CN101079075A - 一种便携式串行数据记录仪及实现方法 - Google Patents
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Abstract
一种便携式串行数据记录仪，适用于工业现场、交通线路现场、地理勘探现场设备的数据采集和记录。它包括RS232、RS422串行口接收模块，用于采集现场设备RS232接口、RS422接口的数据；包括Secure Digital存储卡里，用于存储接收到的数据；包括一个FAT16/32文件系统，用于将数据以文件格式记录在Secure Digital存储卡里；包括USB通信模块，用于将数据通过USB协议上传计算机；包括一个电源和Li－ion电池模块，用于提供工作所需的电能。这种数据记录仪用于记录现场设备上的串行数据，上传数据到计算机用于数据分析，从而在非现场环境下实现现场数据的分析和处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种便携式串行数据记录仪及实现方法，属于用于工业领域、交通领域、地理测绘领域现场电子设备生成数据的采集和存储的技术领域。
背景技术
工业领域、交通领域、地理测绘领域中，计算机技术和电子技术的应用越来越广泛，现场设备有大量的数据需要处理，如工业控制设备的运行数据和诊断数据，交通流采集器数据，铁路车站设备连锁状态数据和区间控制设备工作数据，测绘区域GPS检测数据等。这些设备很多没有接入网络，控制中心或者实验室如果需要得到这些设备工作数据，需要派人前往现场进行采集。
一般来说，现场数据采集工作包括数据接收、数据存储、数据的传输。所谓数据接收，就是通过一定的接口或者通信协议从现场设备得到数据；数据存储，就是接收数据临时存储的记录介质以及记录方式；数据传输，就是数据从临时的记录介质中传输到最终数据用户用于处理的记录介质中所采用的传输接口或者传输协议。
现有现场数据采集和记录方案层出不穷，有磁介质模拟记录、计算机采集卡记录、网络远程采集等。磁介质模拟采集是利用磁带等磁介质记录模拟信息，技术相对落后；计算机采集卡记录是在通用计算机上插入专用采集卡进行记录，它成本较高而且携带不方便；网络远程采集是利用网络将数据发送到数据终端直接记录，它比较依赖网络，在没有网络或者不适合使用网络的环境下无法实现。
现场环境恶劣，设备分散，地域广泛；采集设备复杂难以携带，增大了现场人员劳动量；采集设备操作复杂，价格昂贵，存在风险，按点依次采集时，需人值守，效率低下。本设计针对现场数据采集和记录，提出一种便携式串行数据采集记录仪以及记录方法。
发明内容
本发明解决的问题是：环境恶劣、设备点多分散等现场情况下，对工业现场、交通线路现场、地理勘探现场设备的工作数据进行采集和记录。本发明操作简单、便于携带、无需职守，可以稳定、高效的完成数据采集任务，降低劳动强度和人力成本。在采集目标多、分布广的情况下，适合批量放置，批量收回的流程，提高了采集效率，
本发明是这样实现的：一种便携式串行数据采集记录仪，包括串行通信模块、嵌入式处理器、Secure Digital存储模块、USB通信模块、电源模块，串行通信模块从现场设备的RS232口或者RS422口接收数据，处理器进行数据处理和数据转换；Secure Digital存储模块进行数据的存储和记录，USB通信模块和计算机进行数据通信，上传采集的数据。
嵌入式处理器：基于ARM架构的32位处理器，控制其它模块，完成数据处理和数据转换；
串行通信模块：用于接收RS232和RS422串行数据；
Secure Digital存储模块：为符合Secure Digital卡规范的存储卡，以文件方式完成数据存储；
USB通信模块：提供了记录仪与计算机的数据通信连接，通过它向计算机上传记录的数据文件；还可以通过USB端口进行电池充电；
电源模块和Li-ion电池：为记录仪提供电能。
一种便携式串行数据记录仪实现方法，
有通过RS232、RS422串口记录采集设备数据的步骤；
有通过Secure Digital存储卡存储数据的步骤；
有通过FAT16/32文件形式将数据记录在Secure Digital存储卡里的步骤；
有通过USB协议向计算机上传记录数据的步骤。
外部电源或者自身电池提供工作电能。
一种便携式串行数据记录仪实现方法，在现场环境下，通过连接便携式串行数据采集记录仪的RS232、RS422串口和现场设备的串口实现现场设备数据的采集；通过Secure Digital存储卡以文件形式记录数据；在非现场环境下，通过USB协议将数据上传计算机实现现场数据的处理。
1)本发明具有以下的优点：
2)通过RS232、RS422串行口采集数据，广泛适用于现场设备。
3)采用Secure Digital卡作为插入式存储介质，记录满后可以随时更换，支持即插即用；读写速率高，最大容量可以达到2G字节；体积小而且符合工业现场的要求，保证了数据的安全完整性。
4)采集的数据以FAT16/32文件方式记录在SD卡里，数据提取方便。计算机既可以通过即插即用的USB通信端口直接读取记录文件，也可以从Secure Digital卡直接读取记录文件。
5)在没有外部电源下也能够利用自带电池工作，适应现场多变的环境。
6)一种新型的串行数据记录方式，操作简单，便携易用。开启后定时采集，定时关闭，记录中间无需人员值守。
7)在采集目标多、分布广的情况下，适合批量放置，批量收回的流程，提高了采集效率，也可以作为随身备用的记录仪器。
附图说明
图1是便携式串行数据记录仪结构框图，包括嵌入式处理器、串行接收模块、SD卡存储模块、电源模块等必要的功能模块；
图2是便携式串行数据记录仪工作主流程图；
图3是串口采集流程图；
图4是串口采集中断流程图；
图5是SD卡数据存储流程图；
图6是数据文件记录流程图；
图7是USB通信与数据上传流程图。
具体实施方式
实施例1：下面结合附图对本发明的实施作如下描述：
在图1中，记录仪在结构上主要包括下列部件：
串行接收模块：用于接收RS232和RS422串行数据；
USB通信模块：提供了记录仪与计算机的数据通信连接，通过它向计算机上传记录的数据文件；还可以通过USB端口进行电池充电；
图1为记录仪结构框图，嵌入式处理器的一个实例是AT91Sam7S64，它是基于ARM架构的32位处理器，控制其它模块，完成数据处理和数据转换功能；嵌入式处理器通过符合SPI协议的SPI总线和Secure Digital存储模块连接，SecureDigital存储模块为符合Secure Digital卡规范的存储卡，以文件方式完成数据存储功能；嵌入式处理器通过符合USB协议的USB总线和USB通信模块连接，USB通信模块提供了记录仪与计算机的数据通信连接，通过它向计算机上传记录的数据文件；嵌入式处理器通过2个通用串行同步异步通信通道和串行接收模块连接，串行接收模块用于接收RS232和RS422串行数据；嵌入式处理器通过可编程输入输出信号和输入输出模块连接，输入输出模块用于显示记录仪的工作状态和输入工作参数；电源和Li-ion电池模块为记录仪提供电能。
图2为记录仪工作流程图。记录仪开启上电后，首先初始化处理器，如初始化处理器工作频率48MHz，初始化处理器寄存器，初始化中断向量，初始化任务堆栈等；然后初始化指示灯输出口，指示系统工作状态；初始化按键输入口，读取按键状态；初始化外围接口，如初始化处理器和SD卡的SPI总线接口，初始化处理器和USB通信模块的总线接口等；接着建立3个任务：A：SD卡存储数据任务，B：串口采集数据任务，C：USB通信任务，三个任务的步骤在图3、图4、图5、图6、图7中有详细叙述。最后开始任务，所有任务就绪，等待调度运行。
图3和图4为串口采集流程图和串口采集中断流程图，叙述通过RS232、RS422串口记录采集设备数据的步骤，首先从任务B入口测试串口状态，如果测试失败发出串口测试错误信息；然后提取串口参数，这些参数由使用者设定，包括波特率、起始位、停止位等；检查参数中的波特率，如果波特率已经设定直接加载串口参数；如果波特率没有设定，则进行自动波特率监测；如果自动波特率监测失败，发出串口参数检测错误指示，如果自动波特率监测成功，加载串口参数；接着初始化双缓存算法，即初始化2个512字节缓存，分别为缓存A和缓存B，数据先存入缓存A，当A满后再存入缓存B；设置直接存储访问(DMA)和对应的中断；开启串行通道，开始记录。
图3所示步骤完成后，串口接收的数据自动存入缓存A，当缓存A存满512个字节后，数据继续存入缓存B同时产生串口DMA中断。通过串口DMA中断入口进入图4中的中断处理操作；首先指示灯指示进入中断处理；然后发出数据缓存A满指示，通知SD卡存储数据任务可以进行数据存储操作；交替数据缓存A和B的地址，A表示以前B的地址，B表示以前的A的地址；指示灯指示退出中断后，从串口DMA中断出口退出。
图5为SD卡数据存储流程图，叙述通过Secure Digital存储卡存储数据的步骤。首先从任务A入口进入SD卡数据存储流程，检测SD卡插槽，如果没有SD卡，发出SD卡没有就绪指示；如果SD卡已经就绪，初始化SD卡，包括SPI接口初始化和SD卡工作初始化；然后对SD卡进行测试，包括生产厂商、容量、生产时间、版本、产品序列号等基本信息的读取，包括对SD卡数据区的读写测试；如果测试失败，发出SD卡测试失败指示；如果测试成功，则检查数据采集结果，判断数据缓存是否满；如果收到串口采集DMA中断发出的数据缓存满指示，则寻找数据缓存地址，如果没有得到指示则挂起，继续等待；找到数据缓存地址后，把地址起始的512个字节写入SD卡中的文件中，文件操作在图6中有详细叙述；所有操作完成后，关闭SD卡。
图6为数据文件记录流程图，叙述通过FAT16/32文件形式将数据记录在Secure Digital存储卡里的步骤。首先从D进入数据文件记录流程，读取引导区信息，根据引导区的BPB表寻找FAT表；读取FAT表，通过FAT表上的信息寻找SD卡上空白的数据区；更新FAT表，将缓存中记录的数据写入空白数据区；最后读取根目录区数据，判断记录数据的文件是否已经建立；如果没有发现已经建立的文件，则新建一个的记录文件；如果记录文件已经存在，则更新文件的信息，如文件大小、记录时间等。
图7是USB通信与数据上传流程图，叙述通过USB协议向计算机上传记录数据的步骤。从任务C入口进入USB通信流程，首先初始化SD卡，包括SPI接口初始化和SD卡工作初始化；然后初始化Mass Storage设备和协议；初始化USB设备端口以及中断，等待计算机的USB主控制器与设备进行数据交换；当USB设备插入计算机之后，产生中断信号，系统通过响应中断服务子程序来设置不同的标志位；循环执行的事件处理模块，判断当前事件是否是USB特殊事件，如果是，清理标志位，处理USB插、拔事件等；如果否，判断是否是接收事件，如果是，清相应标志位，接收数据；如果否，判断是否是发送事件，如果是，清相应标志位，发送数据；如果否，不进行任何操作，进入循环检查。USB通信模块与计算机完成设备的枚举、配置等操作后，计算机将SD卡识别为Mass Storage，并且将SD卡映射为一个磁盘，允许在USB协议和Mass Storage协议上进行数据交换。操作人员可以在计算机上找到SD卡对应的Mass Storage设备和磁盘，通过复制、粘贴、剪切等磁盘操作进行数据记录文件的操作。
Claims (9)
1.一种便携式串行数据采集记录仪，其特征是：包括串行通信模块、嵌入式处理器、Secure Digital存储模块、USB通信模块、电源模块，
嵌入式处理器：基于ARM架构的32位处理器，控制其它模块，完成数据处理和数据转换；
串行通信模块：用于接收RS232和RS422串行数据；
Secure Digital存储模块：为符合Secure Digital卡规范的存储卡，以文件方式完成数据存储；
USB通信模块：提供了记录仪与计算机的数据通信连接，通过它向计算机上传记录的数据文件；还可以通过USB端口进行电池充电；
电源模块和Li-ion电池：为记录仪提供电能。
2.根据权利要求1所述的一种便携式串行数据采集记录仪，其特征是：嵌入式处理器为32位处理器，嵌入式处理器通过SPI总线和Secure Digital存储模块连接，嵌入式处理器通过USB总线和USB通信模块连接，USB通信模块提供了记录仪与计算机的数据通信连接，通过它向计算机上传记录的数据文件；嵌入式处理器通过2个通用串行同步异步通信通道和串行接收模块连接，嵌入式处理器通过可编程输入输出信号和输入输出模块连接。
3.一种便携式串行数据记录仪实现方法，其特征是：有通过RS232、RS422串口记录采集设备数据的步骤；
有通过Secure Digital存储卡存储数据的步骤；
有通过FAT16/32文件系统形式将数据记录在Secure Digital存储卡里的步骤；
有通过USB协议向计算机上传记录数据的步骤。
4.根据权利要求3所述的一种便携式串行数据记录仪实现方法，其特征是：有初始化处理器，建立3个任务：A：SD卡存储数据任务，B：串口采集数据任务，C：USB通信任务的步骤。
5.根据权利要求3所述的一种便携式串行数据记录仪实现方法，其特征是：通过RS232、RS422串口记录采集设备数据的步骤，首先从任务B入口测试串口状态，如果测试失败发出串口测试错误信息；然后提取串口参数，这些参数由使用者设定，包括波特率、起始位、停止位；检查参数中的波特率，如果波特率已经设定直接加载串口参数；如果波特率没有设定，则进行自动波特率监测；如果自动波特率监测失败，发出串口参数检测错误指示，如果自动波特率监测成功，加载串口参数；接着初始化双缓存算法，即初始化2个512字节缓存，分别为缓存A和缓存B，数据先存入缓存A，当A满后再存入缓存B；设置直接存储访问(DMA)和对应的中断；开启串行通道，开始记录。
6.根据权利要求3所述的一种便携式串行数据记录仪实现方法，其特征是：串口接收的数据自动存入缓存A，当缓存A存满512个字节后，数据继续存入缓存B同时产生串口DMA中断；通过串口DMA中断入口进入中断处理操作；首先指示灯指示进入中断处理；然后发出数据缓存A满指示，通知SD卡存储数据任务可以进行数据存储操作；交替数据缓存A和B的地址，A表示以前B的地址，B表示以前的A的地址；指示灯指示退出中断后，从串口DMA中断出口退出。
7.根据权利要求3所述的一种便携式串行数据记录仪实现方法，其特征是：Secure Digital存储卡存储数据的步骤；首先从任务A入口进入SD卡数据存储流程，检测SD卡插槽，如果没有SD卡，发出SD卡没有就绪指示；如果SD卡已经就绪，初始化SD卡，包括SPI接口初始化和SD卡工作初始化；然后对SD卡进行测试，包括生产厂商、容量、生产时间、版本、产品序列号基本信息的读取，包括对SD卡数据区的读写测试；如果测试失败，发出SD卡测试失败指示；如果测试成功，则检查数据采集结果，判断数据缓存是否满；如果收到串口采集DMA中断发出的数据缓存满指示，则寻找数据缓存地址，如果没有得到指示则挂起，继续等待；找到数据缓存地址后，把地址起始的512个字节写入SD卡中的文件中，所有操作完成后，关闭SD卡。
8.根据权利要求3所述的一种便携式串行数据记录仪实现方法，其特征是：通过FAT16/32文件形式将数据记录在Secure Digital存储卡里的步骤，首先从D进入数据文件记录流程，读取引导区信息，根据引导区的BPB表寻找FAT表；读取FAT表，通过FAT表上的信息寻找SD卡上空白的数据区；更新FAT表，将缓存中记录的数据写入空白数据区；最后读取根目录区数据，判断记录数据的文件是否已经建立；如果没有发现已经建立的文件，则新建一个的记录文件；如果记录文件已经存在，则更新文件的信息，如文件大小、记录时间。
9.根据权利要求3所述的一种便携式串行数据记录仪实现方法，其特征是：通过USB协议向计算机上传记录数据的步骤，从任务C入口进入USB通信流程，首先初始化SD卡，包括SPI接口初始化和SD卡工作初始化；然后初始化MassStorage设备和协议；初始化USB设备端口以及中断，等待计算机的USB主控制器与设备进行数据交换；当USB设备插入计算机之后，产生中断信号，系统通过响应中断服务子程序来设置不同的标志位；循环执行的事件处理模块，判断当前事件是否是USB特殊事件，如果是，清理标志位，处理USB插、拔事件等；如果否，判断是否是接收事件，如果是，清相应标志位，接收数据；如果否，判断是否是发送事件，如果是，清相应标志位，发送数据；如果否，不进行任何操作，进入循环检查，USB通信模块与计算机完成设备的枚举、配置操作后，计算机将SD卡识别为Mass Storage，并且将SD卡映射为一个磁盘，允许在USB协议和Mass Storage协议上进行数据交换。
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