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第1篇

GPRS移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的主要作用就是對(duì)無線數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。在監(jiān)控對(duì)象安裝的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后經(jīng)過GSM網(wǎng)絡(luò)的空中接口模塊，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼處理，然后將其轉(zhuǎn)換為可以在公網(wǎng)傳輸?shù)母袷剑詈笸ㄟ^GPRS移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心的服務(wù)器。在整個(gè)系統(tǒng)中，各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集模塊通過GPRS移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心相連，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)同意使用STK卡，與此同時(shí)，監(jiān)控中心會(huì)對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行登記，并在服務(wù)器中保存相關(guān)資料。各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集模塊中裝有數(shù)據(jù)采集軟件，該軟件24h在線，對(duì)電網(wǎng)中的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行24h不間斷的采集工作。關(guān)于信息的傳輸，使用的是JW0D2系列的GPRS無限透明數(shù)據(jù)傳輸終端。該終端基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，抗干擾能力較強(qiáng)，同時(shí)性能較高。此外，該傳輸終端還提供標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口，以便實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的連接。在傳輸過程中，速率可以達(dá)到172kbps，能滿足監(jiān)控中心與各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集與處理工作。由于電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶厥庑暂^強(qiáng)，因此本系統(tǒng)使用了安全保障，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。在網(wǎng)絡(luò)安全方面，經(jīng)過對(duì)信源加密、信道加密、登錄防護(hù)、接入防護(hù)、訪問防護(hù)等，能有效增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全，加強(qiáng)安全防護(hù)。在硬件方面，使用VPN將公網(wǎng)接入到GPRS網(wǎng)中，成本低廉，不用租用專線。此外，使用VPN還可以增強(qiáng)安全性，客戶端在鏈接應(yīng)用服務(wù)器之前，要經(jīng)過服務(wù)器的認(rèn)證，而且整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過程均會(huì)加密，如此一來，安全性就得到了保障。另外，系統(tǒng)還對(duì)用戶的SIM卡手機(jī)繼續(xù)鑒別授權(quán)，在網(wǎng)絡(luò)側(cè)對(duì)SIM卡號(hào)和APN進(jìn)行綁定處理，只有擁有權(quán)限的相關(guān)用戶才能對(duì)專用APN進(jìn)行訪問，沒經(jīng)過授權(quán)的SIM卡將無法對(duì)APN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問。

2特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

傳輸模塊的特點(diǎn)主要有：①傳輸模塊采用了工業(yè)級(jí)的GPRS模塊，該模塊性能較為穩(wěn)定，而且其工作溫度范圍較大。另外，用了嵌入式的CPU作為處理器，功耗低、性能高，還能高速處理協(xié)議和大量的數(shù)據(jù)。②由于該模塊的工作方式為multi-tasking，因此實(shí)時(shí)性較好。③其AT指令的預(yù)設(shè)簡單方便。該模塊的通信距離較遠(yuǎn)，而且具有覆蓋面積廣的特點(diǎn)，能使終端實(shí)時(shí)在線，能將無線電無法到達(dá)的區(qū)域采用GPRS通信的方式進(jìn)行傳輸，真正實(shí)現(xiàn)了高效傳輸。此外，該系統(tǒng)還有組網(wǎng)靈活、擴(kuò)展容易、維護(hù)簡單、性價(jià)比高的特點(diǎn)。

與短消息服務(wù)相比，GPRS服務(wù)的實(shí)施性很強(qiáng)，而且系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)延時(shí)的情況，可以對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。此外，由于GPRS具有雙向功能，還可以對(duì)采集設(shè)備進(jìn)行反向控制，因此進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的便捷性。本系統(tǒng)的擴(kuò)展性良好，是大面積覆蓋的GPRS網(wǎng)絡(luò)，所以該系統(tǒng)不存在盲區(qū)，而且由于該系統(tǒng)的輸出容量較大，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)較多，監(jiān)控中心要與每一個(gè)監(jiān)控點(diǎn)相連，因此需要系統(tǒng)能滿足傳輸需求。該系統(tǒng)的傳輸容量較大，能滿足突發(fā)性數(shù)據(jù)的傳輸要求，因此該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)明顯。

3結(jié)束語

第2篇

CC2530射頻模塊通過外引24個(gè)引腳，包括普通IO引腳P00-P24和電源、復(fù)位引腳，實(shí)現(xiàn)與電路的連接。電路包括復(fù)位電路、開關(guān)電路、傳感器接口電路、按鍵指示電路、通信調(diào)試電路、電源供電電路。主要電路功能介紹如下：按鍵指示電路：節(jié)點(diǎn)包括Led和蜂鳴器指示電路，用于本節(jié)點(diǎn)的指示功能；支持按鍵功能，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)工作模式的轉(zhuǎn)換。開關(guān)電路：由三極管電路組成，用于實(shí)現(xiàn)傳感器供電的通斷。通信調(diào)試電路：由串口電路和JTAG調(diào)試接口組成；串口負(fù)責(zé)與PC上位機(jī)軟件的連接，方便修改節(jié)點(diǎn)的參數(shù)；JTAG接口方便上位機(jī)集成環(huán)境IAR等調(diào)試用。電源供電電路：基本供電由外部USB接口電源5V通過AMS1117轉(zhuǎn)3.3V以及直接電池3.3V供電組成；傳感器可由內(nèi)部3.3V供電，而大于3.3V則由外部電源直接提供。傳感器接口電路：包括危化品物流車輛常見的幾種信號(hào)（0-5V、4-20mA、開關(guān)量、數(shù)字量）采集電路，可同時(shí)接四種類型的傳感器。其中數(shù)字量主要是DS18B20、DHT11溫濕度傳感器的輸出信號(hào)；0-5V主要是氣體泄露檢測(cè)、光敏、真空度傳感器的輸出信號(hào)；4-20mA主要是壓力、液位傳感器的輸出信號(hào)；開關(guān)量主要是紅外、門開關(guān)、傾斜傳感器的輸出信號(hào)；信號(hào)接入后進(jìn)行了信號(hào)隔離和二極管鉗位保護(hù)電路。

2節(jié)點(diǎn)軟件

2.1節(jié)點(diǎn)軟件架構(gòu)軟件設(shè)計(jì)部分主要是基于TI公司的Z-stack協(xié)議棧進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)。Z-stack協(xié)議棧是一款穩(wěn)定性強(qiáng)的Zigbee開發(fā)協(xié)議棧，是對(duì)Zigbee標(biāo)準(zhǔn)的具體實(shí)現(xiàn)。協(xié)議棧APL（應(yīng)用層）包含了主要的API函數(shù)接口，方便進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)CC2530芯片硬件資源的控制功能。具體軟件框架設(shè)計(jì)如圖4所示。應(yīng)用層軟件主要包括節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的接收/發(fā)送、節(jié)點(diǎn)內(nèi)應(yīng)用層與底層的交互。應(yīng)用層的數(shù)據(jù)經(jīng)過應(yīng)用層數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行封裝傳給底層繼續(xù)封裝并發(fā)送出去；接收數(shù)據(jù)則由底層先進(jìn)行解釋，再由應(yīng)用層進(jìn)行解釋，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算、更新參數(shù)等步驟。應(yīng)用層還可通過API控制接口對(duì)底層進(jìn)行控制與信號(hào)、參數(shù)獲取。

2.2數(shù)據(jù)幀格式Zigbee采集節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)模塊的數(shù)據(jù)傳輸格式采用字符串形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送/接收。由于是采用字符進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以可以利用上位機(jī)現(xiàn)有的字符串處理函數(shù)，很容易校驗(yàn)數(shù)據(jù)正確性，并從數(shù)據(jù)幀中提取有效信息，避免因幀長度判斷引起的錯(cuò)誤。另外，基于Zigbee傳輸速率較低、傳感器數(shù)據(jù)量小、刷新速度慢的需求等特點(diǎn)盡量減小和限制了協(xié)議中各數(shù)據(jù)域的占位寬度，保證傳輸效率。具體數(shù)據(jù)格式如表1所示。幀頭：本協(xié)議節(jié)點(diǎn)間的應(yīng)用層交互主要有命令幀和數(shù)據(jù)幀。幀頭是辨別命令幀和數(shù)據(jù)幀而設(shè)立的。幀頭包括：Set、Get、Ack、Data4種。Set指的是主節(jié)點(diǎn)對(duì)采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，為命令幀，是主節(jié)點(diǎn)需要對(duì)子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)配置的時(shí)候發(fā)送的，子節(jié)點(diǎn)收到此類型幀后，發(fā)回Ack幀，說明參數(shù)設(shè)置成功與否；Get指的是其他節(jié)點(diǎn)需要獲取本節(jié)點(diǎn)信息，為命令幀，本節(jié)點(diǎn)收到此類型幀后，發(fā)送數(shù)據(jù)幀；Ack指的是節(jié)點(diǎn)間通信應(yīng)答狀態(tài)幀，SUCC為成功、FAIL為失敗；Data指的是數(shù)據(jù)幀，攜帶節(jié)點(diǎn)參數(shù)、傳感器采集數(shù)據(jù)。如表2所示。目的地址：目的地址指的是Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備唯一標(biāo)識(shí)的網(wǎng)絡(luò)ID。為十六進(jìn)制0X0000-0XFFFF之間值。其中有幾個(gè)地址值有特殊的含義，0XFFFF表示廣播地址；0XFFFE表示所有接收功能打開的設(shè)備；0XFFFC表示所有路由設(shè)備；其余地址為單一設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址。網(wǎng)絡(luò)地址的獲得過程是：主節(jié)點(diǎn)設(shè)備啟動(dòng)成功后，自設(shè)定為Zigbee網(wǎng)絡(luò)的主網(wǎng)絡(luò)ID0X0000，子節(jié)點(diǎn)設(shè)備在申請(qǐng)加入成功后獲得一個(gè)網(wǎng)絡(luò)身份標(biāo)志ID。幀類型：在幀頭為Set、Get、Data時(shí)，此幀位置都有意義，分別代表設(shè)置、獲取、攜帶相應(yīng)類型的節(jié)點(diǎn)信息。這些類型包括，傳感器數(shù)據(jù)(Sensor)、節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址(NAdr)、節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)類型(NType)、采集周期(Cycle)、產(chǎn)品信息(Info)、發(fā)送方式(SWay)、功率模式(PMode)、信道選擇(Channel)、AD參考電壓(ADMode)、默認(rèn)發(fā)送地址(DSAdr)。信道數(shù)據(jù)：DataChannel796F800\r\n(第11（0x0B）無線信號(hào)通道)載荷：載荷是整個(gè)通信幀中最重要的部分，包括了通信的主要內(nèi)容。載荷的具體內(nèi)容需要根據(jù)幀類型來確定。描述如下：（1）幀類型為傳感器數(shù)據(jù)：此時(shí)載荷部分包括傳感器類型、傳感器ID、傳感器值。傳感器類型包括危化品物流車輛常見信號(hào)：1.溫度、2.門開關(guān)、3.真空度、4.液位、5.壓力、6.電壓、7.濕度、8.氣體、9.紅外10.光敏、11.傾斜。傳感器ID從0開始分配，表示同種類傳感器的使用編號(hào)。（2）幀類型為非傳感器數(shù)據(jù)：此時(shí)載荷部分?jǐn)y帶網(wǎng)絡(luò)地址、采集周期、發(fā)送地址等值。結(jié)尾符：本協(xié)議結(jié)尾符為字符“\r\n”，加上字符串結(jié)束符‘\0’,固定為3個(gè)字節(jié)。結(jié)尾符是一幀數(shù)據(jù)的界定符，上位機(jī)軟件可以根據(jù)此結(jié)尾符很快能判定幀的長度，避免一些數(shù)據(jù)長度判讀錯(cuò)誤的發(fā)生。

2.3軟件處理流程Z-stack協(xié)議棧基于輪詢機(jī)制，事件是最小處理單元，每個(gè)事件都有相應(yīng)的處理函數(shù)，當(dāng)事件管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的位置位時(shí)，協(xié)議棧通過輪詢機(jī)制就能發(fā)現(xiàn)并跳入相對(duì)應(yīng)處理函數(shù)進(jìn)行處理步驟，處理完再返回輪詢大循環(huán)。這里主要設(shè)置了3個(gè)事件，分別是串口事件、無線事件和采集事件。串口事件主要處理與上位機(jī)的通信；包括根據(jù)上位機(jī)命令修改本節(jié)點(diǎn)參數(shù)、接收發(fā)送數(shù)據(jù)等；無線事件主要處理數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和接收；采集事件主要處理傳感器的數(shù)據(jù)讀入、封裝、發(fā)送或者接收、解析、轉(zhuǎn)發(fā)等。處理流程圖如圖5所示。

2.4上位機(jī)配置軟件Zigbee設(shè)備邏輯類型包括3種，分別是主節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)。對(duì)于不同設(shè)備類型的具體處理流程，本設(shè)計(jì)編寫了統(tǒng)一的參數(shù)配置服務(wù)函數(shù)，可通過上位機(jī)軟件方便進(jìn)行配置。比如，終端節(jié)點(diǎn)配置成具有傳感器數(shù)據(jù)的采集功能，可選擇無線和串口兩種發(fā)送方式，而對(duì)于路由器或者協(xié)調(diào)器，基于功耗考慮，則配置成不具有傳感器數(shù)據(jù)采集功能。通過設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)上位機(jī)配置軟件ZigConfig來實(shí)現(xiàn)參數(shù)的配置，簡單的界面操作就能通過串口以上述數(shù)據(jù)格式下載到節(jié)點(diǎn)，并燒寫到CC2530的flash中永久保存起來，節(jié)點(diǎn)下一次啟動(dòng)將以新的參數(shù)啟動(dòng)。上位機(jī)配置軟件介紹如下：（1）配置軟件由QtCreator開發(fā)。QtCreator是Qt被Nokia收購后推出的一款新的輕量級(jí)跨平臺(tái)集成開發(fā)環(huán)境（IDE）。支持的系統(tǒng)包括Linux（32位及64位）、MacOSX以及Windows。開發(fā)人員能利用該應(yīng)用程序框架更快速及輕易地完成開發(fā)任務(wù)。（2）該配置軟件完成節(jié)點(diǎn)的設(shè)備類型、接口采集邏輯、入網(wǎng)參數(shù)等的配置。可直接通過串口線與待配置節(jié)點(diǎn)連接，也可以通過一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)對(duì)待配置節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線配置，中間節(jié)點(diǎn)通過串口線與上位機(jī)連接。操作界面如圖6所示。（3）如圖7，圖8所示，通過上位機(jī)配置軟件S1（實(shí)物圖如圖6所示）可方便地對(duì)待配置節(jié)點(diǎn)S2進(jìn)行參數(shù)配置。對(duì)于待配置設(shè)備，如果是終端設(shè)備，配置前需先按下配置按鍵，指示燈亮后，裝置即進(jìn)入配置模式；而如果是路由設(shè)備或協(xié)調(diào)器設(shè)備則無需此步驟。（4）有線配置如圖6所示：上位機(jī)通過串口線連接待配置設(shè)備，然后配置軟件上收到待配置節(jié)點(diǎn)S2發(fā)送過來的設(shè)備信息，并顯示在界面上，然后點(diǎn)擊配置按鈕，即發(fā)送配置幀到節(jié)點(diǎn)S2，點(diǎn)擊讀取配置按鈕，則將節(jié)點(diǎn)S2各項(xiàng)參數(shù)顯示在界面上，如果節(jié)點(diǎn)S2是數(shù)據(jù)透?jìng)髂K，則可以直接接收數(shù)據(jù)或填寫目標(biāo)地址發(fā)送數(shù)據(jù)。配置完后再按一下按鍵，指示燈不亮，表示配置完成。可以配置設(shè)備類型為Zigbee終端設(shè)備、路由設(shè)備、協(xié)調(diào)器設(shè)備和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)透?jìng)髟O(shè)備；可以配置入網(wǎng)參數(shù)，比如PANID值、信道、網(wǎng)絡(luò)模型、網(wǎng)絡(luò)層次等；可以配置傳感器發(fā)送周期，使各傳感器通道數(shù)據(jù)可以同一周期發(fā)送，也可以不相同周期發(fā)送等。（5）無線配置如圖8所示，采用一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)與上位機(jī)有線連接，通過這個(gè)節(jié)點(diǎn)無線發(fā)送指令到待配置節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置，配置過程中的操作步驟與有線時(shí)類似。

3節(jié)點(diǎn)測(cè)試

3.1信號(hào)強(qiáng)度RSSI(ReceivedSignalStrengthIndication)是接收端的信號(hào)強(qiáng)度指示，可用來判定鏈接質(zhì)量。實(shí)際應(yīng)用中，普遍采用簡化后的Shadowing模型，即如下公式計(jì)算RSSI值。其中Pr（d）為接收端接收信號(hào)強(qiáng)度，Pr（d0）為參考處接收端接收信號(hào)強(qiáng)度，d為接收端與發(fā)送端實(shí)際距離，d0為接收端與發(fā)送端參考距離，n為路徑損耗指數(shù)，通常取2~4。取d0=1m，實(shí)測(cè)得Pr（d0）的值代入，并取n=3代入公式（1）得新的計(jì)算公式。實(shí)際測(cè)試中取兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別設(shè)為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。將協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)固定，令終端節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離，終端節(jié)點(diǎn)加入?yún)f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)后，每隔1s發(fā)送一次數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)包后，從TI協(xié)議棧Z-Stack的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)afIncom-ingMSGPacket_t中提取RSSI值記錄下來。100M范圍每隔5M記錄一次RSSI值，每次記錄100個(gè)值，然后取100個(gè)中的隨機(jī)值和平均值分別作為本次終值繪制曲線。

3.1.1空曠環(huán)境下測(cè)得Pr（d0）=-28dbm，按照公式(2)與實(shí)際數(shù)據(jù)，繪制對(duì)比曲線。從圖9和圖10對(duì)比曲線可以看出，隨著兩節(jié)點(diǎn)間距離增大，RSSI值會(huì)逐漸衰減，符合一般規(guī)律。0-20m范圍內(nèi)，RSSI衰減較快，之后較為平緩。40m后信號(hào)質(zhì)量普遍較理論值平緩，可能是受硬件條件影響，誤差增大。圖9由于每次記錄取的隨機(jī)值，存在較大誤差，圖10每次記錄取100個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，曲線較為平緩。誤差因素包括硬件設(shè)計(jì)、周邊環(huán)境影響等。

3.1.2危化品物流車輛環(huán)境下采用深圳市中集集團(tuán)液化氣罐(空罐)危化品物流車輛進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，測(cè)試車輛長度14m，寬度2.5m。將協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)放置在車駕駛座，終端節(jié)點(diǎn)自由放置于車廂體內(nèi)部，加入網(wǎng)絡(luò)并發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。測(cè)得Pr（d0）=-44dbm，根據(jù)公式（2）和實(shí)際數(shù)據(jù)的結(jié)果曲線如下：由圖11和圖12可以看出，在車輛環(huán)境下，節(jié)點(diǎn)信號(hào)普遍較空曠環(huán)境下差，這主要是因?yàn)榻邮展?jié)點(diǎn)被放進(jìn)車輛箱體內(nèi)部，信號(hào)一定程度上受到廂體衰減。大于40m距離后信號(hào)變得不穩(wěn)定，通信斷續(xù)和重連情況發(fā)生頻繁，此時(shí)RSSI值普遍>82dbm，80m后多次測(cè)試接收端均接收不到數(shù)據(jù)。

3．2數(shù)據(jù)傳輸將協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)放置在車駕駛座，終端節(jié)點(diǎn)自由放置于車輛廂體內(nèi)部，加入網(wǎng)絡(luò)并發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。在協(xié)調(diào)器端統(tǒng)計(jì)接收數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，并計(jì)算丟包情況和最大穩(wěn)定通信距離(即數(shù)據(jù)通信情況良好，極少發(fā)生重連情況)，結(jié)果如下。由表3可以看出，主節(jié)點(diǎn)在車駕駛室情況下，車正前方和側(cè)面信號(hào)要好于車后方信號(hào)，節(jié)點(diǎn)丟包率較低，通信距離>=25M，滿足一般危化品物流車輛要求。另外，通信的最大穩(wěn)定傳輸RSSI值是極少斷網(wǎng)重連情況發(fā)生下的統(tǒng)計(jì)值，所以普遍低于信號(hào)強(qiáng)度曲線中的極限值。隨著距離增大，節(jié)點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)傳輸也會(huì)變得不穩(wěn)定，常常發(fā)生斷網(wǎng)重連，甚至無法重連狀況。實(shí)際數(shù)據(jù)包傳輸受節(jié)點(diǎn)間不同阻擋物、不同車型、車體電磁干擾、程序執(zhí)行等因素影響。

3．3功耗通過萬用表、示波器和在程序中設(shè)計(jì)測(cè)試模塊的結(jié)合進(jìn)行功耗測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下。從表4的測(cè)試結(jié)果可以看出，節(jié)點(diǎn)滿足低功耗要求，休眠情況下，節(jié)點(diǎn)功耗低至0.33uA。

4結(jié)語

第3篇

系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

林業(yè)資源監(jiān)管通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用C#語言、ArcEngine和開普互聯(lián)智能表臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。系統(tǒng)分為B/S架構(gòu)的Web配置系統(tǒng)和C/S架構(gòu)的桌面系統(tǒng)兩部分，如圖1所示。這種設(shè)計(jì)方式基于:1)B/S架構(gòu)已成為林業(yè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的主流架構(gòu)，借助配置系統(tǒng)以便將通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行集成;2)使桌面系統(tǒng)可以專注于數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)與業(yè)務(wù)流程、功能的松散耦合。Web配置系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)交換以及桌面系統(tǒng)的配置管理功能模塊，支持本地和遠(yuǎn)程配置方式。數(shù)據(jù)交換通過將事先制作完成的支撐數(shù)據(jù)提供給桌面系統(tǒng)，作為各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，并將采集完成的數(shù)據(jù)返回?cái)?shù)據(jù)庫，提供給其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)使用。配置管理支持對(duì)采集數(shù)據(jù)、支撐數(shù)據(jù)以及桌面系統(tǒng)功能界面的配置，并將配置結(jié)果保存在XML配置文件中，作為桌面業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。通過配置系統(tǒng)為桌面系統(tǒng)提供支撐數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)配置，就可以為不同業(yè)務(wù)定制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。桌面系統(tǒng)包括通用功能元件、業(yè)務(wù)系統(tǒng)配置、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的管理以及界面的生成4個(gè)功能模塊。通用功能元件包含數(shù)據(jù)采集的一般功能。業(yè)務(wù)系統(tǒng)配置提供配置內(nèi)容的讀寫功能。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理根據(jù)配置實(shí)現(xiàn)對(duì)不同業(yè)務(wù)支撐數(shù)據(jù)的訪問、更新以及采集數(shù)據(jù)的導(dǎo)出。界面生成根據(jù)配置信息生成特定于業(yè)務(wù)的系統(tǒng)界面。桌面系統(tǒng)框架采用變種MVC模式(模型--視圖--控制器)，該模式采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)［9］，使得視圖、控制器和模型可以隨業(yè)務(wù)而變。在數(shù)據(jù)層，空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)分表存儲(chǔ)，空間數(shù)據(jù)表只存儲(chǔ)與業(yè)務(wù)無關(guān)的圖形信息，從而能以統(tǒng)一的形式訪問、處理及顯示空間數(shù)據(jù)，不受業(yè)務(wù)變化的影響。而與業(yè)務(wù)緊密相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)單獨(dú)存儲(chǔ)在屬性表中，并將與屬性數(shù)據(jù)相關(guān)的視圖、控制器及模型的變化存儲(chǔ)在用開普互聯(lián)智能表臺(tái)制作的表單文件、數(shù)據(jù)映射文件中，系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)就可以基于表單文件、數(shù)據(jù)映射文件及配置文件動(dòng)態(tài)地構(gòu)建視圖、控制器及模型，從而將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的變化隔離在源代碼之外，使源代碼高度內(nèi)聚，不會(huì)變異。由于兩類數(shù)據(jù)的處理方式不同，數(shù)據(jù)間的完整性通過邏輯校驗(yàn)來保證。

關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

林業(yè)資源監(jiān)管通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)包括智能配置、界面自動(dòng)生成和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理技術(shù)。

1智能配置技術(shù)

智能配置技術(shù)是指將與業(yè)務(wù)相關(guān)的變化信息存儲(chǔ)在配置文件中，系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)讀取配置文件，根據(jù)其中的信息實(shí)現(xiàn)對(duì)不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集功能的定制。當(dāng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集需求發(fā)生變化時(shí)，僅需通過改變配置信息就能滿足需求，這樣既增加了系統(tǒng)的靈活性，又能保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過配置系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能配置，主要包括系統(tǒng)配置、采集數(shù)據(jù)配置兩方面。（1）系統(tǒng)配置。系統(tǒng)配置包括支撐數(shù)據(jù)、用戶功能界面配置兩部分。支撐數(shù)據(jù)的配置內(nèi)容包括數(shù)據(jù)版本號(hào)，采集人員的賬戶信息及該賬戶關(guān)聯(lián)的業(yè)務(wù)名列表，支撐數(shù)據(jù)中各數(shù)據(jù)名稱、類型、對(duì)數(shù)據(jù)操作的命令和命令狀態(tài)列表。版本號(hào)為自然數(shù)值，作為數(shù)據(jù)是否需要更新的依據(jù);業(yè)務(wù)名列表的形式為“Reforestation/造林，Harvesting/采伐”，前面是業(yè)務(wù)系統(tǒng)的英文名，后面是對(duì)應(yīng)的中文名，之間用反斜杠隔開，指明賬號(hào)可以使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);數(shù)據(jù)名稱為數(shù)據(jù)文件的名稱，類型包括數(shù)據(jù)庫、表和普通文件。命令指明了如何處理數(shù)據(jù)，包括覆蓋、更新、添加、刪除4種。命令狀態(tài)包括已執(zhí)行或未執(zhí)行，決定系統(tǒng)是否執(zhí)行命令。用戶功能界面配置內(nèi)容包括功能元件、邏輯驗(yàn)證規(guī)則和表單配置。功能元件和邏輯驗(yàn)證規(guī)則的配置目標(biāo)可以是單個(gè)圖層或整個(gè)系統(tǒng)。功能元件的狀態(tài)包括可見、隱藏、可用與禁用，當(dāng)不需要使用某項(xiàng)功能時(shí)，根據(jù)功能元件的名稱將其狀態(tài)設(shè)置為隱藏或禁用即可。邏輯驗(yàn)證規(guī)則的配置內(nèi)容包括SQL語句及其描述，通過執(zhí)行SQL語句進(jìn)行驗(yàn)證;SQL語句的執(zhí)行方式不隨業(yè)務(wù)變化，規(guī)則的描述為界面上呈現(xiàn)給用戶的信息，如地類檢查。表單的配置目標(biāo)是圖層，包括圖層名、表單文件名及其描述，通過將圖層名和表單文件名配對(duì)存儲(chǔ)，就能根據(jù)圖層找到對(duì)應(yīng)的表單進(jìn)行屬性數(shù)據(jù)的錄入，描述為用戶界面上呈現(xiàn)給用戶的信息，如造林模式表。（2）數(shù)據(jù)配置。采集數(shù)據(jù)的配置包括需要導(dǎo)出的數(shù)據(jù)版本號(hào)、表名稱、數(shù)據(jù)記錄主鍵序列以及其他數(shù)據(jù)文件的名稱。數(shù)據(jù)版本是自然數(shù)值，作為外界是否需要下載該數(shù)據(jù)的依據(jù)。系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)名稱和主鍵序列導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

2功能界面自動(dòng)生成

功能界面自動(dòng)生成以功能元件為基礎(chǔ)，通過建立配置文件完成用戶界面的按需定制。（1）系統(tǒng)功能元件。系統(tǒng)是功能元件的集合，功能元件可能是單個(gè)功能或一類功能，如圖形創(chuàng)建是單個(gè)功能，圖形編輯是一類功能，在界面上表現(xiàn)為單個(gè)控件。本文使用功能元件名稱、控件名稱、功能狀態(tài)及功能描述來表達(dá)功能元件。對(duì)于用戶而言，只需配置功能名稱及狀態(tài)來控制功能界面。系統(tǒng)功能元件信息存儲(chǔ)在XML文檔中，該文檔需要按照模板文件制作，配置系統(tǒng)解析該XML文檔，并在界面上列舉出功能元件列表供用戶配置。（2）界面生成算法。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中涉及界面變化的模塊主要包括:1)空間編輯和拓?fù)湫ｒ?yàn)界面。該界面因功能是否需要使用而變化。2)屬性編輯界面。該界面隨數(shù)據(jù)內(nèi)容和結(jié)構(gòu)而變化。3)邏輯校驗(yàn)界面。該界面隨校驗(yàn)規(guī)則內(nèi)容而變化。界面自動(dòng)生成以功能元件及系統(tǒng)配置文件為基礎(chǔ)，通過解析配置文件動(dòng)態(tài)生成用戶界面，生成流程如圖2所示。3個(gè)界面的生成算法各有不同。空間編輯和拓?fù)湫ｒ?yàn)界面的生成是根據(jù)配置對(duì)WindowsForm控件的可見性和可用性進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)的;屬性編輯界面的生成是通過加載開普互聯(lián)智能表單文件到WindowsForm窗體中來實(shí)現(xiàn)的，開普互聯(lián)智能表單界面如圖3所示;邏輯校驗(yàn)界面的生成是通過加載驗(yàn)證規(guī)則到WindowsForm窗體中的列表控件中來實(shí)現(xiàn)的。

3動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫管理

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫是結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)都可以隨需要而變化的數(shù)據(jù)庫［10--11］，在本文中是指整個(gè)數(shù)據(jù)庫的改變。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以單一業(yè)務(wù)配置為基礎(chǔ)，每個(gè)采集人員配備獨(dú)立的設(shè)備和采集系統(tǒng)，但在人力和設(shè)備資源有限的情況下，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要支持多個(gè)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)采集或多個(gè)采集人員共用一套設(shè)備和系統(tǒng)。系統(tǒng)需要根據(jù)業(yè)務(wù)、人員職責(zé)調(diào)用不同的支撐數(shù)據(jù)。解決方案為:建立以采集人員賬號(hào)名和業(yè)務(wù)名組合命名的文件夾，通過配置系統(tǒng)將不同的支撐數(shù)據(jù)放到對(duì)應(yīng)的文件夾內(nèi)。當(dāng)用戶登錄系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)依據(jù)賬號(hào)列出可操作業(yè)務(wù)，采集人員從中選擇業(yè)務(wù)名稱，系統(tǒng)就可以將正確的支撐數(shù)據(jù)供給用戶使用。

4數(shù)據(jù)交換

數(shù)據(jù)交換包括支撐數(shù)據(jù)的上傳及采集數(shù)據(jù)的下載，使用配置系統(tǒng)完成，交換的數(shù)據(jù)放在該系統(tǒng)目錄下。支撐數(shù)據(jù)的上傳有2種情況:1)采集系統(tǒng)的定制。將所有支撐數(shù)據(jù)以添加命令上傳，桌面系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)會(huì)判斷是否存在數(shù)據(jù)，如果不存在數(shù)據(jù)，就會(huì)從配置系統(tǒng)目錄拷貝數(shù)據(jù)到本系統(tǒng)目錄，結(jié)合這些數(shù)據(jù)形成特定于業(yè)務(wù)的采集系統(tǒng)。2)部分支撐數(shù)據(jù)的變更。將部分支撐數(shù)據(jù)以添加、刪除、更新3種命令之一上傳，桌面系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)檢查配置系統(tǒng)目錄下的數(shù)據(jù)版本號(hào)，如果版本號(hào)小于配置系統(tǒng)目錄下數(shù)據(jù)版本號(hào)，就按照配置的命令進(jìn)行更改。數(shù)據(jù)采集完成并通過校驗(yàn)后，由桌面系統(tǒng)將數(shù)據(jù)導(dǎo)出并壓縮，然后拷貝到配置系統(tǒng)目錄。每導(dǎo)出一次數(shù)據(jù)都會(huì)累加版本號(hào)，系統(tǒng)用戶根據(jù)版本號(hào)下載最新的采集數(shù)據(jù)。

第4篇

1．1系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計(jì)，各模塊布局合理，整體的結(jié)構(gòu)緊湊。主要功能是數(shù)據(jù)的傳輸和程序下載，USB轉(zhuǎn)TTL模塊的作用是給單片機(jī)供電以及上位PC機(jī)和下位單片機(jī)之間的電平轉(zhuǎn)換，其原理圖如圖1所示。單片機(jī)與PC機(jī)是使用USB轉(zhuǎn)TTL模塊進(jìn)行串口通信，它可以將USB虛擬成一個(gè)串口，解決筆記本電腦用戶無串口的煩惱。此模塊傳輸速度、傳輸準(zhǔn)確性都滿足實(shí)驗(yàn)需求，而且價(jià)格便宜，使用方便。

1．2系統(tǒng)各部分的功能介紹模擬信號(hào)采集部分的目的是為了采集所需要的原始的數(shù)據(jù)，即本系統(tǒng)中所需要的電壓和電流。下位機(jī)以AT89C52RC單片機(jī)為控制單元，16路A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7705采集電壓和電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，便于單片機(jī)后續(xù)的處理并以一定的協(xié)議將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至PC機(jī)，最終通過運(yùn)行在上位PC機(jī)的程序?qū)邮盏降臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行處理和顯示。微控制器STC89C52RC以一定的的協(xié)議將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至PC機(jī)。單片機(jī)的晶振電路和復(fù)位電路是單片機(jī)正常工作的先決條件。PC機(jī)通過串行USB轉(zhuǎn)串口接收單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和顯示。

2系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

2．1MCU芯片的選擇STC89C52RC單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗和超強(qiáng)抗干擾的CMOS8位微控制器，采用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任意選擇。工作電壓:5．5～3．3V(5V單片機(jī))/3．8～2．0V(3V單片機(jī))工作頻率范圍:0～40MHz，相當(dāng)于普通8051的0～80MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá)48MHZ，用戶應(yīng)用程序空間為8k字節(jié)。

2．2A/D轉(zhuǎn)換器選擇及采樣設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是把經(jīng)過與標(biāo)準(zhǔn)量(或參考量)比較處理后的模擬量轉(zhuǎn)換成以二進(jìn)制數(shù)值表示的離散信號(hào)的轉(zhuǎn)換器，簡稱ADC或A/D轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用的是芯片AD7705，AD7705是AD公司推出的16位Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器采用SPI兼容的三線串行接口，能夠方便地與各種微控制器和DSP連接，也比并行接口方式大大節(jié)省了CPU的IO口，能直接將傳感器測(cè)量到的多路微小信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。這種器件還具有高分辨率、寬動(dòng)態(tài)范圍、自校準(zhǔn)、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低電壓低功耗等特點(diǎn)，非常適合儀表測(cè)量、工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用［7］。本系統(tǒng)是采集兩路信號(hào)(電壓和電流)，AD7705芯片精度為16位(Δ=(5/65536)V≈0．076mV，其精度滿足實(shí)驗(yàn)需求)，高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7705有兩個(gè)雙端模擬信號(hào)輸入通道，分辨率為16位無丟失代碼，增益、信號(hào)極性以及更新速率等可由軟件設(shè)置［8-10］。片內(nèi)可編程增益放大器的增益范圍為1～128，這使AD7705可與多種傳感器直接相連，無須外接放大器，并且內(nèi)置可編程的自校準(zhǔn)電路，通過對(duì)零點(diǎn)和滿度的校準(zhǔn)，可有效去除零點(diǎn)漂移和增益誤差的影響。接口為SPI串行總線，因而與單片機(jī)的接線大大減少，簡化了硬件的設(shè)計(jì)。在測(cè)量電流時(shí)，我們對(duì)兩種實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行了比較，第一種是利用電流變送器進(jìn)行電流的測(cè)量;第二種是利用采樣電阻進(jìn)行電流的測(cè)量。采用了第二套方案，原因是其價(jià)格低、精度滿足實(shí)驗(yàn)要求。

3系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)

PC端主程序框架如圖2所示。

3．1數(shù)據(jù)采集PC端軟件設(shè)計(jì)PC端軟件是基于MFC對(duì)話框進(jìn)行程序的編寫，其主要包括以下幾部分:1．窗口界面的繪制(包括開始界面繪制、控件繪制、坐標(biāo)系繪制、網(wǎng)格繪制、LIST表格繪制等);2．串口通信控件的連接、初始化和設(shè)置;3．?dāng)?shù)據(jù)庫的嵌入(包括數(shù)據(jù)庫的連接、讀寫、修改等);4．采集數(shù)據(jù)時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)(包括動(dòng)態(tài)圖形繪制、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)顯示等)。

3．2界面介紹首先是開始界面，如圖3所示。1．菜單欄區(qū)域:包括串口設(shè)置、開始采集、暫停、停止采集(同時(shí)關(guān)閉串口)四部分是本程序所有功能的體現(xiàn);2．繪圖區(qū)域:包括兩個(gè)TABLE，一個(gè)是勵(lì)磁電流不變、勵(lì)磁電流變化兩個(gè)子窗口。每個(gè)窗口中包含一個(gè)二維坐標(biāo)系進(jìn)行圖形的繪制;3．?dāng)?shù)據(jù)表區(qū)域:包含一個(gè)LIST控件，對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示;4．系統(tǒng)控制區(qū)域:與菜單欄區(qū)域功能相同，都是對(duì)采集整個(gè)過程進(jìn)行控制，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一個(gè)顯示、也能夠?qū)ζ畹臄?shù)據(jù)進(jìn)行手動(dòng)刪除，避免實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤對(duì)繪制出的圖像造成的影響，而影響實(shí)驗(yàn)效果。根據(jù)端口信息，選擇串口端號(hào)，點(diǎn)擊打開串口后，綠燈變?yōu)榧t燈，打開串口按鈕變?yōu)榛疑硎敬谝呀?jīng)連接，可以進(jìn)行串口通信(即采集可以開始)。選擇兩種模式，“勵(lì)磁電流不變”、“勵(lì)磁電流變化”，并點(diǎn)擊進(jìn)入相應(yīng)的子窗口。然后就可以進(jìn)行采集。傳輸電流電壓時(shí)，圖像會(huì)實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)表也會(huì)同時(shí)顯示。圖5顯示了勵(lì)磁電流不變時(shí)，工作電流和霍爾電壓之間的關(guān)系曲線。

4結(jié)論

第5篇

硬件設(shè)計(jì)包括溫度與磁場(chǎng)探頭、供電電源、多通道數(shù)據(jù)采集儀器、PC上位機(jī)的選型以及機(jī)柜設(shè)計(jì)。

1．1溫度檢測(cè)溫度探頭類型為熱電阻，熱電阻測(cè)溫原理是給熱電阻通小電流，測(cè)量電阻上的電壓，得出熱敏電阻的阻值，對(duì)照熱敏電阻的參數(shù)曲線得出溫度。溫度探頭需要恒流源提供穩(wěn)定的電流才可以保證讀取電壓的準(zhǔn)確性，選擇lakeshore公司生產(chǎn)的121系列恒流源可滿足精度要求。該恒流源既提供固定檔位電源供電也可以通過編程實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)電流輸出。由于超導(dǎo)線圈采用過冷液氮浸泡冷卻［2］，根據(jù)液氮溫區(qū)(70K～77K)對(duì)探頭型號(hào)進(jìn)行選擇。對(duì)于需要在30K～800K之間對(duì)溫度測(cè)量的場(chǎng)合，可選擇PT100系列鉑電阻溫度計(jì)［3］，其額定電流為1mA。在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，鉑電阻溫度計(jì)具有很好的重復(fù)性和較高靈敏度，同時(shí)滿足在電抗器的磁場(chǎng)環(huán)境下使用的要求。70K以上鉑電阻溫度計(jì)具有通用的標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖2所示。相比較于其他種類溫度探頭具有更好的通用性，而且具有互換性。另外，在溫度測(cè)量中，探頭需要貼近超導(dǎo)帶材，薄膜型的鉑電阻溫度計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。探頭的接線方式有二線制和四線制。采用二線制接線方法，會(huì)引入線路電阻，造成測(cè)量誤差。因此在35kV電抗器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，均采用四線制接線方法。

1．2磁場(chǎng)檢測(cè)測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的原理是霍爾效應(yīng)，在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流，并在薄片的垂直方向施加勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，將產(chǎn)生霍爾電壓，根據(jù)產(chǎn)生的電壓就可以知道磁場(chǎng)的大小［4］。在實(shí)際測(cè)量中需要在兩個(gè)方向(軸向場(chǎng)與垂直場(chǎng))對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。在35kV電抗器設(shè)計(jì)中，根據(jù)電磁設(shè)計(jì)仿真得到磁場(chǎng)的最大值約為2000高斯，并且該磁場(chǎng)探頭的工作環(huán)境為液氮溫區(qū)。Lakeshore公司生產(chǎn)的HGCA3020的軸向磁場(chǎng)探頭與HGCT3020的徑向磁場(chǎng)探頭，可滿足使用要求，其額定電流為100mA。

1．3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還需要對(duì)探頭電壓進(jìn)行記錄以及處理顯示等一系列后續(xù)工作［5］。實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)對(duì)象需要監(jiān)測(cè)的信號(hào)比較多，采用數(shù)據(jù)采集儀器對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集記錄，節(jié)約人力成本而且可以減少由于人工錄入所導(dǎo)致的錯(cuò)誤。在該套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采集的信號(hào)有54路，溫度采集精度為1K，電壓精度為10mV。吉時(shí)利公司生產(chǎn)的3706數(shù)字開關(guān)萬用表作為數(shù)據(jù)采集儀器滿足使用要求。數(shù)據(jù)采集儀器采集數(shù)據(jù)以后，把數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)中通過程序?qū)ζ溥M(jìn)行處理，然后顯示在顯示器上供人員監(jiān)測(cè)電抗器的工作情況。在電抗器實(shí)際運(yùn)行過程中，主機(jī)工作環(huán)境可能較為惡劣，對(duì)工控機(jī)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的安全性有一定要求，需要對(duì)主機(jī)進(jìn)行加固、防潮、防輻射、防塵等特殊設(shè)計(jì)。研祥工控機(jī)IPC－810E滿足使用要求。

1．4硬件布局及搭建(1)溫度探頭布點(diǎn)方案35kV超導(dǎo)可控電抗器超導(dǎo)線圈分為內(nèi)外兩圈，各由32個(gè)雙餅組成。工作在交流工況下，超導(dǎo)線圈存在交流損耗，根據(jù)仿真結(jié)果顯示端部線圈交流損耗功率最大，需要對(duì)線圈端部重點(diǎn)監(jiān)控。單個(gè)超導(dǎo)線圈上布點(diǎn)25個(gè)，總計(jì)50個(gè)鉑電阻。鉑電阻在安裝時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行加固，防止被快速流動(dòng)的液氮損壞。(2)磁場(chǎng)探頭布點(diǎn)方案電抗器中，帶材受垂直磁場(chǎng)影響較大，端部的帶材最易受到磁場(chǎng)的干擾，磁場(chǎng)探頭安裝在電抗器的端部。由于磁場(chǎng)探頭受到液氮的沖刷，磁場(chǎng)探頭需要通過夾子進(jìn)行固定。通過對(duì)端部磁場(chǎng)兩個(gè)垂直方向數(shù)據(jù)的讀取，得到磁場(chǎng)強(qiáng)度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為監(jiān)測(cè)電抗器運(yùn)行狀態(tài)提供數(shù)據(jù)支持。各個(gè)設(shè)備的集成布局以及安裝需要以機(jī)柜的形式實(shí)現(xiàn)。機(jī)柜的設(shè)計(jì)原則是整套裝置的實(shí)用性和外在的美觀性。機(jī)柜上主要安裝的設(shè)備和儀器有:吉時(shí)利3706數(shù)據(jù)采集儀、工控機(jī)(包括工控機(jī)主機(jī)、液晶顯示屏、鍵盤和鼠標(biāo))、探頭供電電源，同時(shí)在機(jī)柜下部預(yù)留一部分空間用于放置實(shí)驗(yàn)過程中常用的一些工具和儀表等，如納伏表、波形記錄儀、鎖放和功率分析儀等，設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

2軟件開發(fā)

軟件開發(fā)即控制界面開發(fā)，通過界面控制各種數(shù)據(jù)采集儀器的工作，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上進(jìn)行處理、顯示和保存等［6］。圖5所示的為軟件搭建流程示意圖，首先調(diào)試設(shè)備，完成工控機(jī)與3706數(shù)據(jù)采集儀器之間的通信，使數(shù)據(jù)能夠進(jìn)入主機(jī)進(jìn)行處理，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)的分類顯示。基于LabVIEW開發(fā)的程序主要包含后臺(tái)程序以及操作界面。后臺(tái)程序(1)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主程序數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集儀器中的電壓數(shù)據(jù)讀取的功能［7］。通過在主程序中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行通道選擇可以實(shí)現(xiàn)不同的處理功能，包括3706儀器的通訊設(shè)置和數(shù)據(jù)初始化。(2)數(shù)據(jù)傳輸程序數(shù)據(jù)傳輸是指將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)采集儀器上傳輸?shù)焦た貦C(jī)上。LabVIEW中提供了多種通訊協(xié)議，如串口、并口和以太網(wǎng)傳輸協(xié)議，此處選擇以太網(wǎng)作為傳輸方式，數(shù)據(jù)采集儀器發(fā)送數(shù)據(jù)，工控機(jī)接收發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理。(3)數(shù)據(jù)記錄程序LabVIEW中可以將數(shù)據(jù)保存為多種格式，其中就包括常見的Excel表格，“寫入電子表格．vi”可以將數(shù)據(jù)保存為Excel格式，并且該VI不需要啟動(dòng)Excel，寫入速度較快、使用較為簡單，所以使用該VI進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。由于EXCEL是目前比較通用的數(shù)據(jù)處理軟件，所以保存數(shù)據(jù)的格式選為EXCEL表格，方便處理數(shù)據(jù)。程序中可以設(shè)定將EXCEL文件保存在某個(gè)文件夾下，分別將磁體溫度、磁場(chǎng)強(qiáng)度保存在兩個(gè)文件夾下，并且為方便查找數(shù)據(jù)，每個(gè)文件的文件名以日期和時(shí)間命名，這樣方便日后查找數(shù)據(jù)。對(duì)于不同類型數(shù)據(jù)也可以直接分開存儲(chǔ)，方便以后查詢使用。在以上程序的實(shí)現(xiàn)中，主要以子VI形式完成。子VI是指將特定的程序封裝，完成特定的功能的模塊。通過對(duì)程序的封裝既可以實(shí)現(xiàn)原有功能，并且使得主程序更加簡潔，便于查找錯(cuò)誤，又增加了程序的可移植性，提高了程序的整體質(zhì)量。操作界面該系統(tǒng)的操作界面首先確保了所有數(shù)據(jù)的顯示以及后臺(tái)記錄，另外對(duì)電抗器內(nèi)部環(huán)境參數(shù)(杜瓦內(nèi)部壓強(qiáng))以及外部輔助設(shè)備的工作狀態(tài)(液氮制冷機(jī)流量)也進(jìn)行了監(jiān)控。針對(duì)溫度監(jiān)控，單獨(dú)設(shè)置了更加直觀的波形顯示，更利于觀察超導(dǎo)體的溫度變化，如圖6所示。在35kV電抗器數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中，界面中沒有需要用戶設(shè)置的參數(shù)，在前面板中分列鉑電阻顯示控件來顯示數(shù)據(jù)。開始運(yùn)行后，3706開始采集數(shù)據(jù)，并且將這些數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到表格當(dāng)中。在前面板中，同一個(gè)波形圖中可以顯示多個(gè)通道的數(shù)據(jù)，每個(gè)通道的數(shù)據(jù)有顏色不同，這樣就可以比較實(shí)驗(yàn)磁體不同部分的溫度或不同超導(dǎo)雙餅的電壓等。

3總結(jié)

第6篇

信號(hào)調(diào)理電路根據(jù)功能分為輸入保護(hù)電路、抗混疊低通濾波電路、衰減電路、增益電路和電壓抬升電路。(1)輸入電壓幅值最高在24V，為防止輸入電壓超出可測(cè)范圍，在輸入端采用兩個(gè)24V的穩(wěn)壓管支路進(jìn)行電壓鉗位保護(hù)，并且分別在兩個(gè)支路串聯(lián)不同顏色的發(fā)光二極管以顯示正反向超壓。(2)為了消除高頻噪聲信號(hào)和被測(cè)信號(hào)中的高頻成分對(duì)信號(hào)采集的混疊效應(yīng)，設(shè)計(jì)了二階低通抗混疊濾波電路。為保證較好的抗混疊效果和測(cè)量帶寬，設(shè)定濾波器的截止頻率為300kHz。濾波電路形式固定如圖2所示，其頻域傳遞函數(shù)為。由式可得濾波器的截止頻率fp≈0．64f0，fp=300kHz，得RC=3．4×10－7s。通過multisim仿真比較確定參數(shù)值。抗混疊低通濾波電路如圖2所示。(3)LM3S9B96的ADC的輸入電壓范圍是0V～3V，要實(shí)現(xiàn)采集0V～±24V的輸入信號(hào)需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減處理，衰減網(wǎng)絡(luò)采用兆歐級(jí)精密電阻組成，其中固定電阻設(shè)定為1MΩ。這里選擇8，4，2，1四級(jí)衰減，后期處理的數(shù)據(jù)可以通過移位操作進(jìn)行數(shù)據(jù)還原。電路實(shí)現(xiàn)選用OMRON公司G5V－1小信號(hào)繼電器作為開關(guān)控制，根據(jù)上位機(jī)傳輸?shù)拿顏磉x擇合適的電阻支路。具體的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。(4)為滿足采集小信號(hào)的需求，采用TI公司的增益可編程儀表放大器PGA205。PGA205具有四級(jí)數(shù)控增益，數(shù)控端直接連接到微控制器的I/O引腳［5］。輸入幅值、放大倍數(shù)和數(shù)控端的對(duì)應(yīng)關(guān)系同上述衰減電路類似，這里不列表贅述。增益電路如圖3所示，PC4、PC5為數(shù)控端。(5)信號(hào)經(jīng)過衰減和放大電路的調(diào)理后電壓范圍為0V～±3V電壓信號(hào)將信號(hào)調(diào)理至0V～6V范圍，再經(jīng)過比例運(yùn)算電路做1/2分壓處理。運(yùn)放選擇TL052，是由TI公司生產(chǎn)的低失調(diào)加強(qiáng)型的JFET運(yùn)算放大器，相對(duì)于TL07和TL08系列具有更快的轉(zhuǎn)換速度。

2電源供電系統(tǒng)

本文中需要三級(jí)電源供電:3．3V，5V，±10V。5V電壓通過SPX1117－3．3V穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)變?yōu)?．3V為系統(tǒng)供電，±10V要是給可編程放大器PGA205和運(yùn)放TL052供電，該電壓需要5V電壓經(jīng)過Boost升壓電路得到，設(shè)計(jì)選用TPS61040開關(guān)電源芯片，其為低功耗的DC/DCBoost轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部集成開關(guān)管，開關(guān)頻率可達(dá)1MHz，輸出電壓紋波低［6］。雙電源供電電路如圖4所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文軟件設(shè)計(jì)任務(wù)主要是LM3S9B96芯片的初始化和內(nèi)部各模塊之間的邏輯控制，包括根據(jù)上位機(jī)的指令來設(shè)定調(diào)理電路。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總的軟件任務(wù)框圖如圖5所示。信號(hào)調(diào)理任務(wù)負(fù)責(zé)根據(jù)上位機(jī)發(fā)出的指令完成調(diào)理電路的設(shè)定;采樣任務(wù)實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的采集;數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)任務(wù)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從ADC轉(zhuǎn)移到內(nèi)存，再轉(zhuǎn)移到USB緩存。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移任務(wù)利用DMA來實(shí)現(xiàn)，DMA的工作模式分為基本模式、乒乓模式和外設(shè)散聚模式，為了ADC采集不丟失數(shù)據(jù)，本文采用了乒乓模式，在程序設(shè)計(jì)時(shí)創(chuàng)建主數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體和副數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體交替接收數(shù)據(jù)，高效的完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移任務(wù);數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從微控制器通過USB總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。USB總線標(biāo)準(zhǔn)是在1994年由英特爾、康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合提出，包含了四種基本數(shù)據(jù)傳輸類型:控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸和等時(shí)傳輸，本文需要向上位機(jī)傳輸大量數(shù)據(jù)，選擇批量傳輸模式(BULK)傳輸數(shù)據(jù)［7］。基于LM3S系列芯片，TI公司提供了多層次十分豐富靈活的USB驅(qū)動(dòng)庫，簡化軟件的實(shí)現(xiàn)。

4上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

NIVISA(VirtualInstrumentSoftwareArchitecture)是NI公司開發(fā)的一種用來與各種儀器總線進(jìn)行通信的高級(jí)應(yīng)用編程接口，VISA總線I/O軟件是一個(gè)綜合軟件包，不受平臺(tái)、總線和環(huán)境的限制。VISA是NI公司隨LabVIEW配套提供的，從3．0版本開始支持USB通訊，根據(jù)是否符合USB測(cè)試和測(cè)量協(xié)議，VISA分為兩種VISA類函數(shù)，可以控制兩類USB設(shè)備:USBINSTR設(shè)備和USBRAW設(shè)備。這里使用USBRAW設(shè)備。利用VISA驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)向?qū)Мa(chǎn)生INF文件用來通知Window系統(tǒng)將NI－VISA用作USB設(shè)備的默認(rèn)驅(qū)動(dòng)，完成之后才可以正常和下位機(jī)通訊。USBRAW類設(shè)備的讀寫時(shí)序?yàn)?1)ViOpen打開VISA設(shè)備;(2)ViProperty設(shè)定VISA設(shè)備的屬性節(jié)點(diǎn)參數(shù)(指令端點(diǎn)和傳輸方式);(3)ViRead讀寫USBRAW(發(fā)送命令和設(shè)定字?jǐn)?shù));(4)ViClose關(guān)閉VISA(釋放VISA設(shè)備所占資源)。上位機(jī)程序總體分為指令接受程序，數(shù)據(jù)接受程序、數(shù)據(jù)處理程序和波形顯示程序。數(shù)據(jù)處理程序框圖如圖6所示。

5系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果

為了測(cè)試系統(tǒng)的可靠性，本文使用數(shù)字合成信號(hào)發(fā)生器DF1405模擬傳感器輸出信號(hào)作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)試信號(hào)。經(jīng)測(cè)試，設(shè)計(jì)系統(tǒng)完整實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。5V10kHz正弦波測(cè)試結(jié)果如圖7所示，通過點(diǎn)擊Save控件可以完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

6結(jié)束語

第7篇

云定制的使用方便大批量采集控制服務(wù)器的集中管理，尤其在批量采集策略變更時(shí)為集中更改提供便利。廣播電視音視頻采集廣泛分布在各無線頻段和有線網(wǎng)絡(luò)之中，采集種類多，數(shù)據(jù)存在差異，采集地域分布廣，通過專網(wǎng)將采集前端設(shè)備、集中控制服務(wù)器等連接起來，并反饋給數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。云定制屏蔽了采集前端設(shè)備的差異性、分散性，將其集中在同一個(gè)云之中，實(shí)現(xiàn)定制服務(wù)的遠(yuǎn)程控制和自由變更。如圖3所示。

通過架設(shè)云定制服務(wù)器Web服務(wù)端作為云端，依靠B/S系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使用者僅需在專網(wǎng)之中使用任意一臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)備即可連接云端，進(jìn)而連接所有采集前端，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在無需安裝軟件，便可通過瀏覽器登陸廣播電視音視頻采集云定制系統(tǒng)，對(duì)所有前端設(shè)備、控制服務(wù)器進(jìn)行操作。云定制服務(wù)器基于C#語言，基于Socket通信協(xié)議編寫通信模塊，與前端采集控制軟件通信，接收并匯總采集端控制軟件返回的結(jié)果，下發(fā)采集服務(wù)定制的命令至采集端控制軟件進(jìn)行變更操作，并預(yù)留二期開發(fā)接口，方便其他系統(tǒng)對(duì)云定制切換服務(wù)的調(diào)用。采集集中控制服務(wù)器與采集前端系統(tǒng)通過采集端控制軟件接收來自云端的命令，并反饋采集狀態(tài)與命令執(zhí)行狀態(tài)，執(zhí)行云端下發(fā)的采集策略，變更采集方案，實(shí)現(xiàn)所有廣播電視音視頻數(shù)據(jù)按需分類、分時(shí)采集。軟件測(cè)試階段，發(fā)現(xiàn)前期測(cè)試始終存在指令丟失的情況，后經(jīng)反復(fù)測(cè)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)本策略對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步、數(shù)據(jù)可靠傳遞要求較高，需要引入GPS校時(shí)系統(tǒng)，以解決網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時(shí)間不統(tǒng)一的問題。在自動(dòng)切換策略時(shí)間的過程中，專網(wǎng)網(wǎng)段采用統(tǒng)一的GPS校時(shí)服務(wù)器，并在采集端C/S軟件嵌入校時(shí)功能，確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備時(shí)間一致。同時(shí)對(duì)Socket通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼校驗(yàn)，采用8位2進(jìn)制數(shù)順序累加做校驗(yàn)，一旦校驗(yàn)失敗便啟用數(shù)據(jù)重傳機(jī)制，確保數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、可靠，無指令數(shù)據(jù)丟失或錯(cuò)亂。指令收到后，返回執(zhí)行狀態(tài)，以使云端準(zhǔn)確收到各設(shè)備采集端切換策略的執(zhí)行情況。

2自動(dòng)切換策略的實(shí)現(xiàn)

在實(shí)際應(yīng)用中，廣播電視音視頻采集策略會(huì)根據(jù)業(yè)務(wù)需求變化，業(yè)務(wù)需求又分為周期性變化與臨時(shí)性非周期變化。云策略變更的命令下發(fā)后，采集集中控制服務(wù)器接收采集前端的命令，并將采集策略轉(zhuǎn)化為采集指令，根據(jù)采集策略規(guī)定的時(shí)間啟用或停止某一類廣播電視音視頻數(shù)據(jù)采集。同時(shí)使用C#Process類對(duì)采集服務(wù)進(jìn)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以掌握采集命令執(zhí)行是否成功，采集端進(jìn)程是否正常啟用或者關(guān)閉，并將所有進(jìn)程終止與啟動(dòng)情況記入前端log文件，并階段性回收至云端數(shù)據(jù)庫。前端采集服務(wù)存在一定的差異性，硬件不同，驅(qū)動(dòng)不同，使用C#語言，依托不同硬件的DLL封裝文件，將采集服務(wù)最小分割，并打包存儲(chǔ)，由采集端控制軟件集中調(diào)用。在采集集中控制服務(wù)器存儲(chǔ)config配置文件，將周期性、預(yù)期性采集策略的變更存儲(chǔ)其中，依靠定時(shí)器觸發(fā)采集策略的變更，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換采集策略。采集策略一旦變更，需要對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣測(cè)試，如發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)開啟采集仍未回傳、數(shù)據(jù)關(guān)閉采集仍有回傳等切換失敗的情況，需要對(duì)采集進(jìn)程進(jìn)行2次校驗(yàn)操作，即回復(fù)之前策略，校驗(yàn)數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，再重新執(zhí)行采集切換策略。

3采集狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄與預(yù)警

廣播電視音視頻采集對(duì)實(shí)時(shí)性與采集質(zhì)量要求很高，一旦因前端軟件或設(shè)備故障影響采集，勢(shì)必影響下游業(yè)務(wù)，因此需在采集前端控制軟件中增加監(jiān)測(cè)、記錄與預(yù)警的功能，對(duì)采集進(jìn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦采集進(jìn)程卡死或進(jìn)程終止，需立即激活采集服務(wù)重啟響應(yīng)采集任務(wù)。同時(shí)將所有采集狀態(tài)通過Socket通信反饋至云端服務(wù)器，云端服務(wù)器將所有采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)計(jì)入數(shù)據(jù)庫中，形成采集狀態(tài)記錄并報(bào)警，便于對(duì)采集前端的設(shè)備軟件故障進(jìn)行及時(shí)處理，同時(shí)也有利于積累長期的采集數(shù)據(jù)，用于日后數(shù)據(jù)匯總分析。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，采集策略切換失敗主要由前端C/S軟件通信數(shù)據(jù)堵塞、軟件卡死、內(nèi)存溢出、config配置文件讀寫錯(cuò)誤等問題引起，一般重啟前端軟件后即可恢復(fù)正常。多次測(cè)試發(fā)現(xiàn)，廣播電視音視頻數(shù)據(jù)采集量大，采集時(shí)間長，設(shè)備一直滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，因此需要對(duì)前端軟件定時(shí)重啟。后期完善中，增加采集端軟件進(jìn)程監(jiān)視模塊，并在每天23:59:59對(duì)前端軟件自重啟，對(duì)16臺(tái)前端設(shè)備分組測(cè)試，累計(jì)測(cè)試7天，A組使用定時(shí)重啟功能，B組不使用該功能，測(cè)試結(jié)果表明，A組7天內(nèi)未發(fā)生切換失敗故障，B組7天內(nèi)仍有2次切換故障，故引入定時(shí)重啟可確保軟件運(yùn)行正常。

4總結(jié)

第8篇

關(guān)鍵詞：MCF5249uClinuxWeb數(shù)據(jù)采集

引言

現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)需求的變化，工業(yè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理控制已經(jīng)成為一種必然趨勢(shì)。M2M（MachinetoMachine）的網(wǎng)絡(luò)通信已成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)，而Web技術(shù)為工業(yè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理提供了一種解決方案。本文從硬件和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面討論了摩托羅拉MCF5249處理器在數(shù)據(jù)采集方面的應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程Web表征。

由于這一系統(tǒng)面向廣義的過程，所以只要可獲得過程參數(shù)，就能實(shí)現(xiàn)過程行業(yè)的遠(yuǎn)程在線表征。特別是基于Web完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫生成，真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集群系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源無人工干預(yù)自動(dòng)獲取。其應(yīng)用將會(huì)不斷地延伸。

本文描述的摩托羅拉MCF5249是以ColdFire32位微處理器為基礎(chǔ)的高性能處理器，該處理器內(nèi)部集成了一個(gè)片內(nèi)12位ADC，可用于工業(yè)數(shù)據(jù)采集。且數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于嵌入式操作系統(tǒng)uClinux。由于uClinux是為沒有MMU的微處理器設(shè)計(jì)的。且源泉代碼公開，為降低成本和獲取軟件的自有產(chǎn)權(quán)提供了方便。當(dāng)然，uClinux不是一個(gè)強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，為支持一般過程系統(tǒng)，可以通過一些補(bǔ)丁程序來提高其實(shí)時(shí)性，所以本文討論的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要應(yīng)用于一些實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合。

1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

摩托羅拉MCF5249處理器內(nèi)部集成了一個(gè)片內(nèi)12位∑—ΔADC，它有四路輸入（ADIN0～ADIN3），任一時(shí)刻只允許一路輸入，由多路選擇器決定。ADC的數(shù)字部分在MCF5249的內(nèi)部，而模擬電壓比較器由電路提供。A/D轉(zhuǎn)換的輸出引腳以脈寬調(diào)制的格式提供參考電壓，因此，該輸出需要一個(gè)的阻容電路，將其轉(zhuǎn)換成直流電壓，以備外部的電壓比較器電路使用。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件原理圖如圖1所示。

由于微處理器不可承受負(fù)電壓，所以必須將輸入電壓限制在0～+3V之間。Motorola公司不建議使用外部箝位二極管直接在模擬輸入端進(jìn)行過壓保護(hù)，而在輸入端引入1～10kΩ的限流電阻和低通濾波器，在低通濾波器的輸入端連接二極管對(duì)輸入電壓進(jìn)行箝位。

2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為兩大模塊，即數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)顯示模塊。

2.1數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊是系統(tǒng)的核心模塊，為了提高數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，應(yīng)采用中斷方式完成數(shù)據(jù)采集。其流程圖如圖2所示。

MCF5249微處理器為其內(nèi)部ADC提供了一個(gè)控制寄存器ADCONFIG，其地址是MBAR2_ADDR+0x402,在初始化程序中需要指定MBAR2_ADDR地址。

通過ADCONFIG寄存器可以設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換器工作方式、采樣頻率、是否采用中斷方式等。下面給出設(shè)置ADCONFIG寄存器實(shí)例。

#defineMBAR2_ADDR0x8000000

#defineAD_CONFIG0x402

#defineAD_VALUE0x406

…………

//設(shè)置ADC

*(volatileunsignedshortint*)(MBAR2_ADDR+AD_CONFIG)=0x442;

該設(shè)置確定ADIN0作為模擬信號(hào)輸入通道，采樣頻率設(shè)置為1/4系統(tǒng)總線時(shí)鐘頻率。當(dāng)時(shí)鐘產(chǎn)生4095次翻轉(zhuǎn)時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)軟件中斷（中斷號(hào)為63）。一次采樣結(jié)束，并將采樣結(jié)果存于ADVALUE寄存器（其地址為MBAR2_ADDR+0x406）。A/D轉(zhuǎn)換值可以用如下公式計(jì)算：

Vi=(X/(2n-1))×Vfullscate

其中，Vi為ADC的輸入電壓；Vfullscate為滿量程輸入電壓；

X為ADC輸出的數(shù)字量；

n為ADC的位數(shù)。

A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果在中斷處理程序中讀取。讀取一次轉(zhuǎn)換的程序代碼如下：

Volatileunsignedshortintm;

m=*(volatileunsignedshortint*)(MBAR2_ADDR+AD_VALUE);

通常，A/D轉(zhuǎn)換需要連續(xù)采樣。采樣結(jié)果應(yīng)存放在一個(gè)多訪問循環(huán)隊(duì)列MACQ（MultipleAccessCircularQueue）中。

MACQ是一個(gè)定長有序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。源進(jìn)程（生產(chǎn)者，ADC采樣程序）將數(shù)據(jù)存入MACQ，一旦初始化，MACQ總是滿的。當(dāng)有新的數(shù)據(jù)被存入（PUT）MACQ，舊數(shù)據(jù)即被丟棄（如圖3）。應(yīng)用進(jìn)程（消費(fèi)者）可以從MACQ中讀取任何數(shù)據(jù)。讀功能是非破壞性的，即讀操作不會(huì)改變MACQ。

在uClinux中，A/D轉(zhuǎn)換中斷程序的編寫方法是將A/D轉(zhuǎn)換器作為一個(gè)字符設(shè)備來處理。中斷程序是在linux/drivers/char目錄下編寫，其結(jié)構(gòu)如下：*file:m5249_adirq.c

#include<linux/interrupt.h>

#include<asm/irq.h>

#defineADC_IRQ(128+63)//定義中斷號(hào)

#defineMBAR2_ADDR0x8000000

#defineAD_CONFIG0x402

#defineAD_VALUE0x406

/*定義中斷處理函數(shù)*/

voidadirq_interrupt(intirq,void*d,structpt_regs*regs){

在此讀取A/D轉(zhuǎn)換的值并存入隊(duì)列中。

}

/*設(shè)備初始化函數(shù)*/

intadirq_init(){

intresult;

unsignedshortadc_irq;

adc_irq=ADC_IRQ;

result=request_irq(adc_irq,&adirq_interrupt,SA_INTERRUPT,5249_adirqNULL);//注冊(cè)中斷

if(result==-1)

{printk(“Can''''tgetassigned%d”adc_irq);

returnresult;}

return0;

}

中斷服務(wù)程序的添加方法如下：

①編輯uClinux/drivers/char目錄下的mem.c，添加“adirq_init();”;

②編輯此目錄下的Makefile加入“obj-y+=m5249_adirq.o”;

③編譯（make）。

2.2數(shù)據(jù)顯示模塊的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)采集到的數(shù)據(jù)以Web方式顯示，需要選擇一個(gè)Web服務(wù)器。本文采用的Web服務(wù)器是BOA。在CGI程序中編寫一個(gè)函數(shù)讀取MACQ隊(duì)列中的數(shù)據(jù)并顯示。

主要有以下顯示模塊。

（1）編寫一個(gè)CGI程序

*編寫一個(gè)讀取MACQ隊(duì)列中數(shù)值的函

readFromMacq()。

*編寫一個(gè)生成動(dòng)態(tài)HTML頁面的函數(shù)show()。

Voidshow_t(){

……

printf("Content-type:text/html");

prinft{"

<html>

<head>

<metahttp-equiv=pragmacontent=no-cache><metahttpequiv=expirecontent=now>

<title></title>

</head>

<body>");

在此將MACQ中的數(shù)據(jù)讀出，假設(shè)值賦給變量n

prinft("<center")Thevalueis%x!</center>

</body>

</html>",n);

}

*編寫一個(gè)CGI的主程序main_cgi。

在主程序中需要讀取HTML頁面中的字符，并判斷應(yīng)執(zhí)行那一個(gè)CGI程序。

（2）用HTML語言編寫一個(gè)主頁

在主面中應(yīng)包含：

<ahref=/cgi-bin/main_cgi.cgi?flag=10target=main>鍵接字符</a>.

其中，flag的值是main_cgi用于判斷應(yīng)執(zhí)行哪一個(gè)CGI程序的標(biāo)志。

第9篇

關(guān)鍵詞：USBRS485數(shù)據(jù)采集

在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究的各行業(yè)中，常常利用PC或工控機(jī)對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。這其中有很多地方需要對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如液位、溫度、壓力、頻率等。現(xiàn)在常用的采集方式是通過數(shù)據(jù)采集板卡，常用的有A/D卡以及422、485等總線板卡。采用板卡不僅安裝麻煩、易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的干擾，而且由于受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制，不可能掛接很多設(shè)備。而通用串行總線（UniversalAerialBus，簡稱USB）的出現(xiàn)，很好地解決了以上這些沖突，很容易就能實(shí)現(xiàn)低成本、高可靠性、多點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。

1USB簡介

USB是一些PC大廠商，如Microsoft、Intel等為了解決日益增加的PC外設(shè)與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而制定的一種串行通信的標(biāo)準(zhǔn)，自1995年在Comdex上亮相以來至今已廣泛地為各PC廠家所支持。現(xiàn)在生產(chǎn)的PC幾乎都配備了USB接口，Microsft的Windows98、NT以及MacOS、Linux、FreeBSD等流行操作系統(tǒng)都增加了對(duì)USB的支持。

1.1USB系統(tǒng)的構(gòu)成

USB系統(tǒng)主要由主控制器(HostController)、USBHub和USB外設(shè)(PeripheralsNode)組成系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。

1.2USB的主要優(yōu)點(diǎn)

&#183;速度快。USB有高速和低速兩種方式，主模式為高速模式，速率為12Mbps，另外為了適應(yīng)一些不需要很大吞吐量和很高實(shí)時(shí)性的設(shè)備，如鼠標(biāo)等，USB還提供低速方式，速率為1.5Mb/s。

&#183;設(shè)備安裝和配置容易。安裝USB設(shè)備不必再打開機(jī)箱，加減已安裝過的設(shè)備完全不用關(guān)閉計(jì)算機(jī)。所有USB設(shè)備支持熱拔插，系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)配置，徹底拋棄了過去的跳線和撥碼開關(guān)設(shè)置。

&#183;易于擴(kuò)展。通過使用Hub擴(kuò)展可撥接多達(dá)127個(gè)外設(shè)。標(biāo)準(zhǔn)USB電纜長度為3m（5m低速）。通過Hub或中繼器可以使外設(shè)距離達(dá)到30m。

&#183;能夠采用總線供電。USB總線提供最大達(dá)5V電壓、500mA電流。

&#183;使用靈活。USB共有4種傳輸模式：控制傳輸(control)、同步傳輸(Synchronization)、中斷傳輸(interrupt)、批量傳輸(bulk)，以適應(yīng)不同設(shè)備的需要。

2采用USB傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集設(shè)備

2.1硬件組成

一個(gè)實(shí)用的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括A/D轉(zhuǎn)換器、微控制器以及USB通信接口。為了擴(kuò)展其用途，還可以加上多路模擬開關(guān)和數(shù)字I/O端口。

系統(tǒng)的A/D、數(shù)字I/O的設(shè)計(jì)可沿用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)采集的精度、速率、通道數(shù)等諸元素選擇合適的芯片，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分注意抗干擾的性能，尤其對(duì)A/D采集更是如此。

在微控制器和USB接口的選擇上有兩種方式，一種是采用普通單片機(jī)加上專用的USB通信芯片。現(xiàn)在的專用芯片中較流行的有NationalSemiconductor公司的USBN9602、ScanLogic公司的SL11等。筆者曾經(jīng)采用Atmel公司的89c51單片機(jī)和USBN9602芯片構(gòu)成系統(tǒng)，取得了良好的效果。這種方案的設(shè)計(jì)和調(diào)試比較麻煩，成本相對(duì)而言也比較高。

另一種方案是采用具備USB通信功能的單片機(jī)。隨著USB應(yīng)用的日益廣泛，Intel、SGS-Tomson、Cypress、Philips等芯片廠商都推出了具備USB通信接口的單片機(jī)。這些單片機(jī)處理能力強(qiáng)，有的本身就具備多路A/D，構(gòu)成系統(tǒng)的電路簡單，調(diào)試方便，電磁兼容性好，因此采用具備USB接口的單片機(jī)是構(gòu)成USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)較好的方案。不過，由于具備了USB接口，這些芯片與過去的開發(fā)系統(tǒng)通常是不兼容的，需要購買新的開發(fā)系統(tǒng)，投資較高。

USB的一大優(yōu)點(diǎn)是可以提供電源。在數(shù)據(jù)采集設(shè)備中耗電量通常不大，因此可以設(shè)計(jì)成采用總線供電的設(shè)備。2.2軟件構(gòu)成

Windows98提供了多種USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，但好象還沒有一種是專門針對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的，所以必須針對(duì)特定的設(shè)備來編制驅(qū)動(dòng)程序。盡管系統(tǒng)已經(jīng)提供了很多標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)，但編制驅(qū)動(dòng)程序仍然是USB開發(fā)中最困難的一件事情，通常采用WindowsDDK來實(shí)現(xiàn)。目前有許多第三方軟件廠商提供了各種各樣的生成工具，象Compuware的driverworks,BlueWaters的DriverWizard等，它們能夠很容易地在幾分鐘之內(nèi)生成高質(zhì)量的USB的驅(qū)動(dòng)程序。

設(shè)備中單片機(jī)程序的編制也同樣困難，而且沒有任何一家廠商提供了自動(dòng)生成的工具。編制一個(gè)穩(wěn)定、完善的單片機(jī)程序直接關(guān)系到設(shè)備性能，必須給予充分的重視。

以上兩個(gè)程序是開發(fā)者所關(guān)心的，用戶不大關(guān)心。用戶關(guān)心的是如何高效地通過鼠標(biāo)來操作設(shè)備，如何處理和分析采集進(jìn)來的大量數(shù)據(jù)，因此還必須有高質(zhì)量的用戶軟件。用戶軟件必須有友好的界面，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和處理能力以及為用戶提供進(jìn)行再開發(fā)的接口。

3實(shí)現(xiàn)USB遠(yuǎn)距離采集數(shù)據(jù)傳輸

傳輸距離是限制USB在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的一個(gè)障礙，即使增加了中繼或Hub，USB傳輸距離通常也不超過幾十米，這對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)而言顯然是太短了。

現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有大量采用RS－485傳輸數(shù)據(jù)的采集設(shè)備。RS－485有其固有的優(yōu)點(diǎn)，即它的傳輸距離可以達(dá)到1200米以上，并且可以掛接多個(gè)設(shè)備。其不足之處在于傳輸速度慢，采用總線方式，設(shè)備之間相互影響，可靠性差，需要板卡的支持，成本高，安裝麻煩等。RS－485的這些缺點(diǎn)恰好能被USB所彌補(bǔ)，而USB傳輸距離的限制恰好又是RS－485的優(yōu)勢(shì)所在。如果能將兩者結(jié)合起來，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，就能夠產(chǎn)生一種快速、可靠、低成本的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

這種系統(tǒng)的基本思想是：在采集現(xiàn)場(chǎng)，將傳感器采集到的模擬量數(shù)字化以后，利用RS－485協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳。在PC端有一個(gè)雙向RS－485～USB的轉(zhuǎn)換接口，利用這個(gè)轉(zhuǎn)接口接收485的數(shù)據(jù)并通過USB接口傳輸至PC機(jī)進(jìn)行分析處理。而主機(jī)向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的過程正好相反：主機(jī)向USB口發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過485～USB轉(zhuǎn)換口轉(zhuǎn)換為485協(xié)議向遠(yuǎn)端輸送，如圖3所示。

在圖3的方案中，關(guān)鍵設(shè)備是485～USB轉(zhuǎn)換器。這樣的設(shè)備在國內(nèi)外都已經(jīng)面市。筆者也曾經(jīng)用NationalSemiconductor公司的USBN9602+89c51+MAX485實(shí)現(xiàn)過這一功能，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

需要特別說明的是，在485～USB轉(zhuǎn)換器中，485接口的功能和通常采用485卡的接口性能（速率、驅(qū)動(dòng)能力等）完全一樣，也就是說，一個(gè)485～USB轉(zhuǎn)換器就能夠完全取代一塊485卡，成本要低許多，同時(shí)具有安裝方便、不受插槽數(shù)限制、不用外接電源等優(yōu)點(diǎn)，為工業(yè)和科研數(shù)據(jù)采集提供了一條方便、廉價(jià)、有效的途徑。

4綜合式采集數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)在的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常有分布式和總線兩種。采用USB接口易于實(shí)現(xiàn)分布式，而485接口則易于實(shí)現(xiàn)總線式，如果將這兩者結(jié)合起來，則能夠?qū)崿F(xiàn)一種綜合式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)方法是：仍然利用上面提到過的USB～485轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議的轉(zhuǎn)換。由于USB的數(shù)據(jù)傳輸速率大大高于485，因此在每條485總線上仍然可以掛接多個(gè)設(shè)備，形成了圖4所示的結(jié)構(gòu)，其中D代表一個(gè)設(shè)備。

這種傳輸系統(tǒng)適用于一些由多個(gè)空間上相對(duì)分散的工作點(diǎn)，而每個(gè)工作點(diǎn)又有多個(gè)數(shù)據(jù)需要進(jìn)行采集和傳輸?shù)膱?chǎng)合，例如大型糧庫，每個(gè)糧倉在空間上相對(duì)分散，而每個(gè)糧倉又需要采集溫度、濕度、二氧化碳濃度等一系列數(shù)據(jù)。在這樣的情況下，每一個(gè)糧倉可以分配一條485總線，將溫度、濕度、二氧化碳濃度等量的采集設(shè)備都掛接到485總線上，然后每個(gè)糧倉再通過485總線傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，并轉(zhuǎn)換為USB協(xié)議傳輸?shù)絇C機(jī)，多個(gè)糧倉的傳輸數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)換為USB協(xié)議后可以通過Hub連接到一臺(tái)PC機(jī)上。由于糧倉的各種數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性要求不是很高，因此采用這種方法可以用一臺(tái)PC機(jī)完成對(duì)一個(gè)大型糧庫的所有監(jiān)測(cè)工作。

5前景展望