智能數據採集

智能數據採集作為一種極其實用的電子技術，被廣泛地運用到信號的檢測、設備的監測、信號的處理、儀器和儀表的檢測等等很多領域。隨着信息時代的來臨，信息技術特別是數字化技術得到了不斷的發展，因而智能數據採集系統的設計也得到了不斷的改進和完善，當今的數據採集技術實現了速度的提高、數據量的增大、數據通道的增多等很多方面的發展，而基於單片機的智能數據採集系統更是憑藉其緊湊的結構特點、穩定的工作性能、良好的可擴展性、豐富的功能等優點得到了充分的重視和廣泛的應用。因而，我們應該在充分利用和發揮基於單片機的智能數據採集系統的上述優點的同時，對基於單片機的智能數據採集系統進行進一步的分析和研究，以實現對該系統設計的優化和完善，進一步發揮該系統在工業生產和數據科研等當面的重要作用。

在數據採集系統中,處理流程一般包括濾波、採樣、存儲和處理四個環節。一個模擬信號首先經過預採樣濾波器,對信號進行調理;然後,採樣器在每一個採樣時刻讀出一個數據;再由模數轉換器ADC量化為二進制數碼,數據最後保存到存儲器用於數字信號處理。

國外發展趨勢：智能數據採集系統在國外已經得到廣泛的利用，其中該系統在工業行業最早應用，使得外國工業得到快速發展，工業質量和水平得到飛速提高。

國內的發展趨勢：伴隨着國外單片機的智能數據採集系統的發展和其自身的便捷高效的特點，智能數據採集系統得到越來越多的國內廠商和用户的支持。這個領域的企業也越來越重視這方面的研究與開發。 ^[1] 

單片機是一種集成電路芯片。它應用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器 CPU、隨機存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統、定時器、計時器等功能（還可能包括顯示驅動電路、脈寬調製電路、模擬多路轉換器、A/D 轉換器等電路）集成到一塊硅片上，組成一個小而完善的計算機系統。而單片機的智能數據採集系統是一種集計算機、現代傳感、信息融合、人工智能、自動化及通訊等高科技技術於一體的，運用多傳感器進行數據採集，微控制器進行數據分析處理，系統的應用 PID 控制技術的數據採集系統。單片機的這種智能數據採集系統在我們的生活的各個領域都有着廣泛的應用。它的應用大到導彈的導航裝備、飛機的儀表控制、計算機網絡通訊與數據傳輸及工業的制動化，小到轎車的安全保障系統、錄像機、攝影機、全自動洗衣機的智能控制及電子玩具等。尤其是近幾年來，自動控制機器人，各大智能儀表、智能機械等的快速發展更是離不開單片機的智能數據採集系統。

隨着社會的進步，人們對智能化的要求越來越高，這就使得單片機的智能採集系統顯得越來越重要，越來越被人們依賴。因此，對單片機的智能數據採集系統的進行更深入的研究就越來越有必要。 ^[1] 

單片機的智能數據採集系統設計主要分為兩部分，一部分是硬件系統設計，它包括前段傳感器、單片機、液晶顯示器和 SUB 通信接口。其中，單片機是數據採集系統中完成信號轉換的核心部件，它能夠對轉化後的數據信息進行運算整理並通過液晶顯示器進行即時展現；而 USB 通信接口則是數據採集系統功能的進一步補充。它可以直接快速的將採集到的數據傳到PC，利用 PC 的數據處理速度快、儲存量大的特點將數據快速的分析處理。另外，SUB 還具有可以提供電源的優點。

另一部分是軟件設計。該系統的軟件由主程序、系統監控軟件、定時與中斷系統程序等組成。單片機的硬件系統與軟件系統只有在緊密聯繫，通力合作的相互協調的情況下才能構成一個高端的數據採集系統。在對系統進行研發的過程中，不可將兩者分開單獨進行設計研究，要根據兩者之間的關係，例如，設計硬件時要注意系統的功能及軟件的可實現性，同時，設計軟件時要考慮用硬件的工作原理和硬件的配置問題。總之，單片機的智能採集數據系統是一個極其複雜的高端系統，在探索研究的過程中要時時注意硬件與軟件是一個緊密聯繫的整體，決不可將兩者單獨分析研究。

在單片機的智能採集數據系統中，其硬件系統是基礎。它的電路設計最好選擇標準化的、通用的電路，並且符合單片機應用系統的一般用法。當單片機外接電路較多、較複雜時，就要考慮硬件系統的驅動能力。此外，硬件系統的可靠性和抗電磁干擾的能力是硬件設計中不可或缺的一部分，且其可靠性和抗電磁干擾能力與硬件自身的結構材料有關，應給與充分的認識和嚴格的對待。同時，在硬件設計過程中，要儘可能的考慮到軟件的程序設計，如果軟件可以完成的功能，則就用軟件設計的方法實現，從而使得硬件的設計更加簡捷輕便。

TLC1543 是採用 SPI 技術的模擬數字轉換器，其特點有輸入通道多、速度快、分辨率高、性價比高，易於單片機接口等。它的控制 CS,I/OCLOCK,ADDRESS 和數據輸出端DATAOUT 遵循串行外設接口的 SPI 協議。單片機，TLC1543 再加上少量的外圍輔助器可以組成一個性價比較高的只能數據採集系統。由於，TLC1543 佔用很少的單片機資源，所以，單片機有足夠的資源和空間完成顯示、控制功能。

TLC1543 有兩個工作週期：訪問週期和採樣週期。運行中由 CS 控制使能和禁止，但 CS 必須防低電平。CS是高電平時，I/OCLOCK 和 ADDRESS 就會同時被禁止，DATAOUT為高阻狀態。當CPU 時 CS 降低時，TLC1543 開始進行數據轉換，I/OCLOCK 和 ADDRESS 使能，DATAOUT 變回原狀態。接着，在 CPU的控制下實現模擬輸入和保持電路。同時，I/OCLOCK 端輸入時鐘時序，CPU 從 DATAOUT 處接受前一次 A/D 的轉換結果。其中，始終序列的長度為 10 個時鐘，前四個時鐘通過利用 4 位地址從 ADDRESS裝載地址寄存器來選擇模擬通道，後六個時鐘控制模擬輸入的採樣。所以，模擬是虛的採樣開始於第四個時鐘序列。DATAOUT 引腳脱離高阻狀態引起一次 I/OCLOCK 工作過程。最終由 CS 的上升沿終止並在一定的延緩時間內使 DATAOUT 的引腳返回到高阻狀態。在這兩個工作週期後禁止 I/OCLOUCK 和 DATAOUT 端。TLC 的工作時序如圖2。

單片機是由 C 語言設計的，設備正常工作的核心程序。它的作用是：控制A/D 模塊的數據採集；控制RT12864M 使之時時顯示採集來的信號；實時上傳即時的數據給PC；控制芯片接受和處理 SUB 驅動程序的請求。單片機的程序主要分四個部分：初始化部分，數據處理部分，顯示監控部分和 USB 通信部分。初始化部分主要負責當設備上電後，對設備進行初始化的配置；數據處理模塊主要是對前端採集來的數據進行簡單的預處理，解碼主機請求，並對主機的請求進行適當的處理；顯示監控部分則是對採集的信息進行實時顯示；USB 通信部分將主機與前端採集信息的硬件進行信息的反饋，它是固件設計的重中之重。單片機將大的程序分為四部分的特點，大大提高可設計的可靠性，使其可讀性方便，軟件升級簡單。

驅動程序是處於軟件和硬件之間的方便兩者之間的信息交流的軟件組件。當 SUB 初次接入設備時，系統將會自動識別併為其安裝驅動程序，之後當鼠標鍵盤等類似的設備再接入時，操作系統將會對其進行掃描查詢，這時，用户就不能主機的數據進行監控，所以，安裝專用的驅動程序就顯得尤為重要。

Windows 驅動程序要用專業的工具進行開發，而且過程十分複雜。這種專業的工具的種類很多，在這以 WINDRIVER 為例。這種工具軟件能夠自動安裝 SUB 設備驅動程序，能夠大大減少研發者的工作難度和工作量。

應用程序能夠為用户提供用户界面，使用户實現對設備的監管和控制。它的設計也要運用 driver wizard。

首先，打開 driver wizard，創建新的窗口；選擇需要的 SUB 設備，然後選擇 generate code，出現一個應用程序的工程源代碼。最後，對所建的程序進行編譯連接，得到一個能夠執行的程序。 ^[1] 

數據採集設備提供一個可編程的配置接口，信令監控系統只是維護管理固定結構的XDR表，用於自身的功能需求。可編程的配置接口可以訪問原始的數據包、解碼後的信息單元以及固定結構的 XDR 表，網絡數據採集處理設備會根據配置接口將相關的 XDR及擴展自定義的字段輸出至第三方的應用程序或應用雲端。從而實現網絡監測功能和第三方應用需求的分離，如圖4所示。

數據採集設備的可編程配置文件，可由在雲端的控制器統一管理、修改和保存，並下發到各個採集設備上。維護人員只需在雲端做好配置文件，各個採集設備就可自動升級配置，輸出給第三方應用平台。

採用智能數據採集設備可以實現網絡監測功能和第三方應用的需求的分離，解決XDR或KPI的現有字段無法滿足第三方應用，以及重複建設數據採集平台的問題。 ^[2]