數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案解析

引言

數(shù)據(jù)采集是指將溫度、壓力、電壓、電流、位移、流量等模擬量采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示或打印的過程，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對工業(yè)安全生產(chǎn)和現(xiàn)代化管理要求越來越高，數(shù)據(jù)采集儀不但需要采集現(xiàn)場各種傳感器信號，有時(shí)還需要進(jìn)行音頻和視頻的采集和傳輸，以便監(jiān)控人員可以更好的掌握現(xiàn)場信息。當(dāng)今，雖然許多高速度、高分辨率、大存儲(chǔ)量的高性能數(shù)據(jù)采集儀不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集儀仍存在CPU頻率低、處理能力有限的問題。由于音頻和視頻信號的數(shù)據(jù)量巨大，單臺(tái)便攜式數(shù)據(jù)采集儀很難完成各種傳感器信號與音視頻信號實(shí)時(shí)的采集及傳輸，許多數(shù)據(jù)采集中都會(huì)采用多臺(tái)設(shè)備把音頻、視頻和其它工業(yè)現(xiàn)場傳感器信號分開采集傳輸?shù)姆绞?，這種數(shù)據(jù)采集方法具有安裝維護(hù)成本高、占用空間大等缺點(diǎn)。

本文針對目前采集儀CPU頻率低、數(shù)據(jù)處理能力有限而造成的單臺(tái)采集儀難以對工業(yè)現(xiàn)場各種信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集及傳輸?shù)膯栴}進(jìn)行研究，提出了對音視頻進(jìn)行硬件壓縮編碼的方案。采集儀把采集到的音頻和視頻信號分別進(jìn)行了MP3和H.264格式的硬件壓縮編碼，大大減少了數(shù)據(jù)處理過程中的CPU資源占用及數(shù)據(jù)傳輸過程中的帶寬占用，解決了便攜式數(shù)據(jù)采集儀難以實(shí)現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場多種數(shù)據(jù)一體化采集傳輸?shù)膯栴}。本采集儀集工業(yè)現(xiàn)場多種信號采集、處理、傳輸為一體，具有集成度高、體積小、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 數(shù)據(jù)采集儀結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)一體化數(shù)據(jù)采集的要求，采集儀集多種數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸為一體，其組成如圖1所示：數(shù)據(jù)采集儀核心處理芯片采用Samsung公司推出的16位/32位RISC微處理器S3C6410，它具有64位/32位內(nèi)部總線架構(gòu)，包括多個(gè)硬件加速器，其內(nèi)部集成的一個(gè)多格式編解碼器(MFC)支持多種格式的硬件編解碼。另外，S3C6410包括許多硬件外設(shè)(如一個(gè)相機(jī)接口，TFT24位真彩色液晶顯示控制器，系統(tǒng)管理器，4通道UART，32通道DMA，通用的I/O端口，IIS總線接口，IIC總線接口，USB主設(shè)備等)，大大減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)總成本，提高了系統(tǒng)性能。數(shù)據(jù)采集部分包括傳感器輸出信號、音頻及視頻信號采集。CPU把采集到的傳感器信號進(jìn)行處理和判斷，若信號超出正常值范圍則采集儀發(fā)出警報(bào)，并且通過S3C6410的GPIO引腳控制外部相關(guān)設(shè)備發(fā)生動(dòng)作。采集儀內(nèi)置大容量Nand Flash和SD卡，可將現(xiàn)場采集到的信號進(jìn)行長時(shí)間保存。在通信方面，采集儀采用雷凌公司生產(chǎn)的RT3070無線通信模塊與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行無線通信，RT3070模塊為在嵌入式下應(yīng)用的支持802.11n協(xié)議的USB接口高速WIFI模塊，無線通信速率可高達(dá)150Mbps。因?yàn)樵贏RM應(yīng)用中，數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)電路及串口和以太網(wǎng)通信電路的設(shè)計(jì)已經(jīng)非常普及，本文將重點(diǎn)對數(shù)據(jù)采集部分的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。

傳感器信號采集

工業(yè)上常用模擬傳感器輸出信號為4mA-20mA電流和0-5V電壓。由于信號傳輸過程中經(jīng)常受到外界環(huán)境中其它電磁波的干擾發(fā)生畸變，有時(shí)畸變還很嚴(yán)重，導(dǎo)致采集儀對現(xiàn)場情況判斷錯(cuò)誤而指揮機(jī)器發(fā)生誤動(dòng)作，影響了公司的生產(chǎn)效益，有時(shí)甚至造成人的生命及巨額的財(cái)產(chǎn)損失。所以，需要對采集到的信號首先進(jìn)行濾波處理。本設(shè)計(jì)中將工業(yè)輸出的模擬信號首先經(jīng)過濾波器濾去高頻后再送入A/D模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換生成的數(shù)字信號通過SPI接口被S3C6410讀取。

濾波電路設(shè)計(jì)

濾波，本質(zhì)上是從被噪聲畸變和污染了的信號中提取原始信號所攜帶的信息的過程。采集儀濾波電路如圖2所示，因?yàn)闉V波及AD轉(zhuǎn)換信號為電壓信號，所以在電流輸入端加入了一個(gè)250Ω的精密電阻和一個(gè)電壓跟隨器，電流信號首先通過精密電阻轉(zhuǎn)換為1V-5V電壓信號，再經(jīng)過電壓跟隨器進(jìn)行阻抗匹配后進(jìn)入濾波電路濾去高頻干擾。對于電壓輸入則直接進(jìn)入濾波電路進(jìn)行濾波。在濾波電路中，因?yàn)榘吞匚炙鬼憫?yīng)能夠最大化濾波器的通帶平坦度，特別適用于低頻應(yīng)用，其對于維護(hù)增益的平坦性來說非常重要，所以本設(shè)計(jì)采用巴特沃斯二階低通濾波器。電壓信號經(jīng)過由運(yùn)放LM324構(gòu)成的二階巴特沃斯濾波器進(jìn)行低通濾波，濾波完成后，信號進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。根據(jù)巴特沃斯二階濾波器特性可知濾波器的截止頻率為：

圖2 低通濾波電路

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A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)采集中經(jīng)常需要把模擬信號轉(zhuǎn)換成處理器可以識別的數(shù)字信號，以便采集儀可以對信號進(jìn)行處理和傳輸，這就要用到A/D轉(zhuǎn)換電路。A/D轉(zhuǎn)換器從變換原理來看，主要有并行比較型、逐次逼近型和雙積分型等。并行比較型轉(zhuǎn)換速度快，可達(dá)數(shù)十納秒，但是價(jià)格昂貴，非必要時(shí)一般不會(huì)采用;雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間較長一般要達(dá)到40ms~50ms;逐次逼近型具有較高轉(zhuǎn)換速度，可達(dá)幾微秒，價(jià)格適中。本設(shè)計(jì)采用ADI公司生產(chǎn)的AD7689芯片來對濾波后的電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。AD7689是一款采用單電源供電的8通道、16位分辨率、無失碼、電荷再分配逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。AD7689使用簡單的SPI接口實(shí)現(xiàn)配置寄存器的寫入和轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出。

音頻采集設(shè)計(jì)

嵌入式產(chǎn)品一大特點(diǎn)是CPU資源有限，為了減輕CPU在數(shù)據(jù)處理中的負(fù)擔(dān)及減少數(shù)據(jù)傳輸所需的帶寬，本設(shè)計(jì)對采集到的音頻和視頻數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了硬件壓縮編碼。音頻采集處理中采用Micronas半導(dǎo)體設(shè)計(jì)及制造公司生產(chǎn)的MAS3587芯片。該芯片集成了前放以及A/D轉(zhuǎn)換模塊，支持模擬和數(shù)字串并行兩種方式輸入輸出，具有MPEG1/2 layer3格式編碼和MPEG1/2 layer2 and layer3格式解碼功能。芯片內(nèi)部包含耳機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，模擬輸出信號可以不經(jīng)過放大直接驅(qū)動(dòng)耳機(jī)。音頻采集電路如圖4所示，MAS3587接收到模擬信號輸入后，先通過芯片的A/D部分將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后將A/D轉(zhuǎn)換后輸出的數(shù)字信號送入芯片內(nèi)置的MP3壓縮編碼模塊完成MP3格式的編碼。圖4中，S3C6410通過I2C總線對MAS3587芯片進(jìn)行初始化，通過握手信號線與并行數(shù)據(jù)線讀出經(jīng)過MP3格式編碼后的音頻數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)及傳輸。

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其它模塊設(shè)計(jì)

視頻采集

在視頻采集上，因?yàn)镾3C6410處理器內(nèi)部集成了多媒體編解碼器(MFC)，支持MPEG4/H.263/H.264編解碼和VC1的解碼，能夠提供實(shí)時(shí)的視頻會(huì)議以及NTSC和PAL制式的TV輸出。另外，S3C6410集成了CameraIF接口，支持ITU RBT-601/656YCBCr 8位標(biāo)準(zhǔn)，最大輸入尺寸為4096×4096像素。本設(shè)計(jì)充分利用S3C6410的片上資源即可完成視頻的采集及硬件壓縮編碼。視頻采集直接通過S3C6410的CameraIF接口與OV9650攝像頭相連采集現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)，再通過芯片內(nèi)置的MFC模塊對采集到的視頻信號進(jìn)行H.264格式的硬件壓縮編碼。

WIFI通信

采用無線的方式與上位機(jī)進(jìn)行通信，采集數(shù)據(jù)時(shí)大大減少了環(huán)境上的限制，無線數(shù)據(jù)采集具有安裝便捷、使用靈活、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，可以隨時(shí)改變數(shù)據(jù)采集位置，上傳數(shù)據(jù)時(shí)也非常方便。為了滿足大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性傳輸?shù)囊螅杉瘍x采用了802.11n協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通信。802.11n協(xié)議是Wi-Fi聯(lián)盟在802.11a/b/g后面的一個(gè)無線傳輸標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，它比802.11a/b/g具有更快的數(shù)據(jù)傳輸速度和更強(qiáng)的信號穩(wěn)定性。協(xié)議目的是為實(shí)現(xiàn)高帶寬、高質(zhì)量的WLAN服務(wù)，使無線局域網(wǎng)達(dá)到以太網(wǎng)的性能水平。在此，我們采用雷凌RALINK RT3070高速無線網(wǎng)卡，此網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)支持Windows CE、Linux等嵌入式操作系統(tǒng)，兼容IEEE802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，具有體積小、信號穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸速度快(最高可達(dá)150Mbps)等優(yōu)點(diǎn)。

結(jié)語

本文以工業(yè)現(xiàn)場傳感器及音視頻信號的一體化采集為研究內(nèi)容，把數(shù)據(jù)量巨大的音頻及視頻信號分別進(jìn)行了硬件壓縮編碼，節(jié)省了CPU數(shù)據(jù)處理過程中的資源占用及數(shù)據(jù)傳輸帶寬。利用S3C6410處理器集成度高、數(shù)據(jù)處理速度快的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了集多種物理量采集、處理、傳輸為一體的數(shù)據(jù)采集儀硬件平臺(tái)。該采集儀具有體積小、集成度高、信號穩(wěn)定、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，可用于井下、電站、工廠等場所的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控，具有廣闊的應(yīng)用前景。