在現(xiàn)代信號(hào)處理系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)越來(lái)越廣泛地用于各行各業(yè)?，F(xiàn)代船舶為了實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，自動(dòng)化程度越來(lái)越高，需要采集處理各種數(shù)據(jù)。由于船舶本身的特殊性，各設(shè)備運(yùn)行工況非常惡劣，環(huán)境干擾因素多，為了保障船舶安全，對(duì)數(shù)據(jù)采集處理的可高性有很高的要求。本文介紹一種用于船舶監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元，該單元由采集模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)多通道現(xiàn)場(chǎng)各數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，然后由專(zhuān)用的多路冗余處理模塊輸出至本地人機(jī)界面顯示和上位機(jī)進(jìn)行綜合處理，具有很強(qiáng)的實(shí)用性、通用性及可擴(kuò)展性，且冗余度高，穩(wěn)定可靠，已在多個(gè)船舶監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)實(shí)際工程中應(yīng)用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    為滿(mǎn)足對(duì)現(xiàn)場(chǎng)多種數(shù)據(jù)采集和處理、顯示與上傳，采集單元由開(kāi)關(guān)量采集模塊、4～20 mA采集模塊、Pt100采集模塊、熱電偶采集模塊構(gòu)成集總式采集系統(tǒng)，再由雙CPU專(zhuān)用處理模塊實(shí)現(xiàn)多路冗余輸出至本地人機(jī)界面顯示和PC機(jī)。單片機(jī)的運(yùn)算能力強(qiáng)，運(yùn)算速度快，I／0接口功能完善，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格優(yōu)廉，是現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器的核心元件之一。采集終端采用基于單片機(jī)ATmegal6的各專(zhuān)用采集模塊。RS 485硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，控制方便成本低廉，支持遠(yuǎn)距離多機(jī)通信，故采用RS 485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。圖1為系統(tǒng)的總體框圖。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
    本文主要對(duì)數(shù)據(jù)采集單元硬件部份的實(shí)現(xiàn)做介紹，包括單片機(jī)采集模塊、多路冗余輸出處理模塊。開(kāi)發(fā)工具為Protel 2004 DXP和Keil μVision 2。
2．1 單片機(jī)采集模塊
    為滿(mǎn)足工程需要，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了4～20 mA輸入與輸出模塊、PTlOO輸入模塊、熱電偶輸入模塊、開(kāi)關(guān)量輸入與輸出模塊等系列采集終端，各終端采用模塊化設(shè)計(jì)，可以方便靈活地組成不同要求的采集單元。以下以8路4～20 mA輸入模塊為例說(shuō)明其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
2．1．1 單片機(jī)選擇及ATmegal6單片機(jī)主要特征
    該系列采集模塊采用功能強(qiáng)大的ATmegal6(TQFP封裝)作為主處理器。ATmegal6是RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位AVR微控制器，其主要特點(diǎn)如下：16 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH512 B E2PROM，1KBSRAM，32個(gè)通用I／O口線，32個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，3個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器(T／C)，片內(nèi)／外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益的ADC(TQFP封裝)，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器，1個(gè)SPI串行端口，以及6個(gè)可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的省電模式。片內(nèi)ISP FLASH允許程序存儲(chǔ)器通過(guò)ISP串行接口，或者通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過(guò)運(yùn)行于AVR內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用FLASH存儲(chǔ)區(qū)(Application FLASH Memory)。在更新應(yīng)用FLASH存儲(chǔ)區(qū)時(shí)引導(dǎo)FLASH區(qū)(Boot FLASH Memory)的程序繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了RWW操作。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmegal6的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS／MHz。
2．1．2 電源及電壓基準(zhǔn)源
    本模塊外部由直流24 V電源供電，內(nèi)部由3個(gè)鑫飛達(dá)DC／DC隔離電源實(shí)現(xiàn)分開(kāi)供電，互不干擾，一路經(jīng)DFA5-24S12輸入24 V隔離輸出5 V供通道采樣與A／D轉(zhuǎn)換工作電源；一路經(jīng)DFA5-24S5輸入24 V隔離輸出5 V供CPU工作電源；一路S05HIS05-2W輸入5 V隔離輸出5 V供RS 485通訊工作電源。模塊前向通道的信號(hào)調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片都需要一個(gè)高精度的5 V的電壓基準(zhǔn)源，TL431就是基準(zhǔn)源電路的核心器件。其主要特點(diǎn)是：穩(wěn)壓值從2．5～36 V連續(xù)可調(diào)；參考電壓源誤差±l％，低動(dòng)態(tài)輸出電阻，典型值O．22 Ω，輸出電流1．O～100 mA，全溫度范偉內(nèi)溫度特性平坦，典型值為50 ppm；低輸出電壓噪聲。TL431適用作12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓參考源。本模塊用TL431構(gòu)建的5 V基準(zhǔn)電路。
2．1．3 工作過(guò)程
    8路4～20 mA信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路(TLC279ID)，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換(TLC2543)、隔離(6N137)送入ATmegal6單片機(jī)，它利用內(nèi)部自帶的ADD轉(zhuǎn)換器采集8路數(shù)據(jù)，將其經(jīng)由RS 485接口電路傳送給上位機(jī)，RS 485通訊模塊采用帶磁隔離的ADM2483。其原理框圖見(jiàn)圖2。

2．1．4 程序設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)上電后執(zhí)行初始化程序，復(fù)位各個(gè)端口。當(dāng)處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊處于自動(dòng)巡回監(jiān)測(cè)狀態(tài)，系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)各通道按設(shè)定間隔時(shí)間進(jìn)行采集；當(dāng)接收到上位機(jī)發(fā)送來(lái)的指令便選中相應(yīng)的采集通道執(zhí)行數(shù)據(jù)采集，調(diào)用數(shù)字濾波子程序進(jìn)行濾波得到精確的數(shù)值，再通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理后送微處理器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，等待上位機(jī)的讀取。單片機(jī)程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，系統(tǒng)主程序?yàn)橐粋€(gè)循環(huán)，在循環(huán)中完成以下工作：系統(tǒng)初始化，包括初始化I／0端口，外部中斷，計(jì)數(shù)器O，USART等；掃描上位機(jī)采集指令；開(kāi)中斷；響應(yīng)INTO中斷和計(jì)數(shù)器0溢出中斷；讀取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果；將采集的數(shù)據(jù)調(diào)用通訊子程序由串口通訊模塊輸出；接收上位機(jī)發(fā)出的命令并進(jìn)行相應(yīng)的操作。
2．2 多路冗余輸出處理模塊
    為解決對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行多路冗余處理輸出，提高可靠性，特設(shè)計(jì)一雙CPU協(xié)同處理的串口擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)多路冗余處理輸出。數(shù)據(jù)通過(guò)RS 485總線輸入至該模塊，經(jīng)隔離進(jìn)雙CPU處理，擴(kuò)展為三路串口輸出，原理框圖見(jiàn)圖3。模塊采用雙ATmega64芯片作為處理器，雙CPU并口總線通訊，CPU數(shù)據(jù)RAM映射，數(shù)據(jù)交換速度快，實(shí)時(shí)性高。串口通訊RS 485總線，通訊模塊芯片為帶磁隔離的ADM2483，輸出采用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS RTU通訊協(xié)議。電源采用鑫飛達(dá)的5W DC／DC隔離模塊DFA5-24S5。

    ATmega64是高性能、低功耗的AVR、8位微處理器，先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，其特性如下：133條指令大多數(shù)可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，32×8通用工作寄存器和外設(shè)控制寄存器，全靜態(tài)工作，工作于16 MHz時(shí)性能高達(dá)16 MIPS，只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器；非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，128 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH，具有獨(dú)立鎖定位、可選擇的啟動(dòng)代碼區(qū)，通過(guò)片內(nèi)的啟動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)軟件加密，可以通過(guò)SPI實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程；JTAG接口(與IEEE 1149．1標(biāo)準(zhǔn)兼容)，遵循JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能，支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試，通過(guò)JTAG接口實(shí)現(xiàn)對(duì)FLASH、E2PROM、熔絲位和鎖定位的編程。
2．3 通訊設(shè)計(jì)
    RS 232／422／485都是串行數(shù)據(jù)接口的標(biāo)準(zhǔn)。RS 232是非平衡傳輸，RS 422／485是平衡傳輸。RS 232傳送距離最大僅為15 m，最高速率為20 Kb／s，比較適合近距離的本地設(shè)備之間的通信連接；RS485連接最長(zhǎng)可達(dá)1．2 km，可連接至256個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸率能高達(dá)10 Mb-／s。為實(shí)現(xiàn)底層多采集模塊和上位機(jī)間遠(yuǎn)距離通訊，在底層采用RS 485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因PC機(jī)端的串口是RS 232接口，故需在PC端接專(zhuān)用的RS 232／RS 485轉(zhuǎn)換模塊將RS 232信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS 485的信號(hào)。本采集單元使用通訊模塊芯片為帶磁隔離的ADM2483，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議——MODBUS RTU通訊協(xié)議。圖4為RS 485通信接口硬件電路。

3 實(shí)現(xiàn)結(jié)果
    本文所開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的4～20 mA輸入與輸出模塊、Ptl00輸入模塊、熱電偶輸入模塊、開(kāi)關(guān)量輸入與輸出模塊系列模塊均已定型生產(chǎn)，并獲得CCS的型式認(rèn)可。4-20MA輸入模塊實(shí)物如圖5所示，技術(shù)參數(shù)如下：工作電壓：(24土0．48)V；工作溫度：O～60℃；4～20 mA輸入類(lèi)型：有源、無(wú)源；量程：4～20 mA；轉(zhuǎn)換分辨率：12 B；轉(zhuǎn)換時(shí)間小于1 ms；通訊方式：RS 485；協(xié)議：MODBUS RTU；波特率：9 600 b／s；外型尺寸(W×D)：108 mmXl45 mm。

    多路冗余處理輸出模塊中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的地址、類(lèi)型、參數(shù)等通過(guò)可從上位機(jī)導(dǎo)入，從而適應(yīng)各種類(lèi)型采集模塊，具有高的靈活與可擴(kuò)展性?？蓪⒉杉K端的數(shù)據(jù)處理后同步提拱給觸摸屏獨(dú)立顯示與上位PC機(jī)，也可獨(dú)立使用直接驅(qū)動(dòng)本地人機(jī)界面顯示與打印機(jī)。模塊實(shí)物如圖6所示。

4 結(jié)語(yǔ)
    本文所介紹的采集單元實(shí)現(xiàn)了對(duì)多通道現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)了多路冗余處理模塊輸出，有很強(qiáng)的實(shí)用性、通用性及可擴(kuò)展性，且冗余度高。該數(shù)據(jù)采集單元在工程上具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，經(jīng)在多個(gè)船舶監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)實(shí)際工程中應(yīng)用表明其性能穩(wěn)定可靠。