一種通用數據採集裝置及其數據採集方法
2023-04-30 00:19:21 2
專利名稱：一種通用數據採集裝置及其數據採集方法
技術領域：
本發明屬於數據採集技術領域，特別涉及一種通用數據採集裝置及其數據採集方法；用 於監測電信機房、基站、電力變電站、電廠的動力參數，檢測氣象環境參數，以及生產過程 中複雜工況、無人值守工業現場中各類狀態信號的檢測，流體管道的運行狀況監控，環境監 測等。
背景技術：
由於現場應用條件的多樣性，致使對數據採集裝置的要求也是多樣的。現有的數據採集 裝置普遍存在功能單一，智能化水平低，節能性不高，可靠性差的問題。例如申請號為 200620017378.3的中國專利"通用數據採集器"，其釆用模塊化設計，綜合運用數據採集、 數據處理及通信於一體；雖然其通用性、智能化水平及裝置運行的可靠性都得到了提高，但 其仍然存在以下問題
(1) 數據採集精度不高，變送器採集的信號沒有經過精濾波處理，沒有消除信號中的幹 擾，所發送到數據精度不高；
(2) 節能性不強，在不需要連續工作且能源有限的環境中不能使用，裝置的應用現場必 須配備連續的供電設備，使用條件受限；不僅投資增大，維護困難，而且性價比低；
(3) 複雜工況下通信能力不強，由於裝置採用串行接口通過網絡實現數據的遠距離傳輸， 在無法連接網絡的工況下無法使用，通信性能受到局限；
(4) 系統運行可靠性差，易受到幹擾而導致故障或崩潰；
(5) 智能化水平不高，進行數據採集時受現場傳感器類型的限制。 發明內容-
針對現有技術存在的不足，本發明提供一種可進行連續信號和離散信號的多路採集、通 用性強、採樣精度高的通用數據採集裝置及其數據採集方法。
為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案， 一種通用數據採集裝置，包括微處理器、 電源模塊、計數器、A/D轉換器及信號智能調理板，多路離散信號輸入接口通過信號智能調 理板中的光電隔離電路與計數器的輸入端相連接，多路連續信號輸入接口通過信號智能調理 板中的信號模糊調理電路與A/D轉換器的輸入端相連接；所述的微處理器通過數據總線分別 與A/D轉換器和計數器的輸出端相連接，所述的電源模塊與微處理器相連接，用於為微處理 器提供工作電壓。
在多路連續信號輸入接口與信號智能調理板上的信號模糊調理電路之間連接有阻容濾波電路，所述的阻容濾波電路的輸入端與多路連續信號輸入接口相連接，所述的阻容濾波電路 的輸出端與信號模糊調理電路的輸入端相連接。
本發明的通用數據採集裝置還設置有通訊模塊，所述的通訊模塊包括GPRS通訊系統、網 絡晶片及USB通訊接口； GPRS通訊系統通過串口與微處理器相連接，實現與主監控室的無線 遠程通訊，電源模塊與GPRS通訊系統相連接，用於為GPRS通訊系統提供工作電壓；網絡芯 片與微處理器相連接，用於連接乙太網，與上位機進行通訊；USB通訊接口與微處理器相連 接。
本發明的通用數據採集裝置還設置有人機互動模塊，所述的人機互動模塊包括鍵盤、顯 示器，所述的鍵盤、顯示器分別與微處理器相連接。
本發明的通用數據採集裝置還設置有外部存儲器,所述的外部存儲器與微處理器相連接。
所述的信號智能調理板中的信號模糊調理電路包括線性放大器，阻容濾波電路的輸出端 與線性放大器的輸入端相連接，線性放大器的輸出端與單八通道數字控制模擬開關的信號輸 入端相連接；單八通道數字控制模擬開關的輸出I/O 口與數字電位器的高電壓端相連接,單八 通道數字控制模擬開關的控制選通信號輸入端與微處理器的控制信號輸出端相連接，數字電 位器的滑動端輸出的模擬信號經放大器放大後輸出。
所述的信號智能調理板中的光電隔離電路包括光電耦合器，多路離散信號輸入接口與光 電耦合器的輸入端相連接，光電耦合器的輸出端與施密特觸發器的輸入端相連接，施密特觸 發器的輸出端經計數器與微處理器相連接。
所述的微處理器中還內置看門狗電路。
一種通用數據採集裝置的數據釆集方法，包括如下步驟
步驟一進行系統初始化；
步驟二設置連續信號和離散信號中斷向量；
步驟三離散信號中斷等待、連續信號中斷等待、看門狗中斷等待、休眠中斷等待； 若離散信號中斷到了，則響應離散信號中斷，釆集離散信號； 若連續信號中斷到了，則響應連續信號中斷，採集連續信號； 若看門狗中斷到了，則響應看門狗中斷，重新啟動系統；
若休眠中斷到了，則響應休眠中斷，保存系統設置數據，進入休眠狀態，除GPRS外，其 他外設全部掉電；然後，繼續進行喚醒中斷等待，若喚醒中斷到了，則響應喚醒中斷，系統 啟動，恢復中斷前設置；
步驟四若步驟三中採集了離散信號、連續信號，則向上位機發送數據後返回步驟三； 否則直接返回步驟三。本發明的有益效果
1、 由於本發明的微處理器採用的是S3C2410晶片，它是一種高性能、低功耗、低成本的 嵌入式微處理器，其運行頻率可達到203MHz，採用AMBAAHB總線接口，為外設提供統一的 地址和數據總線，減少了元件數量。ARM920T的32位微處理器結構帶有一個5階管線， 可以極低的功耗提供優異的性能；本發明的採集裝置的各個器件均採用低功耗元件，並且， S3C2410晶片具有休眠功能，裝置可通過GPRS通訊系統接收休眠/喚醒中斷信號，在不工作 時可進入休眠狀態，除GPRS通訊系統外，其他器件全部進入掉電狀態，使整個系統能夠最大 程度實現節能；
2、 由於本發明的採集裝置採用信號智能調理板，可對不同頻率、大小的連續信號、離散 信號進行智能分析；因此，提高了系統的智能化水平；
3、 由於本發明的信號智能調理板具有信號模糊調理電路和光電隔離電路，因此，本發明 可直接接收現場傳感器採集到的各種連續和離散信號，而不受現場傳感器型號和被檢信號類 型的限制，方便與現場SL有傳感器的配套使用，具有很強的通用性；
4、 由於本發明的採集裝置對離散信號的採集採用光電隔離技術，使離散信號與微處理器 完全隔離，具有較高的輸入阻抗和共模擬制比；對連續信號採用阻容濾波，去除高頻幹擾成 分，非標準輸入信號可在此轉換為標準信號；
5、 本發明所採用的GPRS通訊系統具有使用成本低、準確性高、對環境適應性好、易於 安裝、易於維護等特點，在原有裝置不升級換代的情況下就能實現現場網絡化管理；能夠為 用戶提供高速、永遠在線、可靠的數據傳輸服務和虛擬專用數據通信網絡服務；
6、 本發明的採集裝置採集到的數據可方便地通過網絡晶片經乙太網與上位機等後續裝置 進行通訊
7、 本發明的採集裝置可實現自動採樣，有效地提高了科學管理水平，降低了人工勞動強 度，具有良好的社會效益；
8、 本發明的採集裝置採用模塊化設計，具有良好的可擴充性；通過相應的擴展模板，不 僅可擴充輸入通道，而且可使裝置升級，保持高的性價比。
圖1是本發明的通用數據採集裝置的結構框圖2是本發明的通用數據採集裝置的數據採集方法的程序流程圖3是本發明的信號智能調理板中的信號模糊調理電路的電路原理圖4是本發明的信號智能調理板中的阻容濾波電路和光電隔離電路的電路原理圖；圖5是微處理器S3C2410晶片的硬體結構框圖6是本發明應用於石油管道洩漏的實時檢測的系統組成示意圖7是本發明應用於石油管道洩漏的實時檢測的系統結構示意其中，圖6中，1"GPRS通訊系統，2—顯示器，3—鍵盤，4—本發明的通用數據採集裝 置，5—傳感器，6—傳輸管道。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步的說明
如圖1所示， 一種通用數據採集裝置，包括微處理器、電源模塊、計數器、A/D轉換器
及信號智能調理板，多路離散信號輸入接口通過信號智能調理板中的光電隔離電路與計數器
的輸入端相連接，多路連續信號輸入接口通過信號智能調理板中的信號模糊調理電路與A/D 轉換器的輸入端相連接；所述的微處理器通過數據總線分別與A/D轉換器和計數器的輸出端 相連接，所述的電源模塊與微處理器相連接，用於為微處理器提供工作電壓。
本發明所採用的微處理器為S3C2410晶片，其內置看門狗電路，用於當系統出現軟體跑 飛時，進行自動復位。
在多路連續信號輸入接口與信號智能調理板上的信號模糊調理電路之間連接有阻容濾波 電路，所述的阻容濾波電路的輸入端與多路連續信號輸入接口相連接，所述的阻容濾波電路 的輸出端與信號模糊詢理電路的輸入端相連接。
如圖4所示，本發明的信號智能調理板中的阻容濾波電路採用阻容濾波器，其電阻、電
容的取值為及=2/^2, C = 0.47/^。
本發明的通用數據採集裝置還設置有通訊模塊，所述的通訊模塊包括GPRS通訊系統、 網絡晶片及USB通訊接口。 GPRS通訊系統通過S3C2410晶片自帶的串口 coml與S3C2410芯 片相連接，實現與主監控室的無線遠程通訊，電源模塊與GPRS通訊系統相連接，用於為GPRS 通訊系統提供工作電壓。網絡晶片通過數據總線與S3C2410晶片相連接，通過網絡通信協 議，利用乙太網實現與上位機等後續裝置的通訊；USB通訊接口與S3C2410晶片相連接。
所述的GPRS通信系統由一套GPRS信號收發裝置和SIM智慧卡組成，可以與計算機在沒 上網的情況下設置狀態，可從串口對波特率、IP位址、自動掉線時間間隔、ID號、APN接入 點名稱以及域名進行設置；通過無線通信網絡實現數據及控制信號的無線傳輸，不需要進行 有線網絡遠距離布線。而且，可定期校準系統時間，無論現場工況如何，都能通過中國移 動網絡實現無線遠程通信，實現無線遠程數據傳輸及整個裝置的遠程控制。
本發明的通用數據採集裝置還設置有人機互動模塊，所述的人機互動模塊包括鍵盤、顯示器，所述的鍵盤、顯示器均為標準設備，其分別通過內部總線與S3C2410晶片相連接，實 現人機互動功能。
本發明的通用數據採集裝置還設置有外部存儲器，所述的外部存儲器通過內部總線與 S3C2410晶片相連接，其採用flash快閃記憶體，用來存儲作業系統、程序開發軟體、通信協議、 臨時存儲採樣數據等，用於保證採樣裝置的自動運行，並完成數據通信以及提供後備數據 的傳輸。
如圖3所示，所述的信號智能調理板中的信號模糊調理電路包括線性放大器AMP1A、 AMP2B、 AMP3C，阻容濾波電路的輸出端與線性放大器AMP1A、 AMP2B、 AMP3C的輸入端相連接， 線性放大器AMP1A、 AMP2B、 AMP3C的輸出端與單八通道數字控制模擬開關U2的信號輸入端相 連接；經阻容濾波電路濾波後的-20V- +20￥的模擬信號，再經過線性放大器AMP1A、 AMP2B、 AMP3C轉換成-5V- +5V'的電壓信號。單八通道數字控制模擬開關U2的輸出I/O 口與數字電位 器Ul的高電壓端UH相連接，數字電位器Ul的低電壓端UL通過分壓電路將電壓轉換為-2V; 單八通道數字控制模擬開關U2的控制選通信號輸入端A1、 A2、 A3與微處理器的控制信號輸 出端相連接，控制選通信號輸入端A1、 A2、 A3用於控制選通單八通道數字控制模擬開關U2 的信號輸入通道;數字電位器U1的滑動端U,輸出的模擬信號經線性放大器AMP4D放大後輸出。
如圖4所示，所述的信號智能調理板中的光電隔離電路包括光電耦合器P1、 P2、 P3、 P4、 P5、 P6,多路離散信號輸入接口與光電耦合器P1、 P2、 P3、 P4、 P5、 P6的輸入端相連接，光 電耦合器P1、 P2、 P3、 P4、 P5、 P6的輸出端與施密特鵯發器U3的輸入端相連接，施密特觸 發器U3的輸出端經計數器與微處理器相連接。
S3C2410晶片是一種高性價比、低功耗的基於ARM920T內核的16/32位RISC嵌入式微處 理器，其時鐘頻率為180MHz，運行頻率可達到203MHz;適用於設計小體積、高性能嵌入式 產品；其採用O. 18um製造工藝的32位微控制器，支持Linux和WinCE等圖形桌面的操作 線EBI接口。
S3C2410晶片的硬體結構框圖如圖5所示，其內部集成有常用的外圍組件。S3C2410 晶片具有
(1) 16KB數據緩存，16KB指令緩存；
(2) 虛擬內存管理單元MMU;
(3) 16KB的內部SRAM和128KB的內部ROM;
(4) 帶有外部總線接口(EBI)，方便用戶進行升級；
(5) 支持SDRAM、 StatieMemory、 BurstFlash、無縫連接的NAND Flash/Smart Media;
(6) 增強型的時鐘發生器和電源管理單元；(7) 帶有2個有雙鎖相環的片上振蕩器；
(8) 慢速的時鐘模式和軟體電源優化能力；
(9) 4個可編程的外部時鐘信號；
(10) 周期中斷定時器、看門狗定時器和秒計數器；
(11) 具有報警中斷的實時時鐘；
(12) 帶有8個優先級、可單個屏蔽中斷源、中斷保護的先進中斷控制器；
(13) 7個外部中斷源，l個快速中斷源；
(14) 4個32位並行I/O控制器，多達122個可編程I/O 口 ；
(15) 20通道的外圍DMA控制器;
(16) 10/100M的乙太網接口;
(17) 2個全速的USB2.0主接口和一個從接口；
(18) 4個UART;
(19) 3通道16位的定時/計數器(TC);
(20) 主從串行外設接口(SPI);
(21) 兩線接口(TWI);
(22) 提供了 208引腳PQFP封裝和256球形BGA封裝。
本發明的A/D轉換器採用的型號為AC1558, AC1558為32路每路12位的A/D轉換器， 轉換時間為l.(Vs:它可以直接通過數據總線與S3C2410晶片相連接，並具有隔離功能， 將模擬輸入與S3C2410晶片隔離開，保護晶片不受外界幹擾信號的影響及損壞；AC1558 是一款功能單一的A/D轉換器，其只強調A/D採樣功能，其輸入帶有程控放大器，特別適 合多路模擬信號的採樣檢測。AC1558採用高速光耦，較通常隔離採樣板的速度有很大提 高；其自帶隔離DC/AC變換器，不需要外接電源。
所述的計數器採用的型號是AC4071，其包含九個計數/定時器，每個計數/定時器各自 獨立，它可以通過總線擴展部分直接與S3C2410晶片相連接。
所述的線性放大器AMP1A、 AMP2B、 AMP3C、 AMP4D採用的型號為TL084,所述的單八通道數 字控制模擬開關U2採用的型號為CD4051，所述的數字電位器Ul採用的型號為X9313，所述的 光電耦合器P1、 P2、 P3、 P4、 P5、 P6採用的型號為QTC4N25，所述的施密特觸發器U3採用的 型號為74LS14。
如圖2所示， 一種通用數據採集裝置的數據採集方法，包括如下步驟 一種通用數據採集裝置的數據採集方法，包括如下步驟
步驟一打開配置文件，讀取配置參數..本機埠號、本機IP、數據接收系統地址，關閉配置文件；
步驟二分配動態內存用來存放採集數據； 步驟三通信協議初始化及配置； 步驟四啟動看門狗電路；
步驟五從串口讀取GPRS通訊系統的信息來校正系統時間；
步驟六設置單八通道數字控制模擬開關初始值、採樣頻率、看門狗中斷、休眠中斷及 喚醒中斷；
步驟七設置連續信號和離散信號中斷向量；
步驟八離散信號中斷等待、連續信號中斷等待、看門狗中斷等待、休眠中斷等待； 若離散信號中斷到了，則響應離散信號中斷，採集離散信號； 若連續信號中斷到了，則響應連續信號中斷，採集連續信號； 若看門狗中斷到了，則響應看門狗中斷，重新啟動系統；
若休眠中斷到了，則響應休眠中斷，保存系統設置數據，進入休眠狀態，除GPRS外，其 他外設全部掉電；然後，繼續進行喚醒中斷等待，若喚醒中斷到了，則響應喚醒中斷，系統 啟動，恢復中斷前設置；
步驟九若步驟八中採集了離散信號、連續信號，則向上位機發送數據後返回步驟八； 否則直接返回步驟八。
本發明的工作過程如下
現場採集的多路離散信號(如流量計脈衝信號等)經多路離散信號輸入接口送入信號智 能調理板中的光電隔離電路進行整形、濾波，除去幹擾並降噪，再送入計數器；最後送入 S3C2410晶片進行處理。現場採集的多路連續信號經傳感器轉換為連續的電流或電壓信號， 再經多路連續信號輸入接口送入信號智能調理板中的信號模糊調理電路進行智能調製，除去 高頻幹擾成分、將非標準信號轉換為標準信號；然後，將標準信號送入A/D轉換器，將模擬 信號轉換為數位訊號，最後送入S3C2410晶片進行處理。S3C2410晶片通過串口接收GPRS通 訊系統的控制信號，並發送數據包，實現遠程無線通信。'當S3C2410晶片通過GPRS通訊系統 接收到休眠中斷指令時，立即進入休眠狀態，即除GPRS通訊系統外，其餘外設全部掉電； 當S3C2410晶片通過GPRS通訊系統接收到喚醒中斷指令時，系統自動啟動，恢復休眠前狀態 繼續進行數據採樣。本發明可通過網絡晶片連接乙太網實現網絡通訊或通過USB通訊接口進 行數據通訊。
本發明應用於石油管道洩漏的實時檢測 石油管道洩漏的實時檢測一直是管道輸送安全監控領域未能很好解決的難題。目前，國內所有管道輸送企業和國外絕大多數管道輸送企業均不得不採用人工巡線或停運檢修的方 法。國內外關於洩漏的實時檢測的研究集中在聲發射和漏磁檢測方面，由於技術的成本和抗 幹擾性問題，至今沒有達到實用化。
如圖6、圖7所示，使用本發明的通用數據採集裝置時，本發明與現場現有的傳感器5 等配套使用，組建所需的數據採樣系統。將本發明安裝在石油管道輸送監控站或者無人值守 的閥室，充分利用現場現有的溫度、壓力、流量傳感器進行數據採集。主監控室的上位機通 過GPRS通訊系統1接收各個監控站或者無人值守的閥室發送的數據，控制各個監控站或者無 人值守的閥室中本發明的工作狀態。本發明的通用數據採集裝置對傳感器5採集到的數據進 行處理後，通過GPRS通訊系統1發送本站的數據，同時接收和響應主監控室發送的控制信號， 具有獨立的數據處理功能。
本發明的應用，可以提高石油管道的科學管理水平，有效地對管道運行實施安全監控， 降低了工人的勞動強度，提高了勞動生產率；提高管道檢測的自動化水平，大大減輕了管道 的巡查工作壓力，減少了盲目巡査工作量。而且，可儘可能的縮短搶修時間，有效地保障了 石油管道的正常運行，降低了管道輸送企業的運營成本。本發明的應用還可以減少石油管道 盜油現象的發生，為油田經濟的髙速發展保駕護航。
1權利要求
1、一種通用數據採集裝置，其特徵在於包括微處理器、電源模塊、計數器、A/D轉換器及信號智能調理板，多路離散信號輸入接口通過信號智能調理板中的光電隔離電路與計數器的輸入端相連接，多路連續信號輸入接口通過信號智能調理板中的信號模糊調理電路與A/D轉換器的輸入端相連接；所述的微處理器通過數據總線分別與A/D轉換器和計數器的輸出端相連接，所述的電源模塊與微處理器相連接，用於為微處理器提供工作電壓。
2、 根據權利要求l所述的一種通用數據採集裝置，其特徵在於在多路連續信號輸入接口 與信號智能調理板上的信號模糊調理電路之間連接有阻容濾波電路，所述的阻容濾波電路的 輸入端與多路連續信號輸入接口相連接，所述的阻容濾波電路的輸出端與信號模糊調理電路 的輸入端相連接。
3、 根據權利要求l所述的一種通用數據採集裝置，其特徵在於該通用數據採集裝置還設 置有通訊模塊，所述的通訊模塊包括GPRS通訊系統、網絡晶片及USB通訊接口； GPRS通訊 系統通過串口與微處理器相連接，實現與主監控室的無線遠程通訊，電源模塊與GPRS通訊系 統相連接，用於為GPRS通訊系統提供工作電壓；網絡晶片與微處理器相連接，用於連接以太 網，與上位機進行通訊；USB通訊接口與微處理器相連接。
4、 根據權利要求l所述的一種通用數據採集裝置，其特徵在於該通用數據採集裝置還設 置有人機互動模塊，所述的人機互動模塊包括鍵盤、顯示器，所述的鍵盤、顯示器分別與微 處理器相連接。
5、 根據權利要求1所述的一種通用數據採集裝置，其特徵在於該通用數據採集裝置還設 置有外部存儲器，所述的外部存儲器與微處理器相連接。
6、 根據權利要求'l所述的一種通用數據採集裝置，其特徵在於所述的信號智能調理板中 的信號模糊調理電路包括線性放大器，阻容濾波電路的輸出端與線性放大器的輸入端相連接， 線性放大器的輸出端與單八通道數字控制模擬開關的信號輸入端相連接；單八通道數字控制 模擬開關的輸出I/O 口與數字電位器的高電壓端相連接,單八通道數字控制模擬開關的控制 選通信號輸入端與微處理器的控制信號輸出端相連接，數字電位器的滑動端輸出的模擬信號 經放大器放大後輸出。
7、 根據權利要求1所述的一種通用數據採集裝置，其特徵在於所述的信號智能調理板中 的光電隔離電路包括光電耦合器，多路離散信號輸入接口與光電耦合器的輸入端相連接，光 電耦合器的輸出端與施密特觸發器的輸入端相連接，施密特觸發器的輸出端經計數器與微處 理器相連接。
8、 根據權利要求1所述的一種通用數據採集裝置，其特徵在於所述的微處理器中還內置 看門狗電路。
9、權利要求1所述的一種通用數據採集裝置的數據採集方法，其特徵在於，包括如下步驟步驟一進行系統初始化；步驟二設置連續信號和離散信號中斷向量；步驟三離散信號中斷等待、連續信號中斷等待、看門狗中斷等待、休眠中斷等待； 若離散信號中斷到了，則響應離散信號中斷，採集離散信號； 若連續信號中斷到了，則響應連續信號中斷，採集連續信號； 若看門狗中斷到了，則響應看門狗中斷，重新啟動系統；若休眠中斷到了，則響應休眠中斷，保存系統設置數據，進入休眠狀態，除GPRS外，其 他外設全部掉電；然後，繼續進行喚醒中斷等待，若喚醒中斷到了，則響應喚醒中斷，系統 啟動，恢復中斷前設置；步驟四若步驟三中採集了離散信號、連續信號，則向上位機發送數據後返回步驟三； 否則直接返回步驟三。
全文摘要
一種通用數據採集裝置及其數據採集方法屬於數據採集技術領域。本發明包括微處理器，多路離散信號輸入接口通過光電隔離電路與計數器的輸入端相連，多路連續信號輸入接口通過信號模糊調理電路與A/D轉換器的輸入端相連；微處理器與A/D轉換器和計數器的輸出端相連。數據採集方法進行系統初始化；設置連續、離散信號中斷向量；進行中斷等待，若離散信號中斷到，採集離散信號；若連續信號中斷到，採集連續信號；若看門狗中斷到了，重新啟動系統；若休眠中斷到了，保存系統設置數據，進入休眠狀態；然後，進行喚醒中斷等待，若喚醒中斷到了，系統啟動，恢復中斷前設置；若採集了離散信號、連續信號，則向上位機發送數據後繼續中斷等待；否則直接中斷等待。
文檔編號G05B19/048GK101661276SQ200910187478
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月18日 優先權日2009年9月18日
發明者健 馮, 劉金海, 歷秀明, 張化光, 楊宏宇 申請人:東北大學