智慧型數據採集

智慧型數據採集作為一種利用現代化智慧型手段採集所需數據的實用電子技術，被廣泛地運用到信號的檢測、設備的監測、信號的處理、儀器和儀表的檢測等等很多領域。伴隨著國內外單片機的智慧型數據採集系統的發展和其自身的便捷高效的特點，智慧型數據採集系統得到越來越多的國內廠商和用戶的支持。這個領域的企業也越來越重視這方面的研究與開發。

基本介紹

• 中文名：智慧型數據採集
• 外文名：Intelligence Data Collection
• 套用領域：工業生產和數據科研
• 所屬學科：信息科學
• 處理流程：濾波、採樣、存儲和處理
• 硬體設計：感測器、顯示器、通信接口等

簡介

智慧型數據採集作為一種極其實用的電子技術，被廣泛地運用到信號的檢測、設備的監測、信號的處理、儀器和儀表的檢測等等很多領域。隨著資訊時代的來臨，信息技術特別是數位化技術得到了不斷的發展，因而智慧型數據採集系統的設計也得到了不斷的改進和完善，當今的數據採集技術實現了速度的提高、數據量的增大、數據通道的增多等很多方面的發展，而基於單片機的智慧型數據採集系統更是憑藉其緊湊的結構特點、穩定的工作性能、良好的可擴展性、豐富的功能等優點得到了充分的重視和廣泛的套用。因而，我們因該在充分利用和發揮基於單片機的智慧型數據採集系統的上述優點的同時，對基於單片機的智慧型數據採集系統進行進一步的分析和研究，以實現對該系統設計的最佳化和完善，進一步發揮該系統在工業生產和數據科研等當面的重要作用。

數據採集

在數據採集系統中,處理流程一般包括濾波、採樣、存儲和處理四個環節。一個模擬信號首先經過預採樣濾波器,對信號進行調理;然後,採樣器在每一個採樣時刻讀出一個數據;再由模數轉換器ADC量化為二進制數碼,數據最後保存到存儲器用於數位訊號處理。

智慧型數據採集發展趨勢

國外發展趨勢：智慧型數據採集系統在國外已經得到廣泛的利用，其中該系統在工業行業最早套用，使得外國工業得到快速發展，工業質量和水平得到飛速提高。

國內的發展趨勢：伴隨著國外單片機的智慧型數據採集系統的發展和其自身的便捷高效的特點，智慧型數據採集系統得到越來越多的國內廠商和用戶的支持。這個領域的企業也越來越重視這方面的研究與開發。

智慧型數據採集系統的重要性

單片機是一種積體電路晶片。它套用超大規模積體電路技術把具有數據處理能力的中央處理器 CPU、隨機存儲器 RAM、唯讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統、定時器、計時器等功能（還可能包括顯示驅動電路、脈寬調製電路、模擬多路轉換器、A/D 轉換器等電路）集成到一塊矽片上，組成一個小而完善的計算機系統。而單片機的智慧型數據採集系統是一種集計算機、現代感測、信息融合、人工智慧、自動化及通訊等高科技技術於一體的，運用多感測器進行數據採集，微控制器進行數據分析處理，系統的套用 PID 控制技術的數據採集系統。單片機的這種智慧型數據採集系統在我們的生活的各個領域都有著廣泛的套用。它的套用大到飛彈的導航裝備、飛機的儀表控制、計算機網路通訊與數據傳輸及工業的制動化，小到轎車的安全保障系統、錄像機、攝影機、全自動洗衣機的智慧型控制及電子玩具等。尤其是近幾年來，自動控制機器人，各大智慧型儀表、智慧型機械等的快速發展更是離不開單片機的智慧型數據採集系統。

隨著社會的進步，人們對智慧型化的要求越來越高，這就使得單片機的智慧型採集系統顯得越來越重要，越來越被人們依賴。因此，對單片機的智慧型數據採集系統的進行更深入的研究就越來越有必要。

基於單片機的智慧型數據採集系統

總體分析

單片機的智慧型數據採集系統設計主要分為兩部分，一部分是硬體系統設計，它包括前段感測器、單片機、液晶顯示器和 SUB 通信接口。其中，單片機是數據採集系統中完成信號轉換的核心部件，它能夠對轉化後的數據信息進行運算整理並通過液晶顯示器進行即時展現；而 USB 通信接口則是數據採集系統功能的進一步補充。它可以直接快速的將採集到的數據傳到PC，利用 PC 的數據處理速度快、儲存量大的特點將數據快速的分析處理。另外，SUB 還具有可以提供電源的優點。

另一部分是軟體設計。該系統的軟體由主程式、系統監控軟體、定時與中斷系統程式等組成。單片機的硬體系統與軟體系統只有在緊密聯繫，通力合作的相互協調的情況下才能構成一個高端的數據採集系統。在對系統進行研發的過程中，不可將兩者分開單獨進行設計研究，要根據兩者之間的關係，例如，設計硬體時要注意系統的功能及軟體的可實現性，同時，設計軟體時要考慮用硬體的工作原理和硬體的配置問題。總之，單片機的智慧型採集數據系統是一個極其複雜的高端系統，在探索研究的過程中要時時注意硬體與軟體是一個緊密聯繫的整體，決不可將兩者單獨分析研究。

硬體組成設計

在單片機的智慧型採集數據系統中，其硬體系統是基礎。它的電路設計最好選擇標準化的、通用的電路，並且符合單片機套用系統的一般用法。當單片機外接電路較多、較複雜時，就要考慮硬體系統的驅動能力。此外，硬體系統的可靠性和抗電磁干擾的能力是硬體設計中不可或缺的一部分，且其可靠性和抗電磁干擾能力與硬體自身的結構材料有關，應給與充分的認識和嚴格的對待。同時，在硬體設計過程中，要儘可能的考慮到軟體的程式設計，如果軟體可以完成的功能，則就用軟體設計的方法實現，從而使得硬體的設計更加簡捷輕便。

A/D採樣模式設計

TLC1543 是採用 SPI 技術的模擬數字轉換器，其特點有輸入通道多、速度快、解析度高、性價比高，易於單片機接口等。它的控制 CS,I/OCLOCK,ADDRESS 和數據輸出端DATAOUT 遵循串列外設接口的 SPI 協定。單片機，TLC1543 再加上少量的外圍輔助器可以組成一個性價比較高的只能數據採集系統。由於，TLC1543 占用很少的單片機資源，所以，單片機有足夠的資源和空間完成顯示、控制功能。

TLC1543 有兩個工作周期：訪問周期和採樣周期。運行中由 CS 控制使能和禁止，但 CS 必須防低電平。CS是高電平時，I/OCLOCK 和 ADDRESS 就會同時被禁止，DATAOUT為高阻狀態。當CPU 時 CS 降低時，TLC1543 開始進行數據轉換，I/OCLOCK 和 ADDRESS 使能，DATAOUT 變回原狀態。接著，在 CPU的控制下實現模擬輸入和保持電路。同時，I/OCLOCK 端輸入時鐘時序，CPU 從 DATAOUT 處接受前一次 A/D 的轉換結果。其中，始終序列的長度為 10 個時鐘，前四個時鐘通過利用 4 位地址從 ADDRESS裝載地址暫存器來選擇模擬通道，後六個時鐘控制模擬輸入的採樣。所以，模擬是虛的採樣開始於第四個時鐘序列。DATAOUT 引腳脫離高阻狀態引起一次 I/OCLOCK 工作過程。最終由 CS 的上升沿終止並在一定的延緩時間內使 DATAOUT 的引腳返回到高阻狀態。在這兩個工作周期後禁止 I/OCLOUCK 和 DATAOUT 端。TLC 的工作時序如圖。

軟體設計部分

單片機程式設計

單片機是由 C 語言設計的，設備正常工作的核心程式。它的作用是：控制A/D 模組的數據採集；控制RT12864M 使之時時顯示採集來的信號；實時上傳即時的數據給PC；控制晶片接受和處理 SUB 驅動程式的請求。單片機的程式主要分四個部分：初始化部分，數據處理部分，顯示監控部分和 USB 通信部分。初始化部分主要負責當設備上電後，對設備進行初始化的配置；數據處理模組主要是對前端採集來的數據進行簡單的預處理，解碼主機請求，並對主機的請求進行適當的處理；顯示監控部分則是對採集的信息進行實時顯示；USB 通信部分將主機與前端採集信息的硬體進行信息的反饋，它是固件設計的重中之重。單片機將大的程式分為四部分的特點，大大提高可設計的可靠性，使其可讀性方便，軟體升級簡單。

驅動程式設計

驅動程式是處於軟體和硬體之間的方便兩者之間的信息交流的軟體組件。當 SUB 初次接入設備時，系統將會自動識別並為其安裝驅動程式，之後當滑鼠鍵盤等類似的設備再接入時，作業系統將會對其進行掃描查詢，這時，用戶就不能主機的數據進行監控，所以，安裝專用的驅動程式就顯得尤為重要。

Windows 驅動程式要用專業的工具進行開發，而且過程十分複雜。這種專業的工具的種類很多，在這以 WINDRIVER 為例。這種工具軟體能夠自動安裝 SUB 設備驅動程式，能夠大大減少研發者的工作難度和工作量。

應用程式設計

應用程式能夠為用戶提供用戶界面，使用戶實現對設備的監管和控制。它的設計也要運用 driver wizard。

首先，打開 driver wizard，創建新的視窗；選擇需要的 SUB 設備，然後選擇 generate code，出現一個應用程式的工程原始碼。最後，對所建的程式進行編譯連線，得到一個能夠執行的程式。

智慧型數據採集的構想

可程式的智慧型數據採集設備

數據採集設備提供一個可程式的配置接口，信令監控系統只是維護管理固定結構的XDR表，用於自身的功能需求。可程式的配置接口可以訪問原始的數據包、解碼後的信息單元以及固定結構的 XDR 表，網路數據採集處理設備會根據配置接口將相關的 XDR及擴展自定義的欄位輸出至第三方的應用程式或套用雲端。從而實現網路監測功能和第三方套用需求的分離，如圖所示。

雲端統一接口的配置維護

數據採集設備的可程式配置檔案，可由在雲端的控制器統一管理、修改和保存，並下發到各個採集設備上。維護人員只需在雲端做好配置檔案，各個採集設備就可自動升級配置，輸出給第三方套用平台。

採用智慧型數據採集設備可以實現網路監測功能和第三方套用的需求的分離，解決XDR或KPI的現有欄位無法滿足第三方套用，以及重複建設數據採集平台的問題。