黃志強(qiáng)

(1.同濟(jì)大學(xué) 電信學(xué)院，上海 201804； 2.常州晶麒新材料科技有限公司，江蘇 常州 213000)

多傳感器通道多點(diǎn)數(shù)據(jù)并行高速采集器設(shè)計(jì)

黃志強(qiáng)1,2

(1.同濟(jì)大學(xué) 電信學(xué)院，上海 201804； 2.常州晶麒新材料科技有限公司，江蘇 常州 213000)

為解決傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的采集器傳感器通道單一、運(yùn)行功耗大、抗干擾能力差及采集效率低問題，設(shè)計(jì)了一種多傳感器通道多點(diǎn)數(shù)據(jù)并行高速采集器；分析數(shù)據(jù)采集器工作原理，先對影響采集器高效運(yùn)行的高頻率噪音和高頻載波兩大干擾因素進(jìn)行過濾處理；同步采集數(shù)據(jù)信號，對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)采集處理，實(shí)現(xiàn)多傳感器通道多點(diǎn)數(shù)據(jù)并行高速采集器的設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)的數(shù)據(jù)采集器運(yùn)行功耗小，抗干擾能力強(qiáng)，采集效率高。

傳感器通道；數(shù)據(jù)并行；采集器設(shè)計(jì)

0 引言

數(shù)據(jù)采集器一種以收集數(shù)據(jù)為主要功能，同時(shí)可進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和數(shù)據(jù)發(fā)送的自動(dòng)數(shù)據(jù)處理設(shè)備[1]。它一般由微處理器、標(biāo)準(zhǔn)總線和傳感器構(gòu)成，傳感器是數(shù)據(jù)采集器的核心基礎(chǔ)，決定了采集器的性能。傳感器分設(shè)很多通道，其主要功能是向系統(tǒng)處理器傳送被測量或被監(jiān)測的信號數(shù)據(jù)[2]。在大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下，海量數(shù)據(jù)多點(diǎn)分布，多路徑并行傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，更是給數(shù)據(jù)采集器高效運(yùn)行帶來了巨大的困難[3]。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器基于ARM9平臺設(shè)計(jì)，采集器的核心控制系統(tǒng)是嵌入式ARM9內(nèi)核處理器，采用A/D轉(zhuǎn)換芯片和ARM內(nèi)核芯片的電氣特征完成采集器中數(shù)據(jù)采集的工作，該采集器分辨率較高，但功耗較大，采集速率低[4]。為解決上述問題，設(shè)計(jì)了一種多傳感器通道多點(diǎn)數(shù)據(jù)并行高速采集器。通過對采集器硬件進(jìn)行優(yōu)化，對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)處理，實(shí)現(xiàn)多傳感器通道多點(diǎn)數(shù)據(jù)并行高速采集器的設(shè)計(jì)。該采集器功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、采集速率高。

1 數(shù)據(jù)采集器工作原理

通過高性能的傳感器來接收多點(diǎn)數(shù)據(jù)，使用采集器對接收到的多點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在多傳感器通道多點(diǎn)數(shù)據(jù)并行高速采集器中規(guī)定秒脈沖多點(diǎn)數(shù)據(jù)輸入的波形，設(shè)定每秒發(fā)送一次多點(diǎn)數(shù)據(jù)，并規(guī)定該多點(diǎn)數(shù)據(jù)為光量或電壓量，其觸發(fā)水平為光量的一部分[5]。采用轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)移圖對多點(diǎn)數(shù)據(jù)的追蹤識別和采集進(jìn)行設(shè)計(jì)，接收正確多點(diǎn)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)為：多點(diǎn)數(shù)據(jù)接收的上升沿時(shí)間間隔為1 s，接收時(shí)間的誤差為10 μs且每個(gè)多點(diǎn)數(shù)據(jù)的上升樣時(shí)間多于10 μs。多點(diǎn)數(shù)據(jù)追蹤識別與采集的流程圖如圖1所示。

圖1 多點(diǎn)數(shù)據(jù)追蹤識別與采集的流程圖

啟動(dòng)設(shè)備后首先判斷多點(diǎn)數(shù)據(jù)的上升沿，若多點(diǎn)數(shù)據(jù)上升沿到達(dá)，進(jìn)入下一程序，若沒有到達(dá)，則等待。對多點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值是否達(dá)到500進(jìn)行判斷，若達(dá)到進(jìn)入下一程序，若未達(dá)到返回上一程序。判斷接收的多點(diǎn)數(shù)據(jù)上升沿是否正確，若連續(xù)三次正確，則采集多點(diǎn)數(shù)據(jù)，若沒有連續(xù)三次正確，那么多點(diǎn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常或丟失現(xiàn)象，對多點(diǎn)數(shù)據(jù)作異常處理。

2 采集器設(shè)計(jì)預(yù)處理

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器對數(shù)據(jù)采集已有顯著成就，但在數(shù)據(jù)采集的功耗、采集速率等方面仍存在較大問題。對數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，高頻率噪音和高頻載波是采集器運(yùn)行時(shí)兩個(gè)主要干擾因素，針對干擾問題給出了有效的過濾方案。具體描述如下。

2.1 高頻率噪音的過濾

改進(jìn)采集器選用LM2576作為數(shù)據(jù)采集器的電壓轉(zhuǎn)換芯片，將24 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V電壓[6]，滿足改進(jìn)采集器的設(shè)計(jì)要求，改進(jìn)采集器的轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖2 24 V轉(zhuǎn)5 V降壓電路

多傳感器通道多點(diǎn)數(shù)據(jù)并行高速采集器的設(shè)計(jì)方法中，穩(wěn)壓電路的過程為：對輸出的多點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，為了使電壓保持穩(wěn)定根據(jù)多點(diǎn)數(shù)據(jù)的反饋值進(jìn)行調(diào)節(jié)輸出，在LM2576芯片中選擇輸入電容C1解決采集器中瞬時(shí)電壓的突變對電壓造成的影響問題。電容器中的噪聲對采集器造成嚴(yán)重的影響，改進(jìn)采集器的數(shù)據(jù)端接入低等效串聯(lián)阻抗的電容減小噪聲對采集器的影響。采用200 μF的電容，當(dāng)采集器輸入電壓的穩(wěn)定性較差時(shí)，選擇容值大的輸入電容容量接收較大的輸入電流[7]。為了提高電壓轉(zhuǎn)換的速率，采集器的輸出端二極管選用了反向恢復(fù)時(shí)間短、正向降壓低、開關(guān)速度快的二極管。L1是對應(yīng)的電感值且具有高流通量電路中儲(chǔ)能電感的特點(diǎn)，在采集器的工作周期內(nèi)，電感值過小，會(huì)造成部分電流時(shí)段為零，LM2573處于非連續(xù)的狀態(tài)，L1在取值時(shí)應(yīng)取較大的電感值保證其連續(xù)的工作狀態(tài)。當(dāng)采集器輸出數(shù)據(jù)沒有濾波電容，且因?yàn)樨?fù)載變化造成的穩(wěn)壓電路調(diào)節(jié)速率和電壓波動(dòng)頻率差值不大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生震蕩效應(yīng)，使采集器的輸出不穩(wěn)定，改進(jìn)采集器的輸出部分加入濾波電容保持穩(wěn)壓輸出的穩(wěn)定性。采集器的輸出端電容要保證提高環(huán)路和濾波的穩(wěn)定性，當(dāng)采集器的電容值過大時(shí)，輸入端或負(fù)載開路的斷開會(huì)對芯片造成影響。為了過濾掉采集器中的高頻率噪音，在大電容旁串聯(lián)一個(gè)小電容。

2.2 高頻載波的過濾

圖3為數(shù)據(jù)采集器中5 V轉(zhuǎn)3.3 V的降壓電路圖，在該電路圖中轉(zhuǎn)換芯片為正向低壓降的AMS1117線性穩(wěn)壓芯片[8]，為了使芯片提供過熱和過載保護(hù)，在內(nèi)部設(shè)置了過熱切斷電源的功能，解決了環(huán)境溫度造成過高結(jié)溫的問題。正常情況下AM1117芯片在1 A電流情況下進(jìn)行降壓時(shí)，只能降到1.2 V。在正常情況下3.3 V的電源供電正常工作時(shí)的電流小于1 A，可以滿足采集器對電源芯片的需求。在采集器中隨著電流的增加調(diào)整器的穩(wěn)定性隨之降低，在輸出端接入鉭電容保證了AM1117芯片的穩(wěn)定性，為了過濾掉采集器中的高頻載波，在采集器的輸出端和輸入端接入普通的小電容。

圖3 5 V轉(zhuǎn)3.3 V降壓電路

依據(jù)上述對高頻率噪音及高頻載波進(jìn)行過濾處理，有效解決了干擾因素影響數(shù)據(jù)采集器運(yùn)行所產(chǎn)生的種種問題，為多傳感器通道多點(diǎn)數(shù)據(jù)并行高速采集器設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)奠定良好基礎(chǔ)。

3 采集器設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

對多傳感器通道多點(diǎn)數(shù)據(jù)并行高速采集器進(jìn)行設(shè)計(jì)，最關(guān)鍵步驟在于數(shù)據(jù)信號的同步采集和對采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。該過程是對采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的雙重保險(xiǎn)。充分完成數(shù)據(jù)信號同步采集、數(shù)據(jù)校驗(yàn)后，通過數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)采集器的設(shè)計(jì)。具體方法描述如下。

3.1 數(shù)據(jù)信號的同步采集

多傳感器通道多點(diǎn)數(shù)據(jù)并行高速采集器是將接收到的多點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合并匯總后以一種標(biāo)準(zhǔn)的特定方式進(jìn)行傳送，不同設(shè)備的數(shù)據(jù)信號都是通過采集器收集的，其中同步是核心問題，采集器安全運(yùn)行的基礎(chǔ)是保護(hù)和測控裝置[9]，在采集器運(yùn)行過程中要求各個(gè)傳感器通道中多點(diǎn)數(shù)據(jù)的采樣值保持在統(tǒng)一時(shí)刻，且傳感器都應(yīng)連在相同的采集器上，計(jì)算精度和保護(hù)動(dòng)作可靠性的關(guān)鍵是保證采集器的同步，采集器同步采樣有兩種方式：

1)不同傳感器通道的多點(diǎn)數(shù)據(jù)通過差值法進(jìn)行同步，使用不同的傳感器通道規(guī)則的不同時(shí)間來計(jì)算各多點(diǎn)數(shù)據(jù)的樣本值。

2)對不同傳感器通道的多點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步時(shí)，采用時(shí)鐘脈沖根據(jù)輸入采集器的時(shí)間狀態(tài)獲取多點(diǎn)數(shù)據(jù)的樣本。

利用傳感器晶振的短時(shí)穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性的原理對采集器同步采樣信號進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 采集器同步數(shù)據(jù)處理圖

3.2 數(shù)據(jù)校驗(yàn)

采用CRC校驗(yàn)碼對多點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)[10]，CRC校驗(yàn)碼也被稱為循環(huán)冗余碼，CRC校驗(yàn)碼可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中存在的錯(cuò)誤，經(jīng)常被用于通訊系統(tǒng)中，CRC校驗(yàn)碼具有檢測性強(qiáng)、抗干擾性好及校驗(yàn)字段和數(shù)據(jù)可為任意長度的特點(diǎn)。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)大多數(shù)會(huì)受到外界噪聲和傳感器通道長短的干擾，存在錯(cuò)誤數(shù)據(jù)源，因此需要對多點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測。在多種傳感器通道多點(diǎn)數(shù)據(jù)并行高速采集器中采用CRC校驗(yàn)方式對數(shù)據(jù)的差錯(cuò)進(jìn)行控制。

設(shè)r位監(jiān)督碼的校驗(yàn)公式為多項(xiàng)式G(x)，采用G(x)多項(xiàng)式與將r位左移后的多項(xiàng)式L(x)進(jìn)行進(jìn)位的模2除，R(x)表示的是余數(shù)多項(xiàng)式，可以作為CRC校驗(yàn)碼放在L(x)·2r后，生成CRC編碼用來發(fā)送n=k+r位。多項(xiàng)式L(x)在一般情況下比多項(xiàng)式G(x)少一位。采集器的發(fā)送端接收端相似，根據(jù)CRC碼和多點(diǎn)數(shù)據(jù)之間的規(guī)則進(jìn)行檢驗(yàn)，每個(gè)二進(jìn)制序列碼L的表達(dá)式都是：

L(x)=an+an-1xn-1+…a1x1+a0x0

(1)

CRC-8的校驗(yàn)公式為：

G(x)=x8+x2+x+1

(2)

改進(jìn)采集器采用8位CRC校驗(yàn)碼對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)公式為G(x)=x8+x2+x+1，通過差錯(cuò)控制的方法對每8位多點(diǎn)數(shù)據(jù)加一校驗(yàn)碼進(jìn)行定義，采集器的接收端每接收到8位的多點(diǎn)數(shù)據(jù)就進(jìn)行一次CRC校驗(yàn)，由異或門和D觸發(fā)器構(gòu)成的CRC編碼電路如圖5所示。

圖5 CRC編碼電路圖

3.3 數(shù)據(jù)采集

在保護(hù)和測控裝置中，一般采用壓頻變換法、直流采樣法和交流采樣法。對于壓頻變化法和直流采樣法需要經(jīng)過脈沖技術(shù)和比例變化后得到。多傳感器通道多點(diǎn)數(shù)據(jù)并行高速采集器需要根據(jù)交流采樣方法對其正常運(yùn)行時(shí)的功率、電流和電壓等參量進(jìn)行測量。采用交流采樣法根據(jù)傅里葉變化對多點(diǎn)數(shù)據(jù)的電壓和電流進(jìn)行計(jì)算。

設(shè)采集器的電壓信號或單向電流為x(t)，其計(jì)算公式為：

(3)

其中:n代表的是采集的數(shù)據(jù)量，ω代表的是有功功率因數(shù)，t所代表的是采集所用的時(shí)間，an和bn分別代表的是采集器中電壓信號和單向電流的數(shù)量。

(4)

采用LM324作為模擬量采集電路的放大芯片，如圖6所示。

圖6 放大器電路

將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)比原始數(shù)據(jù)更符合要求的一種數(shù)據(jù)形式稱為數(shù)據(jù)采集處理。首先將多點(diǎn)數(shù)據(jù)通過一個(gè)不間斷時(shí)間的取樣前置濾波器，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將多點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制的數(shù)據(jù)并進(jìn)行量化和取樣。通過數(shù)字濾波對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到需要的數(shù)據(jù)內(nèi)容和數(shù)據(jù)格式，完成數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)采集如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集框圖

綜上所述，高精度計(jì)算采集器狀態(tài)，對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行同步采集，校驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，實(shí)行數(shù)據(jù)采集，完成多傳感器通道多點(diǎn)數(shù)據(jù)并行高速采集器的設(shè)計(jì)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本次實(shí)驗(yàn)的操作系統(tǒng)為64位的Windows7，為了驗(yàn)證改進(jìn)的多傳感器通道多點(diǎn)數(shù)據(jù)并行高速采集器的性能，對多傳感器通道多點(diǎn)數(shù)據(jù)并行高速采集器的運(yùn)行功耗進(jìn)行測試。運(yùn)行功耗的計(jì)算公式為P=UI，其中U代表的是電壓，I代表的是電流?？刂撇杉鞯碾妷簽? V，電壓保持不變，電流的大小就決定了采集器的運(yùn)行功耗大小。當(dāng)電流越大時(shí)，采集器的運(yùn)行功耗越大，當(dāng)電流越小時(shí)，采集器的運(yùn)行功耗越小，采集器系統(tǒng)每十分鐘有九分鐘為待機(jī)狀態(tài)，剩下一分鐘為采集狀態(tài)。分別對改進(jìn)采集器和基于ARM9平臺的采集器進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 兩種不同采集器的測試結(jié)果

圖8(a)為基于ARM9平臺的采集器運(yùn)行功耗的測試結(jié)果，分析圖8(a)可知基于ARM9平臺的采集器在采集時(shí)電流為290 mA，待機(jī)時(shí)的電流為280 mA，圖8(b)為改進(jìn)采集器運(yùn)行功耗的測試結(jié)果，分析圖8(b)可知，改進(jìn)采集器在采集時(shí)的電流240 mA，在待機(jī)時(shí)的電流為40 mA。對比圖8(a)和圖8(b)可知，改進(jìn)采集器在待機(jī)時(shí)的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于基于ARM9平臺的采集器在待機(jī)時(shí)的電流，當(dāng)電壓穩(wěn)定時(shí)，電流越小，采集器的運(yùn)行功耗越小，對比可知，改進(jìn)采集器在待機(jī)時(shí)的運(yùn)行功耗小于基于ARM9平臺的采集器的運(yùn)行功耗，驗(yàn)證改進(jìn)采集器的運(yùn)行功耗較低，所設(shè)計(jì)的采集器性能更優(yōu)。

為了驗(yàn)證改進(jìn)采集器在采集數(shù)據(jù)時(shí)的抗干擾性，在加入干擾信號后，分別采用改進(jìn)采集器和基于Cortex-M3的采集器采集數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)信號強(qiáng)度測試，對比兩種不同采集器采集數(shù)據(jù)時(shí)的抗干擾能力，對比結(jié)果如圖9所示。

圖9 兩種采集器數(shù)據(jù)信號強(qiáng)度對比結(jié)果

觀察圖9可知，基于Cortex-M3的采集器，其數(shù)據(jù)信號強(qiáng)度曲線波動(dòng)較大，最大數(shù)據(jù)信號強(qiáng)度為170 dB，出現(xiàn)在20 s。平均數(shù)據(jù)信號強(qiáng)度約為110 dB。改進(jìn)采集器的數(shù)據(jù)信號強(qiáng)度曲線波動(dòng)極小，基本保持穩(wěn)定變化。最大數(shù)據(jù)信號強(qiáng)度為180 dB，出現(xiàn)在20 s。平均數(shù)據(jù)信號強(qiáng)度約為170 dB。對比兩種采集器數(shù)據(jù)信號強(qiáng)度曲線和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，改進(jìn)采集器的曲線波動(dòng)相對平穩(wěn)，數(shù)據(jù)信號強(qiáng)度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基于Cortex-M3采集器的數(shù)據(jù)信號強(qiáng)度值，充分說明改進(jìn)采集器的抗干擾性較強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定性更高。

通過參數(shù)ω對多種傳感器通道多點(diǎn)數(shù)據(jù)并行高速采集器進(jìn)行測試，ω代表的是有功功率因數(shù)，當(dāng)ω的取值在3～4區(qū)間內(nèi)時(shí)，采集器的采集效率最高，分別采用改進(jìn)采集器和基于相對比率的采集器采集數(shù)據(jù)，同時(shí)對兩種采集器的采集速率進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 兩種采集器的有功功率因數(shù)測試結(jié)果

分析表1可知，在5次實(shí)驗(yàn)中改進(jìn)采集器的參數(shù)ω在區(qū)間3～4內(nèi)的次數(shù)為4次，概率為80%，基于相對比率的采集器參數(shù)ω在區(qū)間3～4內(nèi)的次數(shù)為2次，概率為40%。對比可知，改進(jìn)采集器的參數(shù)ω在3～4區(qū)間內(nèi)的概率要高于基于相對比率的采集器參數(shù)ω在3～4區(qū)間內(nèi)的概率，當(dāng)參數(shù)ω在區(qū)間3～4區(qū)間內(nèi)時(shí)，采集器的效率最高，充分驗(yàn)證了改進(jìn)采集器的采集效率較高。

5 結(jié)論

為了解決傳統(tǒng)方法對采集器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，存在功耗大、抗干擾能力差和采集效率低的問題，設(shè)計(jì)出一種多傳感器通道多點(diǎn)數(shù)據(jù)并行高速采集器。通過對采集器設(shè)計(jì)時(shí)的干擾因素進(jìn)行過濾處理，同步采集數(shù)據(jù)信號并對所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)多傳感器通道多點(diǎn)數(shù)據(jù)并行高速采集器的設(shè)計(jì)。改進(jìn)的采集器，其運(yùn)行功耗大幅度降低，抗干擾能力增強(qiáng)，采集速率明顯提高。但改進(jìn)的采集器用電量方面仍存在不足，未來針對該問題進(jìn)行深入研究。

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Design of Multi Channel Data Parallel High-speed Collector for Multi Sensor Channels

Huang Zhiqiang1,2

(1.School of Telecommunication,Tongji University,Shanghai 201804,China；2.Changzhou Jing Qi Advanced Material Technology Ltd,Changzhou 213000,China)

In order to solve the problems of single channel, large power consumption, poor anti-interference ability and low collection efficiency of the collector designed by traditional methods, a multi sensor multi-channel data parallel high-speed acquisition device is designed. The operation principle of the data collector is analyzed. Firstly, two interfering factors, which affect the high efficiency of the collector's high frequency noise and high frequency carrier, are filtered. Synchronous acquisition of data signals, data validation, through data acquisition and processing, to achieve multi sensor channels, multipoint data parallel, high-speed acquisition design. The experimental results show that the improved data collector has less power consumption, strong anti-interference ability and high collection efficiency.

sensor channel; data parallel; collector design

2017-10-16；

2017-11-09。

黃志強(qiáng)(1968-)，男，天津人，博士，講師，主要從事微電子與材料方向的研究。

1671-4598(2017)12-0307-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.12.079

T274.2

A