劉景峰，岳鳳英*，馮曉斌，張登山

(1.中北大學計算機與控制工程學院，太原030051; 2.神華神東煤炭集團大柳塔煤礦，陜西榆林719315)

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基于LabVIEW的多種通訊方式數(shù)采系統(tǒng)*

劉景峰1，岳鳳英1*，馮曉斌2，張登山2

(1.中北大學計算機與控制工程學院，太原030051; 2.神華神東煤炭集團大柳塔煤礦，陜西榆林719315)

摘要:在數(shù)據(jù)采集過程中，采集系統(tǒng)的穩(wěn)定、高速和遠距離可控制等性能是非常重要的。針對該多功能性的要求，對以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了研究。通過以太網(wǎng)和無線兩種通訊方式完成了上位機與多路采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和對采集系統(tǒng)的遠程控制，并且系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)進行預覽、存儲、回放、預處理等操作。系統(tǒng)還具有自檢、復位、存儲體擦除等功能。實際應用證明系統(tǒng)可以準確的完成各項功能。

關鍵詞:數(shù)據(jù)采集系統(tǒng); LabVIEW;以太網(wǎng)通訊;無線通訊

項目來源:山西省青年基金項目(2012021013－6)

隨著測控技術的不斷發(fā)展，數(shù)采系統(tǒng)也在逐漸地發(fā)生著變化。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由于通訊方式單一、數(shù)據(jù)傳輸速度慢、存儲體容量小、可控性差、測量精度低以及軟件串行通訊編程等缺點已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代測控系統(tǒng)的要求［1］。本系統(tǒng)以LabVIEW為上位機開發(fā)平臺，以FPGA為下位機控制核心，通過上下位機合理的交互控制完成了一套多功能的數(shù)采系統(tǒng)［2］。此外，以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，其界面友好、功能豐富、可控性強等優(yōu)點提高了系統(tǒng)的可控性、可靠性及靈活性，從而增強了測控系統(tǒng)的實際可用性［3］。

1　總體設計

本系統(tǒng)由基于LabVIEW為開發(fā)平臺的上位機系統(tǒng)與基于FPGA為控制核心的下位機系統(tǒng)兩部分組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由示意圖可以看出下位機主要由主控模塊、采集模塊和存儲模塊組成，并且所有與上位機的通訊指令均通過主控模塊來完成。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2　系統(tǒng)硬件設計

下位機硬件系統(tǒng)采用型號為EP3C120F484I7 的FPGA芯片作為控制核心，與上位機配合完成整個系統(tǒng)的操作控制。此型號的FPGA具有高性能、低功耗的特點，有助于本系統(tǒng)完成對大數(shù)據(jù)量的采集。下位機的存儲模塊采用了8塊型號為MT29F128G的FLASH芯片通過和FPGA的配合完成存儲體的操作，此芯片單片16 Gbyte的大存儲空間也符合系統(tǒng)對大數(shù)據(jù)量采集的要求。

采集模塊各通道根據(jù)所測信號的不同通過上位機的配置選擇對應的調(diào)理電路，然后經(jīng)過MAX295芯片進行濾波，利用A/D轉(zhuǎn)換器ADS8330完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)傳輸至控制器進行數(shù)據(jù)處理。通訊模塊分為以太網(wǎng)通訊和無線通訊兩個模塊［4－5］，以太網(wǎng)通訊模塊采用型號為88E1111的芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。無線通訊模塊通過型號為SI4432的射頻收發(fā)芯片和型號為MAX485的串口芯片完成了射頻通訊與串口通訊的轉(zhuǎn)換，無線模塊傳輸?shù)挠行Ь嚯x為500 m，且傳輸穩(wěn)定，達到了系統(tǒng)的要求，保證了系統(tǒng)的遠程操控。系統(tǒng)下位機的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　硬件結(jié)構(gòu)圖

3　系統(tǒng)軟件設計

上位機是采用圖形化編程語言LabVIEW開發(fā)的系統(tǒng)，主要由通訊方式設置模塊、系統(tǒng)標定、數(shù)據(jù)采集、存儲體數(shù)據(jù)讀取、文件格式轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)功能操作和數(shù)據(jù)回放與分析7個功能模塊組成，上位機系統(tǒng)設計流程如圖3所示。

3.1通訊方式選擇模塊

當啟動系統(tǒng)后首先需要根據(jù)整個系統(tǒng)工作環(huán)境的具體需要進行通訊方式設置，本系統(tǒng)包括以太網(wǎng)通訊和無線通訊兩種通訊方式。

圖3　軟件設計流程圖

3.1.1以太網(wǎng)通訊設計

系統(tǒng)應用的以太網(wǎng)通訊只能是基于底層網(wǎng)絡的通訊，但是LabVIEW提供的網(wǎng)絡化通訊函數(shù)都是經(jīng)過高度封裝化的，所以無法直接對底層網(wǎng)絡獲取的數(shù)據(jù)進行解析，也無法監(jiān)控設備間的數(shù)據(jù)傳輸。由于WinPcap作為集成于Windows操作系統(tǒng)的設備驅(qū)動程序，可以對從底層網(wǎng)絡捕獲數(shù)據(jù)和發(fā)送底層數(shù)據(jù)，所以采用LabVIEW提供的CLF功能通過對WinPcap生成的動態(tài)鏈接庫的調(diào)用實現(xiàn)了對網(wǎng)絡底層的數(shù)據(jù)通訊。LabVIEW對WinPcap驅(qū)動調(diào)用的接口函數(shù)主要包括以下幾種: pcap_findalldevs，用于監(jiān)聽調(diào)用函數(shù)查找本機可用的網(wǎng)絡接口，當不需要時用pcap_freealldevs函數(shù)釋放空間; pcap_open_ live，用于打開設備進行監(jiān)聽; pcap_next_ex，用于數(shù)據(jù)包的捕獲; pcap_sendpacket，用于數(shù)據(jù)包的發(fā)送。獲取以太網(wǎng)端口、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收程序分別如圖4～圖6所示。此外在網(wǎng)口打開時，通過對pcap_setfilter函數(shù)的設置實現(xiàn)了數(shù)據(jù)過濾功能，使上位機系統(tǒng)只接受符合本系統(tǒng)特定幀格式的數(shù)據(jù)，這樣不但可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性而且也大大提升了上位機處理數(shù)據(jù)的速度。

圖4　獲取以太網(wǎng)端口

圖5　以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送

圖6　以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接收

3.1.2系統(tǒng)的無線通訊設計

由于下位機的無線通訊模塊經(jīng)過轉(zhuǎn)換以RS485的方式與上位機進行通訊，所以上位機采用LabVIEW自帶的串口通訊函數(shù)便可完成與無線模塊的數(shù)據(jù)傳輸［6］。

圖7　標定界面

3.2系統(tǒng)標定與數(shù)據(jù)采集

3.2.1系統(tǒng)標定

系統(tǒng)在對信號進行采集時，由于期間的離散性、電器噪聲的影響，難免會引入誤差，因此，需要對各通道的實際特性進行標定，然后通過標定系數(shù)對采集數(shù)據(jù)進行補償來確保采集數(shù)據(jù)的準確性。但是由于本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通路很多，所以用傳統(tǒng)的標定方法往往耗時很大，為解決此問題，本系統(tǒng)提供了軟件標定方法，標定軟件界面如圖7所示。進行標定時，首先啟動程序，對應配置好標定信息，然后將采集模塊的輸入值對應的輸入到軟件界面的第一行，然后雙擊界面，系統(tǒng)會自動的對所有標定通道采集5 ms的數(shù)據(jù)，然后取平均值顯示在輸入值下對應的各通道上，同理便可完成所有點的標定，標定完成后通過軟件操作自動地計算出各通道的標定系數(shù)并將其保存在文件中。實際應用證明此方法不但提高了標定效率，而且保證了標定的準確性。

3.2.2數(shù)據(jù)采集

在進行數(shù)據(jù)采集時首先需要對各通道進行配置，配置主要包括對傳感器類型、激勵源、采樣時鐘、采樣模式、觸發(fā)方式等進行設置，并且每次配置后下位機可以將配置狀態(tài)返回給上位機系統(tǒng)并顯示在配置界面上［7］，從而實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的檢測，配置完成后便可進行數(shù)據(jù)采集，采集后的數(shù)據(jù)根據(jù)采樣模式存儲到FLASH中或是進行上位機預覽。

3.3數(shù)據(jù)讀取和文件轉(zhuǎn)換

由于系統(tǒng)是對大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)進行高速傳輸，所以數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性至關重要，其直接決定了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。為了滿足數(shù)據(jù)的高速傳輸，系統(tǒng)采用了多線程的編程方式，即數(shù)據(jù)的讀取和保存分別在兩個線程中完成，然后由事件結(jié)構(gòu)對其進行控制。在進行數(shù)據(jù)保存時，系統(tǒng)采用了TDMS格式文件，由于此文件兼顧了高速和易管理的特性［8－9］，所以既保證了數(shù)據(jù)讀取的速度也便于對文件的管理，數(shù)據(jù)讀取的主要程序框圖如圖8所示。在數(shù)據(jù)讀取過程中，為了保證數(shù)據(jù)讀取的速度和穩(wěn)定性，未對數(shù)據(jù)幀進行解析和補償，所以在數(shù)據(jù)讀取完畢后，可以根據(jù)需要對原始數(shù)據(jù)進行解析和補償并將其保存成TDMS文件。此外，為了使本系統(tǒng)保存的數(shù)據(jù)文件與其他軟件系統(tǒng)可以通用，還提供了文件格式轉(zhuǎn)換功能，通過轉(zhuǎn)換界面可以將TDMS文件轉(zhuǎn)換成文本文件或二進制文件，并且在轉(zhuǎn)換界面上可以根據(jù)需要對通道號和各通道轉(zhuǎn)換時間段進行選擇性設置。

圖8　數(shù)據(jù)讀取程序框圖

3.4系統(tǒng)功能操作

為了在采集過程中有效完成對下位機的控制和上下位機可靠的交互性，系統(tǒng)提供了對下位機進行系統(tǒng)自檢、軟件復位、存儲體擦除等操作功能，從而提高了系統(tǒng)的可靠性與靈活性。

3.5數(shù)據(jù)回放與分析

3.5.1數(shù)據(jù)回放

系統(tǒng)可以對TDMS、TXT和DAT 3種格式的數(shù)據(jù)文件進行回放，通過拖曳的方式可以將需要回放的文件顯示在回放界面上。此外，可以根據(jù)需要對回放的文件范圍、回放速度進行設定，回放過程中可以暫停和停止。若需要對某段數(shù)據(jù)進行詳細查看［10］，系統(tǒng)也提供了放大、縮小、平移和將此段數(shù)據(jù)保存成文件的功能。

3.5.2數(shù)據(jù)分析

在進行數(shù)據(jù)分析時，系統(tǒng)提供了加窗、滑動平均、濾波、重采樣、去趨勢、擬合、積分和微分等數(shù)據(jù)預處理方法，根據(jù)信號的不同特性采用合適的預處理方法，然后再進行時頻域分析，從而保證數(shù)據(jù)分析的準確性［11］。

圖9為原始數(shù)據(jù)經(jīng)過滑動平均和加窗預處理后的幅頻譜。

圖9　數(shù)據(jù)分析

4　系統(tǒng)測試

由于是對多種信號進行測試，所以在對系統(tǒng)計量時，需要對電壓、溫度和應變3種信號進行測試。測試的輸入值采用計量單位提供的多種高精度裝置作為系統(tǒng)的輸入真值，測試的數(shù)據(jù)通過上位機利用系統(tǒng)標定系數(shù)對其進行補償，將補償后的值作為系統(tǒng)最終的輸出值［12］。表1～表3為一個通道對3種信號測試的計量結(jié)果。

表1　電壓測試數(shù)據(jù)

表2　溫度測試數(shù)據(jù)

表3　應變測試數(shù)據(jù)

通過測試結(jié)果可以看出，所有信號的測試誤差都遠在5‰以下，并且用相同的方法對所有通道進行測試，結(jié)果均達到了本系統(tǒng)的精度要求。

5　結(jié)束語

本系統(tǒng)以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，設計并完成了一套可以同時對多路多種大數(shù)據(jù)量信號進行采集的數(shù)采系統(tǒng)。通過實際應用證明，本系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可以準確地完成對多種信號的采集、存儲、分析等功能。此外，本系統(tǒng)采用的兩種通訊方式也保證了系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸和遠程控制。

參考文獻:

［1］張宇，黃偉志，郝巖.基于LabVIEW的多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.自動化儀表，2013，34(8) : 24－26.

［2］徐菲，梁志劍，裴東興，等.基于LabVIEW的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.電子測試，2012，(8) : 56－58.

［3］周松，曲興華，張福民，等.斷路器機械磨合試驗臺測試方法及軟件設計［J］.傳感技術學報，2007，20(4) : 949－952.

［4］劉龍啟，李銀.基于LabVIEW的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)聽與通信［J］.國外電子測量技術，2012，31(7) : 62－65.

［5］劉湖平，麥云飛，王靜悅.基于LabVIEW和MSP430的CO氣體無線監(jiān)測系統(tǒng)設計［J］.計算機測量與控制，2010，18(9) : 1999－2004.

［6］朱文發(fā)，柴曉東，鄭樹彬，等.基于LabVIEW的慣性測量單元信號采集及處理系統(tǒng)設計［J］.計算機測量與控制，2012，20(6) : 1697－1698.

［7］王恒升，張西偉，胡軍科.基于LabVIEW的減振器試驗臺測控系統(tǒng)設計［J］.電子器件，2006，29(3) : 926－929.

［8］徐航，羅巍.基于嵌入式的多通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.自動化與儀器儀表，2013，(1) : 148－150，56－58.

［9］陳樹學，劉萱.LabVIEW寶典［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011: 162－165.

［10］王力.基于LabVIEW的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件設計［D］.南京:南京理工大學，2013.

［11］張宇.基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集與多功能分析系統(tǒng)研究［D］.天津:天津工業(yè)大學，2013.

［12］張華，鄭賓，武曉棟.基于LabVIEW的溫度測試系統(tǒng)［J］.電子器件，2013，36(2) : 243－246.

劉景峰(1988－)，男，滿族，遼寧鞍山市人，中北大學碩士研究生，主要研究方向為動態(tài)測試與智能儀器，liujingfeng1988@ 126.com;

岳鳳英(1977－)，女，漢族，山西省太原市人，中北大學副教授，博士，主要研究方向為測試計量技術及儀器、傳感器與微機電技術(MEMS)、慣性導航，yuefy_2008@ 163.com。

Design and Implementation of Storage System Based on FPGA*

LI Jiachao，MENG Lingjun*，ZHOU Zhili，HAN Zhaohui
(North University of China，National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，Taiyuan 030051，China)

Abstract:In order to solve the technical problems about NAND Flash in telemetry field，the design of Interleave Two-Plane page program and the feature of the three common methods of the remaining capacity measurement were explicated in detail.A method of the remaining capacity measurement based on the dichotomy was introduced.And then a data storage system with the function of continuous recording when power is resumed was presented.The design method with the feasibility，high efficiency and precision up to 10－4must have a good promotional value.

Key words:NAND Flash; Interleave Two-Plane; Page Program; dichotomy; storage system

中圖分類號:TP274

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015) 03－0582－06

收稿日期:2014－07－11修改日期: 2014－08－07

doi:EEACC: 128510.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.022