數據采集和智能數據處理系統的設計

史策

（陜西學前師范學院陜西西安710100）

在現代數據采集系統的自動化水平不斷提高的過程中，系統規模及復雜性也在不斷的增加，尤其是在系統規模不斷擴大的過程中，監測點較多，并且分布零散，實時檢測是需要解決的問題。在傳統測控系統中，數據傳輸是利用有線方式實現。此種有線傳輸成本較高，并且維護較難，擴展不方便，在測控對象分散或者在實際環境中無法實現布線的時候，有線傳輸并不能夠滿足需求，所以就要實現無線好傳輸。一般使用分組無線業務技術，其已經成為數據無線傳輸中的基礎。此種技術具有便捷的性能，并且價格成本較低，備受客戶重視，并且也為遠程監控提供全新的技術手段。基于此，本文就分析基于無線的數據采集及智能數據處理系統的設計。

1 數據采集及處理系統分析

數據采集系統指的是通過計算機控制系統，利用多路數據實現檢測，將檢測到的數據實現存儲及處理，對過程進行記錄，并且將有用的信息進行分析和計算，利用記錄、展現供企業使用。數據采集系統主要包括模擬信號調理、傳感器、微機系統、數據采集電路等部分[1]。數據輸入通道主要目的就是在工作過程中對被檢對象進行檢測，實現數據收集和信息轉換。存儲及管理功能利用存儲器實現，將采集數據到相應數據庫中存儲，對數據實現管理，并且在使用時候進行調用。數據處理屬于數據采集及處理系統中的主要內容，采集的原始數據具有大量干擾因素及不相關信息，數據處理會刪除此無關的信息，利用數據實現分析計算，將能夠反映被檢對象的有用信息進行提取。數據處理還能夠對搜集數據進行統計和分析，從而為用戶檢索提供方便[2]。

數據采集系統的主要目的就是使傳感器收集數據及信號轉變成為數字信號，將數字信號到計算機中發送，然后實現分析、計算機處理，之后顯示數據，以此對生產過程中的物理量進行監測。

數據處理指的是利用相關計算機技術及設備，將采集數據實現加工處理的整個過程。數據處理的主要作用就是將沒有規律的數據抽取對人們具有價值的數據。能夠通過人工處理，也能夠利用自動化裝備實現數據處理[13]。

2 系統的設計

使用遠程智能控制的方式進行多點數據采集、處理及管理，利用多級計算機處理系統實現此功能。圖1為數據采集及處理的系統框圖，通過圖1可以看出來，在此系統中，數據采集裝置使傳感器所獲得的信號轉變成為數字信號實現預處理[4]。首先，將每個數據采集裝置中的數據進行讀取，之后將相應的信息及命令對相應數據收集裝置進行傳輸；其次，實現數據的加工處理，生成相應文件；再次，使處理信息對工作站傳送，工作站實現處理信息的管理，從而產生輸出報表，為相關部門及人員提供生產信息及工作狀態信息；最后，使工作站能夠連接計算機網絡，從而形成生產管理的一體化[5]。

圖1 數據采集及處理的系統框圖

3 系統硬件構成

此系統是使短信息業務和自動化控制技術、通信技術及計算機控制技術相互結合所開發的。在此系統中，上位機主要是通過PC機及GPRS構成。PC機利用串口和GPRS相互連接，通過AT指令對GPRS進行控制，從而實現數據及信息的傳輸[6]。下位機通過AT58單片機、GPRS構成系統無線網絡通訊平臺，利用無線移動通信網短信息與上位機數據及信息進行相互的交換，并且利用單總線技術及單總線數字溫度傳感器創建星型拓撲結構現場測控網絡[7]。圖2為數據采集及智能數據處理系統的硬件結構。

圖2 數據采集及智能數據處理系統的硬件結構

另外，下位機還能夠利用主從分布式系統結構，其主要包括計算機主機及單片機，單片機為從機，主機與從機之間利用RS485實現通信。通信電纜利用二芯雙絞線，主機與從機的相互通信方式利用主從方式實現，主機對總線進行控制，從機具有唯一地址，主機與從機之間能夠實現數據的相互傳遞[8]。圖3為下位機的結構。

圖3 下位機的結構

在此系統，利用GPRS實施數據的無線傳輸，主要包括天線、電源線、主機及串口通訊電纜。利用串口編程，其能夠實現的功能為：無線Modem、無線傳真、語音通訊、短信息服務。其開機的初始化過程和普通的手機相同，在對SIM卡自檢之后對網絡進行搜索，假如出現空余頻帶，那么就要進入到待機狀態中[9]。圖4為GPRS的結構設計，GPRS中具有3個接口，分別為天線、電源及DB接口，在連接電源之后，GPRS都是在工作狀態。在電源電壓持續在32V以上的時候，斷開熔斷器就能夠實現GPRS自保護[10]。在出現瞬間電壓尖峰的時候，通過GPRS內部進行過電壓保護。語音接口實現語音通訊及數據傳輸。串口能夠實現燈指令的接受，并且發送AT指令執行結果。

4 系統的軟件結構

軟件部分要和硬件相互配合，從而能夠實現多種功能操作，比如數據文件管理、數據采集處理及人機交互等。要想實現此功能，要編制模塊驅動程序、移植操作系統、創建文件系統及編制人機交互程序[11]。圖5為系統的軟件設計結構。

圖4 GPRS的結構設計

圖5 系統的軟件設計結構

4.1 創建文件系統及驅動程序

模塊驅動程序主要包括閃存芯片、MAX、時鐘芯片及LCD的驅動程序。圖6為驅動程序的工作流程。

圖6 系統驅動程序的工作流程

其中人機交互程序屬于鍵盤初始化及讀操作，此程序能夠有效實現用戶按鍵鍵值的正確檢測，從而實現相關操作。要全面考慮本文使用芯片所能夠接受的擦除次數，避免器件在使用過程中出現損壞，系統為閃存芯片創建文件系統，此文件系統占用的資源較少，能夠實現擦除均衡，并且還能夠使閃存芯片數據方便操作及管理[12]。圖7為人機交互程序的工作流程。

圖7 人機交互程序的工作流程

4.2 系統應用程序及編譯下載

應用程序能夠自動切換系統的工作狀態，此應用程序主要包括現場數據處理、啟動系統管理、異常數據報警、實時數據顯示等。應用程序將計算機作為平臺，在WinAVR編譯環境實現編輯、寫入及鏈接。在成功鏈接之后，根據下載軟件和ISP總線接口能夠使程序文件到芯片存儲區中下載。核心處理器在上電及復位之后，就能夠將自動運行程序到存儲區中存儲[13]。圖8為系統應用程序和編譯下載。

圖8 系統應用程序和編譯下載

5 系統的工作流程

在系統上電或者復位之后，系統首先就會自檢，自檢以后加載操作性通及文件系統，之后實現應用程序的運行。在運行應用程序的過程中主要包括3個過程，分別為現場數據的采集、創建通信鏈路及對系統數據進行操作[14]。圖9為數據采集及數據分析系統的3個階段。

圖9 數據采集及數據分析系統的3個階段

5.1 現場數據的采集

現場數據的采集過程屬于系統應用程序執行過程中尤為重要的環節，還是實現系統功能的重點。首先系統傳感器對現場數據進行采集，之后ADC對數據進行A/D轉換，轉換完成之后到系統閃存芯片中存儲。將數據到閃存芯片寫入之前，要將文件系統中的表進行讀取，之后對全新文件位置進行定位。此過程完成之后對表進行刷新，那么此表中就會包括全新文件結束及開始的地址[15]。圖10為系統數據收集處理的工作流程。

圖10 系統數據收集處理的工作流程

5.2 創建鏈路

系統設備運行能夠和另外設備創建虛擬串口連接，此協議對兩個設備進行定義，分別為從設備及主設備。在本文設計過程中，系統的無線設備作為主設備，用戶的無線設備屬于從設備。以此表示，本文所研究的通信鏈路就是虛擬的串口連接。圖11為無線設備鏈路創建的流程。

圖11 無線設備鏈路創建的流程

5.3 用戶數據文件的操作

通過認證的用戶能夠利用藍牙通信鏈路對系統閃存芯片數據文件進行訪問，對其進行讀取、復制及刪除等操作。此過程的思想為：在創建通信鏈路之后，系統程序等待用戶將操作指令進行輸入。之后系統接收到指令之后就能夠對相應操作進行執行，此通信鏈路最高速率能夠滿足設計需求[16]。

6 結束語

在現代各種計算機技術及通信技術不斷發展的過程中[17]，數據收集處理系統也被廣泛應用，其不僅能夠使生產效率得到有效的而提高，并且還能夠使成本得到降低。所以，就要對數據采集及數據處理系統的研究進行重視[18]，使系統性價比得到提高，以此為社會及企業帶來更多的效益。