李美征，莊國(guó)軍

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

在傳統(tǒng)工業(yè)控制科學(xué)研究領(lǐng)域，外界物理量主要是通過溫度、速度、電壓、電流、壓力等數(shù)據(jù)體現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集是獲取數(shù)據(jù)的重要技術(shù)手段。嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由傳感器(外部設(shè)備)部分、數(shù)據(jù)采集控制器部分和計(jì)算機(jī)三部分組成。傳感器將外部各種物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)；數(shù)據(jù)采集控制器將各通道接收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并完成標(biāo)度變換；計(jì)算機(jī)通過與數(shù)據(jù)采集控制器進(jìn)行通信完成對(duì)傳感器狀態(tài)的監(jiān)控，通過數(shù)據(jù)采集程序的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器的控制，還可完成計(jì)算處理、實(shí)時(shí)打印輸出、圖像顯示及存入磁盤等操作。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)并得到了廣泛應(yīng)用[1]。

1 嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方案

根據(jù)國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制進(jìn)程和應(yīng)用實(shí)例，實(shí)現(xiàn)方案包括以軟件為核心的基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集方案、以數(shù)字電路邏輯為基礎(chǔ)的FPGA數(shù)據(jù)采集方案和以控制為優(yōu)勢(shì)的ARM嵌入式數(shù)據(jù)采集方案[2]。

虛擬儀器是通過利用計(jì)算機(jī)內(nèi)高性能的模塊化硬件，結(jié)合靈活的軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的測(cè)控。當(dāng)前應(yīng)用最多的便是工控機(jī)加數(shù)據(jù)采集模塊的方式實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和分析。數(shù)據(jù)采集模塊種類較多，應(yīng)用成熟且性能優(yōu)良、穩(wěn)定。但存在的缺點(diǎn)是無法實(shí)現(xiàn)定制化的自主配置以及系統(tǒng)的二次開發(fā)和算法封裝，并且對(duì)軟件編程要求較高，專用性不高。

FPGA通過搭建物理電路來替代運(yùn)行程序的編寫，可大大提高軟件運(yùn)行速度和處理實(shí)時(shí)性，集成度高，擴(kuò)展性強(qiáng)，比較適合于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用。但對(duì)設(shè)計(jì)人員的技術(shù)水平要求較高，研制開發(fā)成本高。

嵌入式ARM功能較為豐富，不僅集成了高速數(shù)據(jù)處理單元、浮點(diǎn)運(yùn)算單元(FPU)等，還具備了大量的通用可編程接口與外部設(shè)備連接，掛載操作系統(tǒng)和液晶顯示屏(Liquid Crystal Display，LCD)并行接口，可實(shí)現(xiàn)豐富的人機(jī)界面顯示和交互功能，比較適合于多種接口功能類型以及流程控制較為繁瑣的應(yīng)用場(chǎng)景。

比較常見的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有以下3種：

(1) 高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。特點(diǎn)是數(shù)據(jù)采樣率較高，且能保證各數(shù)據(jù)點(diǎn)的采樣時(shí)刻同步，有利于數(shù)據(jù)的后期分析處理并及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)用廣泛。

(2) 分時(shí)復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。特點(diǎn)是在不同時(shí)段處理不同的信號(hào)，合理利用控制器的時(shí)隙，從而可以在接口類型多樣化的情況下保證控制器資源利用效率的最大化。

(3) 分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。特點(diǎn)是可以在時(shí)間軸之外的空間領(lǐng)域發(fā)揮更大優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間距離較遠(yuǎn)的各外部設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控和驅(qū)動(dòng)控制，滿足大型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

針對(duì)上述各實(shí)現(xiàn)方案和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需要，把嵌入式技術(shù)的眾多優(yōu)點(diǎn)充分應(yīng)用到現(xiàn)代軌道交通試驗(yàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)(以下稱嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))的設(shè)計(jì)中，采取基于ARM為核心的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)往小型化、分布式方向發(fā)展，并且具備后續(xù)擴(kuò)展和開發(fā)能力，更加節(jié)約成本，系統(tǒng)體積、質(zhì)量更小[3]，不僅能夠創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，還可以對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)形成更有利的保護(hù)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1所示為嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要由控制器(MCU)、系統(tǒng)電源供電和外圍設(shè)備供電、數(shù)字量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出、存儲(chǔ)以及擴(kuò)展等模塊組成。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種傳感器和開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集，通過內(nèi)部封裝控制算法邊緣計(jì)算，處理分析后上傳至上位機(jī)，同時(shí)接收上位機(jī)指令驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)控制指令，完成試驗(yàn)流程。

圖1 嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)既可以通過SD存儲(chǔ)完成本地雙備份，保證高速同步采集工況下大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)緩存和數(shù)據(jù)上傳時(shí)通信鏈路的高效率運(yùn)用，又可通過以太網(wǎng)/RS485通信方式上傳至上位機(jī)或觸摸屏進(jìn)行深度分析計(jì)算和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪圖顯示以及報(bào)表打印等功能。通過智能網(wǎng)關(guān)等設(shè)備將系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)或異常故障數(shù)據(jù)等上傳至云平臺(tái)存儲(chǔ)和維護(hù)，還可以作為分布式數(shù)據(jù)采集子站，通過以太網(wǎng)級(jí)聯(lián)或無線組網(wǎng)的方式，將數(shù)據(jù)上傳至總集中控制中心，實(shí)現(xiàn)分布式的數(shù)據(jù)采集和智能管控。

3 嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能接口分析，開展系統(tǒng)硬件平臺(tái)的搭建和設(shè)計(jì)。

3.1 主處理器選型分析

根據(jù)各個(gè)功能接口的設(shè)計(jì)需求、采集芯片的通信總線需求以及大數(shù)據(jù)量采樣數(shù)據(jù)的處理需求，主處理器選取STM32F427微控制器，對(duì)外接口有6路速度達(dá)到45 Mbit/s的SPI接口，4路11.25 Mbit/s的UART/USART接口以及SDI/O接口等，內(nèi)置256 KB的RAM，最高主頻180 MHz，完全滿足系統(tǒng)內(nèi)部芯片等硬件電路接口需求，各擴(kuò)展端口也能夠滿足系統(tǒng)通道數(shù)量需求。

3.2 數(shù)字量信號(hào)輸入單元設(shè)計(jì)

此單元主要功能是檢測(cè)繼電器觸點(diǎn)等開關(guān)量信號(hào)。采用主控制器自帶I/O接口實(shí)現(xiàn)數(shù)字量輸入檢測(cè)，并有對(duì)應(yīng)端口指示燈狀態(tài)顯示；數(shù)字量輸入檢測(cè)邏輯電平為24 V，有效低電平為0～10 V，有效高電平為16.8～24 V；輸入阻抗大于1 MΩ，I/O接口設(shè)置過流保護(hù)。

3.3 數(shù)字量信號(hào)輸出單元設(shè)計(jì)

此單元主要功能是控制電磁閥、繼電器等外圍設(shè)備的動(dòng)作，硬件電路提供無源節(jié)點(diǎn)，通過觸點(diǎn)吸合控制外部DC 24 V電源驅(qū)動(dòng)外圍設(shè)備。采用主控制器自帶I/O接口實(shí)現(xiàn)數(shù)字量輸出，并有對(duì)應(yīng)端口指示燈狀態(tài)顯示；采用TLP521光電耦合器可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離輸出，隔離電壓為2 500 V；驅(qū)動(dòng)輸出邏輯電平為24 V，數(shù)據(jù)更新時(shí)間為45 μs。

3.4 模擬量信號(hào)輸出單元設(shè)計(jì)

此單元主要功能是控制比例閥/伺服閥等設(shè)備的動(dòng)作，考慮到被控設(shè)備類型，設(shè)計(jì)電流型和電壓型2種控制方式。電壓型通過DAC7562芯片輸出相應(yīng)的±10 V信號(hào)，電流型通過主控制器自帶的DAC控制電流信號(hào)輸出模塊OPA333實(shí)現(xiàn)模擬電流4～20 mA的輸出。4～20 mA電流模擬信號(hào)輸出，可精確檢測(cè)0.1 mA電流模擬信號(hào)，輸出響應(yīng)時(shí)間約100 μs?！?0 V電壓模擬信號(hào)輸出，響應(yīng)時(shí)間約150 μs。

3.5 模擬量信號(hào)輸入單元設(shè)計(jì)

此單元主要功能是檢測(cè)電壓/電流、壓力、位移、加速度等傳感器的模擬量輸出，通過設(shè)計(jì)相應(yīng)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大和濾波，提高采集信號(hào)的可靠性和精度。輸入通道根據(jù)實(shí)際需求既有高速同步采樣率和普通低速采樣率2種配置，又可滿足電壓型/電流型模擬量信號(hào)的采集，大大提高了對(duì)工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)絕大多數(shù)傳感器設(shè)備的兼容適配。高速AI采集通道采用AD7606芯片可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的同步采集，最高采樣速率為100 KPS/s，通過并行接口與控制器通信。低速AI采集采用AD7616可實(shí)現(xiàn)16路信號(hào)采集，通過高速SPI接口與控制器通信，采樣速率為10 KPS/s，且低速通道為電壓/電流模擬量輸入采集復(fù)用端口，通過跳線實(shí)現(xiàn)功能切換。模擬信號(hào)采集芯片均為16 bits AD采樣芯片，片內(nèi)自帶二階抗混疊濾波器和模擬輸入鉗位保護(hù)功能。模擬電壓信號(hào)采集范圍為±10 V，電流信號(hào)采集范圍為4～20 mA，輸入端口阻抗為1 MΩ。

3.6 PT100采集單元設(shè)計(jì)

通過惠更斯橋電路設(shè)計(jì)，生成壓差信號(hào)，傳入AD823運(yùn)算放大器中，放大后的電壓信號(hào)通過主控制器自帶ADC接口，可實(shí)現(xiàn)二/三線制PT100狀態(tài)的監(jiān)測(cè)采集。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。系統(tǒng)上電運(yùn)行后首先讀取本地flash存儲(chǔ)的各通道配置參數(shù)，如無更新的通道配置指令，則根據(jù)當(dāng)前通道的設(shè)置創(chuàng)建對(duì)應(yīng)流程，開始數(shù)據(jù)采集和等待接收命令的工作。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和試驗(yàn)流程需求，系統(tǒng)線程主要分為數(shù)字量信號(hào)輸入線程、數(shù)據(jù)上傳/通道配置線程和超時(shí)監(jiān)測(cè)線程等四部分。

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

(1) 數(shù)字量信號(hào)輸入線程。由于數(shù)字量輸入接口主要對(duì)接繼電器等設(shè)備，信號(hào)屬于突發(fā)事件，需要靠設(shè)計(jì)中斷程序及時(shí)上傳上位機(jī)處理，從而保證試驗(yàn)流程連續(xù)性。信號(hào)監(jiān)測(cè)采用邊沿觸發(fā)方式，將所有通道的高/低電平狀態(tài)打包上傳。

(2) 數(shù)據(jù)上傳線程。針對(duì)模擬量輸入和PT100傳感器信號(hào)，上位機(jī)需要周期下發(fā)上傳指令接收系統(tǒng)數(shù)據(jù)，開展試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理計(jì)算和存儲(chǔ)工作，最終實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)流程的繪圖和報(bào)表打印功能?？紤]到高速模擬量輸入采集的設(shè)計(jì)，采用分包上傳的方式保證大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及數(shù)據(jù)的可讀性。

(3) 通道配置線程。主要分為系統(tǒng)參數(shù)配置和DO/AO通道驅(qū)動(dòng)配置兩部分。前者主要是針對(duì)不同試驗(yàn)臺(tái)接口需求各異進(jìn)行通道開閉、觸發(fā)電平、采樣率以及通信波特率等參數(shù)的初始化配置，后者主要功能為試驗(yàn)過程中外部DO/AO設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電壓(電流)輸出值設(shè)置。

(4) 超時(shí)監(jiān)測(cè)線程。由于嵌入式系統(tǒng)資源有限，加之系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)量較大，需要在定時(shí)上傳時(shí)間和緩存空間配置上進(jìn)行折中設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮通信鏈路可能存在的異常情況，系統(tǒng)緩存溢出或超時(shí)未接收到上位機(jī)上傳指令則上報(bào)異常，以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

此外，系統(tǒng)軟件還設(shè)計(jì)了故障報(bào)警及記錄存儲(chǔ)功能，DO/AO通道內(nèi)部具備輸出監(jiān)測(cè)反饋,與實(shí)際控制指令信號(hào)實(shí)時(shí)比對(duì)，避免出現(xiàn)異常驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)；根據(jù)不同試驗(yàn)控制程序可自定義設(shè)置AI/DI通道報(bào)警閾值，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)流程異常節(jié)點(diǎn)狀態(tài)上傳和實(shí)時(shí)保護(hù)功能，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過對(duì)全部通道狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，上傳異?；蚬收闲盘?hào)并記錄存儲(chǔ)，有效用于后期試驗(yàn)過程和結(jié)果的分析。

5 結(jié)論

本文針對(duì)當(dāng)前嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主流應(yīng)用場(chǎng)景和實(shí)現(xiàn)方案，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用需求，提出了相應(yīng)的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)軟硬件平臺(tái)進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)分析。系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試和運(yùn)行應(yīng)用顯示，能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)和要求。