數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案解析

引言

數(shù)據(jù)采集是指將溫度、壓力、電壓、電流、位移、流量等模擬量采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示或打印的過程，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)工業(yè)安全生產(chǎn)和現(xiàn)代化管理要求越來越高，數(shù)據(jù)采集儀不但需要采集現(xiàn)場各種傳感器信號(hào)，有時(shí)還需要進(jìn)行音頻和視頻的采集和傳輸，以便監(jiān)控人員可以更好的掌握現(xiàn)場信息。當(dāng)今，雖然許多高速度、高分辨率、大存儲(chǔ)量的高性能數(shù)據(jù)采集儀不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集儀仍存在CPU頻率低、處理能力有限的問題。由于音頻和視頻信號(hào)的數(shù)據(jù)量巨大，單臺(tái)便攜式數(shù)據(jù)采集儀很難完成各種傳感器信號(hào)與音視頻信號(hào)實(shí)時(shí)的采集及傳輸，許多數(shù)據(jù)采集中都會(huì)采用多臺(tái)設(shè)備把音頻、視頻和其它工業(yè)現(xiàn)場傳感器信號(hào)分開采集傳輸?shù)姆绞?，這種數(shù)據(jù)采集方法具有安裝維護(hù)成本高、占用空間大等缺點(diǎn)。

本文針對(duì)目前采集儀CPU頻率低、數(shù)據(jù)處理能力有限而造成的單臺(tái)采集儀難以對(duì)工業(yè)現(xiàn)場各種信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集及傳輸?shù)膯栴}進(jìn)行研究，提出了對(duì)音視頻進(jìn)行硬件壓縮編碼的方案。采集儀把采集到的音頻和視頻信號(hào)分別進(jìn)行了MP3和H.264格式的硬件壓縮編碼，大大減少了數(shù)據(jù)處理過程中的CPU資源占用及數(shù)據(jù)傳輸過程中的帶寬占用，解決了便攜式數(shù)據(jù)采集儀難以實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場多種數(shù)據(jù)一體化采集傳輸?shù)膯栴}。本采集儀集工業(yè)現(xiàn)場多種信號(hào)采集、處理、傳輸為一體，具有集成度高、體積小、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 數(shù)據(jù)采集儀結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)一體化數(shù)據(jù)采集的要求，采集儀集多種數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸為一體，其組成如圖1所示：數(shù)據(jù)采集儀核心處理芯片采用Samsung公司推出的16位/32位RISC微處理器S3C6410，它具有64位/32位內(nèi)部總線架構(gòu)，包括多個(gè)硬件加速器，其內(nèi)部集成的一個(gè)多格式編解碼器(MFC)支持多種格式的硬件編解碼。另外，S3C6410包括許多硬件外設(shè)(如一個(gè)相機(jī)接口，TFT24位真彩色液晶顯示控制器，系統(tǒng)管理器，4通道UART，32通道DMA，通用的I/O端口，IIS總線接口，IIC總線接口，USB主設(shè)備等)，大大減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)總成本，提高了系統(tǒng)性能。數(shù)據(jù)采集部分包括傳感器輸出信號(hào)、音頻及視頻信號(hào)采集。CPU把采集到的傳感器信號(hào)進(jìn)行處理和判斷，若信號(hào)超出正常值范圍則采集儀發(fā)出警報(bào)，并且通過S3C6410的GPIO引腳控制外部相關(guān)設(shè)備發(fā)生動(dòng)作。采集儀內(nèi)置大容量Nand Flash和SD卡，可將現(xiàn)場采集到的信號(hào)進(jìn)行長時(shí)間保存。在通信方面，采集儀采用雷凌公司生產(chǎn)的RT3070無線通信模塊與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行無線通信，RT3070模塊為在嵌入式下應(yīng)用的支持802.11n協(xié)議的USB接口高速WIFI模塊，無線通信速率可高達(dá)150Mbps。因?yàn)樵贏RM應(yīng)用中，數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)電路及串口和以太網(wǎng)通信電路的設(shè)計(jì)已經(jīng)非常普及，本文將重點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)采集部分的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。

傳感器信號(hào)采集

工業(yè)上常用模擬傳感器輸出信號(hào)為4mA-20mA電流和0-5V電壓。由于信號(hào)傳輸過程中經(jīng)常受到外界環(huán)境中其它電磁波的干擾發(fā)生畸變，有時(shí)畸變還很嚴(yán)重，導(dǎo)致采集儀對(duì)現(xiàn)場情況判斷錯(cuò)誤而指揮機(jī)器發(fā)生誤動(dòng)作，影響了公司的生產(chǎn)效益，有時(shí)甚至造成人的生命及巨額的財(cái)產(chǎn)損失。所以，需要對(duì)采集到的信號(hào)首先進(jìn)行濾波處理。本設(shè)計(jì)中將工業(yè)輸出的模擬信號(hào)首先經(jīng)過濾波器濾去高頻后再送入A/D模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換生成的數(shù)字信號(hào)通過SPI接口被S3C6410讀取。

濾波電路設(shè)計(jì)

濾波，本質(zhì)上是從被噪聲畸變和污染了的信號(hào)中提取原始信號(hào)所攜帶的信息的過程。采集儀濾波電路如圖2所示，因?yàn)闉V波及AD轉(zhuǎn)換信號(hào)為電壓信號(hào)，所以在電流輸入端加入了一個(gè)250Ω的精密電阻和一個(gè)電壓跟隨器，電流信號(hào)首先通過精密電阻轉(zhuǎn)換為1V-5V電壓信號(hào)，再經(jīng)過電壓跟隨器進(jìn)行阻抗匹配后進(jìn)入濾波電路濾去高頻干擾。對(duì)于電壓輸入則直接進(jìn)入濾波電路進(jìn)行濾波。在濾波電路中，因?yàn)榘吞匚炙鬼憫?yīng)能夠最大化濾波器的通帶平坦度，特別適用于低頻應(yīng)用，其對(duì)于維護(hù)增益的平坦性來說非常重要，所以本設(shè)計(jì)采用巴特沃斯二階低通濾波器。電壓信號(hào)經(jīng)過由運(yùn)放LM324構(gòu)成的二階巴特沃斯濾波器進(jìn)行低通濾波，濾波完成后，信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。根據(jù)巴特沃斯二階濾波器特性可知濾波器的截止頻率為：

圖2 低通濾波電路