羅　鏗，平佳偉

(上海航天電子技術(shù)研究所,上?！?01100)

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基于ARM的全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

羅鏗，平佳偉

(上海航天電子技術(shù)研究所,上海201100)

為滿足環(huán)境惡劣、人煙稀少地區(qū)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集的要求，提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于ARM的全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方案；設(shè)計(jì)的主控板硬件電路以AM3352為核心，配備數(shù)字量和模擬量采集模塊，擴(kuò)展以太網(wǎng)、WIFI、RS232/485等外設(shè)接口；開發(fā)的主控軟件在嵌入式Linux操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集控制，開發(fā)的基于Android的手機(jī)APP可與主控軟件實(shí)時(shí)通信，設(shè)置采集系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)；測試結(jié)果表明，開發(fā)的全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有操作方便、采樣精度高以及運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可滿足實(shí)際應(yīng)用。

ARM；Linux；Android；APP；自動(dòng)數(shù)據(jù)采集

0　引言

某公司需要開發(fā)一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測，部署在高山、冰川、海島、沙漠、原始森林等環(huán)境惡劣、人煙稀少的地區(qū)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、處理及存儲，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至衛(wèi)星。由于部署環(huán)境偏僻，不方便維護(hù)和修改配置，該系統(tǒng)必須具有很高的可靠性，很強(qiáng)的錯(cuò)誤處理能力，斷電自重啟、自運(yùn)行等功能。

為了滿足該項(xiàng)目的需求，采用以ARM處理器為核心，結(jié)合移植的Linux操作系統(tǒng)，開發(fā)了一套集嵌入式控制、高速數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)處理于一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有16路同步16bit精度模擬采集通道，16路數(shù)字量采集通道，以及RS232和RS485等接口用于外接其他傳感器或設(shè)備，能對各類現(xiàn)場信號進(jìn)行采集、分析處理和存儲；該系統(tǒng)具有上電自運(yùn)行，出錯(cuò)自重啟等錯(cuò)誤處理和自恢復(fù)功能；該系統(tǒng)僅在用戶設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)啟動(dòng)各功能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、發(fā)送，其他大部分時(shí)間處于待機(jī)狀態(tài)能夠保持較低的功耗。

同時(shí)開發(fā)APP軟件，可通過移動(dòng)客戶端與系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)參數(shù)實(shí)時(shí)設(shè)置、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示等功能，在偏僻地區(qū)部署系統(tǒng)時(shí)只需攜帶手機(jī)即可對系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)置，滿足系統(tǒng)的便攜性需求。

1　系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由通信模塊、主控板以及客戶端組成，框架如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)框架

主控板為整套系統(tǒng)的核心，搭載板上系統(tǒng)，運(yùn)行主控軟件，接收來自傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，與通信模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，與后端計(jì)算機(jī)或移動(dòng)客戶端進(jìn)行實(shí)時(shí)通信；通信模塊接收主控板的指令，向衛(wèi)星發(fā)送數(shù)據(jù)；計(jì)算機(jī)或移動(dòng)客戶端接收主控板的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并實(shí)時(shí)設(shè)置主控板的各項(xiàng)參數(shù)。

2　硬件設(shè)計(jì)

為滿足項(xiàng)目需求，以AM3352為核心設(shè)計(jì)了主控板硬件電路[1-3]，同時(shí)包括電源、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、128 MB DDR2 SDRAM、256 MB NAND FLASH、SD卡接口、RS232接口、RS485接口、以太網(wǎng)接口、WIFI模塊、AD采集模塊、數(shù)字IO模塊，框架如圖2所示。

圖2　主控板硬件框架

微處理器采用TI公司的Cortex-A8 32位RISC處理器AM3352，工作頻率為800 MHz，最高頻率達(dá)到1 GHz，具有NEON SIMD 協(xié)處理器、單錯(cuò)檢測(奇偶校驗(yàn))的 32 KB/32 KB L1 指令/數(shù)據(jù)高速緩存、含糾錯(cuò)碼(ECC)的 256 KB L2 高速緩存，支持Linux操作系統(tǒng)，具有豐富的外設(shè)接口，使得這款處理器在兼?zhèn)涓咝幚砟芰?、可靠性以及低功耗?/p>

2.1AD模塊

AD模塊由多路復(fù)用電路、衰減電路、AD電路組成，其原理如圖3所示。

圖3　AD模塊框圖

圖4　AD電路原理圖

SPI控制接口采用三線式，將引腳SDI拉高；CS片選信號連接引腳CNV，上升沿啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，但CNV必須在最小轉(zhuǎn)換時(shí)間逝去前返回低電平，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換后，并強(qiáng)制SDO進(jìn)入高阻態(tài)，直至轉(zhuǎn)換完成，SDO從高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，數(shù)據(jù)位則在隨后的SCK下降沿逐個(gè)輸出，MSB優(yōu)先，時(shí)序如圖5所示。

圖5　AD數(shù)據(jù)采集時(shí)序圖

2.2WIFI模塊

WIFI模塊采用小型WIFI232模塊，支持802.11 b/g/n無線標(biāo)準(zhǔn)，UART數(shù)據(jù)通訊接口，多種工作模式可配置，內(nèi)置天線，具有超小尺寸低功耗的特點(diǎn)。

WIFI模塊采用MTK公司的802.11 b/g/n標(biāo)準(zhǔn)WIFI芯片MT5931，集成功率放大器(PA)、低噪聲放大器(LNA)及收/發(fā)開關(guān)(T/R Switch)于單芯片，支持最先進(jìn)的Wi-Fi規(guī)格，包括 STBC、Wi-Fi Direct 以及 Hotspot 模式。WIFI芯片通過單片機(jī)擴(kuò)展UART接口，以便于接入其他控制器，簡化通信接口驅(qū)動(dòng)，可直接使用異步串行通信。連接引腳VCC、GND、RXD和TXD。

2.3以太網(wǎng)模塊

以太網(wǎng)模塊采用MICREL公司的千兆以太網(wǎng)PHY芯片KSZ9031RNI，該芯片支持10 M/100 M/1000 Mbps以太網(wǎng)收發(fā)，提供RGMII接口，使用3.3 V和1.2 V電源供電，網(wǎng)絡(luò)插座采用內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)變壓器的HY911130AE。以太網(wǎng)模塊原理如圖6所示。

圖6　以太網(wǎng)電路原理圖

3　軟件設(shè)計(jì)

全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括3個(gè)

軟件：主控軟件、客戶端軟件、App軟件。

主控軟件運(yùn)行在主控板上，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。客戶端軟件可運(yùn)行在Windows系統(tǒng)、Linux系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上，主要用于設(shè)置主控軟件的各個(gè)參數(shù)并顯示接收到的數(shù)據(jù)。App軟件可運(yùn)行在Android系統(tǒng)的手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)與客戶端軟件相同的功能，同時(shí)具備更高的靈活性與便攜性。主控軟件和客戶端軟件、APP軟件通過網(wǎng)絡(luò)連接，可實(shí)時(shí)通信，延時(shí)在1秒內(nèi)。

3.1主控軟件設(shè)計(jì)

開發(fā)環(huán)境：以一臺安裝Ubuntu12.04桌面版系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)作為宿主開發(fā)環(huán)境，通過網(wǎng)線連接移植了Linux3.2.0系統(tǒng)的主控板，使用NFS來掛載共享目錄。在宿主機(jī)安裝QT4.7開發(fā)工具，采用交叉編譯工具鏈arm-none-linux-gnueabi-g++，編寫完成的程序通過共享目錄拷貝到主控板上，在主控板上進(jìn)行調(diào)試[4]。

主控軟件包含主程序和AD子程序、參數(shù)子程序、通信子程序3個(gè)子程序。

1)主程序負(fù)責(zé)完成邏輯控制，實(shí)時(shí)檢測是否有新的參數(shù)傳入并設(shè)置，配置通信模塊的各項(xiàng)參數(shù)，在到達(dá)設(shè)定的采樣時(shí)間調(diào)用AD子程序，到達(dá)設(shè)定的發(fā)送時(shí)間調(diào)用通信子程序等功能；

2)參數(shù)子程序與上位機(jī)軟件建立網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)時(shí)獲得設(shè)置的參數(shù)，并保存在SD卡中；

3)AD子程序通過控制主控板上外接的AD模塊獲得采樣數(shù)據(jù)，并保存在SD卡中；

4)通信子程序接收來自通信模塊的數(shù)據(jù)，解析GPS時(shí)間并完成校時(shí)；

主控軟件的運(yùn)行流程如圖7所示。

圖7　運(yùn)行流程圖

主控軟件可在主控板上電時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，方法是在主控板的Linux系統(tǒng)目錄/etc/init.d/下面增加添加自命名為S91dcp.sh的腳本文件，文件內(nèi)容如下：

!/bin/sh

/home/build-Debug_m3352-ARMQT-Debug/Debug_m3352 &

其中第二行就是指主控軟件在系統(tǒng)中的實(shí)際位置。

3.2客戶端軟件設(shè)計(jì)

客戶端軟件通過TCP/IP協(xié)議與主控軟件建立連接進(jìn)行通信，本文將主控軟件設(shè)計(jì)為Server端，將客戶端軟件設(shè)計(jì)為Client端，主控軟件運(yùn)行時(shí)，客戶端軟件可隨時(shí)連接或斷開連接。

開發(fā)完成的客戶端軟件具有與主控板實(shí)時(shí)通信、數(shù)據(jù)包收發(fā)、通信模塊狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示、AD采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、參數(shù)實(shí)時(shí)設(shè)置等功能，界面如圖8所示。

圖8　客戶端軟件界面圖

用戶在客戶端軟件上設(shè)置了平臺地址、發(fā)射頻道、發(fā)射頻率、發(fā)射功率、發(fā)射時(shí)間、數(shù)據(jù)保存時(shí)間、AD采樣時(shí)間段等多項(xiàng)參數(shù)后，將這些參數(shù)整合成一個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送給主控板，主控軟件對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析并實(shí)時(shí)設(shè)置?？蛻舳塑浖盏街骺剀浖l(fā)來的數(shù)據(jù)包，解析后實(shí)時(shí)顯示各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)，同時(shí)，客戶端軟件可以發(fā)送控制指令到主控軟件，再由主控軟件轉(zhuǎn)設(shè)置通信模塊，實(shí)現(xiàn)對通信模塊的實(shí)時(shí)控制。整個(gè)客戶端軟件功能如圖9所示。

圖9　客戶端功能圖

主控軟件將所有信息組成一個(gè)包，每1秒向客戶端軟件發(fā)送一次，客戶端軟件收到這個(gè)數(shù)據(jù)包后，根據(jù)兩個(gè)軟件的通信協(xié)議(見表1)解析出各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)。

表1　主控軟件與客戶端軟件通信協(xié)議

3.3APP軟件設(shè)計(jì)

項(xiàng)目在Android手機(jī)上開發(fā)了相應(yīng)的APP軟件，可無線連接到主控板，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與顯示，大幅度提升系統(tǒng)的靈活性與便攜性。

APP軟件開發(fā)的方式與主控軟件開發(fā)方式類似，以一臺安裝Windows7操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)作為宿主開發(fā)環(huán)境，通過USB線連接Android手機(jī)。在宿主機(jī)中安裝QT5.2開發(fā)工具，安裝并配置JDK1.8、Apache1.9、Android SDK、Android NDK這4個(gè)軟件，配置完成后即可編譯生成后綴為Apk的Android程序，然后在手機(jī)上進(jìn)行調(diào)試[5-6]。

項(xiàng)目采用的軟件開發(fā)工具QT是一種跨平臺的開發(fā)工具，因此只需對客戶端軟件進(jìn)行部分修改，繪制APP軟件界面，在配置好的環(huán)境下重新編譯，即可生成APP軟件。項(xiàng)目開發(fā)的APP軟件具有與客戶端軟件完全相同的功能，由于手機(jī)屏幕較小無法同時(shí)顯示所有功能，分別繪制了參數(shù)設(shè)置界面、參數(shù)和狀態(tài)查詢界面、實(shí)時(shí)通信界面，這3個(gè)界面可實(shí)時(shí)切換，便于用戶使用。

4　系統(tǒng)測試

本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)需要在惡劣環(huán)境下長期工作，為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性，進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)采集測試、應(yīng)急模式測試和穩(wěn)定性測試。

4.1數(shù)據(jù)采集測試

利用標(biāo)準(zhǔn)信號源提供信號，接到ADC的16個(gè)通道上，通過主控板的AD子程序讀取采樣數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)到客戶端軟件進(jìn)行顯示，結(jié)果如表2所示。

表2　ADC數(shù)據(jù)采集測試結(jié)果　V

由表2可以看出，獲得的采樣值與標(biāo)準(zhǔn)信號源的值誤差在0.01V以內(nèi)，采樣率誤差較小，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度高、誤差小，符合使用要求。

4.2應(yīng)急模式測試

應(yīng)急模式是系統(tǒng)監(jiān)測到某個(gè)采樣值超過設(shè)定的閾值時(shí)緊急啟動(dòng)的一種機(jī)制，觸發(fā)后立刻進(jìn)入發(fā)射模式，將當(dāng)天的采樣數(shù)據(jù)發(fā)送出來。

模擬實(shí)際情況進(jìn)行應(yīng)急模式測試，在系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行采集數(shù)據(jù)時(shí)，給通道一個(gè)超過閾值的信號，觀察客戶端軟件發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)立刻進(jìn)入了應(yīng)急模式，完成了數(shù)據(jù)發(fā)送，事后通過回看系統(tǒng)日志也證實(shí)在該時(shí)刻系統(tǒng)進(jìn)入了應(yīng)急模式。在不同采樣時(shí)間段分別進(jìn)行應(yīng)急模式測試，從觸發(fā)閾值到進(jìn)入應(yīng)急模式均在1秒內(nèi)，大量測試表明應(yīng)急模式滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

4.3系統(tǒng)穩(wěn)定性測試

穩(wěn)定性是系統(tǒng)最重要的指標(biāo)，設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)后，啟動(dòng)系統(tǒng)并進(jìn)行了72小時(shí)不間斷測試，在每天固定時(shí)間啟動(dòng)AD子程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每天固定時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，每1小時(shí)進(jìn)行一次系統(tǒng)校時(shí)確保與衛(wèi)星時(shí)間同步。

通過分析操作日志以及觀察客戶端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，功能完善，在72小時(shí)內(nèi)未出現(xiàn)錯(cuò)誤，達(dá)到了預(yù)期的效果。

5　結(jié)論

本文提出了一種基于ARM和Linux的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)了主控板卡硬件電路，搭建了嵌入式Linux系統(tǒng)采集平臺，實(shí)現(xiàn)了16路精確定時(shí)模擬量采樣、16路數(shù)字量采樣，具備RS232/485接口、以太網(wǎng)通信功能，開發(fā)的系統(tǒng)軟件運(yùn)行穩(wěn)定，客戶端軟件具備良好人機(jī)交互界面，擴(kuò)展的手機(jī)APP軟件功能完善，組建完成的系統(tǒng)功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控、地質(zhì)水文環(huán)境監(jiān)測、森林災(zāi)害預(yù)防等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

[1]柯新宇.基于ARM的數(shù)據(jù)采集卡研制[D].武漢：華中科技大學(xué),2008.

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Design and Implementation of Automatic Data Acquisition System Based on ARM

Luo Keng,Ping Jiawei

(Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute,Shanghai201100,China)

A scheme of automatic data acquisition system based on ARM is proposed and realized to meet the requirements of automatic data acquisition in poor environment and sparsely populated areas；The hardware circuit is designed with AM3352 as the core,equipped with digital and analog data acquisition module,extended with Ethernet、WIFI、RS232/485 interface；The developed software in Linux embedded system can realize automatic data acquisition and control；The developed APP based on Android can communicate with the software in real time and set various parameters to acquisition system；The test results show that the developed automatic data acquisition system which is easy to operate、running stable and provides high sampling accuracy,meets the practical application.

ARM；Linux；Android；APP；automatic data acquisition

1671-4598(2016)04-0159-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.047

TP311

A

2015-10-11；

2015-11-09。

羅鏗(1986-)，男，浙江舟山人，碩士研究生，主管設(shè)計(jì)師，主要從事嵌入式測控自動(dòng)化設(shè)備方向的研究。