高精度万能数据采集仪.docx

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高精度万能数据采集仪

附件2：

安徽工业大学第十届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛

作品申报书

作品名称：

高精度万能数据采集仪

申报者姓名

（集体名称）：

指导教师1：

指导教师2：

类别：

□自然科学类学术论文

□哲学社会科学类社会调查报告和学术论文

科技发明制作A类

□科技发明制作B类

A2申报者情况（集体项目）

说明：

必须由申报者本人按要求填写，申报者代表必须是作者中学历最高者，其余作者按学历高低排列。

申报者代表情况

姓名

学校

学历

作品名称

高精度数据采集仪

通讯地址

其他作者情况

姓名

性别

年龄

学历

所在学院、班级

资

格

认

定

学生资格

是否为我校正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的各类学生（本科生和研究生）。

是□否

（学院盖章）

2014年12月9日

指导教师意见

作品是否为课外学术科技作品或社会实践活动成果。

是□否

指导教师签字：

2014年12月9日

B3．申报作品情况（科技发明制作）

说明：

仅科技发明制作类作品填写此表。

必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据、原理结构图、外观图或照片，也可附鉴定证书和应用证书，以上材料可附于E表。

作品全称

 高精度万能数据采集仪

作品分类

（A）A．机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控

制、工程、交通、建筑等）

B．信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等）

C．数理（包括数学、物理、地球与空间科学等）

D．生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健

康、卫生、食品等）

E．能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化

工、生态、环保等）

作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标

作品设计及发明目的：

数据采集仪作为工业控制、学术研究等多个领域的基础性数据来源设备，其采集精度及存储速率直接影响研究结果的准确性，及控制系统的稳定性。

本作品提供一种高精度快速存储的数据采集仪设计方案。

基本思路及创新点：

采用24位高精度AD采集芯片，配合linux操作系统，设计数据采集仪应用程序，实现了系统级的采集驱动，提高了系统的可移植性和可维护性，完善系统功能。

技术关键及技术指标：

设计稳定的数据采集模块，开发对应的模块驱动程序，实现高精度采集；设计操作系统应用程序，实现快速存储数据及存储扩展。

作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。

请提供技术性分析说明和参考文献资料）

数据采集仪在工业现场中也叫做无纸记录仪，在记录仪的发展过程中，经历了三个阶段：

传统的机械模拟仪表、第一代无纸记录仪和基于虚拟技术的多功能无纸记录仪。

现在实际使用中的记录仪基本都属于第三个阶段的记录仪，本作品与其相比，科学性与先进性表现在：

1、采用了24位高精度AD，提高了作品的采集精度

2、采用了嵌入式操作系统技术，提高了作品的稳定性、可靠性以及可扩展性

3、采用了开源的LINUX操作系统，极大的降低了成本及开发难度。

参考文献：

[1]魏中天.无纸记录仪[P].中国：

2010101566371，2011-11-09.

[2]王勇，张浩，彭道刚.ARM平台在多功能数据采集系统中的设计与实现[J].自动化仪表，2010，31

（1）：

13-16.

作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果

无

作品所处

阶段

（B）A实验室阶段B中试阶段C生产阶段

D（自填）

技术转让方式

无

作品可展示的

形式

实物、产品□模型□图纸□磁盘□现场演示

□图片□录像□样品

使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测

使用说明：

见附表E的F项使用说明书

技术特点和优势：

采用了24位高精度AD，提高了作品的采集精度；采用了嵌入式操作系统技术，提高了作品的稳定性、可靠性以及可扩展性；采用了开源的LINUX操作系统，极大的降低了成本及开发难度；硬件设计采用塔式结构，大大缩减了作品的体积，方便携带使用。

市场分析和经济效益预测：

我国正在加快全国的工业化水平，但从技术层面来说，我国对国外的工业化技术依赖程度较大，其根本原因在于研发工业控制装置及系统的技术不够强。

而本成品从数据源的角度，为研发高水准的工业控制装置及系统提供可靠的技术支持。

产品在研发的使用范围内，有良好的应用市场前景。

专利申报情况

提出专利申报

申报号201410686308.6

申报日期2014年11月26日

□已获专利权批准

批准号

批准日期年月日

□未提出专利申请

C.当前国内外同类课题研究水平概述

说明：

1.申报者可根据作品类别和情况填写；

2.填写此栏有助于评审。

数据采集仪起始于20世纪50年代，大约在60年代后期，国外就有成套的设备才产品进入市场。

此阶段的数据采集仪多属于专用的系统。

从70年代起，数据采集仪发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集，一类是工业数据采集，实验室数据采集系统多采用并行总线，工业现场数据采集系统多采用串行数据总线。

从90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集及存储系统技术已经在军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域被广泛应用[11]。

随着国外微电子技术、计算机技术、测控技术和数字通信技术的发展，目前国外数据采集技术已经较初期有了很大的发展。

通道数从初期的单通道到双通道，以及后来的多通道，分辨率从最初的8位到10位、12位，采样率从几kSa/S到几个GSa/S。

国外的先进的数据采集与存储产品有SpectrumSignalProcessing公司推出的采样率200MSa/S，8bitA/D，VME板卡，该板卡是基于VME总线和高速DSP的高速数据采集和处理系统；Signatec公司的基于PCI总线8位AD板卡PDA500，采样率高达500MSa/S，带宽为DC～500MHz，能通过PCI总线DMA模式以100MB/S速率传输数据，存储容量1MB或4MB两种可选，用主从配置模式最多4块PDA500可互联用于多通道高速同步采集。

Aquisitionlogic公司推出基于PCI总线的采样率分别为500MSa/S，lGSa/S，8b数据采集板卡AL500和AL51G，其存储深度为64MB、256MB和1000MB三种可选。

从从近年来国外公司展示的新产品可以看出，主要的发展方向可以概括为功能多样、体积减小、功能完善和使用方便等四个方面，但是其采集精度不高，存储容量小，价格过高等缺点限制了其发展。

国内的数据采集仪起步较晚，80年代末90年代初，国内已经研制出多种数据采集仪，基本以达到国外的初期水平。

目前很多高校、研究所甚至公司已经开始研制具有自主知识产权的数据采集系统等测量仪器。

国内示波器厂商，北京普源精电公司研制的示波器DSl000混合信号数字示波器，高达1M的存储深度；DS5000系列拥有1GSa／s的实时采样和50GSa／s的等效采样、4K的存储深度。

南京航空航天大学和中国电子科技集团第十研究所在2005年合作开发的基于VXI总线的500MSPS数据采集模块，带宽到达100MHz，单通道存储深度2M。

我国在高速数据采集系统的研制上有了很大的进步，但是与国外的产品相比，在技术指标和产品质量上还有一定的差距，表现在采样率不高、分辨率低、存储容量小，成本高，通用性差，信号处理能力不强，设备软件水平不高，人机界面有待改进。

综上所述，现阶段国内外数据采集仪具有较好的发展现状及发展前景，但普遍存在存储容量小，成本高通用性差等问题，还具有较大的改进空间。

参考文献：

[1]MahboobImranShaik，Design&implementationofARMbaseddataacquisitionsystem[C]，1stInternationalConferenceonElectronicsCommunicationandComputingTechnologies2011,ICECCT'11，2011：

38-42

[2]FangAnan、Zhangyu，Designofhigh-speedelectricpowernetworkdataacquisitionsystembasedonARMandembeddedethernet[C]，2011InternationalConferenceonElectricalEngineeringandAutomation,EEA2011，2012：

455-459

[3]马宗骥、李佩玥、章明朝、隋永新、杨怀江，基于FPGA+ARM的数据采集系统设计[J]，化工自动化及仪表，2012，39（9）：

1187-1189

[4]Hsin-TiChueh，JohnV.Hatfield，Areal-timedataacquisitionsystemforahand-heldelectronicnose[J]，SensorsandActuators2002，B（83）：

262~269

[5]叶俊华、许雪梅、黄帅、郭远威、徐蔚钦、周文，基于ARM和WinCE的数据采集系统设计[J]，计算机工程与科学，2009，31（6）：

136-141

[6]QingguoZhou、LiWang、YanlongWang、HongZhao、RongjieZhou，AremotedataacquisitionandcontrolsystemforMossbauerspectroscopy[J]，NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearch，2004，215（B）：

577~580

[7]王勇、张浩、彭道刚、李辉，ARM平台在多功能数据采集系统中的设计与实现[J]，自动化仪表，2010，31

（1）：

13-16

[8]张波、朱新华，基于ARM的数据采集系统设计[J]，火力与指挥控制，2009，34

（2）：

127-129

[9]F.Thomas、M.M.Nayak、S.Udupa、J.K.Kishore、V.K.Agrawal，Ahardware/softwarecodesignforimproveddataacquisitioninaprocessorbasedembeddedsystem[J]，MicroprocessorsandMicrosystems，2000，24：

129~134

[10]杨德斌、吴海涛、李慧斌，基于ARM-uClinux的在线数据采集前端机[J]，仪表技术与传感器，2007（3）：

16-17

[11]安晋，基于ARM的数据采集及显示系统的设计[J]，苏州科技学院学报（工程技术版），2010（23）：

76-80

D.指导教师情况及对作品的说明

说明：

1.请指导教师本人填写。

2.请指导教师把关学生作品申报材料。

指导教师1

姓名

工作单位

研究方向

联系电话

指导教师2

姓名

性别

年龄

职称

工作单位

研究方向

联系电话

请对申报者申报情况真实性做出阐述

该作品是由该团队独立完成，所申报内容属实，本人对该作品的真实性给予保证。

请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景做出您的评价

嵌入式技术作为现今流行的电子应用技术，及本身具有传统PC技术无法企及的优势。

而本作品将嵌入式技术应用在高速数据采集仪中，提高了数据采集仪的稳定性、可靠性及可扩展性。

通过实验验证了本作品的精度及使用舒适性。

其他说明

无

E．参赛作品支撑材料

说明：

1.申报者可根据作品类别和情况填写；

2.填写此栏有助于评审；

3.可附作品的研究报告，图表、曲线、试验数据、原理结构图、外观图或照片，鉴定证书和应用证书等材料。

A、专利受理通知书

B、研究报告

研究报告

1、研究意义

数据采集仪是获取信息的重要手段和方式，是嵌入式技术和通信技术发展的产物，在各个领域都有着广泛的应用：

科学研究中，用以获得大量的动态信息，作为研究物理过程的有力工具；生产过程中，用于对生产现场的工艺数据、特性参数进行采集及记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段等等。

传统数据采集仪主要采用的是基于X86和MCU架构的硬件方案。

X86是复杂指令集结构（ComplexInstructionSetComputing）的CPU，基于X86通用处理器的工业控制计算机系统在功耗和成本上都较难控制，特别是在高端的数据采集领域受到了很大的限制。

而基于单片机的数据采集仪的主要缺点是处理速度慢、系统资源有限、实时性能较差。

另外，一般数据采集仪采用A／D芯片与主控芯片搭配的方法，处理速度慢、功能单一，当被测对象复杂且数据量较大时，很难满足对数据高精度的采样，而通过Rs232串口与上位机的通信则更无法保证数据处理的实时性[3]。

总之，数据采集仪已经广泛应用与工农生产、交通管理、航空航天等国民经济和国防建设的各个领域，有着广阔的应用前景。

但同时数据采集仪具有成本高、实时性差、采集精度不高、不稳定、功能单一等缺点，限制了数据采集仪的发展。

针对以上问题，本项目提出一种基于linux操作系统的数据采集仪，以期降低系统成本，丰富系统功能，提高实时性及精度，增强系统稳定性，推动数据采集仪的发展。

2、国内外研究现状

数据采集仪起始于20世纪50年代，大约在60年代后期，国外就有成套的设备才产品进入市场。

此阶段的数据采集仪多属于专用的系统。

从70年代起，数据采集仪发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集，一类是工业数据采集，实验室数据采集系统多采用并行总线，工业现场数据采集系统多采用串行数据总线。

从90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集及存储系统技术已经在军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域被广泛应用[11]。

随着国外微电子技术、计算机技术、测控技术和数字通信技术的发展，目前国外数据采集技术已经较初期有了很大的发展。

通道数从初期的单通道到双通道，以及后来的多通道，分辨率从最初的8位到10位、12位，采样率从几kSa/S到几个GSa/S。

国外的先进的数据采集与存储产品有SpectrumSignalProcessing公司推出的采样率200MSa/S，8bitA/D，VME板卡，该板卡是基于VME总线和高速DSP的高速数据采集和处理系统；Signatec公司的基于PCI总线8位AD板卡PDA500，采样率高达500MSa/S，带宽为DC～500MHz，能通过PCI总线DMA模式以100MB/S速率传输数据，存储容量1MB或4MB两种可选，用主从配置模式最多4块PDA500可互联用于多通道高速同步采集。

Aquisitionlogic公司推出基于PCI总线的采样率分别为500MSa/S，lGSa/S，8b数据采集板卡AL500和AL51G，其存储深度为64MB、256MB和1000MB三种可选。

从从近年来国外公司展示的新产品可以看出，主要的发展方向可以概括为功能多样、体积减小、功能完善和使用方便等四个方面，但是其采集精度不高，存储容量小，价格过高等缺点限制了其发展。

国内的数据采集仪起步较晚，80年代末90年代初，国内已经研制出多种数据采集仪，基本以达到国外的初期水平。

目前很多高校、研究所甚至公司已经开始研制具有自主知识产权的数据采集系统等测量仪器。

国内示波器厂商，北京普源精电公司研制的示波器DSl000混合信号数字示波器，高达1M的存储深度；DS5000系列拥有1GSa／s的实时采样和50GSa／s的等效采样、4K的存储深度。

南京航空航天大学和中国电子科技集团第十研究所在2005年合作开发的基于VXI总线的500MSPS数据采集模块，带宽到达100MHz，单通道存储深度2M。

我国在高速数据采集系统的研制上有了很大的进步，但是与国外的产品相比，在技术指标和产品质量上还有一定的差距，表现在采样率不高、分辨率低、存储容量小，成本高，通用性差，信号处理能力不强，设备软件水平不高，人机界面有待改进。

综上所述，现阶段国内外数据采集仪具有较好的发展现状及发展前景，但普遍存在存储容量小，成本高通用性差等问题，还具有较大的改进空间。

3、研究目标

本项目的研究目标是研制一种依托于linux操作系统的高速数据采集仪。

系统采集精度达到24位，可实现多通道同时高速采集及存储数据，处理后的数据以嵌入式数据库SQLite形式存储在SD卡中，并且能被Excel、Origin等数据处理软件处理。

4、研究内容

该系统包括软件与硬件两个部分。

硬件部分包括操作系统和数据采集。

数据采集部分主要完成万能输入电路、A/D转换电路、采集通信电路的设计。

万能输入电路用于实现对毫伏信号、毫安信号、热电阻信号、热电偶信号等常用电信号输入量的采集；A/D转换电路采用24位的AD转换芯片，以提高数据采集精度；采集通信电路主要用于实现操作系统部分与数据采集部分的相互通信。

操作系统部分主要是嵌入式linux系统的硬件平台，主要用于运行linux系统以及用户主程序，是整个系统的基础硬件。

软件部分包括采集及预处理程序、系统级应用程序以及数据采集驱动程序。

其中采集及预处理程序主要用于控制数据采集部分电路，实现数据采集与数据的预处理；系统级应用程序运行于linux系统，主要实现对微控制器传来的数据进行再处理，包括物理量回归、显示、存储、转存等。

5、拟解决的关键问题：

1、万能电路的设计与实现：

在保证各个通道万能输入的前提下，提高信号的采集准确度；

2、PCB布线干扰：

硬件系统同时包含数字电路和模拟电路，高频信号以及大电流信号，要保证系统的稳定性与准确性，需要解决PCB布线问题；

3、采集驱动程序设计：

采集驱动程序是系统双核之前的通讯桥梁，其好坏影响整个系统的功能实现，要保证系统高速性及稳定性需要设计稳定的采集驱动程序。

C、实物图

D、程序界面

图1数字显示界面

图2曲线显示界面

图3设置界面

E、参数表

✧输入信号的类型、规格及测量范围表

输入信号类型

规格

测量范围

Ⅱ型

0~5v

自定义

0~10ma

Ⅲ型

1~5v

4~20ma

微电压

0~60mv

0~60mv

电阻

0~400Ω

0~400Ω

热电阻

Pt10

0-200℃

Pt100

0-200℃

Cu50

0-150℃

热电偶

S

0~799℃

K

J

E

B

50~799℃

T

0-499℃

✧工程量与工程单位对应表

工程量

工程单位

电压

“v”、“mv”、“kv”

电流

“mA”、“A”、“kA”

电阻

“Ω”

温度

“℃”

压强

“Pa”、“kPa”、“MPa”、“kgf/cm2”、“Bar”、“mmHg”

含量/浓度

“%”、“ug/L”、“ppm”

位移/物位

“mm”

转速

“r/min”

能量

“J”、“kJ”

电导率

“us/m”、“us/cm”

质量

“kg”

比热容

“J/kg℃”

酸碱度

“pH”

功率

“w”、“kw”、“Mw”、“VA”、“kVA”、“Var”、“kVar”、“MVar”

流量

“m3/h”、“m3/min”、“m3/s”、“L/h”、“L/min”、“L/s”、“t/h”、“t/min”、“t/s”、“kg/h”、“kg/min”、“kg/s”

F、使用说明书、

使用说明书

一、概述

无纸记录仪与各类传感器、变送器配合，可实现对温度、压力、液位、成分等过程量的测量、变换、显示、记录、转储、通讯和控制。

主要特点是：

✧采用ARM架构芯片，嵌入式linux系统；

✧7寸触摸液晶显示，更便于人机交互，可实现曲线显示和数字显示；

✧采用双核设计，控制与采集功能独立设计，可实现高速采集；

✧4通道万能输入，无需更换模块，通过软件设置即可，适用于电压、电流、热电阻、热电偶、mV等类型的信号；

✧输出PWM式驱动信号，可调节PWM的周期；

✧采用大容量的FLASH闪存芯片存储历史数据，可长时间连续存储，掉电不丢失数据

✧配备标准USB接口，支持USB1.1、2.0U盘及硬盘，支持FAT16/FAT32文件系统，历史数据转存快捷方便；

✧支持流量积算和PID调节功能。

二、技术指标

2.1、通道数

4通道输入和4路输出。

2.2、输入信号

模拟量输入（AI）：

Ⅱ型标准信号：

0～5V、0～10mA

Ⅲ型标准信号：

1～5V、4～20mA

电压小信号：

0～60mV

热电阻：

Pt10、Pt100、Cu50

热电偶：

B、E、J、K、S、T

电阻：

0-400Ω

2.3、输出

4通道独立输出PWM信号。

同时配有SD卡槽和USB输出接口，用于存储输出和数据转存。

2.4、精度

电压精度：

0.02%

电流精度：

0.1%

热电偶精度：

0.2%

电阻精度：

0.5%

热电阻精度：

1.5%

2.5、记录间隔

4通道同时记录，平均记录间隔0.07s。

2.6、记录容量及记录时间

记录频率：

34hz

平均每条记录存储容量：

0.075KB

记录容量：

60G（USB硬盘存储）

记录时间：

285.54天

1GB的容量可供4通道同时存储4.759天。

2.7、屏幕显示

采用7寸触摸显示屏作为显示，所有程序的人机交互均采用触摸方式。

2.8、电源

配备24v/3A电源适配器，给整个无纸记录仪提供供电。

2.9、工作条件

温度：

0-50℃

湿度：

10%~85%RH（无凝结）

避免强腐蚀气体

三、接线

3.1、电源接线

提供单独的电源接口，直接将适配器的接头接入电源接口即可。

3.2、输入接线

图1输入端子排列图

如1图所示，共有4个通道，每个通道都有4个端子，其中：

A端子是通道的供电端子，可输出24V电压；

B、C是信号输入端子；

D端子是公共地端子。

对于不同的输入信号，端子的接线方式如下：

Ø电压/电流/热电偶信号：

图2电压/电流/热电偶输入接线方式图

Ø电阻/热电阻信号：

图3电阻/热电阻输入接线方式图

3.3、输出接线

图4输出端子排列图

4个输出通道分别为1O、2O、3O、4O，O端子可直接作为驱动信号连接在设备上。

G端子是公共地端。

四、仪表界面与功能设置

4.1、运行界面

4.1.1、初始化界面

图5初始化界面

程序运行时，首先打开初始化界面，如图5所示，主要设置程序运行时数据的存储位置。

初始化的可选存储介质有“内存”、“SD卡”、“USB存储设备”。

4.1.2、运行主界面

程序打开后的主要运行界面。

如图6所示：

图6运行主界面

图