基于嵌入式技術的試驗臺數據采集系統研制

李美征，莊國軍

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

在傳統工業控制科學研究領域，外界物理量主要是通過溫度、速度、電壓、電流、壓力等數據體現，數據采集是獲取數據的重要技術手段。嵌入式數據采集系統主要由傳感器(外部設備)部分、數據采集控制器部分和計算機三部分組成。傳感器將外部各種物理量轉變為電信號；數據采集控制器將各通道接收到的電信號轉換為數字量并完成標度變換；計算機通過與數據采集控制器進行通信完成對傳感器狀態的監控，通過數據采集程序的運行實現對控制器的控制，還可完成計算處理、實時打印輸出、圖像顯示及存入磁盤等操作。隨著微電子技術和計算機技術的發展，各種數據采集系統不斷涌現并得到了廣泛應用[1]。

1 嵌入式數據采集系統結構和實現方案

根據國內外數據采集系統的研制進程和應用實例，實現方案包括以軟件為核心的基于虛擬儀器的數據采集方案、以數字電路邏輯為基礎的FPGA數據采集方案和以控制為優勢的ARM嵌入式數據采集方案[2]。

虛擬儀器是通過利用計算機內高性能的模塊化硬件，結合靈活的軟件設計實現對外部設備的測控。當前應用最多的便是工控機加數據采集模塊的方式實現外部設備數據的采集、存儲和分析。數據采集模塊種類較多，應用成熟且性能優良、穩定。但存在的缺點是無法實現定制化的自主配置以及系統的二次開發和算法封裝，并且對軟件編程要求較高，專用性不高。

FPGA通過搭建物理電路來替代運行程序的編寫，可大大提高軟件運行速度和處理實時性，集成度高，擴展性強，比較適合于高速數據采集系統的應用。但對設計人員的技術水平要求較高，研制開發成本高。

嵌入式ARM功能較為豐富，不僅集成了高速數據處理單元、浮點運算單元(FPU)等，還具備了大量的通用可編程接口與外部設備連接，掛載操作系統和液晶顯示屏(Liquid Crystal Display，LCD)并行接口，可實現豐富的人機界面顯示和交互功能，比較適合于多種接口功能類型以及流程控制較為繁瑣的應用場景。

比較常見的嵌入式數據采集系統結構有以下3種：

(1) 高速同步數據采集系統。特點是數據采樣率較高，且能保證各數據點的采樣時刻同步，有利于數據的后期分析處理并及時發現異常，應用廣泛。

(2) 分時復用數據采集系統。特點是在不同時段處理不同的信號，合理利用控制器的時隙，從而可以在接口類型多樣化的情況下保證控制器資源利用效率的最大化。

(3) 分布式數據采集系統。特點是可以在時間軸之外的空間領域發揮更大優勢，實現對空間距離較遠的各外部設備的狀態監控和驅動控制，滿足大型數據采集系統的應用需求。

針對上述各實現方案和系統結構分析，結合實際生產需要，把嵌入式技術的眾多優點充分應用到現代軌道交通試驗設備數據采集控制系統(以下稱嵌入式數據采集系統)的設計中，采取基于ARM為核心的嵌入式數據采集系統設計，系統往小型化、分布式方向發展，并且具備后續擴展和開發能力，更加節約成本，系統體積、質量更小[3]，不僅能夠創造經濟效益，還可以對知識產權形成更有利的保護。

2 系統結構

圖1所示為嵌入式數據采集系統拓撲結構，主要由控制器(MCU)、系統電源供電和外圍設備供電、數字量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出、存儲以及擴展等模塊組成。該系統可以實現對各種傳感器和開關設備的狀態監測和數據采集，通過內部封裝控制算法邊緣計算，處理分析后上傳至上位機，同時接收上位機指令驅動外部設備執行相應控制指令，完成試驗流程。

圖1 嵌入式數據采集系統拓撲結構圖

試驗過程數據既可以通過SD存儲完成本地雙備份，保證高速同步采集工況下大數據量的實時緩存和數據上傳時通信鏈路的高效率運用，又可通過以太網/RS485通信方式上傳至上位機或觸摸屏進行深度分析計算和數據庫存儲，實現試驗數據繪圖顯示以及報表打印等功能。通過智能網關等設備將系統關鍵節點或異常故障數據等上傳至云平臺存儲和維護，還可以作為分布式數據采集子站，通過以太網級聯或無線組網的方式，將數據上傳至總集中控制中心，實現分布式的數據采集和智能管控。

3 嵌入式數據采集系統硬件平臺設計

根據上述系統結構和功能接口分析，開展系統硬件平臺的搭建和設計。

3.1 主處理器選型分析

根據各個功能接口的設計需求、采集芯片的通信總線需求以及大數據量采樣數據的處理需求，主處理器選取STM32F427微控制器，對外接口有6路速度達到45 Mbit/s的SPI接口，4路11.25 Mbit/s的UART/USART接口以及SDI/O接口等，內置256 KB的RAM，最高主頻180 MHz，完全滿足系統內部芯片等硬件電路接口需求，各擴展端口也能夠滿足系統通道數量需求。

3.2 數字量信號輸入單元設計

此單元主要功能是檢測繼電器觸點等開關量信號。采用主控制器自帶I/O接口實現數字量輸入檢測，并有對應端口指示燈狀態顯示；數字量輸入檢測邏輯電平為24 V，有效低電平為0～10 V，有效高電平為16.8～24 V；輸入阻抗大于1 MΩ，I/O接口設置過流保護。

3.3 數字量信號輸出單元設計

此單元主要功能是控制電磁閥、繼電器等外圍設備的動作，硬件電路提供無源節點，通過觸點吸合控制外部DC 24 V電源驅動外圍設備。采用主控制器自帶I/O接口實現數字量輸出，并有對應端口指示燈狀態顯示；采用TLP521光電耦合器可實現信號的隔離輸出，隔離電壓為2 500 V；驅動輸出邏輯電平為24 V，數據更新時間為45 μs。

3.4 模擬量信號輸出單元設計

此單元主要功能是控制比例閥/伺服閥等設備的動作，考慮到被控設備類型，設計電流型和電壓型2種控制方式。電壓型通過DAC7562芯片輸出相應的±10 V信號，電流型通過主控制器自帶的DAC控制電流信號輸出模塊OPA333實現模擬電流4～20 mA的輸出。4～20 mA電流模擬信號輸出，可精確檢測0.1 mA電流模擬信號，輸出響應時間約100 μs。±10 V電壓模擬信號輸出，響應時間約150 μs。

3.5 模擬量信號輸入單元設計

此單元主要功能是檢測電壓/電流、壓力、位移、加速度等傳感器的模擬量輸出，通過設計相應調理電路實現對信號的放大和濾波，提高采集信號的可靠性和精度。輸入通道根據實際需求既有高速同步采樣率和普通低速采樣率2種配置，又可滿足電壓型/電流型模擬量信號的采集，大大提高了對工業控制領域內絕大多數傳感器設備的兼容適配。高速AI采集通道采用AD7606芯片可實現信號的同步采集，最高采樣速率為100 KPS/s，通過并行接口與控制器通信。低速AI采集采用AD7616可實現16路信號采集，通過高速SPI接口與控制器通信，采樣速率為10 KPS/s，且低速通道為電壓/電流模擬量輸入采集復用端口，通過跳線實現功能切換。模擬信號采集芯片均為16 bits AD采樣芯片，片內自帶二階抗混疊濾波器和模擬輸入鉗位保護功能。模擬電壓信號采集范圍為±10 V，電流信號采集范圍為4～20 mA，輸入端口阻抗為1 MΩ。

3.6 PT100采集單元設計

通過惠更斯橋電路設計，生成壓差信號，傳入AD823運算放大器中，放大后的電壓信號通過主控制器自帶ADC接口，可實現二/三線制PT100狀態的監測采集。

4 系統軟件設計

系統軟件設計流程如圖2所示。系統上電運行后首先讀取本地flash存儲的各通道配置參數，如無更新的通道配置指令，則根據當前通道的設置創建對應流程，開始數據采集和等待接收命令的工作。根據實際應用場景和試驗流程需求，系統線程主要分為數字量信號輸入線程、數據上傳/通道配置線程和超時監測線程等四部分。

圖2 系統軟件設計流程圖

(1) 數字量信號輸入線程。由于數字量輸入接口主要對接繼電器等設備，信號屬于突發事件，需要靠設計中斷程序及時上傳上位機處理，從而保證試驗流程連續性。信號監測采用邊沿觸發方式，將所有通道的高/低電平狀態打包上傳。

(2) 數據上傳線程。針對模擬量輸入和PT100傳感器信號，上位機需要周期下發上傳指令接收系統數據，開展試驗數據的分析處理計算和存儲工作，最終實現試驗流程的繪圖和報表打印功能。考慮到高速模擬量輸入采集的設計，采用分包上傳的方式保證大數據量傳輸的穩定性以及數據的可讀性。

(3) 通道配置線程。主要分為系統參數配置和DO/AO通道驅動配置兩部分。前者主要是針對不同試驗臺接口需求各異進行通道開閉、觸發電平、采樣率以及通信波特率等參數的初始化配置，后者主要功能為試驗過程中外部DO/AO設備的驅動電壓(電流)輸出值設置。

(4) 超時監測線程。由于嵌入式系統資源有限，加之系統采集數據量較大，需要在定時上傳時間和緩存空間配置上進行折中設計，同時考慮通信鏈路可能存在的異常情況，系統緩存溢出或超時未接收到上位機上傳指令則上報異常，以保證試驗數據的連續性。

此外，系統軟件還設計了故障報警及記錄存儲功能，DO/AO通道內部具備輸出監測反饋,與實際控制指令信號實時比對，避免出現異常驅動輸出信號；根據不同試驗控制程序可自定義設置AI/DI通道報警閾值，實現試驗流程異常節點狀態上傳和實時保護功能，保證系統的安全穩定運行。通過對全部通道狀態的實時監測，上傳異常或故障信號并記錄存儲，有效用于后期試驗過程和結果的分析。

5 結論

本文針對當前嵌入式數據采集系統的主流應用場景和實現方案，結合實際生產應用需求，提出了相應的嵌入式數據采集系統的設計方案和拓撲結構，并對軟硬件平臺進行了針對性設計分析。系統實際測試和運行應用顯示，能夠滿足設計指標和要求。