模/數(shù)轉換器件系統(tǒng)的整體硬件結構

?DIS采集系統(tǒng)方案?主要包括傳感器端、采集器端和計算機端三個部分，每個部分都有其特定的功能和設計要求。

傳感器端

傳感器端包括傳感器和實驗裝置，其主要功能是將物理量轉換成電學量。不同類型的實驗需要不同類型的傳感器，因此設計時需要考慮如何將傳感器與實驗裝置結合，以便容易、真實、準確地完成實驗?12。

采集器端

采集器端通過模/數(shù)轉換器件將傳感器端提供的電學模擬量數(shù)字化，以便進行后續(xù)處理。采集器端是一個復雜的系統(tǒng)，需要保證數(shù)據采集的實時性和準確性，同時處理與傳感器端和計算機端的交互。為了提升易用性，采集器端通常還會對數(shù)據進行初步的顯示和分析?12。

計算機端

計算機端基于通用計算機平臺，包含DIS相關的應用軟件。這部分軟件提供了強大的數(shù)據分析和可視化功能，能夠將數(shù)據采集器輸入的信號進行深入分析，并以多種形式實時顯示在計算機屏幕上?12。

硬件設計

在硬件設計方面，可以選擇如Atmel公司的[AT91SAM7SE512微控制器作為控制核心，該微控制器內嵌ARM7TDMI處理器核心，主頻48 MHz，提供豐富的外設及接口?1。

數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室(Digital Information System，DIS)是新一代的中小學實驗教學系統(tǒng)，是先進的數(shù)字技術應用到實驗教學的產物，也是探究、創(chuàng)新的實驗教學新理念注入傳統(tǒng)實驗教學后的必然結果。2006年，教育部將DIS納入了中小學實驗儀器裝備標準，建議有條件的學校配備。目前，國內已有多家企業(yè)有相應的產品，但大多不夠成熟。而國外的類似產品雖然較為成熟，但價格偏高，難以普及。更重要的是，國外的產品不能夠很好地與我國的實驗教材配合，難以開展教學。在此提出一種廉價、功能強大、基于ARM技術的DIS采集系統(tǒng)設計。它是DIS的一個重要組成部分，并已與江蘇教育家教學裝備有限公司合作形成了產品。

1 DIS的組成

從物理結構上看DIS，可以分成三個部分：傳感器端、采集器端和計算機端。三個部分既緊密聯(lián)系，又相對獨立。三部分之間定義標準的接口，為不同的傳感器裝置、采集器的使用方式和計算機處理分析軟件的組合提供極大的靈活性;而三者結合可以提供強大的實驗功能，供師生創(chuàng)新和探究。事實上，用于傳感器物理量轉換、采集器數(shù)字化、計算機數(shù)據分析的實驗分析模型，也都是當今實驗科學研究的通用模型。

1.1 傳感器端

傳感器，又叫換能器，是將物理量轉換成電學量的器件。測量不同的物理量，需要不同的傳感器。對于DIS來說，傳感器端并非單指傳感器，而是傳感器和實驗裝置的總稱。針對不同的實驗，如何將傳感器與實驗裝置很好的結合，以便容易、真實、準確地完成實驗，是DIS傳感器端設計的一個難點。

1.2 采集器端

采集器的功能主要是通過模/數(shù)轉換器件，將傳感器端提供的電學模擬量數(shù)字化，以便作后續(xù)處理。對于DIS來說，采集器端是其主體，是一個復雜的系統(tǒng)，它需要保證數(shù)據采集的實時性、準確性;它需要處理與傳感器端和計算機端的交互;考慮到易用性，它往往還要對采集的數(shù)據作一些初步的顯示和分析。

1.3 計算機端

計算機端就是指基于通用計算機平臺的DIS相關軟件集合，其開發(fā)主要體現(xiàn)在軟件。這部分也非常重要，它提供了強大的數(shù)據分析和可視化功能。

2 DIS采集系統(tǒng)硬件設計

2.1 總體設計

該設計選用Atmel公司的AT91SAM7SE512微控制器為控制核心。AT91SAM7SE512微控制器內嵌ARM7TDMI處理器核心，主頻48 MHz，提供豐富的外設及接口，而且系統(tǒng)并行總線全數(shù)引出，擴展性強。AT91SAM7SE512性能優(yōu)越，配以320×240的TFT真彩屏和觸摸屏，可以對采集的數(shù)據作采集器端的簡單處理和顯示，以豐富DIS系統(tǒng)的使用方式，提高便攜性和易用性。

模/數(shù)轉換器件(ADC)選用Analog Devices公司的AD7323。AD7323為4通道，雙極輸入，12位ADC，最高采樣率達500 KSPS。其精度高，性能強，對于音頻采樣亦是綽綽有余，完全滿足DIS數(shù)據采集系統(tǒng)的要求，并有潛力完成將來可能出現(xiàn)的高采樣率需求的新實驗。系統(tǒng)的整體硬件結構如圖1所示。

系統(tǒng)擴展了大容量的SDRAM和DataFLASH，以滿足運行較大規(guī)模程序和大容量數(shù)據存儲的需求。E2PROMI通過TWI(基本與I2C兼容)總線連接，以存儲系統(tǒng)重要的非易失性信息。

2.2 傳感器端的設計

如圖2所示，傳感器主要由傳感器前端、信號放大電路、A/D轉換電路和單片機組成。對于模擬傳感器，信號放大電路的輸出直接接至采集器，由采集器的高精度A/D做模/數(shù)轉換，串口只負責提供傳感器ID號等信息。對于數(shù)字傳感器，單片機負責控制本地A/D轉換，并將數(shù)據通過串口傳輸?shù)讲杉鳌?shù)字傳感器留有通用無線模塊的接口，可以加裝通用無線模塊，將數(shù)據通過無線方式傳輸。

2.3 與傳感器端的連接

傳感器分為模擬傳感器和數(shù)字傳感器。采集系統(tǒng)與傳感器端的連接分為有線和無線方式。在有線方式下，傳感器通過串口與采集器通信。數(shù)字傳感器的控制信號和數(shù)據都通過串口傳輸。為了獲得較高的數(shù)據精度，模擬傳感器的串口只傳輸控制信號，而將信號放大電路的輸出直接接至采集器端的高精度ADC，由采集器采樣處理。數(shù)字傳感器可以通過加裝通用無線模塊而變?yōu)闊o線數(shù)字傳感器(即無線方式)。通用無線模塊基于ZigBee將串口數(shù)據透傳。

有線連接的接口加入了保護電路，支持熱插拔，以滿足實用需求。無線方式解除了某些實驗中由于連接電纜帶來的制約，并使得遠距離運動學實驗成為可能。目前，國內外同類產品中均沒有類似的功能。

2.4 與計算機端的連接

采集系統(tǒng)通過SD卡和USB電纜的方式與計算機端進行數(shù)據交換。SD卡體積小，容量大，價格便宜，既可以作為采集系統(tǒng)的擴展存儲，又可以作為采集系統(tǒng)與計算機端之間或者采集系統(tǒng)彼此之間交換數(shù)據的媒介。USB接口通用性強，數(shù)據傳輸率高，即插即用，是外設與計算機間通信的理想接口。

3 DIS采集系統(tǒng)軟件設計

3.1 總體概述

DIS采集器端的軟件以固件的形式固化在芯片內部FLASH之中。主要功能包括：硬件外設的驅動、實驗數(shù)據的實時采集與處理、人機交互以及與傳感器端和計算機端之間的通信。系統(tǒng)總體的軟件架構如圖3所示。DIS采集系統(tǒng)作為一個數(shù)據采集的應用，首先要確保數(shù)據采樣的實時性和準確性;其次，系統(tǒng)還需要對數(shù)據做適當?shù)奶幚聿@示;另外，系統(tǒng)還必須適時地對用戶的觸摸操作和計算機端的指令做出響應。軟件既要保證實時性，又要完成多項復雜的功能。小型嵌入式系統(tǒng)中常用的簡單的前后臺程序開發(fā)模型已不能滿足需要，于是引入了實時操作系統(tǒng)(RTOS)。它以多任務的模型管理程序功能，降低了程序開發(fā)的復雜度;搶占式的任務調度，保證了系統(tǒng)的實時性。

軟件分為三個層次：設備驅動層、實時操作系統(tǒng)層和用戶應用層。

3.2 設備驅動層

設備驅動層在實現(xiàn)總線驅動的基礎上進而實現(xiàn)外設驅動。如圖2所示，總線驅動包括SPI驅動、USART驅動等。外設驅動包括zigBee無線模塊驅動、LCD驅動、觸摸屏(Touch Screen，TS)驅動等。

3.3 實時操作系統(tǒng)層

采用小型實時操作系統(tǒng)內核μC/OS-Ⅱ，負責任務調度、任務間通信、內存管理、互斥訪問等。又移植了FAT文件系統(tǒng)和GUI圖形庫，共同形成實時操作系統(tǒng)的概念。

3.4 用戶應用層

具體針對DIS采集系統(tǒng)的需要，劃分任務，完成各項功能。共劃分了五個任務，并根據緊迫性要求設置了不同的優(yōu)先級。

(1)采樣任務，負責與傳感器端的簡單通信及實時信號的采集。由于數(shù)據采樣的實時性和準確性是采集系統(tǒng)的第一重要任務，所以設置為最高優(yōu)先級。

采樣任務由點擊圖形用戶界面的響應功能發(fā)起，也可由計算機通過USB命令發(fā)起。采樣任務首先檢測在線的傳感器類型，獲取他們的ID號，然后設置采樣率，裝載采樣中斷，并打開傳感器，最后打開中斷進入等待狀態(tài)，響應指令。采樣中斷根據采樣率定時采樣，如果是模擬傳感器，則讀取本地A/D，進行模/數(shù)轉換;如果是數(shù)字傳感器，則讀取串口的數(shù)據緩沖區(qū)，獲得采樣數(shù)據。對于特殊的傳感器還要做濾波等特殊處理。當采樣到足夠多的數(shù)據，則將數(shù)據包發(fā)送給處理程序。若是本地發(fā)起的采樣任務，則發(fā)送給界面任務處理予以顯示;若是計算機通過USB發(fā)起的，則發(fā)送給USB任務將數(shù)據轉發(fā)給計算機處理。

在當今信息化時代，數(shù)據已經成為企業(yè)發(fā)展的重要資源之一。然而，很多企業(yè)在進行數(shù)據采集時面臨著諸多問題，比如數(shù)據來源分散、采集效率低下、數(shù)據安全等。而內網大數(shù)據采集系統(tǒng)正是為了解決這些問題而應運而生的。本文將從以下10個方面對內網大數(shù)據采集系統(tǒng)進行逐步分析討論。

1.什么是內網大數(shù)據采集系統(tǒng)?

內網大數(shù)據采集系統(tǒng)是指一種能夠在企業(yè)內部對各種數(shù)據源進行高效、安全、穩(wěn)定地采集的系統(tǒng)。它可以實現(xiàn)對企業(yè)內部各種數(shù)據源(如數(shù)據庫、文件、API接口等)的抓取和整合，并將數(shù)據以規(guī)范化的格式存儲到企業(yè)內部的數(shù)據倉庫中。

2.內網大數(shù)據采集系統(tǒng)有哪些優(yōu)勢?

相較于傳統(tǒng)的手動或半自動化的方式，內網大數(shù)據采集系統(tǒng)具有以下幾個優(yōu)勢：

-采集效率高：通過自動化流程、并發(fā)處理等技術手段，可以大幅提高采集效率。

-數(shù)據質量高：通過規(guī)范化、去重等技術手段，可以保證采集到的數(shù)據質量高。

-數(shù)據安全性高：通過權限控制、數(shù)據加密等技術手段，可以保證采集過程中數(shù)據的安全性。

-數(shù)據實時性高：通過定時任務、實時監(jiān)控等技術手段，可以保證采集到的數(shù)據實時性高。

3.內網大數(shù)據采集系統(tǒng)的應用場景有哪些?

內網大數(shù)據采集系統(tǒng)可以應用于各種企業(yè)內部數(shù)據采集場景，如：

-金融行業(yè)：股票、基金等投資數(shù)據采集;

-電商行業(yè)：商品信息、銷售數(shù)據采集;

-物流行業(yè)：物流軌跡、配送信息采集;

-政府機構：人口統(tǒng)計、社會保障等公共服務數(shù)據采集。

4.內網大數(shù)據采集系統(tǒng)的架構是怎樣的?

內網大數(shù)據采集系統(tǒng)一般由以下幾個組件構成：

-任務管理器：負責任務調度和監(jiān)控;

-數(shù)據源管理器：負責管理各種數(shù)據源和抓取規(guī)則;

-數(shù)據處理器：負責對抓取到的數(shù)據進行清洗、轉換、去重等處理;

-存儲管理器：負責將處理后的數(shù)據存儲到企業(yè)內部的數(shù)據庫或者文件系統(tǒng)中。

5.內網大數(shù)據采集系統(tǒng)如何保證數(shù)據安全?

內網大數(shù)據采集系統(tǒng)可以通過以下幾種方式保證數(shù)據安全：

-數(shù)據加密：對采集到的數(shù)據進行加密處理，確保數(shù)據在傳輸和存儲過程中的安全性。

-權限控制：根據用戶角色和權限設置相應的訪問控制，確保數(shù)據只能被授權人員訪問。

-日志審計：記錄所有操作日志，及時發(fā)現(xiàn)異常行為和安全事件。