多通道不丟失大容量數(shù)據(jù)采集及存儲系統(tǒng)的設(shè)計

1、    多通道不丟失大容量數(shù)據(jù)采集及存儲系統(tǒng)的設(shè)計    秦杰 高翠云 陶金摘要：為解決在用電器電量參數(shù)檢測過程中采集設(shè)備體積龐大的問題，設(shè)計基于stm32數(shù)據(jù)采集高速存儲系統(tǒng)，實現(xiàn)對多路傳感器（電壓傳感器，電流傳感器）信號的高精度采集存儲。選用stm32f103rct6片上ad進行數(shù)據(jù)采集，通過乒乓緩存實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)緩存同步，達到使數(shù)據(jù)不丟失存儲的目的。實驗結(jié)果表明：對多路傳感器的采集驗證表明該數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對多通道模擬信號的高精度采集存儲，具有一定的工程應(yīng)用該價值。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)存儲；多通道；stm32：tp274.2 ：a ：

2、1007-9416（2018）07-0166-02數(shù)據(jù)采集存儲的方案主要有兩種。一種是采用微型計算機、高速數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)采集軟件來實現(xiàn)高速率、高分辨率、大容量的數(shù)據(jù)采集存儲。但是其設(shè)備體積較大，不易進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。而在用電器電量參數(shù)檢測過程中，常常需要體積小，便于移動的采集存儲裝置。這也是另一種數(shù)據(jù)采集存儲方案所能滿足的功能，它主要采用高速a/d轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)存儲器和單片機或fpga、dsp等實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)采集存儲，滿足檢測現(xiàn)場對采集存儲裝置的微小型化的需求。1 總體方案設(shè)計本系統(tǒng)是基于stm32微處理器和sd卡存儲的多通道數(shù)據(jù)采集及大容量數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，可應(yīng)用于電力參數(shù)以及各種傳感器信號的采

3、集與存儲。整個系統(tǒng)由信號采集預(yù)處理電路模塊、stm32主控制器、sd卡存儲器模塊、串口通訊模塊以及電源模塊組成。外設(shè)端傳感器信號經(jīng)過信號預(yù)處理電路模塊將信號調(diào)整到最佳采集范圍，通過stm32單片機的片上adc模塊實現(xiàn)a/d轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過dma通道傳送至stm32片上緩存中，并利用乒乓緩存模式將數(shù)據(jù)不丟失得存儲到sd中。本系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。信號預(yù)處理電路包含電壓預(yù)處理電路和電流預(yù)處理電路。電壓傳感器選擇型號為jlpt04，輸出的交流電壓信號首先經(jīng)過電位器組成的衰減電路，輸入到電壓跟隨電路中，提高電路的驅(qū)動能力，然后通過差放電路將雙極性電壓信號轉(zhuǎn)換成單極性電壓信號，輸出到單片機的模擬

4、輸入端口，進行數(shù)據(jù)采集和一系列處理。電流傳感器選擇型號為sct013開合式電流傳感器，該傳感器的輸出經(jīng)過運算放大電路放大輸入電壓信號，該運算放大芯片選擇ad620高精度儀表放大器，再通過差分電路將雙極性信號轉(zhuǎn)換成單極性信號輸出到數(shù)據(jù)采集模塊的模擬輸入端口，進行數(shù)據(jù)采集和一系列處理。2 系統(tǒng)軟件設(shè)計本系統(tǒng)設(shè)計中采用arm公司發(fā)布的集成開發(fā)環(huán)境keilvision5為開發(fā)平臺，并使用st官方集成庫函數(shù)。應(yīng)用程序主要包含主程序、數(shù)據(jù)采集程序、乒乓緩存程序、sd卡存儲程序，系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示。2.1 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集程序中，在片上內(nèi)存空間申請兩個大小為15kb的緩存數(shù)組，定義為buf1和buf2

5、。首先建立adc與片上緩存數(shù)組之間的dma通道，設(shè)置dma的數(shù)據(jù)傳輸方向由外設(shè)adc1到內(nèi)存buf1/buf2，工作在循環(huán)模式下。通過定時器tim3每隔一個采樣周期進入中斷觸發(fā)adc轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果直接通過dma通道保存到緩存數(shù)組中。tim3溢出時間即觸發(fā)ad采樣的定時器周期為5us，adc轉(zhuǎn)換時間為20個時鐘周期。本系統(tǒng)為12通道循環(huán)采集系統(tǒng)，單通道采樣率可達16.67khz。2.2 數(shù)據(jù)緩存乒乓緩存是實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)不丟失存儲的關(guān)鍵，當(dāng)a/d轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的數(shù)量達到15kb的時候，進入dma傳輸完成中斷，執(zhí)行切換dma內(nèi)存基地址（buf1->buf2/buf2->buf1）的中斷程序，并

6、給出數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成的緩存數(shù)組的標(biāo)記，在數(shù)據(jù)采集的過程中將該緩存數(shù)組中的數(shù)據(jù)存儲到sd中。本系統(tǒng)在向sd卡寫入數(shù)據(jù)時，每次連續(xù)寫入30個扇區(qū)，所用時間約為7ms，計算sd卡存儲速率約為2.1mb/s。2.3 理論計算完成一個buf數(shù)據(jù)（7680個數(shù)據(jù)）的準(zhǔn)備時，設(shè)定時器定時總時間t，adc的總轉(zhuǎn)換時間為t1，向sd卡寫入buf1/buf2的時間為t2。t=7680*tout=38.4ms；t1=20/72*76802.2ms；t27ms通過理論計算：t>t1+t2因此理論上本系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的不丟失存儲。3 系統(tǒng)驗證本數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)的主要功能是對多路模擬信號的高精度數(shù)據(jù)采集及實時數(shù)據(jù)連續(xù)存

7、儲，采用信號源信號測試和用電器電流信號測試來驗證本數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)是否可靠可行。3.1 信號源信號測試?yán)帽鞠到y(tǒng)對信號發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)正弦波進行采集，各通道所采集的模擬信號相同。通過串口通信方式將sd卡中200kb的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C。利用matlab將其中一個通道采集的數(shù)據(jù)繪出相應(yīng)的正弦波形。經(jīng)驗證，本數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)正確有效，無丟幀、錯幀現(xiàn)象。3.2 用電器電流信號測試?yán)帽緮?shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)對吹風(fēng)機的電流信號進行采集，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C處理。用matlab將使用本系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)繪制出對應(yīng)的波形圖如圖3所示。通過與通用測試平臺所測得的吹風(fēng)機小檔電流信號波形圖進行對比分析可得，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多路傳感器信息的高精度采集。4 結(jié)語本數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)采用stm32f103rct6完成對數(shù)據(jù)的采集處理，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的多通道、高精度采集，能夠?qū)崟r不丟失存儲采集到的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)程序可移植性高，功能拓展容易。經(jīng)試驗驗證，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能。參考文獻1徐航，羅巍.基于嵌入式的多通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)j.自動化與儀器儀表，2013，（1）：148-150.2王晨輝，吳悅，楊凱