基于以太網的20路采編傳輸系統的設計

于春華 ，石云波 ，趙 赟

（1.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051；2.蘇州中盛納米科技有限公司，蘇州 215123）

在傳統的傳感器標定實驗中，大量的數據需要采集、傳輸、處理與存儲，經常采用RS232串行通訊來交換數據和信息的模式，不僅速度較慢，而且硬件連接模式單一。隨著工業自動化設備的快速發展，對數據采集可靠性和實時性以及控制精度的要求也不斷提高，如何提高數據采集及傳輸的性能，成為研究的熱點。

相對于受到傳輸距離和速度限制的RS232、RS485等傳輸方式，以太網具有兼容性好、通信速率高、傳輸距離遠、易于與上位機交互等優勢。

文中提出了一種基于以太網的20路數據采集系統設計方案，采用FPGA為核心完成模擬開關切換、模數轉換以及數據編幀與傳輸。選用AD7667作為高速數據轉化芯片。基于W5300設計的以太網傳輸模塊，可方便地將數據引入以太網，實現上位機軟件的接收與分析。從而簡化了外圍接口電路設計，減少了軟件編程的工作量，提高了系統的可靠性。

1 系統硬件設計

1.1 硬件總體結構

采編傳輸系統的硬件總體結構如圖1所示。主要分為20路運放跟隨、模擬開關、AD控制模塊、FPGA主控模塊、以太網數據傳輸模塊。FPGA通過對AD的CS、RD、RESET等信號的控制，控制AD將模擬量轉為數字量，轉換的數字量以一定的幀格式通過以太網傳給上位機。以太網數據傳輸模塊芯片采用W5300，通過網線連接硬件電路與上位機，完成上位機發出的命令與配置信息，接收硬件上傳的采樣數據。W5300內部集成了TCP/IP內核、微控制器、以太網物理層，使其具有更優良的性能，可以進行高速數據通信[1]。

圖1 硬件總體結構Fig.1 Overall structure of the hardware

1.2 AD轉換電路設計

選用AD7667作為AD控制模塊的主控芯片。AD7667包含一個高速16位采樣ADC，一個內部轉換時鐘，內部參考，糾錯電路，以及串行和并行系統接口端口。同時AD7667提供了一個片上采樣/保持，逐次逼近的ADC，從而不會出現任何流水線延遲，非常適合多復用通道。

AD轉換的時序圖如圖2所示，CONVST信號一旦開始轉換就無法終止或重新開始。當BUSY信號為低電平，信號也為低電平時，AD7667處于數據采集階段，保持低電平的時間內，AD7667自動轉換。模擬信號在BUSY信號為低電平時輸入，上電時，信號被置為低電平，此時啟動AD轉換[2]。

圖2 AD7667轉換時序Fig.2 AD7667 conversion timing diagram

AD轉換電路如圖3所示，圖中的C18和R30構成一階低通濾波器，主要作用：保證運放穩定驅動ADC的容性輸入負載，R30將跟隨器與開關電容C18隔離，輸入端與接地之間的電容提供或吸收開關電容充電所需的電荷；R30減少了C18引起的相移，將運放和負載電容隔離開來；限制運放的噪聲帶寬，減少信號帶內的噪聲。

圖3 AD轉換電路設計Fig.3 AD converting circuit design

1.3 以太網傳輸接口設計

以太網傳輸接口模塊用來將AD轉換的數字量上傳至上位機。接口設計電路如圖4所示。并行諧振晶體，提供給內部振蕩器25 MHz的時鐘信號，用于 W5300內核的工作時鐘[3]。TXOP（ON）、RXIP（IN）的介質接口RJ45的網口連接，形成以太網傳輸接收數據的模塊。 電阻 R31、R32、R247、R248以及電容C29、C153能夠阻抗匹配。兩個獨立分開的PRO作為PHY與RJ45之間的隔離變壓器，能夠進行波形的修復、增強信號，使得計算機可以與實驗設備之間的傳輸距離更遠，芯片與外部隔離，抗干擾能力增強。

圖4 以太網接口設計模塊電路圖Fig.4 Ethernet interface module diagram

2 系統軟件設計

VC++操作系統界面簡潔，占用資源少，操作方便，本身提供基于傳輸層TCP和UDP協議的網絡通信接口，所以本課題采用VC++進行上位機軟件設計。

2.1 數據通信協議

在以太網通信過程中，為了滿足通信的成功率與準確率，軟件設計中采用 TCP/IP通信協議完成以太網數據通信。在標定傳感器的試驗中，數據包傳輸的速度非常快，系統可能無法及時處理數據包，因此，必須在應用層確保數據傳輸的可靠性[4]。制定了應用層內數據段的具體通信協議。

其中應用層通信數據包格式主要由數據包的幀頭、幀計數、20路傳輸數據3個部分構成，通信協議格式如表1所示。

2.2 網絡配置初始化

經過初始化后，上位機與硬件方可通過以太網正常連接進行數據傳輸。初始化是對于網絡配置的基本設置，包括設置本地MAC、IP、子網掩碼、網關和端口號、設置目標IP地址、端口號、接收和發送緩沖區大小、分配各Socket的工作模式[5]。

表1 通信協議格式Tab.1 Communication protocol format

2.3 數據采集通信流程

根據IP地址和端口號與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]。完成網絡配置初始化后，在服務器模式下，通過tcp_connect（）函數發送一個SYS數據包提出連接請求，TCP服務器通過tcp_listen（）函數進入監聽模式，等待客戶端的連接請求。當服務器端收到連接請求時通過tcp_accept（）函數接受其連接請求，建立Socket套接字連接[7]。雙方連接成功之后，進行數據傳輸。通信流程圖如圖5所示。

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

3 試驗與結果

試驗中使用了電動振動臺、示波器以及標準傳感器和20個待標定的傳感器等設備。在加速度為10 g，振動頻率1 kHz的條件下進行正弦定頻振動試驗。經過系統的分析與處理，其中一路數據實時顯示波形如圖6所示。

圖6 數據采集波形圖Fig.6 Data acquisition waveforms

從波形圖看出輸出電壓信號是0～+5 V的正弦波，信號經過采集上傳至上位機，實際信號采集容易受到外界的干擾，每次測量值采集10次，取平均值，再與振動校驗儀所發出的標準振動信號進行比較，系統采樣誤差為

式中：設Vt為標準電壓；Vo為實際測得的電壓；ε為相對誤差。計算結果如表2所示。

表2 測試數據表Tab.2 Test data sheet

經過分析，本系統對多通道數據采集信號誤差很小，多次的統計測試數據表明，誤差均在0.8%之內，系統性能良好。

4 結語

W5300具有成本低、使用方便、穩定可靠、傳輸速度快等優點，內部集成了10/100 M以太網控制器，TCP/IP協議，能簡化硬件設計，同時避免采用軟件來實現繁瑣的以太網協議。FPGA器件的選擇，使得系統具有良好的通用性和擴展性。便捷的以太網接入方式，固定幀格式數據傳輸方式，實現了以太網通信的高效和穩定。試驗中可達到10 k的多通道同步采樣率，10 Mb/s的數據傳輸速率，具有較高的數據采集傳輸性能，對于傳感器批量測試標定系統的制造有著很高的實用價值。

[1] 何瓊，陳鐵，程鑫.基于以太網硬協議棧的數據采集節點[J].儀表技術與傳感器，2013（2）：21-24.

[2] 孟祥嬌，張會新，崔永俊，等.基于FPGA和AD7667的16路采編傳輸系統設計[J].自動化與儀表，2012，27（11）：40-43.

[3] 徐紅艷.基于以太網的實時數據同步采集系統[D].西安：西安理工大學，2010：50-57.

[4] 方寧.基于以太網的遠程數據采集與數據傳輸[D].成都：電子科技大學，2005：12-14.

[5] 陳峰.實時信號數據采集系統的研究與設計[D].上海：上海交通大學，2010：31-35.

[6] 孫文.多通道數據采集系統的設計與實現[D].長沙：湖南大學，2013：22-27.

[7] 王彥碩.以太網和USB_GPIB接口在儀器數據采集中的應用[D].北京：北京化工大學，2006：18-20. ■