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由于人們對數字形式信息的需求量越來越大，數據采集及其應用技術受到了越來越廣泛的關注和應用。隨著技術的發展，數據采集系統正向著高精度、高速度、穩定可靠和集成化的方向發展。目前，大多數的數據采集監控系統都是獨立的系統，只能進行數據的現場采集或存儲，已不能滿足應用的需要，迫切要求接入網絡實現遠程監控。現代數據采集技術的發展是建立在新型采集系統軟硬件平臺性能提高的基礎之上的。具有強大功能的32位微控制器在一些高端儀器儀表中得到了廣泛的應用，而將GPRS無線傳輸模塊嵌入其中，將采集到的數據以無線的方式接入Internet，實現遠程監控，非常適合工作人員在比較惡劣的環境下或者需要對多種參量進行采集時使用。而高性能微處理器的應用也極大提高了數據采集的精度和速度。
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1 系統整體方案
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整個遠程多路數據采集系統如圖1所示。當無線終端成功連接到互聯網后，采集終端將傳感器采集到的數據經放大濾波后發送到ARM微控制器，經過A/D轉換以及相關處理后，通過RS232口將數據發送到GPRS無線終端，GPRS無線終端又將這些數據打成一個個的IP包，經GPRS空中接口接入無線網絡，并由移動通信服務商轉接到Internet，最終通過各種網關和路由到達統一的遠程數據處理中心，數據中心接收數據并對數據做后續處理。
遠程數據中心也可以發送數據信息（各種命令及診斷信息）到無線數據采集模塊，通過GPRS終端上的RS232接口輸出到ARM微控制器上，采集終端在接收到遠程數據中心的信息后，進行解碼并執行相應的操作，以實現對采集現場的控制。
GPRS無線終端嵌入了TCP/IP協議和UDP協議（用戶可選），本系統采用TCP/IP協議，實際上GPRSDTU上實現的協議棧是TCP/IPOverPPP。
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圖1 GRPS無線數據采集終端
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2 硬件組成
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2.1 傳感器及放大器
理論上，該系統可以同時進行16路數據的采集，但在實際的調試中，只選用了2路來做模擬。
一路選用溫度傳感器，表面/液體熱電偶NR281530，獲取實時現場的溫度，另一路采用壓力傳感器，PPM241BY油井專用型壓力傳感器，此系統在油田油井中具有較好應用。
在前端信號處理單元，由于各種傳感器的輸出參數不同，輸出信號不僅電平低、內阻高，而且有共模電壓以及現場惡劣環境的影響，因此，在選用放大芯片時要綜合考慮以上因素。選取常用的MCP6S2X可編程增益放大器對原始信號進行放大，OP07CP做后續濾波芯片。
2.2 微處理器
微處理器是系統工作的核心，其性能的好壞直接決定了數據采集系統性能的優劣。基于本采集系統對數據實時性和精度的要求，以及易操作性方面的考慮，選擇32位的ARM7系列處理器，它具有以下特點：
·體積小、低功耗、低成本、高性能；
·支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令，能很好兼容8位/16位器件；
·大量使用寄存器，指令執行速度快；
·指令長度固定；
·尋址方式靈活簡單，執行效率高
本系統采用PHILIPS公司的單片32位微控制器LPC2134，它是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI2STMCPU，含有128KB的FLASH，該存儲器用作代碼和數據的存儲。
LPC2134擁有兩個異步串行口UART0和UART1，本系統中將UART0與GPRS終端相連，實現數據傳輸。它采用16字節收發FIFO，內置波特率發生器，包含使能實現軟件控制的機制。
硬件SPI接口是一個同步、全雙工串行接口，最大數據位速率為時鐘速率的1/8，可配置為主機或從機。本系統中SPI接口作為主機，根據不同的中斷，控制多個從機，包括可編程增益放大器MCP6S2X，使用SPI總線訪問SD卡，以及控制開發板上的數碼管顯示。
A/D轉換器是2個8路10位逼近式模/數轉換器，測量范圍是0～313V，10位轉換時間大于或等于2144μS，一個或多個Burst轉換模式。
2.3 GPRS終端
GPRS終端選用的是南京傲屹電子有限公司的AYG285C，它是采用GPRS模塊專為工業集成設計的，在溫度范圍、震動、電磁兼容性和接口多樣性等方面均采用特殊設計，保證了惡劣環境下的工作穩定性，基于GPRS公網的數據傳輸具有通信范圍廣，傳輸穩定可靠等特點。通過按鍵可以進行模塊參數設置或者進行網絡數據通信，串口波特率在300～115200bps可調，校驗位可選：無校驗，奇校驗，偶校驗。支持協議PPP、IP、TCP、UDP、DNS、PING的客戶端功能。另外，電源、工作狀態有LED指示，方便現場查看MODEM運行情況。
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3 系統軟件實現
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當需要進行多任務處理和調度時，一個嵌入式實時操作系統就必不可少。為此系統中采用源碼公開的μC/OS2Ⅱ操作系統，它具有執行效率高、占用空間小、實時性能優良以及可擴展性強等特點，最小內核可編譯至2K字節。
μC/OS2Ⅱ的移植需要滿足以下要求：
·處理器的C編譯器可以產生可重入代碼；
·可以使用C調用進入和退出臨界區代碼；
·處理器必須支持硬件中斷，并且需要一個定時中斷源；
·處理器需要能夠容納一定數據的硬件堆棧；
·處理器需要有能夠在CPU寄存器與內核和堆棧交換數據的指令。
本系統使用的LPC2134ARM7處理器滿足以上所有條件，因此可以對其進行移植。根據μC/OS2Ⅱ的要求，移植μC/OS2Ⅱ到一個LPC2134ARM7體系結構上需要提供2個或3個文件：OSCPU.
H（C語言頭文件）、OS-CPU-C.C（C程序源文件）及OS-CPU-A.ASM（匯編程序源文件）。
數據采集任務中，采用C語言進行編程，但對于系統的初始化，仍然采用匯編來制作啟動代碼，它可以實現向量表定義、堆棧初始化、系統變量的初始化、中斷系統初始化、I/O初始化、外圍初始化、地址映射等操作。
芯片復位后，系統初始化流程如圖2所示。
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圖2 系統初始化流程圖
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3.2 接口程序及SD卡驅動的實現
在實時內核下，接口程序讀取A/D采樣數據的方法通常有三種：程序延時法、ADC轉換完畢時產生中斷法和程序循環等待的方法。其中循環等待的方法CPU開銷小，不需要中斷服務，比較適合嵌入式系統中采用。
循環等待A/D讀取數據的偽代碼如下：
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之間通過串口相連，采集數據先通過開發板串口UART0發送到無線數據終端AYG285C的緩沖區，然后緩沖區將數據打成一個個數據包，通過GPRS網絡發送到遠程數據處理中心。因此，在μC/OS2Ⅱ下LPC2134的UART底層接口驅動顯得尤為重要。
UART0初始化函數片斷如下：
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在本系統中，串口通信采用8位數據位，1位停止位，奇校驗，無流控制。在實際使用中為接收數據穩定波特率設置為9600bps效果較好。在測試系統中，測量到的數據范圍為10-6～101，有效數字為4位，所以在發送數據時采用每幀數據由3個字節組成，第1個字節為數據指數部分，高四位為0，低四位中的第四位表示指數符號，0表示正數，1表示負數；其余三位表示指數的數值部分。
后續兩個字節為數據底數部分，采用壓縮的BCD碼編碼方式，高位在前，低位在后，即一個字節表示兩位十進制數，則兩個字節表示四位十進制數。
LPC2134的UART0使用中斷方式進行通信，這樣不會占用CPU很多時間，效率比較高。當中斷服務處理子程序接收到一次中斷，它僅能知道UART0產生了中斷，還需要查詢中斷標志寄存器U0IIR，依據不同中斷源類型進行不同處理。在處理完當前的中斷源類型之后，不能立即退出服務，而應當繼續判斷U0IIR寄存器最低位是否為0。
如果為0，則表示還有尚未處理的中斷，應該繼續根據U0IIR［3∶0］判斷中斷源類型，進行處理，直到U0IIR的最低位為1，最后發送中斷結束命令結束中斷服務處理程序。
SD卡讀寫軟件移植到ARM7微處理器LPC2134上的結構圖如圖3所示。其中硬件抽象層是讀寫SD卡的硬件條件配置，是與硬件相關的函數；命令層包含SD卡的相關命令以及卡與主機之間數據流的控制，這一層與實時操作系統μC/OS2Ⅱ相關，與硬件無關；應用層是向應用程序提供卡的API函數，這一層由實時操作系統μC/OS2Ⅱ控制。
圖3 SD卡讀寫軟件移植結構圖
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3.3 應用程序實現
系統初始化完成后，創建各個任務，進入多任務調度處理。應用程序框架流程如圖4所示。
本系統的主要任務是完成數據采集。系統在得到遠程數據中心的采集命令后，選擇適當的采集通道，并設置A/D模塊參數。在采集過程中判斷是否要停止，如果停止，任務處于等待掛起狀態。
圖4 應用程序框架流程圖
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4 結語
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本系統采用了ARM+RTOS以及ARM+GPRS的方案，選取適當的器件構成了多路的數據采集系統，具有一定的實用價值。考慮到現場采集到的多是小信號，為了有較好的準確度和精確度，對A/D后的采集數據還要進行分析和調整，然后再發送到數據處理中心。為此，可以進行反復實驗，獲得多組數據，最后通過最小二乘法曲線擬合來提高準確度。另外，隨外界環境的變化，也可以修改擬合曲線以適應具體的應用。隨著3G時代的來臨，大量數據信息的傳輸成為可能，可以考慮采集現場的相關視頻信號。在短消息功能，數據加密技術以及軟件操作和文件管理上還有待進一步開發和優化。
工商網監
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