问题。
为网络融合提供了计费数据传输方面的支持。[1]
1.1.2 时间无关性计费数据传输模型:时间无关性计费数据传输模型是指数据传输源、数据传输通路、数据传输目的地三者发送、传送和接收时间互不相关各自进行各自的处理互不影响的传输模型。
该模型解决数据发送数据传输和数据接收的时间相关性而影响传输质量和传输速度的问题。
较好的解决了当今网络与通信远距离计费数据的实时、可靠传输的问题。
当网络的数据发送端和数据接收端较远时当网络的传输状况较差时时间无关性计费数据传输模型采取分步传输数据不因网络问题或者机器问题而丢失数据;分布式传输数据允许数据发送端、传输通道和数据接收端各自进行各自的处理而并非必须同步进行。[2]
1.2 通信网络计费数据采集模型。
数据采集系统主要完成接收从控制计算机的前端送来的控制信号依次读取从传感器中送来的数据并将这些数据以一定的格式保存到计算机中。
1.2.1 融合计费数据采集模型:融合计费数据采集对不同网络或不同业务的话单和统计信息进行采集。
该模型一方面避免了大量的重复劳动.另一方面使网络之间规划更具有合理性。
有利于网络资源共享利用、网络间较好的兼容、网络增多和业务种类增多。
通过融合数据采集较好地解决不同网之间的计费数据集中采集问题。
1.2.2 集中计费数据采集模型:集中计费数据采集对同一网络不同地点的话单和统计信息进行集中采集。
进行统一处理对同一个网络计费数据进行统一规划.集中管理。
有利干网络的迅速膨胀和发展。
数据采集与传输控制 篇3
【关键词】通信;计费数据;采集;传输;安全性
计费系统需要采集计费的数据，并把这些计费数据传输到需要的地方。由此可见，计费系统是以计费数据的采集和传输为基础的，计费数据采集和传输的数量和质量决定了计费系统的优劣性。随着网络和通信的不断发展，对计费数据采集和传输的安全可靠、及时有效的要求，以及对计费数据采集和传输的界面友好性的要求越来越高。
一、计费数据采集和传输概述
计费数据采集与传输经历着从传统到现代的变迁。由于过去的计费数据采集与传输，总是针对一个接着一个的系统，这样建设的重复性问题严重，数据被浪费，同时在计费数据的采集和传输之间达不成统一的效果，也没有一定的国家层级的规范。传统的数据采集和传输严重依赖操作系统，独立性不强，经常性地一个计费系统只对应一种操作系统版本。此外，计费的前台与计费数据的采集和传输相互交织，对计费数据的采集与传输起到了阻碍作用。
计费数据采集，是一种综合性的业务处理。它准确采集交换机中的数据之后进行处理，之后传送到计费中心，由计费中心集中处理后台数据并面向具体的业务。这主要有两方面的好处，一是实现了对交换机计费数据的集中管理和控制，二是为开展综合业务提供了可以操作的平台。计费数据传输通过数据源采集到计费的数据，然后将计费数据传输到目的地，实现了计费数据在数据源和数据目的地间的交换。它主要用于全网计费中心与采集机之间、不同网的计费中心之间、全网计费中心与区域中心之间的数据传输。其不但要支持多种类的数据源，还要有连续性，以及需要增强多网融合性，对交换机的兼容性。
二、数据采集中的交换机支持
通信与网络经历了人工交换、自动电话机交换、机电制电话交换机交换、程控交换机交换、软交换技术交换的发展历程。与此同时，各种各样的交换机被制造出来，从第一台交换机stowger到4ESS的汇接交换机，再到本地交换机，再到3G交换机，交换机更新换代异常迅速。同时，交换机的功能也越来越多，越来越强大，可以用多种方式进行计费数据的采集与传输。近些年制造的新型交换机，已经可以对单次通话的大量计费记录进行实时的维护，并且拥有不同层级的服务价格。它既能为用户提供十分详细的数据，又能自动生成格式话单，且能创建账单。譬如，程控交换机可以联机采集用户的话单，可将计费统计信息提供到各种用户交换机。同时，交换机支持多种多样的计费数据采集方式，例如CAMA、PAMA、月租等等。此外，基于内容和流量的计费数据采集方式的交换机也出现了。
软交换技术是通信和网络中的新兴软件系统，它具有分布式和可伸缩的特点，它与一定的硬件/系统模式相分离，可以对同步的通信协议进行独立地处理，也就是说，它可以把这一架构在一个合适的位置推到莫尔曲线轨道上去。对于这种软交换系统，人们常把它看做是一个能够编程的控制网络。软交换技术对计费数据的采集给予了更强力的支持，可以通过向同步通信控制网络的进化，实现对网络管理、账单和其他系统的各种后台系统的支持。
三、计费数据采集和传输的安全性
在通信和网络已经比较发达的今天，对于数据采集和传输的安全性，依然是人们十分注重的方面。那么，计费数据采集和传输又是采取哪些措施保证系统安全的呢，我们认为有六大措施，它们分别是：
（一）网络防御系统
在我国，对计费数据的采集和传输一般会做统一的划定，以形成一个非常大的局域网。在局域网和广域网的连接之间，我国采用局域网防火墙将二者相隔离，实现采集机高效安全地采集计费数据并将其传送到需要的地方。在与国际网络连接时，为了保证安全性，常常采用加密手段和专用通道实现。尤其是中国的网络防火长城，对国内网和国际网之间的隔离，起到了很大效果。
（二）底层和专用协议
我国的交换机在计费数据的采集中一般采用TCP/IP协议采集数据。这种协议中的MQSeries传输由于具有非常高的安全性能，在计费数据的采集和传输中得以应用，保证了计费数据采集和传输的安全性。而国外一般采用X.25协议进行计费数据的采集和传输。
（三）监控功能
计费数据在采集和传输的过程中，有很多的提示、日志和警告对发生的问题进行反应。这时，系统就会自动调整计费数据的采集和传输，也可以人工调节，使其进图采集与传输的正确轨道。一般在计费数据采集和传输中存在的主要是前台采集监控、周运行日志、即時执行日志、电话告警等等问题。遇到这些问题系统和人工都可以加以处理，以达到系统安全性的要求。
（四）Unix系统
由于Unix系统具有很高的安全性，其权限可以支持用户的等级识别，所以选择计费数据采集和传输的系统时，采用Unix系统成为保障安全性的不二选择。
（五）实时处理
对计费数据采集和传输进行实时处理，可以弥补计费数据丢失导致的安全漏洞，使计费数据的接收终端尽快接收到及时有效的计费数据。既能够保证数据传输的效率，又能够保证数据传输的数量，同时，还起到了对数据的安全保障效果。
（六）其他措施
可以多方面考虑保障计费数据采集和传输的安全性，包括在计费数据采集出现问题，不能传输到接收终端时，循环采集和传输计费数据，直至实现采集和传输的有效;在采集和传输完计费数据后，只有将数据进行了备份之后才能将数据予以删除，以确保安全;在计费数据的格式出现错误时，对其错误进行检查和排除，采用多种办法发出警告，并重新对数据进行采集和传输;在退出采集程序时，对于正在处理中的采集过程为保证数据的完整，对其不予中断，直至过程完毕后，采集程序才能退出;采集的目的是为了传输，只有在完成传输，实现数据到达中断后，方能删除数据，确保数据不丢失;在网络信号状态不好、传输距离较长的情况下，将数据的发送、传输和接收的时间进行分离，保证传输的安全。
四、结语
网络与通信进行计费，是通过计费数据的采集和传输实现的。采用集中、融合的数据采集和传输方式，大大减少了交换机的使用量，避免了网络和系统升级的麻烦，对系统的兼容起到了很好的解决作用，同时也对软件升级问题进行了解决。计费系统能够对越来越多的操作系统进行兼容，实现了数据管理上的统一性。在以后的计费数据采集和传输领域，计费数据的采集和传输将更加集中、实时，具有融合性、开放性，将会有更友好的人机交互界面。计费数据采集和传输将更多展现出学科化和公开化的特点。
参考文献
[1]陈萍，魏雪峰，陈华丽.通信计费数据采集与传输模式的研究[J].科学技术与工程，2006（16）.
[2]赵俊红，瞿中.数据采集系统的计数逻辑研究[J].计算机工程与设计，2005（02）.
[3]王丽.通信计费数据采集网络的模式探讨[J].科技传播，2013（09）.
[4]郝涵.通信网络计费系统的数据采集与传输的探讨[J].电子制作，2013（08）.
数据采集与传输控制 篇4
ZYNQ-7000是基于Xilinx全可编程的可扩展处理平台 (Extensible Processing Platform, EPP) 结构, 该结构在单芯片内集成了基于具有丰富特点的双核ARM Cortex™-A9多核处理器的处理系统 (Processing System, PS) 和Xilinx可编程逻辑 (Programmable Logic, PL) 。常规的UART收发数据包通过UART内部的FIFO完成的。不管是用中断还是用查询的方法, 都需要占用CPU的时间。当数据包比较大的情况下, 即使最大限度地利用UART的FIFO资源, 也会占用CPU很长的时间, 为了节省这段时间, 最大限度的提高CPU的利率效率, 使用ARM Cortex™-A9内部的DMA控制器, 在没有CPU干预的情况下, 在存储器之间移动数据。CPU将控制权交给硬件控制器去完成数据包的发送接收, 让CPU有时间去处理其他的事务。
一、ZYNQ-7000 DMA和UART控制器介绍
1.1 ZYNQ-7000的UART控制器。UART是全双工异步接收器和发射器的缩写, 是一类用途广泛的通信接口, 特别是在嵌入式主机和上位机的通信中。ZYNQ-7000内部有两个UART, 和普通的UART一样, 提供可编程修改的波特率和数据格式, 具有奇偶校验和检错功能, 并提供64字节的接收和发送FIFO缓存。这里只是系统用的内部的UART接口。
软件上传输的数据可根据用户自己的需求而定, 本文只是笼统的称作数据包。
1.2 ZYNQ-7000的DMA控制器。DMA控制器使用一个AXI主接口, 在系统存储器和外设之间的数据传输。DMA控制器包含一个小的指令集, 它为制定的DMA控制器操作提供了一个灵活的方法。这比基于固定能力的链接列表项的DMA控制器来说, 提供了更大的灵活性。程序代码保存在系统存储器空间范围内, DMA控制器使用它的AXI主设备接口访问程序代码。DMA控制器能配置最多8个通道, 每个通道能支持一个单独并发的DMA操作线程。DMA控制器有一个DMA管理器, 用于初始化DMA通道线程。当一个DMA通道线程执行一个加载或者保存指令时, DMA控制器将指令添加到相关的读或写队列中。
在AXI总线上发布命令时, DMA控制器使用这些队列作为一个指令存储缓冲区。在一个DMA传输过程中, DMA控制器也包含一个多通道先进先出队列 (Multichannel First-inFirst-Out, MFIFO) 数据缓冲区, 用于保存读或写数据。对于一个程序, 它看上去好像是一个可变深度的FIFO集。每个通道都有一个FIFO集, 其限制是所有FIFO总的深度不能超过MFIFO的大小。
DMA控制器内部结构如图1所示, DMA控制器具有以下特性:1.DMA引擎处理器带有一个灵活的指令集, 用于DMA传输:1) 灵活地分散-聚集存储器传输;2) 充分地控制用于源和目的的寻址;3) 定义AXI交易属性;4) 管理字节流。支持8个缓存行, 每个缓存行是4个深度。2.支持8个并发的DMA通道:1) 允许并行执行多个线程;2) 发布命令, 最多8个读和8个写AXI交易。3.8个到PS中断控制器和PL的中断。4.在DMA引擎程序代码内的8个事件。5.用于数据缓冲的128字FIFO。在一个传输过程中控制器读或写MFIFO。6.安全性:1) 专门的APB从接口, 用于安全寄存器的访问;2) 将整个控制器配置为安全的或者不安全的。7.存储器-存储器的DMA传输。8.4个PL外设请求接口, 用于控制加入或者从PL逻辑输出的流。每个接口支持最多4个活动的请求。
二、设计与实现
ZYNQ-7000的DMA控制器提供了8个DMA通道, 每个通道有独立的寄存器组, 包括控制状态寄存器、源/目的地址寄存器、源/目的地址指针寄存器、源/目的地址掩码寄存器、传输长度寄存器、链表描述符指针寄存器。数据包的传输过程分为2个过程: (1) 从源地址指向的存储空间读取数据; (2) 将此数据写入目的地址指向的存储空间。每个通道的数据包传输过程是单个传输过程的重复, 当此过程的重复次数达到传输长度寄存器中的值后, 即完成了一个完整的DMA数据包传输过程。
此次设计所使用的编译软件是Xilinx SDK 2014.2, 所使用的硬件环境是Xilinx公司的ZYNQ 7020开发板。在Xilinx SDK 2014.2里面有已经封装好了的库函数, 直接调用库函数完成相关功能。ZYNQ-7000的DMA控制器的UART传输数据的设计主要包括两部分:串口的配置、DMA的配置。
2.1串口的配置。添加xuartps.h头文件, 函数名称命名为Uart_Config, 串口的配置流程:1) 初始化串口驱动:调用XUart Ps_Lookup Config、XUart Ps_Cfg Initialize库函数;将串口的波特率配置为115200bps, 数据位为8位, 停止位为1位, 校验位为无。2) 配置串口的选择模式:调用XUart Ps_Set Oper Mode库函数。将串口配置为普通模式。
2.2 DMA的配置.添加xdmaps.h头文件, 函数名称命名为Dma_Config, DMA的配置流程:
1) 初始化DMA驱动:调用XDma Ps_Lookup Config、XDma Ps_Cfg Initialize库函数;默认的情况下, 数据的配置为8位数据位, 1位停止位, 无校验位。2) 配置DMA的通道和DMA的缓冲描述符:配置DMA的通道的Src Burst Size、Src Burst Len、Src Inc、Dst Burst Size、Dst Burst Len、Dst Inc和DMA的缓冲描述符相关的源地址、目的地址、数据长度。Src数组作为DMA的源地址, 串口的FIFO地址作为DMA的目的地址。3) 启动DMA发送:调用XDma Ps_Start库函数。
得到的结果如图2所示:
2.3结论。程序中设置DMA传输的长度为20, 远小于DMA配置中寄存器的长度, 这样做保证了数据在传输的过程中不会溢出, 提高数据传输的准确性。为了能够与通过基于DMA控制UART传输数据进行对比, UART的配置不变, 采用传统的UART查询方式发送相同的数据, 得到的数据和图2完全一致。更改UART的波特率, 波特率范围为110bps~256000bps, 用传统的UART传输和用基于DMA控制UART传输, 得到的结果完全一致。试验结果表明, 与利用CPU进行数据传输方式相比, 基于DMA控制UART传输数据在保证UART终端能够得到正确的数据的情况下, 当传输的数据量大的时候, 减轻CPU的工作负担, 提高系统的执行效率。
三、结束语
本文就Xilinx新推出的Zynq-7000芯片的DMA控制器及UART做了简单的介绍, 通过Zynq-7000内部的DMA控制器实现UART发送数据。节省ARM Cortex™-A9 CPU的时间, 让CPU有时间去处理其他的事务, 提高效率。
摘要：ZYNQ-7000的直接存储器存取 (DMA) 用来提供在外设和存储器之间或者存储器和存储器之间的高速数据传输。在常规的UART串行数据通信的基础上, 结合Cortex?-A9微控制器中的DMA控制器的作用, 实现DMA控制的UART串口数据收发, 无须CPU干预, 数据通过DMA快速地移动, 节省CPU的资源来做其他操作。
关键词：ZYNQ-7000,DMA,UART
参考文献
[1]何宾编著.Xilinx All Programmable Zynq-7000 SoC设计指南[M].北京清华大学出版社, 2013.
数据采集与传输控制 篇5
同时,由于城市轨道交通乘客服务质量要求的提高,系统之前存在的大量数据交换的需求,例如列车控制系统(ATC)需要向乘客信息系统(PIS)和机电设备监控系统(EMCS) 及时发送时刻表信息,那么,如何既保证工业控制网络与其他网络的互相独立,又能实现网络间部分特殊信息的传输交换?
安全传输系统概述
这里,我们需要一个类似于防火墙性能的连接件来过滤通信文件,这个连接件称之为安全传输系统。
假定工业控制网络有许多部件要与一个或多个公共通信网络连接,为了保护这些与安全控制相关的部件,避免非法入侵,并尽可能使通信基础清晰,因此只计划一个连接点。负责安全控制的工业网络形成“封闭式”局域网,这里称之为WAN#1。与公共网络连接的部件,由于它们自身没有防火墙,成为开放式通信网络,这里称之为WAN#2。两个WAN网络之间我们就用安全传输系统连接。
两个WAN网络之间的通信连接均受安全传输系统监控。此系统只让规定的通信文件通过,对每一个连接,规定了通信双方的参数(IP地址,使用的通信端口,通信报文头,通信报文结构)。安全传输系统的过滤功能验证所有想WAN#1传输的通信,所以影响运行控制安全的指令不会从WAN#2流入WAN#1,反方向,对离开WAN#1的通信报文,只验证通信关系。
在WAN#2上,数据源可能已被非法侵入,对这种情况,仅仅通过确认发送者的身份不能保证闭路数据的安全,辅加的过滤功能分析通信类型,只有预先规定的通信类型才能通过。传至工业控制网络的与安全相关的指令,通常被堵绝,并把被堵绝的通信记录成出错信息,以备进一步分析。
安全传输系统的连接
安全传输系统包括两个串联连接的独立设备传输单元,它们之间相互监控。两个安全传输单元独立地检查WAN#1与WAN#2之间的通信。出故障时,即一个传输单元探出其自身或另外一装置出错,则立刻关闭应用及运行系统。利用双通道性能,如果一个传输单元过滤失败,两个独立的WAN可保持分开,这样传输单元就不会传输未经过滤的文件。
安全传输系统与WAN#1、WAN#2的连接只采用TCP/IP协议。由于安全传输系统是串联连接的,二个传输单元之间内部连接会发生协议交换,即不用TCP/IP作为传输协议。因此,即使核心部分出错,也不可能在两个系统间交换报文,因为TCP/IP协议在传输单元内部连接中不起作用。
另外,向WAN#1传输的已过滤的报文在传输之间会被编码,这样接受方的传输单元利用编码就可确定该文件是否是通过WAN#2方的传输装置发送过来的(参见图1,采用了RC4作为编码程序)。
两个传输单元间的编码
关键技术研究
地址映射
安全传输系统的地址映射功能使得只有WAN#2中已授权的计算机才能进入WAN#1区域中的指定的计算机。地址是由计算机地址和端口地址构成的,端口地址表示该计算机的需要通过安全传输系统的应用程序的地址。
地址: 计算机地址+端口地址
地址映射是根据一张地址表执行的。如WAN#2需要WAN#1中某个机器的应用程序,则需要通过适当的地址映射过程(即IP转换、多以态网地址),将WAN#1中这个指定计算机的应用到映射WAN#2的安全传输系统接口上,这样,看起来它们好像在同一个网络区域。WAN#1中其他无关的计算机没有映射关系,就不能访问它们。所有计算机的应用都是通过被映射计算机地址(例如,通过IP端口)被映射的。
地址映射也把WAN#2上相应的应用程序端口上的报文送到WAN#1中的计算机地址及应用端口。
过滤
过滤程序接收报文后,为所有支持的应用程序进行内容的过滤。过滤功能只对向受保护的WAN#1网络发送的报文进行过滤,反向传输的报文(即从WAN#2到WAN#1)不过滤。
报文是由报头及报文数据组成。报头包括指定应用程序的基本身份证明以及描述报文结构的报文类型。安全传输系统不支持没有报头的通信文件,因为没有文头,就不可能进行识别及对协议的验证。
过滤是采用正/负列表来执行。正项列表包含所有的基本过程身份证明以及为过滤程序接受的报文类型,这保证了只有可以识别的报文才能通过过滤器。所以也叫“wildcards”。即:因为大部分报文仅用几个字节便可识别,而且列表也可能会出现条目太多,所以需要给出一块地方来存放所有报文的内容特征。
若用正项列表很难描述报文的类型,例如:一个应用程序包含许多允许通过过滤器的类型,只有几个类型被拒绝,就可以用负项列表来描述报文类型。在负项列表中,只过滤那些“wildcards”上有的报文或报文类型。
错误记录
安全传输系统对所有显示出错的报文在将它们记录进一个文件之前,都加一个报头。这个报头包括出错时间及错误类型。
错误记录文件最大为2M B,如果超过2MB,则系统生成一个新的记录文件。记录文件最多为100个,如果满100个,系统删除或覆盖旧的记录文件。
安全传输系统记录下列错误:
●过滤掉的报文
所有被安全传输系统的过滤器拒绝的报文,这里报头用来修改报文。例如:发送可能含有“Trojan Horse”程序代码的报文,这种类型的错误中,报头也含有发送方地址和目标地址以及需要的应用程序端口。
过滤掉的报文被删减掉后最大为1KB,并以用户可以读取的格式存储。
●建立连接及取消连接时的错误
例如:报文上的地址不能连接到。
●量控制的启动
如果从非安全的WAN#2网络向WAN#1发送过多的通信文件,也会有一条信息记录在错误记录文件中。
●过滤器功能性故障
所有与故障探测相关的错误,故障探测的功能详见下一节。
另外,也记录WAN#1和WAN#2之间连接的建立及取消。
故障探测
过滤功能是安全传输系统的关键部分。因此必须通过周期性比较过程来监控过滤器功能是否正常。错误必须在一定的故障探测时间(FDT)内查出。
这个比较过程包括下列系统元素的验证:
●所有安全传输系统过程程序代码
●启始参数
●所有过滤列表
●地址映射参数化
●系统过程列表
由于安全传输系统故障能影响比较器及过滤器,所以必须由独立于此系统的部件来评估比较值,即:使用预期理论值来验证它们。这是由独立于传输单元1的传输单元2来完成的,传输单元2执行所有过滤器的功能,证明传输单元1并验证比较值。
两个传输单元以串联连接,这样通信文件被两个过滤器一个接一个的分析。要开始验证过程,一台传输单元发送给另一单元验证指令及激活交易码(TAN),这个TAN是从RC4中由发送传输单元产生的一个随机数,RC4是在启动后通过释放键激活的。TAN只对当前验证有效,所以它是一个逻辑时间戳。
第二台传输单元确定从其自身RC4产生的TAN(也由释放键激活),并将之与收到的TAN比较,所以可以保证TAN肯定是不可预计的,只能通过两台同步计算计程序确定。如果第二台传输单元验证TAN有效,而FDT时间还未结束,系统执行分析。产生一4字节的CRC值作为分析结果:
●所有程序项值
●所有列表项值
●过程列表值
●地址映射参数化值
这些值以及其当前的验证指令TAN值一起录入验证结果通信文件中,验证结果返回验证发令者。
同时,验证发令者执行其自身值的验证,并计算出相应的检查总数,检查总数及另一传输单元的验证结果与以前储存的参考值比较。因为两个传输单元与不同的通信系统连接,有不同的参数值及启始列表项,所以必须与参考值进行比较,同时也验证了返回的TAN值。
要复位自身的FDT定时器,下列条件必须满足:
●程序码验证结果必须为正
●启动列表验证结果必须为正;
●过程列表验证结果必须为正;
●地址映射参数化验证结果为正;
●在上一验证周期时,至少从另一个传输单元收到一个验证信号
如果有一个条件不满足,相应计算机中的FDT定时器便不会复位。为了能重复验证,在FDT时间结束前一段时间便启动复位程序。在FDT时间里,如果不能取得正确的结果,那么就说明传输单元本身出错或另一个传输单元出错。定时器时间到后,不能释放,系统(应用及运行系统)就关闭,因此,另一传输单元也不能在当前执行的验证过程中得到正值,也不能释放,同样系统也关闭。
由于传输单元之间是串联连接的,因此其它报文不能进入受保护区域WAN#1。在关闭系统之前,探出故障的传输单元在它所在区域(WAN#1或WAN#2)产生一个故障信息。维修人员可根据这个故障信息进行维修工作。
报文量的控制
可以想象,大量的报文从WAN#2发送至WAN#1,这样WAN#1中的应用程序便“人满为患”了,它的功能就受到限制。这些报文可能是由WAN#2中带病毒的程序或计算机生成的,也可能入侵者为了阻碍运行或准备进一步入侵做的破坏。
因此,安全传输系统让每个传输单元都具有量控制的功能,在一定时间内,只让有限的报文通过,如果超出允许数,系统就会丢弃超过的报文,并把相应的信息存入错误记录文件中。
通过上面的这些功能措施,基本就能实现WAN#1(工业以太网)和WAN#2(公共网络)两个网络间指定计算机间的数据安全交换,这个实现数据交换的方法也可以在其它“独立“网络需要传输一定的数据时使用。
应用实例
在上海磁浮示范运营线中,有一个用于运行控制的工业网络,还有用于办公、楼宇控制系统、消防系统、维护管理系统等公共通信的网络。由于实际情况的需要,譬如维护管理系统要从运行控制网络中获得诊断信息,乘客信息系统要从运行控制网络中获得运行班次信息等,因此这两个网络要进行信息的传输。
在这里,把工业控制网络看作WAN#1,其他用于公共通信的网络及办公网络看作WAN#2,从工业控制网络的角度来讲,这些公共通信系统都属于外部系统,可能受未经授权人员的侵扰。为了保护WAN#1网络的安全,避免非法侵入,并尽可能使WAN#1内的控制信息的通信清晰,因此就使用上文介绍的安全传输系统,用来连接WAN#1和WAN#2网络(见图2)。
应用安全传输系统后,外部公共通信网络即使存在不安全因素,也不能影响控制运行的工业控制网络,从而保证了磁浮运行的安全性。
随着计算机网络的发展,其开放性、共享性、互连程度扩大,网络的安全性和对社会的影响也越来越大。尤其是工业以太网,由于其应用对象比较特殊,比传统的商业以太网有更高的确定性、实时性、安全性等要求。两种网络如何同步发展,实现信息的安全无缝的交换,必将是提高企业的整体技术水平的关键。
数据采集与传输控制 篇6
1 原有网络传输数据链路简介及问题分析
炼钢厂80吨转炉在原设计中基于转炉生产对传输数据高可靠性的要求, 以及同轴粗缆以太网较低的可靠性考虑, 在网络传输数据链路设计时就采取了折衷方案, 转炉本体自动控制系统自成网络, 不与汽化和煤气回收网络连接, 这种网络结构带来了很大的弊端。转炉自控系统的本体、汽化冷却、煤气回收是密不可分的整体系统, 相互之间有大量的信息需要传递, 而由于网络的分割, 只有少量的信息通过硬线的连接传递, 绝大多数信息需要电话联系, 低效繁琐, 自动化水平和生产效率大打折扣。
该转炉网络传输数据链路采用以同轴粗缆为传输介质的单总线以太网结构, 同轴粗缆网络系统属于早期技术产品, 技术性能受早期网络技术条件限制, 可靠性、稳定性、通讯质量等技术指标比较落后。同时该链路的附件数量较多, 制作、装配工艺复杂, 处理故障费时费力, 技术、工艺装备要求高, 普通维护人员不易掌握, 直接造成故障时间的延长, 对转炉生产的影响日益突出, 特别是在转炉扩容后, 数据链路居高不下的故障率, 在很大程度上成为顺利完成出钢目标的重要制约条件。原炼钢转炉网络传输数据链路如图1所示。
以同轴粗缆为介质的网络传输数据链路兼容性较差, 由于当前工业以太网的主流产品多数以光纤介质为基础, 与同轴粗缆系统无法兼容。另外, 考虑后续技改采用的控制系统, 基本不带粗缆系统的接口, 粗缆系统的兼容性问题将无法解决。
综上所述, 炼钢厂80吨转炉系统网络传输数据链路的优化势在必行。
2 转炉网络传输数据链路的优化
近年来, 随着对转炉网络传输数据链路可靠性不断提高的要求, 原设计的转炉网络传输数据链路已不能满足生产的需要, 而光纤冗余环网数据链路以其高效、高可靠的特点在冶金行业得到了极其广泛的应用。实际生产中采用光纤环网数据链路, 可以大幅度的提高产量、质量, 减小故障的发生率, 提高企业的经济效益。因此炼钢厂80吨转炉为适应莱钢的发展, 实现千万吨钢的发展目标, 达到挖潜增效的目的, 采用高性能光纤冗余环网的传输数据链路。
在该光纤冗余环网传输数据链路使用modular managed switch (带冗余管理功能的交换机MMS) , 结合原有基础级控制的特点, 在本体主控室与其PLC之间、煤气加压站、4#风机房与其PLC之间、汽化地面PLC、汽化31米PLC各装一套MMS交换机, 共五套MMS。MMS之间采用光纤作为传输介质, 用熔融连接方式实现转炉本体 、汽化冷却、煤气回收四套PLC和六台上位机的环网炼钢监控系统。在该数据链路中采用基于工业以太网和Factory Manager软件对实现以太网网络进行组态, 通过对IP地址、MAC地址的设置实现网络通讯, 从而进一步实现了转炉生产系统的全局数据共享, 数据的实时传输;环网结构在一处断线的情况下, 仍可维持整个网络的通讯正常, 在多处断线的情况下, 可保证网段内数据链路正常, 极大的提高通讯质量、增强了自动控制系统的稳定性、可靠性。优化后炼钢转炉网络传输数据链路如图2所示。
2.1 光纤冗余环网传输数据链路技术的实施
2.1.1 光纤冗余环网传输数据链路的安装
采用现场分布式安装, 将网络模块放在工业现场控制柜里, 有四点要求:
(1) 机械设计的要求:外壳扁平, 导轨安装, 设备模块化, 24伏DC供电电源, 冗余连接。
(2) 连接方法:简化RJ45接线, 导线强度高。自动交叉连接:供电电源、Ethernet、管理;采用连接COMBICON的冗余24伏DC电源;可靠的RJ45接插件。
(3) 抗电磁场干扰能力强:现场总线的标准抗干扰技术。
(4) 便于用户使用的软件支持:简单的IP地址设置, 快速, 简单易懂的诊断方法, 特别用于安装, 调试, 维修和诊断。
2.1.2 软件支持
Factory Manager 此次传输数据链路优化主要使用设备的 Modular managed swtich-MMS, 这是一个工业以太网冗余管理交换机, 由一个主站加延伸模块及相关模块组成。MMS 模块化管理交换机的突出特性之一是能够轻松地适应应用环境中的变化。如果需要更多端口, 则可以通过两个附加模块将主站扩展到最多 24 个端口。可将其轻松地安装在接线盒中。 根据环境条件, 用户可以选择双绞线或玻璃光纤作为传输介质, 也可以选择更经济的 HCS 和聚合物光纤。使用双绞线连接时, RJ45连接器的防振推挽锁增强了对机械应力、振动和冲击的防护。DIN导轨安装和插拔式连接系统简化了 MMS 和所有 Factory Line 产品的安装。这套系统包含整个以太网交换功能技术:即模块化, 有管理功能;易于扩展到24个端口;支持不同类型的接口模块等。
2.1.3 MMS主站
监控/控制单元—远程交换机系统的管理, 可插入铜缆模块, 玻璃光纤模块, POF/HCS光缆模块{8端口}, 能够实现冗余供电, 可扩展两个8端口单元 (最大24个端口) , 具有报警触点 (电源监控, 端口监控) , 同时操作简单—诊断窗口, 基于Web管理。
2.1.4 MMS软件连接后可主要执行的功能
通过BOOT-P进行地址分配;基于WEB管理;端口镜像;V.24接口;远程登陆-TELNET;文件传输协议/一般文件传输协议—FTP/TFTP;可交换的组态存储 (存储器模块) ;端口配置;多重设定;生成树冗余 (STP) 等。
2.2 MMS组态
2.2.1 Factory Manager2.1
Factory Manager 2.1作为交换机的组态和状态监控软件, 在将环网上的PLC、上位机、交换机的地址进行分配和组态, 其中MMHS交换机还要组态上不同的MAC地址。联接完毕后的网络, 上电后, 可通过软件中的“port”选项进行查看, 详细的网络端口状态还可通过“port statistice”查看。
2.2.2 Factory Manager可实现如下网络功能:
(1) 组态管理:
设备状态和连接情况监控。
(2) 性能管理:
监测网络性能;监测网络能力、利用率、路径使用情况等等。
(3) 故障管理:
精确的故障原因;剥离故障节点; 开关冗余路径。
2.3 网络传输数据链路的特征
2.3.1 传输稳定
80吨转炉数据传输的控制程序通过使用菲尼克斯公司专用的监控软件Factory Manager, 对整个网络进行组态、连网、数据传输而成, 环网结构通讯质量、稳定性、可靠性明显优于原有的单总线结构。将原有网络使用的同轴电缆改为多模光缆, 光纤连接方式为熔融连接, 使用过程中不会出现断线接触不良等故障, 光纤传输的是光信号, 不受外部干扰, 稳定性好。
2.3.2 接口优化
设备网络接口相应改造为RJ45接口, 制作简单方便, 一般的维护人员即可在短时间内操作完成, 提高了该系统的可维护性。
2.3.3 系统冗余
在转炉自动控制系统中, 原有网络的任何一个节点出现故障, 都将造成整个网络的通讯中断, 而环网结构通过冗余电源提供的配电支持, 实现了备用路径的数据传递, 使得在一处断点情况下, 仍可实现全局数据的交换和共享, 起到了冗余的作用, 有效的稳定了生产。
2.3.4 管理功能
转炉炼钢生产是物流和信息流密集的生产过程, 保持物流和信息流的顺畅, 是生产管理的重要环节。光纤冗余环网传输数据链路的建立极大的满足了全局数据管理的要求, 这一功能主要侧重在生产数据方面。实现转炉系统生产数据的共享, 为各个监控站的生产管理和组织调度提供了依据, 也为进一步挖潜增效和优化工艺提供了支持, 有效地提升了生产管理的水平。
3 结束语
实践表明, 光纤冗余环网传输数据链路具有传输速率高、抗电磁干扰性强等特点, 能够满足用户的需求。此外, 由于该网络传输数据链路取得了较高的经济效益和使用效果, 具有很强的实用性、可移植性, 在本行业及其它相关行业均具有很高的推广价值。
参考文献
[1]唐钟, 谢阅.冗余光纤环网在污水处理厂中的应用.世界仪表与自动化, 2005:9 (3) -38-39.
数据采集与传输控制 篇7
1 网络控制系统的概念了解
网络控制系统Networked Control System, 简称为NCS, 又称网络化的控制系统, 是计算机技术、通信技术与控制技术发展的统一体, 主要通过物理通信网 (略) 器—执行器和传感器—控制器之间的数据交换, 使某一区域内不同地点的设备和用户实现资源共享和协调操作, 体现了控制系统向网络化、集成化、分布化、节点智能化的发展趋势, 同时提高了系统的模块性、可靠性, 减 (略) 费用, 在工业上得到了广泛应用。
与传统的控制系统相比, 有其独有的独到之处, 但是由于网络的介入, 同时也带来时延、数据丢包、资源优化调度等一系列问题, 使网络控制系统的研究面临一些新的问题, 针对于网络时延对NCS性能的影响, 说明随着时延的增大NCS的动态性能和稳定性都降低, 为此, 网络控制系统已经成为控制界研究的热点。
2 网络控制系统的特点分析
与传统控制系统相比, 网络化控制系统具有减少系统配线、降低成本、简化安装与维护等优点。已经应用于工业的各个领域, 随着工业化正在向分布化、智能化、开放化的方向发展, 网络控制系统正在该领域中占有举足轻重的地位, 在基于时间的系统分析、设计和实施过程中, 网络控制系统如何实现系统内部各节点的时钟同步, 以获得高精度的时间信息是重要研究课题, 但是其各个节点在空间上高度分散, 网络随机诱导时延以及复杂的多回路控制等都大大增加了此类系统时钟同步的复杂性。但网络控制系统在理论和应用中有其重要现实作用所在, 因其有利用交换机制和全双工连接实现确定的网络访问, 利用VLAN技术进行网段微化, 利用IEEE 802.1p优先权管理协议实现实时通信, 利用生成树协议保证系统可靠性;提供对TCP/UDP/IP、FTP、TELNET、SNMP、SMTP、HTTP的支持, 可实现对OPC、DCOM、CORBA、RMI等多种COTS API及中间件的集成等优势。
3 网络控制系统的时延及数据传输技术的分析
网络控制系统采用的全双工交换式的优势, 快速发展, 在数据传输技术上也有所提高, 但是随机的网络时延仍然存在, 对系统性能产生显著的影响, 通信网络内的各种网络设备以及计算机设备时钟误差的主要影响因素有网络传输时延和网络设备或计算机软硬件的处理时延以及内部时钟抖动。这种网络时延及抖动等因素会随系统规模的扩大和交换机数量的增多, 时钟同步更是难以精确, 从而也无法保证实时调度, 同时会造成系统的控制性能和稳定性降低, 从而限制了以太网在高实时性系统中的应用。数据传输技术的改进, 才能更好的避免网络时延造成问题影响, 数据通过设备时钟发送, 在交换机内部精选数据的处理和转发, 这样的两个时钟的频偏是数据传输技术改进的地方, 在研究中避免频偏造成的数据队列溢出, 出现数据丢失现象, 在数据传输技术上应该采用合理的时钟同步机来避免以上因网络延时造成的系统稳定性的影响。
4 结语
通过以上对网络控制系统的分析和了解, 可以看出网络控制系统中的时延原因的出现情况, 如何克服这种控制网络不稳定性, 实现在系统网络设备和控制组件中获得精确的时钟信息才是网络控制系统的有效提高和改善, 基于TCP和UDP的Internet网络时延进行了测试和分析, 预测和估计控制系统设备和节点的时延特性, 可以看出, 网络控制系统延时跟网络负载有关系, 因此, 时延可能是固定的也可能是随机的, 如果在设计控制器时不考虑时延, 则会导致系统性能下降甚至不稳定。
参考文献
[1]王智, 王天然, Ye-qiong SONG, 孙优贤.工业实时通讯网络 (现场总线) 的基础理论研究与现状 (上) [J].信息与控制.2002 (02) .[1]王智, 王天然, Ye-qiong SONG, 孙优贤.工业实时通讯网络 (现场总线) 的基础理论研究与现状 (上) [J].信息与控制.2002 (02) .
[2]顾洪军, 张佐, 吴秋峰.网络控制系统的机理描述模型[J].控制与决策.2000 (05) .[2]顾洪军, 张佐, 吴秋峰.网络控制系统的机理描述模型[J].控制与决策.2000 (05) .
数据采集与传输控制 篇8
农业灌溉在我国农业生产中有着特别重要的地位和作用。近年来, 由于农村青壮年劳动力缺乏、农业机械化程度低、农业社会化服务体系不健全、农业产业现代化发展滞后, 导致粗放的灌溉管理模式逐渐体现出弊端。灌溉自动化是提高灌溉效果的必然趋势, 而没有灌溉管道化也就没有灌溉自动化。然而在丘陵地区管道灌溉系统中, 管网延伸距离长, 敷设阀门电源信号线工程投资大, 安全隐患多。如何研发一种适合丘陵地区管网输水的灌溉系统就成为了亟需解决的核心问题之一。
1系统组成
基于GPRS数据传输的无线远程控制灌溉系统主要由无线远程控制阀、GPRS传输系统、中心数据控制终端、水泵及控制系统组成。用户利用手机等终端, 通过GPRS传输系统给无线远程控制阀发送启停指令, 无线远程控制阀接收指令后执行启停动作, 并给手机等终端反馈执行状态;该执行状态同时通过GPRS传输系统进入中心数据控制终端, 并在网络服务器及其专用管理软件上实现无线远程控制。系统组成框图如图1所示, 系统远程控制程序流程图如图2所示。
2无线远程控制阀
无线远程控制阀主要包括开关控制模块、胶体电池、太阳电池组件、开关控制连接器、阀门。无线远程控制阀将无线传输的编码单元及发射单元与接收单元及译码单元进行有机结合, 将传统的各自独立的GPRS DTU无线控制终端与PLC控制器进行有机结合, 研发智能GPRS无线控制终端, 可有效实现GPRS远程监控、手机短信控制及与PLC进行RS485通讯的一体化控制, 构建整体式开关控制模块, 可有效实现输入指令的远程输入及输出信号的无线发送。
开关控制模块接收用户无线输入指令后, 执行动作输出至开关控制连接器, 开关控制连接器将信号传送至阀门, 控制其开启或关闭;太阳能电池组件的正负极分别接入太阳能充放电控制器电源端的正负极, 作为胶体电池的充电电源;胶体电池通过串联后的正负极分别接入太阳能充放电控制器蓄电池端的正负极, 作为系统的充放电电源;太阳能充放电控制器负载端的正负极分别接入开关控制模块的正负极, 为开关控制模块提供电源;太阳能充放电控制器具有对胶体电池的过充和过放电的保护功能, 远程控制硬件连接如图3所示。
3 GPRS传输系统
GPRS传输系统通信网覆盖面积大, 系统响应快, 组网灵活, 作为无线远程控制阀与中心数据控制终端之间的桥梁, 使两者之间的信号能够传输与交互。
4中心数据控制终端
中心数据控制终端主要包括网络服务器及专用管理软件等, 通过构建无线远程控制灌溉综合管理系统平台, 实现系统状态的远程控制、远程监测与远程报警;构建手机短信控制、网络控制、组态软件界面控制多维立体化体系 (还可配置手动应急控制) , 使系统具有多用户身份自动识别及数据管理功能, 大大提高了系统的安全可靠性。
5水泵及控制系统
水泵及控制系统主要包括PLC主机、变频器、水泵机组。PLC主机与网络服务器及专用管理软件连接, 接收控制指令后, 实现变频器的变工况自动调节及保护功能, 从而实现水泵机组的自动起停及可靠运行, 为灌溉系统提供水源。
6系统整体结构
系统为整体式结构, 太阳电池组件与2 m高的φ89*4立管连接, 立管与固定于地面之上的钢板连接;太阳电池组件背面的连接孔通过螺栓与一根连接条连接, 连接条上分别固定有开关控制模块和太阳能充放电控制器, 连接电缆从立管里面往下穿与阀门及胶体电池连接。
胶体电池安装于防水蓄电池地埋箱内;防水蓄电池地埋箱与阀门固定在一个箱体内, 阀门的进、出水口露在箱体外, 与管路连接;箱体安装于地面以下, 周围用土回填夯实;箱体顶端为一块钢板, 与2 m高的φ89*4立管连接。
它采用太阳电池组件及胶体电池为低功耗现地设备阀门提供电源, 有效解决了远距离分散安装阀门的电源供给。它将开关控制模块、太阳能充放电控制器、太阳电池组件及胶体电池、阀门集成为一个整体结构, 有效解决了无线远程控制阀的结构问题, 其结构紧凑、体积小、安装方便、控制灵活。系统整体结构示意图如图4所示。
7结论
数据采集与传输控制 篇9
工业、工程现场有许多不宜用有线方法进行测控的对象,如高速移动、旋转的物体或测控点非常分散等,在易腐蚀、易燃易爆环境中,使用无线通信方式进行测控可以避免不必要人员与设备损失。因此,研究工业、工程控制环境下的无线数据通信技术是必要的,其核心问题是如何使用无线通信技术把传感器采集到的数据传送到所需位置,实现远距离的监控。
2 系统硬件组成
系统的无线通信模块在单片机的控制下分为发送和接收两部分,系统硬件组成框图见图1。
2.1 传感器
系统选用DS18B20数字式温度传感器,该传感器有3个管脚(数据、地、电源),能方便地组建传感器网络。测温范围为-55 ℃～+125 ℃。每只DS18B20有一个唯一的64位编码,编码具有CRC校验功能,通过自带的5个操作命令,可以区分出每个器件。一条操作控制命令指示DS18B20完成一次温度测量,测量结果放在暂存器里,用一条读暂存器内容的存储器操作命令将暂存器中的温度数据以16 bit带符号位扩展的二进制补码形式读出,数据通过单线接口以串行方式传输给单片机。
2.2 单片机
系统选择AT89S52单片机,它是低功耗、高性能的8位单片机,片上8 K字节Flash程序存储器允许在系统可编程,亦适于常规编程器,具有256字节RAM,4个可编程的并行I/O口(P0～P3),看门狗定时器,2个数据指针,3个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路,支持两种软件可选择节电模式:1)空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作;2)掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
2.3 射频芯片
射频芯片选择NRF401。该芯片采用抗干扰能力较强的FSK调制/解调方式,工作频率为433 MHz,最高工作速率可以达到20 Kbit/s,发射功率可以调整;最大发射功率是+10 dBm(根据天线方式和工作环境,最大传送距离达几百米);所需外围电路元件少,功耗低;具有待机模式,可以更省电和高效;工作电压范围为2.7 V～5 V。NRF401的重要时序(TX:发送模式,RX:接收模式):1)当RX→TX模式时,数据输入脚(DIN)必须保持至少1 ms才能发送数据。当TX→RX模式时,数据输出脚(DOUT)要至少3 ms以后有数据输出。2)从待机模式到接收模式,当PWR_UP设成1时,经过tSR(最大3 ms)时间后,DOUT脚输出数据有效。从接收模式到待机模式(tST)最长的时间是3 ms。从待机模式到发射模式Standby→TX的切换,所需稳定的时间是TST(最大2 ms)。3)从加电到发射模式(Power Up→TX),为了避免开机时产生干扰和辐射,在上电过程中TXEN的输入脚必须保持为低;TXEN置1必须保持1 ms以后才可以往DIN发送数据。4)加电到接收(Power Up→RX):电源电压2.7 V以下芯片将不会接收数据,DOUT也不会有有效的数据输出,直到电源电压达到2.7 V以上并至少保持5 ms。 天线对无线传输设备的性能有着很大的影响,ANT1和ANT2是NRF401的无线输入输出端。天线设计为差分天线以便于使用低成本的PCB天线:TXEN=1时选择发射模式;TXEN=0时选择接收模式。频道的选择:CS=0时选择1频道(f1=433.92 MHz),CS=1时选择2频道(f2=434.33 MHz)。
2.4 系统功能设计
AT89S52的P1.1口作数据发送、接收口。设计时给DS18B20的VDD引脚接入一个外部电源,这样I/O线上不需要加强上拉,总线控制器不用在温度转换期间总保持高电平,可以挂接10片以上DS18B20。无论是单点还是多点温度检测,在系统安装及工作之前,应将主机逐个与DS18B20挂接,读出其序列号。其工作过程为:主机Tx发一个脉冲,待“0”电平大于480 μs后,复位DS18B20,待DS18B20所发响应脉冲由主机Rx接收后,主机Tx再发读ROM命令代码33H(低位在前),然后发一个脉冲(15 μs)并接着读取DS18B20序列号的一位。用同样方法读取序列号的56位。系统的DS18B20操作分3步完成:1)系统通过反复操作,搜索DS18B20序列号;2)启动所有在线DS18B20做温度A/D变换;3)逐个读出在线DS18B20变换后的温度数据。程序的主流程图见图2。
3 软件设计
本系统的软件设计分为两大部分:无线发射控制软件和无线接收控制软件。无线发射控制软件包括数据采集、数据编码、单片机串行传输、软件监控4个软件设计部分。其中数据采集的软件是控制转换现场信号为数字信号并进行数据的初步处理。数据编码软件是为了降低数据传输误码率(采用CRC校验)。单片机串行传输软件是实现单片机串口对NRF401芯片传输数据。软件监控软件是系统正常运行的软件保证。单片机串行接收软件是控制单片机串口接收无线、接收模块收到的数据,然后将该数据传输到单片机内部处理。
单片机串行接收软件控制单片机串口接收无线、接收模块收到的数据,然后将该数据传输到单片机内部处理。程序开始时先将指令寄存器R1清零,配置NRF401芯片为接收状态,然后再等待数据的接收,在接收时先接收数据块长度字节,然后再一帧一帧的接收,数据接收后进行数据校验,如果数据校验错误,就进行错误处理,否则程序返回(见图3)。
4 结语
系统已经在某工业、工程现场的环境监测中进行了实际应用。应用证明该系统具有比较高的测量精度,测试定点准确,测量结果及时有效,由于测试点分散,采用无线系统节省了不少投资,也为企业提供了很好的辅助决策依据。系统需进一步改进的地方:1)通过通用串行总线RS-232接口与PC机相连,实现人机互动。2)扩展为基于RF无线局域网的现场数据采集系统。
参考文献
[1]Nordic.nRF401 Single Chip RF Transceiver Revision 1.6[Z].2002:1-30.
[2]张金敏.基于DS18B20组成的单总线温度数字温度系统与应用[J].中国仪器仪表,2005(3):86-88.
[3]李朝青.无线发送/接收IC芯片及其数据通信技术选编[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003:8-23.