DMA技术在煤矿高速数据采集系统中的应用.pdf

第 4 2卷 第 4期 2 0 1 6年 4月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i ne Au t oma t i on Vo 1 ． 4 2 No ． 4 Ap r ．2 01 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 o 4 0 0 7 4 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 4 ． 0 1 8 张辉． D MA技术在煤矿高速数据采集系统 中的应用[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 4 7 4 7 7 ． D MA技术在煤矿高速数据采集系统中的应用 张 辉 。 1 ． 煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院 ， 北京 1 0 0 0 1 3 ； 2 ． 煤炭资源高效开采与洁净利用 国家重点实验室 煤炭科学研究总院 ， 北京 1 0 0 0 1 3 摘要 提 出采 用 MC U 自带 的 DMA 功 能 来 实现 煤 矿 井下 高速 数 据 采 集 系统 的 缓存 与传 输 ， 数 据 通 过 DMA 快 速 地 移 动 ， 节 约 了 MC U 资 源 ， 使 得 MC U 能 够 进 行 其 他 操 作 ， 从 而 实现 了煤 矿 井 下 数 据 的 高 速 采集 。 关键 词 D MA 技 术 ；数据 采 集 ；高速 采样 中图分类号 TD 6 7 文献标志码 B 网络出版时间 2 0 1 6 0 4 0 5 1 l 3 5 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 4 0 5 ． 1 1 3 5 ． 0 1 8 ． h t ml Ap p l i c a t i o n o f DM A Te c hn o l o g y i n hi g h s p e e d d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m o f c o a l mi ne ZH ANG H u i ， 。 1 ． Mi n e S a f e t y Br a n c h，Ch i n a Co a l S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y I n s t i t u t e C o． ，L t d． ，B e i j i n g 1 0 0 0 1 3，Ch i n a ； 2 ． S t a t e Ke y La b o f Hi g h Ef f i c i e n t M i n i n g a n d Cl e a n Ut i l i z a t i o n o f Co a l Re s o u r c e s Ch i n a Co a l Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Be i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a Ab s t r a c t Th e p a p e r p r o p o s e d t o u s e DM A f u n c t i o n b u i l t i n M CU t o i mp l e me n t c a c h i n g a n d t r a n s mi s s i o n o f u n d e r g r o u n d h i g h s p e e d d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m o f c o a l mi n e ．Th e d a t a mo v e s t h r o u g h t h e DM A q ui c kl y， wh i c h s a v e s M CU r e s ou r c e s ， a nd m a k e s M CU c a n pe r f or m o t he r o pe r a t i o ns， S O a s t o a c h i e v e hi g h s pe e d d a t a a c qu i s i t i o n o f c oa l mi ne． Ke y wo r d s DMA t e c h n o l o g y；d a t a a c q u i s i t i o n；h i g h s p e e d s a mp l i n g 0 引 言 随着煤炭开采强度和深度 的加大， 煤矿安全生 产形势依然严 峻L 1 ] 。煤矿井下采掘空间的精细探测 成为必不可少的手段 。在探测 中使用的系统多为高 速数据采集系统 ， 如煤矿微震监测系统 采样速率小 于 3 5 k Hz 、 瞬 变 电 磁 探 测 仪 采 样 速 率 小 于 5 0 0 k Hz 等 ， 都需要高速采集传感器或设备接收到 的模拟信号 ， 然后缓存并进行数据处理 3 。 通常的数据采集系统通过传感器把待测的物理 量 温度 、 压力、 位移等 转换为模拟量电信号 电压、 电流、 频率等 ， 然后经过信号调理电路将信号放大 或衰减 、 滤波等 ， 输入至 A／ D模数转换器， 最后输 出 数字信号至控制器部分 ， 控制器负责数据缓存 与数 据传输 。数据采集系统 的采集速度除了与模数转换 器的转换时间、 多路开关的切换时间有关外 ， 还与控 制器缓存与传输 时间有关 。显然 ， 要达到煤矿精细 探测所需的数据采集速率 ， 除选用高速模数转换器 外 ， 更重要的是缩短数据缓存与传输时间。 参考文献E 3 - 8 ] 分别采用 F P GA、 双 口 R AM 及 P C I 总线方式， 通过增加外部控制元件或直接利用 外部总线接 口实 现高速采 样。参 考文献 [ 9 ] 采 用 L i n u x 操作系统设计 D MA 驱动 ， 参考 文献[ 1 O ] 采 用 S 0C技术设计 D MA单元 。本文提出采用 MC U 收稿 日期 2 0 1 5 1 2 - 0 2 ； 修 回日期 2 0 1 6 - 0 2 1 8 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 国家“ 十二五” 科技重大专项项 目 2 0 1 1 Z X0 5 0 4 0 0 0 2 0 0 4 。 作者简介 张辉 1 9 7 7 一 ， 男 ， 四川南川人 ， 工程师 ， 硕士 ， 主要从事煤矿矿用 仪器仪表开发工作 ， E - ma i l z z h a n g h u i 1 2 6 ． c o r n 。 2 0 1 6年第 4期 张辉等 DMA技术在煤矿高速数据采集系统中的应用 7 5 自带的 D MA功能来实现煤矿井下物探中高速数据 采集系统的缓存与传输。由于单片机内部已有实现 数据采集的 DMA功能， 所以减少了系统硬件数量 ， 降低 了硬 件成本 ， 加 快 了产 品开发 速度 ， 同时也 减小 了硬件体积， 便于井下使用。 1 D MA技 术原 理 DMA是一种外设和存储器之 间或者存储器 和 存储 器之 间的 高速 数 据 传输 处 理手 段 。它无 须 MC U 干 预 ， 数 据 通 过 D MA 快 速 移 动， 节 省 了 MC U资源， 此时 MC U可以进行其他操作 。 采用 D MA技术的数据采集工作逻辑如 图 1 所 示 。DMA控制器和 MC U核心共享系统数据总线 ， 执行直接存储器数据传输 。当 MC U 核心和 D MA 控 制器 同时访 问相 同 目标 S R AM 缓存 或 外 设 时 ， DMA请求会暂停 MC U访 问系统总线达若 干个周 期 ， 总线矩阵中的总线仲裁器执行循环调度， 以保证 MC U至少可以得到一半 的系统总线 S R AM 或外 设 带 宽 。 当发生一 个 事件 后 ， 外设 向 DMA 控制 器 发 出 一 个 D MA请求信号， DMA控制器接收到请求信号 总线矩阵 DM A] D M A 控制器l D MA 请求 f 图 1 采 用 DMA 技 术 的数 据 采 集 工 作 逻 辑 后发出总线请求信号 ， 通过总线仲裁后 ， DMA控制 器开始进行总线控制。此时 MC U 被挂起来 ， 所有 总线在 D MA管理下进 行数据传送。DMA控制器 自动完成外设到存储 器的数据传输 。这就实现 了 A／ D到存储器的高速数据缓存和传输。 2 D MA技术 实现 为实 现 高 速 数 据 采 集 ， 本 文 设 计 采 用 具 有 DMA功能 的单片机， 同时采用具有 S P I 接 口的高 速 AD转 换器 ， 通过 单 片 机 的 S P I接 口， 利 用 其 DMA功 能实 现数据 高速 采集 。 2 ． 1电路 设计 采集 电路 的 AD 转 换 电路 和井 下 分 站 内的 MC U 电路如 图 2 、 图 3所 示 。AD转 换 器 与 MC U 通过 MC U 的 S P I 1 总 线相 连 。 l V8 DVDD 图 2 AD转换 电路 7 6 工 矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 R3 7 2 k Q 图 3 MC U 电路 A／ D部 分 选用 8通 道、 2 4位 采样 一 △ 转 换 AD C， 最 高转换 速率 为 5 2 k b i t ／ s ， 满 足设计要 求。 其设计参数 转换延时为 2 ． 1 7 s ， 时钟 C L K信号频 率为 1 8 MHz 。DR D Y是数据转换完成信号 ， S C L K 是 S P I 接 口时钟信号 ， D1是 S P I 接 口数据信号 。 MC U部分选用 S TM3 2 F 4系列单片机 ， 实现与 A／ D 部 分 通 信 。 S T M3 2 F 4 系 列 单 片 机 为 基 于 ARM 内核 的 3 2位 单 片 机 ， 时 钟 频 率 为 1 6 8 MHz ， 内存为 1 9 2 k B； 内部具有 D MA控制器 ， 能够实现多 种外 设 的 D MA 控 制。A／ D部 分 的 DR DY 接人 MC U 的 中 断引 脚 ， A／ D部 分 的 S C L K、 D1接 人 MC U 的 S P I 1外设 接 口。 初 始 化 设 置 完 成 后 ， DR DY 中 断 信 号 触 发 DMA控制 ， DMA控制器通过总线访问 S P I 1接 口， 自动读取 AD转换后数据 ， 然后保存到 Mc U 内存 中 ， 实 现 A／ D高 速采集 。 2 ． 2 软件 设计 软 件 工作 流程 如 图 4所 示 。软件 工作 时首 先要 进 行初 始化 设置 ， 分别 是 S P I 接 口设 置 、 中断 设 置 、 DMA 设 置 。S P I 1接 口设 置 为 1 8 MHz时 钟 ， 8位 数据 主 模 式 。中 断 设 置 中， 使 能 DMA 中 断 和 DR D Y信号 中断。DMA设置中 ， 选择 S P I 1的数据 寄 存 器 作 为 D MA 的 数 据 源 ， 选 择 S RAM 中 1 4 4 0 b y t e 的一段内存 为避免网络链路层 自动分 片 ， 空 间 大小要 小 于 1 5 0 0 b y t e 作 为 DMA 目标数 据 区。当每次 AD转换完成后， 输入 D RD Y信号 。 MC U接收到 D RD Y信号后进入 D R DY 中断， 设置 D MA连续读取 2 4 b y t e数据 。当 DMA 在 内存 中 开辟的缓存区满 时触发 DMA 中断 ， DMA重新设定 指向的数据缓存区， 并通知主程序 已经采集完成一 段数据。 从 图4 可 以看 出 ， 如果DMA开 辟 的缓 存 区足 图 4软 件 工 作 流 程 够大 ， 使用 DMA技术 完成数 据采集 占用 的 MC U 资源仅为进入 D R DY 中断设置 D MA每 次读 取数 据长度的时间。这就可以将有限的 MC U资源用于 数据显示 、 传输 、 预处理及保存等功能， 保证 了整个 数据采集系统 的有效运行 。 3 实验 结 果 在实验室利用信号发生器输入正弦波 ， 以模拟 系统接收的信号。 为了测试高速数据采集系统是否有准确的采样 频率 ， 输入 不同频率信号 ， 并对结果进行对 比。在 2 S内采 样 点数 共计 7 0 3 2 0个 ， 实 际采 样频 率 为 3 5 1 6 0 Hz ， 与设定采样频率 3 5 1 5 6 Hz 的误 差为 0 ． 0 1 1 ， 分析认为 ， 可能是时钟 晶振导致 的采样频 率误 差 。 为了测试高速数据采集系统是否有准确的采样 值， 对 同一频率信号用不 同采样频率采样后进行 对 比。输入 1 5 0 Hz ， 1 V 的信号 ， 采样 结果 及误差见 表 1 。从表 1可 以看 出 ， 采 样 结 果 与 输 入 频 率 相 对 应 ， 说 明采样结果正确 。 4结语 运用 DMA技术实现高速数据采样 的缓存和传 输 ， 可 以节省 MC U资 源， 缩 短数据存储 和传输 时 间。本文采用具有 D MA功能的 MC U 设计煤矿高 速 数据采集系统 ， 该系统 已在某煤矿微震监 测系统 薰 第 4 2卷 第 4期 2 0 1 6年 4月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo 1 ． 4 2 NO ． 4 Apr ．2 0 1 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 4 0 0 7 7 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 ～ 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 4 ． 0 1 9 周立人， 公茂法 ， 公政 ， 等． 网络机柜微环境智能监控系统设计E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 4 7 7 ～ 8 0 ． 网络机柜微环境智能监控系统设计 周 立人 ， 公茂 法 ， 公 政 ， 姜 文。 ， 宋祥 民 1 ． 山东科技大学 电气与 自动化工程学院，山东 青岛 2 6 6 5 1 0 ； 2 ． 国网山东电力潍坊供 电公司 ，山东 潍坊2 6 1 0 0 0 摘要 为提高网络机柜的故障预警处置能力， 设计了网络机柜微环境智能监控 系统。该 系统通过安装在 机柜 上的嵌 入 式终 端采集 电 能和非 电能信 息并 通过 以太 网传 输 至 We b服 务 器 。采 集信 息异 常或 机 柜 故 障 时， 终端智能报警并发送短信提示异常情况。试验结果表 明， 该 系统对异常和故障定位迅速 准确 ， 远程控制 功能稳 定 可靠 。 关 键词 网络 机柜 ； 微 环境 ；智能监 控 中图分类号 T D6 1 1 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 0 4 0 5 1 1 3 5 网络 出版地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 4 0 5 ． 1 1 3 5 ． 0 1 9 ． h t ml De s i g n o f mi c r o e n v i r o n me nt i n t e l l i g e n t mo n i t o r i ng s y s t e m o f n e t wo r k c a bi n e t Z HOU L i r e n ， GONG Ma o f a ， GONG Zh e n g 。 ， J I ANG W e n ， S ONG Xi a n g mi n 1 ． C o l l e g e o f E l e c t r i c a l En g i n e e r i n g a n d Au t o ma t i o n，S h a n d o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ， Qi n g d a o 2 6 6 5 1 0 ，Ch i n a ； 2 ． S t a t e Gr i d S h a n d o n g W e i f a n g El e c t r i c P o we r Co mp a n y ，W e i f a n g 2 6 1 0 0 0，Ch i n a Abs t r a c t To i m p r o v e t he a b i l i t y o f ne t wo r k c a b i n e t t o d e a l wi t h e a r l y wa r ni n g a n d f a i l ur e ， a 收藕 日期 2 0 1 5 1 1 0 6 ； 修回 日期 2 0 1 6 0 2 1 5 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 山东省 自然科学基金项 目 Z R 2 0 1 2 E E MO 2 1 。 作者简介 周立人 1 9 9 z 一 ， 男 ， 山东邹城人 ， 硕士研究生 ， 研究方向为电力系统及其 自动化 ， E - ma i l 6 1 7 2 0 9 0 6 9 q q ． c o m。 表 1 不 同采样频率得 到的采样 结果及 误差 中使用 ， 实现了 8通道同步传感器数据采集 ， 采样速 率达到 3 5 k Hz 。如果提高 AD转换器速率， 系统 的 采样速率可以进一步提高。 参考文献 [1] [2 ] [3 ] 杨海燕 ， 岳建华 ．矿 井 瞬变 电磁 法理论 与 技术研 究 E M] ．北京 科学 出版社 ， 2 0 1 5 ． 陆菜 平 ， 窦林 名 ， 吴 兴荣 ， 等．岩体 微震 监 测 的频 谱 分析与信号 识 别 l- J ] ．岩 土工 程 学报 ， 2 0 0 5 ， 2 7 7 7 7 2 7 75 ． 余芳芳 ， 郭来功 ， 李 良光．基于 S T M3 2 F 4 0 7的微震 信 [ 4] [ 5] [ 6] [ 7] [ 8] [9] [ 1 0 ] 息采集 系 统 设 计 [ J ] ．工 矿 自动 化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 7 9 - 1 2 ． 秦鸿 刚 ， 刘京科 ， 吴迪． 基于 F P G A的双 口 R AM 实 现 及应用[ J ] ． 电子设计工程， 2 0 1 0 ， 1 8 2 7 2 7 4 ． 贺孟 ， 苏永海．基于 F P G A 的实 时多通道 DMA系统 设计l- J ] ．成都 大学学 报 自然科 学 版 ， 2 0 1 5 ， 3 4 3 2 80 28 4． 严 建峰 ， 吴宁．基 于 P C I 总线 的 DMA 高速数 据传输 系统 [ J ] ．电子科技大学学报 ， 2 0 0 7 ， 3 6 5 8 5 8 8 6 1 ． 王俊 ， 郑焱 ， 王红 ， 等．基 于 D MA 的并行数 字信号 高 速采集系统[ J ] ． 电子技术应用 ， 2 0 1 0 ， 3 6 3 4 2 4 4 ． 单 天昌 ， 陆达 ． 基 于 F P G A 的 P C I 接 口 D MA 传输 的 设计与实现 [ J ] ． 计算机技术与发展， 2 0 1 0 ， 2 0 4 21 5 21 9． 龙 再 川 ， 赵 凯 生 ， 洪 明坚 ， 等．A RM 系 统 中 DMA 方式在数据采集 中的应用 [ J ] ． 国外 电子元器件， 2 0 0 7 2 6 6 - 6 9 ． 梁科 ， 李 国峰 ， 王锦 ， 等．通用 多通道 高性能 D MA 控 制器设计 [ J ] ． 天津大学学报 ， 2 0 0 8 ， 4 1 5 6 2 1 6 2 6 ．