一種高可靠性數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

胡攀　葛亮　胡澤　謝小輝

摘 要：在工業(yè)、工程、生產(chǎn)車間等部門，尤其是在對信息實時性能要求較高或者惡劣的數(shù)據(jù)采集環(huán)境下，冗余數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有十分重要的作用，它可以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。設計實現(xiàn)了冗余數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計，可以實現(xiàn)在主數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的AD出錯、單片機出錯和掉電等情況下，副數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主動接替主數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作。經(jīng)測試可以應用于在對數(shù)據(jù)采集頻率要求不高的工業(yè)控制中，保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定的運行，具有一定的實用價值。

關鍵字：數(shù)據(jù)采集；冗余；可靠性；備用系統(tǒng)

Research on High Redundancy Data Acquisition System

Abstract：In the industry，engineering，production workshop and other departments，especially in the high requirement of real-time information or bad data acquisition environment，the redundant data acquisition system has a very important role，it can improve the reliability and stability of the system. The design has realized the designment of redundant data acquisition system.The system can achieve the functions as follows：When the fault of AT89S52 and ADC0809 appears and the power of system is cut off，the deputy data acquisition can take over the primary data collection system to work automatically.Under the condition of low frequency of data collection，the design can guarantee completely that the data acquisition can operate continuously and steadily，and it has a certain use value.

Keywords：Data acquisition System；Redundancy；Reliability，Standby system

1 設計的背景和意義

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)控制領域四大參數(shù)的測量，其重要性不言而喻。目前典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有五類：獨立采集系統(tǒng)、總線板數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、遠地采集系統(tǒng)、插入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、并列式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。與此同時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性受到了人們的廣泛重視，我們把這種可靠性稱為系統(tǒng)可靠性。一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運行的時間越長，說明系統(tǒng)的可靠性和維護能力越強，系統(tǒng)的可靠性越高。隨著企業(yè)規(guī)模不斷增大，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)越發(fā)復雜，若可靠性達不到較高的技術(shù)要求，那么數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)出現(xiàn)故障的頻率增加、造成的損失也隨之加大。這些損失可能是信譽上的、經(jīng)濟上的，甚至會造成生命安全或更嚴重的災難性后果。隨著數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)復雜程度的提高，系統(tǒng)的可靠性的提高也就非常迫切和必要。

2 容錯系統(tǒng)

2.1 冗余技術(shù)

冗余技術(shù)也叫儲備技術(shù)，它的基本思想是利用并聯(lián)系統(tǒng)達到提高系統(tǒng)可靠性的目的。常見的冗余技術(shù)有硬件冗余和軟件冗余。

2.2 硬件冗余

硬件冗余是通過增加硬件數(shù)量來掩蓋故障造成的影響，使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在發(fā)生故障時，系統(tǒng)仍能正常工作。硬件冗余一般有三種方法，一是靜態(tài)冗余，二是動態(tài)冗余，三是混合冗余，這三種方法有一個共同的特點，那就是硬件都是并聯(lián)在一起的。

2.3 軟件冗余

軟件冗余的主要目的是為系統(tǒng)提供足夠的冗余信息和算法程序，使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在實際運行時能夠及時發(fā)現(xiàn)程序設計中的錯誤，采取補救措施，以提高軟件的可靠性，保證整個系統(tǒng)正常運行。軟件容錯技術(shù)主要有以下兩種：恢復塊方法和N-版本程序設計。

3 總體系統(tǒng)框架

硬件電路由4個部分組成：A/D轉(zhuǎn)換部分，單片機最小系統(tǒng)，LED顯示部分以及測量電壓輸入電路。硬件電路設計框圖如圖1所示。

①根據(jù)設計要求，選擇AT89S52作為核心控制器件。

②A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0809實現(xiàn)，單片機通過P3口高四位控制AD轉(zhuǎn)換，AD轉(zhuǎn)換結(jié)果送單片機P1口。

③電壓顯示采用4位一體共陰極LED數(shù)碼管，由單片機P0口和P2口低三位控制顯示。

④正常工作時，主單片機P3.3腳輸出一個脈沖信號（方波）給副單片機的P3.2腳，副單片機進行空操作。

⑤出現(xiàn)故障時，主單片機P3.3腳不再輸出脈沖信號，此時副單片機跳出中斷執(zhí)行主程序，即副數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接替主數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作。

4 系統(tǒng)數(shù)學模型與分析

設兩套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的壽命分布均服從失效率為λ的指數(shù)分布，即：F（t）=1-e-λt，系統(tǒng)出現(xiàn)故障后的修理時間也都服從μ的指數(shù)分布，即：M（t）=1-e-μt。

（1）有效度A（t）

用x（t）表示t時刻系統(tǒng)的狀態(tài)，則

整個系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖2所示。

5 .軟件設計

圖3 主系統(tǒng)流程圖

圖4 副系統(tǒng)主流程圖

1初始化中主要對AT89S52，ADC0809的管腳和數(shù)碼管的位選端以及所使用到的內(nèi)存單元30H，31H，32H，35H進行初始化設置

2初始化后，便啟動ADC0809工作，電位器模擬傳感器輸出0～5V直流電壓，送給ADC0809的IN0通道，并進行數(shù)據(jù)采集，D7～D0輸出對應的00000000～11111111二進制數(shù)字量。

3在數(shù)據(jù)處理子程序中，運用標度變換知識，將輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成0.00～5.00的數(shù)據(jù)，輸出到顯示子程序中顯示。

本設計采用冗余系統(tǒng)，上面提到的123點是兩系統(tǒng)軟件設計的共同部分，下面是兩系統(tǒng)不同部分。

對于主系統(tǒng)，若工作正常，則P3.3腳送一個脈沖信號給副系統(tǒng)的單片機的P3.2腳（外部中斷0），副系統(tǒng)便執(zhí)行延時等待；若ADC0809轉(zhuǎn)換出錯，單片機死機或是掉電，主系統(tǒng)便停止工作，副系統(tǒng)接替工作整個主程序就是在A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理及顯示程序循環(huán)執(zhí)行。主副系統(tǒng)的流程圖如圖3和圖4所示。

6 結(jié)論

本設計研究的目的在于設計一種高可靠性的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，雙機容錯是目前提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)之一。本文對容錯系統(tǒng)的設計理論作了總結(jié)，并設計了一種基于雙機熱備份的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，作者在本課題中做了如下一些工作：

（1）總結(jié)了容錯系統(tǒng)的工作模式和設計理論，并提出了3種基于容錯設計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

（2）在開發(fā)過程中有提出當主數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可利用副數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的單片機控制繼電器來斷開主系統(tǒng)的電源。但在測試過后發(fā)現(xiàn)，當主系統(tǒng)修復過后要重新啟動的話，就要必須要斷開副數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電源才行，所以沒有采用這個構(gòu)想。

（3）設計了一個穩(wěn)壓模塊為主副數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)供電，保證主副系統(tǒng)的AD芯片的基準電壓相等。

（4）本設計實現(xiàn)了冗余數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計，在數(shù)據(jù)采集頻率要求不高的情況下，完全可以保障數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定的運行。

總之，提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性涉及方面很多，本設計基于雙機熱備份的的工作原理，在數(shù)據(jù)采集頻率要求不高的情況下，完全可以保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)持續(xù)、穩(wěn)定地運行。

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