一種高可靠性數據采集系統研究

胡攀　葛亮　胡澤　謝小輝

摘 要：在工業、工程、生產車間等部門，尤其是在對信息實時性能要求較高或者惡劣的數據采集環境下，冗余數據采集系統具有十分重要的作用，它可以提高系統的可靠性和穩定性。設計實現了冗余數據采集系統的設計，可以實現在主數據采集系統的AD出錯、單片機出錯和掉電等情況下，副數據采集系統主動接替主數據采集系統工作。經測試可以應用于在對數據采集頻率要求不高的工業控制中，保證數據采集系統持續穩定的運行，具有一定的實用價值。

關鍵字：數據采集；冗余；可靠性；備用系統

Research on High Redundancy Data Acquisition System

Abstract：In the industry，engineering，production workshop and other departments，especially in the high requirement of real-time information or bad data acquisition environment，the redundant data acquisition system has a very important role，it can improve the reliability and stability of the system. The design has realized the designment of redundant data acquisition system.The system can achieve the functions as follows：When the fault of AT89S52 and ADC0809 appears and the power of system is cut off，the deputy data acquisition can take over the primary data collection system to work automatically.Under the condition of low frequency of data collection，the design can guarantee completely that the data acquisition can operate continuously and steadily，and it has a certain use value.

Keywords：Data acquisition System；Redundancy；Reliability，Standby system

1 設計的背景和意義

隨著計算機技術的發展，數據采集系統廣泛應用于現代工業控制領域四大參數的測量，其重要性不言而喻。目前典型的數據采集系統有五類：獨立采集系統、總線板數據采集系統、遠地采集系統、插入式數據采集系統、并列式數據采集系統。與此同時數據采集系統的可靠性受到了人們的廣泛重視，我們把這種可靠性稱為系統可靠性。一個數據采集系統運行的時間越長，說明系統的可靠性和維護能力越強，系統的可靠性越高。隨著企業規模不斷增大，數據采集系統越發復雜，若可靠性達不到較高的技術要求，那么數據采集系統出現故障的頻率增加、造成的損失也隨之加大。這些損失可能是信譽上的、經濟上的，甚至會造成生命安全或更嚴重的災難性后果。隨著數據采集系統復雜程度的提高，系統的可靠性的提高也就非常迫切和必要。

2 容錯系統

2.1 冗余技術

冗余技術也叫儲備技術，它的基本思想是利用并聯系統達到提高系統可靠性的目的。常見的冗余技術有硬件冗余和軟件冗余。

2.2 硬件冗余

硬件冗余是通過增加硬件數量來掩蓋故障造成的影響，使得數據采集系統在發生故障時，系統仍能正常工作。硬件冗余一般有三種方法，一是靜態冗余，二是動態冗余，三是混合冗余，這三種方法有一個共同的特點，那就是硬件都是并聯在一起的。

2.3 軟件冗余

軟件冗余的主要目的是為系統提供足夠的冗余信息和算法程序，使數據采集系統在實際運行時能夠及時發現程序設計中的錯誤，采取補救措施，以提高軟件的可靠性，保證整個系統正常運行。軟件容錯技術主要有以下兩種：恢復塊方法和N-版本程序設計。

3 總體系統框架

硬件電路由4個部分組成：A/D轉換部分，單片機最小系統，LED顯示部分以及測量電壓輸入電路。硬件電路設計框圖如圖1所示。

①根據設計要求，選擇AT89S52作為核心控制器件。

②A/D轉換采用ADC0809實現，單片機通過P3口高四位控制AD轉換，AD轉換結果送單片機P1口。

③電壓顯示采用4位一體共陰極LED數碼管，由單片機P0口和P2口低三位控制顯示。

④正常工作時，主單片機P3.3腳輸出一個脈沖信號（方波）給副單片機的P3.2腳，副單片機進行空操作。

⑤出現故障時，主單片機P3.3腳不再輸出脈沖信號，此時副單片機跳出中斷執行主程序，即副數據采集系統接替主數據采集系統工作。

4 系統數學模型與分析

設兩套數據采集系統的壽命分布均服從失效率為λ的指數分布，即：F（t）=1-e-λt，系統出現故障后的修理時間也都服從μ的指數分布，即：M（t）=1-e-μt。

（1）有效度A（t）

用x（t）表示t時刻系統的狀態，則

整個系統的狀態轉移圖如圖2所示。

5 .軟件設計

圖3 主系統流程圖

圖4 副系統主流程圖

1初始化中主要對AT89S52，ADC0809的管腳和數碼管的位選端以及所使用到的內存單元30H，31H，32H，35H進行初始化設置

2初始化后，便啟動ADC0809工作，電位器模擬傳感器輸出0～5V直流電壓，送給ADC0809的IN0通道，并進行數據采集，D7～D0輸出對應的00000000～11111111二進制數字量。

3在數據處理子程序中，運用標度變換知識，將輸出的數字量轉換成0.00～5.00的數據，輸出到顯示子程序中顯示。

本設計采用冗余系統，上面提到的123點是兩系統軟件設計的共同部分，下面是兩系統不同部分。

對于主系統，若工作正常，則P3.3腳送一個脈沖信號給副系統的單片機的P3.2腳（外部中斷0），副系統便執行延時等待；若ADC0809轉換出錯，單片機死機或是掉電，主系統便停止工作，副系統接替工作整個主程序就是在A/D轉換，數據處理及顯示程序循環執行。主副系統的流程圖如圖3和圖4所示。

6 結論

本設計研究的目的在于設計一種高可靠性的數據采集系統，雙機容錯是目前提高數據采集系統的主要技術之一。本文對容錯系統的設計理論作了總結，并設計了一種基于雙機熱備份的數據采集系統，作者在本課題中做了如下一些工作：

（1）總結了容錯系統的工作模式和設計理論，并提出了3種基于容錯設計的數據采集系統。

（2）在開發過程中有提出當主數據采集系統出現故障時，可利用副數據采集系統中的單片機控制繼電器來斷開主系統的電源。但在測試過后發現，當主系統修復過后要重新啟動的話，就要必須要斷開副數據采集系統的電源才行，所以沒有采用這個構想。

（3）設計了一個穩壓模塊為主副數據采集系統供電，保證主副系統的AD芯片的基準電壓相等。

（4）本設計實現了冗余數據采集系統的設計，在數據采集頻率要求不高的情況下，完全可以保障數據采集系統持續穩定的運行。

總之，提高數據采集系統的可靠性涉及方面很多，本設計基于雙機熱備份的的工作原理，在數據采集頻率要求不高的情況下，完全可以保證數據采集系統持續、穩定地運行。

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