远程数据采集系统的设计与实现

华中科技大学硕士学位论文远程数据采集系统的设计与实现姓名：吴雪峰申请学位级别：硕士专业：计算机系统结构指导教师：谢长生20070604I摘要在进行数据采集时，由于许多被测对象距离较远或现场危险，只能在远距离的地方进行测量，然后传输出去，这便产生了远程数据采集系统。远程数据采集系统有着自身的特点：首先，为了精确和全方位获取环境信息，系统一般要提供多个采集通道进行高速采样；其次，为方便用户随时了解系统的运行状况，系统在高速采样的同时，必须能以异步接收和处理控制站的命令、传输用户所需数据；另外，远程数据采集系统一般仅靠电池供电，于是低功耗成为衡量系统性能的重要指标。从实时性、远程可控性、低功耗的目标出发，提出由FPGA（现场可编程门陈列）作为数据采集控制部分、由嵌入式微处理器系统和单片机作为数据存储和传输部分的数据采集系统。外部信号通过前置放大、滤波后，在FPGA的控制下进行高速数模转换和缓存；采集到的数据由嵌入式微处理器系统进行读取、处理和存储；数据通过RJ-45网络接口或无线数传模块传输至远程上位机。单片机在系统中有三个作用：一是提供用户操作输入接口及系统状态指示灯等信息；二是当嵌入式微处理器系统在高速采集和存储时，可以异步的接收来自控制站的无线命令，并对命令进行分析和处理；三是对嵌入式微处理器系统进行电源控制，在不需要采样时可以将嵌入式板的电源断开。与通常的仅仅采用单片机或嵌入式微处理器系统的采集系统相比，同时采用两者可以将用户接口和采集任务分开，使采集系统在保证吞吐率和实时性的同时能处理用户输入或来自控制站的无线传输命令。另外，单片机对嵌入式微处理器系统的电源控制功能可以达到降低系统功耗的目的。关键字：数据采集，嵌入式系统，无线数据传输IIAbstractSincemanyobjectsbeingobservedareoutofourterritoriesortheyareindangerousplaces,itiswisetosampledataoftheminwheretheyare,andthensendthedatabacktowhereweare,calledlong-distancedataacquisitionsystem,whichhassomeuniquecharacteristicsasfollows.First,inordertoknowtheobjectsorenvironmentofthesamplingplacemoreexactly,moresamplechannelsarerequired.Second,thesedevicesmustbeabletoreceiveordersandsendbackinformationthatthesupervisorneeds.Third,thepowersupplyofthesesystemsareusuallybatteries,thuslowpowerconsumptionbecomesanimportantdevisingguidelineofthesesystems.Aimingtogetthequalityofrealtime,long-distancecontrollability,andlowpowerconsumption,adataacquisitionsystemisproposedwhichcomposeofthefollowingelements,aFPGA-basedsamplingboard,anembeddedCPU,asinglechipandawirelessdatatransferringmodule.Exteriorsignalsarefirstamplified,filtered,andthentransformedfromanalogsignalstodigitalsignalsunderthecontrolofFPGAboard.ThedigitaldataisthenbufferbytheFPGAboard.DigitaldataisthenfetchedbyembeddedCPUsystem,whichhandlesandstoresitinharddisksattheformoffiles.Thesefilesthenaresenttothepersonalcomputer,whichcananalyzethem,eitherbyinternetorbyawirelessdatatransferringmodule,dependingontherealconditions.Thesinglechiphasthreefunctionsinthesystem.First,itprovidestheinput/outputinterfacetotheoperator;second,itcanexchangedataasynchronouslywithlong-distancecontrolcenter;third,itcontrolsthepowerswitchoftheembeddedCPUsystem,thatis,itcanshutdowntheembeddedCPUsystemwhenitisnoneedtocollectdata.ComparedwithdataacquisitionsystemswhichonlyusesinglechipsorembeddedCPUsystems,combiningthesetwocanseparateuserinterfacesfromsamplingandstoragetask,thuscanmakethesystemtakeinandsendoutinlargequantities,whileitcancommunicatingwiththecontrolcenter.Besidesthat,thepowercontrollingfunctionofthesinglechipcanreducetheconsumptionofpowerofthewholesystem.Keywords:DataAcquisition,EmbeddedSystem,WirelessDataTransfer独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日本论文属于√11绪论1.1课题背景用于数据采集的成套设备，称为数据采集系统(DataAcquisitionSystem)。数据采集是将被测对象(外部世界、现场)的各种参量(如物理量、化学量、生物量等)通过各种传感元件作适当转换后，再经信号调理、采样、放大、滤波、量化、编码、传输等步骤，昀后送到控制器进行数据处理或存储纪录的过程[1]。数据采集技术(DataAcquisition)是信息科学的一个重要分支。在生产过程中，应用数据采集系统可对生产现场的各种参数进行采集、监视和记录，是提高产品质量、降低成本、增加生产效率和节省人力的重要手段；另外，数据采集是控制系统实现控制的基本条件，只有准确实时的获取对象的运行数据才能实施有效的控制。在科学研究中，数据采集装置可采集大量的动态与静态信息，是各种研究领域的有力工具，也是破解科学奥秘的重要手段之一[2]。数据采集也广泛应用于设备故障的诊断。故障诊断技术依据设备在运行过程当中伴有的振动、噪声、发热、应变、压力等物理参数的变化，通过一定的方式来判断和识别设备运行的状态和故障，对故障的危害进行早期的预报和识别，防止设备在故障状态下连续运行而造成的设备失效和相应的附加损失，保证设备安全、正常、长周期的、满负荷优质运行[3]。数据采集技术已在雷达、通信、水声、遥感、地质勘探、振动工程、无损检测、语声处理、智能仪器、工业自动控制以及生物医学工程等领域有着广泛的应用[4]。随着科学技术的发展，已在速度、分辨率、精度、接口能力、软件设计以及抗干扰能力等方面向现代数据采集技术提出了越来越高的要求。可以预言：随着大规模集成电路技术与计算机技术的发展，数据采集技术的应用领域将更为广阔。在进行数据采集时，由于许多被测对象距离较远或现场危险，只能在远距离的地方进行测量，然后传输出去，这就是远程数据采集系统。水下数据采集系统是一个典型的例子，它通过水下的数据采集装置来采集声音信号、水深信号、磁罗盘方位信息等等。通过对采集数据的分析，从而可以辅助获取采集装置周围的环境、目标的运动状况。本课题“远程数据采集系统”的目的是实时记录多个水听器阵元收到的目标噪声远场辐射信号，并同步记录GPS时钟、平台方位信息，将其存至大容量高速硬盘中；2并能够通过无线电通讯方式实时传输数据，在数据采集和存储系统和岸站之间建立高速无线数据链路连接。开展这一项目的研究目的是设计一种稳定、高速、大容量的数据采集与存储系统，在此系统的帮助下可以根据水下环境的有关信息。1.2国内外概况1.2.1发展历程传统的数据采集系统是一个典型的嵌入式系统。核心是在微处理器进行传统的编程。其传统意义的执行机制是顺序执行，多采用一个主循环和几个顺序调用的子程序[5]。图1-1是一个基于传统编程的简单数据采集系统的程序流程图。当系统中有中断请求(实时处理请求)时，系统立刻停止当前的程序而转去执行中断，等到中断结束之后，再转回重新开始。图1-1传统的数据采集流程近年来，数据采集系统的一个重要的发展方向是通过信号的测量(数据采集)、处理、控制与管理，实现测、控、管一体化。随着科学技术的发展和数据采集系统的广泛应用，人们对于数据采集系统的主要技术指标，如通过速率，分辨率、精度、输入电压范围、控制方式以及抗干扰能力等方面提出了越来越多的要求，尤其是实时处理与高速性兼具的要求。3而传统的数据采集系统达到实时处理是以牺牲速度为代价的，这显然与实时处理与高速性兼具的要求矛盾。随着嵌入式系统的发展和应用领域的扩展，较为复杂的嵌入式系统，已不是早先一个控制循环所能支持的，而要求一个支持多任务和实时控制的嵌入式操作系统[6,7]。若在数据采集系统中采用了嵌入式实时多任务操作系统后情况就大不一样了。下面可通过同样简单的基于RTOS(RealTimeOperationSystem)的数据采集系统的编程流程图来做一个对比。图1-2是基于RTOS的编程流程图。这时所谓“实时”，对于计算机系统而言不但要求逻辑结果正确，而且还有时间的要求，即这个结果必须产生在截止时限(deadline)之前[8,9]。数据采集处理数据显示打印RTOS处理键盘中断图1-2基于RTOS的数据采集流程在这样的一个系统中，用户的应用程序是运行于RTOS之上的各个任务。RTOS根据各个任务的要求，完成资源(包括存储器，外设等)管理，消息管理，任务调度，异常处理等工作。在RTOS支持的系统中，每个任务均有一个优先级，RTOS根据各个任务的优先级，动态的切换各个任务，可保证对实时处理和高速性的要求。而且在编写程序时，可以分别编写各个任务，不必同时将所有任务运行的各种可能情况记在心中，大大减少了程序编写的工作量，而且减少了出错的可能，保证了昀终程序的高可靠性。1.2.2发展趋势数据采集系统在工业控制领域的应用十分广泛，根据其特点可以形成通用软件