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基于嵌入式單片機的移動網(wǎng)絡(luò)信息采集系統(tǒng)

2018-12-15 07:05:58何競松彭光強李清武霽陽
電子設(shè)計工程 2018年23期
關(guān)鍵詞:時延嵌入式單片機

何競松,彭光強,李清,武霽陽

(南方電網(wǎng)超高壓檢修試驗中心廣東廣州510000)

對各種移動網(wǎng)絡(luò)信息進行采集、處理與傳輸成為了我國當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信息處理重要研究方向。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是向著智能、快速、低功耗方向發(fā)展的,為工業(yè)領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域都帶來了巨大影響,該技術(shù)不但能夠為工業(yè)領(lǐng)域提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù),協(xié)助工業(yè)機器設(shè)備智能生產(chǎn),還能為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域提供先進技術(shù)和實時信息。隨著移動通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)智能終端化發(fā)展,人們無論是在日常生活中,還是辦公過程中,都會使用移動網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程視頻通信[1]。由于制造商生產(chǎn)的移動終端設(shè)備面對的是用戶,而對于運營商來說,面對的是其它互聯(lián)網(wǎng)終端制造商。如果運營商想要繼續(xù)在通信行業(yè)保持較高地位,就必須使用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)信息為用戶提供強吸引力的業(yè)務(wù)[2]。

移動網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下海量數(shù)據(jù)具有產(chǎn)生速度快、規(guī)模大特點,能夠?qū)崿F(xiàn)大量信息快速存儲。但同時也受到噪聲干擾影響,使采集速度變慢,為了解決該方面的問題,需設(shè)計一個針對移動信息數(shù)據(jù)智能采集系統(tǒng),根據(jù)移動用戶行為特征進行分析[3]。由于傳統(tǒng)系統(tǒng)受到噪聲干擾和網(wǎng)絡(luò)時延影響,信息采集效果差,為此,設(shè)計了基于嵌入式單片機的移動網(wǎng)絡(luò)信息采集系統(tǒng)。

1 嵌入式單片機信息采集系統(tǒng)設(shè)計

針對嵌入式單片機的移動網(wǎng)絡(luò)信息采集系統(tǒng)設(shè)計,需先對各項指標(biāo)進行實時分配,合理分析各項任務(wù),為每項任務(wù)找到合適的優(yōu)先級,為系統(tǒng)提供優(yōu)先級資源[4]。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1.1 傳感器模擬模塊

使用6位MCU和256位可編程內(nèi)存,使傳感硬件部分設(shè)計更加簡單,采用10 kb隨機存取存儲器和12位數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器,能夠?qū)崿F(xiàn)對移動網(wǎng)絡(luò)信息快速傳輸[5]。使用MCS1210型號芯片作為嵌入式單片機的主要芯片,僅僅需要少量外部接收元件就能組成多個節(jié)點的傳感網(wǎng)絡(luò),該模塊設(shè)計如圖1所示。

圖1 傳感器模擬模塊

由圖1可知,該傳感模塊是由樹狀傳感節(jié)點形式對輸入信號進行接收,任何一個接收節(jié)點都遵循低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。通過根節(jié)點接收輸入信號,待全部信號接收完畢后,需將操作信息全部發(fā)送到信號調(diào)理模塊中進行信號調(diào)理。

1.1.2 信息調(diào)理模塊

針對上述傳感器傳輸信號,如果直接對其進行調(diào)理,那么會受到噪聲干擾影響,使信號不能全部轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)形式,因此需設(shè)計信號轉(zhuǎn)換電路,將全部信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)形式[6]。選擇型號為OPA380的跨阻值放大器,能夠放大信號,使信號調(diào)理不受噪聲干擾影響,依然保持有效調(diào)理結(jié)果。

信號轉(zhuǎn)換電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 信號轉(zhuǎn)換電路

由圖2可知:采用LSSPD-PB3型號的光電二極管,可將較強信號迅速轉(zhuǎn)換為電流形式,而相對較弱的信號通過OPA380跨阻值放大器將信號進行放大處理,以便將全部弱信號轉(zhuǎn)換為電流形式。

1.1.3 信息采集模塊

經(jīng)過信息調(diào)理模塊,對全部信號進行調(diào)理,可直接對其進行采集[7]。使用MCS1210型號嵌入式單片機可實現(xiàn)將全部數(shù)據(jù)集中在一個芯片上進行采集,具體采集模塊設(shè)計如圖3所示。

圖3 采集模塊

由圖3可知:采集模塊分成3個部分,分別是信號隊列等待、信號可用隊列和任務(wù)刪除隊列。其中信號隊列等待是等待信號調(diào)理模塊中的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),信號可用隊列是直接與外設(shè)訪問相關(guān)機制進行任務(wù)創(chuàng)建的,任務(wù)刪除隊列是對不可用信息進行刪除處理[8-10]。

1.2 軟件部分設(shè)計

對MCS1210型號嵌入式單片機的信息采集進行軟件部分設(shè)計,實現(xiàn)全部數(shù)據(jù)集中一個芯片上的采集方式[11-12]。

為了準(zhǔn)確描述信息采集情況,需采用線性方程算法[13-14],設(shè)A為采集時間,B為信息采集數(shù)量,由此獲取線性方程為:

公式(1)中:其中:A1和A2分別為信息采集的起始和終止時間;B1和B2分別為信息采集起始和終止數(shù)量值。依據(jù)線性方程計算結(jié)果來描述信息采集情況[15],由此實現(xiàn)基于嵌入式單片機移動網(wǎng)絡(luò)信息采集系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計。

根據(jù)信息采集流程對MCS1210型號嵌入式單片機設(shè)計的信息采集模塊下達指令,通過MCS1210嵌入式型號單片機中數(shù)據(jù)集中芯片連接指令集,以此作為降低時延出現(xiàn)的解決方法,采用線性方程準(zhǔn)確描述信息采集情況,由此實現(xiàn)采集系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計。

2 實驗分析

對于移動網(wǎng)絡(luò)信息采集系統(tǒng)設(shè)計,采用MCS1210型號嵌入式單片機,對是否能夠抵抗噪聲干擾和解決時延問題進行了實驗分析。

2.1 實驗參數(shù)

實驗參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 實驗環(huán)境

2.2 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述實驗參數(shù),分別對系統(tǒng)抗噪聲干擾和無時延功能進行實驗對比分析。具體對比情況如下所示。

1)抗噪聲干擾

傳統(tǒng)系統(tǒng)對信息進行采集時,受到噪聲干擾影響,使信號不能全部轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)形式,導(dǎo)致最后采集到的信息為無效信息。而采用MCS1210型號嵌入式單片機設(shè)計系統(tǒng)對信息進行采集時,不會受到噪聲干擾影響,使信號全部轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)形式,采集效果較好。為了驗證該內(nèi)容具有合理性,進行了對比實驗,結(jié)果如圖4所示。

圖4 噪聲干擾下兩種系統(tǒng)信息采集效率對比

由圖4可知:當(dāng)采集時間為t1~t2時,采用傳統(tǒng)系統(tǒng)受到噪聲干擾,使信息采集效率呈負(fù)線性曲線下降趨勢。而采用嵌入式單片機系統(tǒng)不會受到噪聲干擾,使信息采集效率呈正線性曲線下降趨勢;當(dāng)采集時間為t2~t3時,兩種系統(tǒng)信息采集效率呈直線性下降趨勢,從60%下降到58%;當(dāng)采集時間為t3~t4時,兩種系統(tǒng)的信息采集效率呈直線性下降趨勢,從58%下降到38%;當(dāng)采集時間為t4~t5時,兩種系統(tǒng)信息采集效率不變;當(dāng)采集時間為t5~t6時,采用傳統(tǒng)系統(tǒng)受到噪聲干擾,使信息采集效率波動現(xiàn)象較大。而采用嵌入式單片機系統(tǒng)不會受到噪聲干擾,使信息采集效率波動較小;當(dāng)采集時間為t6~t7時,兩種系統(tǒng)信息采集效率不變;當(dāng)采集時間為t7~t8時,采用傳統(tǒng)系統(tǒng)受到噪聲干擾,使采集效率最終維持在60%,而采用嵌入式單片機系統(tǒng)不會受到噪聲干擾,使采集效率最終維持在80%。由此可知,采用MCS1210型號嵌入式單片機設(shè)計的系統(tǒng)對信息進行采集時,不會受到噪聲干擾影響,使信號全部轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)形式,采集效果較好。

2)無時延問題

傳統(tǒng)系統(tǒng)對信息進行采集時,受到網(wǎng)絡(luò)時延問題影響,使信息采集波形受到影響。而采用MCS1210型號嵌入式單片機設(shè)計的系統(tǒng)對信息進行采集時,不會受到網(wǎng)絡(luò)時延問題影響,使用代碼密度較大的10位指令集來降低信息傳輸過程中時延出現(xiàn)的概率,采集效果較好。為了驗證該內(nèi)容具有合理性,進行了對比實驗,結(jié)果如圖5所示。

圖5 兩種系統(tǒng)信息采集波形

由圖5可知:采用傳統(tǒng)系統(tǒng)受到網(wǎng)絡(luò)時延影響,使信息采集波形受到影響,導(dǎo)致采集效果變差;而采用嵌入式單片機系統(tǒng)不會受到網(wǎng)絡(luò)時延影響,信息采集波形呈折線形式上下波動,符合實際信息采集波形。

為了驗證嵌入式單片機系統(tǒng)不會受到受到網(wǎng)絡(luò)時延影響而得到精準(zhǔn)度的采集效率,將這傳統(tǒng)系統(tǒng)與該系統(tǒng)進行對比,結(jié)果如圖6所示。

圖6 時延影響下兩種系統(tǒng)信息采集效率對比

由圖6可知:當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延大小為1~30 ms時,采用傳統(tǒng)系統(tǒng)信息采集效率為65%。而采用嵌入式單片機系統(tǒng)信息采集效率為90%;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延大小為31~50 ms時,采用傳統(tǒng)系統(tǒng)信息采集效率為60%,而采用嵌入式單片機系統(tǒng)信息采集效率為85%;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延大小為51~100 ms時,采用傳統(tǒng)系統(tǒng)信息采集效率為50%,而采用嵌入式單片機系統(tǒng)信息采集效率為81%;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延大小為>100 ms時,采用傳統(tǒng)系統(tǒng)信息采集效率為40%,而采用嵌入式單片機系統(tǒng)信息采集效率為80%。由此可知,采用MCS1210型號嵌入式單片機設(shè)計的系統(tǒng)對信息進行采集時,不會受到網(wǎng)絡(luò)時延影響,采集效果較好。

3 結(jié)束語

針對移動通信網(wǎng)絡(luò)終端信息采集進行了詳細研究,使用MCS1210型號芯片作為嵌入式單片機主要工作芯片,能夠設(shè)計出準(zhǔn)確采集信息的采集系統(tǒng)。雖然該系統(tǒng)具有較好采集性能,但仍然存在需要完善地方,主要包括:

1)社會網(wǎng)絡(luò)關(guān)系細化,盡可能實現(xiàn)系統(tǒng)智能分析;

2)特殊活動目標(biāo)群體行為軌跡研究,盡可能更合理、詳細分析。

在未來研究過程中,以這兩點為對象進行更深層次研究,為系統(tǒng)更加合理化設(shè)計提供有效依據(jù)。

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