通用数据采集、处理及传输集成系统的设计和实现

祁相志

（重庆师范大学，重庆 401331）

通用数据采集、处理及传输集成系统的设计和实现

祁相志

（重庆师范大学，重庆 401331）

随着信息技术与嵌入式技术的发展，嵌入式应用与信息技术的结合越来越紧密。本文就根据这样的指导思想对煤矿现场数据的提取、传输、上位机处理以及存储过程作了描述。

嵌入式；信息技术；数据采集；数据处理；数据传输；数据存储

1 引言

随着信息技术的发展，原来传统单一的技术，如传感技术、单片机处理技术、存储技术、网络传输技术逐渐融合，通过有线/无线网络传输，使得处于不同地点的传感设施获取到的信号、数据在主控端立即得到反映和响应，使得远程交互、控制成为可能。本文以某应用系统实例为原型，介绍通用数据采集、处理及传输集成系统的设计与实现过程。

2 系统框架结构及关键技术

本文介绍的通用数据采集、处理及传输系统的框架结构如图1所示，分为现场数据采集、采集数据的处理以及通过有线/无线网络传输几个部分。

图1 系统框架

2．1 微信号采样和处理

为了满足微信号测量精度需要，在数模转换（ADC）方面，我们设计采用的是Crystal公司的高精度24位串行A／D转换器CS5532。它是高集成度的ΔΣ模／数转换器，由于运用了电荷平衡技术，性能可以达到24位。该系列ADC非常适合测量称重仪表、过程控制、科学和医疗等应用领域的单／双极性的微信号。

芯片内部有一个极低的斩波稳定仪表放大器，其增益可选择为 1X、2X、4X、8X、16X、32X，扩大了信号输入范围，允许微信号的输入，提高系统的动态特性。其在50Hz的共模抑制比典型值可达到120dB，这对从高共模电压中检测出微弱的差分电压信号是十分有利的。内部还有一个4阶的ΔΣ调制器和一个数字滤波器,能提供10种可供选择的输出字速率。ADC内部还有一个与SPI兼容的三线串行接口。另外，利用CS5532内部的校准系统（包括自校准和系统校准），可设置ADC转递函数的零点以及增益斜率，从而消除系统通道的失调和增益误差。

2．2 ARM920T 处理器结构

本系统的处理单元选用ARM系列微处理芯片。采用ARM920T，它是ARM系列微处理器的一种，它采用5阶段管道化ARM9TDMI内核，同时配备了Thumb扩展、EmbeddedICE调试技术和Harvard总线。

文章以Samsung公司推出的ARM920T16/32位RISC处理器S3C2410为例,为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。为了降低整个系统的成本,S3C2410提供了以下丰富的内部设备:分开的16KB的指令Cache和16KB数据Cache,MMU虚拟存储器管理,LCD控制器(支持STN&TFT),支持NAND Flash系统引导,系统管理器(片选逻辑和SDRAM控制器),3通道UART,4通道DMA,4通道PWM定时器,I/O端口,RTC,8通道10位ADC和触摸屏接口,IIC-BUS接口,IIC-BUS接口,USB主机,USB设备,SD主卡&MMC卡接口,2通道的SPI以及内部PLL时钟倍频器。

图2 S3C2410与硬盘接口电路示意图

2．3 IDE本地存储设计

通常，处理单元处理的数据需要保存在本地，本系统设计采用硬盘作为大容量存储。S3C2410接口与硬盘之间电路分为3个部分：片选信号、数据信号和控制信号。硬盘上寄存器分为两组，分别由IDE_CS0和IDE_CS1选中，DA0～DA2则用于组内寄存器寻址；数据线DD0～DD15因存在输入/输出方向问题，故用nOE(读信号)接buffer(74LVTH162245)的DIR引脚来控制缓冲器方向；控制信号部分因该CPU与硬盘之间DMA时序不一致，故采用一块EPM7032AETC44-7芯片用于调整其时序。PIO模式下，不需要DMARQ和nDMACK信号。

2．4 通讯系统设计

在通讯系统设计部分，通常有两种方式：1、有线通讯：主要是 RS-232/485、LAN、WAN；2、无线通讯：主要是无线数传模块通讯、无线GPRS。

有线通讯主要是232/485与LAN。

RS-232接口又称为RS-232口、串口、异步口或一个COM(通信)口。RS-232接口是 DTE(数据终端设备)和 DCE(数据通信设备)之间的一个接口，DTE包括计算机、终端、串口打印机等设备。RS-485/422采用平衡发送和差分接收方式实现通信：发送端将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A,B两路输出，经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。RS-232/485受传输距离的限制，不能进行远距离的数据传输。

LAN是传统的以太网通讯方式，主要是基于TCP／IP与UDP协议的有线通讯方式。其主要特点是受传输距离的限制，投入成本相对比较高。

无线通讯主要是无线数传模块通讯与无线GPRS。

无线数传模块作为一种通信设备，应用在某些不适合铺设电缆、通信数据量不大的场合。它一般采用数字信号处理、纠错编码、软件无线电、数字调制解调和表面贴面一体设计等技术。由于无线数传模块的无线通信是将信息转换成电波传播实现，相对来说，这样的无线方式很容易因电波在空气中传播受影响而造成系统可靠性降低。

GPRS(General Packet Radio Service)是通用分组无线业务的简称,是在GSM基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式。与原有的GSM比较,GPRS在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势:通过多个GSM时隙的复用,支持的数据传输速率更高,理论峰值达115kb/s;不同的网络用户共享同一组GPRS信道,但只有当某一个用户需要发送或接收数据时才会占用信道资源,这样,通过多用户的业务复用,更有效地利用无线网络信道资源,很好地适应数据业务的突发性特点,特别适合突发性、频繁的小流量数据传输;另外,GPRS还能在支持数据传输的同时进行语言通话等等。相对于短消息等其它无线数据通信业务,GPRS具有实时在线、按流量收费、高速传输、快速登录等优点。因此,使用GPRS实现远程传输数据是非常经济实用的,特别适用于不易架设有线网络的边远地区。

2．5 主控机的设计

主控机由现场数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元、数据本地存储单元组成。数据采集单元是对现场的微信号进行采样，主要通过AD采样的方式来完成。数据处理单元对数据采集单元的数据进行处理，包括数据流附加信息的整合、数据转换。数据传输单元实现主控机与上位机的连接并完成主控机处理后的数据传输。数据本地存储是对采集加工的数据在主控机上加以存储以便日后校验。

2．6 综合服务器的设计

综合服务器主要实现对现场传输的数据进行整理、入库、查询。主要考虑到现场传输过来的数据是没有经过拆分的，这些数据中可能是重量信息，或是故障信息、操作日志信息。将以上分析的数据存入sql sever数据库，以便日后统计和查询。查询是指可以对某个时间段的数据（重量、故障、日志）进行查询，提供的查询方式主要web查询。以上的设计要求赋予综合服务器专门的数据库服务器、管理服务器、煤矿产量网站等这系列功能。

3 具体应用

我们将通用数据采集、处理及传输集成框架用于煤矿现场出煤产量监控系统，其要求为：在煤矿运煤轨道上安装重量传感器，能精确称量每次的煤炭产量。监控中心可以通过中心服务器对每个煤矿产量数据进行监控，每日、每月、每年的产量数据以动态自动累计模式进行核算，并汇集成报表格式。采集到的产量数据可以选择通过GPRS无线传输的方式传送给远程监控中心的数据库服务器，同时备份在CF卡中。由于煤矿环境恶劣，采集点分散，对监控系统的稳定性、功耗和成本都有严格要求。（如图3所示）

图3 系统的实验场景

3．1 现场数据采集

系统进入检测状态之前，必须先进行初始化。这些初始化包括：ARM资源的初始化和CS5532转换器的初始化，初始化过程可根据CS5532操作手册来进行。CS5532的系统初始化分为 SYNC0和 SYNC1两条 命令，SYNC0命令向CS5532写0xFE，而SYNC1向CS5532写15个字节的OxFF，在本方案中，这两条命令在 SYNC函数中统一完成，调用SYNC函数的过程很简单，只需要给SYNC函数中的形参赋值为127。

初始化 CS5532寄存器的目的是向 CS5532写入需要配置的指令，由于 CS5532的相关寄存器是32位的，所以需分四个字节写入。配置这些寄存器的目的主要为了决定放大倍数，选择采样通道及转换模式，转换速度等。

采样函数的本质其实就是 MCU对 CS5532的采样数据寄存器进行读操作的过程，CS5532的采样数据寄存器是32位的，其中采样数据占24位，其他8位用于表示极性，采样数据溢出等标志位。

3．2 数据传输

由于GPRS通信是基于IP地址的数据分组通信网络，监测中心计算机主机配置固定的IP地址，各个数据采集点采用GPRS模块(设备)和该主机进行通信。它的通讯过程非常简单，就像计算机局域网内计算机通过TCP/IP SOCK通讯一样。

煤矿各矿井通过数据采集模块自动采集重量信息,通过RS232接口与 GPRS透明数据传输终端相连，通过GPRS透明数据传输终端内置嵌入式处理器对数据进行处理、协议封装后发送到GSM网络，由GPRS网关(GGSN gateway GPRS support)node通过GPRS无线数据网络进行传输,最终传送到监控中心IP地址。

在这种通讯方式中,监控服务器申请配置固定IP地址，采用 DDN专线或 ADSL与GPRS网络相连。监控中心服务器接收到GPRS网络传来的数据后先进行认证,然后传送到监控中心计算机主机，通过系统软件对数据进行还原显示，并进行数据处理。

3．3 综合服务器

现场控制器发送出来的数据是一组13位的数据流，依次是年、月、日、时、分、秒、矿代、错代、方向、速度、重量，速度和重量各占两位，其在数据库中对应的结构如图所示。现场控制器在发送13位数据流是在其前段加了两个*号，作为一组数据流的开始标志，这样综合服务器就可以根据此条件判断数据的完整性。综合服务器具体处理过程如图4所示。

端口收到的信号处理:

结合asp.net技术在该综合服务器上架设一个web服务，就可以实现对整个矿区的数据查询、数据核算、日志查询等。应用asp.net技术可以提高程序的执行效率和安全性。

4 结语

本文就煤矿称重远程数据采集作了描述，在此基础上，下一步还可结合视频监控方面作进一步的研究。从而提高数据传输的效率。

同时也是需要远程控制主要在原局部系统下，解决通讯的问题（广域、无线）….

[1]吴房胜，欧阳名三，朱敏静.基于CS5532的高精度拉压力试验机设计[J].煤矿机械,2009(4).

[2]陈伟,曾荣登.基于CS5532的高精度自动称重系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2008(10).

[3]陈昌,王忠福.高精度称重变送器设计[J].中国仪器仪表,2005(5).

[4]朴兴哲,李英顺,蔡林等.基于GPRS网络的远程供暖数据监控系统[J].沈阳工业大学学报，2009(3).

[5]龚和平,罗桂娥,马俊杰.远程测斜监控系统的开发和研究[J].微计算机信息,2009(16).

[6]蒙韩军.测长、称重测量控制系统的设计与应用[J].自动化与仪器仪表,2009(4).

General Data Acquisition,Processing and Transmission Integrated System Design and Implementation

QI Xiangzhi
（Chongqing Normal University， Chongqing 401331,China）

As information technology and embedded technology,embedded applications and the integration of information technology are increasingly interlinked.In this paper,according to this guiding ideology of the mine site data extraction,transmission,host computer processing,and stored procedures were described.

embedded；information technology； data acquisition； data processing；data transmission； data storage

TP39

A

1674－5787（2010）01－0082－04

2009-12-02

祁相志（1982—），男，江苏人，重庆师范大学，助理实验师，主要研究方向：计算机。

责任编辑 王荣辉