[科普中国]-智能数据采集

智能数据采集作为一种极其实用的电子技术，被广泛地运用到信号的检测、设备的监测、信号的处理、仪器和仪表的检测等等很多领域。随着信息时代的来临，信息技术特别是数字化技术得到了不断的发展，因而智能数据采集系统的设计也得到了不断的改进和完善，当今的数据采集技术实现了速度的提高、数据量的增大、数据通道的增多等很多方面的发展，而基于单片机的智能数据采集系统更是凭借其紧凑的结构特点、稳定的工作性能、良好的可扩展性、丰富的功能等优点得到了充分的重视和广泛的应用。因而，我们因该在充分利用和发挥基于单片机的智能数据采集系统的上述优点的同时，对基于单片机的智能数据采集系统进行进一步的分析和研究，以实现对该系统设计的优化和完善，进一步发挥该系统在工业生产和数据科研等当面的重要作用。

在数据采集系统中,处理流程一般包括滤波、采样、存储和处理四个环节。一个模拟信号首先经过预采样滤波器,对信号进行调理;然后,采样器在每一个采样时刻读出一个数据;再由模数转换器ADC量化为二进制数码,数据最后保存到存储器用于数字信号处理。

国外发展趋势：智能数据采集系统在国外已经得到广泛的利用，其中该系统在工业行业最早应用，使得外国工业得到快速发展，工业质量和水平得到飞速提高。

国内的发展趋势：伴随着国外单片机的智能数据采集系统的发展和其自身的便捷高效的特点，智能数据采集系统得到越来越多的国内厂商和用户的支持。这个领域的企业也越来越重视这方面的研究与开发。1

单片机是一种集成电路芯片。它应用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器、计时器等功能（还可能包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上，组成一个小而完善的计算机系统。而单片机的智能数据采集系统是一种集计算机、现代传感、信息融合、人工智能、自动化及通讯等高科技技术于一体的，运用多传感器进行数据采集，微控制器进行数据分析处理，系统的应用 PID 控制技术的数据采集系统。单片机的这种智能数据采集系统在我们的生活的各个领域都有着广泛的应用。它的应用大到导弹的导航装备、飞机的仪表控制、计算机网络通讯与数据传输及工业的制动化，小到轿车的安全保障系统、录像机、摄影机、全自动洗衣机的智能控制及电子玩具等。尤其是近几年来，自动控制机器人，各大智能仪表、智能机械等的快速发展更是离不开单片机的智能数据采集系统。

随着社会的进步，人们对智能化的要求越来越高，这就使得单片机的智能采集系统显得越来越重要，越来越被人们依赖。因此，对单片机的智能数据采集系统的进行更深入的研究就越来越有必要。1

单片机的智能数据采集系统设计主要分为两部分，一部分是硬件系统设计，它包括前段传感器、单片机、液晶显示器和 SUB 通信接口。其中，单片机是数据采集系统中完成信号转换的核心部件，它能够对转化后的数据信息进行运算整理并通过液晶显示器进行即时展现；而 USB 通信接口则是数据采集系统功能的进一步补充。它可以直接快速的将采集到的数据传到PC，利用 PC 的数据处理速度快、储存量大的特点将数据快速的分析处理。另外，SUB 还具有可以提供电源的优点。

另一部分是软件设计。该系统的软件由主程序、系统监控软件、定时与中断系统程序等组成。单片机的硬件系统与软件系统只有在紧密联系，通力合作的相互协调的情况下才能构成一个高端的数据采集系统。在对系统进行研发的过程中，不可将两者分开单独进行设计研究，要根据两者之间的关系，例如，设计硬件时要注意系统的功能及软件的可实现性，同时，设计软件时要考虑用硬件的工作原理和硬件的配置问题。总之，单片机的智能采集数据系统是一个极其复杂的高端系统，在探索研究的过程中要时时注意硬件与软件是一个紧密联系的整体，决不可将两者单独分析研究。

在单片机的智能采集数据系统中，其硬件系统是基础。它的电路设计最好选择标准化的、通用的电路，并且符合单片机应用系统的一般用法。当单片机外接电路较多、较复杂时，就要考虑硬件系统的驱动能力。此外，硬件系统的可靠性和抗电磁干扰的能力是硬件设计中不可或缺的一部分，且其可靠性和抗电磁干扰能力与硬件自身的结构材料有关，应给与充分的认识和严格的对待。同时，在硬件设计过程中，要尽可能的考虑到软件的程序设计，如果软件可以完成的功能，则就用软件设计的方法实现，从而使得硬件的设计更加简捷轻便。

TLC1543 是采用 SPI 技术的模拟数字转换器，其特点有输入通道多、速度快、分辨率高、性价比高，易于单片机接口等。它的控制 CS,I/OCLOCK,ADDRESS 和数据输出端DATAOUT 遵循串行外设接口的 SPI 协议。单片机，TLC1543 再加上少量的外围辅助器可以组成一个性价比较高的只能数据采集系统。由于，TLC1543 占用很少的单片机资源，所以，单片机有足够的资源和空间完成显示、控制功能。

TLC1543 有两个工作周期：访问周期和采样周期。运行中由 CS 控制使能和禁止，但 CS 必须防低电平。CS是高电平时，I/OCLOCK 和 ADDRESS 就会同时被禁止，DATAOUT为高阻状态。当CPU 时 CS 降低时，TLC1543 开始进行数据转换，I/OCLOCK 和 ADDRESS 使能，DATAOUT 变回原状态。接着，在 CPU的控制下实现模拟输入和保持电路。同时，I/OCLOCK 端输入时钟时序，CPU 从 DATAOUT 处接受前一次 A/D 的转换结果。其中，始终序列的长度为 10 个时钟，前四个时钟通过利用 4 位地址从 ADDRESS装载地址寄存器来选择模拟通道，后六个时钟控制模拟输入的采样。所以，模拟是虚的采样开始于第四个时钟序列。DATAOUT 引脚脱离高阻状态引起一次 I/OCLOCK 工作过程。最终由 CS 的上升沿终止并在一定的延缓时间内使 DATAOUT 的引脚返回到高阻状态。在这两个工作周期后禁止 I/OCLOUCK 和 DATAOUT 端。TLC 的工作时序如图。

单片机是由 C 语言设计的，设备正常工作的核心程序。它的作用是：控制A/D 模块的数据采集；控制RT12864M 使之时时显示采集来的信号；实时上传即时的数据给PC；控制芯片接受和处理 SUB 驱动程序的请求。单片机的程序主要分四个部分：初始化部分，数据处理部分，显示监控部分和 USB 通信部分。初始化部分主要负责当设备上电后，对设备进行初始化的配置；数据处理模块主要是对前端采集来的数据进行简单的预处理，解码主机请求，并对主机的请求进行适当的处理；显示监控部分则是对采集的信息进行实时显示；USB 通信部分将主机与前端采集信息的硬件进行信息的反馈，它是固件设计的重中之重。单片机将大的程序分为四部分的特点，大大提高可设计的可靠性，使其可读性方便，软件升级简单。

驱动程序是处于软件和硬件之间的方便两者之间的信息交流的软件组件。当 SUB 初次接入设备时，系统将会自动识别并为其安装驱动程序，之后当鼠标键盘等类似的设备再接入时，操作系统将会对其进行扫描查询，这时，用户就不能主机的数据进行监控，所以，安装专用的驱动程序就显得尤为重要。

Windows 驱动程序要用专业的工具进行开发，而且过程十分复杂。这种专业的工具的种类很多，在这以 WINDRIVER 为例。这种工具软件能够自动安装 SUB 设备驱动程序，能够大大减少研发者的工作难度和工作量。

应用程序能够为用户提供用户界面，使用户实现对设备的监管和控制。它的设计也要运用 driver wizard。

首先，打开 driver wizard，创建新的窗口；选择需要的 SUB 设备，然后选择 generate code，出现一个应用程序的工程源代码。最后，对所建的程序进行编译连接，得到一个能够执行的程序。1

数据采集设备提供一个可编程的配置接口，信令监控系统只是维护管理固定结构的XDR表，用于自身的功能需求。可编程的配置接口可以访问原始的数据包、解码后的信息单元以及固定结构的 XDR 表，网络数据采集处理设备会根据配置接口将相关的 XDR及扩展自定义的字段输出至第三方的应用程序或应用云端。从而实现网络监测功能和第三方应用需求的分离，如图所示。

数据采集设备的可编程配置文件，可由在云端的控制器统一管理、修改和保存，并下发到各个采集设备上。维护人员只需在云端做好配置文件，各个采集设备就可自动升级配置，输出给第三方应用平台。

采用智能数据采集设备可以实现网络监测功能和第三方应用的需求的分离，解决XDR或KPI的现有字段无法满足第三方应用，以及重复建设数据采集平台的问题。2