基于Raspberry Pi的数据采集系统的研究与实现

摘要

计算机技术、传感器技术以及通信技术的不断发展，有力的推动了数据采集系统的不断发展和创新。数据采集系统在当今工业设备检测诊断中起着关键作用，本文以宝钢工业技术服务有限公司的在线诊断监测系统项目为背景，以实现智能化、网络化、低功耗以及软硬件可裁剪的多通道数据采集系统为目标，设计并实现了一种基于Raspberry Pi的数据采集系统。
　　本文的主要研究内容是:首先，通过对本课题实际需求分析以及对多家厂商软硬件开发平台对比，最终本课题选用了基于ARM11架构的Raspberry Pi作为系统控制开发平台，该平台采用基于Linux内核的Raspbian。其次，通过研究串行外围设备接口(SPI，Serial Peripheral Interface)总线协议及Raspberry Pi内核中SPI子系统驱动框架，基于Raspberry Pi平台设计并实现SPI总线直接驱动数据采集卡，实现多通道数据的快速采集。实现了在工业生产领域中使用Python语言的开源框架与硬件交互开发的案例。再次，在本系统中提出了使用环形数据缓冲区RingBuffer来实现数据采集过程中数据同步的方法，并将该方法应用于数据采集与数据处理速度不匹配的两个模块之间，来实现数据采集系统的数据同步过程。然后，根据采集数据的特点，本课题使用FFT(Fast Fourier Transform)算法进行数据处理，优化数据处理过程并充分利用Raspberry Pi较强的浮点计算能力，为实现数据频谱信号的分析与处理奠定基础，提高了准确性和效率。并实现对历史数据的保存，便于数据分析及数据回放展示。最后，在数据显示模块，本文选用基于Python语言的PySide和Matplotlib在上位机实现数据的显示及波形图的绘制。
　　本文通过对采集系统进行多方面系统测试，最后结果表明，本文设计实现的基于Raspberry Pi的数据采集系统满足公司对设备检测诊断中状态数据的采集需求，各模块的运行效果满足设计要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 课题主要研究内容

1．4 本文论文结构

第2章 Raspberry Pi平台及相关技术

2．1 Raspberry Pi平台

2．2 SPI协议

2．3 奈奎斯特定理

2．4 Linux内核模块开发

2．5 Python及模块拓展技术

2．5．1 Python语言

2．5．2 C／C++拓展Python技术

2．6 多线程技术

2．7 网络传输技术

2．8 本章小结

第3章 系统需求分析与设计

3．1 系统需求

3．1．1 系统功能需求

3．1．2 系统性能需求

3．2 系统硬件模块设计

3．2．1 AD7689分析与设计

3．2．2 Raspberry Pi硬件接口分析与设计

3．3 系统软件模块分析与设计

3．3．1 Raspbian SPI驱动框架分析

3．3．2 数据采集模块分析与设计

3．3．3 数据同步模块分析与设计

3．3．4 数据处理模块分析与设计

3．3．5 数据显示模块分析与设计

3．4 操作系统软件搭建

3．4．1 Raspbian系统的搭建

3．4．2 Raspbian内核头文件的编译

3．5 本章小结

第4章 系统的软件实现

4．1 Raspbian SPI子系统创建过程

4．2 数据采集模块实现

4．2．1 数据采集接口程序实现

4．2．2 接口程序Python拓展实现

4．2．3 数据采集应用实现

4．3 数据同步模块实现

4．3．1 RingBuffer工作机制

4．3．2 实现缓冲区的两种方案

4．3．3 RingBuffer实现

4．4 数据处理模块实现

4．4．1 FFT算法

4．4．2 数据处理过程的优化

4．4．3 Ramdisk的创建

4．4．4 数据存储

4．5 数据显示模块实现

4．5．1 Qt信号与槽机制

4．5．2 数据展示的线程更新

4．6 本章小结

第5章 系统测试与分析

5．1 测试环境

5．2 功能测试

5．2．1 SPI驱动测试

5．2．2 数据采集测试

5．2．3 FFT算法测试

5．2．4 集成测试

5．3 性能测试

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢