智能高速实时数据采样装置 所属技术领域
本发明涉及一种智能数据采样装置，具体涉及一种用于生产过程的各种液体、气体及流体介质的管道、容器的监控、环境监测的数据采样装置。背景技术
由于现场应用条件的多样性，致使对信号采样装置的要求也是多样性。综观已知技术领域中的数据信号采样装置，普遍的存在着功能单一，智能化水平低，可靠性差的问题。中国专利，申请号为98248745.2，申请日为1998.11.27，名称为“一种通用的数据采集装置”中展示了一种新型的数据采集装置，采用超大规模集成电路设计，高、低功耗设计，可靠性设计和通用接口设计，具有通用性能较强，智能化水平得到提高，装置运行可靠等特点。但从中仍然可以发现存在这样的问题：
1)数据采样频率不高，可扩展性不强。由于采用单片机作为中央处理单元，且与A/D转换器集成在一个芯片中，这样，受处理器晶振频率和A/D转换器通道和转换速率的限制，不仅对高速实时数据采样的情况难以满足要求，而且限制了采样数据的通道数及其可扩展性。
2)采样时间的同步性难以保证，且实现远程通信时，不同区域的数据采样装置传输的数据是否在同一时刻采样的问题难以保证。这样，使得应用现场还必须配备各种不同功能的数据采样装置及附加设备，不仅投资巨大，维护困难，而且通用性差，性价比低。
3)通信能力不强。由于单片机采用串行接口通过通讯发射装备实现数据远传，从而难以保证高速实时数据的传输，更难以实现网络通信。发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中存在的问题，设计一种具有智能化、高速、实时、采样数据时间同步、通用、可扩展、网络传输、包括连续信号和离散信号的多路采样、操作维护方便、采样精度高的数据采样装置。不仅适用于新地采样系统的组建，而且还适用于现场现有装置的配套使用。
本发明的技术解决方案是：包括由嵌入式微机1、总线扩展口2、A/D转换器3、计数板5、软盘驱动器9、电子硬盘10、串口11、网卡12、键盘13、打印机14、显示器15、看门狗电路16构成。嵌入式微机1控制整个采样装置的工作状态，其通过总线扩展口2与A/D转换器3和计数板5相连接，多路离散输入信号接口6和多路连续输入信号接口7通过光电隔离器和滤波电路板4，分别与计数板5和A/D转换器3相连接；嵌入式微机1通过串行接口11与GPS接收系统8相连接，通过网卡12与上位计算机等后续装置实现远程通信，通过内部总线分别与软盘驱动器9、电子硬盘10、键盘13、打印机14和显示器15、看门狗电路相连接。
嵌入式微机1是一种优化的、小型堆栈式结构的工业控制总线系统，通过软盘驱动器9和软盘配合实现操作系统安装、程序的运行、软件的修改等；通过内部总线与电子硬盘10相连，实现采样数据存储；通过自带的串口11与GPS接收系统8相连，实现不同区域采样数据的时间同步性；通过网卡12与以太网相连，实现与上位计算机等后续处理装置的远程通信；通过自带的看门狗电路16，实现采样装置出现软件跑飞时自行复位。
总线扩展口2不仅实现嵌入式微机1的引脚与A/D转换器3和计数器5的引脚的转换功能，而且将A/D转换器3和计数器5送来的数字信号与嵌入式微机1的内部总线相连；光电隔离器和滤波电路板4具有多路模拟滤波通道和多路光电隔离通道，多路离散信号经过接口6送入光电隔离器4进行整形，多路连续输入信号经过接口7送入滤波电路4中进行滤波降噪，再分别送入计数板5和A/D转换器3转换为数字信号。
上述软盘驱动器9和软盘配合主要完成与嵌入式微机相连接口和逻辑控制、数据读取等程序；其执行步骤是：打开嵌入式微机1的配置文件，读取配置，并对所采样的数据分配堆栈内存，对网络协议初始化及配置，启动看门狗电路16，从串口11读取GPS接收系统8的信息来校正系统时间，设置中断向量，循环等待中断，并定时读取GPS接收系统8的信息来校正系统时间。对于多路连续输入信号的采样和多路离散输入信号的采样，通过设置的计时中断实现采样间隔，对嵌入式微机1内部自带的看门狗电路16设置适当计数值，以保证嵌入式微机1的正常运行，根据相应的网络协议及相应的设置，通过嵌入式微机自带的网卡口将采样的数据传送出去。本发明与已有技术相比显著的效果和优点是：
1、由于本发明中嵌入式微机1采用PC/104标准工业控制总线，从而构成一种优化的、嵌入式的和小型堆栈结构的计算机控制系统。特点是：1)PC/104总线产品软件与PC/XT和PC/AT完全兼容；2)小尺寸结构，标准模块的机械尺寸为：3.6×3.8英寸(96×90mm)；3)堆栈式，“针”“孔”总线连接，即PC/104总线模块之间总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬和相连，有极好的抗震性；4)6mA总线驱动，可使模块正常工作，低功耗，减少元件数量；自我堆栈式连接，无须用板；5)具有网络功能，自带网关，可支持所有网络操作，通讯简单，支持TCP/UDP编程及开发简单；
2、由于设计的光电隔离器及滤波电路4具有多路模拟滤波通道和多路光电隔离通道，因此可以直接接收现场来的各种离散和连续脉冲信号，而不受到现场传“感器型号的限制，具有很强的通用性；离散数据由于采用光电隔离技术，使离散信号与嵌入式微机完全隔离，具有较高的输入阻抗和共模拟制比；对连续信号采取多道阻容滤波，去除高频干扰成分；采样速率可通过相应的软件编程进行设置，极大方便后续不同开发系统对采样速率的要求。其连续信号最大采样速率可达600次/秒以上。
3、采用GPS系统，可以保证多点通信时不同采样装置传来的数据是同一时刻的；无论在任何地点任何时间，通过GPS接收机至少可以同时接收到来自4颗卫星的信号；
4、该采样装置的数据可方便地通过网卡经以太网与上位机等进行通信；
5、由于嵌入式微机是通过总线接口卡与A/D转换器、计数板器件相连，可以具有经济、灵活方便、可扩展等特点；
6、装置可实现自动采样数据，有效提高科学管理水平，降低人工劳动强度，具有良好的社会效益；
7、具有良好地可扩充性，通过扩展相应的模板，不仅可扩充输入通道数，而且可使装置升级，保持高的性价比。附图说明
图1是本发明智能高速实时采样装置的硬件结构框图；
图2嵌入式微机软件程序流程方框图；
图3光电隔离器及滤波电路板的电路原理图。具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明的技术方案做进一步说明。
图1中本发明采样装置的运行中心嵌入式微机1，采用PC/104标准工业控制总线，16位版本，即104个总线管脚(双列双排插针和插孔)，其有效信号线和控制线完全与PC/AT兼容；具有网络功能，自带网关，可支持所有网络操作，且支持TCP/UDP编程。
总线扩展口2是嵌入式微机1的PCI插槽，使嵌入式微机1与A/D转换器和计数板5的总线连接及管脚的转换，将PC104的104个管脚转换为96个，用来与96管脚的A/D转换器和计数板相连。A/D转换器3采用AC1558，为32路每路12位的A/D转换器，转换器时间1.0μs；它可以直接通过PC/104总线与嵌入式微机PC104相连，并具有隔离功能，将模拟输入与PC机隔离开，保护PC机不受外界干扰信号的影响及损坏；AC1558是一款功能单一的A/D板，只强调A/D采样功能，其输入带有程控放大器，特别适合多路模拟信号的采样检测；AC1558采用高速光耦，较通常隔离采样板的速度大大提高；AC1558板自带隔离DC/DC变换器，不需要外接电源；
计数板5采用AC4071芯片，有9个计数/定时器，每个计数/定时器各自独立，它可以直接和PC104通过PC/104总线相连。
光电隔离器及滤波电路板4采用12路阻容滤波电路和6路光电隔离电路集成到一块电路板上、如图3，从而提高了系统的可靠性和可扩展性，离散数据采用光电隔离技术，使离散信号与嵌入式微机1完全隔离，具有较高的输入阻抗和共模拟制比；连续信号采用低通阻容滤波电路，滤除高频成分，提高信噪比。多路离散输入信号接口6和多路连续输入信号接口7、接收来自工业现场传感器的检测信号或其它符合工业标准的输入信号，该输入信号不局限于传感器的类型及检测信号的种类，只要是标准电器信号即可。
GPS接收系统8由一套卫星天线和GPS智能卡组成，通过串口11与嵌入式微机连接，可定期校准采样装置地采样时钟，确保系统中多个采样装置同时使用时数据采样的同步性。无论在任何地点任何时间，通过GPS接收机至少可同时接取到来的4颗卫星的信号。通过这些信号就可以确定该采样装置所在的经度，纬度和海拔的高度。有了这些数据，便能在电子地图上显示确切的位置。
软盘驱动器9为标准的3寸软驱，通过嵌入式微机的内部总线与PC104连接，为嵌入式微机1提供操作系统、编程、修改和调试程序等用，提高系统的灵活性和易操作性。
电子硬盘10通过嵌入式微机1内部总线与PC104连接，采用FLASH闪存，用来存储操作系统、程序开发软件、网路通信协议及临时存储采样数据等，保证采样装置自动运行，并完成网络通讯功能及提供后备数据进行传输。
串口11即采用嵌入式微机自带的串口1(Coml)来实现与GPS接收装置的互连。
网卡12采用嵌入式微机1自带的网卡，通过网络通信协议，利用以太网实现与上位机等后续处理装置的通信。
键盘13，打印机14和显示器15均为标准设备，通过内部总线与嵌入式微机直接相连，为实现人机对话服务。
看门狗电路16采用嵌入式微机1自带的芯片，并外接继电触发电路，实现采样装置出现软件跑飞自行复位。
图2为本发明相配套的软件流程图，其执行程序是：打开配置文件，读取配置参数，为所采样的数据分配内堆内存，对网络协议初始化并配置相应通讯功能，启动看门狗电路16，从串口11读取GPS接收系统8的信息校正系统时钟，设置连续信号和离散信号的采样中断向量，发送信号中断向量及看门狗电路的定时中断向量，在循环等待期间，定时读取GPS校正系统时钟，采样中断到时进行信号采样；发送信号中断到时，通过网络协议及网络配置发送数据帧，实现数据传输；定时中断到时触发看门狗电路重新启动采样系统。
本发明整个装置的工作过程是：
现场来的多路标准连续信号如温度、压力等经过接口7送到多通道阻容滤波板4进行快速滤波，去除高频干扰成分；多路离散信号如流量计脉冲信号等经过接口6送到多路光电隔离电路4进行滤波，除去干扰并降噪。滤波后的连续信号送入A/D转换器3变换为数字信号，通过总线扩展口2进入嵌入式微机1中进行处理。滤波后的离散信号送入计数板得到数字信号，通过总线扩展口2进入嵌入式微机1中进行处理，嵌入式微机1通过串口11接收GPS系统8的同步信号，并通过自带的网卡12通过以太网实现网络通信。