（机械电子工程专业论文）嵌入式数据采集系统中的关键技术研究.pdf

郑州大学硕士学位论文 摘要 数据采集系统位于整个在线监测与故障诊断系统的最前端，其工作性能直接 影响到在线监测与故障诊断系统的诊断和预测准确度。为了满足现代在线监测与 故障诊断系统对数据采集器的现场多通道分散采集、上位机进行集中控制、高精 度a d 转换、网络化通信结构要求，设计了该嵌入式数据采集系统。该数据采集 系统把嵌入式技术与现代数据采集技术结合在一起，采用嵌入式控制器 a t g l r m 9 2 0 0 为微处理器芯片，采用嵌入式l i n u x 为操作系统，以a d s 8 3 6 4 为 模数转换芯片，采用基于t c p i p 网络协议的s o c k e t 通信技术进行数据交换。本 文的研究内容是整个嵌入式数据采集系统中的重要组成部分。 本嵌入式数据采集系统硬件平台主要由主控板、采集板、电源模块、网络交 换器等模块组成。主控板及各个采集板都有自己的主控c p u ，因此可以自成系 统，各板之间既各司其职，又可通过i n t e r n e t 相互通讯，具有一种松散耦合结构 本文的主要内容有：1 ) 综述了数据采集系统在国内外的研究现状，并介绍 了嵌入式技术的相关概念，在此基础上指出了本课题的目的和意义。2 ) 结合嵌 入式数据采集系统硬件平台，阐述了系统的存储器结构、采集板的前向调理电路 以及模数转换电路。3 ) 介绍了嵌入式l i n u x 及其环境下的设备管理，在对l i n u x 设备驱动程序开发进行分析的基础上，建立了l i n u x 字符设备驱动中的关键数据 结构和基本函数。分析了驱动程序的可加载模块化设计机制，总结了驱动程序设 计的各个步骤，运用c 语言完成了a d s 8 3 6 4 的驱动程序的编写。4 ) 为实现采 集板与主控板的数据交换，利用基于t c p i p 协议的数据流式s o c k e t 编程技术， 根据s o c k e t 通信程序设计中的基本步骤，以采集板为客户机，以主控板为服务器， 分别编写了客户机端和服务器端s o c k e t 通讯程序，实现了采集板与主控板的数据 交换。 结果表明，编写好的a d s 8 3 6 4 驱动程序经过编译和加载，采集板上的 a d s 8 3 6 4 的工作正常、稳定本文设计的s o g k e t 通信程序作为应用程序中的一 部分，很好的实现了采集板与主控板的数据交换。 关键词：嵌入式系统；数据采集器；设备驱动程序；s o c k e t 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi s t l a cf o r e f r o n to fo n - l i n em o n i t o r i n ga n df a u l t d i a g n o s i ss y s t e m , s oi t sw o r k i n gl , e r f o m l a n e ow i l lh a v ed i r e c ti m p a c t0 1 3 t h ea e e u a a e y o fd i a g n o s i sa n dp r e d i c t i o n t om o o tt h cr e q u i r e m e n t so fm o d e mf a u l td i a g n o s i s s y s t e mf o rm u l t i - c h a n n e ls c a t t e r e da c q u i s i t i o n , u p p e fc o m p u t e rf o rc e n t r a l i z e dc o n t r o l ， h i 曲a c c u r a t ea dc o n v e r s i o n , n e t w o r kc o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e , l l ne m b e d d e d d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d i tc o m b i n e se m b e d d e dt c e l m o l o g yw i t h m o d e md a t aa c x l u i s i t i o ut e c h n o l o g y , u s i n go m b e d d c de o n t l o l l e ra t 9 1 r m 9 2 0 0a si t s m i c r o p r o c e s s o rc h i p s , a d o p t i n ge m b e d d e dl i n u xa si t so p e r a t i n gs y s t e m , s e l e c t i n g a d s 8 3 6 4 勰i t sa n a l o g - d i g i t a le o n v c a s i o na n da p p l y i n g s o c k e tc o m m u n i e a l i o n t e c h n o l o g yb a s e do nt c p mp r o t o c o lf o rt h ed a t ae x e l a 越g e 1 1 o o n t a l to f t h i st h e s i s i sa ni m p o r t a n tp a r ti nt l a ee m b e d d e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e 札 1 1 ”h a r d w a r ep l a t f o r mo f t l a i se m b o d d c dd a t a 气e q u i s i t i o ns y s t e mi se o n s t i t u t 捌l o fad o m i n a t e db o a r c kd a t aa c q u i s i t i o nb o a r d s ap o w e rs u p p l ym o d u l e , n e t w o r k s w i t c h e s 龇do t h e rm o d u l 器b o t ht h ed o m i n a t e db o a r da n dt h ed a t aa c q u i s i t i o n b o a l l sh a v et h o i ro w nc p u s oe a c hb o a r d 锄l l e ta sli n d e p e n d e n ts y s t e m t h o s e b o a r d sn o to n l yc 8 1 1p e r f o r mt h e i ro w nf t m e t i o n s b u ta l s o ne o m m l m i e a t ew i t hc a e l a a n o t h o rt h r o u 曲t h ei n t c m e t , h a v i n gal o o s ea n de o u p l o ds t l u e t l m t b em a i nc o n t e n t so ft h et h e s i s 蛳私f e l l o w s ：1 ) t h ep r e s e n ts t a t u so ft h e r e s e a r e l ao nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi m i d ea n do u t s i d eo f o u rc o u n t r yi ss u m m e dl l p ， a n dt h er e l a t e dc o n c e p t so f t h ee m b e d d e dt e c h n o l o g y 粥i n t r o d u c e d ，t h e nt h ep u r p o s e a n ds i g n i f i c a n c eo f t h i si l l s u ea r ei n d i c a t e db a s e do i la l la b o v e 2 ) c o n n c e t i n gw i t ht h e h a r d w a r ep l a t f o r mo f t h i se m b e d d e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m , t h em e m o r ys t r u c t u r e ， t h ep r e f i xp r o c e s s i n gc i r c u i ta n da n a l o g - d i g i t a lc o n v e r s i o nc i r c u i t so ft h ed a t a a c q u i s i t i o n b o a r d a r e p r e n t e d 3 ) t l a e e m b e d d e dl i n u xa n dt h o f a c i l i t y m a n a g e m e n tu n d e ri t 黜i n t r o d u c e d t h ek e yd a t as t r u c t u r ea n df u n d a m e n t a lf u n c t i o n o fl i n u xe l a a r a e t e rd e v i c ed r i v e r 玳e s t a b l i s h e db a s e do nt h ea n a l y s i so ft h el i n u x c l l l l r a e t c rd e v i c ed r i v e rd e v e l o p m e n t 1 1 忙m e c h a n i s mo fl o a d a b l ek e r n e lm o d u l eo f d e “d r i v e ri sa n a l y z e d , a n dt h ed e t a i l e ds t e p so ft h ed 州o ed r i v e rd e s i g np r o c e s s a 坤e x p a t i a t e d t h e nt t l op r o g r a mo ft h ea d 8 8 3 6 4d r i v e ri sc o m p l e t e dw i t ht h ec p r o g r a ml a n g u a g o 4 1 i i no r d e rt ol e a l i z c t h ed a t ae x e h a n g eb e t w e e nt h ed a t a a c q u i s i t i o nb o a r da n dt h ed o m i n a t e db o a r d , t h es t r e a m e ds o e k o tp r o g r a m m i n g t e c l m i q u eb a s e d o l lt c p f l pp r o t o c o li sa d o p t e d a c c o r d i n gt ot h eb a s i cp r o g r a m m i n g o r o e c s so f t l a es o c k e tc o m m u n i c a t i o n , t a k i n gt h ed a t aa c q u i s i t i o nb o a r d 铋c l i e n ta n d 血ed o m i n a t e db o a r d 鸹s e n t c l - , t l a es o c k e tc o m m u n i c a t i o np r o g r n m so f b o t l at h ec l i e n t a n dt h es e r v c fa 坞c o d e d i nt l a cc l a dt h ed a t ae x c h a n g eb e t w e t l a od a t aa c q u i s i t i o n b o a r da n dt h ed o m i n a t e db o a r di sa c h i e v e d 1 1 r e s u l ts h o w st h a ta d s 8 3 6 4o nt h ed a t aa c q u i s i t i o nb o a r do p e r a t e sn o r m a l l y a n ds t a b l ya f t e rt h ea d s 8 3 6 4d r i v e ri se o m p i l o da n dl o a d e d a s8p a r to ft h e a p p l i c a t i o np r o g r a m , t h es o c k e tc o m m u n i c a t i o nr e a l i z e st h ed a t ae x c h a n g eb e t w e e n 郑州大学硕士学位论文 t h ed a t aa c q u i s i t i o nb o a r da n dt h ed o m i n a t e db o a r ds u c c 爆s f i d l y k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；d a t aa c q u i s i t i o n ；d e w i c ed r i v e r ；s o c k e t l l i 郑州大学硕士学位论文第一章序论 1 1 引言 第一章绪论 旋转机械是机械设备中的重要组成部分，它们以转子和其回转部件作为工作 的主体，是企业的核心设备，一旦发生事故，将造成巨大的损失【l 】目前，为保 证大型设备安全、稳定、长周期、满负荷的运行，国内外普遍采用在线监测与故 障诊断系统作为保障大型机组安全高效运行、防止发生恶性事故的有效手段。 数据采集系统是在线监测与故障诊断系统的基础，只有正确的数据采集才能 够得到正确的分析诊断结果。信号采集的速度、精度、可靠性在整个在线监测与 故障诊断系统中占有重要地位，其工作性能如何，将直接影响到诊断与预测的准 确度通信技术和宽带数据网络的发展，特别是因特网( h t c m e t ) 和各种专用网络 的发展，为建立各种远程的数据采集和自动化控制系统提供了技术手段圆 数据采集系统的工作原理就是将被测对象( 外部世界或现场) 的各种参量( 可 以是物理量，也可以是化学量，生物量) 通过各种传感元件做适当转换后，再经 过信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到服务器进行数据处理和 存储记录的过程。以计算机为核心的控制单元对系统进行控制，并对采集的数据 进行加工处理。通常，我们把用于数据采集的成套设备称为数据采集系统( d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ，简称：d a s ) 4 数据采集系统一般由传感器、放大滤波电路、 d 采样转换电路、微处理器等组成。其组成框图如图1 1 所示。 i 竺竺! h 茎竺卜 a i ) ； ； 禚 眄i h 砷 电路 图1 - 1 数据采集系统组成框图 数据采集系统是现代计算机技术与外部世界联系的桥梁，是获取信息的重要 途径。数据采集技术是信息技术的重要组成部分，已广泛应用于国民经济和国防 建设的各个领域，并且随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及， 数据采集技术的发展前景非常广阔。这类技术在我国推广应用后，已取得了良好 的效果。据不完全统计，全国目前生产数据采集器的厂已有几十家，应用进口或 国产数据采集器进行设备状态监测和故障诊断的企业已有数百家 6 1 。 郑州大学硕士学位论文 第一章序论 1 2 数据采集系统的发展历史 数据采集系统起始于2 0 世纪5 0 年代，1 9 5 6 年美国首先研究了用在军事上 的测试系统，其测试任务由测试设备高速自动控制完成由于这种数据采集测试 系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和 测试任务，因而得到了广泛的好评 7 1 大约在6 0 年代后期，国外就有成套的数 据采集设备产品进入市场，此阶段的数据采集设备和系统多属于专用的系统 2 0 世纪7 0 年代中后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机 融为一体的数据采集系统由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自 动检测仪表和专用数据采集系统，因此获得了惊人的发展。从7 0 年代起，数据 采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，另一类是工业 现场数据采集系统就使用的总线而言，实验室数据采集系统多采用并行总线， 工业现场数据采集系统多采用串行数据总线。 2 0 世纪8 0 年代随着计算机的普及应用，数据采集系统的研究得到了极大的 发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要 有两类，一类由仪器仪表、采集器、通用接口总线和计算机等构成例如：国际 标准i c e 6 2 5 ( g p m ) 接1 ：3 总线系统就是一个典型的代表这类系统主要用于实验 室，在工业生产现场也有一定的应用。第二类由数据采集卡、标准总线和计算机 构成。这种接口系统采用积木式结构，把相应的接口卡装在专用的机箱内，然后 由一台计算机控制第二类数据采集系统在工业现场应用较多。这两种系统中， 如果采集测试任务改变，只需将新的仪用电缆接入系统，或将接口卡再添加到专 用的机箱即可完成硬件平台重建，显然这种系统比专用系统灵活得多。2 0 世纪 8 0 年代后期，数据采集系统发生了极大的变化，工业计算机、单片机和大规模 集成电路结合在一起，用软件管理，使系统的成本降低，体积减小，功能成倍增 加，数据处理能力也大大加强。 2 0 世纪9 0 年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在军事、 航空电子设备及宇航技术、工业等领域被广泛应用。由于集成电路制造技术的不 断提高，出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统( d a s ) 。耳前有的d a s 产品精度已达1 6 位，采集速度每秒达到几十万次以上数据采集技术已经成为 一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。该阶段数据采集系统采用更先 进的模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系 统编程，就可扩展或修改系统，迅速地组成一个新的系统。 1 3 国内外数据采集系统研究现状 2 郑州大学硕士学位论文第一章序论 1 3 1 国外数据采集技术的研究进展 随着微电子技术、计算机技术、测控技术和数字通信技术的发展，目前国外 数据采集器技术已较初期有了很大发展。从近年来国外有关公司展示的新产品可 以看出。主要的变化可概括为功能多样化、体积微小化和使用方便化三个方面。 具体表现如下： 1 既是一台数据采集器，又是一台功能较全的机器状态分析仪。它不仅具 有常用的时域波形和f f t 分析功能，而且还可以做倒谱、细化、包络谱、时频 域平均等。有些采集器，如美国e n t e k 公司的i r d 、f a s t t r a c k 型，还具有 用户定义的六段频率分析、利用三维瀑布图作开停车分析和利用波德图作动态特 性分析等特殊功能 2 既是采集器，又可兼作其它仪器用，如法国迈威公司的m o v i l o g 数据 采集器，就可作为一台动平衡仪器使用，它不但可作单一平面的动平衡，也可作 复杂的六个平面的动平衡。 3 测量频带宽、储存量大，能适应机器从低速到高速的各种监测需要。 4 可利用振动传感器和过程传感器输入多种物理量，如振动加速度、位移、 相位、转速、温度、压力和流量等，形成多参数监测系统。 5 数据采集器配套的软件，以通用窗口软件为基础，功能性较强i s 。一套 软件可同时支持数种不同型号、不同档次的数据采集器。软件分成几个档次的模 块，包括基本频谱分析的模块和专用模块。后者基本是一个针对机器的专家系统。 例如，i r d 、f a s tt r a c k 数据采集器所配套的m o t o r m o n i t o r 软件，实际 上是交流感应电机故障诊断专家系统。 6 数据采集器配置l c d 大屏幕背光显示屏，并尽量减少操作键( 例如丹麦 b k 公司的2 5 2 6 数据采集器仅有2 个键) ；元器件高度集成化，减轻了仪器的重 量( 如2 5 2 6 只有i k g 的自重) ；采用防水、防撞击的密封外壳，并能适应恶劣的 工业环境。这些方面都极大地方便了用户的使用。 1 3 2 国产数据采集技术的研究现状 8 0 年代末到9 0 年代初，我国一些仪器厂家已经研制出多种数据采集器，其 中单通道的有s p 2 0 1 、s c 2 4 7 型，双通道的有e g 3 3 0 0 、y e 5 9 3 8 型，超小型的有 9 1 1 、9 0 2 和9 2 1 型，具有采集静态信号( 温度、压力、流量) 功能的有s m c - - - 9 0 1 2 型，大型多通道的有郑州恩普特公司的e m 3 0 0 0 系统等。这些系统所配套的软件 包基本上包括设备维修管理和基本频谱分析两大部分，能够适应机器设备的一般 状态监测和故障诊断。经过近年来广大工矿企业用户的现场使用，质量稳定，工 郑州大学硕士学位论文 第一章序论 作可靠，基本上已达到国外数据采集器的中期水平 但是，国产数据采集器和目前国外数据采集器相比，在技术水平上尚有一定 差距，主要表现为： 1 由于受国产振动传感器技术水平的限制，分析频率范围不宽，对0 5 h z 间的低频和1 0 k h z 以上高频的分析还不能满足，这给一些低速的机器或轴承的 故障诊断带来了困难。 2 国内大部分采集系统采用的都是工控机加采集板模式，比较笨重，灵活 性差，不易扩展，而且功能单一，成本较高。 3 由于数据采集器的内存不大，数据采集器本身的信号分析处理能力不强， 在现场只能作一些简易的诊断，精密诊断需离线到计算机上去分析，现场精密诊 断的功能较弱。 4 配套的软件水平仍在设备维修管理和基本频谱分析范围内徘徊，缺乏机 器故障诊断专家系统，有些软件人机界面不太良好。 1 4 嵌入式系统简介 1 4 1 嵌入式系统定义 嵌入式系统是计算机技术的一种应用形式，通常指埋藏在宿主设备中的微处 理机系统。对用户而言。此类计算机一般不被设备使用者注意，亦称埋藏式计算 机，典型机型如微控制器、微处理器、d s p 、a r m 等。嵌入式处理器使宿主设 备功能智能化、设计灵活、操作方便，它们应用在小到移动电话、大到飞机导航 系统中，这些设备功能各异，千差万别，但都具有功能性强、实时性强、结构紧 凑、可靠性高和面向对象等共同特点嗍。广义而言，嵌入式系统是指作为某种技 术过程的一个核心处理环节，能直接与现实环境接口或交互的信息处理系统。为 了便于理解嵌入式系统，本课题引入如下系统定义。 嵌入式系统是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图像 数据传输技术以及传感器等先进技术与具体应用对象相结合后的更新换代产品。 它是技术密集、投资强度大，高度分散、不断创新的知识密集型系统芯片功能 密度要高，又要物美价廉( 可靠性、智能化、多功能，但要专用) ，反映了当代科 学技术的先进水平。 嵌入式系统的定义可用下列公式描述：e s ( 嵌入式系统) = _ 3 c ( c o m p u 吲计算 机脚姗m i c a t i o n ( 通信h c o 心m 盯d e c t m m c s ( 消费类电子产品) ) + h t e r 咧因特 网) + w a p + g p s + u p s + s e n s o r s ( 传感器卜m + 一3 c + i e s o c ( 嵌入式片 上系统) 【埘。 4 郑州大学硕士学位论文 第一章序论 由上可以看出：嵌入式系统是知识密集、投资规模大、产品更新换代快、且 具有不断创新特征才能不断发展的系统，是现代科学的多学科互相融合产品 3 c + i 是嵌入式系统的关键所在，强调的是将多种技术融为一体，并突出网络技 术，其它只是影响到嵌入式系统的嵌入深度 1 4 2 嵌入式系统组成及特点 嵌入式系统主要由以下三部分组成。 1 嵌入式系统的硬件 硬件包括嵌入式处理器、存储器、输入输出( i o ) 设备、传感器等一系列电 子芯片与器件。嵌入式处理器指嵌入式微控制器( e m c u ) 、嵌入式d s p 处理器 ( e d s p ) 、嵌入式微处理器( e m p u ) 和嵌入式片上系统( e s o c ) 2 嵌入式系统的软件 嵌入式系统软件则一般由嵌入在r o m 、r a m 和f l a s h 存储器中的微型操 作系统和应用软件组成。包括c 、c 、j a v a 、脚本语言( s c r i p tl a n g u a g e ) 、h o p e n 、 j i n i i p 核、嵌入式系统应用软件e a s 、嵌入式系统操作系统e o s 等。 嵌入式操作系统具有一定的通用性，目前使用的嵌入式操作系统有几十种， 常用的有w i n d o w sc e 、l i n u x 、v x w o r k s 、q n x 、n u c l e u s 、u c o s - i i 等。 3 嵌入式系统的开发工具和开发系统 嵌入式系统的硬件和软件位于嵌入式系统产品本身，开发工具则独立于嵌入 式系统产品之外开发工具一般用于开发主机，包括语言编译器、连接定位器、 调试器等。 嵌入式系统开发工具主要包括实时在线仿真系统i c e ( i n - c i r c u i te m u l a t o r ) ， 可查网址h t t p ：w w w n o h a u 锄；高级语言编译器( c o m p i l e ft o o l s ) ，可查网址 h t t p ：i l w w v t a s l d n g c o m ；源程序模拟器( s i m u l a t o r ) ，可查网址h t t p ：w w w k e i l t o m 1 4 3 嵌入式系统的特点及应用热点 嵌入式应用系统的突出特点是： 1 体积小，一般为零点几厘米x 零点几厘米的芯片； 2 价格低； 3 技术含量高，集成电路线宽为0 2 5 0 1 微米，所用晶体片直径为8 、l o 、 1 2 英寸； 4 可靠性强，可适应高过载、高冲击及其它恶劣环境( 如高低温) ； 5 软硬一体，以软件为主是嵌入式系统的主体，有口核； 6 有备份但无多余零部件，以达最低价格； 5 郑州大学硕士学位论文 第一章序论 7 各种技术相融合，集计算机、通信及其它高新技术于一体。 嵌入式系统应用技术热点在于数据采集控制、网络技术、网络家电、微机电 系统( m e m s ) 、国防工业、生物微电子技术p n a ) 、电子商务，因特网、p d a 、 纳米技术、仪器仪表、计算机外围设备等 1 5 课题来源、目的和意义 1 5 1 课题来源 本学位论文的课题来源于国家。8 6 3 ”项目子项目“嵌入式软件开发技术与 支撑平台研究”( 2 0 0 4 a a i z 2 4 2 0 ) 和河南省重大科技攻关项目。设备远程诊断技 术及系列产品开发”( 0 1 2 2 0 2 2 0 0 0 ) 本论文所研究的主要内容是该项目中的重要 组成部分，课题的完成能为企业生产带来直接的经济效益，满足生产现场的实际 需要。 1 5 2 课题的目的和意义 大型旋转设备是机械设备的重要组成部分，也是企业的关键设备，它的运行 状况直接影响公司经济目标的实现。 本课题组结合生产实际需要，把嵌入式技术的众多优点充分应用到现代数据 采集系统的设计中去，以嵌入式a r m 芯片为硬件控制平台，以嵌入式l i n u x 为 操作系统设计出了该嵌入式数据采集系统。该系统采用当代流行的、控制和处理 性能都很好的、工业级a r m 微处理器芯片a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，不仅大大提高了数据 采集器的性能，而且更方便对数据的管理和系统的扩展。采用1 6 位的同步模数 转换器a d s 8 3 6 4 ，转换精度更高，速度更快。采用已被广泛应用的嵌入式l i n u x 为操作系统，以方便软件的开发，提高系统的控制能力。采用基于t c p i p 协议 的s o c k e t 通信技术，保证了数据的准确有序传输。 该嵌入式数据采集系统实现了元器件的高度集成化，尽量减轻了重量，缩小 了体积，具有功能强大、通道多、成本低、可靠性高、功耗低等特点，能够极大 的提高传统采集器的采样转换速度，具有很强的实用性和新颖性极大方便了在 大型复杂环境下完成对工程机械的振动信号采集，为设备的在线监控和故障分析 打下良好基础。论文的研究工作可以为其它嵌入式应用开发打下基础。 1 6 本论文的主要工作 6 郑州大学硕士学位论文 第一章序论 本课题所涉及的数据采集系统要求能够长时间高速采集数据，并将数据实时 传输至服务器，要求采集系统体积小、工作温度范围宽、可靠性能高、以及具有 高的抗震性和抗电磁干扰性该采集系统具有独立工作、独立数据存储的能力， 采集速度快，能够实现同步整周期采样，工作稳定，性能出色，并能通过网络将 现场采集到的数据上传到服务器，进行详细的分析与诊断。 本文开展的主要工作如下：通过对嵌入式技术和国内外数据采集系统研究现 状的分析，设计本嵌入式数据采集系统硬件平台中的存储器结构，以及采集板的 a d 转换电路对嵌入式l i n u x 及其环境下的设备管理、设备驱动程序设计进行 理论分析，在此基础上建立l i n u x 字符设备驱动中的关键数据结构和基本函数， 确定l i n u x 环境下的a d s 8 3 6 4 驱动程序的可加载模块化设计机制和各个设计步 骤，运用c 语言完成a d s 8 3 6 4 的驱动程序的编写，并将其加载进l i n u x 内核。 最后采用基于t c p i p 协议的s o c k e t 编程技术，根据s o c k e t 通信程序设计中的基 本步骤，以客户机，服务器模式，分别编写采集板( 客户机) 端和主控板( 服务器) 端 s o c k e t 通讯程序，实现采集扳与主控板的数据交换。 1 7 本章小结 本章主要介绍了数据采集系统的发展历史，国内外数据采集系统的研究现 状，阐述了嵌入式技术的含义，然后指出了本课题的来源、目的及意义，确定了 本课题的研究内容。 7 郑州大学硕士学位论文 第二章采集系统平台概述 第二章采集系统硬件平台概述 本嵌入式数据采集系统硬件平台由主控板、采集板( 每个采集系统最多可以 配置7 块子采集板) 、电源模块、网络交换器等模块组成。主控板与各个采集板 之间既各司其职，又可相互通讯，具有一种松散耦合结构主控板具有以太网接 口、r s 2 3 2 r j 4 5 等接口，各个采集板根据不同需要具有多路模拟量输入等，同 时各个采集板又具备网络通信、串行总线通信等功能，可以满足现场高速采集的 需要各采集板与主控板采用以太网进行通信。每块子板都有自己的主控c p u ， 因此可以自成系统【n 1 考虑到性能要求和设计的方便，采集板和主控板的c p u 都使用a t m e l 公司的a r m 微处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 。除主控板外，每块采集板都 配置有3 片由德州仪器( t e x a si n s t r u m e n t s ) 公司制造的6 通道高精度模数转换器一 - - a d s 8 3 6 4 这样每块采集板各有1 8 路模拟输入通道，整个采集系统最多可以 提供1 2 6 路模拟输入通道( 6 通道3 片7 块= 1 2 6 通道) 。各采集板前端都有自己 的调理电路。该采集系统采用当今流行的a r m - l i n u x 作为嵌入式操作系统，主 控板与各采集板采用客户机服务器模式通过以太网进行数据传输，整个采集系 统与上位机( 用来进行故障分析的服务器) 也采用客户机服务器模式进行通信。系 统硬件平台结构框图如图2 - 1 ： 圈2 - 1 硬件平台结构框图 2 1 主要功能部件简介 8 郑州大学硕士学位论文 第二章采集系统平台概述 2 1 1a t 9 1 r m 9 2 0 0 的特性概述 a t 9 1 r m 9 2 0 0 1 2 】是a t m e l 公司制造的基于a r m 9 t d m i 处理器核的1 6 3 2 位微处理器，采用高性能的3 2 位r i s c 结构【1 3 1 主要用于工业控制、通讯领 域和对性能要求比较高的场合该芯片具有如下特性： 集成a r m 9 2 0 t 内核和a r m t h u m b 指令集的完整的片上系统； 1 8 0 m h z 时运行速度可达2 0 0 m i p s i 夺1 6 k b 的数据c a c h e ，1 6 k b 的指令c a c h e ； 全功能内存管理单元( 咖讯d 支持w i n d o w sc e 、l i n u x 等操作系统； 1 6 k b 的内部s r a m 和1 2 8 k b 的内部r o m ： 夺外围总线接口支持s d r a m 、s r a m 、b u r s tf l a s h ，并且可无缝链 接c o m p a c tf l a s h ，s m a r tm e d i a 等存储介质； 电源管理控制器( p m c ) 在软件的控制下，通过使能禁止处理器 和不同的外设将电源消耗降至最低，利用时钟发生器产生可选择 的时钟信号( 包括低频的3 2 k h z 信号) ，用以优化功耗和性能； 并行v o 端口控制器( p i o ) 将用于输入输出的引脚复用，为系统 的配置提供了极大的灵活性，这些引脚都具备开漏极或者可编程 的上拉电阻的功能； 高级中断控制器( a i c ) 提供了多级中断向量和具有优先级的中断 源，降低了进入中断处理的时问，提高了中断处理的性能； 四个3 2 位的g p i o 控制器可以达到1 2 2 个可编程f o 引脚( 每个 都有输入控制、可中断及开路的输出能力) ； 2 0 通道的外围数据控制器( p d c ) 为片内外存储器和串行外围的 数据传输提供了d m a 通道，传输数据时不需要c p u 的干预，在 处理连续的数据流的传输时降低了c p u 的开销； 有1 0 1 0 0b a s e - t 型以太网接口，u s b 2 0 全速( 1 2 mb i t s ) 主机双端口 和器件端口，两线接i ( t w i ) i e e e1 1 4 9 1j t a g 标准扫描接口，4 个u s a r t 接口，3 个s s c 接口； 3 通道1 6 位的定时，计数器( t c ) i 工业级工作环境温度：- 4 0 0 c + 8 5 。c 2 1 2 模数转换器a d s 8 3 6 4 概述 衡量一个采集系统性能的重要指标是它的采样速度和采样精度。因此模数转 换器是数据采集系统中最重要的器件之一，它负责把传感器从现场采集到的模拟 9 郑州大学硕士学位论文 第二章采集系统平台概述 信号转化为计算机可以识别的数字信号在对旋转机械的故障诊断中，为了便于 分析，需要采集的信号往往比较多，而且对采样精度的要求也比较高，根据多方 面的分析和比较，本系统在采集板上采用了美国1 r i 公司开发的一种高速、高精 度、低功耗的模数转换芯片a d s 8 3 6 4 。 a d s 8 3 6 4 是美国t i 公司生产的一种高速、低能耗、6 通道同步采样转换、 单+ 5 v 供电、1 6 位高速并行接口的高性能模数转换芯片并带有6 个8 0 d b 共模 抑制的全差分输入通道以及6 个4 | i8 连续近似的模数转换器、6 个差分采样保 持放大器。另外，在r e f n q 和r e f o t r r 引脚内部还带有+ 2 5 v 参考电压以及高速 并行接口a d s 8 3 6 4 的6 个模拟输入分为3 组( a 、b 、c ) ，每个输入端都有一个 a d c s 保持信号用来保证几个输入通道能同时进行采样和转换，因此不同模拟输 入通道信号之间的相位差异得以保存。a d s 8 3 6 4 模数转换器中的3 组输入通道 分别由3 个保持信号( h o l d a 、h o l d b 、h o l d c ) ： 空制，可以实现2 通道、4 通 道或者6 通道的同步操作。当3 个保持信号同时被选通时，6 个a d c 8 同步转换， 其转换结果将保存在6 个寄存器中。 当a d s 8 3 6 4 的h o l d x ( x 为a 、b 或c ) 保持至少2 0 n s 的低电平时，转换工 作开始这个h o l d ) 低电平可使该组通道的各个采样，保持放大器同时处于保持 状态，从而使每个通道同时开始转换。当转换完成后，其结果将被存入输出寄存 器，引脚e o c 将保持半个时钟周期的低电平此时设置r d 和c s 引脚为低电平， 就可以将数据送到并行输出总线上f l 习 当a d s 8 3 6 4 采用5 m h z 的外部时钟时，它的转换时间是3 2 1 a s ，相应的采样 保持时间是0 8 胂。因此，为得到最大的数据输出率( 2 5 0 r a - i z ) ，读取数据的操作 可以在下一个转换期间进行【1 6 1 当3 个保持信号同时被选通时，6 个a d c 8 同步转换，其转换结果将保存在 6 个寄存器中。对于每一个读操作，a d s 8 3 6 4 均输出1 6 位数据，并可由地址， 模式信号( a 0 、a 1 、a 2 ) 选择如何从a d s 8 3 6 4 读取数据，可以选择指定通道单独 读取模式，也可以选择周期循环读取模式或f i f o 读取模式。 a d s 8 3 6 4 中的采样，保持模块以最大吞吐率( 2 5 0 k h z ) t 作，它的输入带宽大 于a d c 的奈奎斯特频率。而典型的小信号带宽是3 0 0 m h z 。孔径延迟时间( 转换 器从采样模式切换到保持模式所花费的时间) 为5 n s ，每次的平均增量是5 0 p s 。 这些特性反映了a d s 8 3 6 4 接收输入信号的能力。 在正常操作时，r e f o u r ( 管脚6 1 ) 与p , - e f n 4 管脚6 2 ) 直接连接可以为a d s 8 3 6 4 提供+ 2 5 v 的内部参考电压当然，a d s 8 3 6 4 也可以在1 5 v 2 6 v 范围的外部 参考电压下工作，条件是输入不超过a v a d + 0 3 v 另外，a d s 8 3 6 4 的参考电压 是双缓冲的，使用内部参考电压时，缓冲器介于参考电压和负载之间。而使用外 1 0 郑州大学硕士学位论文第二章采集系统平台概述 部参考电压时，缓冲器则在参考电压和c d a c s 之间起隔离作用。而且缓冲器也 可以在转换期间对c d a c s 的所有电容重新充电。 a d s 8 3 6 4 的模拟输入可以是双极性或单极性的。输入信号接入的方式为，单 端输入时，聃端输入的是共模电压( c v ) 而+ n 的输入则围绕共模电压摆动， 峰一峰值为c v + v r 和c 、，、，r 球，v | 唧的大小决定了共模电压的变化范围当 输入是差分方式时，输入幅值在和+ 斟之间变化每个输入端的幅值分别是 c v + 1 2 v r 郎和c v 1 2 v r 球，差分输入电压的峰一峰值为+ v r e r 和- v i t 口，所以v p e f 也决定了输入电压的范围。应当注意的是：驱动输入端的电源输出阻抗应当匹配。 通常，可在正、负极之间接一个小电容( 2 0 p d 来匹配它们的阻抗。否则，将导致 失调误差。其输入电流取决于取样率和输入电压另外，输入电压的范围也应保 持在a g n d - 0 3 v 和a v t m + 0 3 v 之闻。a d s 8 3 6 4 的主要控制管脚及工作时序如 图2 - 2 所示。 2 2 主控板功能简介 图2 - 2a d s 8 3 6 4 工作时序图 主控板用来对各采集板进行统一管理，可以看作是采集板的工作平台主控 板实现采集数据的收集、存储和传输，还可以与上位机( 此上位机为存储故障诊 断软件，可对采集到的数据进行分析的服务器) 进行通讯。板上还集成有电源模 块和网络交换模块，可以实现对各采集板集中供电。主控板上的交换网络模块实 郑州大学硕士学位论文 第二章采集系统平台概述 现了采集板与主控板、主控板与上位机、以及采集板闻的通信。主控板原理框图 如图2 3 所示： 连接到子板 图2 - 3 主控板原理框图 主控板的具体功能描述如下： 配备双网口，为内部网络接口和外部网路接口； c p u 为工业级芯片a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，最高主频可达2 0 0 m h z ，完全能够满 足各予板的数据采集控制和数据交换要求； 和上位机数据传输连接外部网络接口，传输速度1 0 1 0 0 m 自适应，可实 现数据的双向传输和远程调试； 8 路开关量输出( 继电器输出支持1 1 0 w 1 a ) ； 和各采集板问通信采用网络模式，内部网络直接连接内嵌网络交换机； 具有本地数据存储能力，存储量大于1 0 0 m b , 本地数据