摘 要： 網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器是繼虛擬儀器之后儀器儀表領(lǐng)域出現(xiàn)的新的發(fā)展方向，提出了將嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與虛擬儀器結(jié)合的技術(shù)路線(xiàn)，將信號(hào)的采集、處理、存儲(chǔ)分布于不同的網(wǎng)絡(luò)位置的實(shí)施方案。利用ARM 嵌入式在現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信將信號(hào)處理和存儲(chǔ)工作交給上位機(jī)負(fù)責(zé)，采用S3C44B0X為核心的開(kāi)發(fā)環(huán)境，然后進(jìn)行軟件系統(tǒng)的搭建，包括移植μC/OS?Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)，嵌入式圖形界面系統(tǒng)μC/GUI，ADC及網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)以及移植LwIP實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議等。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)功能完善，操作十分方便，完全滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需要，可以有效地組織和管理數(shù)據(jù)以及構(gòu)架網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)。

關(guān)鍵詞： 虛擬儀器； ARM； LabVIEW； 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集； μC/OS?Ⅱ； LwIP

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911?34； TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）13?0088?05

Abstract： The networked virtual instrument is a new development trend of instrument and meter field after the development of virtual instrument. The technical route of combining the embedded system， network and visual instrument， and the implementation scheme of distributing the signal acquisition， processing and storage to different network locations are proposed. In the scheme， the ARM embedded system is used for field signal acquisition， the signal processing and storage work are allocated to upper computer through network communication. The S3C44B0X is used as the core development environment to establish the software system， including the transplant of embedded operating system μC/OS?Ⅱ， embedded graphic interface system μC/GUI， driver programming of ADC and network card， and TCP/IP protocol realization with LwIP transplant. The test results show that the system has perfect function and convenient operation， can satisfy the requirement of practical application， organize and manage the data efficiently， and construct the network database.

Keywords： virtual instrument； ARM； LabVIEW； network data acquisition； μC/OS?Ⅱ； LwIP

0 引 言

虛擬儀器（Virtual Instrument）是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向[1]。這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類(lèi)儀器的功能也越來(lái)越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式[2]。

使用網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器技術(shù)，可以不受地點(diǎn)、時(shí)間的約束，獲取準(zhǔn)確的測(cè)量信息或數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)的儀器、測(cè)量、測(cè)試相比，帶來(lái)了諸多便利[3]。在網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器中，被測(cè)對(duì)象可通過(guò)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的普通儀器設(shè)備，將測(cè)得數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給異地的精密測(cè)量設(shè)備或高檔次的微機(jī)化儀器去分析、處理，能實(shí)現(xiàn)測(cè)量信息的共享，可掌握網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處信息的實(shí)時(shí)變化趨勢(shì)；此外，也可通過(guò)具有網(wǎng)絡(luò)傳輸功能的儀器將數(shù)據(jù)傳至原端即現(xiàn)場(chǎng)。采用自動(dòng)抄表系統(tǒng)，可提高抄表的準(zhǔn)確性，能減少因估計(jì)或謄寫(xiě)而可能出現(xiàn)的帳單錯(cuò)誤（供用電、水、燃?xì)?、熱能等）。管理部門(mén)因此能及時(shí)獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，用戶(hù)也不再需要與抄表員預(yù)約上門(mén)抄表時(shí)間，迅速查詢(xún)帳單。使用網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，采用網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)，可以大幅度提高測(cè)量效率，降低監(jiān)測(cè)成本以及減少計(jì)量測(cè)試工作的周期[4]。

1 硬件設(shè)計(jì)

本文的目的是充分發(fā)揮分布式虛擬儀器的概念，將嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、虛擬儀器聯(lián)系起來(lái)，將信號(hào)的采集、處理、存儲(chǔ)分布于不同的網(wǎng)絡(luò)位置。結(jié)合了嵌入式系統(tǒng)的靈活性，避免其計(jì)算能力不強(qiáng)的缺點(diǎn)，將信號(hào)處理工作交給上位機(jī)負(fù)責(zé)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

下位機(jī)的虛擬儀器負(fù)責(zé)信號(hào)的采集，通過(guò)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，利用上位機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和海量存儲(chǔ)空間完成對(duì)原始數(shù)據(jù)的后期處理。

1.1 以太網(wǎng)設(shè)備

本系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)RTL8019AS是一種高度集成的以太網(wǎng)控制芯片，能簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)Plug and Play并兼容NE2000。

RTL8019AS芯片內(nèi)部集成了DMA控制器，ISA總線(xiàn)控制器和集成16KSRAM、網(wǎng)絡(luò)PHY 收發(fā)器。用戶(hù)可以通過(guò)DMA方式把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫(xiě)入片內(nèi)SRAM 中，讓芯片自動(dòng)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去：而芯片在接收到數(shù)據(jù)后，用戶(hù)也可以通過(guò)DMA方式將其讀出。RTL8019AS的詳細(xì)介紹請(qǐng)見(jiàn)RTL8019AS 數(shù)據(jù)手冊(cè)。

在網(wǎng)絡(luò)通信模塊電路中，RTL8019AS與處理器S3C44B0X之間的信號(hào)連接關(guān)系如圖2所示。

1.2 電源、時(shí)鐘及復(fù)位電路

在本系統(tǒng)中，采用的是5 V和3.4 V的直流穩(wěn)壓電源，其中，S3C44B0X核心使用2.5 V電源，外圍器件需3.4 V電源，另外部分器件需5 V電源，5 V電路加了工作指示燈，并且加了二極管對(duì)電路加以保護(hù)。晶振電路用于向CPU及其他電路提供工作時(shí)鐘。在該系統(tǒng)中，S3C44BOX使用常用的無(wú)源晶振，電路如圖3所示。

根據(jù)S3C44B0X的最高工作頻率以及PLL電路的工作方式，系統(tǒng)選擇了10 MHz的有源晶振，10 MHz的晶振頻率經(jīng)過(guò)S3C44B0X片內(nèi)的PLL電路倍頻后，最高可以達(dá)66 MHz。片內(nèi)的PLL電路兼有頻率放大和信號(hào)提純的功能，因此，系統(tǒng)可以以較低的外部時(shí)鐘信號(hào)獲得較高的工作頻率，以降低因高速開(kāi)關(guān)時(shí)鐘造成的高頻噪聲。

同時(shí)在系統(tǒng)中還有頻率為32.768 kHz的實(shí)時(shí)時(shí)鐘晶振源，在USB接口芯片處也有一個(gè)48 MHz的晶振。在系統(tǒng)中，復(fù)位電路主要完成系統(tǒng)的上電復(fù)位和系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)用戶(hù)的按鍵復(fù)位功能。復(fù)位電路可由IMP811 芯片來(lái)完成，復(fù)位電路如圖4所示。

該復(fù)位電路的工作原理如下：IMP811是一個(gè)可靠性很高的復(fù)位芯片，當(dāng)用戶(hù)按下按鈕S1時(shí)或者RST_IN送過(guò)來(lái)一個(gè)低電平時(shí)，Reset端輸出為低電平，系統(tǒng)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，松開(kāi)S1時(shí)，系統(tǒng)即可進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

2 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)RTOS，具體指系統(tǒng)能及時(shí)響應(yīng)來(lái)自外部事件的請(qǐng)求，在確定的時(shí)間處理該事件，統(tǒng)一控制實(shí)時(shí)任務(wù)一致運(yùn)行。RTOS的開(kāi)發(fā)工具允許用戶(hù)針對(duì)不同的應(yīng)用對(duì)象對(duì)RTOS的內(nèi)核進(jìn)行裁剪、壓縮，以適應(yīng)各類(lèi)應(yīng)用，并提供應(yīng)用程序的調(diào)試環(huán)境。

2.1 μC/OS?Ⅱ的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

μC/OS?Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是一個(gè)完整的、可移植、固化、裁剪的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，目前己經(jīng)在超過(guò)40種不同架構(gòu)的微處理器上運(yùn)行，圖5是本系統(tǒng)的軟硬件體系結(jié)構(gòu)。

初始化程序是針對(duì)S3C44B0X使用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的。在將控制權(quán)交給操作系統(tǒng)前，初始化最基本的硬件設(shè)備。主要工作是配置SDRAM并將操作系統(tǒng)代碼從FLASH拷貝到SDRAM中。

2.2 小鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)編寫(xiě)

系統(tǒng)采用智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片HD7279連接一個(gè)4×4鍵盤(pán)和S3C44B0X通信。HD7279A是一片具有串行可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管（或64只獨(dú)立LED）的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片同時(shí)還可連接多達(dá)64鍵的鍵盤(pán)矩陣，單片即可完成LED顯示﹑鍵盤(pán)接口的全部功能。HD7279A內(nèi)部含有譯碼器，可直接接收BCD碼或16進(jìn)制碼，并同時(shí)具有2種譯碼方式。此外，還具有多種控制指令，如消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等。HD7279A具有片選信號(hào)可方便地實(shí)現(xiàn)多于8位的顯示或多于64 鍵的鍵盤(pán)接口。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 模塊總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)流程如圖6所示，信號(hào)通過(guò)ADC 后以DMA方式進(jìn)入兩個(gè)8 MB的SDRAM，二者構(gòu)成一對(duì)乒乓存儲(chǔ)系統(tǒng)，一側(cè)負(fù)責(zé)采集信號(hào)的緩存，同時(shí)另一側(cè)負(fù)責(zé)向上位機(jī)發(fā)送，二者交替工作，保證信號(hào)流采集和發(fā)送的連續(xù)。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)通信模塊，由于μC/OS?Ⅱ只是一個(gè)實(shí)時(shí)的任務(wù)調(diào)度及通信內(nèi)核，缺少對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持，所以需要將LwIP（Light Weight IP Protocol）移植到μC/OS?Ⅱ上，使其支持網(wǎng)絡(luò)功能。本章后面部分將重點(diǎn)介紹NE2000 兼容網(wǎng)卡RTL8019AS驅(qū)動(dòng)程序在嵌入式系統(tǒng)中的編寫(xiě)。

3.2 信號(hào)調(diào)理模塊

S3C44B0X內(nèi)部具有一個(gè)逐次逼近型8 路模擬信號(hào)輸入的10 位ADC，但是不具有采樣保持（S/H）電路，不能用于快速變化的信號(hào)采集，因此需要在前級(jí)信號(hào)調(diào)理電路中加入采樣保持功能。

在此系統(tǒng)中，采用了Microchip Technology公司的模擬增益可編程運(yùn)放（PGA） MCP6S28芯片，傳感器采集的信號(hào)接入MCP6S28的通道輸入端，輸出VOUT接入處理器內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)輸入端AIN管腳。MCP6S28 的增益可設(shè)置為1～32 V/V，它具有多路選擇輸入（MUX）模塊，共有8 路輸入。MCP6S28具有SPI 接口，故將其與S3C44B0X的對(duì)應(yīng)SPI 管腳連接即可，用于選擇增益水平和輸入通道。對(duì)MCP6S28進(jìn)行操作的控制字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)均從SI引腳輸入，并在寫(xiě)入數(shù)據(jù)的串行時(shí)鐘（SCK）上升沿被鎖存。

3.3 A/D采樣器程序設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換由S3C44B0X內(nèi)部模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）完成，它是一個(gè)10位、逐次逼近型的ADC，有8路模擬信號(hào)輸入，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中包括模擬輸入多路復(fù)用器，自動(dòng)調(diào)零比較器，時(shí)鐘產(chǎn)生器，10位逐次逼近寄存器（SAR），輸出寄存器。這個(gè)ADC還提供可編程選擇的睡眠模式，以節(jié)省功耗。S3C44B0X內(nèi)部有3個(gè)與A/D轉(zhuǎn)換有關(guān)的寄存器：控制寄存器ADCCON、預(yù)分頻寄存器ADCPSR、數(shù)據(jù)寄存器ADCDAT。

ADCPSR中存儲(chǔ)預(yù)置比例因子，取值范圍是0～255。完成一次A/D轉(zhuǎn)換至少需要16 個(gè)A/D時(shí)鐘周期，有：

A/D轉(zhuǎn)換總時(shí)鐘數(shù)=2×（預(yù)置比例因子+1）×16

A/D的最高采樣速率是100 KS/s，即每個(gè)采樣周期為10 μs。ARM7運(yùn)行在66 MHz主頻下，每個(gè)周期為15.152 ns。這樣每個(gè)采樣周期包括660個(gè)主頻周期。ARM7具有0.97 MIPS/MHz的指令效率，660個(gè)主頻周期可以運(yùn)行約640條的指令。在計(jì)數(shù)器觸發(fā)A/D采樣的情況下，處理器的工作是每采樣周期從A/n讀取一次數(shù)據(jù)并保存到RAM中，代碼如下：

LDR R0，[R1]：寄存器Rl中保存了A/D數(shù)據(jù)寄存器的地址，需要3周期

STR R0，[R2，#4]：寄存器R2中保存了RAM中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的起始地址；需要2周期

這個(gè)操作需要5個(gè)主頻周期。利用剩余的轉(zhuǎn)換時(shí)間，ARM7可以完成數(shù)據(jù)的打包發(fā)送以及其他的任務(wù)。在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，ARM要禁止一切可屏蔽中斷。

4 LabVIEW上位機(jī)模塊設(shè)計(jì)

上位機(jī)的功能有兩方面：一是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，參數(shù)測(cè)量和存儲(chǔ)；二是對(duì)下位機(jī)的遠(yuǎn)程控制。監(jiān)測(cè)人員能夠直觀地獲得測(cè)試結(jié)果，可以很方便地對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行控制。

本系統(tǒng)的上位機(jī)系統(tǒng)利用虛擬儀器技術(shù)和LabVIEW圖形化軟件開(kāi)發(fā)集成環(huán)境，設(shè)計(jì)了該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程控制模塊。測(cè)試結(jié)果表明，該數(shù)據(jù)分析處理模塊的功能比較完善，操作十分方便，完全滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需要。

4.1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信接口程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)和下位機(jī)通信的傳輸內(nèi)容可以分為測(cè)控命令和數(shù)據(jù)兩種。其中下位機(jī)向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大、對(duì)傳輸速度要求較高、對(duì)可靠性的要求不很?chē)?yán)格。

UDP是面向非連接的方式， 提供的是不可靠的數(shù)據(jù)傳輸，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，速度快、實(shí)時(shí)性好，并且支持廣播和組播，同時(shí)在單一、封閉局域網(wǎng)中可靠性也很高。因此用一般的UDP通信就可以達(dá)到很好的可靠性以滿(mǎn)足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

一個(gè)簡(jiǎn)單的UDP數(shù)據(jù)接收、顯示程序如圖7所示。程序分為UDP打開(kāi)，UDP讀取和UDP關(guān)閉三個(gè)環(huán)節(jié)。首先指定本地端口號(hào)，本文為61557，這個(gè)端口必須與下位機(jī)設(shè)置的目標(biāo)遠(yuǎn)程端口一致。在運(yùn)行此程序前，必須先運(yùn)行下位機(jī)程序。UDP Read節(jié)點(diǎn)設(shè)置UDP數(shù)據(jù)報(bào)最大字節(jié)數(shù)，最大值為548，此處設(shè)置為100，若超過(guò)本值，Windows將提示出錯(cuò)信息。

4.2 控制程序設(shè)計(jì)

程序界面如圖8所示，觀測(cè)人員可以通過(guò)示波器的波形顯示及時(shí)調(diào)整遠(yuǎn)端采集設(shè)備的相應(yīng)參數(shù)。這樣可以充分利用A/D轉(zhuǎn)換器的最大輸入量程（2.5 V）盡可能提高測(cè)量精度。另一個(gè)可以控制的參數(shù)是采樣速率，當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率較低時(shí)可以使用低速率采樣，在保證失真度的情況下降低數(shù)據(jù)流，避免因網(wǎng)絡(luò)擁擠可能產(chǎn)生的數(shù)據(jù)丟失。設(shè)備重啟控制用于使下位機(jī)的系統(tǒng)軟件及硬件寄存器完全恢復(fù)到初始狀態(tài)。

控制信號(hào)的數(shù)據(jù)量較小，對(duì)傳輸?shù)目煽啃砸髧?yán)格，故采用TCP 協(xié)議。對(duì)于LabVIEW程序的設(shè)計(jì)采用事件驅(qū)動(dòng)模式，當(dāng)增益水平和采樣速率的List 控件值改變時(shí)，驅(qū)動(dòng)主程序向下位機(jī)發(fā)送控制信號(hào)。向下位機(jī)發(fā)送的是增益水平或者采樣速率的數(shù)值。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)以及系統(tǒng)的延時(shí)，效果通常要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能反映出來(lái)。

4.3 下位機(jī)響應(yīng)程序編寫(xiě)

下位機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧是通過(guò)LwIP實(shí)現(xiàn)的，LwIP提供一系列函數(shù)實(shí)現(xiàn)IP，TCP，UDP等的操作。其中tcp_input（），tcp_process（），tcp_receive（）與TCP輸入處理有關(guān)。函數(shù)netconn listen（）讓系統(tǒng)進(jìn)入TCP監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)。當(dāng)TCP連接建立后，tcp_receive（）把接收到的數(shù)據(jù)tcp_data傳給上級(jí)應(yīng)用程序。再判斷tcp_data數(shù)值的大小，分為以下三種情況：

若為0X11111111，使程序跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)初始位置，重新設(shè)置各種設(shè)備。

若為1～32，調(diào)用SPI 控制程序，給數(shù)據(jù)寄存器SPDR賦值，再通過(guò)MOSI發(fā)送給MCP6S28的增益寄存器。

若tcp_data≤1 000，則為采樣速率控制量，需修改A/D轉(zhuǎn)換預(yù)置比例因子寄存器ADCPSR，修改的值根據(jù)芯片手冊(cè)推導(dǎo)。

4.4 數(shù)據(jù)文件儲(chǔ)存程序設(shè)計(jì)

由于二進(jìn)制文件存儲(chǔ)速度快，冗余數(shù)據(jù)少，格式也最為緊湊，因此在進(jìn)行大量數(shù)據(jù)采集時(shí)，往往采用這種文件格式。圖9中是用底層函數(shù)實(shí)現(xiàn)的二進(jìn)制文件的輸入VI，可以實(shí)時(shí)存儲(chǔ)通過(guò)UDP接收的數(shù)據(jù)，首先用Open/Creat/Replace File VI新建一個(gè)文件，然后在WhileLoop 中用Write File 函數(shù)將網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)寫(xiě)入文件，最后用Close File 函數(shù)關(guān)閉文件。

5 結(jié) 論

本文基于分布式虛擬儀器概念，設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)采集和測(cè)試系統(tǒng)，基于ARM的下位機(jī)和基于LabVIEW 的上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理和存儲(chǔ)。首先針對(duì)基于ARM微處理器S3C44B0X 的嵌入式采集系統(tǒng)進(jìn)行整體開(kāi)發(fā)，將嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS?Ⅱ移植到本系統(tǒng)中，開(kāi)發(fā)了網(wǎng)卡，數(shù)據(jù)采集模塊的底層驅(qū)動(dòng)程序。同時(shí)，移植μC/GUI圖形用戶(hù)接口，編寫(xiě)了鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)，使嵌入式系統(tǒng)具有更友好的人機(jī)界面，本系統(tǒng)將虛擬儀器技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合，引入LabVIEW SQL及相關(guān)模型，為有效地組織和管理數(shù)據(jù)以及構(gòu)架網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)打下了良好的基礎(chǔ)。

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