专利名称：通用型嵌入式多路数据采集器及信号采集滤波方法
技术领域：
本发明涉及一种数据采集设备和方法，特别是涉及一种通用型嵌入式多路数据采集器及信号采集滤波方法。
背景技术：
随着社会进步和科技的发展，自动控制在生产生活中应用已越来越广泛，大幅提高了劳动效率和生活品质，为国民发展贡献巨大。要想实现自动控制只有对控制对象实施数据采集，才能掌握对象情况从而实施恰当的监测控制，针对不同领域不同对象数据采集手段也是不同的，目前市场上的数据采集机器品种繁多，但这些数据采集机器大多是针对某一具体工况环境而专门设计开发的，通用性差开发成本高，开发周期长，在数据传送方面采用的途径还比较单一，要么无线要么有线，无法同时满足不同条件环境需求，如厂房、车间和井场、野外。还有面对纷繁复杂的应用环境，数据采集时模拟量信号在传感器前后传送过程中不可避免的会受到现场干扰信号的影响，现有技术一般都是采用数字滤波器进行滤波减小干扰，在数字滤波算法中，常用的是平均值滤波算法，首先将经过A/D转换后得到的N个数字信号求和M，然后取本组数据的平均值Aver =M/N作为本次采样信号的有效值，当有干扰脉冲信号窜入转换通道时，A/D检测部分本身不能够识别它，只是将干扰脉冲作为有效信号分摊，致使计算出的平均值与理想的有效值产生一定的误差，为了减小分摊导致的误差，可将每组数据个数N设置的大一些，使平均值保持一个合适的平滑性，但N值增大将会占用更大的内存的空间，也影响到计算速度，仍有待于改进。
发明内容
为了解决现有数据采集器通信方式单一和滤波不足的问题，本发明提供了一种用型嵌入式多路数据采集器及信号采集滤波方法。本发明采用的技术方案为:一种通用型嵌入式多路数据采集器，其特征在于包括核心板和功能扩展板；核心板设有处理器，处理器连接有晶振电路、核心板电源电路、复位电路、内存SDRAM单元、FLASH存储单元、JTAG调试单元；功能扩展板上设有A/D转换器、指示电路、PLL锁相环时钟电路、4X1按键、GPRS DTU无线模块、串行接口电路、显示板连接插座，分别通过核心板连接插座与核心板上的处理器连接；处理器通过串行接口 UARTO与GPRS DTU无线模块连接，通过串行接口 UARTl与串行接口电路连接。所述串行接口电路由分别与处理器连接的485数据采集电路、232数据采集电路和切换电路组成，显示板连接插座连接有显示模块。通用型嵌入式多路数据采集器的信号采集滤波方法，首先将经过A/D转换后得到的N个数字信号求和M，然后取本组数据的平均值Aver =M/N作为本次采样信号的有效值，其特征在于首先设置一个误差约束值e和N值，用来表示相邻采样值差的最大变化范围，然后依次采取若干个数据，每次采得数据与相邻的前个数据进行对比计算，将差值超过e的采得数据剔除，直至采得数据达到N个，再将N个数字信号求和M，最后求平均值Aver =M/N作为本次采样信号的有效值。所述每次采得数据与相邻的前个数据进行对比时，连续三次差值超过e，剔除该三次采得数据和作为对比的前个数据，重新采得数据作为对比数据。所述求和公式为M= Samp I + Samp 2 +...+ Samp N。
所述求和公式为·先求m=aver*N,再求M = m - aver + Samp i ,式中i=2, 3....N, aver为假设平均值，m假设和。本发明可灵活采用基于GPRS DTU的无线通信方式和基于232、485串口的有线通信方式，适应性更好，信号采集采用干扰信号剔除的滤波方法，使计算的平均值更接近理论有效值，为后期监测控制提供更精准的数据依据。
图1至5为本发明核心板电路原理 图6至8为本发明功能扩展板电路原理 图9为本发明信号采集滤波流程图。
具体实施例方式本发明实施例电路如图1至8所示，该通用型嵌入式多路数据采集器设有核心板和功能扩展板；核心板设有处理器S3C44B0X，处理器连接有晶振电路、核心板电源电路、复位电路、内存SDRAM单元、FLASH存储单元、JTAG调试单元；功能扩展板上设有A/D转换器、指示电路、PLL锁相环时钟电路、4X I按键、GPRS DTU无线模块、串行接口电路、显示板连接插座，分别通过核心板连接插座与核心板上的处理器连接。核心板电源电路用ASM1117-3.3和ASMl117-2.5电压转换芯片，为处理器内核和输入/输出端口提供标准2.5V及3.3V的供电；S3C44B0X外部连接的晶振电路由IOM晶振构成，经内部PLL倍频后最高到203MHz，同时片内PLL电路兼有信号放大和提纯的功能；复位电路将VCC的+5V电压经过74HC32芯片两次驱动转换后产生复位信号nRESET电压，供系统有复位需要的芯片使用，复位门槛当选择为2.93V ;S3C4B0X内部集成JTAG调试模块，为软件调试带来方便，避免了购买昂贵的仿真器，标准的JTAG接口是4线41^、10(、101、100，分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出，有时为增强软件调试灵活性，可以定义复位信号nRST，工程上用于JTAG调试的接口引脚数主要有10针、14针和20针三种，每种插件的连接方式略有不同，本实施例选14针的插件；Flash存储器的选择上使用了一片SST39VF160，该芯片是一个16 Mbit2Mx8/lMxl6的CMOS多功能Flash器件，通过触发位或数据查询位来指示编程操作的完成，具有硬件和软件数据保护机制；SDRAM存储部件在嵌入式系统中起到缓存的作用，可以比作PC机中的内存，本实施例选用了一片HY57641620 ；核心板上44B0X弓I脚全部外扩到双排插针上，这样就减少了核心板的面积，端口 0M1-0M3及ENDIAN分别于S3C44B0X的51-55引脚相连，利用跳冒可以选择处理器运行于大/小端状态。功能扩展板的上的核心板连接插座为双排插槽，核心板插在上面与功能扩展板上的电路连接；功能扩展板电源由JlOl获得5V直流电源，再经过AMSl117-3.3转换为3.3V电压；4个独立按键全部链接在44B0X的外部中断I/O接口上，在程序设计过程中可以快速实现按键响应，分别接在GPG4、GPG5、GPG6、GPG7引脚上，当有按键按下时相应端口为低电平，否则为高电平；指示电路74HC04是六通道带缓冲反相器，实现LED驱动，三只发光二极管分别由GPCl、GPC2、GPC3控制，高电平点亮，低电平熄灭，用来指示系统运行状态；PLL锁相环时钟电路由32768Hz晶振电路和电池电路组成，系统上电时，可自动对电池进行充电，提供对S3C44B0X内部RTC的硬件支持，32.768kHz的并联谐振晶振连接在XCLKI管脚和XCLKO管脚之间，与地间分别连接22pF起电容，该晶振能够使得内部PLL锁相环正确锁定并产生41.78MHz的时钟频率。处理器通过串行接口 UARTO与GPRS DTU无线模块连接，利用公用运营商网络为用户提供无线长距离数据传输，采用高性能的工业级8/16/32位通信处理器和工业级无线模块，以嵌入式实时操作系统为软件支撑平台，同时提供RS232和RS485接口，可直接连接串口设备，实现数据透明传输功能，将UARTO电平转换电路直接与GPRS DTU模块相连接即可，nCTS0、nRTS0、RXD0与TXDO分别于S3C44B0X的101,102,99和100引脚相连接；通过串行接口 UARTl与串行接口电路连接为有线通信方式，本实施例采用了 RS232和RS485两种可选的通信方式，在进行长距离有线通信时可以选择RS485方式，而RS232则用于系统测试用，两种通信方式中间由跳冒进行选择，MAX3232构成RS232通信方式电平转换电路，这里nCTSl和nRTSl分别于与S3C44B0X的105、106引脚相连接，MAX3485构成RS485总线通信方式,此时RE_485与DE_485分别与S3C44B0X的60GPF1、6IGPi7O引脚相连接，通过在485-232跳线转换接口 JP17进行切换就可以实现两种方式的转换；在选择时若将JP17的I与3脚相连接，2与4脚相连就可以选择为RS232总线通信方式，若将3与4脚相连，4与6脚相连就可以选择为RS485通信方式，这里RXDl与TXDl分别与S3C44B0X的103、104引脚相连接。通过显示板连接插座连接有带有触摸屏功能的LCD液晶显示器，该显示器为26万色的TFT屏，像素为240X320。S3C44B0X为用户提供了 8路的10位CMOS模拟量输入通道，最大转换速率为IOOksps,要求输入电压在0-2.5V之间，输入信号带宽范围为O-lOOHz，在设计中将8路模拟量输入通道中的AINO外接温度传感器LM35，用于温度的测量，其余AIN1-AIN7接口电路如下用于接其他数据采集信号源。一个良好的采集系统还要有能够使硬件处理器的性能发挥出来的软件系统，嵌入式操作系统便是这一种软件。本实施例中将嵌入式操作系统μ C/0S-1I移植到S3C44B0X内，在操作系统层面上划分系统任务，在任务中调用底部驱动程序等相关函数，就可以实现既定的功能，同时为了能有一个直观的观察界面，又将μ c/GUI移植到系统中，通过调用GUI的API函数，就可以设计出需要的界面环境。系统上电后首先对系统硬件设备进行初始化，这一初始化过程包括对处理器额I/o定义，串口初始化及选择，初始化中断，初始化系统时钟和LCD初始化，在这一过程中主要是通过调用已经设计好的驱动程序，完成硬件资源的初始化，为接下来的调用函数提供保证。硬件资源初始化完毕，将进行操作系统的初始化，调用yC/OS-ΙΙ的内部API函数，完成系统能够运行起来的一些数据链表，及各种通信机制和任务管理调度等。完成上面两部后就可以创建起始任务。再在起始任务中创建其他功能任务函数。在实施例中划分的任务有按键扫描任务KeyScan_Task,液晶显示屏刷新显示任务LcdFresh_Task,串口接收数据任务UartRx_Task,串口发送数据任务UartTx_Task等，通过声明信号量和邮箱实现任务间相互通信，当有按键按下时，与按键相关的信号量被置为有效状态，此时按键处理任务才开始运行，按键扫描任务在正常工作状态下会每个一个规定的时间闪烁一次，若系统出现异常，闪烁将会中断。本系统上电后不需要人为干预，在LCD触摸屏上将会出现由GUI绘制的人机对话窗口，此时用户可以根据自己的需要进行选择。选择的内容包括在下拉菜单中选择需要查看的ADC数据转换通道口 ；在通信方式选择菜单中选择有线还是无线方式，使软件设置与跳线选择保持的一致；当查看历史数据后可以选择曲线和文本方式。最后，完成上述设置后就可以进入正常的工作方式。本发明数据处理速度快，在数据传送方式上，根据使用环境的差异性，可以选择基于RS485的有线通信方式，实现与上位机的数据交流，也可以使用基于GPRS DTU的无线数据通信方式，应用灵活，在8路模拟量信号输入端，只要从传感器处获得的信号在4-20mA或者0-2.5V范围内就可以进行转换,使用范围大领域广。另外本发明采用特有的信号采集滤波方法，如图9所示，首先设置一个误差约束值e和N值，用来表示相邻采样值差的最大变化范围，然后依次采取若干个数据，每次采得数据与相邻的前个数据进行对比计算，按下面公式(1)计算，
权利要求
1.一种通用型嵌入式多路数据采集器，其特征在于包括核心板和功能扩展板；核心板设有处理器，处理器连接有晶振电路、核心板电源电路、复位电路、内存SDRAM单元、FLASH存储单元、JTAG调试单元；功能扩展板上设有A/D转换器、指示电路、PLL锁相环时钟电路、4X1按键、GPRS DTU无线模块、串行接口电路、显示板连接插座，分别通过核心板连接插座与核心板上的处理器连接；处理器通过串行接口 UARTO与GPRS DTU无线模块连接，通过串行接口 UARTl与串行接口电路连接。
2.根据权利要求1所述的通用型嵌入式多路数据采集器，其特征在于所述串行接口电路由分别与处理器连接的485数据采集电路、232数据采集电路和切换电路组成，显示板连接插座连接有显示模块。
3.根据权利要求1或2所述的通用型嵌入式多路数据采集器的信号采集滤波方法，首先将经过A/D转换后得到的N个数字信号求和M，然后取本组数据的平均值Aver =M/N作为本次采样信号的有效值，其特征在于首先设置一个误差约束值e和N值，用来表示相邻采样值差的最大变化范围，然后依次采取若干个数据，每次采得数据与相邻的前个数据进行对比计算，将差值超过e的采得数据剔除，直至采得数据达到N个，再将N个数字信号求和M，最后求平均值Aver =M/N作为本次采样信号的有效值。
4.根据权利要求3所述的通用型嵌入式多路数据采集器的信号采集滤波方法，其特征在于所述每次采得数据与相邻的前个数据进行对比时，连续三次差值超过e，剔除该三次采得数据和作为对比的前个数据，重新采得数据作为对比数据。
5.根据权利要求3所述的通用型嵌入式多路数据采集器的信号采集滤波方法，其特征在于所述求和公式为M= Samp I + Samp 2 +...+ Samp N。
6.根据权利要求3所述的通用型嵌入式多路数据釆集器的信号釆集滤波方法，其特征在于所述求和公式为先求，再求m=aver*N，M = m - aver + Samp i，式中i=2，3....N，aver为假设平均值，m假设和。
全文摘要
一种通用型嵌入式多路数据采集器，其特征在于包括核心板和功能扩展板；核心板设有处理器，处理器连接有晶振电路、核心板电源电路、复位电路、内存SDRAM单元、FLASH存储单元、JTAG调试单元；功能扩展板上设有A/D转换器、指示电路、PLL锁相环时钟电路、4×1按键、GPRSDTU无线模块、串行接口电路、显示板连接插座，分别通过核心板连接插座与核心板上的处理器连接；本发明可灵活采用基于GPRSDTU的无线通信方式和基于232、485串口的有线通信方式，适应性更好，信号采集采用干扰信号剔除的滤波方法，使计算的平均值更接近理论有效值，为后期监测控制提供更精准的数据依据。
文档编号G06F17/40GK103150411SQ201310072050
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月7日 优先权日2013年3月7日
发明者李艳辉, 赵辉, 刘斌, 周宾, 张莹, 李珊珊 申请人:东北石油大学