多冗余输出的数据采集处理单元设计与实现

文章摘要： 在现代信号处理系统中，数据采集处理系统越来越广泛地用于各行各业。现代船舶为了实现安全、经济的运行，自动化程度越来越高，需要采集处理各种数据。由于船舶本身的特殊性，各设备运行工况非常恶劣，环境干扰因素多，为了保障船舶安全，对数据采集处理的可高性有很高的要求。本文介绍一种用于船舶监测报警系统的数据采集单元，该单元由采集模块实现对多通道现场各数据的实时采集，然后由专用的多路冗余处理模块输出至本地人机界面显示和上位机进行综合处理，具有很强的实用性、通用性及可扩展性，且冗余度高，稳定可靠，已在多个船舶监测报警系统实际工程中应用。1 系统总体设计 为满足对现场多种数据采集和处理、显示与上传，采集单

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 在现代信号处理系统中，数据采集处理系统越来越广泛地用于各行各业。现代船舶为了实现安全、经济的运行，自动化程度越来越高，需要采集处理各种数据。由于船舶本身的特殊性，各设备运行工况非常恶劣，环境干扰因素多，为了保障船舶安全，对数据采集处理的可高性有很高的要求。本文介绍一种用于船舶监测报警系统的数据采集单元，该单元由采集模块实现对多通道现场各数据的实时采集，然后由专用的多路冗余处理模块输出至本地人机界面显示和上位机进行综合处理，具有很强的实用性、通用性及可扩展性，且冗余度高，稳定可靠，已在多个船舶监测报警系统实际工程中应用。

1 系统总体设计
    为满足对现场多种数据采集和处理、显示与上传，采集单元由开关量采集模块、4～20 mA采集模块、Pt100采集模块、热电偶采集模块构成集总式采集系统，再由双CPU专用处理模块实现多路冗余输出至本地人机界面显示和PC机。单片机的运算能力强，运算速度快，I／0接口功能完善，抗干扰能力强，可靠性高，系统结构简单、价格优廉，是现场数据采集器的核心元件之一。采集终端采用基于单片机ATmegal6的各专用采集模块。RS 485硬件设计简单，控制方便成本低廉，支持远距离多机通信，故采用RS 485总线进行数据传输。图1为系统的总体框图。

2 系统的设计实现
    本文主要对数据采集单元硬件部份的实现做介绍，包括单片机采集模块、多路冗余输出处理模块。开发工具为Protel 2004 DXP和Keil μVision 2。
2．1 单片机采集模块
    为满足工程需要，开发设计了4～20 mA输入与输出模块、PTlOO输入模块、热电偶输入模块、开关量输入与输出模块等系列采集终端，各终端采用模块化设计，可以方便灵活地组成不同要求的采集单元。以下以8路4～20 mA输入模块为例说明其设计与实现。
2．1．1 单片机选择及ATmegal6单片机主要特征
    该系列采集模块采用功能强大的ATmegal6(TQFP封装)作为主处理器。ATmegal6是RISC结构的低功耗8位AVR微控制器，其主要特点如下：16 KB的系统内可编程FLASH512 B E2PROM，1KBSRAM，32个通用I／O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，3个具有比较模式的灵活的定时器／计数器(T／C)，片内／外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益的ADC(TQFP封装)，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，1个SPI串行端口，以及6个可以通过软件进行选择的省电模式。片内ISP FLASH允许程序存储器通过ISP串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用FLASH存储区(Application FLASH Memory)。在更新应用FLASH存储区时引导FLASH区(Boot FLASH Memory)的程序继续运行，实现了RWW操作。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmegal6的数据吞吐率高达1 MIPS／MHz。

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3 实现结果
    本文所开发设计的4～20 mA输入与输出模块、Ptl00输入模块、热电偶输入模块、开关量输入与输出模块系列模块均已定型生产，并获得CCS的型式认可。4-20MA输入模块实物如图5所示，技术参数如下：工作电压：(24土0．48)V；工作温度：O～60℃；4～20 mA输入类型：有源、无源；量程：4～20 mA；转换分辨率：12 B；转换时间小于1 ms；通讯方式：RS 485；协议：MODBUS RTU；波特率：9 600 b／s；外型尺寸(W×D)：108 mmXl45 mm。

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