引言
數據采集是指將溫度、壓力、電壓、電流、位移、流量等模擬量采集轉換成數字量后，再由計算機進行存儲、處理、顯示或打印的過程，相應的系統稱為數據采集系統。隨著計算機技術的迅猛發展，人們對工業安全生產和現代化管理要求越來越高，數據采集儀不但需要采集現場各種傳感器信號，有時還需要進行音頻和視頻的采集和傳輸，以便監控人員可以更好的掌握現場信息。當今，雖然許多高速度、高分辨率、大存儲量的高性能數據采集儀不斷涌現，現有的數據采集儀仍存在CPU頻率低、處理能力有限的問題。由于音頻和視頻信號的數據量巨大，單臺便攜式數據采集儀很難完成各種傳感器信號與音視頻信號實時的采集及傳輸，許多數據采集中都會采用多臺設備把音頻、視頻和其它工業現場傳感器信號分開采集傳輸的方式，這種數據采集方法具有安裝維護成本高、占用空間大等缺點。
本文針對目前采集儀CPU頻率低、數據處理能力有限而造成的單臺采集儀難以對工業現場各種信號進行實時采集及傳輸的問題進行研究，提出了對音視頻進行硬件壓縮編碼的方案。采集儀把采集到的音頻和視頻信號分別進行了MP3和H.264格式的硬件壓縮編碼，大大減少了數據處理過程中的CPU資源占用及數據傳輸過程中的帶寬占用，解決了便攜式數據采集儀難以實現對工業現場多種數據一體化采集傳輸的問題。本采集儀集工業現場多種信號采集、處理、傳輸為一體，具有集成度高、體積小、可擴展性強等優點。
圖1 數據采集儀結構圖
系統總體設計
根據一體化數據采集的要求，采集儀集多種數據的采集、處理、傳輸為一體，其組成如圖1所示：數據采集儀核心處理芯片采用Samsung公司推出的16位/32位RISC微處理器S3C6410，它具有64位/32位內部總線架構，包括多個硬件加速器，其內部集成的一個多格式編解碼器（MFC）支持多種格式的硬件編解碼。另外，S3C6410包括許多硬件外設（如一個相機接口，TFT24位真彩色液晶顯示控制器，系統管理器，4通道UART，32通道DMA，通用的I/O端口，IIS總線接口，IIC總線接口，USB主設備等），大大減少了系統設計總成本，提高了系統性能。數據采集部分包括傳感器輸出信號、音頻及視頻信號采集。CPU把采集到的傳感器信號進行處理和判斷，若信號超出正常值范圍則采集儀發出警報，并且通過S3C6410的GPIO引腳控制外部相關設備發生動作。采集儀內置大容量Nand Flash和SD卡，可將現場采集到的信號進行長時間保存。在通信方面，采集儀采用雷凌公司生產的RT3070無線通信模塊與遠程監控系統進行無線通信，RT3070模塊為在嵌入式下應用的支持802.11n協議的USB接口高速WIFI模塊，無線通信速率可高達150Mbps。因為在ARM應用中，數據顯示和存儲電路及串口和以太網通信電路的設計已經非常普及，本文將重點對數據采集部分的硬件設計進行論述。
傳感器信號采集
工業上常用模擬傳感器輸出信號為4mA-20mA電流和0-5V電壓。由于信號傳輸過程中經常受到外界環境中其它電磁波的干擾發生畸變，有時畸變還很嚴重，導致采集儀對現場情況判斷錯誤而指揮機器發生誤動作，影響了公司的生產效益，有時甚至造成人的生命及巨額的財產損失。所以，需要對采集到的信號首先進行濾波處理。本設計中將工業輸出的模擬信號首先經過濾波器濾去高頻后再送入A/D模塊進行模數轉換，轉換生成的數字信號通過SPI接口被S3C6410讀取。
濾波電路設計
濾波，本質上是從被噪聲畸變和污染了的信號中提取原始信號所攜帶的信息的過程。采集儀濾波電路如圖2所示，因為濾波及AD轉換信號為電壓信號，所以在電流輸入端加入了一個250Ω的精密電阻和一個電壓跟隨器，電流信號首先通過精密電阻轉換為1V-5V電壓信號，再經過電壓跟隨器進行阻抗匹配后進入濾波電路濾去高頻干擾。對于電壓輸入則直接進入濾波電路進行濾波。在濾波電路中，因為巴特沃斯響應能夠最大化濾波器的通帶平坦度，特別適用于低頻應用，其對于維護增益的平坦性來說非常重要，所以本設計采用巴特沃斯二階低通濾波器。電壓信號經過由運放LM324構成的二階巴特沃斯濾波器進行低通濾波，濾波完成后，信號進入A/D轉換模塊進行A/D轉換。根據巴特沃斯二階濾波器特性可知濾波器的截止頻率為：
圖2 低通濾波電路
A/D轉換設計
在數據采集中經常需要把模擬信號轉換成處理器可以識別的數字信號，以便采集儀可以對信號進行處理和傳輸，這就要用到A/D轉換電路。A/D轉換器從變換原理來看，主要有并行比較型、逐次逼近型和雙積分型等。并行比較型轉換速度快，可達數十納秒，但是價格昂貴，非必要時一般不會采用；雙積分型A/D轉換器的轉換時間較長一般要達到40ms~50ms；逐次逼近型具有較高轉換速度，可達幾微秒，價格適中。本設計采用ADI公司生產的AD7689芯片來對濾波后的電壓信號進行A/D轉換。AD7689是一款采用單電源供電的8通道、16位分辨率、無失碼、電荷再分配逐次逼近型模數轉換器（ADC）。AD7689使用簡單的SPI接口實現配置寄存器的寫入和轉換結果的輸出。
音頻采集設計
嵌入式產品一大特點是CPU資源有限，為了減輕CPU在數據處理中的負擔及減少數據傳輸所需的帶寬，本設計對采集到的音頻和視頻數據分別進行了硬件壓縮編碼。音頻采集處理中采用Micronas半導體設計及制造公司生產的MAS3587芯片。該芯片集成了前放以及A/D轉換模塊，支持模擬和數字串并行兩種方式輸入輸出，具有MPEG1/2 layer3格式編碼和MPEG1/2 layer2 and layer3格式解碼功能。芯片內部包含耳機驅動模塊，模擬輸出信號可以不經過放大直接驅動耳機。音頻采集電路如圖4所示，MAS3587接收到模擬信號輸入后，先通過芯片的A/D部分將模擬信號轉換為數字信號，然后將A/D轉換后輸出的數字信號送入芯片內置的MP3壓縮編碼模塊完成MP3格式的編碼。圖4中，S3C6410通過I2C總線對MAS3587芯片進行初始化，通過握手信號線與并行數據線讀出經過MP3格式編碼后的音頻數據，并把數據進行存儲及傳輸。
圖3 A/D轉換電路
圖4 音頻采集示意圖
其它模塊設計
視頻采集
在視頻采集上，因為S3C6410處理器內部集成了多媒體編解碼器(MFC)，支持MPEG4/H.263/H.264編解碼和VC1的解碼，能夠提供實時的視頻會議以及NTSC和PAL制式的TV輸出。另外，S3C6410集成了CameraIF接口，支持ITU RBT-601/656YCBCr 8位標準，最大輸入尺寸為4096×4096像素。本設計充分利用S3C6410的片上資源即可完成視頻的采集及硬件壓縮編碼。視頻采集直接通過S3C6410的CameraIF接口與OV9650攝像頭相連采集現場視頻數據，再通過芯片內置的MFC模塊對采集到的視頻信號進行H.264格式的硬件壓縮編碼。
WIFI通信
采用無線的方式與上位機進行通信，采集數據時大大減少了環境上的限制，無線數據采集具有安裝便捷、使用靈活、易于擴展等優點，可以隨時改變數據采集位置，上傳數據時也非常方便。為了滿足大量數據實時性傳輸的要求，采集儀采用了802.11n協議與上位機進行通信。802.11n協議是Wi-Fi聯盟在802.11a/b/g后面的一個無線傳輸標準協議，它比802.11a/b/g具有更快的數據傳輸速度和更強的信號穩定性。協議目的是為實現高帶寬、高質量的WLAN服務，使無線局域網達到以太網的性能水平。在此，我們采用雷凌RALINK RT3070高速無線網卡，此網卡驅動支持Windows CE、Linux等嵌入式操作系統，兼容IEEE802.11b/g/n標準，具有體積小、信號穩定、數據傳輸速度快（最高可達150Mbps）等優點。
結語
本文以工業現場傳感器及音視頻信號的一體化采集為研究內容，把數據量巨大的音頻及視頻信號分別進行了硬件壓縮編碼，節省了CPU數據處理過程中的資源占用及數據傳輸帶寬。利用S3C6410處理器集成度高、數據處理速度快的特點，設計了集多種物理量采集、處理、傳輸為一體的數據采集儀硬件平臺。該采集儀具有體積小、集成度高、信號穩定、使用靈活等優點，可用于井下、電站、工廠等場所的數據采集及監控，具有廣闊的應用前景。