（检测技术与自动化装置专业论文）网络化多种数据通信的通用数据采集装置的研究.pdf

摘要 y 1 0 0 7 8 9 9 本论文项目来源于上海海事大学航运仿真中心港口自动化仿真实验室建设课题， 本人参与了网络化数据采集装置的软件系统的设计开发并撰写了此论文。 数据采集是自动化系统的“神经末梢”，是自动化系统与客观世界的桥梁，是获 取外界环境信息的必要手段。而网络化的数据采集装置能有效地将现场信息及时、高 效地传输给现场控制层。现代化工业生产和自动化程度的不断提高，需要各种高性能 智能化的数据采集装置。实验室所设计开发的网络化数据采集装置作为现场总线控制 系统实验平台的一部分，用于科研和实验教学。通过此实验平台搭建基于多种通信方 式的工业应用环境，为科研和实验教学提供丰富的实验内容。 本文第二章，从系统设计的层面，论述了网络化数据采集装置的功能需求、软硬 件系统结构，以及网络化数据采集装置的应用案例。 第三章论述了数据采集、数据处理模块设计流程。在数据处理模块中，对随机误 差处理采用去极值滑动平均数字滤波技术；通过数据采集装置本地或上位机下传对象 特性曲线分段线性表，使数据采集装置的采集对象具有广泛性，能够对不同采集对象 进行标度。 第四、五、六章论述了数据通信接口的实现。其中，第四章详细剖析了c a n 总线 技术，分析比较了目前流行的c a n 应用层协议h i l o n a 、h i l o nb 、c a n o p e n 、d e v i c e n e t 等，由于信息帧采用静态优先级方案，在网络负载高的情况下，将出现低优先级的信 息帧由于长期总线仲裁失败而“饿死现象”。本文在参考h i l o na 的基础上，自定义 基于c a n 2 0 1 3 规范的应用层协议，其信息帧优先级随总线仲裁失败而晋升。第五章论 述了利用a n y b u s sd e v i c e n e t 嵌入式从站模块，使数据采集装置成为d e v i c e n e t 现 场智能从站。而第六章论述了基于p d u 格式的短消息通信，数据采集装置利用g p r s 模块，通过g p r s 移动通信网络，实现跨区域无线远程数据测控。 第七章列举了网络化数据采集装置的五种应用案例。 关键词：网络化，数据采集，c a n ，d e v i c e n e t ，g p r s ，短消息服务 a b s t r a c t t h i st h e s i si sb a s e do no n eo ft h ep r o j e c t su n d e r t a k e nb yp o r ta u t o m a t i o n s i m u l a t i o nl a b o r a t o r yo fm a r i n es i m u l a t i o nc e n t e r ( m s c ) i ns h a n g h a im a r i t i m e u n i v e r s i t y ( s m u ) t h ea u t h o ro f i tp a r t i c i p a t e di n d e s i g n i n ga n dd e v e l o p i n gt h e s o f t w a r es y s t e mo ft h en e t w o r k i n gd a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n t j u s ta st h e “n e r v e e n d i n g ”w o r k si nn e r v o u ss y s t e m d a t aa c q u i s i t i o nb r i d g e s a u t o m a t i o ns y s t e ma n do b j e c t i v ee n v i r o n m e n t ，a n dt h e r e f o r ei sa ne s s e n t i a l m e t h o do fa c q u i r i n gi n f o r m a t i o no fo u t e re n v i r o n m e n t t h en e t w o r k i n gd a t a a c q u i s i t i o ne q u i p m e n tt r a n s m i t sf i e l dd a t at ot h ef i e l dc o n t r o ll a y e rs p e e d i l ya n d e f f e c t i v e l y m o d e r na u t o m a t i o ni n d u s t r yd e m a n d sl o t so ft h ea d v a n c e dn e t w o r k i n g d a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n t s t h en e t w o r k i n gd a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n td e s i g n e d i nt h i sl a b o r a t o r y , w h i c hi sp a r to ft h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mo ff i e l d b u sc o n t r o l s y s t e m ，s e r v e sf o rr e s e a r c ha n de x p e r i m e n tt u t o r i a l t h ee n v i r o n m e n to fi n d u s t r y a p p l i c a t i o nb a s e do nm u l t i p l ec o m m u n i c a t i o nt y p e s ，w h i c hi se s t a b l i s h e dt h r o u g h t h i sp l a t f o r m ，p r o v i d e sa b u n d a n c eo fe x p e r i m e n tf o re x p e r i m e n tt u t o r i a l c h a p t e ri i ，a tt h el e v e lo fs y s t e md e s i g n 。d i s c u s s e st h ef u n c t i o nd e m a n df o rt h e n e t w o r k i n gd a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n t ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es t r u c t u r e ，a n d t h ea p p l i c a t i o nc a s e so ft h en e t w o r k i n gd a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n t c h a p t e ri i ie x p o u n d st h ep r o g r a mf l o wc h a r to ft h em o d u l eo fd a t aa c q u i s i t i o n a n dd a t ap r o c e s s i n g i nt h em o d u l eo fd a t ap r o c e s s i n g ，t h ed i g i t a lf i l t e r i n go f e l i m i n a t i n ge x t r e m u ma n ds l i d ea v e r a g i n gi su s e d ；a ni n t e r f a c e i s d e s i g n e db y s e t t i n gl o c a l l yo rd o w n l o a d i n gt h et a b l eo fc h a r a c t e r i s t i cc u r v et ot h en e t w o r k i n g d a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n t ，w h i c he n a b l e st h ed a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n tt os c a l e d i f f e r e n ta c q u i s i t i o no b j e c t s i n c h a p t e r ，c h a p t e rva n dc h a p t e r ，t h er e a l i z a t i o no fc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c ei sd i s c u s s e d c h a p t e r f o c u s e so nc a nf i e l d b u s ，a n da n a l y z e st h e p o p u l a rc a na p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o l s ：h i l o na ，h i l o nb ，c a n o p e n ，d e v i c e n e t e t c i nt h e s ep r o t o c o l s ，t h ep r i o r i t yo fd a t af r a m ei ss t a t i c ，s ot h ed a t af r a m eo fl o w p r i o r i t yw i l l b e “s t a r v e d ”b e c a u s eo fb u sa r b i t r a t i o nf a i l u r ew h e nt h e f l o wo f n e t w o r ki sh i g h r e f e r r i n gt oh i l o na ，t h ea u t h o ro ft h i st h e s i sd e s i g n e dt h ec a n a p p l i c a t i o nl a y e rw h i c hi sb a s e d0 1 3c a n2 0 bs p e c i f i c a t i o na n dt h ea u t op r o m o t i n g p r i o r i t yf o rb u sa r b i t r a t i o nf a i l u r e c h a p t e rve x p l a i n s h o wt h ed a t aa c q u i s i t i o n e q u i p m e n tc a nb et u r n e di n t oi n t e l l i g e n td e v i c e n e ts l a v eb yu s i n gt h ee m b e d d e d m o d u l eo fa n y b u s sd e v i c e n e ts l a v e c h a p t e r d i s s e r t a t e sa b o u ts h o r tm e s s a g e c o m m u n i c a t i o nb a s e do np d uo f s m s ( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) ，t h e d a t a a c q u i s i t i o ne q u i p m e n tc a nb eu s e dt or e a l i z er e m o t ed a t aa c q u i s i t i o na n dd a t a c o n t r o it h r o u g hg p r sm o d u l ea n dg p r sn e t w o r k c h a p t e r 。e n u m e r a t e sf i v ea p p l i c a t i o nc a s e so f t h en e t w o r k i n gd a t a a c q u i s i t i o ne q u i p m e n t d a il i n ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n dc o n t r o ls c i e n c e ) di r e c t e db yp r o f g uw e ia n dp r o f c h uj i a n x i n k e yw o r d s ：n e t w o r k i n g ，d a t aa c q u i s i t i o n ，c a n ，d e v i c e n e t ，g p r s ，s m s 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做 的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：幺妊曰期：1 竺竖：2 ：! 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段 保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 名：醴翩签名翠勉隰坐 上海海事大学硕士论文网络化多种数据通信的通用数据采集装置的研究 第一章号l 言 1 1 自动化领域的通储技术概述 隧着诗羹概技术、透露技术、控寿l 技零懿发震，辱| 起了工韭鑫璐纯斡深蘩交鼙， 舆有数字通信能力的智能测控设备逐渐取代传统的模拟设备，方便了底层设备之间以 及生产现场与外界的网络遥倍，逐步形成以计算机网络集成自动化系统为基础的企业 生产系统。现场总线技术就麓在这种情况下应运雨生，成为自控技术的热点雕。 无线通信技术的发展，尤其是g p r s 完善的公众移渤通信网路系统，g p r s 的“永 邋在线，衷远逡接”，亳效警豹簧输、快逡魏惩络处憨、挠_ 于魏戆力强等特点，在跨 簸域的远程监控领域，尤其猩环境监测、能源管道输送监控、电力系统监测等领域， 得到广泛应用。 1 现场总线技术 现场总线技术是2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的一种崭新的工业控制技术。根据国 器滚工委员会i 粒8 1 1 5 8 对现场总线熬定义，现囊总线藏楚安装在翻逡竣过程区域瓣现 场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线【l j 。 采用现场总线技术的现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) ，是 缭集散控割系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d e s ) 之后斡薪鍪撩籍系统，它潋溪 场总线为纽带，以分散的智自控制设备为节点。从本质上说，f c s 魁种网络系统， 熊穗智能化静、功能自治靛现场设备连成潮络，：并实域测控信息上传粒下达【2 】。 与d c s 系统相比，现场总线系统在本质上有以下技术特点 j l ： ( 1 ) 现场总线是工业现场通信网络。 ( 2 ) 瑰场慧线是数字遴臻疆络。 ( 3 ) 现场总线是开放互涟网络。 ( 4 ) 现场总线是现场设铸互连网络。 ( ) 现繇慧线是结鞫苇蟊功麓高度分数缝系统。 ( 6 ) 现场设备具有互操作性和互换性。 上海海事大学硕士论文 网络化多种数据通信的通用数据采集装置的研究 现场总线具有的数字化、开放性、分散性、互操作性与互换性及对现场的适应性 等特点决定和派生了以下优点【3 】： ( 1 ) 导线和连接附件大量减少。 ( 2 ) 仪表和输入输出转换器大量减少。 ( 3 ) 设计、安装、调试和维护费用大大降低。 ( 4 ) 系统结构、功能的高度分散性和现场总线协议严格定义提高了系统可靠性。 ( 5 ) 系统测量与控制的精度提高。 ( 6 ) 系统具有优异的远程监控和故障诊断能力。 ( 7 ) 设备配置、网络组态和系统集成方便自由。 由于现场总线所具有的本质特点和一系列优点，现场总线的发展前景是非常诱人 的；由于现场总线的产生和发展过程不同，现场总线的种类也非常多，目前国际上大 概有4 0 多种现场总线。每种现场总线至少有一个大的自动化公司支持，因此他们都期 待着成为市场的主宰者。由于现场总线是一个开放的独立的控制系统，所以现场总线 规范的标准化也是一个热点。目前比较流行的两种现场总线国际标准是工业控制系统 用的现场总线标准i e c 6 1 1 5 8 和设备层的现场总线国际标准i e c 6 2 0 2 6 。 1 1 2 g p r s 无线通信技术 g p r s ( g e n e r a lp a c k e ti a d i os e r v i c e ) 通用分组无线业务是一种建立在t c p i p 、 u d p 协议基础上的开放式的网络系统结构，具有传输效率高、网络处理速度快、抗干 扰能力强等特点。g p r s 在现有的g s m 网络基础上叠加了一个新的网络，同时在网络 上增加一些硬件设备和软件升级，形成了一个新的网络逻辑实体，提供端到端的、广 域的无线i p 连接，向移动用户提供数据交换业务。 g p r s 主要优点 3 8 】： ( 1 )“永远在线，永远连接” ( 2 ) g p r s 采用分组交换技术，高效传输高速或低速数据和信令，优化了对网络 资源和无线资源的利用。 ( 3 ) 支持中、高速率数据传输，可为每位用户提供9 0 5 1 7 1 2 k b i t s 的数据传 输速率。 上海海事大学硕士论文 嘲络化多种数据通信的通用数据采集装置的研究 ( 4 ) 应用全球适用标准的u d p 、t c p 网络传输数据协议来传输数据，只要按这协 议打包的数据都可通过网络传送到相关的终端，应用上有更广泛的全球化支持。 ( 5 ) g p r s 支持基于标准数据通信协议的应用，可以和i p 网、x 2 5 网互联互通。 支持特定的点到点和点到多点服务，以实现一些特殊应用如远程信息处理。 ( 6 ) g p r s 的核心网络层采用i p 技术，底层还可使用多种传输技术，很方便地实 现与高速发展的i p 网无缝连接。 ( 7 ) g p r s 可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级的计费功能，计费 方式更加合理，用户使用更加方便。 另外，g p r s 网络系统在无线数据传输安全性上具有较强的保密性和可靠| 生，它支 持前向纠错、自动反馈重发、全程加密等功能，它在终端设备安全上可采用防伪登陆 等方法，使g p r s 无线数据传输的安全性和可靠性明显地提高。 1 2 选题背景 该课题作为航运仿真中心港口自动化仿真实验室建设的一部分，用于科研和实验 教学。所设计开发的网络化多种数据通信的通用数据采集装置是实验室的现场总线控 制系统实验平台的一部分。目前该实验平台已具备以下三种数据采集方式： ( 1 ) p l c 作为数据采集装置，通过i o 模块对标准模拟信号( 4 2 0 i i l a ，1 5 v ) 和开关信号进行采集，但不能输入数字信号。一对一布线，历史数据保存能力弱。 ( 2 )工控机+ i o 板卡作为数据采集装置，虽然数据存储能力强，但体积大，不 适宜进行远程采集。 ( 3 )总线l t o 模块，布线简洁，但只能对智能仪表进行数据采集和控制。 而该数据采集装置为专用数据采集装置，能针对采集对象进行信号特殊处理，同 时，d e v i c e n e t 通信模块将处理的数据传输至d e v i c e n e t 主站。该数据采集装置不仅 具备较强数据采集、处理和历史数据保存能力，还具有灵活的组网功能。 同时，该数据装置提供r s 一2 3 2 c 、r s 4 8 5 串口通信，c a n 总线通信接口，以及 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 通信模块，为现场控制系统实验平台提供多种 通信方式，以满足不同应用环境的需求。 上海海攀夫学硕士论文 嬲络化多种数据邋信的通用数撬袋集装置的研究 1 3 本课题的任务与意义 1 3 1 主要任务 本课题主要为数据采集装置设计开发基予c a n 、d e v i c e n e t 和g p r s 的通信接口， 使其网络化，能接入c a n 、d e v i c e n e t 和g p r s ：i 鼹信网络，所做的工作主爨包括以下几 个方蘸： ( 1 ) 数据采集装置的数据采集处理。 ( 2 ) 基于c a n 2 0 b 的具有优先级晋升的自定义应用层协议设计与实现。 ( 3 ) a n y b u s sd e v i c e n e t 嵌入式歇站模块魏驱动与数攒遥售。 ( 4 ) 基于g p r s g s m 短消息邋信实现。 ( 5 ) 网络化数据采集装置的应用系统设计与实现。 1 3 2 课题意义 、 通过设计开发网络化数据采祭装置不仅为港口自动化仿真实验室提供科研和教 学装餐，嗣薅荧以露设毒卡开发多耪数据采集装麓提供秀发王矮，纛量遮遭瓣终纯数撵 采集装曩与现场总线控制系统平台搭建远程数据采集的工救应用环境。 4 上海海事大学硕士论文 网络化多种数据通信的通用数据采集装置的研究 第二章网络化数据采集装置的系统设计 2 1网络化数据采集装置 根据设计需求，网络化数据采集装置首先必须具备通用的数据采集与处理能力， 同时，为满足现场总线控制系统实验教学目的和科研开发应用的需要，数据采集装置 配置了多种通信接口，能够接入c a n 、d e v i c e n e t 和g p r s 通信网络。 2 1 1网络化数据采集装置的硬件系统结构 网络化数据采集装置的硬件系统结构组成如图2 - 1 所示。 图2 - 1 ：网络化数据采集装置的硬件系统结构框图 该网络化数据采集装置主要由以下几部分组成： ( 1 )数据采集装置以单片机为核心，负责数据采集、数据处理、过程控制及远程 通信。 ( 2 )模拟量输入通道是决定数据采集装置准确度的关键部位，各类测量信号先由 相应的传感器变换成电信号，经模数转换( a d ) 送入单片机。模拟量输入通道包括 信号放大器、滤波器、多路转换器、采样保持器、a d 转换器、三态缓冲器等，特 殊场合尚需在模拟量输入通道中设置信号隔离功能。 ( 3 ) d a 转换接日及驱动电路则构成模拟量输出通道，由d a 转换器、多路分 上海海事大学硕士论文网络化多种数据通信的通用数据采集装置的研究 配器、模拟保持器、低通滤波器等组成。 ( 4 ) 外部开关信号经光电隔离送入单片机；开关控制信号经光电隔离、或继电器 驱动外围部件。 ( 5 ) e e p r o m 用于存储应用程序，而片外r a m 用作数据采集装置运行过程中数 据存储器。 ( 6 )面板键盘及键盘输入接口用于数据采集装置的工作参数的本地设置。数据采 集装置的工作状态以及对采集的数据处理结果通过l e d 、l c d 以丰富友好的界面及 时告诉操作人员，使数据采集装置的操作更加方便、直观。 ( 7 )通信接口实现与远程监控计算机进行通信。为满足不同领域的需求，该数据 采集装置配置了r s 一2 3 2 c 、r s 一4 8 5 、c a n 和d e v i c e n e t 通信接口。 1 r s 2 3 2 c 、r s - 4 8 5 通信接口电路原理图 r s - 2 3 2 c 是应用最广泛的一种串行通信接口，但其通信距离短、速率低；而r s 4 8 5 具有通信距离远、多节点、双向通信以及传输线成本低的特性，使其成为m _ , t k 应用中 数据传输的首选标准。本装置的r s 一2 3 2 c 、r s 一4 8 5 通信接口电路原理图如图2 2 所示。 其中1 路r s 一2 3 2 c 用于直接与上位计算机通信，另1 路r s 一2 3 2 c 通过带r s 一2 3 2 c 的 g p r $ 模块与上位计算机进行短消息通信。 图2 - 2 ：r s 2 3 2 c 、r s 一4 8 5 通信接口电路原理图 上海海事大学鹾圭论文隧络位多种鼗撼连信静遴孀数据采簸装置嚣群究 2 。c a n 遗信接舀电路漂瑾蚕 c a n 通信接口电路主要由p h i l i p s 公司的c a n 独立控制器s j a i 0 0 0 、c a n 收发器 p c a 8 2 c 2 5 0 驻及光电隔离器件6 n 1 3 7 等构成( 如图2 3 所示) 。 图2 - 3 ：c a n 通信接口电路原理图 s j a l 0 0 0 提供两种模式：b a s i c c a n 模式和p e l i c a n 模式。 p c a 8 2 c 2 5 0 作为c a n 总线收发器，是c a n 控制器与c a n 总线的接口器侔，提供对 总线的差动发送能力积对c a n 控制器( s 7 a 1 0 0 0 ) 的嫠动接收能力。其r s 弓f 脚用于选 择p c a 8 2 c 2 5 0 的工作模式：高速、斜率控制、等特。r s 接地，p c a 8 2 c 2 5 0 处于高速。 r s 嬲串接个电阻最再接娥，曩予控制上舞帮下隆魁率，从恧减小射频干扰。r s 嬲 接商电平，p c a 8 2 c 2 5 0 处于等待，此时发送器关闭，接收器处于低电流工作，可以对 c a n 慧线上静显毪绽秧凄获应，逶鲡c p u 。c p u 嚣遴过凌羧憝葶| 瓣上静爨平来重鬣 p c a 8 2 c 2 5 0 工作模式。若p c a 8 2 c 2 5 0 处于c a n 总线的网络终端，总线接口部分需加一 个1 2 0 盆豹总线终端电阻，用于消除信号传输虱导线翡端点时发生反射信号。 光隔离器件( 6 n 1 3 7 ) 是为进一步提高系统抗于扰能力而接在c a n 控制器s t a l 0 0 0 和c a n 控制器接口p c a 8 2 c 2 5 0 之间的。 7 上海海事大学硕士论文 网络化多种数据通信的通用数据采集装置的研究 3 d e v i c e n e t 通信接口电路原理图 本数据采集装置通过接口与a n y b u s sd e v i c e n e t 嵌入式从站模块相连( 如图2 - 4 所示) 。由于a n y b u s - s 嵌入式从站模块与单片机间的应用接口设计独立于具体现场 通信协议，即使用不同的现场总线类型的时候，应用软件不需要进行修改，只需要更 换a n y b u s s 模块即可。 应用接口! 卜 a o a 1 1 o 1卜 d 0 一d 1 双 塞 端 曼 a t m e g a l 2 8 肋口 d e v i c e n e t v 1 ， 协议栈 蚤 w r 内 糟 c e 存 诃 t e q ，r l i r v i i a n y b u s - sd e n c e n e t 嵌入式从站模块 图2 4 ：d e v i c e n e t 通信接口电路原理图 螺 躏 辍 露 老 墨 占 2 1 2 网络化数据采集装置的软件系统结构 网络化数据采集装置的软件主要包括数据采集处理模块和数据通信接口管理模 块，如图2 5 所示。数据采集处理模块主要面向装置的数据采集、处理、输入，输出控 制，操作面板、键盘及显示器的管理。通过键盘操作输入并存储所设置的功能、操作 方式与工作参数。通过控制o 接口电路对数据进行采集；对数据采集装置进行预定 的设置；对所采集和记录的数据与状态进行各种处理；以数字、字符、i 图形等形式显 示各种状态信息以及采集数据的处理结果等。数据通信接口管理模块接收并分析来自 通信接口总线的各种有关信息、操作方式与工作参数的程控操作码，并通过通信接口 输出数据采集装置的当前工作状态及采集数据的处理结果来响应上位监控计算机的 远程控制命令。 上海海事大学硕士论文网络化多种数据通信的通用数据采集装置的研究 数据采集处理模块 数据通信模块 图2 - 5 ：网络化数据采集装置的软件系统结构 网络化数据采集装置的工作过程：首先，装置上电自检，装置初始设置。外部的 输入信号( 被测量) 先经过输入电路进行变换、放大、整形和补偿等处理，然后再经 模拟量通道的a d 转换接口转换成数字量信号，送入单片机。单片机对输入数据进 行加工处理、分析、计算等一系列工作，并将运算结果存入数据存储r a m 中。同时， 将输出控制的数字量经模拟量通道的d a 转换接口转换成模拟量信号输出，或经信 号发大驱动继电器，并经过驱动与执行电路去控制被控对象。可通过显示器接口送至 l e d 、l c d 显示，或通过通信接口( r s 一2 3 2 c 1 4 8 5 、现场总线) 实现与上位监控计算 机的数据通信，完成更复杂的数据处理与控制任务。 2 1 3 网络化数据采集装置的主要功能和特点 以单片机为核心的网络化数据采集装置的主要功能为数据采集、数据处理和数据 传输。其主要特点如下： ( 1 )具有友好的人机对话功能 数据采集装置使用键盘代替传统仪器中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入 命令，就能实现某种测量功能。与此同时，数据采集装置通过l c d 将装置的运行情 况、工作状态以及对采集数据的处理结果及时告诉操作人员，使数据采集装置的现场 操作更加方便、直观。 ( 2 )自诊断和故障监控 在运行过程中，数据采集装置可以自动地对装置本身各组成部分进行一系列的测 试，一旦发现故障即能报警，并显示故障部位，以便及时处理。 9 上海海事丈学硕士论文两络化多种数据透信的邈塌数据采熊装置酶研究 ( 3 ) 强大静数据通信黥力 数据采集装置配有r s 2 3 2 c 、r s 一4 8 5 、c a n 和d e v i c e n e t 通信接口。同时，可通 过r s 一2 3 2 ( 2 接口与g p r s 模块相连，实现和远程计算视进行短消息通信。 2 2 网络化数据采集装置的廒用系统 随着生产过糕自动纯程度的提高，要求测控仪表与装露其有多样的、复杂的涮 控功能，具有更高的精度和可靠性；工业自动化过程的相亘关联性的不断增加，要求 测控仪表与装置间舆互通信能力、简易组网能力，进而对系统进行综合自动化，使企 业管理与过程控制摆缝合，便于列建过程镰怠较快缝l 乍出凑利于企、韭的决策，以遥痘 变化发展的市场要求。模拟测控仪褒与装鬣已不能满足这种要求。网络化数据采集装 登歪是适应这耱要求嚣产生与发藏豹。整2 6 震示了该褒终纯数据采集装鬣在实验室 环境构建的基于多种通信方式的成用系统。 图2 - 6 ：网络化数据采集装置的应用系统 网络化数据采集装置的应用系统由以下部分构建： ( 1 )以数据采集装置为核心构建的现场控制级。 ( 2 ) 数握采集装置通过事口r s 2 3 2 c 、r s 一4 8 5 妻接与工业诗磐规进行数据遴信e 上海海事大学硕士论文网络化多种数据通信的通用数据采集装置的研究 ( 3 ) 工业计算机通过插入p c i 5 1 2 1 智能c a n 接口卡成为c a n 节点，与其它具 有c a n 通信接口的智能设备组成基于c a n 的现场总线网络。 ( 4 ) 4p l c 主站的d e v i c e n e t 通信模块与数据采集装置d e v i c e n e t 从站连接构成基 于d e v i c e n e t 的现场总线网络，p l c 主站的e t h e r n e t 通信模块和工业计算机通过以太 网交换机相连。 ( 5 )工业计算机与数据采集装置之间通过带r s 一2 3 2 c 接口的g p r s ( g e n e r a l p a c k e tr a d i os e r v i c e ) 模块实现基于公用移动通信网的短消息模式的数据通信。 ( 6 )在工业计算机平台上通过v i s u a lb a s i c ，i n t o u c h 开发用户界面形象直观、操 作方便的监控软件。 该应用系统充分表达了多种通信方式在自动化领域的应用。串口r s 2 3 2 c 、 r s 一4 8 5 通信方式用于小型、简单的单机测控系统。而基于c a n 、d e v i c e n e t 等现场 总线的现场总线系统( f c s ) ，以其开放性、互可操作性与互用性、现场设备的智能 化与功能自治性、系统结构的高度分散性和对现场环境的适应性，广泛应用于工业自 动化的各个领域。对跨区域的远程监测需求，尤其在环境监测、能源管道输送监测、 电力监测等领域，由于监测点分布区域广、无人职守等原因必须采用无线通信方式， 搭建独立的无线通信网络将增加系统成本，因而采用覆盖率高、安全性能好、“永远 在线，永远连接”的g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 网络越来越受到人们的青 睐。 上海海事大学硕士论文网络化多种数据通信的通用数据采集装置的研究 第三章网络化数据采集装置的数据采集与处理 的软件实现 数据采集装置具备8 路1 0 位模拟信号、8 路数字信号的采集，常用标准模拟量 的输出，以及多种通信方式，还具有键盘输入与l c d 显示功能。其中基于c a n 的自定 义协议通信、d e v i c e n e t 从站和基于g p r s g s m 的通信将在后续章节中着重论述。 3 1开发及仿真调试工具 系统开发选用i c c a v r 开发工具，i c c a v r 是针对a v r 单片机设计的c 语言编译器，支 持符合a n s i 标准的c 语言程序设计，同时针对a v r 单片机的一些特点进行扩展。汇编语 言作为传统嵌入式系统的编程语言；具有执行效率高等优点，但其本身是一种低级语 言，编程效率低下，且可移植性和可读性差，维护极不方便，从而导致整个系统的可 靠性也较差。而c 语言以其结构化、模块化，可移植性、可复用性，丰富的函数库， 以及能满足多个工程师以软件工程的形式进行协同开发等优势，得到广泛应用。 虽然使用c 语言写出来的代码会比用汇编语言占用的空间大5 2 0 ，但是，由于 半导体技术的发展，芯片的容量和速度有了大幅度的提高，占用空间大小的差异已经 不很关键，相比之下，应该更注重软件是否具有长期稳定运行的能力，注重使用先进 开发工具所带来的时间和成本的优势。 选用a v rs t u d i 0 4 o 仿真a t m e g a l 2 8 ( 图3 1 ) ，软件仿真调试可以很方便消除程序 语法错误，也可以消除部分运行错误，如指针变量没有初始化等。利用a v rs t u d i o4 0 中的内存查看功能可以方便地查看内存数据，追踪数据变化，快速确定出错范围。加 上a v rs t u d i o4 o 的单步调试功能使出错定位变得更简单，快速。 上海海事大学硕士论文网络化多种数据通信的通用数据采集装置的研究 图3 - 1 ：a v rs t u d i 0 4 0 仿真调试界面 3 2 数据采集流程 数据采集部分直接利用j a t m e g a l 2 8 自带的1 0 位逐次逼近型模数转换器。在 a t m e g a l 2 8 中，a d c 与一个8 通道的模拟多路复用器连接，组成了多路采集转换器， 能够实现对来自a 端口的8 路单端输入信号进行采样。 采集功能是通过对内部控制寄存器的设置实现的。在数据采集主程序的初始化部 分中，设定控制和状态寄存器a d c s r a = o x e f ( 图3 2 ) ，使a d 转换工作在连续转换 模式，不断对输入信号采样，并实时更新数据寄存器的值。原理上，通过检测控制和 状态寄存器a d c s r a 的b i t4 状态位，判断a d 转换是否结束，从而确定是否触发执行 a d c 中断服务程序。在a d c 中断服务程序中，将采集的数据按队列方式存入数据缓 冲区，作为后续数据处理( 定时中断服务程序) 的数据源。在定时中断服务程序( 图 3 - 3 ) 中，采用了去极值滑动平均数字滤波技术对数据进行进一步处理。 由于数据采集装置针对变化较慢的采集对象进行数据采集，对数据采集速度要求 相对较弱，故设计去极值滑动平均数字滤波算法对数据进行处理，该方法能有效地剔 除异常干扰，消除随机误差，同时能达到较高的数据采样频率。 上海海事大学硕士论文网络化多种数据通信的通用数据采集装置的研究 ：集主程序 本地或接收上位机 a d 中断定时设定值 山 设定t i m e 0 t c n t 0 = 0 x d 9 ，o c r 0 = 0 x 2 7 ，t i m s k = 0 x o l 山 使能a d c ，设置a d c s r a = o x e f 图3 - 2 ：a d c 转换结束中断处理程序流程 t i m e 0 定时中断服务程序 通道选择( a d m u x = 0 x 4 0 1 c h a n n e ln u m ) 山 对采集数据缓冲区中数据进行去极值滑动平均处理 图3 - 3 ：定时中断处理 3 3 数据处理流程 数据处理是数据采集装置的驱动软件基础之一。在此网络化数据采集装置中采用 去极值滑动平均数字滤波算法，用以克服随机误差，同时，一定程度地克服疏忽误差； 通过本地或上位监控计算机设定采集装置当前采集对象的特性曲线分段线性表，通过 查特性曲线分段线性表来对采集处理后的数据进行标度，向用户提供代表具体含义的 数据。 3 3 1去极值滑动平均数字滤波 本文仅就随机误差处理方法进行论述。随机误差是指在相同的条件下多次测量同 一被测量时，误差的绝对值和符号的变化没有确定规律的误差。但以相等精度测量某 一被测量时，根据时间平均和总体平均方法，当测量时间t c o 或测量次数n 一一时， 其随机误差之和趋于零，即测定值的数学期望将等于被测量y 的真值e ，即使取有限 时间或有限次测量的平均值也远比各次分别的测定值】j ：逼近于真值。 去极值滑动平均数字滤波算法原理如下：设数据窗长度n ( n 3 ) ，当第k ( k n ) 圭塑塑塞查兰璧圭笙茎 受塑垡童塑塑篓釜堡望塑燕鏊塑茎篓整茎塑! ! 曼 个释值避入时，蘩鬣e - - n 令样往盘舍去，弼笾淆渤蒋迸( 鲡匿3 - 4 辑示) 。其中，数 据窗n 的取德不能太大，避免数据处理延时。同时，对连续的第( k n 十1 ) 第k 韵n 个样值，对采集数据累船求和，同时找出其中韵最大值与最小慎，再跌累加和中 减去最大馕和最小僮，按n 一2 个采样值求平均，即彳导有效采样篷为： y = 万1 _ ( 姜l y 船。一y m ；。j 。去极慎，剔除了异常干扰；平均，有效地消除随机议 差：而采用滑动处理，能够保持高速采样。去极值滑动平均数字滤波算法流程如图 3 - 5 掰示。 n 个样值的数据窗 图3 - 4 ：数据窗滑动示意 图3 - 5 ：去摄徨、潆动平均数字滤波雾法藏稷图 主海海事丈学鹾士逢文霹络纯多车孛数锤透信熬蟪臻鼗据袋捷装置熬蓥并宠 3 。3 。2 檬浚转换 为对采集数据进行标度转换，必须了解采集对象的特性曲线，而本数据采集装置 为辩各稀髋格静采集对象邋行标发，员l 应对各释蕊裕采集对象静符注叠羹线分段线性表 进行存储，显然，此法与专用数据采集装置一样，也一定程度地限制了采集对象。 为使数据采集装置具有通用髋，能对任何采集对象进行标度，故设计邋过数据采 集装置本地或上位监控计簿机设寇采集装漫当前聚集对象的特性躲线分段线性表，通 过雀特性曲线分段线性表，幂用线性内插法对采集处理后的数据进行标度，向用户提 供代表具体含义豹数据。爝户可以任意缨分拷牲赫线，以瀵是不慰戆精度甏求，实现 方法如图3 6 的示例所示。 y 甄 5 y 4 y y o 电压 x ox x 2 x 3 x 4x 5 x 6 输出值 y oy 1y 2y 3y 4y 5y 6 特性曲线分段线性表 线性内插法： a y = ( y i 一y i ) 式x x i ) 8 ( x x ：) xy = y i + y x 6 特性曲线分段线饿内插法 各传感器供应商所提供的特性曲线x - y 轴对应关系可能不同，y 轴通常表示外界 被溺对象豹物理参数，翅压力、激发等；x 辍爨为测量传藜器稔懑篷，或经过交遴鞲 节输出的电压、电流信号。所设计的数据采集装置的a d 转换仅对o 5 v 的电压信号 遵行采集( 0 2 0 r a a 电流遴过2 5 0 f 2 电阻转换成电舔值) ，教用户在穰据精度要求翁分 特性曲线后需要将特性曲线x 轴进行换算，生成数据采集装置能够正确处理的特性曲 线分段线性表，表中电压栏中各项按序递增，而y ；与x ；一一对应。特性曲线分段 线性表逶谴电压x 裙稔警穰y 嚣令一维数缝实褒，数缝阚元素按下拣一一对应。 0 5 v 电压信号经a d 转换成0 2 ”一1 的数字信号，糟设d 为当前采集到的电压 信号x 对应的数字信号，则有x = d * 5 1 ( 2 ”1 ) 。通过查特性曲线分段线性袭的电压一 确 酶 鹜 k 毡k x 上海海事大学硕士论文网络化多种数据通信的通用数据采集装置的研究 栏，使x i x x 。“，由公式a y = ( y i “一y t ) ，( x 一x i ) 8 ( x x i ) 和y = y i + y 计算得实际 含义的输出值y 。 在具体实现过程中对x ( x 。，x ；。) 的查找采用顺序查找，它按顺序扫描特性曲线分 段线性表的电压一栏中的各项，与给定值x 依次比较，直到找到满足x 。