祁相志

（重慶師范大學(xué)，重慶 401331）

通用數(shù)據(jù)采集、處理及傳輸集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

祁相志

（重慶師范大學(xué)，重慶 401331）

隨著信息技術(shù)與嵌入式技術(shù)的發(fā)展，嵌入式應(yīng)用與信息技術(shù)的結(jié)合越來越緊密。本文就根據(jù)這樣的指導(dǎo)思想對煤礦現(xiàn)場數(shù)據(jù)的提取、傳輸、上位機(jī)處理以及存儲過程作了描述。

嵌入式；信息技術(shù)；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)處理；數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)存儲

1 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，原來傳統(tǒng)單一的技術(shù)，如傳感技術(shù)、單片機(jī)處理技術(shù)、存儲技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)逐漸融合，通過有線/無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，使得處于不同地點(diǎn)的傳感設(shè)施獲取到的信號、數(shù)據(jù)在主控端立即得到反映和響應(yīng)，使得遠(yuǎn)程交互、控制成為可能。本文以某應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)例為原型，介紹通用數(shù)據(jù)采集、處理及傳輸集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程。

2 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

本文介紹的通用數(shù)據(jù)采集、處理及傳輸系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、采集數(shù)據(jù)的處理以及通過有線/無線網(wǎng)絡(luò)傳輸幾個部分。

圖1 系統(tǒng)框架

2．1 微信號采樣和處理

為了滿足微信號測量精度需要，在數(shù)模轉(zhuǎn)換（ADC）方面，我們設(shè)計(jì)采用的是Crystal公司的高精度24位串行A／D轉(zhuǎn)換器CS5532。它是高集成度的ΔΣ模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，由于運(yùn)用了電荷平衡技術(shù)，性能可以達(dá)到24位。該系列ADC非常適合測量稱重儀表、過程控制、科學(xué)和醫(yī)療等應(yīng)用領(lǐng)域的單／雙極性的微信號。

芯片內(nèi)部有一個極低的斬波穩(wěn)定儀表放大器，其增益可選擇為 1X、2X、4X、8X、16X、32X，擴(kuò)大了信號輸入范圍，允許微信號的輸入，提高系統(tǒng)的動態(tài)特性。其在50Hz的共模抑制比典型值可達(dá)到120dB，這對從高共模電壓中檢測出微弱的差分電壓信號是十分有利的。內(nèi)部還有一個4階的ΔΣ調(diào)制器和一個數(shù)字濾波器,能提供10種可供選擇的輸出字速率。ADC內(nèi)部還有一個與SPI兼容的三線串行接口。另外，利用CS5532內(nèi)部的校準(zhǔn)系統(tǒng)（包括自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)），可設(shè)置ADC轉(zhuǎn)遞函數(shù)的零點(diǎn)以及增益斜率，從而消除系統(tǒng)通道的失調(diào)和增益誤差。

2．2 ARM920T 處理器結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的處理單元選用ARM系列微處理芯片。采用ARM920T，它是ARM系列微處理器的一種，它采用5階段管道化ARM9TDMI內(nèi)核，同時配備了Thumb擴(kuò)展、EmbeddedICE調(diào)試技術(shù)和Harvard總線。

文章以Samsung公司推出的ARM920T16/32位RISC處理器S3C2410為例,為手持設(shè)備和一般類型應(yīng)用提供了低價(jià)格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。為了降低整個系統(tǒng)的成本,S3C2410提供了以下豐富的內(nèi)部設(shè)備:分開的16KB的指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache,MMU虛擬存儲器管理,LCD控制器(支持STN&TFT),支持NAND Flash系統(tǒng)引導(dǎo),系統(tǒng)管理器(片選邏輯和SDRAM控制器),3通道UART,4通道DMA,4通道PWM定時器,I/O端口,RTC,8通道10位ADC和觸摸屏接口,IIC-BUS接口,IIC-BUS接口,USB主機(jī),USB設(shè)備,SD主卡&MMC卡接口,2通道的SPI以及內(nèi)部PLL時鐘倍頻器。

圖2 S3C2410與硬盤接口電路示意圖

2．3 IDE本地存儲設(shè)計(jì)

通常，處理單元處理的數(shù)據(jù)需要保存在本地，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用硬盤作為大容量存儲。S3C2410接口與硬盤之間電路分為3個部分：片選信號、數(shù)據(jù)信號和控制信號。硬盤上寄存器分為兩組，分別由IDE_CS0和IDE_CS1選中，DA0～DA2則用于組內(nèi)寄存器尋址；數(shù)據(jù)線DD0～DD15因存在輸入/輸出方向問題，故用nOE(讀信號)接buffer(74LVTH162245)的DIR引腳來控制緩沖器方向；控制信號部分因該CPU與硬盤之間DMA時序不一致，故采用一塊EPM7032AETC44-7芯片用于調(diào)整其時序。PIO模式下，不需要DMARQ和nDMACK信號。

2．4 通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分，通常有兩種方式：1、有線通訊：主要是 RS-232/485、LAN、WAN；2、無線通訊：主要是無線數(shù)傳模塊通訊、無線GPRS。

有線通訊主要是232/485與LAN。

RS-232接口又稱為RS-232口、串口、異步口或一個COM(通信)口。RS-232接口是 DTE(數(shù)據(jù)終端設(shè)備)和 DCE(數(shù)據(jù)通信設(shè)備)之間的一個接口，DTE包括計(jì)算機(jī)、終端、串口打印機(jī)等設(shè)備。RS-485/422采用平衡發(fā)送和差分接收方式實(shí)現(xiàn)通信：發(fā)送端將串行口的TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號A,B兩路輸出，經(jīng)過線纜傳輸之后在接收端將差分信號還原成TTL電平信號。RS-232/485受傳輸距離的限制，不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。

LAN是傳統(tǒng)的以太網(wǎng)通訊方式，主要是基于TCP／IP與UDP協(xié)議的有線通訊方式。其主要特點(diǎn)是受傳輸距離的限制，投入成本相對比較高。

無線通訊主要是無線數(shù)傳模塊通訊與無線GPRS。

無線數(shù)傳模塊作為一種通信設(shè)備，應(yīng)用在某些不適合鋪設(shè)電纜、通信數(shù)據(jù)量不大的場合。它一般采用數(shù)字信號處理、糾錯編碼、軟件無線電、數(shù)字調(diào)制解調(diào)和表面貼面一體設(shè)計(jì)等技術(shù)。由于無線數(shù)傳模塊的無線通信是將信息轉(zhuǎn)換成電波傳播實(shí)現(xiàn)，相對來說，這樣的無線方式很容易因電波在空氣中傳播受影響而造成系統(tǒng)可靠性降低。

GPRS(General Packet Radio Service)是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡稱,是在GSM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種分組交換的數(shù)據(jù)承載和傳輸方式。與原有的GSM比較,GPRS在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載和支持上具有非常明顯的優(yōu)勢:通過多個GSM時隙的復(fù)用,支持的數(shù)據(jù)傳輸速率更高,理論峰值達(dá)115kb/s;不同的網(wǎng)絡(luò)用戶共享同一組GPRS信道,但只有當(dāng)某一個用戶需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時才會占用信道資源,這樣,通過多用戶的業(yè)務(wù)復(fù)用,更有效地利用無線網(wǎng)絡(luò)信道資源,很好地適應(yīng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的突發(fā)性特點(diǎn),特別適合突發(fā)性、頻繁的小流量數(shù)據(jù)傳輸;另外,GPRS還能在支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r進(jìn)行語言通話等等。相對于短消息等其它無線數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù),GPRS具有實(shí)時在線、按流量收費(fèi)、高速傳輸、快速登錄等優(yōu)點(diǎn)。因此,使用GPRS實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)是非常經(jīng)濟(jì)實(shí)用的,特別適用于不易架設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)的邊遠(yuǎn)地區(qū)。

2．5 主控機(jī)的設(shè)計(jì)

主控機(jī)由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、數(shù)據(jù)本地存儲單元組成。數(shù)據(jù)采集單元是對現(xiàn)場的微信號進(jìn)行采樣，主要通過AD采樣的方式來完成。數(shù)據(jù)處理單元對數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括數(shù)據(jù)流附加信息的整合、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)傳輸單元實(shí)現(xiàn)主控機(jī)與上位機(jī)的連接并完成主控機(jī)處理后的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)本地存儲是對采集加工的數(shù)據(jù)在主控機(jī)上加以存儲以便日后校驗(yàn)。

2．6 綜合服務(wù)器的設(shè)計(jì)

綜合服務(wù)器主要實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行整理、入庫、查詢。主要考慮到現(xiàn)場傳輸過來的數(shù)據(jù)是沒有經(jīng)過拆分的，這些數(shù)據(jù)中可能是重量信息，或是故障信息、操作日志信息。將以上分析的數(shù)據(jù)存入sql sever數(shù)據(jù)庫，以便日后統(tǒng)計(jì)和查詢。查詢是指可以對某個時間段的數(shù)據(jù)（重量、故障、日志）進(jìn)行查詢，提供的查詢方式主要web查詢。以上的設(shè)計(jì)要求賦予綜合服務(wù)器專門的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、管理服務(wù)器、煤礦產(chǎn)量網(wǎng)站等這系列功能。

3 具體應(yīng)用

我們將通用數(shù)據(jù)采集、處理及傳輸集成框架用于煤礦現(xiàn)場出煤產(chǎn)量監(jiān)控系統(tǒng)，其要求為：在煤礦運(yùn)煤軌道上安裝重量傳感器，能精確稱量每次的煤炭產(chǎn)量。監(jiān)控中心可以通過中心服務(wù)器對每個煤礦產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，每日、每月、每年的產(chǎn)量數(shù)據(jù)以動態(tài)自動累計(jì)模式進(jìn)行核算，并匯集成報(bào)表格式。采集到的產(chǎn)量數(shù)據(jù)可以選擇通過GPRS無線傳輸?shù)姆绞絺魉徒o遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，同時備份在CF卡中。由于煤礦環(huán)境惡劣，采集點(diǎn)分散，對監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、功耗和成本都有嚴(yán)格要求。（如圖3所示）

圖3 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)場景

3．1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)進(jìn)入檢測狀態(tài)之前，必須先進(jìn)行初始化。這些初始化包括：ARM資源的初始化和CS5532轉(zhuǎn)換器的初始化，初始化過程可根據(jù)CS5532操作手冊來進(jìn)行。CS5532的系統(tǒng)初始化分為 SYNC0和 SYNC1兩條 命令，SYNC0命令向CS5532寫0xFE，而SYNC1向CS5532寫15個字節(jié)的OxFF，在本方案中，這兩條命令在 SYNC函數(shù)中統(tǒng)一完成，調(diào)用SYNC函數(shù)的過程很簡單，只需要給SYNC函數(shù)中的形參賦值為127。

初始化 CS5532寄存器的目的是向 CS5532寫入需要配置的指令，由于 CS5532的相關(guān)寄存器是32位的，所以需分四個字節(jié)寫入。配置這些寄存器的目的主要為了決定放大倍數(shù)，選擇采樣通道及轉(zhuǎn)換模式，轉(zhuǎn)換速度等。

采樣函數(shù)的本質(zhì)其實(shí)就是 MCU對 CS5532的采樣數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行讀操作的過程，CS5532的采樣數(shù)據(jù)寄存器是32位的，其中采樣數(shù)據(jù)占24位，其他8位用于表示極性，采樣數(shù)據(jù)溢出等標(biāo)志位。

3．2 數(shù)據(jù)傳輸

由于GPRS通信是基于IP地址的數(shù)據(jù)分組通信網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測中心計(jì)算機(jī)主機(jī)配置固定的IP地址，各個數(shù)據(jù)采集點(diǎn)采用GPRS模塊(設(shè)備)和該主機(jī)進(jìn)行通信。它的通訊過程非常簡單，就像計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)內(nèi)計(jì)算機(jī)通過TCP/IP SOCK通訊一樣。

煤礦各礦井通過數(shù)據(jù)采集模塊自動采集重量信息,通過RS232接口與 GPRS透明數(shù)據(jù)傳輸終端相連，通過GPRS透明數(shù)據(jù)傳輸終端內(nèi)置嵌入式處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送到GSM網(wǎng)絡(luò)，由GPRS網(wǎng)關(guān)(GGSN gateway GPRS support)node通過GPRS無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸,最終傳送到監(jiān)控中心IP地址。

在這種通訊方式中,監(jiān)控服務(wù)器申請配置固定IP地址，采用 DDN專線或 ADSL與GPRS網(wǎng)絡(luò)相連。監(jiān)控中心服務(wù)器接收到GPRS網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)后先進(jìn)行認(rèn)證,然后傳送到監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)主機(jī)，通過系統(tǒng)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行還原顯示，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3．3 綜合服務(wù)器

現(xiàn)場控制器發(fā)送出來的數(shù)據(jù)是一組13位的數(shù)據(jù)流，依次是年、月、日、時、分、秒、礦代、錯代、方向、速度、重量，速度和重量各占兩位，其在數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的結(jié)構(gòu)如圖所示。現(xiàn)場控制器在發(fā)送13位數(shù)據(jù)流是在其前段加了兩個*號，作為一組數(shù)據(jù)流的開始標(biāo)志，這樣綜合服務(wù)器就可以根據(jù)此條件判斷數(shù)據(jù)的完整性。綜合服務(wù)器具體處理過程如圖4所示。

端口收到的信號處理:

結(jié)合asp.net技術(shù)在該綜合服務(wù)器上架設(shè)一個web服務(wù)，就可以實(shí)現(xiàn)對整個礦區(qū)的數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)核算、日志查詢等。應(yīng)用asp.net技術(shù)可以提高程序的執(zhí)行效率和安全性。

4 結(jié)語

本文就煤礦稱重遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集作了描述，在此基礎(chǔ)上，下一步還可結(jié)合視頻監(jiān)控方面作進(jìn)一步的研究。從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

同時也是需要遠(yuǎn)程控制主要在原局部系統(tǒng)下，解決通訊的問題（廣域、無線）….

[1]吳房勝，歐陽名三，朱敏靜.基于CS5532的高精度拉壓力試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2009(4).

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General Data Acquisition,Processing and Transmission Integrated System Design and Implementation

QI Xiangzhi
（Chongqing Normal University， Chongqing 401331,China）

As information technology and embedded technology,embedded applications and the integration of information technology are increasingly interlinked.In this paper,according to this guiding ideology of the mine site data extraction,transmission,host computer processing,and stored procedures were described.

embedded；information technology； data acquisition； data processing；data transmission； data storage

TP39

A

1674－5787（2010）01－0082－04

2009-12-02

祁相志（1982—），男，江蘇人，重慶師范大學(xué)，助理實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)。

責(zé)任編輯 王榮輝