劉晨

摘 要：隨著科技的不斷發(fā)展，工業(yè)控制逐步向智能化，網(wǎng)絡(luò)化和集成化發(fā)展，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控在遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸以及工業(yè)數(shù)據(jù)采集中的要求越來越高。文章就以遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集展開研究并設(shè)計(jì)多路以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集卡，充分利用遠(yuǎn)程資源，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)采用STM32F系列單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，數(shù)據(jù)對(duì)象為模擬電壓信號(hào)，通過12位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并經(jīng)以太網(wǎng)傳輸至計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上位機(jī)顯示并處理。從而實(shí)現(xiàn)了基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)從下位機(jī)網(wǎng)卡（ENC28J60）發(fā)出，經(jīng)以太網(wǎng)傳輸至PC機(jī)網(wǎng)卡，最終由VB編寫的以太網(wǎng)客戶端撥號(hào)鏈接下位機(jī)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集并顯示，測試結(jié)果理想。

關(guān)鍵詞：多路以太網(wǎng)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP274.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）11-0067-02

1 背景概述

以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)，憑借開放性好、成本低廉、數(shù)據(jù)傳輸率高等諸多優(yōu)勢，在工業(yè)自動(dòng)化和過程控制領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用[1]。依靠以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息共享，給辦公自動(dòng)化帶來很大的變革，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控在工業(yè)生產(chǎn)中也變得尤為重要，尤其是數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，本論文就以遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集展開研究。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、處理和顯示實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)物理量的監(jiān)控、分析和保存[2]。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是對(duì)數(shù)據(jù)采集后進(jìn)行遠(yuǎn)程傳送具有不受環(huán)境、氣候、時(shí)間等因素影響的優(yōu)勢。以太網(wǎng)（Ethernet）技術(shù)支持幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，所以在數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用，具有傳輸速度高、距離遠(yuǎn)、低能耗、便于安裝、兼容性好、開放性高和支持設(shè)備多等方面的優(yōu)勢[3]。

2 整體系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文采用下位機(jī)負(fù)責(zé)模擬數(shù)據(jù)的采集，主控制器負(fù)責(zé)采集七路數(shù)據(jù)，并應(yīng)答主機(jī)發(fā)送的命令將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)負(fù)責(zé)處理接受過來的數(shù)字量的處理及顯示，上位機(jī)和下位機(jī)采用以太網(wǎng)進(jìn)行通信。

上位機(jī)將所有數(shù)據(jù)保存到計(jì)算機(jī)中，這樣用戶可以隨時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效查詢和分析，有利于工業(yè)過程的長期正常運(yùn)行和檢查。下位機(jī)采用的是STM32單片機(jī)，上位機(jī)采用Visual Basic 6.0編寫。

下位機(jī)根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的命令選擇單通道速數(shù)據(jù)采集還是低速7通道數(shù)據(jù)同時(shí)采集，然后將數(shù)據(jù)經(jīng)以太網(wǎng)發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)將數(shù)據(jù)顯示并保存入庫。

3 數(shù)據(jù)采集-下位機(jī)

本設(shè)計(jì)采用單通道高速采樣、多次發(fā)送方式和多通道循環(huán)采樣、實(shí)時(shí)發(fā)送兩種模式，其模式的選擇由上位機(jī)發(fā)送命令給下位機(jī)，當(dāng)收到上位機(jī)發(fā)送到“duotongdao”字符串時(shí)，下位機(jī)轉(zhuǎn)換到多通道模式，當(dāng)收到上位機(jī)發(fā)送到“dantonfdao”字符串時(shí)，下位機(jī)轉(zhuǎn)換到單通道模式。

3.1 模式一（單通道模式）

在程序中順序定義多個(gè)緩沖區(qū)，ADC高速采樣并依次將5個(gè)緩沖區(qū)填滿，一旦緩沖區(qū)全部填滿，停止采樣。當(dāng)最后一個(gè)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送完成，ADC采樣標(biāo)志位置位，將開始新一輪的數(shù)據(jù)采樣。經(jīng)測試，單通道連續(xù)采樣頻率為23 kHz。

單通道模式，如圖3-1所示，A-B，B-C分別是一次連續(xù)的ADC采樣。從圖中可看出，在一次連續(xù)采樣中，數(shù)據(jù)的連續(xù)性很好，但跳躍性大，即采樣死區(qū)時(shí)間長。

3.2 模式二（多通道模式）

多通道模式是對(duì)七路數(shù)據(jù)進(jìn)行輪詢采樣，依次將采集到的數(shù)據(jù)放置到指定的緩沖區(qū)內(nèi)。一共采集1 400次，每個(gè)通道占用200字節(jié)。在一次數(shù)據(jù)包成功發(fā)送完成后，ADC采集標(biāo)志位置位，進(jìn)行下一次的ADC采集，直到采樣完成，停止采樣并發(fā)送數(shù)據(jù)包。由于數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）采用的是單次轉(zhuǎn)換，所以，單通道模式的采樣速率是多通道的七倍，即多通道模式采樣速率約等于3 kHz。

多通道模式，如圖2所示，A-B是一次數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包到達(dá)后緊跟著下一個(gè)數(shù)據(jù)包就到，如此連續(xù)。

采集到數(shù)據(jù)需要將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，為了標(biāo)志通道數(shù)據(jù)，下位機(jī)將數(shù)據(jù)放入IP包時(shí)，分別用“A”、“B”、“C”、“D”、“E”、“F”、“G”來表示多通道模式一至七通道每個(gè)數(shù)據(jù)的開始。

3 數(shù)據(jù)顯示處理—VB上位機(jī)

3.1 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)的主要功能是接收下位機(jī)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。主要包括數(shù)據(jù)的接收、顯示、保存、繪圖。上位機(jī)數(shù)據(jù)的顯示主要是對(duì)接收到的12位ADC數(shù)據(jù)顯示，以及將ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓值，并顯示出來。數(shù)據(jù)的保存是將接收到的所有數(shù)據(jù)按照通道數(shù)和時(shí)間順序保存到計(jì)算機(jī)上，以便于以后的查詢。數(shù)據(jù)繪圖是將接收到的數(shù)據(jù)變化曲線繪制出來，便于觀察。

3.2 上位機(jī)界面介紹

①啟動(dòng)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集卡后除了出現(xiàn)客戶端界面外，還彈出了電壓比例選項(xiàng)設(shè)置面板，可以打開和關(guān)閉所要觀察的通道數(shù)據(jù)顯示，再對(duì)每個(gè)通道選擇數(shù)據(jù)，“0”表示關(guān)閉“1”，“2”，“3”，“4”分別表示采集數(shù)據(jù)的1倍顯示，2倍顯示，3倍顯示，4倍顯示。

②主機(jī)名和端口號(hào)可以手動(dòng)輸入服務(wù)器的IP地址和監(jiān)聽端口號(hào)，輸入之后點(diǎn)擊“鏈接”按鈕。窗體可實(shí)時(shí)收縮和還原。

③在主窗體下方有“通道一”至“通道七”七個(gè)按鈕，點(diǎn)擊按鈕，可繪圖。通道按鈕對(duì)應(yīng)的下的顏色和繪圖區(qū)通道的顏色一致，可明顯區(qū)分。

④點(diǎn)擊主窗體左下方“數(shù)據(jù)庫”按鈕，彈出上位機(jī)數(shù)據(jù)庫，如圖3所示。點(diǎn)擊后會(huì)彈出數(shù)據(jù)庫窗體，在該窗體中可以查看過去任意時(shí)刻所有通道的數(shù)據(jù)。

3.3 上位機(jī)數(shù)據(jù)保存

①寫數(shù)據(jù)。在本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)保存的格式是以日期和時(shí)間分鐘為單位命名文件，寫數(shù)據(jù)格式為：數(shù)據(jù)序列號(hào)+系統(tǒng)時(shí)間+數(shù)據(jù)。

②讀數(shù)據(jù)。工業(yè)應(yīng)用中，在數(shù)據(jù)保存入庫后，還要方便查詢，因此上位機(jī)中提供了數(shù)據(jù)查看器，可以方便查詢所需要的數(shù)據(jù)：所有的數(shù)據(jù)按照時(shí)間先后依次排列。

4 調(diào)試結(jié)果

用示波器給下位機(jī)輸入模擬信號(hào)，上位機(jī)鏈接成功，調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的頻率；上位機(jī)選擇單通道模式，并根據(jù)采樣點(diǎn)調(diào)整面板采樣點(diǎn)sampl的值。采1 000 Hz，20 Hz正弦波實(shí)時(shí)折線圖，如圖4、圖5所示。

從測試結(jié)果來看，當(dāng)正弦波頻率超過1 300 Hz時(shí)，單通道模式下采樣得到的數(shù)據(jù)波形有一點(diǎn)失真，當(dāng)正弦波頻率是1 000 Hz時(shí)，采樣的波形幾乎沒有失真，從圖4中，可以大約推算出ADC的采樣頻率。

上位機(jī)選擇多通道模式，并根據(jù)采樣點(diǎn)調(diào)整面板采樣點(diǎn)sampl的值。采集250 Hz，200 Hz正弦波實(shí)時(shí)折線圖如圖6、圖7所示。

從圖中可以看出，多通道模式下，當(dāng)正弦波頻率大于 250 Hz時(shí)， 采樣到的數(shù)據(jù)波形有失真，正弦波頻率是200 Hz時(shí)，幾乎沒有失真。多通道數(shù)據(jù)采集的速率是單通道的七倍，測試結(jié)果與下位機(jī)采樣頻率一致。多通道模式對(duì)數(shù)據(jù)的采樣率低，但是數(shù)據(jù)整體連續(xù)性好，不會(huì)讓大范圍的數(shù)據(jù)流失。

5 結(jié) 語

多路以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于STM32下位機(jī)采集七路模擬信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，最終的測試結(jié)果很理想。本設(shè)計(jì)的核心在于數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)在以太網(wǎng)中的應(yīng)用目前已經(jīng)基本成熟，數(shù)據(jù)經(jīng)以太網(wǎng)傳輸具備很大的優(yōu)點(diǎn)，比如數(shù)據(jù)量大，速度快，安全等。本設(shè)計(jì)能成功的一個(gè)重要因素也在于uIP協(xié)議棧的推廣，它是TCP/IP協(xié)議的精簡版，也是縮小版，很容易應(yīng)用到各種微型控制器中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王斐然.基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].科技傳播，2010，（17）.