于春華 ，石云波 ，趙 赟

（1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2.蘇州中盛納米科技有限公司，蘇州 215123）

在傳統(tǒng)的傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，大量的數(shù)據(jù)需要采集、傳輸、處理與存儲(chǔ)，經(jīng)常采用RS232串行通訊來交換數(shù)據(jù)和信息的模式，不僅速度較慢，而且硬件連接模式單一。隨著工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的快速發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)采集可靠性和實(shí)時(shí)性以及控制精度的要求也不斷提高，如何提高數(shù)據(jù)采集及傳輸?shù)男阅?，成為研究的熱點(diǎn)。

相對(duì)于受到傳輸距離和速度限制的RS232、RS485等傳輸方式，以太網(wǎng)具有兼容性好、通信速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、易于與上位機(jī)交互等優(yōu)勢(shì)。

文中提出了一種基于以太網(wǎng)的20路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，采用FPGA為核心完成模擬開關(guān)切換、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)編幀與傳輸。選用AD7667作為高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化芯片?；赪5300設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)傳輸模塊，可方便地將數(shù)據(jù)引入以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件的接收與分析。從而簡(jiǎn)化了外圍接口電路設(shè)計(jì)，減少了軟件編程的工作量，提高了系統(tǒng)的可靠性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件總體結(jié)構(gòu)

采編傳輸系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要分為20路運(yùn)放跟隨、模擬開關(guān)、AD控制模塊、FPGA主控模塊、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊。FPGA通過對(duì)AD的CS、RD、RESET等信號(hào)的控制，控制AD將模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量，轉(zhuǎn)換的數(shù)字量以一定的幀格式通過以太網(wǎng)傳給上位機(jī)。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊芯片采用W5300，通過網(wǎng)線連接硬件電路與上位機(jī)，完成上位機(jī)發(fā)出的命令與配置信息，接收硬件上傳的采樣數(shù)據(jù)。W5300內(nèi)部集成了TCP/IP內(nèi)核、微控制器、以太網(wǎng)物理層，使其具有更優(yōu)良的性能，可以進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信[1]。

圖1 硬件總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the hardware

1.2 AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

選用AD7667作為AD控制模塊的主控芯片。AD7667包含一個(gè)高速16位采樣ADC，一個(gè)內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，內(nèi)部參考，糾錯(cuò)電路，以及串行和并行系統(tǒng)接口端口。同時(shí)AD7667提供了一個(gè)片上采樣/保持，逐次逼近的ADC，從而不會(huì)出現(xiàn)任何流水線延遲，非常適合多復(fù)用通道。

AD轉(zhuǎn)換的時(shí)序圖如圖2所示，CONVST信號(hào)一旦開始轉(zhuǎn)換就無法終止或重新開始。當(dāng)BUSY信號(hào)為低電平，信號(hào)也為低電平時(shí)，AD7667處于數(shù)據(jù)采集階段，保持低電平的時(shí)間內(nèi)，AD7667自動(dòng)轉(zhuǎn)換。模擬信號(hào)在BUSY信號(hào)為低電平時(shí)輸入，上電時(shí)，信號(hào)被置為低電平，此時(shí)啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換[2]。

圖2 AD7667轉(zhuǎn)換時(shí)序Fig.2 AD7667 conversion timing diagram

AD轉(zhuǎn)換電路如圖3所示，圖中的C18和R30構(gòu)成一階低通濾波器，主要作用：保證運(yùn)放穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)ADC的容性輸入負(fù)載，R30將跟隨器與開關(guān)電容C18隔離，輸入端與接地之間的電容提供或吸收開關(guān)電容充電所需的電荷；R30減少了C18引起的相移，將運(yùn)放和負(fù)載電容隔離開來；限制運(yùn)放的噪聲帶寬，減少信號(hào)帶內(nèi)的噪聲。

圖3 AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)Fig.3 AD converting circuit design

1.3 以太網(wǎng)傳輸接口設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)傳輸接口模塊用來將AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字量上傳至上位機(jī)。接口設(shè)計(jì)電路如圖4所示。并行諧振晶體，提供給內(nèi)部振蕩器25 MHz的時(shí)鐘信號(hào)，用于 W5300內(nèi)核的工作時(shí)鐘[3]。TXOP（ON）、RXIP（IN）的介質(zhì)接口RJ45的網(wǎng)口連接，形成以太網(wǎng)傳輸接收數(shù)據(jù)的模塊。 電阻 R31、R32、R247、R248以及電容C29、C153能夠阻抗匹配。兩個(gè)獨(dú)立分開的PRO作為PHY與RJ45之間的隔離變壓器，能夠進(jìn)行波形的修復(fù)、增強(qiáng)信號(hào)，使得計(jì)算機(jī)可以與實(shí)驗(yàn)設(shè)備之間的傳輸距離更遠(yuǎn)，芯片與外部隔離，抗干擾能力增強(qiáng)。

圖4 以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)模塊電路圖Fig.4 Ethernet interface module diagram

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

VC++操作系統(tǒng)界面簡(jiǎn)潔，占用資源少，操作方便，本身提供基于傳輸層TCP和UDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信接口，所以本課題采用VC++進(jìn)行上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。

2.1 數(shù)據(jù)通信協(xié)議

在以太網(wǎng)通信過程中，為了滿足通信的成功率與準(zhǔn)確率，軟件設(shè)計(jì)中采用 TCP/IP通信協(xié)議完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信。在標(biāo)定傳感器的試驗(yàn)中，數(shù)據(jù)包傳輸?shù)乃俣确浅？?，系統(tǒng)可能無法及時(shí)處理數(shù)據(jù)包，因此，必須在應(yīng)用層確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃訹4]。制定了應(yīng)用層內(nèi)數(shù)據(jù)段的具體通信協(xié)議。

其中應(yīng)用層通信數(shù)據(jù)包格式主要由數(shù)據(jù)包的幀頭、幀計(jì)數(shù)、20路傳輸數(shù)據(jù)3個(gè)部分構(gòu)成，通信協(xié)議格式如表1所示。

2.2 網(wǎng)絡(luò)配置初始化

經(jīng)過初始化后，上位機(jī)與硬件方可通過以太網(wǎng)正常連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。初始化是對(duì)于網(wǎng)絡(luò)配置的基本設(shè)置，包括設(shè)置本地MAC、IP、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)和端口號(hào)、設(shè)置目標(biāo)IP地址、端口號(hào)、接收和發(fā)送緩沖區(qū)大小、分配各Socket的工作模式[5]。

表1 通信協(xié)議格式Tab.1 Communication protocol format

2.3 數(shù)據(jù)采集通信流程

根據(jù)IP地址和端口號(hào)與W5300建立 Socket套接字連接，Socket套接字是完成 TCP/IP通信的基本組成模塊[6]。完成網(wǎng)絡(luò)配置初始化后，在服務(wù)器模式下，通過tcp_connect（）函數(shù)發(fā)送一個(gè)SYS數(shù)據(jù)包提出連接請(qǐng)求，TCP服務(wù)器通過tcp_listen（）函數(shù)進(jìn)入監(jiān)聽模式，等待客戶端的連接請(qǐng)求。當(dāng)服務(wù)器端收到連接請(qǐng)求時(shí)通過tcp_accept（）函數(shù)接受其連接請(qǐng)求，建立Socket套接字連接[7]。雙方連接成功之后，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通信流程圖如圖5所示。

圖5 通信流程圖Fig.5 Communication flow chart

3 試驗(yàn)與結(jié)果

試驗(yàn)中使用了電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)、示波器以及標(biāo)準(zhǔn)傳感器和20個(gè)待標(biāo)定的傳感器等設(shè)備。在加速度為10 g，振動(dòng)頻率1 kHz的條件下進(jìn)行正弦定頻振動(dòng)試驗(yàn)。經(jīng)過系統(tǒng)的分析與處理，其中一路數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示波形如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集波形圖Fig.6 Data acquisition waveforms

從波形圖看出輸出電壓信號(hào)是0～+5 V的正弦波，信號(hào)經(jīng)過采集上傳至上位機(jī)，實(shí)際信號(hào)采集容易受到外界的干擾，每次測(cè)量值采集10次，取平均值，再與振動(dòng)校驗(yàn)儀所發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行比較，系統(tǒng)采樣誤差為

式中：設(shè)Vt為標(biāo)準(zhǔn)電壓；Vo為實(shí)際測(cè)得的電壓；ε為相對(duì)誤差。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)表Tab.2 Test data sheet

經(jīng)過分析，本系統(tǒng)對(duì)多通道數(shù)據(jù)采集信號(hào)誤差很小，多次的統(tǒng)計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)表明，誤差均在0.8%之內(nèi)，系統(tǒng)性能良好。

4 結(jié)語(yǔ)

W5300具有成本低、使用方便、穩(wěn)定可靠、傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)部集成了10/100 M以太網(wǎng)控制器，TCP/IP協(xié)議，能簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，同時(shí)避免采用軟件來實(shí)現(xiàn)繁瑣的以太網(wǎng)協(xié)議。FPGA器件的選擇，使得系統(tǒng)具有良好的通用性和擴(kuò)展性。便捷的以太網(wǎng)接入方式，固定幀格式數(shù)據(jù)傳輸方式，實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)通信的高效和穩(wěn)定。試驗(yàn)中可達(dá)到10 k的多通道同步采樣率，10 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，具有較高的數(shù)據(jù)采集傳輸性能，對(duì)于傳感器批量測(cè)試標(biāo)定系統(tǒng)的制造有著很高的實(shí)用價(jià)值。

[1] 何瓊，陳鐵，程鑫.基于以太網(wǎng)硬協(xié)議棧的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013（2）：21-24.

[2] 孟祥嬌，張會(huì)新，崔永俊，等.基于FPGA和AD7667的16路采編傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2012，27（11）：40-43.

[3] 徐紅艷.基于以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)[D].西安：西安理工大學(xué)，2010：50-57.

[4] 方寧.基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸[D].成都：電子科技大學(xué)，2005：12-14.

[5] 陳峰.實(shí)時(shí)信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].上海：上海交通大學(xué)，2010：31-35.

[6] 孫文.多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2013：22-27.

[7] 王彥碩.以太網(wǎng)和USB_GPIB接口在儀器數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[D].北京：北京化工大學(xué)，2006：18-20. ■