VIP-數(shù)據(jù)采集

1、VIP創(chuàng)新項目論文題目：數(shù)據(jù)采集專 業(yè)：信息管理與信息系統(tǒng)計算機與數(shù)據(jù)科學學院2019年12月23日VIP創(chuàng)新項目結課論文 目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 1數(shù)據(jù)采集概念及簡介 2 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 2數(shù)據(jù)采集的目的 3 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 3數(shù)據(jù)采集原理4 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 4常見的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6 HYPERLINK l

2、 bookmark12 o Current Document 數(shù)據(jù)采集器與遠程遙測系統(tǒng) 6 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 社會保險數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 6 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 5工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及技術手段實例 7 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 6總結91數(shù)據(jù)采集概念及簡介數(shù)據(jù)采集，又稱數(shù)據(jù)獲取，是利用一種裝置，從系統(tǒng)外部采集數(shù)據(jù)并輸入 到系統(tǒng)內(nèi)部的一個接口。數(shù)據(jù)采集技術廣泛應用在各個領域。比如攝像頭，麥 克風，都是數(shù)據(jù)采集工具。被采

3、集數(shù)據(jù)是已被轉換為電訊號的各種物理量，如溫度、水位、風速、壓 力等，可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。采集一般是采樣方式，即隔一定時間 （稱采樣周期）對同一點數(shù)據(jù)重復采集。采集的數(shù)據(jù)大多是瞬時值，也可是某 段時間內(nèi)的一個特征值。準確的數(shù)據(jù)測量是數(shù)據(jù)采集的基礎。數(shù)據(jù)量測方法有 接觸式和非接觸式，檢測元件多種多樣。不論哪種方法和元件，均以不影響被 測對象狀態(tài)和測量環(huán)境為前提，以保證數(shù)據(jù)的正確性。數(shù)據(jù)采集含義很廣，包 括對面狀連續(xù)物理量的采集。在計算機輔助制圖、測圖、設計中，對圖形或圖 像數(shù)字化過程也可稱為數(shù)據(jù)采集，此時被采集的是幾何量（或包括物理量，如 灰度）數(shù)據(jù)。在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)快速發(fā)展的今天，數(shù)據(jù)采集

4、已經(jīng)被廣泛應用于互聯(lián)網(wǎng)及分布 式領域，數(shù)據(jù)采集領域已經(jīng)發(fā)生了重要的變化。首先，分布式控制應用場合中 的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在國內(nèi)外已經(jīng)取得了長足的發(fā)展。其次，總線兼容型數(shù)據(jù) 采集插件的數(shù)量不斷增大，與個人計算機兼容的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)量也在增加 國內(nèi)外各種數(shù)據(jù)采集機先后問世，將數(shù)據(jù)采集帶入了一個全新的時代。2數(shù)據(jù)采集的目的數(shù)據(jù)采集，是指從傳感器和其它待測設備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集 信息的過程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結合基于計算機的測量軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)靈活的、 用戶自定義的測量系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集的目的是為了測量電壓、電流、溫度、壓力或聲音等物理現(xiàn)象?；?于PC的數(shù)據(jù)采集，通過模塊化硬件、應用軟件和計算機的

5、結合，進行測量。盡管 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)不同的應用需求有不同的定義，但各個系統(tǒng)采集、分析和顯示 信息的目的卻都相同。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整合了信號、傳感器、激勵器、信號調(diào)理、 數(shù)據(jù)采集設備和應用軟件。表一（數(shù)據(jù)采集）3數(shù)據(jù)采集原理在計算機廣泛應用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。它是計算機 與外部物理世界連接的橋梁。各種類型信號采集的難易程度差別很大。實際采 集時，噪聲也可能帶來一些麻煩。數(shù)據(jù)采集時，有一些基本原理要注意，還有 更多的實際的問題要解決。/,ftK里也哨K，：_ .：.!nKL.LCUXAmr#.：1：MM*rifi rt* frlffif !C. VI r cs_cir.c二& ET

6、U表二(數(shù)據(jù)采集)假設對一個模擬信號x(t )每隔At時間采樣一次。時間間隔At被稱為采 樣間隔或者采樣周期。它的倒數(shù)1/At被稱為采樣頻率，單位是采樣數(shù)/每秒。 t=0, At,2 At,3 At等等，x(t )的數(shù)值就被稱為采樣值。所有 x(0),x A t),x (2At)都是采樣值。根據(jù)采樣定理，最低采樣頻率必須是信號頻率的兩 倍。反過來說，如果給定了采樣頻率，那么能夠正確顯示信號而不發(fā)生畸變的 最大頻率叫做奈奎斯特頻率，它是采樣頻率的一半。如果信號中包含頻率高于 奈奎斯特頻率的成分，信號將在直流和奈奎斯特頻率之間畸變。田好桂福丸U2到表三(數(shù)據(jù)采集)采樣率過低的結果是還原的信號的頻率

7、看上去與原始信號不同。這種信號 畸變叫做混疊。出現(xiàn)的混頻偏差是輸入信號的頻率和最靠近的采樣率整數(shù)倍的 差的絕對值。采樣的結果將會是低于奈奎斯特頻率(fs/2=50Hz )的信號可以被正確采樣。 而頻率高于50HZ的信號成分采樣時會發(fā)生畸變。分別產(chǎn)生了 30、40和10Hz的 畸變頻率F2、F3和F4。計算混頻偏差的公式是：混頻偏差=ABS俵樣頻率的整數(shù)倍輸入頻率)其中ABS表示“絕對值”，為了避免這種情況的發(fā)生，通常在信號被采集(A/D)之前，經(jīng)過一個低通 濾波器，將信號中高于奈奎斯特頻率的信號成分濾去。這個濾波器稱為抗混疊 濾波器。采樣頻率應當怎樣設置。也許可能會首先考慮用采集卡支持的最大頻

8、率。 但是，較長時間使用很高的采樣率可能會導致沒有足夠的內(nèi)存或者硬盤存儲數(shù) 據(jù)太慢。理論上設置采樣頻率為被采集信號最高頻率成分的2倍就夠了，實際上工程中選用510倍，有時為了較好地還原波形，甚至更高一些。通常，信號采集后都要去做適當?shù)男盘柼幚?，例如FFT等。這里對樣本數(shù)又有一個要求，一般不能只提供一個信號周期的數(shù)據(jù)樣本，希望有510個周期，甚至更多的樣本。并且希望所提供的樣本總數(shù)是整周期個數(shù)的。這里又發(fā) 生一個困難，并不知道，或不確切知道被采信號的頻率，因此不但采樣率不一 定是信號頻率的整倍數(shù)，也不能保證提供整周期數(shù)的樣本。所有的僅僅是一個 時間序列的離散的函數(shù)x(n)和采樣頻率。這是測量與分

9、析的唯一依據(jù)。數(shù)據(jù) 采集卡，數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集儀表等，都是數(shù)據(jù)采集工具。4常見的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器與遠程遙測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集終端通過串口通信方式與 EM50/R/G數(shù)據(jù)采集器進行交互，并將采 集到的數(shù)據(jù)通過GPR洸線通信技術上傳至搭建的云服務器，云服務器接收到數(shù) 據(jù)后對數(shù)據(jù)進行解析并入庫。用戶可通過 WEB占點查看采集到的數(shù)據(jù)和遠程控 制數(shù)據(jù)采集器。如圖2所示，遠程遙測系統(tǒng)由十個部分組成：ECH2Ofc壤水分 傳感器、Em50/R/G數(shù)據(jù)采集器、STM32F103cB磴小系統(tǒng)、SIM800Cf組、云 服務器、UI交互、電源供電端口、電源穩(wěn)壓電路、鋰電充放電管理電路、鋰電 池組。用戶通過 W

10、EBS的UI界面對數(shù)據(jù)采集器的采集頻度、采集通道、波特率 等進行設定，并設定最小系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的上傳頻度、上傳格式。上電后，最小系 統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集器根據(jù)預先設定好的參數(shù)進行工作。數(shù)據(jù)采集器會將采集到的數(shù) 據(jù)發(fā)送給最小系統(tǒng)，最小系統(tǒng)就會進行數(shù)據(jù)的容錯、打包處理，SIM800C真組將按照指定的數(shù)據(jù)格式以TCP/IP的通信方式上傳數(shù)據(jù)。此時云服務器采用多并 發(fā)的方式進行數(shù)據(jù)接收，收到后進行數(shù)據(jù)的拆包、入庫操作。然后WEB占點對入庫的信息進行展示。社會保險數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)社會保障管理中的信息化管理，需要以安全穩(wěn)定的數(shù)據(jù)庫為支撐，而數(shù)據(jù)庫 的運轉又需要通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供支持。所謂社保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，就是通過設 計

11、好的數(shù)據(jù)采集端口，到多個不同的數(shù)據(jù)采集站點上采集相關的社保信息，并在 進行分類、統(tǒng)一格式和篩選后，存入到數(shù)據(jù)庫并傳輸?shù)较到y(tǒng)站點。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 主要包括兩個部分：發(fā)布采集信息的 Web段和數(shù)據(jù)采集后端，前段主要是為數(shù) 據(jù)采集對象提供采集界面或者采集端口 ，讓業(yè)務需要的數(shù)據(jù)能夠由此進行采集。 后端是將采集的數(shù)據(jù)進行分類匯總，并進行儲存，為社保業(yè)務開展提供數(shù)據(jù)支 持。所以，只有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠滿足社保管理信息化發(fā)展需要 ，同時具備安全、 穩(wěn)定等特點，才能提供社保信息化管理的正常進行，促進社保管理效率的提升。5工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及技術手段實例在一些工業(yè)現(xiàn)場中，設備長時間運行容易出現(xiàn)故障，為了監(jiān)控這些設備

12、， 通常利用數(shù)據(jù)采集裝置采集他們運行時的數(shù)據(jù)并送給PC機，通過運行在PC機上的特定軟件對這些數(shù)據(jù)進行分析，以此判斷當前運行設備的狀況，進而采取 相應措施。當前常用的數(shù)據(jù)采集裝置，在其系統(tǒng)軟件設計中，多采用單任務順 序機制。這樣就存在系統(tǒng)安全性差的問題。這對于穩(wěn)定性、實時性要求很高的 數(shù)據(jù)采集裝置來說是不允許的，因此有必要引入嵌入式操作系統(tǒng)。下面以pC/OS R為操作系統(tǒng)平臺，基于ARM深列處理器，對一種高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā) 進行探索。嵌入式操作系統(tǒng) n C/OSH (microcontrolleroperatingsystem )是專為微 控制器系統(tǒng)和軟件開發(fā)而設計的公開源代碼的搶占式實時

13、多任務操作系統(tǒng)內(nèi) 核，是一段微控制器啟動后首先執(zhí)行的背景程序，作為整個系統(tǒng)的框架貫穿系 統(tǒng)運行的始終。對于對實時性和穩(wěn)定性要求很高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，引入 以 C/OSH無疑將大大改善其性能。nC/OSII的特點可以概括為以下幾個方面：公開源代碼，代碼結構清晰、 明了，注釋詳盡，組織有條理，可移植性好，可裁剪，可固化。內(nèi)核屬于搶占 式，最多可以管理60個任務。nC/OSH自1992年的第一版(pC/OS)以來已 經(jīng)有好幾百個應用，是一個經(jīng)實踐證明好用且穩(wěn)定可靠的內(nèi)核。對 pC/OSR的 研究和應用都很多。應用時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)置于被監(jiān)控的設備處，通過傳感器對設備的電壓或 者電流信號進行采樣、保持

14、，并送入 A/D轉換器變成數(shù)字信號，然后將該信號 送到FIFO中。當FIFO中存放的數(shù)據(jù)到了一定數(shù)目時，由ARM7A FIFO中讀出， 然后通過ARM7勺以太網(wǎng)接口或者RS232S給上位機?？紤]到要監(jiān)控的設備可能 會很多，所以設計了多路采集通道，他們經(jīng)過模擬開關后再進入A/D轉換器。CPL皿整個系統(tǒng)的控制核心，他控制采集通道的切換、A/D轉換器的啟/停、轉 換后的數(shù)據(jù)在FIFO中的存放地址發(fā)生器、產(chǎn)生中斷請求以通知 ARM7實取存放 在FIFO中的數(shù)據(jù)等。軟件部分要分別編寫S3c4510B?分的程序和CPLD空制程序。前者可分為 仙C/OSII的移植和各個應用程序的編寫，后者用 VHDLS言實

15、現(xiàn)。對于S3c4510B?分，根據(jù)整個裝置實現(xiàn)的功能和對他的要求進行系統(tǒng)任務 分割，并根據(jù)實際需要為各個任務分配優(yōu)先級。 系統(tǒng)大致可分為如下幾個任務：初始化CPLD空制參數(shù)；對FIFO的讀??；與上位機的TCP/IP通訊；與上位機的 串口通訊。對應每個任務，需要編寫相應的應用程序，軟件設計部分的關鍵技 術有：（1） N C/OSH內(nèi)核向S3c4510口的移植，要根據(jù)處理器的特點合理地修改 N C/OSH的3個與處理器相關的文件： OS_CPUHOS_CPU_AASMOS_CPU_C.C主 要是將文件中的匯編指令，改為ARM7勺匯編指令，并根據(jù)CPU勺特點對文件中 寄存器的初值進行改寫。內(nèi)存配置問

16、題。對于存儲器容量的設計，要綜合考慮pC/OSR內(nèi)核代碼和應用程序代碼的大小。每個任務是獨立運行的，必須給每個任務提供單獨的 ?？臻g（RAM ， RAM&量的計算公式為：RAM&量=應用程序的RAMI求+內(nèi)核數(shù)據(jù)區(qū)的RAMB求+各任務棧需求之總 和+最多中斷嵌套所需堆棧。TCP/IP協(xié)議在nC/OSII中的實現(xiàn)。為了滿足嵌入式設備與Internet網(wǎng)絡 直接交換信息的要求，在pC/OSlI中又移植了 LwIP協(xié)議棧。LwIP是瑞士計算機科學院（SwedishInstituteofComputerScience ）的 AdamDunkels等開發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開放源代碼 TCP/IP協(xié)議

17、棧。LwIP 的含義是LightWeight （輕型）IP協(xié)議。LwIP可以移植到操作系統(tǒng)上，也可以 在無操作系統(tǒng)的情況下獨立運行。LwIPTCP/IP實現(xiàn)的重點是在保持TCPB議主 要功能的基礎上減少對 RAM勺占用，一般他只需要幾十 k的RAM 40k左右的 RO則可以運彳T,這使LwIP協(xié)議棧適合在低端嵌入式系統(tǒng)中使用。LwIP的特性有：支持多網(wǎng)絡接口下的IP轉發(fā)；支持ICMPB議；包括實驗 性擴展的的UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）；包括阻塞控制、RTT估算、快速恢復和快 速轉發(fā)的TCP（傳輸控制協(xié)議）；提供專門的內(nèi)部回調(diào)接口（ rawAPI）用于提 高應用程序性能。LwIP可以很容易地在pC/OSR的調(diào)度下，為系統(tǒng)增加網(wǎng)絡通信和網(wǎng)絡管理 功能。LwIP協(xié)議棧在設計時就考慮到了將來的移植問題，他把所有與硬件，OS編譯器相關的部份獨立出來，放在/src/arch 目錄下。因此LwIP在pC/OSlI上 的實現(xiàn)就是修改這個目錄下的文件，其他的文件一般不應該修改。在驅(qū)動中主 要是根據(jù)S3c4510時的以太網(wǎng)控制特殊功能寄存器，編寫網(wǎng)絡接口的處發(fā)送 包、接收包函數(shù)，初始化以及用于以太網(wǎng)控制器的外部中斷服務程序。6總結數(shù)據(jù)采集被廣泛地運用到信號的檢測、設備的監(jiān)測、信號的處理、儀器和