CN104133921B

CN104133921B - 一种嵌入式计算机数据采集设备

Info

Publication number: CN104133921B
Application number: CN201410355445.1A
Authority: CN
Inventors: 陈林荣; 姜永强; 姚海东; 李振华
Original assignee: SHANGHAI LEILONG TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI LEILONG TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2014-07-24
Filing date: 2014-07-24
Publication date: 2017-07-07
Anticipated expiration: 2034-07-24
Also published as: CN104133921A

Abstract

一种嵌入式计算机数据采集设备，包括：底板设置在机壳内部，用于进行信号的收发以及处理；DSP核心板安装在底板上，用于控制DI信号采集、AI信号采集并保存采集数据，以及进行按键输入查询；第一航空插头设置在机壳的一侧板上并与底板电连接，作为信号接口用于与目标设备相连接以实现DI信号和AI信号采集；第二航空插头设置在机壳的另一侧板上并与底板电连接，作为通讯接口用于与上位机相连接以采集数据的传输；指示灯组设置在机壳的一侧板上并与底板电连接，用于指示采集设备的工作状态以及电源状态；导出按键设置在机壳的一侧板上并与底板电连接，在采集结束后通过按压导出按键，则将所保存的采集数据导出到外部存储器。

Description

一种嵌入式计算机数据采集设备

技术领域

本发明涉及数据采集技术领域，具体的说，是一种新型的嵌入式计算机数据采集设备。

背景技术

由于计算机技术的发展，使计算机控制技术的应用愈来愈普遍。计算机控制过程可归纳为实时数据采集、实时决策和实时控制三个步骤。这三个步骤不断地重复进行就会使整个系统按照给定的规律进行控制、调节。同时，也对被控参数及设备运行状态、故障等进行监测、超限报警和保护，记录历史数据等。数据采集，又称数据采集，是指从待测设备中自动采集非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析、处理。数据采集技术广泛应用在各个领域。被采集数据是已被转换为电讯号的各种物理量，可以是模拟量，也可以是数字量。采集一般是采样方式，即隔一定时间（称采样周期）对同一点数据重复采集。采集的数据大多是瞬时值，也可是某段时间内的一个特征值。

在一些工业现场中，设备长时间运行容易出现故障，为了监控这些设备，通常利用数据采集装置采集他们运行时的数据并送给PC机，通过运行在PC机上的特定软件对这些数据进行分析，以此判断当前运行设备的状况，进而采取相应措施。当前常用的数据采集装置，在其系统软件设计中，多采用单任务顺序机制。这样就存在系统安全性差的问题。这对于稳定性、实时性要求很高的数据采集装置来说是不允许的，因此有必要引入嵌入式操作系统。

因此，为了实现高效率、简洁、实时的数据采集，需要对现有数据采集装置进行改进。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种嵌入式计算机数据采集设备及其采集方法，其能够实现高效率、简洁、实时的数据采集。

为实现上述目的，本发明提供了一种嵌入式计算机数据采集设备，包括：机壳、底板、DSP核心板、第一航空插头、第二航空插头、指示灯组以及导出按键；所述底板设置在所述机壳内部，用于进行信号的收发以及处理；所述DSP核心板安装在所述底板上，用于控制DI信号采集、AI信号采集并保存采集数据，以及进行按键输入查询；所述第一航空插头设置在所述机壳的一侧板上并与所述底板电连接，作为信号接口用于与目标设备相连接以实现DI信号和AI信号采集；所述第二航空插头设置在所述机壳的另一侧板上并与所述底板电连接，作为通讯接口用于与上位机相连接以采集数据的传输；所述指示灯组设置在所述机壳的一侧板上并与所述底板电连接，用于指示所述采集设备的工作状态以及电源状态；所述导出按键设置在所述机壳的一侧板上并与所述底板电连接，在采集结束后通过按压所述导出按键，则将所保存的采集数据导出到外部存储器。

进一步，所述机壳的一侧板上延伸出一连接部，所述连接部上设有安装孔，通过所述安装孔将所述采集设备安装在目标设备上。

进一步，所述采集设备的单组采集时间为7秒，数据采集频率为1KHz，数据存储方式为实时写盘，存储采集数据组数为100组。

进一步，所采集的DI信号以及AI信号实时保存到铁电存储器中，单组采集结束，从铁电存储器中复制所采集的数据到闪速存储器中保存。

进一步，所述第一航空插头采用41芯航插连接器与目标设备相连接，以实现DI信号和AI信号采集。

进一步，所述第二航空插头采用USB连接器，所述外部存储器为通用U盘；所述采集设备通过所述USB接口与所述U盘相连，从而将所保存的采集数据导出到所述U盘中。

所述采集设备进一步包括一超级电容，所述超级电容分别电连接所述底板以及外部供电电源，用于在供电电源断电时为所述采集设备供电。可选的，所述超级电容为10F/5.4V。

为实现上述目的，本发明还提供了一种嵌入式计算机数据采集方法，包括如下步骤：1）采集设备上电后间隔预设时间段循环采集所有DI通道和AI通道的电平或电压值，并保存到第一存储器中；2）持续采集时间达预设时间阈值后，单组采集结束，从第一存储器中复制采集的数据到第二存储器中，并增加采集组数计数和当前采集的组数编号；3）连接外部存储器，按采集设备上的导出按键，则将第二存储器中保存的所有数据导出到外部存储器，并自动根据采集设备编号和采集日期生成文件夹。

本发明的优点在于：可以实现DI信号和AI信号采集、存储；可以安装在待测目标设备上；具有实时采集、存储数据量大、对原信号没有影响等特点；可通过外部存储器导出数据，进而在上位机上通过辅助分析软件，实现波形的再现以及分析；内置超级电容，在供电电源断电时可延续采集。

附图说明

图1，本发明所述的嵌入式计算机数据采集设备结构示意图；

图2，本发明所述的嵌入式计算机数据采集设备内部结构示意图；

图3，本发明所述的嵌入式计算机数据采集设备组件连接关系示意图；

图4，本发明所述的嵌入式计算机数据采集方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的一种嵌入式计算机数据采集设备及其数据采集方法做详细说明。

参见图1-3，本发明所述的嵌入式计算机数据采集设备包括：机壳21、底板22、DSP核心板23、第一航空插头24、第二航空插头25、指示灯组26以及导出按键27。本发明所述的嵌入式计算机数据采集设备工作环境条件如下：a)工作温度：-40℃～60℃；b)储存温度：-45℃～70℃；c) 湿度：30-80%，无凝水。

所述底板22（图2中未示出）设置在所述机壳21内部，用于进行信号的收发以及处理。

所述DSP核心板23安装在所述底板22上，用于控制DI信号采集、AI信号采集并保存采集数据，以及进行按键输入查询。因采集设备在测录时存在突然断电的情况，因此需要保存断电前的测试数据。可以采用大容量铁电存储器（128KB）和大容量闪速存储器（FLASH，64MB)芯片，实现高速实时存储数据，确保断电情况发生时不丢失断电前的测录数据；采集数据最终存放到FLASH中。

所述DSP核心板23可以采用DSP320F2812；具备USB接口、高性能静态CMOS制成技术（频率150M）、JTAG扫描支持、高效性32bit CPU、16通道12位模拟-数字转换模块、两个异步串行通讯模块以及三个32位CPU Timer。所述DSP核心板23的DI×4通道进行GPIO输入，支持外部中断；AI×3通道用于ADC采样；USB接口，支持USB2.0，具有HOST（主机）模式、Device（设备）模式两种工作模式。RTC接口用于实时时钟驱动；DI接口进行GPIO输入以轮询按键状态；DO接口进行GPIO输出以控制指示灯组26的指示状态。

所述DSP核心板23通过底板22与信号接口相连，以实现DI信号和AI信号采集。DSP核心板23控制所述采集设备的单组采集时间为7秒，数据采集频率为1KHz（一次采集数据包括3个12位AI值，以及4位DI值，共5个字节），数据存储方式为实时写盘，存储采集数据组数为100组。所采集的DI信号（例如，DI电平状态）以及AI信号（例如，AI电压值）实时保存到铁电存储器中，单组采集结束，从铁电存储器中复制所采集的数据到FLASH中保存。FLASH中分割成100个64K区块，每个64K区块存储一组数据。DI信号通道的输入电压范围0～40V，高电平电压范围24~40V，负载电流不大于15mA；AI信号通道的输入电压范围0～70V，输入阻抗大于100K。

所述第一航空插头24设置在所述机壳21的一侧板上并与所述底板22电连接，作为信号接口用于与目标设备相连接以实现DI信号和AI信号采集。所述第一航空插头24采用41芯航插连接器与目标设备相连接，以实现DI信号和AI信号采集。41芯航插连接器包括4路DI、3路AI。信号（DI信号以及AI信号）经钳位(钳位20V，避免驱动光耦电流过大)，扩流后驱动光耦。当输入信号低于17V左右时，电路输出高电平；当输入信号高于17V左右时，电路输出低电平。信号采用ISO124U及DCP010512D进行模拟隔离，信号分压电阻均采用高精度(0.1%)低温漂电阻(25ppm)，信号隔离后经一阶有源滤波后送CPU进行AD采样采集，其中采用了精密低温漂运行OP07。

所述第二航空插头25设置在所述机壳21的另一侧板上并与所述底板22电连接，作为通讯接口用于与上位机相连接以采集数据的传输。所述第二航空插头采用USB连接器，所述外部存储器为通用U盘；所述USB连接器支持USB2.0。所述采集设备通过所述USB接口与所述U盘相连，从而将所保存的采集数据导出到所述U盘中。采集设备实时采集DI和AI数据并保存到本地存储器中，可使用通用U盘导出采集的数据，通过上位机中的辅助分析软件读取U盘中的数据并以波形图的形式显示到上位机界面中。其中，辅助分析软件通过软件编程，可以实现：a) 读取U盘时序数据文件；b) DI/AI波形同时显示；c) 波形放大缩小功能；d)双光标测量波形宽度功能；波形幅度测量功能。

所述指示灯组26设置在所述机壳21的一侧板上并与所述底板22电连接，用于指示所述采集设备的工作状态以及电源状态。例如，所述指示灯组26包括两个LED灯，一LED灯亮表明采集设备电源工作正常；另一LED灯亮表明采集设备正在进行信号采集。

所述导出按键27设置在所述机壳21的一侧板上并与所述底板22电连接，在采集结束后通过按压所述导出按键27，则将所保存的采集数据导出到外部存储器。

作为优选的实施方式，所述机壳21的一侧板上延伸出一连接部28，所述连接部28上设有安装孔29，通过所述安装孔29将所述采集设备安装在目标设备上。

作为优选的实施方式，所述采集设备进一步包括一超级电容（图中未示出），所述超级电容分别电连接所述底板22以及外部供电电源，用于在供电电源断电时为所述采集设备供电。所述超级电容可以为10F/5.4V。电源网络设计原则是外部接口电路的电源与信号处理控制电路的电源完全隔离。因采集设备在测录时存在突然断电的情况，故设置超级电容。电源网络设置供电电源调整到6V输出，由于供电电源需要对超级电容进行快速充电（充电电流2.5A），因此采用大功率输出电源模块。采用恒流源对超级电容进行充电，超级电容为10F/5.4V，可以维持系统正常工作15秒。超级电容在供电电源断电的情况可确保采集设备继续采集7秒左右时间，并在供电电源断电15秒后由DSP核心板23上的程序控制开始超级电容放电；放电电路在供电电源正常时由DSP核心板23上的CPU控制断开放电电阻；当放电开始时，CPU控制接通放电电阻；当电压降到一定电压后，CPU处于复位状态，则继电器处于常态，即放电电阻接通状态，因此可将超级电容放电干净。

参见图4，本发明所述的嵌入式计算机数据采集方法包括如下步骤：S41：采集设备上电后间隔预设时间段循环采集所有DI通道和AI通道的电平或电压值，并保存到第一存储器中；S42：持续采集时间达预设时间阈值后，单组采集结束，从第一存储器中复制采集的数据到第二存储器中，并增加采集组数计数和当前采集的组数编号；S43：连接外部存储器，按采集设备上的导出按键，则将第二存储器中保存的所有数据导出到外部存储器，并自动根据采集设备编号和采集日期生成文件夹。其中，预设时间段可以为1ms；预设时间阈值为7秒。第一存储器采用铁电存储器；第二存储器采用闪速存储器；外部存储器采用通用U盘。

以下结合一实施例所提供的工作流程，对本发明所述的嵌入式计算机数据采集设备及其方法做进一步说明。

1）采集设备上电后，初始化为USB设备模式，同时检测与USB主机的连接。若连接成功，则设备始终处于USB设备模式，此时，USB主机可以对采集设备进行测试或配置；若与USB主机连接失败，则采集设备初始化为USB主机模式，为U盘导出数据做准备。

2）上电后采集设备间隔1ms对4路DI和3路AI进行采集，采集数据循环存放到铁电存储器的一块可以存放2秒数据的分区中。

3）信号上升沿触发开始采集时序，保存前2秒数据存放的起始地址，以及采集开始的日期时间和采集状态到铁电存储器中。

4）间隔1ms读取4路DI电平状态，实时保存到铁电存储器中；间隔1ms读取3路AI电压值，每次读取的AD值实时保存到铁电存储器中。

5）相对时间达到7000ms（即7秒），则本次时序采集结束，所采集的数据作为一组采集数据；从铁电存储器中复制该组采集数据到FLASH中，并增加采集组数计数和当前采集的组数编号。在7秒采集过程中如果供电电源断电，则采集设备自动采用内置超级电容供电，直到采集结束。本发明所述的嵌入式计算机数据采集设备最多支持保存100组采集数据，若超出100组数据，则覆盖最早的数据。

每个采集设备有自身的编号，如001。则在导出数据时，每个采集设备会建立相应的数据文件夹，文件夹名由设备编号和日期组成，如001-0727，表示设备001在7月27号进行采集时的数据文件夹。数据文件为txt格式，文件名称以“TR-”打头，后面加上采集的时间。

采集设备工作在USB Device模式下时，可通过上位机采用编程软件对采集设备进行调试和配置。采集设备下传USB端点号为4号端点号，上传端点号为3号端点号。下传数据格式如表1所示，上传数据格式如表2所示。

Byte0	Byte1	Byte2 – Byte(n+1)
			n	cmd	Data1-Data(n-1)

表1，下传数据格式。

Byte0	Byte1	Byte2	Byte3 – Byte(n+2)
				n	0x00	cmd	Data1-Data(n-1)

表2，上传数据格式。

采集结束，连接好U盘后，按导出按键，则将设备FLASH中保存的所有数据导出到U盘，并自动根据设备编号和采集日期生成文件夹，采集文件名称则由采集时间标明。将U盘插入到便携计算机中，通过采集设备分析软件重现和分析采集的波形。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种嵌入式计算机数据采集设备，其特征在于，包括：机壳、底板、DSP核心板、第一航空插头、第二航空插头、指示灯组以及导出按键；

所述底板设置在所述机壳内部，用于进行信号的收发以及处理；

所述DSP核心板安装在所述底板上，用于控制DI信号采集、AI信号采集并保存采集数据，以及进行按键输入查询；

所述第一航空插头设置在所述机壳的一侧板上并与所述底板电连接，作为信号接口用于与目标设备相连接以实现DI信号和AI信号采集；

所述第二航空插头设置在所述机壳的另一侧板上并与所述底板电连接，作为通讯接口用于与上位机相连接以实现采集数据的传输；

所述指示灯组设置在所述机壳的一侧板上并与所述底板电连接，用于指示所述采集设备的工作状态以及电源状态；

所述导出按键设置在所述机壳的一侧板上并与所述底板电连接，在采集结束后通过按压

所述导出按键，则将所保存的采集数据导出到外部存储器；

所述机壳的一侧板上延伸出一连接部，所述连接部上设有安装孔，通过所述安装孔将所述采集设备安装在目标设备上。

2.根据权利要求1所述的嵌入式计算机数据采集设备，其特征在于，所述采集设备的单组采集时间为7秒，数据采集频率为1KHz，数据存储方式为实时写盘，存储采集数据组数为100组。

3.根据权利要求1所述的嵌入式计算机数据采集设备，其特征在于，所采集的DI信号以及AI信号实时保存到铁电存储器中，单组采集结束，从铁电存储器中复制所采集的数据到闪速存储器中保存。

4.根据权利要求1所述的嵌入式计算机数据采集设备，其特征在于，所述第一航空插头采用41芯航插连接器与目标设备相连接，以实现DI信号和AI信号采集。

5.根据权利要求1所述的嵌入式计算机数据采集设备，其特征在于，所述第二航空插头采用USB连接器，所述外部存储器为通用U盘；所述采集设备通过所述USB连接器与所述U盘相连，从而将所保存的采集数据导出到所述U盘中。

6.根据权利要求1所述的嵌入式计算机数据采集设备，其特征在于，所述采集设备进一步包括一超级电容，所述超级电容分别电连接所述底板以及外部供电电源，用于在供电电源断电时为所述采集设备供电。

7.根据权利要求6所述的嵌入式计算机数据采集设备，其特征在于，所述超级电容为10F/5.4V。