CN104656514A - 一种智能型数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能型数据采集系统，该系统包括采集系统服务器、客户端、上位机以及智能采集节点，服务器通过多个采样通道与相应的智能采集节点连接，从采集节点获取数据，所述多个采样通道采用不同的数据传输接口，同时服务器使用多种接口与本地客户端相连接；每个通道均可接入不同的采集节点，可以模拟量输出信号进行采集。本发明支持多种数据传输接口、扩展性和通用性强，具有很好的可复用性。

Description

一种智能型数据采集系统

技术领域

本发明涉及数据采集，特别涉及一种智能数据采集系统。

背景技术

数据采集系统是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后进行相应的计算和处理，得出所需的数据。各种各样的数据采集系统已被广泛的应用到各行各业。根据不同的采集对象和要求，数据采集系统可以有多种设计和实现方案。这些方案主要有两大类，一类是以单片机、其他嵌入式系统为基础进行设计，另一类是以工控机嵌入数据采集卡为基础进行设计。这些设计中所使用的控制器和传感器的硬件平台、参数、接口及软件结构都不尽相同，尤其是数据的传输和处理方式也有很大的差异，这种多样性的特点虽然可以满足局部数据采集的要求，但是却不利于数据的共享、分析和管理。

因此，针对相关技术中所存在的上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

为解决上述现有技术所存在的问题，本发明提出了一种智能型数据采集系统，包括采集系统服务器、客户端、上位机以及智能采集节点，所述服务器通过多个采样通道与相应的智能采集节点连接，从智能采集节点处获取需要采集的数据，所述多个采样通道采用不同的数据传输接口，同时服务器使用多种接口与本地客户端相连接，为客户端提供数据服务；所述多个采样通道的每个通道均可接入不同的采集节点，可以对温度、压力或流量传感器的模拟量输出信号进行采集，多路采集通道共用一个AD转换通道，分时轮流进行数据采集；

所述上位机用于在实际使用过程确定端口连接的智能采集节点的传感器类型、量程参数后，通过对数据采集系统进行参数配置以进行数据采集，数据采集采用开环系统，所述多个采样通道包括整流器和通道采集选择器，在对多种类型的数据进行采集时，采用整流器将各种传感器输出的模拟电信号均转换为恒定的电流信号，然后通过采样电阻进行电压采样，然后通过通道采集选择器进行轮询，在某一时刻只允许某一个采样通道的模拟量被采样保持，再经过AD转换后传送到客户端的显示器显示采样结果，或通过串行接口发送采样数据；

每路采样通道的硬件结构完全相同，在软件设计中根据所需采集的不同数据类型和数量，分配采样通道，配置相关参数，并编制相应的数据采集和处理程序。

优选地，所述服务器与客户端之间可使用C/S方式进行数据交互；对于所采集数据的分析、处理、存储和发布在采集系统服务器上进行。

优选地，所述AD转换通道包括AD转换器，该AD转换器采用10位的逐次逼近型ADC，用于进行模拟量到数字量的转换，ADC包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定，所述通道采集选择器由一片3输入8输出译码器芯片和8个模拟开关芯片组成，每个模拟开关芯片为8路模拟开关，可选通8路采样通道，8片模拟开关采用并联方式，通过单片机编程，将模拟开关的选通信号和译码器产生的片选信号相结合，便可对多路采样通道进行选择；

用户将选用的智能采集节点中传感器类型、量程以及该传感器占用的采样通道信息通过上位机传递给采集系统服务器，采集系统服务器则根据相应信息进行数据采集和数据处理后将结果直接进行显示，在针对特定的参数进行数据采集时，根据所需采集数据的量程范围、测量精度、分辨力指标选用相应的传感器，并配备相应的整流器。

优选地，所述采集系统服务器内部包括两大功能模块，一个是处理模块，另一个是采样通道；处理模块与各采样通道交互并采集数据的同时，还负责完成本地人机界面交互以及与多个客户端进行数据通信，各采样通道负责与相应的智能采集节点通信；处理模块与多个采样通道相连，每一个采样通道负责实现一种传输接口，处理模块与多个采样通道通过四条线采用一对多的方式进行连接，分别是数据信号线、同步信号线、中断信号线和地线；当需要交互数据时，首先由处理模块将中断信号线上的电平拉低并保持足够长的时间后再将其拉回高电平，即发出一个外部中断信号，所有采样通道接收到这个外部中断信号后，转入自己的外部中断处理过程，然后处理模块与各采样通道通过数据信号线和同步信号线进行数据交互；所述数据交互过程是：1、处理模块先将欲访问的采样通道的地址码以一个字节发送出去，只有与该地址对应的采样通道才会发回响应，其他采样通道退出中断处理过程；2、处理模块若接收到采样通道的响应，则继续将其他数据发往该采样通道；3、若处理模块所发数据要求采样通道返回数据，则处理模块在发送完数据之后马上转入数据接收状态；而采样通道将处理模块要求的数据发送给处理模块后结束本次数据交互过程；处理模块与采样通道的数据传输按照I²C接口协议进行；

所述采样通道通过连接特定类型的接口电路实现特定的数据传输方式，所述接口电路包括RS232、蓝牙、GPRS；智能采集节点除了要和采样通道进行数据交互以外，同时还具有传感器数据采集功能、人机交互接口和与其他MCU进行交互的接口，使得智能采集节点可以被扩展为一个独立的传感器网络；

系统软件采用模块化的形式进行编程，主程序完成数据采集工作，主程序初始化内容包括CPU管脚配置、寄存器配置、用于定时器中断以及串行接口中断的特殊功能寄存器配置，在主程序执行完毕之后，根据所选择的传感器类型、量程及采样通道信息通过串行接口由上位机发送到智能采集节点，然后由智能采集节点进行数据匹配；定时器中断服务程序中设置显示程序标志位，以决定主程序中是否调用数据采集结果显示子程序，与上位机之间进行的串行通信采用异步通信方式，将数据打包进行发送。

本发明相比现有技术，具有以下优点：

在参考现有通用数据采集模型的基础上，应用嵌入式技术，设计了一种支持多种数据传输接口的、扩展性和通用性强的数据采集系统架构，支持多种数据传输接口，同时也具有很好的可复用性。

附图说明

图1是根据本发明实施例的智能型数据采集系统的模块图。

具体实施方式

下文与图示本发明原理的附图一起提供对本发明一个或者多个实施例的详细描述。结合这样的实施例描述本发明，但是本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求书限定，并且本发明涵盖诸多替代、修改和等同物。在下文描述中阐述诸多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。出于示例的目的而提供这些细节，并且无这些具体细节中的一些或者所有细节也可以根据权利要求书实现本发明。

本发明的一方面提供了一种智能型数据采集系统。图1是根据本发明实施例的智能型数据采集系统模块图。如图1所示，实施本发明的具体内容如下：

本系统首先设置一台采集系统服务器，该服务器通过不同的采样通道与相应的智能采集节点连接，从智能采集节点处获取需要采集的数据。不同的采样通道可以采用不同的数据传输接口，从而实现了对多种数据传输方式的支持。同时服务器可以使用RS232等接口与本地客户端相连接，为客户端提供各种数据服务。服务器与客户端之间可使用C/S方式进行数据交互；若采用以太网卡的方式，则可以将采集系统服务器通过防火墙接入Internet，远程客户端可以灵活使用C/S或B/S的方式进行数据访问。对于所采集数据的分析、处理、存储和发布，可以在采集系统服务器上进行，也可以专门增设一台数据处理服务器完成这部分工作，新增设的数据处理服务器既可以作为本地客户端也可以作为远程客户端，从采集系统服务器上获取所需原始数据。

为了使用方便，系统设计了64个采样通道，每个通道均可接不同的采集节点，可以对温度、压力、流量等传感器的模拟量输出信号进行采集。为了节省硬件成本，多路采集通道共用一个AD转换通道，分时轮流进行数据采集。

实际使用过程中，只要在确定端口连接的传感器类型、量程等参数后，通过上位机对系统进行参数配置，即可进行数据采集工作。数据采集采用开环系统，数据采集系统在对多种类型的数据进行采集时，为了保证数据采集系统的通用性，采用整流器将各种传感器输出的模拟电信号均转换为恒定的电流信号，然后通过采样电阻进行电压采样，接下来通过通道采集选择器进行轮询，在某一时刻只允许某一个采样通道的模拟量被采样保持，再经过AD转换后传送到显示器显示采样结果或通过串行接口发送采样数据。

在硬件设计环节，每路采样通道的硬件结构完全相同，在软件设计时，可以根据所需采集的不同数据类型和数量，合理分配采样通道，配置相关参数，并编制相应的数据采集和处理程序。

将各种类型及不同量程的传感器通过相应的整流器将输出信号统一成恒定的电流信号，首先是考虑到采样端口的通用性，这样使传感器经整流器后的输出信号可以和任意数据采集端口相连，其次，当传感器与数据采集系统距离较远时，涉及到信号传输问题，如果传感器的输出是电压信号，长距离的导线传输会引起原始信号的衰减，导致数据采集错误，尤其是在工业应用场合，还容易受到外界干扰，因此整流器的采用可以提高系统的稳定性和端口的通用性。

由于多路数据采集通道共用一个AD转换器，采用分时轮流采集的方式进行AD转换，每次AD转换及数据处理时间约为10ms，因此，每一路数据采集通道的数据采集频率最高可达100Hz，可满足常用的温度、压力、流量等中低频变化的物理量数据采集要求。

1.采集系统服务器的设计

采集系统服务器的功耗很小，但是为了进一步提高系统的可靠性，在进一步的实施例中为其增设了一台UPS电源。采集系统服务器内部包括两大功能模块，一个是处理模块，另一个是采样通道。处理模块与各采样通道交互并采集数据的同时，还要负责完成本地人机界面交互以及与多个客户端进行数据通信。各采样通道负责与相应的智能采集节点通信。

处理模块与多个采样通道相连，每一个采样通道负责实现一种传输接口，这样就可以灵活的扩展传输方式而无需修改处理模块，支持的数据传输接口及其实现方法将在下文介绍。处理模块与多个采样通道通过四条线采用一对多的方式进行连接，这四条线分别是数据信号线、同步信号线、中断信号线和地线。

当需要交互数据时，首先由处理模块将中断信号线上的电平拉低并保持足够长的时间后再将其拉回高电平(即发出一个外部中断信号)，所有采样通道接收到这个外部中断信号后，转入自己的外部中断处理过程。然后处理模块与各采样通道通过数据信号线和同步信号线进行数据交互。

数据交互过程是：1、处理模块先将欲访问的采样通道的地址码(一个字节)发送出去，只有与该地址对应的采样通道才会发回响应，其他采样通道便会退出中断处理过程，不再参与此次数据交互。2、处理模块若接收到采样通道的响应，则继续将其他数据发往该采样通道。3、若处理模块所发数据要求采样通道返回数据，则处理模块在发送完数据之后马上转入数据接收状态。而采样通道将处理模块要求的数据发送给处理模块后结束本次数据交互过程。处理模块与采样通道的数据传输按照I²C接口协议进行。采用这样的连接方式就使得采样通道可以非常灵活地进行扩展，不论采样通道采用何种类型的MCU来实现，只要其符合相应的接口时序和数据帧规范即可。

2.智能采集节点和数据传输接口

采样通道通过连接特定类型的接口电路实现特定的数据传输方式，接口电路可以是RS232、蓝牙、GPRS等类型。根据接口电路类型的不同，采样通道有时只能对应一个智能采集节点，如RS232传输接口；有时却可以同时对应多个智能采集节点，如蓝牙、CAN等传输接口。这些智能采集节点的接口电路和相应采样通道的接口电路必须同类型。智能采集节点除了要和采样通道进行数据交互以外，同时还具有传感器数据采集功能、人机交互接口和与其他MCU进行交互的接口。这样就使得智能采集节点可以被扩展为一个独立的传感器网络。

对于采样通道来说，由于接收处理模块发来的指令并做出响应具有最高的优先级，一定要保证这一功能的实时性要求，故而将这一功能的实现放在了单片机的外部中断服务程序中去完成，这个中断的触发是由处理模块的特定引脚完成。而获取最新智能采集节点信息并与之交互数据这一功能具有周期性的特点，故将其放在了单片机的2Hz定时中断服务程序中。主程序比较简单，在完成硬件的初始化工作之后，只需将外部中断和相应的定时器中断打开即可。接口电路采用了无线串口传输方式。

本发明的系统在硬件设计上，主控芯片采用基于增强型精简指令集结构的低功耗8位CMOS微控制器。片内集成了16KB的Flash程序存储器、1K字节的SRAM、512字节的EEPROM；32个通用工作寄存器；2个8位的定时器；UART通用串行接口；SPI同步串行接口以及片内模拟比较器；且片内具有可编程看门狗定时器，具有很好的抗干扰能力。

AD转换器采用10位的逐次逼近型ADC，用于进行模拟量到数字量的转换。ADC包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定。ADC的参考电压源VREF反映了ADC的转换范围。片内的2.56V参考电压通过内部放大器产生。由于VREF的阻抗很高，因此只能连接容性负载，基准电压可以通过在外接引脚上增加一个电容进行解耦，以更好地提高参考电压的抗噪性。

系统采用片内2.56V基准电压作为VREF，各个通道均采用100Ω的精密电阻作为采样电阻，采样分辨率为2.5mv。实际测量过程中，例如针对量程为0～100℃温度传感器进行采样时，输出电流4～20mA，对应的采样电压为400～2000mv。

为了节省硬件管脚资源，通道采集选择器由一片3输入8输出译码器芯片和8个模拟开关芯片组成。每个模拟开关芯片为8路模拟开关，可选通8路采样通道。8片模拟开关采用并联方式，通过单片机编程，将模拟开关的选通信号和译码器产生的片选信号相结合，便可对多路采样通道进行选择。

在人机交互环节，用户将选用的传感器类型、量程以及该传感器占用的采样通道等信息通过上位机传递给数据采集系统服务器，数据采集系统则根据相应信息进行数据采集和数据处理后将结果发送给上位机或直接进行显示。除上述公用硬件设备外，在针对特定的参数进行数据采集时，需要根据所需采集数据的量程范围、测量精度、分辨力等指标选用相应的传感器，并配备相应的整流器。

在软件设计方面，系统软件采用模块化的形式进行编程。主程序主要完成数据采集工作。主程序初始化内容包括CPU管脚配置、寄存器配置、用于定时器中断以及串行接口中断的特殊功能寄存器配置等。参数配置则是根据所选择的传感器类型、量程及采样通道等信息通过串行接口由上位机发送到智能采集节点，然后由智能采集节点进行数据匹配。AD转换则根据当前选通的采样通道获取的信息进行模拟量到数字量的转换。数据处理则是根据此前参数配置的结果进行相应的计算，得到所采集的实际温度、压力、流量等数据信息，然后将结果存入设定的存储区域，等待显示子程序调用相应数据进行显示，或在智能采集节点接收到发送采样数据命令后，将结果向上位机发送。定时器中断服务程序中设置显示程序标志位，以决定主程序中是否调用数据采集结果显示子程序。与上位机之间进行的串行通信采用异步通信方式，将数据打包进行发送。

综上所述，本发明提出了一种智能型数据采集系统，在参考现有通用数据采集模型的基础上，应用嵌入式技术，设计了一种支持多种数据传输接口的、扩展性和通用性强的数据采集系统架构，支持多种数据传输接口，同时也具有很好的可复用性。

显然，本领域的技术人员应该理解，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算系统来实现，它们可以集中在单个的计算系统上，或者分布在多个计算系统所组成的网络上，可选地，它们可以用计算系统可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储系统中由计算系统来执行。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (4)

1.一种智能型数据采集系统，其特征在于，所述系统包括采集系统服务器、客户端、上位机以及智能采集节点，所述服务器通过多个采样通道与相应的智能采集节点连接，从智能采集节点处获取需要采集的数据，所述多个采样通道采用不同的数据传输接口，同时服务器使用多种接口与本地客户端相连接，为客户端提供数据服务；所述多个采样通道的每个通道均可接入不同的采集节点，可以对温度、压力或流量传感器的模拟量输出信号进行采集，多路采集通道共用一个AD转换通道，分时轮流进行数据采集；

所述上位机用于在实际使用过程确定端口连接的智能采集节点的传感器类型、量程参数后，通过对数据采集系统进行参数配置以进行数据采集，数据采集采用开环系统，所述多个采样通道包括整流器和通道采集选择器，在对多种类型的数据进行采集时，采用整流器将各种传感器输出的模拟电信号均转换为恒定的电流信号，然后通过采样电阻进行电压采样，然后通过通道采集选择器进行轮询，在某一时刻只允许某一个采样通道的模拟量被采样保持，再经过AD转换后传送到客户端的显示器显示采样结果，或通过串行接口发送采样数据；

每路采样通道的硬件结构完全相同，在软件设计中根据所需采集的不同数据类型和数量，分配采样通道，配置相关参数，并编制相应的数据采集和处理程序。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述服务器与客户端之间可使用C/S方式进行数据交互；对于所采集数据的分析、处理、存储和发布在采集系统服务器上进行。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述AD转换通道包括AD转换器，该AD转换器采用10位的逐次逼近型ADC，用于进行模拟量到数字量的转换，ADC包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定，所述通道采集选择器由一片3输入8输出译码器芯片和8个模拟开关芯片组成，每个模拟开关芯片为8路模拟开关，可选通8路采样通道，8片模拟开关采用并联方式，通过单片机编程，将模拟开关的选通信号和译码器产生的片选信号相结合，便可对多路采样通道进行选择；

用户将选用的智能采集节点中传感器类型、量程以及该传感器占用的采样通道信息通过上位机传递给采集系统服务器，采集系统服务器则根据相应信息进行数据采集和数据处理后将结果直接进行显示，在针对特定的参数进行数据采集时，根据所需采集数据的量程范围、测量精度、分辨力指标选用相应的传感器，并配备相应的整流器。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述采集系统服务器内部包括两大功能模块，一个是处理模块，另一个是采样通道；处理模块与各采样通道交互并采集数据的同时，还负责完成本地人机界面交互以及与多个客户端进行数据通信，各采样通道负责与相应的智能采集节点通信；处理模块与多个采样通道相连，每一个采样通道负责实现一种传输接口，处理模块与多个采样通道通过四条线采用一对多的方式进行连接，分别是数据信号线、同步信号线、中断信号线和地线；当需要交互数据时，首先由处理模块将中断信号线上的电平拉低并保持足够长的时间后再将其拉回高电平，即发出一个外部中断信号，所有采样通道接收到这个外部中断信号后，转入自己的外部中断处理过程，然后处理模块与各采样通道通过数据信号线和同步信号线进行数据交互；所述数据交互过程是：1、处理模块先将欲访问的采样通道的地址码以一个字节发送出去，只有与该地址对应的采样通道才会发回响应，其他采样通道退出中断处理过程；2、处理模块若接收到采样通道的响应，则继续将其他数据发往该采样通道；3、若处理模块所发数据要求采样通道返回数据，则处理模块在发送完数据之后马上转入数据接收状态；而采样通道将处理模块要求的数据发送给处理模块后结束本次数据交互过程；处理模块与采样通道的数据传输按照I²C接口协议进行；

所述采样通道通过连接特定类型的接口电路实现特定的数据传输方式，所述接口电路包括RS232、蓝牙、GPRS；智能采集节点除了要和采样通道进行数据交互以外，同时还具有传感器数据采集功能、人机交互接口和与其他MCU进行交互的接口，使得智能采集节点可以被扩展为一个独立的传感器网络；

系统软件采用模块化的形式进行编程，主程序完成数据采集工作，主程序初始化内容包括CPU管脚配置、寄存器配置、用于定时器中断以及串行接口中断的特殊功能寄存器配置，在主程序执行完毕之后，根据所选择的传感器类型、量程及采样通道信息通过串行接口由上位机发送到智能采集节点，然后由智能采集节点进行数据匹配；定时器中断服务程序中设置显示程序标志位，以决定主程序中是否调用数据采集结果显示子程序，与上位机之间进行的串行通信采用异步通信方式，将数据打包进行发送。