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1 引言 數據采集記錄儀在工業控制領域中有著十分重要的意義。在許多工業場合。尤其是對于一些分散的、無人值守的現場．需要對數據進行定時采集以便及時了解現場的情況．并根據情況發送控制命令。以前這些系統大多采用普通的單片機來實現．其缺陷是明顯的．如系統資源短缺、指令不夠精簡、CPU操作頻率低等，大大地限制了其使用場合。現在廣泛使用的是ARM和PC機通過串行口構成的多微機監測系統．但仍存在問題，比如多儀器問的精確同步。 本文提出了一種基于ARM和GPS(Global Positioning System)的數據采集記錄儀，并結合uC／OS—II嵌入式實時操作系統來實現。該系統具有良好的環境適應性、多儀器間的精確同步性、人機交互性、穩定性、高效性，很適合運用于電化學實驗、腐蝕測量工程等領域。 2 系統總體結構設計 本數據采集記錄儀主要包括兩大部分：數據采集與數據存儲傳輸。本文主要介紹數據采集模塊的設計與實現。整個系統的系統功能模塊如圖1所示。 該系統要求采集4路電壓通路．采集時間為100ms~255h．并連續記錄ON、OFF電位至少24小時(不需要記錄整個波形)：同時由于本數據采集記錄儀是一個多儀器系統，要求所有儀器都能夠精確同步。因此．該系統要求每分鐘，秒鐘記錄一次測試時間(GPS時間)。并將此時間與其它儀器記錄時間相比。其它儀器記錄時間用GPS同步。同時，該系統要求支持本地數據存儲和u盤數據保存功能．且u盤數據保存的可存儲容量取決于u盤的整體容量：該系統支持多種數據通訊功能。如Zigbee通訊、SPI總線接口通訊、I2C總線接口通訊、UART異步串行通訊。 
圖1 數據采集記錄儀的功能模塊圖 結合圖1，可得整個系統的實現方案．如下： 1)與硬件平臺相關的軟件部分分析與實現，并編寫相應的底層函數： 2)進行uC／OS—II嵌入式實時操作系統在LPC2220微處理器的移植： 3)系統各功能模塊的分析與實現： 4)系統調試及改進。 該系統采用uC／OS-II嵌入式實時操作系統作為中問件，并將與硬件平臺相關的部分與相應功能模塊的實現隔離開來，盡可能地實現硬件與軟件分開．這樣方便進行系統設計。uC／OS-II嵌入式實時操作系統是一個多任務的實時內核，其允許建立多達63個用戶任務．并根據程序建立和運行的情況．決定在什么時候從一個任務切換到另一個任務。同時。任務的優先級也是uC／OS-II嵌入式實時操作系統必須得到的信息之一。具體的任務劃分如圖2所示：
圖2 系統任務劃分圖 3 數據采集模塊原理與底層設計 3．1 采集信號分析 由于本數據采集記錄儀主要應用于電化學實驗及腐蝕測量工程中．其對信號采集與記錄上有較高的要求．如下： 1) 3路直流0～±2．5V。14~16bit，分辨值0．1mV； 2) 1路交流0~±40v 14~16bit，分辨值0．1mV，自動檔量程預選； 3) 4路通用10位AD．范圍0~5v(預留)。 信號的采集過程為：首先采集并存儲128個信號采樣點，計算并存儲此128個信號采樣點中8個連續數據點的“斜率”。8個連續數據點的“斜率”計算算法為：首先每2個連續數據點計算一次斜率K1=(Y1-Y2)/(X1-X2)．一次循環后得到4個斜率．對4個斜率取平均值并將此作為8個連續數據點的“斜率”。然后對前后一段時間的斜率的大小與走勢進行比較．并根據相應的閾值來確定ON／OFF電位的位置。 3．2 數據采集 由于LPC2220內部提供一個8路10位A／D轉換器．且轉換時間低至2．44us捕足該系統對信號采集的基本要求。因此在進行數據采集的時候．就直接利用其內部提供的A／D轉換器。LPC2220擁有一個10位8路A／D轉換器．A／D轉換器的基本時鐘由VPB時鐘提供．每個轉換器包含一個可編程分頻器，可將時鐘調整至逐次逼迫轉換所需的4．5MHz(最大)。完全滿足精度要求的轉換需要11個轉換時鐘。 此MD轉換器的主要特性如下： * 1個10位逐次逼近式模數轉換器： * 具有掉電模式： * 10位轉換時間小于2．44μs； * 一個或多個輸入的Burst轉換模式： 啟動A／D轉換器的方式非常靈活．既可以單路軟件啟動，也可以設置為BURST模式對幾路信號逐個循環采樣。與其他LPC2000系列單片機相比．LPC2220增加了獨立的基準電壓源引腳．這對提高轉換精度很有利。 由于被采集信號相對較復雜，且在ON／OFF電位處可能有較大的紋波，而實驗證明最大程度的硬件濾波也無法達到非常理想的要求，因此必須使用軟件濾波來減少紋波對信號采樣的影響．具體濾波方法主要有中值／中值平均濾波法、限幅，限幅平均濾波法、算術／算術平均濾波法、消抖，消抖平均濾波法、加權遞推，加權遞推平均濾波法等。該系統主要采用中值平均濾波法與算術平均濾波法相結合的方法。 與數據采集有關的函數調用如下： void ADInit(uint8 channel) //ADC初始化 uint32 ADRead(uint8 channel) //切換到ADC的任何一個通道并讀取轉換數據 void ADProcessfuint8*data) //數據處理與ON／OFF電位確定 數據采集模塊基本流程圖如圖3所示。
圖3 數據采集模塊基本流秤圖 3．3 數據采集模塊測試 將系統數據采集模塊輸入端連接到現場傳感器數據輸出端．并結合ADSI．2中的AXD調試環境針對用戶的相應操作對整個系統進行調試。測試結果如下： 1) 單通道數據采集測試結果及分析：單通道數據采集結果1如圖4(a)，ON電位為-0559.0mV，OFF電位為-0594.OmV，測量長度為00000000.4 S。數據采集結果2如圖4(b)。上一次ON電位為-0589.0mV．OFF電位為-0584.0mv：當前ON電位為-0492.2mV．OFF電位為-0492.4mV．測量長度為00013467.8m。測試結果符合信號要求。 2) 四通道數據采集測試結果及分析：四通道數據采集如圖5所示通道1數據為--0848inV．通道2數據為--0726mV，通道3數據-0023mV．通道4數據為-0152mv測量長度為147879221m。四個通道數據都正常．偏離實際信號數據在誤差范圍內。
圖4 單通道數據采集結果
圖5 四通道數據采集結果 4 結束語 本數據采集記錄儀在LPC2220微控制器的硬件系統支持下．結合uC／OS一Ⅱ嵌入式實時操作系統和GPS全球定位系統實現對工業信號進行采集、記錄、傳輸(無線與有線)、顯示等功能。并具有以下創新點： 1)結合uCOS嵌入式實時操作系統進行系統設計．可以更大程度地提高系統的穩定性、高效性、智能性及降低系統開發的難度： 2)采用GPS全球定位系統技術輔助系統功能設計．可以實現各子系統間的精確同步，保證系統的穩定性； 3)提供多種形式的數據存儲與轉存接口； 4)提供Zigbee無線通訊，可以多系統組網，相互協調運作。 本文重點介紹的數據采集模塊是整個數據記錄儀的重要組成部分，具有高效性、高速性、實時性、智能性，精確同步性等特點。 作者：陳華麗，馮知凡 來源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第6-2期 |
