基于ARM11的一體化無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀設(shè)計(jì)

引言

數(shù)據(jù)采集是指將溫度、壓力、電壓、電流、位移、流量等模擬量采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示或打印的過(guò)程，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)工業(yè)安全生產(chǎn)和現(xiàn)代化管理要求越來(lái)越高，數(shù)據(jù)采集儀不但需要采集現(xiàn)場(chǎng)各種傳感器信號(hào)，有時(shí)還需要進(jìn)行音頻和視頻的采集和傳輸，以便監(jiān)控人員可以更好的掌握現(xiàn)場(chǎng)信息。當(dāng)今，雖然許多高速度、高分辨率、大存儲(chǔ)量的高性能數(shù)據(jù)采集儀不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集儀仍存在CPU頻率低、處理能力有限的問(wèn)題。由于音頻和視頻信號(hào)的數(shù)據(jù)量巨大，單臺(tái)便攜式數(shù)據(jù)采集儀很難完成各種傳感器信號(hào)與音視頻信號(hào)實(shí)時(shí)的采集及傳輸，許多數(shù)據(jù)采集中都會(huì)采用多臺(tái)設(shè)備把音頻、視頻和其它工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器信號(hào)分開(kāi)采集傳輸?shù)姆绞剑@種數(shù)據(jù)采集方法具有安裝維護(hù)成本高、占用空間大等缺點(diǎn)。

本文針對(duì)目前采集儀CPU頻率低、數(shù)據(jù)處理能力有限而造成的單臺(tái)采集儀難以對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各種信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集及傳輸?shù)膯?wèn)題進(jìn)行研究，提出了對(duì)音視頻進(jìn)行硬件壓縮編碼的方案。采集儀把采集到的音頻和視頻信號(hào)分別進(jìn)行了MP3和H.264格式的硬件壓縮編碼，大大減少了數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的CPU資源占用及數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的帶寬占用，解決了便攜式數(shù)據(jù)采集儀難以實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多種數(shù)據(jù)一體化采集傳輸?shù)膯?wèn)題。本采集儀集工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多種信號(hào)采集、處理、傳輸為一體，具有集成度高、體積小、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 數(shù)據(jù)采集儀結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)一體化數(shù)據(jù)采集的要求，采集儀集多種數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸為一體，其組成如圖1所示：數(shù)據(jù)采集儀核心處理芯片采用Samsung公司推出的16位/32位RISC微處理器S3C6410，它具有64位/32位內(nèi)部總線架構(gòu)，包括多個(gè)硬件加速器，其內(nèi)部集成的一個(gè)多格式編解碼器（MFC）支持多種格式的硬件編解碼。另外，S3C6410包括許多硬件外設(shè)（如一個(gè)相機(jī)接口，TFT24位真彩色液晶顯示控制器，系統(tǒng)管理器，4通道UART，32通道DMA，通用的I/O端口，IIS總線接口，IIC總線接口，USB主設(shè)備等），大大減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)總成本，提高了系統(tǒng)性能。數(shù)據(jù)采集部分包括傳感器輸出信號(hào)、音頻及視頻信號(hào)采集。CPU把采集到的傳感器信號(hào)進(jìn)行處理和判斷，若信號(hào)超出正常值范圍則采集儀發(fā)出警報(bào)，并且通過(guò)S3C6410的GPIO引腳控制外部相關(guān)設(shè)備發(fā)生動(dòng)作。采集儀內(nèi)置大容量Nand Flash和SD卡，可將現(xiàn)場(chǎng)采集到的信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間保存。在通信方面，采集儀采用雷凌公司生產(chǎn)的RT3070無(wú)線通信模塊與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線通信，RT3070模塊為在嵌入式下應(yīng)用的支持802.11n協(xié)議的USB接口高速WIFI模塊，無(wú)線通信速率可高達(dá)150Mbps。因?yàn)樵?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/ARM">ARM應(yīng)用中，數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)電路及串口和以太網(wǎng)通信電路的設(shè)計(jì)已經(jīng)非常普及，本文將重點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)采集部分的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。

傳感器信號(hào)采集

工業(yè)上常用模擬傳感器輸出信號(hào)為4mA-20mA電流和0-5V電壓。由于信號(hào)傳輸過(guò)程中經(jīng)常受到外界環(huán)境中其它電磁波的干擾發(fā)生畸變，有時(shí)畸變還很嚴(yán)重，導(dǎo)致采集儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況判斷錯(cuò)誤而指揮機(jī)器發(fā)生誤動(dòng)作，影響了公司的生產(chǎn)效益，有時(shí)甚至造成人的生命及巨額的財(cái)產(chǎn)損失。所以，需要對(duì)采集到的信號(hào)首先進(jìn)行濾波處理。本設(shè)計(jì)中將工業(yè)輸出的模擬信號(hào)首先經(jīng)過(guò)濾波器濾去高頻后再送入A/D模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換生成的數(shù)字信號(hào)通過(guò)SPI接口被S3C6410讀取。

濾波電路設(shè)計(jì)

濾波，本質(zhì)上是從被噪聲畸變和污染了的信號(hào)中提取原始信號(hào)所攜帶的信息的過(guò)程。采集儀濾波電路如圖2所示，因?yàn)闉V波及AD轉(zhuǎn)換信號(hào)為電壓信號(hào)，所以在電流輸入端加入了一個(gè)250Ω的精密電阻和一個(gè)電壓跟隨器，電流信號(hào)首先通過(guò)精密電阻轉(zhuǎn)換為1V-5V電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)電壓跟隨器進(jìn)行阻抗匹配后進(jìn)入濾波電路濾去高頻干擾。對(duì)于電壓輸入則直接進(jìn)入濾波電路進(jìn)行濾波。在濾波電路中，因?yàn)榘吞匚炙鬼憫?yīng)能夠最大化濾波器的通帶平坦度，特別適用于低頻應(yīng)用，其對(duì)于維護(hù)增益的平坦性來(lái)說(shuō)非常重要，所以本設(shè)計(jì)采用巴特沃斯二階低通濾波器。電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)由運(yùn)放LM324構(gòu)成的二階巴特沃斯濾波器進(jìn)行低通濾波，濾波完成后，信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。根據(jù)巴特沃斯二階濾波器特性可知濾波器的截止頻率為：

圖2 低通濾波電路

A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)采集中經(jīng)常需要把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成處理器可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，以便采集儀可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和傳輸，這就要用到A/D轉(zhuǎn)換電路。A/D轉(zhuǎn)換器從變換原理來(lái)看，主要有并行比較型、逐次逼近型和雙積分型等。并行比較型轉(zhuǎn)換速度快，可達(dá)數(shù)十納秒，但是價(jià)格昂貴，非必要時(shí)一般不會(huì)采用；雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)一般要達(dá)到40ms~50ms；逐次逼近型具有較高轉(zhuǎn)換速度，可達(dá)幾微秒，價(jià)格適中。本設(shè)計(jì)采用ADI公司生產(chǎn)的AD7689芯片來(lái)對(duì)濾波后的電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。AD7689是一款采用單電源供電的8通道、16位分辨率、無(wú)失碼、電荷再分配逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。AD7689使用簡(jiǎn)單的SPI接口實(shí)現(xiàn)配置寄存器的寫(xiě)入和轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出。

音頻采集設(shè)計(jì)

嵌入式產(chǎn)品一大特點(diǎn)是CPU資源有限，為了減輕CPU在數(shù)據(jù)處理中的負(fù)擔(dān)及減少數(shù)據(jù)傳輸所需的帶寬，本設(shè)計(jì)對(duì)采集到的音頻和視頻數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了硬件壓縮編碼。音頻采集處理中采用Micronas半導(dǎo)體設(shè)計(jì)及制造公司生產(chǎn)的MAS3587芯片。該芯片集成了前放以及A/D轉(zhuǎn)換模塊，支持模擬和數(shù)字串并行兩種方式輸入輸出，具有MPEG1/2 layer3格式編碼和MPEG1/2 layer2 and layer3格式解碼功能。芯片內(nèi)部包含耳機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，模擬輸出信號(hào)可以不經(jīng)過(guò)放大直接驅(qū)動(dòng)耳機(jī)。音頻采集電路如圖4所示，MAS3587接收到模擬信號(hào)輸入后，先通過(guò)芯片的A/D部分將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后將A/D轉(zhuǎn)換后輸出的數(shù)字信號(hào)送入芯片內(nèi)置的MP3壓縮編碼模塊完成MP3格式的編碼。圖4中，S3C6410通過(guò)I2C總線對(duì)MAS3587芯片進(jìn)行初始化，通過(guò)握手信號(hào)線與并行數(shù)據(jù)線讀出經(jīng)過(guò)MP3格式編碼后的音頻數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)及傳輸。

其它模塊設(shè)計(jì)

視頻采集

在視頻采集上，因?yàn)镾3C6410處理器內(nèi)部集成了多媒體編解碼器(MFC)，支持MPEG4/H.263/H.264編解碼和VC1的解碼，能夠提供實(shí)時(shí)的視頻會(huì)議以及NTSC和PAL制式的TV輸出。另外，S3C6410集成了CameraIF接口，支持ITU RBT-601/656YCBCr 8位標(biāo)準(zhǔn)，最大輸入尺寸為4096×4096像素。本設(shè)計(jì)充分利用S3C6410的片上資源即可完成視頻的采集及硬件壓縮編碼。視頻采集直接通過(guò)S3C6410的CameraIF接口與OV9650攝像頭相連采集現(xiàn)場(chǎng)視頻數(shù)據(jù)，再通過(guò)芯片內(nèi)置的MFC模塊對(duì)采集到的視頻信號(hào)進(jìn)行H.264格式的硬件壓縮編碼。

WIFI通信

采用無(wú)線的方式與上位機(jī)進(jìn)行通信，采集數(shù)據(jù)時(shí)大大減少了環(huán)境上的限制，無(wú)線數(shù)據(jù)采集具有安裝便捷、使用靈活、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，可以隨時(shí)改變數(shù)據(jù)采集位置，上傳數(shù)據(jù)時(shí)也非常方便。為了滿足大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性傳輸?shù)囊?，采集儀采用了802.11n協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通信。802.11n協(xié)議是Wi-Fi聯(lián)盟在802.11a/b/g后面的一個(gè)無(wú)線傳輸標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，它比802.11a/b/g具有更快的數(shù)據(jù)傳輸速度和更強(qiáng)的信號(hào)穩(wěn)定性。協(xié)議目的是為實(shí)現(xiàn)高帶寬、高質(zhì)量的WLAN服務(wù)，使無(wú)線局域網(wǎng)達(dá)到以太網(wǎng)的性能水平。在此，我們采用雷凌RALINK RT3070高速無(wú)線網(wǎng)卡，此網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)支持Windows CE、Linux等嵌入式操作系統(tǒng)，兼容IEEE802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，具有體積小、信號(hào)穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸速度快（最高可達(dá)150Mbps）等優(yōu)點(diǎn)。

結(jié)語(yǔ)

本文以工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器及音視頻信號(hào)的一體化采集為研究?jī)?nèi)容，把數(shù)據(jù)量巨大的音頻及視頻信號(hào)分別進(jìn)行了硬件壓縮編碼，節(jié)省了CPU數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的資源占用及數(shù)據(jù)傳輸帶寬。利用S3C6410處理器集成度高、數(shù)據(jù)處理速度快的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了集多種物理量采集、處理、傳輸為一體的數(shù)據(jù)采集儀硬件平臺(tái)。該采集儀具有體積小、集成度高、信號(hào)穩(wěn)定、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，可用于井下、電站、工廠等場(chǎng)所的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控，具有廣闊的應(yīng)用前景。