數(shù)據(jù)采集和智能數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

史策

（陜西學(xué)前師范學(xué)院陜西西安710100）

在現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的自動(dòng)化水平不斷提高的過程中，系統(tǒng)規(guī)模及復(fù)雜性也在不斷的增加，尤其是在系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大的過程中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)較多，并且分布零散，實(shí)時(shí)檢測(cè)是需要解決的問題。在傳統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸是利用有線方式實(shí)現(xiàn)。此種有線傳輸成本較高，并且維護(hù)較難，擴(kuò)展不方便，在測(cè)控對(duì)象分散或者在實(shí)際環(huán)境中無法實(shí)現(xiàn)布線的時(shí)候，有線傳輸并不能夠滿足需求，所以就要實(shí)現(xiàn)無線好傳輸。一般使用分組無線業(yè)務(wù)技術(shù)，其已經(jīng)成為數(shù)據(jù)無線傳輸中的基礎(chǔ)。此種技術(shù)具有便捷的性能，并且價(jià)格成本較低，備受客戶重視，并且也為遠(yuǎn)程監(jiān)控提供全新的技術(shù)手段?；诖?，本文就分析基于無線的數(shù)據(jù)采集及智能數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)分析

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)指的是通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，利用多路數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)及處理，對(duì)過程進(jìn)行記錄，并且將有用的信息進(jìn)行分析和計(jì)算，利用記錄、展現(xiàn)供企業(yè)使用。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括模擬信號(hào)調(diào)理、傳感器、微機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集電路等部分[1]。數(shù)據(jù)輸入通道主要目的就是在工作過程中對(duì)被檢對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集和信息轉(zhuǎn)換。存儲(chǔ)及管理功能利用存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)，將采集數(shù)據(jù)到相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)管理，并且在使用時(shí)候進(jìn)行調(diào)用。數(shù)據(jù)處理屬于數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)中的主要內(nèi)容，采集的原始數(shù)據(jù)具有大量干擾因素及不相關(guān)信息，數(shù)據(jù)處理會(huì)刪除此無關(guān)的信息，利用數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)分析計(jì)算，將能夠反映被檢對(duì)象的有用信息進(jìn)行提取。數(shù)據(jù)處理還能夠?qū)λ鸭瘮?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，從而為用戶檢索提供方便[2]。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要目的就是使傳感器收集數(shù)據(jù)及信號(hào)轉(zhuǎn)變成為數(shù)字信號(hào)，將數(shù)字信號(hào)到計(jì)算機(jī)中發(fā)送，然后實(shí)現(xiàn)分析、計(jì)算機(jī)處理，之后顯示數(shù)據(jù)，以此對(duì)生產(chǎn)過程中的物理量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

數(shù)據(jù)處理指的是利用相關(guān)計(jì)算機(jī)技術(shù)及設(shè)備，將采集數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)加工處理的整個(gè)過程。數(shù)據(jù)處理的主要作用就是將沒有規(guī)律的數(shù)據(jù)抽取對(duì)人們具有價(jià)值的數(shù)據(jù)。能夠通過人工處理，也能夠利用自動(dòng)化裝備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理[13]。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

使用遠(yuǎn)程智能控制的方式進(jìn)行多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、處理及管理，利用多級(jí)計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)此功能。圖1為數(shù)據(jù)采集及處理的系統(tǒng)框圖，通過圖1可以看出來，在此系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集裝置使傳感器所獲得的信號(hào)轉(zhuǎn)變成為數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)預(yù)處理[4]。首先，將每個(gè)數(shù)據(jù)采集裝置中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，之后將相應(yīng)的信息及命令對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)收集裝置進(jìn)行傳輸；其次，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的加工處理，生成相應(yīng)文件；再次，使處理信息對(duì)工作站傳送，工作站實(shí)現(xiàn)處理信息的管理，從而產(chǎn)生輸出報(bào)表，為相關(guān)部門及人員提供生產(chǎn)信息及工作狀態(tài)信息；最后，使工作站能夠連接計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，從而形成生產(chǎn)管理的一體化[5]。

圖1 數(shù)據(jù)采集及處理的系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

此系統(tǒng)是使短信息業(yè)務(wù)和自動(dòng)化控制技術(shù)、通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)相互結(jié)合所開發(fā)的。在此系統(tǒng)中，上位機(jī)主要是通過PC機(jī)及GPRS構(gòu)成。PC機(jī)利用串口和GPRS相互連接，通過AT指令對(duì)GPRS進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及信息的傳輸[6]。下位機(jī)通過AT58單片機(jī)、GPRS構(gòu)成系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)通訊平臺(tái)，利用無線移動(dòng)通信網(wǎng)短信息與上位機(jī)數(shù)據(jù)及信息進(jìn)行相互的交換，并且利用單總線技術(shù)及單總線數(shù)字溫度傳感器創(chuàng)建星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)[7]。圖2為數(shù)據(jù)采集及智能數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。

圖2 數(shù)據(jù)采集及智能數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

另外，下位機(jī)還能夠利用主從分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其主要包括計(jì)算機(jī)主機(jī)及單片機(jī)，單片機(jī)為從機(jī)，主機(jī)與從機(jī)之間利用RS485實(shí)現(xiàn)通信。通信電纜利用二芯雙絞線，主機(jī)與從機(jī)的相互通信方式利用主從方式實(shí)現(xiàn)，主機(jī)對(duì)總線進(jìn)行控制，從機(jī)具有唯一地址，主機(jī)與從機(jī)之間能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的相互傳遞[8]。圖3為下位機(jī)的結(jié)構(gòu)。

圖3 下位機(jī)的結(jié)構(gòu)

在此系統(tǒng)，利用GPRS實(shí)施數(shù)據(jù)的無線傳輸，主要包括天線、電源線、主機(jī)及串口通訊電纜。利用串口編程，其能夠?qū)崿F(xiàn)的功能為：無線Modem、無線傳真、語(yǔ)音通訊、短信息服務(wù)。其開機(jī)的初始化過程和普通的手機(jī)相同，在對(duì)SIM卡自檢之后對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行搜索，假如出現(xiàn)空余頻帶，那么就要進(jìn)入到待機(jī)狀態(tài)中[9]。圖4為GPRS的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，GPRS中具有3個(gè)接口，分別為天線、電源及DB接口，在連接電源之后，GPRS都是在工作狀態(tài)。在電源電壓持續(xù)在32V以上的時(shí)候，斷開熔斷器就能夠?qū)崿F(xiàn)GPRS自保護(hù)[10]。在出現(xiàn)瞬間電壓尖峰的時(shí)候，通過GPRS內(nèi)部進(jìn)行過電壓保護(hù)。語(yǔ)音接口實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通訊及數(shù)據(jù)傳輸。串口能夠?qū)崿F(xiàn)燈指令的接受，并且發(fā)送AT指令執(zhí)行結(jié)果。

4 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

軟件部分要和硬件相互配合，從而能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能操作，比如數(shù)據(jù)文件管理、數(shù)據(jù)采集處理及人機(jī)交互等。要想實(shí)現(xiàn)此功能，要編制模塊驅(qū)動(dòng)程序、移植操作系統(tǒng)、創(chuàng)建文件系統(tǒng)及編制人機(jī)交互程序[11]。圖5為系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

圖4 GPRS的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

4.1 創(chuàng)建文件系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)程序

模塊驅(qū)動(dòng)程序主要包括閃存芯片、MAX、時(shí)鐘芯片及LCD的驅(qū)動(dòng)程序。圖6為驅(qū)動(dòng)程序的工作流程。

圖6 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序的工作流程

其中人機(jī)交互程序?qū)儆阪I盤初始化及讀操作，此程序能夠有效實(shí)現(xiàn)用戶按鍵鍵值的正確檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)相關(guān)操作。要全面考慮本文使用芯片所能夠接受的擦除次數(shù)，避免器件在使用過程中出現(xiàn)損壞，系統(tǒng)為閃存芯片創(chuàng)建文件系統(tǒng)，此文件系統(tǒng)占用的資源較少，能夠?qū)崿F(xiàn)擦除均衡，并且還能夠使閃存芯片數(shù)據(jù)方便操作及管理[12]。圖7為人機(jī)交互程序的工作流程。

圖7 人機(jī)交互程序的工作流程

4.2 系統(tǒng)應(yīng)用程序及編譯下載

應(yīng)用程序能夠自動(dòng)切換系統(tǒng)的工作狀態(tài)，此應(yīng)用程序主要包括現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理、啟動(dòng)系統(tǒng)管理、異常數(shù)據(jù)報(bào)警、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示等。應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)作為平臺(tái)，在WinAVR編譯環(huán)境實(shí)現(xiàn)編輯、寫入及鏈接。在成功鏈接之后，根據(jù)下載軟件和ISP總線接口能夠使程序文件到芯片存儲(chǔ)區(qū)中下載。核心處理器在上電及復(fù)位之后，就能夠?qū)⒆詣?dòng)運(yùn)行程序到存儲(chǔ)區(qū)中存儲(chǔ)[13]。圖8為系統(tǒng)應(yīng)用程序和編譯下載。

圖8 系統(tǒng)應(yīng)用程序和編譯下載

5 系統(tǒng)的工作流程

在系統(tǒng)上電或者復(fù)位之后，系統(tǒng)首先就會(huì)自檢，自檢以后加載操作性通及文件系統(tǒng)，之后實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的運(yùn)行。在運(yùn)行應(yīng)用程序的過程中主要包括3個(gè)過程，分別為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、創(chuàng)建通信鏈路及對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作[14]。圖9為數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的3個(gè)階段。

圖9 數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的3個(gè)階段

5.1 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集過程屬于系統(tǒng)應(yīng)用程序執(zhí)行過程中尤為重要的環(huán)節(jié)，還是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的重點(diǎn)。首先系統(tǒng)傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，之后ADC對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成之后到系統(tǒng)閃存芯片中存儲(chǔ)。將數(shù)據(jù)到閃存芯片寫入之前，要將文件系統(tǒng)中的表進(jìn)行讀取，之后對(duì)全新文件位置進(jìn)行定位。此過程完成之后對(duì)表進(jìn)行刷新，那么此表中就會(huì)包括全新文件結(jié)束及開始的地址[15]。圖10為系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集處理的工作流程。

圖10 系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集處理的工作流程

5.2 創(chuàng)建鏈路

系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行能夠和另外設(shè)備創(chuàng)建虛擬串口連接，此協(xié)議對(duì)兩個(gè)設(shè)備進(jìn)行定義，分別為從設(shè)備及主設(shè)備。在本文設(shè)計(jì)過程中，系統(tǒng)的無線設(shè)備作為主設(shè)備，用戶的無線設(shè)備屬于從設(shè)備。以此表示，本文所研究的通信鏈路就是虛擬的串口連接。圖11為無線設(shè)備鏈路創(chuàng)建的流程。

圖11 無線設(shè)備鏈路創(chuàng)建的流程

5.3 用戶數(shù)據(jù)文件的操作

通過認(rèn)證的用戶能夠利用藍(lán)牙通信鏈路對(duì)系統(tǒng)閃存芯片數(shù)據(jù)文件進(jìn)行訪問，對(duì)其進(jìn)行讀取、復(fù)制及刪除等操作。此過程的思想為：在創(chuàng)建通信鏈路之后，系統(tǒng)程序等待用戶將操作指令進(jìn)行輸入。之后系統(tǒng)接收到指令之后就能夠?qū)ο鄳?yīng)操作進(jìn)行執(zhí)行，此通信鏈路最高速率能夠滿足設(shè)計(jì)需求[16]。

6 結(jié)束語(yǔ)

在現(xiàn)代各種計(jì)算機(jī)技術(shù)及通信技術(shù)不斷發(fā)展的過程中[17]，數(shù)據(jù)收集處理系統(tǒng)也被廣泛應(yīng)用，其不僅能夠使生產(chǎn)效率得到有效的而提高，并且還能夠使成本得到降低。所以，就要對(duì)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的研究進(jìn)行重視[18]，使系統(tǒng)性價(jià)比得到提高，以此為社會(huì)及企業(yè)帶來更多的效益。