基于數(shù)據(jù)采集器的研究與實踐

王建中

(重慶青年職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系, 重慶 400712)

【信息科學(xué)與控制工程】

基于數(shù)據(jù)采集器的研究與實踐

王建中

(重慶青年職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系, 重慶 400712)

針對目前數(shù)據(jù)采集設(shè)備接口單一、功能固定、實用性差等缺點，采用ARM嵌入式工控模塊為基礎(chǔ)，研究支持以太網(wǎng)、CAN總線、UART串行接口、二線MODEM模擬通信的數(shù)據(jù)采集器，在硬件設(shè)計上采用MODEM芯片73K222AU、HR219307變壓器實現(xiàn)模擬信號遠(yuǎn)距離傳輸和數(shù)據(jù)采集；在軟件設(shè)計上實現(xiàn)用戶自定義協(xié)議和集成算法，可以有效解決多功能多接口數(shù)據(jù)采集、傳輸和控制。實驗結(jié)果表明，該研究能實現(xiàn)以太網(wǎng)、CAN、UART、二線模擬信號等數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，具有很強的實用價值。

數(shù)據(jù)采集器、以太網(wǎng)、CAN總線、73K222AU、二線模擬信號

目前，數(shù)據(jù)采集器主要針對傳感器直接采樣，常用D/A 轉(zhuǎn)換[1]、總線采樣、USB數(shù)據(jù)傳輸[2]、串行讀取、以太網(wǎng)絡(luò)、無線傳輸?shù)燃夹g(shù)，高速實時快速采樣常采用雙端口RAM或SRAM技術(shù)[3-4]，但幾乎沒有基于直接獲取設(shè)備數(shù)據(jù)或交換信息的專用儀器，信號探測和數(shù)據(jù)獲取非常困難，設(shè)備數(shù)據(jù)分析、檢測、檢修經(jīng)常需要大批量的專用設(shè)備，野外極為不便，因此，研究多功能數(shù)據(jù)采集器滿足設(shè)備數(shù)據(jù)快速獲取、檢測、故障分析非常重要。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

數(shù)據(jù)采集器主要以獲取信息化設(shè)備數(shù)據(jù)為主，輔助多種通信、故障診斷等功能，設(shè)置有可供選擇的通信校驗算法，如奇偶校驗、循環(huán)冗余碼校驗CRC，最大限度的可配置程序組合模塊，方便數(shù)據(jù)采集人機交互。整個系統(tǒng)分為上位機程序和數(shù)據(jù)采集器兩部分，上位機程序安裝在傳統(tǒng)PC機或便攜式筆記本中[5]，上位機必須具備RS-232串行接口或能提供USB轉(zhuǎn)RS-232串口；數(shù)據(jù)采集器由集成ARM7芯片的M9020-N20/M9080-N20嵌入式工控模塊和AT89S52單片機構(gòu)成，配置有RS-232串口、以太網(wǎng)絡(luò)、CAN總線、二線模擬通信等數(shù)據(jù)接口，負(fù)責(zé)完成與設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和信息交互，具有轉(zhuǎn)發(fā)上位機初始化設(shè)備功能；通過VK3266擴展8路串行接口滿足RS-485、TTL通信，同時能對標(biāo)準(zhǔn)RS-232數(shù)據(jù)監(jiān)測或獲取數(shù)據(jù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)交換方案如圖1所示。

圖1 多功能數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了滿足多種設(shè)備數(shù)據(jù)采集，電氣接口采用IEEE或ISO國際化標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計有14個通信接口；其中2個嵌入式工控模塊自帶兩個TTL串行接口，通過SP232芯片轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)RS-232電平，按照RS-232標(biāo)準(zhǔn)電氣關(guān)系連接，其中COM1與上位機(用戶計算機)連接，COM2與被測設(shè)備連接；1路以太網(wǎng)絡(luò)接口采用RJ45標(biāo)準(zhǔn)；2路CAN總線接口；2路二線模擬通信接口，可采集公共電話網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，具有遠(yuǎn)程控制功能；具有1路RS-485和1路TTL串行通信接口，滿足特殊串行通信設(shè)備數(shù)據(jù)采集需要；另外，設(shè)計4路RS-232串行診斷監(jiān)聽接口，每路只接兩個連線，即地線GND、發(fā)送TXD或接收RXD，滿足從正常通信設(shè)備線路上獲取數(shù)據(jù)的需求，接線關(guān)系如圖2所示。

2 硬件設(shè)計

2.1 嵌入式工控模塊性能及特點

嵌入式工控模塊是基于LPC2290工業(yè)級微控制器，需要同時供應(yīng)3.3 V和5.0 V電源，模塊集成復(fù)位電路，閾值電壓為2.93 V；支持10M以太網(wǎng)，2路CAN總線，2路UART串行接口，4路10位A/D轉(zhuǎn)換器；內(nèi)嵌實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ正版實時操作系統(tǒng)，支持TCP/IP協(xié)議，8MB內(nèi)存，2MB NOR Flash程序存儲器[6]，能滿足大量程序裝載和定點運算。

2.2 UART串行接口電路

M9020-N20/M9080-N20工控模塊內(nèi)置2個UART接口，輸出信號是TTL電平，如果要輸出RS-232、RS-485串行標(biāo)準(zhǔn)接口，需要使用SP3232E、MAX485電壓轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)，為了保證工作穩(wěn)定和降低噪聲，需要0.1 μF電容濾波,電路設(shè)計如圖3所示。

圖2 RS-232串行診斷監(jiān)聽電路

圖3 UART串行接口電路

2.3 網(wǎng)絡(luò)接口電路

工控模塊內(nèi)部已經(jīng)設(shè)計CS8900A以太網(wǎng)控制器，為了保證與外部以太網(wǎng)絡(luò)通信，設(shè)計以太網(wǎng)接口電路，如圖4所示，外接網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器HR601629E芯片，以及相應(yīng)的匹配電阻、濾波電容、高壓電容，從而滿足以太網(wǎng)可靠通信。

2.4 CAN 總線接口電路

CAN總線設(shè)備由CAN 控制器、總線收發(fā)器以及相應(yīng)的隔離電路組成[7]。工控模塊可通過外接CTM8251D芯片，提供帶隔離的高速2路CAN總線收發(fā)模塊，確保CAN總線正常工作，且能在惡劣環(huán)境中抗干擾，接線關(guān)系如圖5所示。2路CAN 總線滿足可編程模式，通過上位機設(shè)置通信頻率、通信模式和CAN地址等參數(shù)。

2.5 VK3266串口芯片擴展電路

多功能數(shù)據(jù)采集器串行接口共10個，即工控模塊集成2個，2片VK3266芯片擴展8個串行接口，其中6個為標(biāo)準(zhǔn)RS-232、1個TTL和1個RS-485串行接口。VK3266擴展內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括主機接口、子通道部分、MODEM控制邏輯、中斷控制邏輯等幾部分，多功能數(shù)據(jù)采集器方案采用M9020-N20/M9080-N20工控板模塊，CPU為ARM7 微控制器，接線關(guān)系如圖6所示，VK3266通信模式信號線為M1、MO，可選擇8位并行總線、SPI總線、UART 3種接口方式，每個子通道具備收/發(fā)獨立的16 BYTE FIFO，F(xiàn)IFO的中斷為4級可編程條件觸發(fā)點，多功能數(shù)據(jù)采集器采用8位并行總線，M1、M0分別連接高電平3.3V、GND。CPU發(fā)送數(shù)據(jù)到主通道，VK3266接收到數(shù)據(jù)后傳送到相應(yīng)的子通道FIFO。FIFO里的數(shù)據(jù)經(jīng)過流量控制邏輯后，在波特率發(fā)生器的作用下，通過發(fā)送移位寄存器順次將數(shù)據(jù)發(fā)送到TX串行輸出信號線上；數(shù)據(jù)接收時先判斷RX串行接收信號線上是否為相對應(yīng)的數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)過程與發(fā)送數(shù)據(jù)可逆。接口電路、讀寫操作時序如圖7、圖8所示。

VK3266主接口固定設(shè)置8位并口，滿足一個8位并行數(shù)據(jù)總線與4個通道UART串行數(shù)據(jù)通信，通過A0(數(shù)據(jù)/控制)信號進(jìn)行切換，子通道選擇通過命令字控制和指示，無需額外的通道指示信號線。數(shù)據(jù)收發(fā)根據(jù)每次往并行口寫高位控制字節(jié)CMD的值來區(qū)分讀寫數(shù)據(jù)，控制字節(jié)第6位讀寫位，高電平時為寫寄存器，低電平時為讀寄存器；第5、4位為子串口通道號，通過C1、CO的值分別對應(yīng)子串口1～4；第3、2、1、0位為子串口寄存器地址，即A3、A2、A1、A0串口寄存器地址組合。并行8位傳輸協(xié)議如表1、表2所示。

圖4 工控模塊以太網(wǎng)接口電路

圖5 2路CAN總線接口電路

圖6 VK3266擴展串行接口電路

圖7 VK3266寫操作時序

分類控制字節(jié)CMD(A0=0)1個數(shù)據(jù)字節(jié)DB(下行)(A0=1)bit7654321076543210設(shè)置01C1C0A3A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0

表2 并行8位總線傳輸協(xié)議讀寄存器

2.6 模擬處理CPU芯片AT89S52

AT89S52芯片 是美國ATMEL公司研制生產(chǎn)，具有低功耗、高性能，兼容80C51指令和引腳，CMOS 8位單片機，8k字節(jié)的EPROM和256字節(jié)的RAM[8]，1個支持全雙工UART串行通信口。P1.0～P1.7用作控制信號，P1.0與73K222AU-IP芯片中斷信號INTRPT；P1.1、P1.2連接模擬開關(guān)74HC4053，控制選通輸出；P1.3～P1.7控制信號選通、距離模擬、擴展功能；數(shù)據(jù)交換通過RS-232串行接口RXD、TXD與工控模塊數(shù)據(jù)通信。

2.7 MODEM芯片72K222AU模擬通信電路

73K222AU是TDK公司生產(chǎn)的緊湊、高性能MODEM芯片，目前有40引腳DIP和44引腳PLCC兩種封裝，支持Bell 212A/103 、CCITT V.22/V.21、Bell 212A和V.22、Bell 103和V.21標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，具有調(diào)制解調(diào)器的功能，支持語音撥號和應(yīng)答等功能，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議可根據(jù)檢測需要由上位機發(fā)送端口初始化命令，二線模擬通信原理如圖9所示。

二線模擬通信模塊由73K222AU 芯片、HR219307變壓器、接口電路、AT89S52處理芯片組成遠(yuǎn)程傳輸或接收系統(tǒng)，通過16位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用與MODEM芯片相連，利用單片機控制數(shù)據(jù)收發(fā)，再通過變壓器信號放大，實現(xiàn)兩根電話線同步或異步遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，甚至可以達(dá)到數(shù)百公里。73K222AU 中UART控制、MODEM控制，即接收緩沖RBR、發(fā)送緩沖THR、線路控制LCR、MODEM控制MCR、線路狀態(tài)LSR 、分壓鎖存器低位DLL、分壓鎖存器高位DLM、控制CR0、控制CR1等20個寄存器。通過寄存器設(shè)置模擬通信傳輸協(xié)議、主叫和被叫方式，保證通信線路全雙工工作模式。

圖9 73K222AU模擬通信模塊電路

3 軟件設(shè)計思路與實現(xiàn)

3.1 軟件模塊設(shè)計

多功能數(shù)據(jù)采集器軟件設(shè)計采用模塊化架構(gòu)，便于用戶根據(jù)需要設(shè)置采集口通信參數(shù)和組裝通信協(xié)議，軟件設(shè)計分成上位機控制、ARM信號處理板數(shù)據(jù)采集、模擬通信板數(shù)據(jù)采集3部分軟件。上位機軟件集成各數(shù)據(jù)采集端口初始化通信協(xié)議，封裝與被采集設(shè)備相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換協(xié)議，接收并解析工控板各端口采集的數(shù)據(jù)；ARM信號處理板數(shù)據(jù)采集以M9020-N20/M9080-N20工控板和擴展串口構(gòu)成，包含UART串口、VK3266擴展串口、以太網(wǎng)絡(luò)、CAN總線等處理軟件，同時，接收和轉(zhuǎn)發(fā)上位機通道初始化參數(shù)至模擬通信板，接收和轉(zhuǎn)發(fā)來自二線模擬通道采集的數(shù)據(jù)至上位機；模擬通信板數(shù)據(jù)采集以AT89S52為主控CPU，完成基于MODEM模擬信號數(shù)據(jù)采集。軟件程序模塊如圖10所示。

圖10 多功能數(shù)據(jù)采集器軟件模塊

上位機軟件采用Microsoft Visual C++ 6.0軟件開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用Microsoft SQL Server 2008 ；ARM信號處理板數(shù)據(jù)采集軟件采用ARM公司推出的集成開發(fā)工具ADS 1.2；模擬通信板數(shù)據(jù)采集軟件采用keil c51中文版v9.0.0開發(fā)。

3.2 多功能數(shù)據(jù)采集器協(xié)議封裝

3.2.1 采集端口初始化協(xié)議

多功能數(shù)據(jù)采集器端口較多，為更好滿足用戶數(shù)據(jù)采集協(xié)議可定制需要，給每個數(shù)據(jù)采集端口分配1個字節(jié)的地址位，便于數(shù)據(jù)接收和解析；每種類型端口初始化數(shù)據(jù)長度占1個字節(jié)；另外初始化參數(shù)包含報頭、發(fā)送字節(jié)數(shù)、端口參數(shù)配置、校驗碼、報尾。

采集端口初始化協(xié)議格式：報頭(02)+總字節(jié)數(shù)(除報頭、報尾)+端口地址+字節(jié)數(shù)+端口參數(shù)配置+……端口地址+字節(jié)數(shù)+端口參數(shù)配置+校驗碼1+校驗碼2+報尾(03)。參數(shù)設(shè)置端口可以任意選擇，可以一次設(shè)置啟動一個或多個數(shù)據(jù)采集口。

3.2.2 解析被采集設(shè)備數(shù)據(jù)

上位機啟動采集器后，各端口工作一直處于接收狀態(tài)，時間為T0，等待時刻為T1，如果T1-T0≥30 s則未采集到數(shù)據(jù)，連續(xù)3次未收到數(shù)據(jù)，通知用戶數(shù)據(jù)采集失??；否則，收到數(shù)據(jù)顯示在采集串口并保存至數(shù)據(jù)庫，如圖11所示。

多功能數(shù)據(jù)采集器接收數(shù)據(jù)后，打包轉(zhuǎn)發(fā)至上位機，數(shù)據(jù)封裝：報頭(02)+端口地址+字節(jié)數(shù)+采集數(shù)據(jù)+報尾(03)，由ARM信號處理板完成。如果有多個采集口同時采集到數(shù)據(jù)，仍然按以上封裝格式分別發(fā)送至COM1，由上位機按端口解析保存數(shù)據(jù)。

MODEM模擬通信板數(shù)據(jù)采集由二線模擬通道完成，接收到上位機初始化指令后，直接調(diào)用XBYTE寫入每一個寄存器控制字；初始化后二線模擬通信口一直處于接收狀態(tài)，待采集到數(shù)據(jù)后，單片機AT89S52將接收的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至ARM信號處理板COM3或COM4。模擬通信板發(fā)送、接收程序讓如下：

void send_data(unsigned char ch)

{

while((XBYTE[LSR_addr]&0x20) == 0x20)

{ XBYTE[THR_addr] = ch; }

}

unsigned char recieve_data( )

{

unsigned char recieve_ch;

while((XBYTE[LSR_addr]&0x01) == 0x01)

{ recieve_ch = XBYTE[RBR_addr] & 0x0ff; }

return recieve_ch;

}

圖11 上位機數(shù)據(jù)采集流程

3.3 數(shù)據(jù)采集器常用算法封裝

為了滿足數(shù)據(jù)采集功能適應(yīng)多種設(shè)備，集成了常用的通信校驗碼程序，并預(yù)留程序接口以便后期功能擴展，主要集成以下2種常用通信校驗程序：

1) 奇偶校驗算法及程序

奇偶校驗是將給定數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，其二進(jìn)制數(shù)中含1的個數(shù)是奇數(shù)或是偶數(shù)[9]。

int parity_check(unsigned char c)

{

int value=0;

while(c) { value ^=c; //進(jìn)行異或運算

value >>=1; //value右移一位

}

value &=0x1;

return value;

}

2) CRC循環(huán)冗余碼校驗算法

循環(huán)冗余碼校驗( Cyclic Redundancy Check，簡稱CRC)是一類重要的線性分組碼[10]，具有較強的誤碼檢測能力和抗干擾能力，在通信領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其編碼和解碼技術(shù)簡單，計算量較小，適用于檢錯和糾錯。國際上常用CRC有以下幾種多項式[11]:

CRC-8：

(1)

CRC-CCITT：

(2)

CRC-16：

(3)

CRC-12：

(4)

CRC-32：

(5)

CRC校驗基于線性編碼理論實現(xiàn)通信誤碼檢測，發(fā)送端數(shù)據(jù)的信息編碼都遵循這一編碼原則。在發(fā)送端，選定CRC校驗規(guī)則生成傳送信息碼的監(jiān)督碼，并附在傳送信息后邊，組成新的報文打包發(fā)送；在接收端，接收的信息碼(去除CRC碼)按同樣的規(guī)則重新生成CRC碼，新生成的CRC碼與接收到的CRC碼進(jìn)行比較，如果相同則接收數(shù)據(jù)正確，否則錯誤。CRC碼生成規(guī)則有按位計算、按字節(jié)計算、按半字節(jié)計算3種形式，計算方法如下：

(6)

① 按位計算CRC：

(7)

(8)

② 按字節(jié)計算CRC：

(9)

(10)

③ 按半字節(jié)計算CRC：

(11)

(12)

4 實驗驗證

多功能數(shù)據(jù)采集器實驗前，需要針對采集設(shè)備連接好線路，各采集口接線除監(jiān)聽按照電氣接口采用IEEE或ISO國際化標(biāo)準(zhǔn)，COM1參數(shù)設(shè)置固定(波特率：115200，奇偶效驗：無，數(shù)據(jù)位：8，停止位：1)。 COM3、COM4參數(shù)設(shè)置固定(波特率：9600，奇偶效驗：無，數(shù)據(jù)位：8，停止位:1)。如果需要監(jiān)聽檢測設(shè)備串行接口數(shù)據(jù)，接線關(guān)系按照圖2方式連接，確保各設(shè)備接線正確后開啟電源，會聽到多功能數(shù)據(jù)采集器蜂鳴器響聲，運行多功能數(shù)據(jù)采集器程序，采集端口初始化后，啟動采集口30s未收到被采集設(shè)備的數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)欄顯示“檢測失敗”。 PC端采集端口初始化窗口詳見圖12； MODEM模擬通信硬件電路板詳見圖13；二線模擬端接收到數(shù)據(jù)時波形如圖14。

圖12 采集器端口初始化窗口

圖13 MODEM模擬通信板硬件電路板

圖14 二線模擬端口接收到數(shù)據(jù)時的波形

5 結(jié)論

提出了采用集成ARM7芯片的M9080-N20嵌入式工控模塊和AT89S52單片機構(gòu)成多功能數(shù)據(jù)采集器CPU，通過VK3266芯片擴展串行接口，以及MODEM芯片73K222AU調(diào)制解調(diào)器實現(xiàn)模擬通信，集成1個以太網(wǎng)絡(luò)接口，2路CAN總線接口，5路UART標(biāo)準(zhǔn)RS-232、1路TTL、1路RS-485串行接口，2路二線模擬信號數(shù)據(jù)接口；靈活多樣的模塊化程序設(shè)計，滿足用戶對數(shù)據(jù)采集口配置通信模式，通信協(xié)議可根據(jù)設(shè)備需要自由組裝，有效解決數(shù)據(jù)采集設(shè)備接口單一、功能固定、實用性差等缺點，便于應(yīng)對以太網(wǎng)、CAN、串行接口、二線模擬等多種設(shè)備數(shù)據(jù)采集，滿足通信設(shè)備數(shù)據(jù)信息提取、故障診斷，以及遠(yuǎn)距離模擬信號數(shù)據(jù)傳輸、野外數(shù)據(jù)組網(wǎng)和通信需求。

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(責(zé)任編輯 楊繼森)

Research and Practice of Data Collector Device

WANG Jianzhong

(Information Engineering Department, Chongqing Youth Vocational & Technical College, Chongqing 400712, China)

Since currently data collector has some defects, such as interface is single, function is fixed, and practicability is poor, and a new collector is proposed, which is based on ARM built-in industrial control module, and can support Ethernet, CAN bus, UART serial interface, and the data collector having two lines MODEM analog communication. The hardware design uses MODEM chip 73K222AU, HR219307 transformer to realize analog signal long-distance transmission and data acquisition; user-defined protocols and integrated algorithm in software design can expand the function of analog communication based on 73K222AU modulator-demodulator, resolving effectively the problems of multifunctional data collection, transmission, and control with multi-interface. The experimental results indicate that this type of product can implement the data collection and transmission function of Ethernet, CAN, UART and two lines MODEM analog signal. Consequently, it has very strong practical values.

data collection; Ethernet; CAN bus; 73K222AU; second line analog signal

2017-04-20；

2017-05-22 基金項目：重慶市基礎(chǔ)科學(xué)與前沿技術(shù)研究專項(一般項目)“北斗組合導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合方法研究”(cstc2016jcyjA0138)；重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項目“MEMS捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)研究”(KJ1603902)；重慶青年職業(yè)技術(shù)學(xué)院基礎(chǔ)研究項目(重點項目)“多功能數(shù)據(jù)采集平臺建設(shè)研究”(CQY2015Z001)；計算機基礎(chǔ)MOOCs與混合教學(xué)研究項目(CQY2015Y014)

王建中(1979—)，男，碩士研究生，雙碩士學(xué)位，副教授，高級工程師，主要從事計算機信息技術(shù)、慣性導(dǎo)航研究。

10.11809/scbgxb2017.08.026

format:WANG Jianzhong.Research and Practice of Data Collector Device[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(8):117-123.

TP274

A

2096-2304(2017)08-0117-07

本文引用格式：王建中.基于數(shù)據(jù)采集器的研究與實踐[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(8):117-123.