網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)范文

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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/OSⅡ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)的功能完善、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；S3C44B0X；μC/OSⅡ；LwIP

虛擬儀器（VirtualInstrument）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)得的數(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)處信息實(shí)時(shí)變化的趨勢(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)狻崮艿龋９芾聿块T(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)單地實(shí)現(xiàn)PlugandPlay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)。了解了RTL8019AS所提供的資源與硬件接口，便可以設(shè)計(jì)RTL8019AS與S3C44B0X的硬件電路。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5V和3.4V的直流穩(wěn)壓電源，其中，S3C44B0X核心使用2.5V電源，外圍器件需3.4V電源，另外部分器件需5V電源，5V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10MHz的有源晶振，10MHz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)66MHz。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)鐘所造成的高頻噪聲。同時(shí)在系統(tǒng)中還有頻率為32.768kHz的實(shí)時(shí)時(shí)鐘晶振源，在USB接口芯片處也有一個(gè)48MHz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。

2.1μC/OSⅡ的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)μC/OSⅡ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是JeanJ.Labrosse開(kāi)發(fā)的一個(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，目前已經(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)8MB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/OSⅡ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（LightWeightIPprotocol）移植到μC/OSⅡ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，但是不具有保持采樣保持（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MicrochipTechnology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1~32V/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對(duì)應(yīng)的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。

3.3A/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）×16A/D的最高采樣速率是100KS/s，即每個(gè)采樣周期為10μs。ARM7運(yùn)行在66MHz主頻下，每個(gè)周期為15.152ns。這樣每個(gè)采樣周期包括660個(gè)主頻周期。ARM7具有0.97MIPS/MHz的指令效率，660個(gè)主頻周期可以運(yùn)行約640條指令。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/D讀取一次數(shù)據(jù)并保存到RAM中，代碼如下：LDRR0，[R1]：寄存器R1中保存了A/D數(shù)據(jù)寄存器的地址，需要3周期。STRR0，[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。

4LabVIEW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，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)送的數(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Ｒ粋€(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。UDPRead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（2.5V），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)擁擠產(chǎn)生數(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)netconnlisten（）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≤1000，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/ReplaceFileVI新建一個(gè)文件，然后在WhileLoop中用WriteFile函數(shù)將網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)寫(xiě)入文件，最后用CloseFile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/OSII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LabVIEWSQL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)。

作者：徐立艷 單位：通遼職業(yè)學(xué)院