远程多路数据采集系统方案及硬件详解

1系统整体方案

整个远程多路数据采集系统如图1所示。当无线终端成功连接到互联网后，采集终端将传感器采集到的数据经放大滤波后发送到ARM微控制器，经过A/D转换以及相关处理后，通过RS232口将数据发送到GPRS无线终端，GPRS无线终端又将这些数据打成一个个的IP包，经GPRS空中接口接入无线网络，并由移动通信服务商转接到Internet，最终通过各种网关和路由到达统一的远程数据处理中心，数据中心接收数据并对数据做后续处理。

远程数据中心也可以发送数据信息(各种命令及诊断信息)到无线数据采集模块，通过GPRS终端上的RS232接口输出到ARM微控制器上，采集终端在接收到远程数据中心的信息后，进行解码并执行相应的操作，以实现对采集现场的控制。GPRS无线终端嵌入了TCP/IP协议和UDP协议(用户可选)，本系统采用TCP/IP协议，实际上GPRSDTU上实现的协议栈是TCP/IPOverPPP。

图1GRPS无线数据采集终端

2硬件组成

2.1传感器及放大器

理论上，该系统可以同时进行16路数据的采集，但在实际的调试中，只选用了2路来做模拟。一路选用温度传感器，表面/液体热电偶NR281530，获取实时现场的温度，另一路采用压力传感器，PPM241BY油井专用型压力传感器，此系统在油田油井中具有较好应用。

在前端信号处理单元，由于各种传感器的输出参数不同，输出信号不仅电平低、内阻高，而且有共模电压以及现场恶劣环境的影响，因此，在选用放大芯片时要综合考虑以上因素。选取常用的MCP6S2X可编程增益放大器对原始信号进行放大，OP07CP做后续滤波芯片。

2.2微处理器

微处理器是系统工作的核心，其性能的好坏直接决定了数据采集系统性能的优劣。基于本采集系统对数据实时性和精度的要求，以及易操作性方面的考虑，选择32位的ARM7系列处理器，它具有以下特点：

·体积小、低功耗、低成本、高性能;

·支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令，能很好兼容8位/16位器件;

·大量使用寄存器，指令执行速度快;

·指令长度固定;

·寻址方式灵活简单，执行效率高

本系统采用PHILIPS公司的单片32位微控制器LPC2134，它是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI2STMCPU，含有128KB的FLASH，该存储器用作代码和数据的存储。

LPC2134拥有两个异步串行口UART0和UART1，本系统中将UART0与GPRS终端相连，实现数据传输。它采用16字节收发FIFO，内置波特率发生器，包含使能实现软件控制的机制。

硬件SPI接口是一个同步、全双工串行接口，最大数据位速率为时钟速率的1/8，可配置为主机或从机。本系统中SPI接口作为主机，根据不同的中断，控制多个从机，包括可编程增益放大器MCP6S2X，使用SPI总线访问SD卡，以及控制开发板上的数码管显示。

A/D转换器是2个8路10位逼近式模/数转换器，测量范围是0～313V，10位转换时间大于或等于2144μS，一个或多个Burst转换模式。

2.3GPRS终端

GPRS终端选用的是南京傲屹电子有限公司的AYG285C，它是采用GPRS模块专为工业集成设计的，在温度范围、震动、电磁兼容性和接口多样性等方面均采用特殊设计，保证了恶劣环境下的工作稳定性，基于GPRS公网的数据传输具有通信范围广，传输稳定可靠等特点。通过按键可以进行模块参数设置或者进行网络数据通信，串口波特率在300～115200bps可调，校验位可选：无校验，奇校验，偶校验。支持协议PPP、IP、TCP、UDP、DNS、PING的客户端功能。另外，电源、工作状态有LED指示，方便现场查看MODEM运行情况。

3系统软件实现

3.1μC/OS2Ⅱ嵌入式操作系统

当需要进行多任务处理和调度时，一个嵌入式实时操作系统就必不可少。为此系统中采用源码公开的μC/OS2Ⅱ操作系统，它具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良以及可扩展性强等特点，最小内核可编译至2K字节。

μC/OS2Ⅱ的移植需要满足以下要求：

·处理器的C编译器可以产生可重入代码;

·可以使用C调用进入和退出临界区代码;

·处理器必须支持硬件中断，并且需要一个定时中断源;

·处理器需要能够容纳一定数据的硬件堆栈;

·处理器需要有能够在CPU寄存器与内核和堆栈交换数据的指令。

本系统使用的LPC2134ARM7处理器满足以上所有条件，因此可以对其进行移植。根据μC/OS2Ⅱ的要求，移植μC/OS2Ⅱ到一个LPC2134ARM7体系结构上需要提供2个或3个文件：OSCPU.H(C语言头文件)、OS-CPU-C.C(C程序源文件)及OS-CPU-A.ASM(汇编程序源文件)。数据采集任务中，采用C语言进行编程，但对于系统的初始化，仍然采用汇编来制作启动代码，它可以实现向量表定义、堆栈初始化、系统变量的初始化、中断系统初始化、I/O初始化、外围初始化、地址映射等操作。

芯片复位后，系统初始化流程如图2所示。

图2系统初始化流程图

3.2接口程序及SD卡驱动的实现

在实时内核下，接口程序读取A/D采样数据的方法通常有三种：程序延时法、ADC转换完毕时产生中断法和程序循环等待的方法。其中循环等待的方法CPU开销小，不需要中断服务，比较适合嵌入式系统中采用。

循环等待A/D读取数据的伪代码如下：

之间通过串口相连，采集数据先通过开发板串口UART0发送到无线数据终端AYG285C的缓冲区，然后缓冲区将数据打成一个个数据包，通过GPRS网络发送到远程数据处理中心。因此，在μC/OS2Ⅱ下LPC2134的UART底层接口驱动显得尤为重要。

UART0初始化函数片断如下：

在本系统中，串口通信采用8位数据位，1位停止位，奇校验，无流控制。在实际使用中为接收数据稳定波特率设置为9600bps效果较好。在测试系统中，测量到的数据范围为10-6～101，有效数字为4位，所以在发送数据时采用每帧数据由3个字节组成，第1个字节为数据指数部分，高四位为0，低四位中的第四位表示指数符号，0表示正数，1表示负数;其余三位表示指数的数值部分。后续两个字节为数据底数部分，采用压缩的BCD码编码方式，高位在前，低位在后，即一个字节表示两位十进制数，则两个字节表示四位十进制数。

LPC2134的UART0使用中断方式进行通信，这样不会占用CPU很多时间，效率比较高。当中断服务处理子程序接收到一次中断，它仅能知道UART0产生了中断，还需要查询中断标志寄存器U0IIR，依据不同中断源类型进行不同处理。在处理完当前的中断源类型之后，不能立即退出服务，而应当继续判断U0IIR寄存器最低位是否为0。

如果为0，则表示还有尚未处理的中断，应该继续根据U0IIR[3∶0]判断中断源类型，进行处理，直到U0IIR的最低位为1，最后发送中断结束命令结束中断服务处理程序。

SD卡读写软件移植到ARM7微处理器LPC2134上的结构图如图3所示。其中硬件抽象层是读写SD卡的硬件条件配置，是与硬件相关的函数;命令层包含SD卡的相关命令以及卡与主机之间数据流的控制，这一层与实时操作系统μC/OSⅡ相关，与硬件无关;应用层是向应用程序提供卡的API函数，这一层由实时操作系统μC/OSⅡ控制。

图3SD卡读写软件移植结构图

3.3应用程序实现

系统初始化完成后，创建各个任务，进入多任务调度处理。应用程序框架流程如图4所示。本系统的主要任务是完成数据采集。系统在得到远程数据中心的采集命令后，选择适当的采集通道，并设置A/D模块参数。在采集过程中判断是否要停止，如果停止，任务处于等待挂起状态。

图4应用程序框架流程图

本系统采用了ARM+RTOS以及ARM+GPRS的方案，选取适当的器件构成了多路的数据采集系统，具有一定的实用价值。考虑到现场采集到的多是小信号，为了有较好的准确度和精确度，对A/D后的采集数据还要进行分析和调整，然后再发送到数据处理中心。为此，可以进行反复实验，获得多组数据，最后通过最小二乘法曲线拟合来提高准确度。另外，随外界环境的变化，也可以修改拟合曲线以适应具体的应用。随着3G时代的来临，大量数据信息的传输成为可能，可以考虑采集现场的相关视频信号。在短消息功能，数据加密技术以及软件操作和文件管理上还有待进一步开发和优化。