基于ARM和GPS的数据采集模块的设计 - 工业/测控 - 电子工程

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<strong>1 引言</strong>

数据采集记录仪在工业控制领域中有着十分重要的意义。在许多工业场合。尤其是对于一些分散的、无人值守的现场．需要对数据进行定时采集以便及时了解现场的情况．并根据情况发送控制命令。以前这些系统大多采用普通的单片机来实现．其缺陷是明显的．如系统资源短缺、指令不够精简、CPU操作频率低等，大大地限制了其使用场合。现在广泛使用的是ARM和PC机通过串行口构成的多微机监测系统．但仍存在问题，比如多仪器问的精确同步。

本文提出了一种基于ARM和GPS(Global Positioning System)的数据采集记录仪，并结合uC／OS—II嵌入式实时操作系统来实现。该系统具有良好的环境适应性、多仪器间的精确同步性、人机交互性、稳定性、高效性，很适合运用于电化学实验、腐蚀测量工程等领域。

<strong>2 系统总体结构设计</strong>

本数据采集记录仪主要包括两大部分：数据采集与数据存储传输。本文主要介绍数据采集模块的设计与实现。整个系统的系统功能模块如图1所示。

该系统要求采集4路电压通路．采集时间为100ms~255h．并连续记录ON、OFF电位至少24小时(不需要记录整个波形)：同时由于本数据采集记录仪是一个多仪器系统，要求所有仪器都能够精确同步。因此．该系统要求每分钟，秒钟记录一次测试时间(GPS时间)。并将此时间与其它仪器记录时间相比。其它仪器记录时间用GPS同步。同时，该系统要求支持本地数据存储和u盘数据保存功能．且u盘数据保存的可存储容量取决于u盘的整体容量：该系统支持多种数据通讯功能。如Zigbee通讯、SPI总线接口通讯、I2C总线接口通讯、UART异步串行通讯。


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2010-4-28 14:52:19 上传
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图1 数据采集记录仪的功能模块图

结合图1，可得整个系统的实现方案．如下：
1)与硬件平台相关的软件部分分析与实现，并编写相应的底层函数：
2)进行uC／OS—II嵌入式实时操作系统在LPC2220微处理器的移植：
3)系统各功能模块的分析与实现：
4)系统调试及改进。

该系统采用uC／OS-II嵌入式实时操作系统作为中问件，并将与硬件平台相关的部分与相应功能模块的实现隔离开来，尽可能地实现硬件与软件分开．这样方便进行系统设计。uC／OS-II嵌入式实时操作系统是一个多任务的实时内核，其允许建立多达63个用户任务．并根据程序建立和运行的情况．决定在什么时候从一个任务切换到另一个任务。同时。任务的优先级也是uC／OS-II嵌入式实时操作系统必须得到的信息之一。具体的任务划分如图2所示：


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图2 系统任务划分图

<strong>3 数据采集模块原理与底层设计</strong>

3．1 采集信号分析

由于本数据采集记录仪主要应用于电化学实验及腐蚀测量工程中．其对信号采集与记录上有较高的要求．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，自动档量程预选；
3) 4路通用10位AD．范围0~5v(预留)。

信号的采集过程为：首先采集并存储128个信号采样点，计算并存储此128个信号采样点中8个连续数据点的“斜率”。8个连续数据点的“斜率”计算算法为：首先每2个连续数据点计算一次斜率K1=(Y1-Y2)/(X1-X2)．一次循环后得到4个斜率．对4个斜率取平均值并将此作为8个连续数据点的“斜率”。然后对前后一段时间的斜率的大小与走势进行比较．并根据相应的阈值来确定ON／OFF电位的位置。

3．2 数据采集

由于LPC2220内部提供一个8路10位A／D转换器．且转换时间低至2．44us捕足该系统对信号采集的基本要求。因此在进行数据采集的时候．就直接利用其内部提供的A／D转换器。LPC2220拥有一个10位8路A／D转换器．A／D转换器的基本时钟由VPB时钟提供．每个转换器包含一个可编程分频器，可将时钟调整至逐次逼迫转换所需的4．5MHz(最大)。完全满足精度要求的转换需要11个转换时钟。

此MD转换器的主要特性如下：

* 1个10位逐次逼近式模数转换器：
* 具有掉电模式：
* 10位转换时间小于2．44μs；
* 一个或多个输入的Burst转换模式：

启动A／D转换器的方式非常灵活．既可以单路软件启动，也可以设置为BURST模式对几路信号逐个循环采样。与其他LPC2000系列单片机相比．LPC2220增加了独立的基准电压源引脚．这对提高转换精度很有利。

由于被采集信号相对较复杂，且在ON／OFF电位处可能有较大的纹波，而实验证明最大程度的硬件滤波也无法达到非常理想的要求，因此必须使用软件滤波来减少纹波对信号采样的影响．具体滤波方法主要有中值／中值平均滤波法、限幅，限幅平均滤波法、算术／算术平均滤波法、消抖，消抖平均滤波法、加权递推，加权递推平均滤波法等。该系统主要采用中值平均滤波法与算术平均滤波法相结合的方法。

与数据采集有关的函数调用如下：

void ADInit(uint8 channel)//ADC初始化
uint32 ADRead(uint8 channel)//切换到ADC的任何一个通道并读取转换数据
void ADProcessfuint8*data) //数据处理与ON／OFF电位确定

数据采集模块基本流程图如图3所示。


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2010-4-28 14:52:20 上传
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图3 数据采集模块基本流秤图

3．3 数据采集模块测试

将系统数据采集模块输入端连接到现场传感器数据输出端．并结合ADSI．2中的AXD调试环境针对用户的相应操作对整个系统进行调试。测试结果如下：

1) 单通道数据采集测试结果及分析：单通道数据采集结果1如图4(a)，ON电位为-0559.0mV，OFF电位为-0594.OmV，测量长度为00000000.4 S。数据采集结果2如图4(b)。上一次ON电位为-0589.0mV．OFF电位为-0584.0mv：当前ON电位为-0492.2mV．OFF电位为-0492.4mV．测量长度为00013467.8m。测试结果符合信号要求。

2) 四通道数据采集测试结果及分析：四通道数据采集如图5所示通道1数据为--0848inV．通道2数据为--0726mV，通道3数据-0023mV．通道4数据为-0152mv测量长度为147879221m。四个通道数据都正常．偏离实际信号数据在误差范围内。


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图4 单通道数据采集结果


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2010-4-28 14:51:34 上传
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图5 四通道数据采集结果

<strong>4 结束语</strong>

本数据采集记录仪在LPC2220微控制器的硬件系统支持下．结合uC／OS一Ⅱ嵌入式实时操作系统和GPS全球定位系统实现对工业信号进行采集、记录、传输(无线与有线)、显示等功能。并具有以下创新点：

1)结合uCOS嵌入式实时操作系统进行系统设计．可以更大程度地提高系统的稳定性、高效性、智能性及降低系统开发的难度：

2)采用GPS全球定位系统技术辅助系统功能设计．可以实现各子系统间的精确同步，保证系统的稳定性；

3)提供多种形式的数据存储与转存接口；

4)提供Zigbee无线通讯，可以多系统组网，相互协调运作。

本文重点介绍的数据采集模块是整个数据记录仪的重要组成部分，具有高效性、高速性、实时性、智能性，精确同步性等特点。


作者：陈华丽，冯知凡  来源：《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2009年第6-2期