CN102261929B - 一种小型多通道数据记录仪的任务调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数据记录仪的任务调度方法。该数据记录仪选取ARM920T内核的处理器作为数据记录仪的主控芯片，采用18位A/D芯片采集最多达32路模拟类信号输出的传感器数据，并将采集到的信号输入CPU，在该CPU的内部对传感器的数据进行实时加密与解算，在外部电源中断的情况下可利用自身电源独立运行，并能够进行自主式的多机通讯。本发明提供的数据记录仪能够对工业仪器上的多传感器数据进行采集和存储，为研究仪器的运行情况提供了全面的数据，同时方便了设备的检测与维修，提高了生产水平，为相关生产厂家提供了有效的运行记录和控制手段。

Description

一种小型多通道数据记录仪的任务调度方法

技术领域

本发明涉及一种数据记录仪的任务调度方法，特别是涉及一种应用在复杂工业现场的通用性强的小型多通道数据记录仪。

背景技术

记录仪表是对工业生产过程中的各种数据进行检测和记录的重要工具。随着微电子集成技术、微计算机技术、数字技术的飞速发展，数据记录和存储一起的研究与开发业也有了更快的发展，各大公司(如HP、TEK等)相继投入巨资研究、开发该类仪器，以图率先占领此技术领域。

现在的数据记录仪的存储早已今非昔比，它已经不再是低速的、通过电机驱动只产生曲线的记录仪或采用热记录仪及光束电流计的中速记录仪，而是带有各种显示器的高速数据采集和存储的记录仪。电子记录和读出是其最新和最流行的特性。目前的发展趋势是向能采集、调整、记录、显示、检测、分析和打印数据的记录仪发展，同时由于便携式的考虑，要求它又必须是体积小、重量轻、功耗低的，最好是能够采用电池供电。以下是几个主要的发展方向：

1.采用数字信号处理芯片，用户在采集大量数据的同时，能够及时处理，以减少存储的容量。

2.通信接口采用标准的总线接口，逐步放弃原有的慢速总线如RS232和IEEE488，而采用具有Web接入的以太网，甚至无线接入，并且能够灵活地采用多机通信，把各个记录仪采集的数据都上传到PC机上处理。

例如，Hi-Technique公司的Busdaq数据记录仪可以采集J1939、Devicenet或其他控制器区域网络总线的数据，并经过Internet将数据传送到PC。

3.采用大容量的存储介质，并要求存储的数据在掉电以后不消失，大多数的存储介质都采用了Flash芯片和磁盘。例如，Boulder仪器公司的StreamsStor记录仪采用了两个16IDE磁盘，能以100MB/S的速率传输信息，存储容量达1200GB。

近十年来，国内数据记录和存储仪器的研究及发展也取得了相当大的成果，但在实时数据采集速率、存储容量等性能指标方面离国外的水平还有相当大的距离。由于国外数据记录和存储仪器的通用性，它们在一些具体的应用场合并不能满足系统的要求，对于一些记录时间要求短、通道要求多、速度要求快、体积要求小的工业现场，小型高速多通道通用型数据记录仪应运而生。但是，目前市场上还没有针对这些要求于一身的数据记录仪。现有的数据记录仪功能单一、价格高昂，并且，不具有通用性。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有数据记录仪功能单一、价格高昂、不具有通用性等缺陷，提供了一种小型多通道数据记录仪。该记录仪最多支持32路模拟量记录、2个模拟量量程可供选择、能够对数据进行加密、可通过串口和USB接口方便的与上位机进行数据交换。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种小型多通道数据记录仪的任务调度方法，其特征在于：所述记录仪开始后先执行初始化任务，成功后开始检测密码，待密码输入正确后执行系统的自检，在确保自检通过后开始进入模式选择任务；模式选择主要有三种模式：记录、读取和结束；当选择记录模式并设置好采集通道后，开始进行AD采样，即：读AD写Flash数据，当数据写出后，对数据进行校验和加密，写完一个区块Flash后检测其区块是否有坏块，有坏块，则检测下一个块；否则，将数据存储在该块中；然后，进行实时数据传输，通过选择数据的传输模式，能方便的观看记录的数据，并能查看实时数据；当选择读取模式时，直接读取NAND Flash中的数据，并通过通信接口传输出数据给上位机或LCD；当选择结束模式时，结束；并且所述的小型多通道数据记录仪包括模拟量输入模块、数据采集模块、主控芯片模块、人机交互模块、通信接口、输出接口；所述的主控芯片模块采用一个外部存储器；现场传感器输出的模拟信号，经过模拟量输入模块处理后传输至数据采集模块，在主控芯片的控制和调度下，数据采集模块将模拟信号转换成数字信号，然后将转换后的数字信号传输给主控芯片模块；主控芯片模块先将数据传输至临时存储空间，再从临时存储空间中调度数据，并将其存储到数据存储器；同时用户通过人机交互模块和通信接口控制记录仪的运行情况，最后数据记录仪通过输出接口将数据传输出来，而所述的主控芯片模块采用内核是ARM920T的AT91SAM9263作为主控芯片，主控芯片外接供电系统、时钟系统、复位及配置系统、存储器系统、调试测试接口和JTAG下载接口，所述的数据采集模块采用串行结构，所述的数据采集模块由模拟通道选择开关CD4067BE、AD转换器驱动ADA4941和18位A/D转换器AD7982组成，将传输过来的模拟量信号进行通道调整，在主控芯片的控制下，将模拟量转换成数字信号，所述的人机交互模块采用8个拨码开关和8个LED指示灯复合使用，是用户修改和控制数据记录仪的交互接口，所述的通信接口使用RS-232通用总线接口，与上位机连接或与多个记录仪连接，用于多记录仪之间的协同控制；并且所述数据记录仪开机后，通过8个拨码开关对系统进行自检和初始化设置，在选定好工作模式后，数据记录仪开始记录数据，模拟信号通过模拟开关传至ADA4941，ADA4941作为AD7982的驱动，将模拟信号进行稳定调节后传输至AD7982，AD7982负责将模拟信号转换成数字信号并将其传输至主控芯片AD91SAM9263，所述主控芯片负责将这些数字信号进行加密、存储、传输；并且所述数据记录仪为面向CPU的双总线结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

最多支持32路模拟量记录，2个模拟量量程可供选择；体积小巧；能够对数据进行实时加密，安全可靠；数据读取方便；主控芯片模块采用一个外部存储器实现系统程序和外部采集数据的存储，提高了程序的运行速度、缩短了数据存储的时间；同时，由于采用一个外部存储器，降低了成本；各通道之间干扰小；可应用于各种对需要短暂记录模拟量的仪器上，通用性很强；采样频率每通道可达10KHz；可通过串口和USB接口方便的与上位机进行数据交换；采用嵌入式操作系统作为记录仪的控制系统，实时性强；预留LCD外部接口，可外接小型LCD显示器，便于手持使用。

附图说明

图1为本发明的数据记录仪总体结构图；

图2为本发明的数据记录仪软件系统整体结构图；

图3为本发明的数据记录仪任务调度及整体流程图；

图4为本发明的数据记录仪总线结构图；

图5为本发明的数据记录仪主控模块组成图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的小型多通道数据记录仪包括：模拟量输入模块、数据采集模块、主控芯片模块、人机交互模块、通信接口、输出接口。

模拟量输入模块通过接线端子进行连接，负责将传感器输出的模拟量传送到数据采集模块；数据采集模块主要由模拟通道选择开关CD4067BE、AD转换器驱动ADA4941和18位A/D转换器AD7982组成，将传输过来的模拟量信号进行通道调整，在主控芯片的控制下，将模拟量转换成数字信号；主控芯片模块采用内核是ARM920T的AT91SAM9263作为记录仪的主控芯片，并配以外围器件；主控芯片模块采用一个数据存储器，该数据存储器使用64MB NAND FlashK9F1208UOC作为主程序及数据存储器，在主控芯片模块的调度和管理下，把数据采集模块的数字信号存储起来；人机交互模块使用8个拨码开关和8个LED指示灯复合使用，是用户修改和控制数据记录仪的交互接口；通信接口使用RS-232通用总线接口，与上位机连接或与多个记录仪连接，用于多记录仪之间的协同控制；使用USB2.0接口作为数据的输出接口，用于将数据记录仪的数据传输给上位机或相关仪器设备。

工业现场传感器输出的模拟信号，经过模拟量输入模块处理后传输至数据采集模块，在主控芯片的控制和调度下，数据采集模块将模拟信号转换成数字信号，然后将转换后的数字信号传输给主控芯片模块，主控芯片模块先将数据传输至临时存储空间，再从临时存储空间中调度数据，并将其存储进数据存储器；同时用户通过人机交互模块和通信接口控制记录仪的运行情况，最后数据记录仪通过输出接口将数据传输出来。

如图5所示，本发明提供的数据记录仪，主控芯片外接供电系统、时钟系统、复位及配置系统、存储器系统、调试测试接口和JTAG下载接口。供电系统为其供电；时钟系统提供时钟信号；主控芯片外扩一个存储器，用来存储系统程序和外部采集到的数据；调试测试接口对主控芯片实际运行情况进行监控；JTAG下载接口用于主控芯片初始化，还能进行系统仿真。本发明提供的小型多通道数据记录仪采用Advanced Monolithic Systems的稳压芯片AMS1117作为芯片的I/O电压源，采用MAXIM公司的芯片MAX8860作为芯片的核心电压源；针对AT91SAM9263本身的RTC(实时时钟)需要，只需连接两个晶振即可，一个为芯片工作晶振，一个为实时时钟晶振。分别选取32.768KHz晶振和18.432MHz晶振；本发明的数据记录仪采用MAX811作为系统的复位芯片；选用两块HYUNGAU公司的HY57V561620作为本发明的数据记录仪的SDRAM存储器；使用SST39LF1601作为系统的NOR Flash存储器。

本发明的数据记录仪，其数据采集模块采用串行结构实现，即：只设计一个采样电路，然后在采样电路前端设计信号切换电路实现多路信号的不断切换，从而实现多路信号的采集。模拟通道选择开关采用两片CD4067BE并联将通道数扩充至32路。A/D转换器使用芯片AD7982，此款芯片还要配套有其驱动芯片ADA4941。CD4067BE的通道选择由通用I/O口J口负责统一调度，这样，节省了总线的占用时间，而且操作起来更加灵活。模拟信号通过CD4067BE后传递至ADA4941，再传至AD7982，由AT91SAM9263控制AD7982的转换以及通道的选择，将采集到的数据存入NAND Flash中。

本发明的数据记录仪，在硬件设计过程中，还考虑了系统的抗干扰能力以及各通道间的信号干扰。首先，把调试好的记录仪电路板封装在一个坚固的金属外壳中，引出接口线，电路板与外壳之间的空隙全部用塑封材料填充，这样可以起到抗电磁干扰的作用；其次，采用合理的接地抑制干扰，系统的模拟地、数字地先各自连接，以最近的方式将两者连接起来，再与记录仪外壳相连，可消除串模干扰；最后，采用滤波和退耦电路抑制横模干扰、采用增加旁路电容的方法抑制共模干扰。

本发明的数据记录仪的系统软件平台的总体结构如图2所示。选取μC/OS-II为本发明数据记录仪的操作系统，首先，要将其移植到微处理器上，然后才能扩展成使用的操作系统，ARM920T处理器完全可以满足移植μC/OS-II的相关要求。μC/OS-II可以管理多达64个任务，其中的空任务(IDLE)和统计任务(STATISTICS)为系统任务，其余都属于用户任务。

针对上述特点，系统创建了以下几个任务：系统初始化任务、系统自检任务、读取Flash数据、写Flash数据、检验Flash数据、模式选择任务、数据加密任务、数据校验任务、数据传输任务、开机验证密码任务、量程选择任务。

主要任务调度及整体流程如图3所示。记录仪开始后先执行初始化任务，成功后开始检测密码，待密码输入正确后执行系统的自检，在确保自检通过后开始进入模式选择任务。模式选择主要有三种模式：Record(记录)、Read(读取)、Finish(结束)；当选择Record模式并设置好采集通道后，开始进行AD采样，即：读AD写Flash数据，当数据写出后，对数据进行校验和加密，写完一个区块的Flash后检测其区块是否有坏块，有坏块，则检测下一个块；否则，将数据存储在该块中。然后，进行实时数据传输，通过选择数据的传输模式，可以方便的观看记录的数据，并可查看实时数据。当选择Read模式时，直接读取NAND Flash中的数据，并通过通信接口传输出数据给上位机或LCD。当选择Finish(结束)模式时，结束。

本发明的数据记录仪的数据存储形式，考虑了数据处理与加密方面的要求，将采集到的值存放成如矩阵A中所示形式，其中，A为32行32列的矩阵，每一行所存数据为对应通道的数据，每一列所存数据为当前时刻的采集值，一共存储32组数，如前所述，两个地址空间存放一个AD采样结果。所以该数组内存储每通道16个数据。这样设计，可以方便数据的查找并可进行数据的校验。

$A=\left[\begin{array}{cccccc}{a}_{\mathrm{0,0}}& a_{\mathrm{0,1}}& \·\·\·& \·\·\·& a_{\mathrm{0,30}}& a_{\mathrm{0,31}}\\ a_{\mathrm{1,0}}& a_{\mathrm{1,1}}& \·\·\·& \·\·\·& a_{\mathrm{1,30}}& a_{\mathrm{1,31}}\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ a_{\mathrm{30,0}}& a_{\mathrm{30,1}}& \·\·\·& \·\·\·& a_{\mathrm{30,30}}& a_{\mathrm{30,31}}\\ a_{\mathrm{31,0}}& a_{\mathrm{31,1}}& \·\·\·& \·\·\·& a_{\mathrm{31,30}}& a_{\mathrm{31,31}}\end{array}\right]$

将对应的数值存入相应的地址空间内，在存储过程中，将上述矩阵分为两个512字节的一维数组，按照整块存储的概念，把两个一维数组存入相应的数据块中。再通过ECC(Error Correcting Code，错误检查和纠正)，来校验数据块的完好性。此外，还可以利用简单加密矩阵的方法对一些重要数据进行加密。具体为：根据下式(2)，用户输入加密完成的地址映射C，程序本身会根据下式(3)，自动生成加密数组B，使得关键数据得以保护。但是考虑到C是1024个数据的数组，用户输入起来会很麻烦，所以对C进行了精简设置。所谓精简设置，即将下式(2)中数组分块，只需输入其中一块，系统自动复制出其余数据块。

A·B＝C  (2)

B＝A-1·C(3)

数据通过输出接口发送到上位机中也按照这种形式，但是发送的是实时数据，即采完就发送，没有加密过程。一旦输入密钥启动了上位机程序，系统默认不用再次数据加密。数据回读过程中，是按照加密形式发送回来的，上位机程序负责解密。启动加密时也是一样，要事先通过上位机程序，对系统内的加密矩阵进行定义，才能实现数据的正常加密以及读取。

本发明的数据记录仪开机后，通过8个拨码开关对系统进行自检和初始化设置，在选定好工作模式后，数据记录仪开始记录数据。模拟信号通过模拟开关传至ADA4941，ADA4941作为AD7982的驱动，将模拟信号进行稳定调节后传输至AD7982，AD7982负责将模拟信号转换成数字信号并将其传输至主控芯片AD91SAM9263，主控芯片负责将这些数字信号进行加密、存储、传输。

如图4所示，本发明提供的小型多通道数据记录仪面向CPU的双总线结构，此种总线结构，既提高了CPU的工作效率，还在地址分配上节省了大量时间，同时使编程更加方便，可将地址与数据总线完全用于存储器，通用I/O口来控制I/O接口。

本发明的小型多通道数据记录仪是一种基于AT91SAM9263和μC/OS-II实时操作系统的高速实时数据记录系统。该系统根据不同的外设要求选取不同量程、不同的加密方式、不同的存储方式等。也可通过预留的AT91SAM9263的LCD外部接口，外接小型LCD显示器，便于手持使用。该系统的扩展性，移植性好，并且可以很方便的移植到其他系统以适应不同领域的需要。

Claims (1)

1.一种小型多通道数据记录仪的任务调度方法，其特征在于：所述记录仪开始后先执行初始化任务，成功后开始检测密码，待密码输入正确后执行系统的自检，在确保自检通过后开始进入模式选择任务；模式选择主要有三种模式：记录、读取和结束；当选择记录模式并设置好采集通道后，开始进行AD采样，即：读AD写Flash数据，当数据写出后，对数据进行校验和加密，写完一个区块Flash后检测其区块是否有坏块，有坏块，则检测下一个块；否则，将数据存储在该块中；然后，进行实时数据传输，通过选择数据的传输模式，能方便的观看记录的数据，并能查看实时数据；当选择读取模式时，直接读取NAND Flash中的数据，并通过通信接口传输出数据给上位机或LCD；当选择结束模式时，结束；

并且所述的小型多通道数据记录仪包括模拟量输入模块、数据采集模块、主控芯片模块、人机交互模块、通信接口、输出接口；所述的主控芯片模块采用一个外部存储器；现场传感器输出的模拟信号，经过模拟量输入模块处理后传输至数据采集模块，在主控芯片的控制和调度下，数据采集模块将模拟信号转换成数字信号，然后将转换后的数字信号传输给主控芯片模块；主控芯片模块先将数据传输至临时存储空间，再从临时存储空间中调度数据，并将其存储到数据存储器；同时用户通过人机交互模块和通信接口控制记录仪的运行情况，最后数据记录仪通过输出接口将数据传输出来，而所述的主控芯片模块采用内核是ARM920T的AT91SAM9263作为主控芯片，主控芯片外接供电系统、时钟系统、复位及配置系统、存储器系统、调试测试接口和JTAG下载接口，所述的数据采集模块采用串行结构，所述的数据采集模块由模拟通道选择开关CD4067BE、AD转换器驱动ADA4941和18位A/D转换器AD7982组成，将传输过来的模拟量信号进行通道调整，在主控芯片的控制下，将模拟量转换成数字信号，所述的人机交互模块采用8个拨码开关和8个LED指示灯复合使用，是用户修改和控制数据记录仪的交互接口，所述的通信接口使用RS-232通用总线接口，与上位机连接或与多个记录仪连接，用于多记录仪之间的协同控制；

并且所述数据记录仪开机后，通过8个拨码开关对系统进行自检和初始化设置，在选定好工作模式后，数据记录仪开始记录数据，模拟信号通过模拟开关传至ADA4941，ADA4941作为AD7982的驱动，将模拟信号进行稳定调节后传输至AD7982，AD7982负责将模拟信号转换成数字信号并将其传输至主控芯片AD91SAM9263，所述主控芯片负责将这些数字信号进行加密、存储、传输；并且所述数据记录仪为面向CPU的双总线结构。

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