基于嵌入式技术的试验台数据采集系统研制

李美征，庄国军

(中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031)

在传统工业控制科学研究领域，外界物理量主要是通过温度、速度、电压、电流、压力等数据体现，数据采集是获取数据的重要技术手段。嵌入式数据采集系统主要由传感器(外部设备)部分、数据采集控制器部分和计算机三部分组成。传感器将外部各种物理量转变为电信号；数据采集控制器将各通道接收到的电信号转换为数字量并完成标度变换；计算机通过与数据采集控制器进行通信完成对传感器状态的监控，通过数据采集程序的运行实现对控制器的控制，还可完成计算处理、实时打印输出、图像显示及存入磁盘等操作。随着微电子技术和计算机技术的发展，各种数据采集系统不断涌现并得到了广泛应用[1]。

1 嵌入式数据采集系统结构和实现方案

根据国内外数据采集系统的研制进程和应用实例，实现方案包括以软件为核心的基于虚拟仪器的数据采集方案、以数字电路逻辑为基础的FPGA数据采集方案和以控制为优势的ARM嵌入式数据采集方案[2]。

虚拟仪器是通过利用计算机内高性能的模块化硬件，结合灵活的软件设计实现对外部设备的测控。当前应用最多的便是工控机加数据采集模块的方式实现外部设备数据的采集、存储和分析。数据采集模块种类较多，应用成熟且性能优良、稳定。但存在的缺点是无法实现定制化的自主配置以及系统的二次开发和算法封装，并且对软件编程要求较高，专用性不高。

FPGA通过搭建物理电路来替代运行程序的编写，可大大提高软件运行速度和处理实时性，集成度高，扩展性强，比较适合于高速数据采集系统的应用。但对设计人员的技术水平要求较高，研制开发成本高。

嵌入式ARM功能较为丰富，不仅集成了高速数据处理单元、浮点运算单元(FPU)等，还具备了大量的通用可编程接口与外部设备连接，挂载操作系统和液晶显示屏(Liquid Crystal Display，LCD)并行接口，可实现丰富的人机界面显示和交互功能，比较适合于多种接口功能类型以及流程控制较为繁琐的应用场景。

比较常见的嵌入式数据采集系统结构有以下3种：

(1) 高速同步数据采集系统。特点是数据采样率较高，且能保证各数据点的采样时刻同步，有利于数据的后期分析处理并及时发现异常，应用广泛。

(2) 分时复用数据采集系统。特点是在不同时段处理不同的信号，合理利用控制器的时隙，从而可以在接口类型多样化的情况下保证控制器资源利用效率的最大化。

(3) 分布式数据采集系统。特点是可以在时间轴之外的空间领域发挥更大优势，实现对空间距离较远的各外部设备的状态监控和驱动控制，满足大型数据采集系统的应用需求。

针对上述各实现方案和系统结构分析，结合实际生产需要，把嵌入式技术的众多优点充分应用到现代轨道交通试验设备数据采集控制系统(以下称嵌入式数据采集系统)的设计中，采取基于ARM为核心的嵌入式数据采集系统设计，系统往小型化、分布式方向发展，并且具备后续扩展和开发能力，更加节约成本，系统体积、质量更小[3]，不仅能够创造经济效益，还可以对知识产权形成更有利的保护。

2 系统结构

图1所示为嵌入式数据采集系统拓扑结构，主要由控制器(MCU)、系统电源供电和外围设备供电、数字量输入/输出、模拟量输入/输出、存储以及扩展等模块组成。该系统可以实现对各种传感器和开关设备的状态监测和数据采集，通过内部封装控制算法边缘计算，处理分析后上传至上位机，同时接收上位机指令驱动外部设备执行相应控制指令，完成试验流程。

图1 嵌入式数据采集系统拓扑结构图

试验过程数据既可以通过SD存储完成本地双备份，保证高速同步采集工况下大数据量的实时缓存和数据上传时通信链路的高效率运用，又可通过以太网/RS485通信方式上传至上位机或触摸屏进行深度分析计算和数据库存储，实现试验数据绘图显示以及报表打印等功能。通过智能网关等设备将系统关键节点或异常故障数据等上传至云平台存储和维护，还可以作为分布式数据采集子站，通过以太网级联或无线组网的方式，将数据上传至总集中控制中心，实现分布式的数据采集和智能管控。

3 嵌入式数据采集系统硬件平台设计

根据上述系统结构和功能接口分析，开展系统硬件平台的搭建和设计。

3.1 主处理器选型分析

根据各个功能接口的设计需求、采集芯片的通信总线需求以及大数据量采样数据的处理需求，主处理器选取STM32F427微控制器，对外接口有6路速度达到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，内置256 KB的RAM，最高主频180 MHz，完全满足系统内部芯片等硬件电路接口需求，各扩展端口也能够满足系统通道数量需求。

3.2 数字量信号输入单元设计

此单元主要功能是检测继电器触点等开关量信号。采用主控制器自带I/O接口实现数字量输入检测，并有对应端口指示灯状态显示；数字量输入检测逻辑电平为24 V，有效低电平为0～10 V，有效高电平为16.8～24 V；输入阻抗大于1 MΩ，I/O接口设置过流保护。

3.3 数字量信号输出单元设计

此单元主要功能是控制电磁阀、继电器等外围设备的动作，硬件电路提供无源节点，通过触点吸合控制外部DC 24 V电源驱动外围设备。采用主控制器自带I/O接口实现数字量输出，并有对应端口指示灯状态显示；采用TLP521光电耦合器可实现信号的隔离输出，隔离电压为2 500 V；驱动输出逻辑电平为24 V，数据更新时间为45 μs。

3.4 模拟量信号输出单元设计

此单元主要功能是控制比例阀/伺服阀等设备的动作，考虑到被控设备类型，设计电流型和电压型2种控制方式。电压型通过DAC7562芯片输出相应的±10 V信号，电流型通过主控制器自带的DAC控制电流信号输出模块OPA333实现模拟电流4～20 mA的输出。4～20 mA电流模拟信号输出，可精确检测0.1 mA电流模拟信号，输出响应时间约100 μs。±10 V电压模拟信号输出，响应时间约150 μs。

3.5 模拟量信号输入单元设计

此单元主要功能是检测电压/电流、压力、位移、加速度等传感器的模拟量输出，通过设计相应调理电路实现对信号的放大和滤波，提高采集信号的可靠性和精度。输入通道根据实际需求既有高速同步采样率和普通低速采样率2种配置，又可满足电压型/电流型模拟量信号的采集，大大提高了对工业控制领域内绝大多数传感器设备的兼容适配。高速AI采集通道采用AD7606芯片可实现信号的同步采集，最高采样速率为100 KPS/s，通过并行接口与控制器通信。低速AI采集采用AD7616可实现16路信号采集，通过高速SPI接口与控制器通信，采样速率为10 KPS/s，且低速通道为电压/电流模拟量输入采集复用端口，通过跳线实现功能切换。模拟信号采集芯片均为16 bits AD采样芯片，片内自带二阶抗混叠滤波器和模拟输入钳位保护功能。模拟电压信号采集范围为±10 V，电流信号采集范围为4～20 mA，输入端口阻抗为1 MΩ。

3.6 PT100采集单元设计

通过惠更斯桥电路设计，生成压差信号，传入AD823运算放大器中，放大后的电压信号通过主控制器自带ADC接口，可实现二/三线制PT100状态的监测采集。

4 系统软件设计

系统软件设计流程如图2所示。系统上电运行后首先读取本地flash存储的各通道配置参数，如无更新的通道配置指令，则根据当前通道的设置创建对应流程，开始数据采集和等待接收命令的工作。根据实际应用场景和试验流程需求，系统线程主要分为数字量信号输入线程、数据上传/通道配置线程和超时监测线程等四部分。

图2 系统软件设计流程图

(1) 数字量信号输入线程。由于数字量输入接口主要对接继电器等设备，信号属于突发事件，需要靠设计中断程序及时上传上位机处理，从而保证试验流程连续性。信号监测采用边沿触发方式，将所有通道的高/低电平状态打包上传。

(2) 数据上传线程。针对模拟量输入和PT100传感器信号，上位机需要周期下发上传指令接收系统数据，开展试验数据的分析处理计算和存储工作，最终实现试验流程的绘图和报表打印功能。考虑到高速模拟量输入采集的设计，采用分包上传的方式保证大数据量传输的稳定性以及数据的可读性。

(3) 通道配置线程。主要分为系统参数配置和DO/AO通道驱动配置两部分。前者主要是针对不同试验台接口需求各异进行通道开闭、触发电平、采样率以及通信波特率等参数的初始化配置，后者主要功能为试验过程中外部DO/AO设备的驱动电压(电流)输出值设置。

(4) 超时监测线程。由于嵌入式系统资源有限，加之系统采集数据量较大，需要在定时上传时间和缓存空间配置上进行折中设计，同时考虑通信链路可能存在的异常情况，系统缓存溢出或超时未接收到上位机上传指令则上报异常，以保证试验数据的连续性。

此外，系统软件还设计了故障报警及记录存储功能，DO/AO通道内部具备输出监测反馈,与实际控制指令信号实时比对，避免出现异常驱动输出信号；根据不同试验控制程序可自定义设置AI/DI通道报警阈值，实现试验流程异常节点状态上传和实时保护功能，保证系统的安全稳定运行。通过对全部通道状态的实时监测，上传异常或故障信号并记录存储，有效用于后期试验过程和结果的分析。

5 结论

本文针对当前嵌入式数据采集系统的主流应用场景和实现方案，结合实际生产应用需求，提出了相应的嵌入式数据采集系统的设计方案和拓扑结构，并对软硬件平台进行了针对性设计分析。系统实际测试和运行应用显示，能够满足设计指标和要求。