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        基于嵌入式技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接入方法

        2019-11-06 01:33:25吳寧
        關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)嵌入式

        吳寧

        摘要:在將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接入到網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程當(dāng)中,使用傳統(tǒng)的接入方法有著接入效率低下、數(shù)據(jù)采集誤碼率高的弊端,為了解決此類問(wèn)題,使用嵌入式技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)接入方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先選擇RTL8020芯片對(duì)網(wǎng)絡(luò)硬件接口進(jìn)行設(shè)計(jì),以嵌入式的方式將芯片安裝到網(wǎng)絡(luò)電路中,借助接口引腳實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)之間的電平轉(zhuǎn)換和邏輯控制,選擇相應(yīng)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議,并利用匯編語(yǔ)言使得采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)可以直接被網(wǎng)絡(luò)接收,最終實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的直接調(diào)用。為了保證嵌入式接入方法的接入效率,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,在搭建好實(shí)驗(yàn)環(huán)境的基礎(chǔ)上,設(shè)立傳統(tǒng)無(wú)線接入方法為實(shí)驗(yàn)的對(duì)照組,經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論:嵌入式網(wǎng)絡(luò)接入方法的平均誤碼率比傳統(tǒng)方法低0.3%,且傳輸速度快12Mbit/s。

        關(guān)鍵詞:嵌入式;數(shù)據(jù)采集;網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng);網(wǎng)絡(luò)接入;接入方法

        中圖分類號(hào):TP302文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):2095-5383(2019)03-0046-04

        隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷提高,動(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)逐漸向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。數(shù)據(jù)采集是動(dòng)態(tài)信號(hào)分析的基本步驟之一,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要以軟硬件協(xié)同工作為工作機(jī)制,由此可以記錄和顯示目標(biāo)信號(hào)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)測(cè)量采集方式通常是一邊測(cè)量、一邊手工記錄,然后輸入到PC端借助中央處理器對(duì)測(cè)量記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。這種方式不僅工作繁重,且存在人為誤差,無(wú)法保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,不僅可以提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性,還可以將采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中,方便日后的使用和調(diào)用。但數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無(wú)法獨(dú)立工作,在實(shí)際使用中,大多需要將該系統(tǒng)接入到不同的網(wǎng)絡(luò)中,例如針對(duì)企業(yè)工廠的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就需要將系統(tǒng)接入企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中。網(wǎng)絡(luò)接入包括光纖接入、同軸接人、銅線接人和無(wú)線接人4種方式,其中光纖接入、同軸接入和銅線接入都屬于有線接入。使用不同的通信介質(zhì),將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與系統(tǒng)主機(jī)連接在一起,通過(guò)系統(tǒng)配置實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的調(diào)用。而無(wú)線接人方法是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器發(fā)布無(wú)線連接信號(hào),利用微波和衛(wèi)星將系統(tǒng)接入到網(wǎng)絡(luò)中。經(jīng)研究與反饋,發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的接入方法存在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)采集誤傳率高的問(wèn)題,因此本文提出新的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接入方法,引入嵌入式技術(shù)將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接入到網(wǎng)絡(luò)中,由單個(gè)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制邏輯。

        1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接入方法設(shè)計(jì)

        以太網(wǎng)的傳輸速率能夠滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的運(yùn)行要求,因此以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接人以太網(wǎng)為例,設(shè)計(jì)相應(yīng)的接人方法。使用嵌入式的系統(tǒng)接人結(jié)構(gòu),將數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)功能集成在單板上,網(wǎng)絡(luò)接入方法的結(jié)構(gòu)框架以及執(zhí)行流程分別如圖1、圖2所示。

        數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)當(dāng)中的數(shù)據(jù)接口直接與網(wǎng)絡(luò)接口相連,使得數(shù)據(jù)采集結(jié)果可以直接寫入到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的緩存單元當(dāng)中,或者交由中央控制單元寫入緩存。中央控制單元協(xié)調(diào)各個(gè)系統(tǒng)接口的工作,將數(shù)據(jù)交由以太網(wǎng)接口發(fā)送。

        1.1網(wǎng)絡(luò)硬件接口設(shè)計(jì)

        網(wǎng)絡(luò)硬件接口選擇RTL8020芯片.該芯片的內(nèi)部結(jié)果包括多個(gè)數(shù)據(jù)線接口和若干個(gè)地址線接口,接口芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        按照?qǐng)D3的芯片分布,對(duì)網(wǎng)絡(luò)接入接口進(jìn)行設(shè)計(jì),使其可以應(yīng)用在IOM的ISA接口網(wǎng)絡(luò)適配器當(dāng)中,方便數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的接入。從圖3的結(jié)構(gòu)可以看出,接口芯片主要由接收邏輯控制器、接收/發(fā)送CRC校驗(yàn)、FIFO邏輯對(duì)列等零件組成,每一個(gè)零件都有相應(yīng)的寄存器加以控制,保證系統(tǒng)可以通過(guò)硬件順利安裝到網(wǎng)絡(luò)上。

        網(wǎng)絡(luò)的硬件接口除了芯片外.還需要設(shè)立I/O引腳,且I/O引腳的電壓需維持在3.3v左右,接口的內(nèi)核電壓為1.8v。除了I/O引腳之外,在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中,會(huì)產(chǎn)生時(shí)鐘發(fā)生現(xiàn)象,該部分需要借助時(shí)鐘輸入引腳和預(yù)設(shè)時(shí)鐘模式引腳兩個(gè)硬件設(shè)備。無(wú)論是I/O引腳還是時(shí)鐘引腳,內(nèi)部都不設(shè)計(jì)片內(nèi)振蕩電路,使用50MHz的晶體振蕩器來(lái)代替片內(nèi)電路。

        1.2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)電路嵌入式連接

        將設(shè)計(jì)完成的網(wǎng)絡(luò)硬件接口與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的硬件設(shè)備,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)電路進(jìn)行連接。由于系統(tǒng)需要采集大量的數(shù)據(jù),因此在電路當(dāng)中除了接口設(shè)備以外,還需要接人數(shù)據(jù)處理器、存儲(chǔ)器等設(shè)備,按照?qǐng)D4所示的電路進(jìn)行連接。

        在網(wǎng)絡(luò)接口電路當(dāng)中內(nèi)嵌一個(gè)控制器,支持獨(dú)立接口和緩沖接口。這種電路連接方式可以在系統(tǒng)半雙工以及全雙工模式下,提供網(wǎng)絡(luò)接人,且網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)的正常工作不受影響。

        1.3系統(tǒng)的接口轉(zhuǎn)換及邏輯控制

        由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的接口與網(wǎng)絡(luò)接口的結(jié)構(gòu)不同,因此當(dāng)硬件接口設(shè)備連接完成之后,需要通過(guò)軟件程序?qū)ο到y(tǒng)的接口進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在此次接人方法中的接口轉(zhuǎn)換主要針對(duì)系統(tǒng)接口與網(wǎng)絡(luò)接口之間的高低電壓轉(zhuǎn)換,涉及到雙向網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)總線和單向系統(tǒng)地址總線。當(dāng)系統(tǒng)接口的硬件設(shè)備接人到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中時(shí),由I/0引腳引出空閑的地址線,將引出的引腳與雙向總線緩沖器相連。緩沖器當(dāng)中的DIR控件用來(lái)控制數(shù)據(jù)流的走向,當(dāng)輸入的系統(tǒng)接口為低電平時(shí),數(shù)據(jù)緩沖器有輸出,且輸出增強(qiáng)電平;若輸入的為高電平,則緩沖器輸出端為高阻態(tài)狀態(tài),那么輸出的電平即為低電平。另外還需要進(jìn)行地址譯碼方便數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在工作時(shí)的混合編程,并進(jìn)行讀寫邏輯控制。

        1.4嵌入式系統(tǒng)TCP/IP協(xié)議選擇

        對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言,數(shù)據(jù)傳輸和處理的實(shí)時(shí)性是比較重要的,因此當(dāng)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析時(shí),需要遵循嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,提供網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量,進(jìn)而保證系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。其中選擇的傳輸協(xié)議首部需要包含:報(bào)文序號(hào)、確認(rèn)序號(hào)、報(bào)文類型以及頭校驗(yàn)碼等多個(gè)字段,且嵌入式的TCP/IP協(xié)議棧需要實(shí)現(xiàn)ARP、IP、ICMP、TCP等多個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,實(shí)現(xiàn)嵌入式Web服務(wù)器。

        1.5匯編語(yǔ)言混合編程

        利用DSP匯編語(yǔ)言與C語(yǔ)言進(jìn)行混合編碼,保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)信息可以直接被網(wǎng)絡(luò)識(shí)別與存儲(chǔ),使用4種編程結(jié)構(gòu)原理,提高編譯代碼的效率,具體的編程結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。

        從圖5可以看出.在硬件接口連接完成的基礎(chǔ)上,網(wǎng)絡(luò)接人編碼步驟分為:選取信息位、生成矩陣和極碼化編碼。通過(guò)式(1)選取數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中需要傳輸?shù)男畔⑽弧?/p>

        1.6網(wǎng)絡(luò)調(diào)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

        將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)編程與調(diào)整順利地接入網(wǎng)絡(luò)中,網(wǎng)絡(luò)通過(guò)向采集系統(tǒng)發(fā)送采集指令調(diào)用系統(tǒng)功能,并通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到的信息傳送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收,進(jìn)而完成網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的調(diào)用,使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從硬件和軟件兩個(gè)方面接入到網(wǎng)絡(luò)中。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)出采集指令,該系統(tǒng)運(yùn)行得到數(shù)據(jù)采集結(jié)果,混合語(yǔ)言對(duì)采集的結(jié)果進(jìn)行編譯,并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口傳送到網(wǎng)絡(luò)中,即完成了網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的調(diào)用過(guò)程,也就完成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)之間的嵌入式連接。

        2實(shí)驗(yàn)分析

        在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境上搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)試網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),并對(duì)系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)的方法進(jìn)行測(cè)試,檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的性能。

        2.1布設(shè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

        為了避免實(shí)驗(yàn)的偶然性,設(shè)置2種實(shí)驗(yàn)環(huán)境,具體的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模塊配置情況如表1所示。

        按照表1的數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行配置.從表1可以看出,2個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境處理輸出模塊和輸出點(diǎn)數(shù)不同外,其他模塊均相同。按照網(wǎng)絡(luò)接入方法對(duì)接口芯片進(jìn)行設(shè)計(jì),并將其安裝到網(wǎng)絡(luò)電路當(dāng)中,并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接入外線安裝。在外線布設(shè)與安裝的過(guò)程中,需要保證整個(gè)傳輸信道的穩(wěn)定性,另外需要注意的是電源線和電話線路對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的運(yùn)行有著極強(qiáng)的干擾作用,因此不要將干擾線路放在一起平行布線。

        2.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程

        在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中設(shè)立傳統(tǒng)的無(wú)線接人方法作為實(shí)驗(yàn)的對(duì)比方法,此次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象選擇經(jīng)過(guò)性能和功能測(cè)試且通過(guò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),分別使用傳統(tǒng)接入方法和嵌入式接入方法,將相同的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別接人到實(shí)驗(yàn)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。讓測(cè)試人員同時(shí)發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令,將采集到的數(shù)據(jù)結(jié)果分別存儲(chǔ)在系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器當(dāng)中,其中系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中存儲(chǔ)的采集結(jié)果為檢驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的唯一標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)式(5)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果的誤碼率進(jìn)行計(jì)算。

        2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

        經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)中的接入認(rèn)證界面如圖6所示。

        在確定系統(tǒng)接入的情況下,得出2種接入方法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),如表2所示。

        從表2可以看出,使用不同的網(wǎng)絡(luò)接人方法將同一系統(tǒng)接人到相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境當(dāng)中,得到不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)過(guò)比對(duì)發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)接入方法得到的數(shù)據(jù)平均誤碼率為0.68%,而嵌入式網(wǎng)絡(luò)接入方法的平均誤碼率僅為0.38%。且嵌入式接入方法比傳統(tǒng)接入方法的傳輸速度快12Mbit/s。由此可以得出結(jié)論:使用嵌入式技術(shù)下的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接入方法,對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的影響更小,接入效果更佳。

        3結(jié)束語(yǔ)

        綜上所述,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)中使用嵌入式的接入方式進(jìn)行傳輸,實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程傳輸?shù)墓δ?,并且誤碼率小、傳輸速度快,在今后的使用過(guò)程當(dāng)中可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作測(cè)量。設(shè)計(jì)出的嵌入式網(wǎng)絡(luò)接入方法,依然存在一定的誤碼率,因此在今后的研究中,需要針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

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