基于物联网技术的多路模拟信号采集系统的设计文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

经过对相关文献的查阅和分析，作者对相关内容做了一些整理，总结如下：

1、相关系统结构

潘天红和盛占石设计的系统由多台短信电压监测仪、GSM网络、配置GSM终端的上位机以及电压监测统计管理软件4部分组成[1]。系统结构见图1。

图1：基于GSM短信技术的电网电压监测仪框图

代明清等设计的系统主要由信号调理、多路选择、电压跟随、AD转换、FPGA控制器、ARM处理器及电源、晶振、PROM等外围电路构成[2]。系统结构框图如图2所示。

图2：基于ARM和FPGA的多通道数据采集系统框图

余恒松等设计的系统主要由信号采集部分和TCP/IP传输部分组成, 其中信号采集部分由信号调理模块和模数转换器 (ADC) 组成。TCP/IP传输部分的主体为W5500, FPGA作为主控, 需对采集和传输部分进行控制[3]。见图3。

图3：基于WSN的噪声监测系统框图

比较分析之后，可以发现，所设计的系统应该包含：数据采集模块、数据分析模块、数据采集模块等，此外，为了消除噪声和减少干扰，还应该包含信号调理电路和隔离模块等。

2、数据采集模块

数据采集终端是整个硬件系统的基础，负责完成数据采集、处理和传输的功能[4]。现有技术都是通过仔细地论证，将数据采集通信终端的各个功能进行细化，采用模块化的设计思想进行硬件设计，使各硬件模块都能相对独立地运行。

无线传感器网（WSN）能及时感知、传递和分析环境变化信息，起到环境预警的作用，同时还能为决策和管理部门提供科学依据，做出正确的决策。无线传感器网络在环境监测中应用十分广泛，不但可以应用无线传感器网络技术监测大气和土壤温湿度以及水资源的水质并设计污染源无线监测系统，还能通过对环境中相关气象参数的采集、测量来实现测风的智能化和无线化。无线传感器网络的应用多集中在大气、土壤温湿度监测以及水质监测等方面，在噪声监测中的应用却相对较少。由于噪声污染在时间与空间的随机性、瞬时性等特点，噪声监测不仅需要监测点位的选取个数、布设点位需要具有一定数量和代表性，而且需多个监测点能够同步监测，无线传感器网络技术为实现这一要求提供了可能[3]。全元等人利用无线传感器网络技术中的Zig－Bee技术，结合GIS技术实现噪声信息自动采集、实时分析，提高噪声监测质量的水平。

图4：数据采集模块框图

1. 数据分析模块

单片机即单片微控制器单元（Micro-controller Unit），它由微处理器、存储器、I/O接口、定时器/计数器等电路集成在一块芯片上构成[6]。随着单片机的发展，单片机具有以下特点：

1. 体积小、重量轻、性价比高、功耗低；
2. 由于电路高度集成，带来了高可靠性和较高的抗干扰性；
3. 丰富的控制指令集和快速的运算速度，可供设计开发人员灵活运用各种逻辑操作，

实现实时控制和必要运算；

1. 具有异步通信串口通信接口适应网络环境工作[7]。

最初的数据处理系统以8位单片机为核心，随着微电子技术的不断发展，新型单片机的不断问世，16位、32位单片机也为数据分析系统研制厂家所采用的，近年来采用具有DSP功能的数据分析系统也投入市场。同时通用PC机的CPU用于数据处理也较为常见[10]。总之，伴随着高性能微处理器的采用和用户技术要求的不断提高，数据分析系统的功能也越来越完善。

图5：数据分析模块框图

4、数据传输模块

段荣霞、潘天红、陈凯等人一致采用了GSM模块，GSM是移动通讯体制中比较成熟、完善、应用最广泛的一种系统，在我国GSM(global system for mobile communications)蜂窝数字移动通信系统已经遍布全国各地，覆盖全国98%以上的城市和广大农村地区。随着GSM技术的快速发展，无线通信技术为数据采集与监视控制系统(SCADA)的数据传输提供了先进的通信手段，极大地扩大了SCADA系统的应用范围[1]，可以说，目前只要移动通信网络能覆盖到的地方，就有SCADA系统的用武之地，它可以应用于市政公用、电力系统、化工、石油、水利等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域，而且利用无线通信网络可以对运行设备进行实时监控，节约成本，解决了分散数据集中处理的问题，且具有覆盖范围广、功耗低等优点[3]。从而使得单片机微控制器通过互联网传送数据就变得非常有意义，GSM模块与单片机的通信就成为实现无线数据采集与传输的核心技术。

图6：数据传输模块框图

5、隔离模块

常见的性价比较高的光电隔离元件为光耦。其原理是通过发光二极管, 将数字量电信号, 转变为可见光的亮、暗信号, 然后使用光敏三极管, 再次将可见光信号, 转换为三极管ce两端的导通, 并且截止信号[11]。如图4所示。

图4：光耦内部电路结构示意图 图5：光继电器内部原理示意图

另外一种类型的光电隔离元件为光继电器。其原理是通过发光二极管, 将数字量电信号转变为可见光的亮、暗信号, 然后使用光敏场效应管, 再次将可见光信号, 转换为N沟道或者P沟道的导通、截止信号[11]。见图5。

1. 方案（设计方案、或研究方案、研制方案）论证：
2. 系统结构图：

通过对现有文献资料的分析、比较、整合，使用GSM网络来进行本课题的数据传输是比较合适的，作者设计了以下系统结构图。

1. 具体方案

整个系统大致分为三个部分：其一，数据采集模块，主要由传感器、多路模拟开关和A/D转换器组成，采集所需要的16路模拟信号，并且将采集到的信息进行消除噪声处理；其二，数据分析模块，主要由单片机和上位机组成，分析采集到的数据，相互传输并将分析结果显示出来；其三，数据传输模块，主要是利用GSM终端经过GSM网络来进行单片机和上位机之间的数据传输。

数据采集终端是整个硬件系统的基础，负责完成数据采集、处理和传输的功能。现有技术都是通过仔细地论证，将数据采集通信终端的各个功能进行细化，采用模块化的设计思想进行硬件设计，使各硬件模块都能相对独立地运行。

此外，考虑到A/D转换器和单片机之间存在相互干扰，采用光电耦合器对模拟和数字电路进行有效的隔离，增强控制部分的抗干扰能力，从而增强电路的稳定性；另外，两边供电级别也不尽相同，所以从电网接下经过AC/DC转换后的电源也要通过电源隔离。

由于对数据传输速率的要求不是很高，在A/D转换器和单片机以及单片机和GSM终端之间采用串口通信的方式。

3、器件选用

AD7705功能方框图

AD7705是应用于低频测量的2/3通道的模拟前端。该器件可以接受直接来自传感器的低电平输入信号，然后产生串行的数字输出。利用Sigma－Delta转换技术实现了16位无丢失代码性能。选定的输入信号被送到一个基于模拟调制器的增益可编程专用前端，片内数字滤波器的第一个陷波进行编程。

AD7705是用于智能系统、微控制器系统和基于DSP系统的理想产品。其串行接口可配置为三线接口。增益值、信号极性以及更新速率的选择可用串行输入口由软件来配置。该器件还包括自校准和系统校准选项，以消除器件本身或系统的增益和偏移误差。

运行原理：

Sigma－Delta ADC 结构如图四，它包括如下部分：

1．采样保持放大器(S/H AMP)

2．差分放大器或减法器

3．低通模拟滤波器(ANALOG LOW-PASS FILTER )

4．一位模数转换器(比较器)(COMPARATOR)

5．一位 DAC(数模转换器)(DAC)

6．低通数字滤波器(DEGITAL FILTER)

Sigma－Delta ADC

在运行过程中,模拟采样信号传送给减法器,同时一位 DAC 也将信号传给减法器。经过低通滤波器后的信号进入比较器，比较器的输出采样信号频率是模拟信号采样频率的许多倍（采样过密）[15]。

采样过密是运行 Sigma－Delta ADC 的基础。其噪声公式为：

SNR＝（6.01times;number of bits＋1.76）dB

一位 ADC 或比较器的 SNR 等于 7.78dB。

光耦合器（opTIcal coupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。

光耦内部有一个发光二极管，一个感光二极管或感光三极管，实现强电和弱电的隔离，（强电包括各种传感器的信号，如接近开关、光电开关等），以及对电路外部的各种电磁干扰的屏蔽等。

光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入和输出隔离的作用。

由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。 光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高[16]。

PC400光耦原理图

特征：

1. 迷你扁平封装
2. 发光时“低”输出
3. 输入和输出之间的电压隔离
4. TTL和LSTTL兼容输出

MSP430原理图

器件优点：

1. 处理能力强
2. 运算速度快
3. 超低功耗
4. 片内资源丰富
5. 方便高效的开发环境

ADG506功能框图

ADG506A是一款单芯片CMOS模拟多路复用器，内置16个通道。它根据4个二进制地址和一个使能输入的状态，将16路输入之一切换至公共输出。此外，还提供TTL和5 V CMOS逻辑兼容型数字输入。

ADG506A采用增强型LC2MOS 工艺设计，信号处理能力提高到VSS至VDD，并且可以在较宽的电源电压范围内工作。该器件可以采用10.8 V至16.5 V范围内的任意单电源或双电源轻松工作。同时还具有高开关速度和低导通电阻特性。

经过上述论证，现有技术大都比较成熟，所选芯片和各种模块都比较合适，所以从理论上讲，所选课题设计方案可以实施，整个系统方案能够实现，但具体问题还是应该在实践中分析解决。

1. 进度安排：

参考文献

[1]潘天红,盛占石.基于GSM短信技术的电网电压监测仪研制[J].电力自动化设备,2005(07):48-52.

[2]代明清等.一种多通道数据采集系统的设计与实现[J].航空计算技术，2018,48(02)：109-112.

[3]余恒松,邓皓文,伍春.基于FPGA的多路采集与TCP/IP传输系统设计[J].通信电源技术，2019,36(01)：25-27.

[4]Mario Frustaci, Pasquale Pace , Gianluca Aloi, and Giancarlo Fortino, Senior. Evaluating Critical Security Issues of the IoT World: Present and Future Challenges. IEEE INTERNET OF THINGS JOURNAL, VOL.5,NO.4, AUGUST 2018:2483-2495.

[5]徐航，罗巍．基于嵌入式的多通道高速数据采集系统[J].自动化与仪器仪表，2013(01)：148-150.

[6]谢楷，赵建, MSP430系列单片机系统工程设计与实践[M]北京:机械工业出版社,2009.

[7]沈建华,杨艳琴. MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践[M]北京:北京航空航天大学出版社,2008.

[8]卓朝松,陈乐珠.基于VC 的数据采集系统的设计[J].中国自动识别技术，2017(03):73-75.

[9]赵春红,宗接华.基于FPGA实现多路模拟信号自适应采集系统[J].机械与电子,2011(5):531-532.

[10]陈志勇,钱卫飞.基于MATLAB数据采集系统的设计与实现[J].计景技术，2010（1）：12-15.

[11]刘建平，薛晓，刘晓亮.光电隔离元件应用于安全仪表系统数字量输出的方法和分析[J].仪器仪表用户，2017,24(01):45-46.

[12]全元,王翠平等.基于无线传感器网的噪声监测系统设计及应用[J].环境科学与技术，2012（12）:255-258.

[13] Madhu Sharma,Kamal Bansal,Dharam Buddhi. Real Time Data Acquisition System for Performance Analysis of Modified PV Module and Derivation of Cooling Coefficients of Electrical Parameters. Procedia Computer Science,2015：48.582-588

[14]Przemysław Włodarczyk,Szymon Pustelny,Dmitry Budker,Marcin Lipiski.Multi-channel data acquisition system with absolute time synchronization.Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A,2014：763.150-154

[15]王晨辉，吴悦，杨凯.基于 STM32的多通道数据采集系统设计[J].电子技术应用，2016,42(1)：51-53.

[16]吴秋明．基于RS485总线的PC与多单片机间的串行通信[J]．微计算机信息，2006，8(2)：143－145．