基于LabVIEW的多種通訊方式數采系統*

劉景峰，岳鳳英*，馮曉斌，張登山

(1.中北大學計算機與控制工程學院，太原030051; 2.神華神東煤炭集團大柳塔煤礦，陜西榆林719315)

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基于LabVIEW的多種通訊方式數采系統*

劉景峰1，岳鳳英1*，馮曉斌2，張登山2

(1.中北大學計算機與控制工程學院，太原030051; 2.神華神東煤炭集團大柳塔煤礦，陜西榆林719315)

摘要:在數據采集過程中，采集系統的穩定、高速和遠距離可控制等性能是非常重要的。針對該多功能性的要求，對以LabVIEW為軟件開發平臺的數據采集系統進行了研究。通過以太網和無線兩種通訊方式完成了上位機與多路采集系統的數據傳輸和對采集系統的遠程控制，并且系統能夠對數據進行預覽、存儲、回放、預處理等操作。系統還具有自檢、復位、存儲體擦除等功能。實際應用證明系統可以準確的完成各項功能。

關鍵詞:數據采集系統; LabVIEW;以太網通訊;無線通訊

項目來源:山西省青年基金項目(2012021013－6)

隨著測控技術的不斷發展，數采系統也在逐漸地發生著變化。傳統的數據采集系統由于通訊方式單一、數據傳輸速度慢、存儲體容量小、可控性差、測量精度低以及軟件串行通訊編程等缺點已經無法滿足現代測控系統的要求［1］。本系統以LabVIEW為上位機開發平臺，以FPGA為下位機控制核心，通過上下位機合理的交互控制完成了一套多功能的數采系統［2］。此外，以LabVIEW為軟件開發平臺，其界面友好、功能豐富、可控性強等優點提高了系統的可控性、可靠性及靈活性，從而增強了測控系統的實際可用性［3］。

1　總體設計

本系統由基于LabVIEW為開發平臺的上位機系統與基于FPGA為控制核心的下位機系統兩部分組成，系統總體結構如圖1所示。由示意圖可以看出下位機主要由主控模塊、采集模塊和存儲模塊組成，并且所有與上位機的通訊指令均通過主控模塊來完成。

圖1　系統總體結構

2　系統硬件設計

下位機硬件系統采用型號為EP3C120F484I7 的FPGA芯片作為控制核心，與上位機配合完成整個系統的操作控制。此型號的FPGA具有高性能、低功耗的特點，有助于本系統完成對大數據量的采集。下位機的存儲模塊采用了8塊型號為MT29F128G的FLASH芯片通過和FPGA的配合完成存儲體的操作，此芯片單片16 Gbyte的大存儲空間也符合系統對大數據量采集的要求。

采集模塊各通道根據所測信號的不同通過上位機的配置選擇對應的調理電路，然后經過MAX295芯片進行濾波，利用A/D轉換器ADS8330完成模數轉換，將轉換后數據傳輸至控制器進行數據處理。通訊模塊分為以太網通訊和無線通訊兩個模塊［4－5］，以太網通訊模塊采用型號為88E1111的芯片實現數據的高速傳輸。無線通訊模塊通過型號為SI4432的射頻收發芯片和型號為MAX485的串口芯片完成了射頻通訊與串口通訊的轉換，無線模塊傳輸的有效距離為500 m，且傳輸穩定，達到了系統的要求，保證了系統的遠程操控。系統下位機的整體結構如圖2所示。

圖2　硬件結構圖

3　系統軟件設計

上位機是采用圖形化編程語言LabVIEW開發的系統，主要由通訊方式設置模塊、系統標定、數據采集、存儲體數據讀取、文件格式轉換、系統功能操作和數據回放與分析7個功能模塊組成，上位機系統設計流程如圖3所示。

3.1通訊方式選擇模塊

當啟動系統后首先需要根據整個系統工作環境的具體需要進行通訊方式設置，本系統包括以太網通訊和無線通訊兩種通訊方式。

圖3　軟件設計流程圖

3.1.1以太網通訊設計

系統應用的以太網通訊只能是基于底層網絡的通訊，但是LabVIEW提供的網絡化通訊函數都是經過高度封裝化的，所以無法直接對底層網絡獲取的數據進行解析，也無法監控設備間的數據傳輸。由于WinPcap作為集成于Windows操作系統的設備驅動程序，可以對從底層網絡捕獲數據和發送底層數據，所以采用LabVIEW提供的CLF功能通過對WinPcap生成的動態鏈接庫的調用實現了對網絡底層的數據通訊。LabVIEW對WinPcap驅動調用的接口函數主要包括以下幾種: pcap_findalldevs，用于監聽調用函數查找本機可用的網絡接口，當不需要時用pcap_freealldevs函數釋放空間; pcap_open_ live，用于打開設備進行監聽; pcap_next_ex，用于數據包的捕獲; pcap_sendpacket，用于數據包的發送。獲取以太網端口、以太網數據的發送與接收程序分別如圖4～圖6所示。此外在網口打開時，通過對pcap_setfilter函數的設置實現了數據過濾功能，使上位機系統只接受符合本系統特定幀格式的數據，這樣不但可以提高數據傳輸的準確性而且也大大提升了上位機處理數據的速度。

圖4　獲取以太網端口

圖5　以太網數據發送

圖6　以太網數據接收

3.1.2系統的無線通訊設計

由于下位機的無線通訊模塊經過轉換以RS485的方式與上位機進行通訊，所以上位機采用LabVIEW自帶的串口通訊函數便可完成與無線模塊的數據傳輸［6］。

圖7　標定界面

3.2系統標定與數據采集

3.2.1系統標定

系統在對信號進行采集時，由于期間的離散性、電器噪聲的影響，難免會引入誤差，因此，需要對各通道的實際特性進行標定，然后通過標定系數對采集數據進行補償來確保采集數據的準確性。但是由于本系統的數據通路很多，所以用傳統的標定方法往往耗時很大，為解決此問題，本系統提供了軟件標定方法，標定軟件界面如圖7所示。進行標定時，首先啟動程序，對應配置好標定信息，然后將采集模塊的輸入值對應的輸入到軟件界面的第一行，然后雙擊界面，系統會自動的對所有標定通道采集5 ms的數據，然后取平均值顯示在輸入值下對應的各通道上，同理便可完成所有點的標定，標定完成后通過軟件操作自動地計算出各通道的標定系數并將其保存在文件中。實際應用證明此方法不但提高了標定效率，而且保證了標定的準確性。

3.2.2數據采集

在進行數據采集時首先需要對各通道進行配置，配置主要包括對傳感器類型、激勵源、采樣時鐘、采樣模式、觸發方式等進行設置，并且每次配置后下位機可以將配置狀態返回給上位機系統并顯示在配置界面上［7］，從而實現了整個系統的檢測，配置完成后便可進行數據采集，采集后的數據根據采樣模式存儲到FLASH中或是進行上位機預覽。

3.3數據讀取和文件轉換

由于系統是對大數據量數據進行高速傳輸，所以數據傳輸的穩定性至關重要，其直接決定了系統工作的穩定性。為了滿足數據的高速傳輸，系統采用了多線程的編程方式，即數據的讀取和保存分別在兩個線程中完成，然后由事件結構對其進行控制。在進行數據保存時，系統采用了TDMS格式文件，由于此文件兼顧了高速和易管理的特性［8－9］，所以既保證了數據讀取的速度也便于對文件的管理，數據讀取的主要程序框圖如圖8所示。在數據讀取過程中，為了保證數據讀取的速度和穩定性，未對數據幀進行解析和補償，所以在數據讀取完畢后，可以根據需要對原始數據進行解析和補償并將其保存成TDMS文件。此外，為了使本系統保存的數據文件與其他軟件系統可以通用，還提供了文件格式轉換功能，通過轉換界面可以將TDMS文件轉換成文本文件或二進制文件，并且在轉換界面上可以根據需要對通道號和各通道轉換時間段進行選擇性設置。

圖8　數據讀取程序框圖

3.4系統功能操作

為了在采集過程中有效完成對下位機的控制和上下位機可靠的交互性，系統提供了對下位機進行系統自檢、軟件復位、存儲體擦除等操作功能，從而提高了系統的可靠性與靈活性。

3.5數據回放與分析

3.5.1數據回放

系統可以對TDMS、TXT和DAT 3種格式的數據文件進行回放，通過拖曳的方式可以將需要回放的文件顯示在回放界面上。此外，可以根據需要對回放的文件范圍、回放速度進行設定，回放過程中可以暫停和停止。若需要對某段數據進行詳細查看［10］，系統也提供了放大、縮小、平移和將此段數據保存成文件的功能。

3.5.2數據分析

在進行數據分析時，系統提供了加窗、滑動平均、濾波、重采樣、去趨勢、擬合、積分和微分等數據預處理方法，根據信號的不同特性采用合適的預處理方法，然后再進行時頻域分析，從而保證數據分析的準確性［11］。

圖9為原始數據經過滑動平均和加窗預處理后的幅頻譜。

圖9　數據分析

4　系統測試

由于是對多種信號進行測試，所以在對系統計量時，需要對電壓、溫度和應變3種信號進行測試。測試的輸入值采用計量單位提供的多種高精度裝置作為系統的輸入真值，測試的數據通過上位機利用系統標定系數對其進行補償，將補償后的值作為系統最終的輸出值［12］。表1～表3為一個通道對3種信號測試的計量結果。

表1　電壓測試數據

表2　溫度測試數據

表3　應變測試數據

通過測試結果可以看出，所有信號的測試誤差都遠在5‰以下，并且用相同的方法對所有通道進行測試，結果均達到了本系統的精度要求。

5　結束語

本系統以LabVIEW為軟件開發平臺，設計并完成了一套可以同時對多路多種大數據量信號進行采集的數采系統。通過實際應用證明，本系統工作穩定，可以準確地完成對多種信號的采集、存儲、分析等功能。此外，本系統采用的兩種通訊方式也保證了系統可以實現數據的高速傳輸和遠程控制。

參考文獻:

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劉景峰(1988－)，男，滿族，遼寧鞍山市人，中北大學碩士研究生，主要研究方向為動態測試與智能儀器，liujingfeng1988@ 126.com;

岳鳳英(1977－)，女，漢族，山西省太原市人，中北大學副教授，博士，主要研究方向為測試計量技術及儀器、傳感器與微機電技術(MEMS)、慣性導航，yuefy_2008@ 163.com。

Design and Implementation of Storage System Based on FPGA*

LI Jiachao，MENG Lingjun*，ZHOU Zhili，HAN Zhaohui
(North University of China，National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，Taiyuan 030051，China)

Abstract:In order to solve the technical problems about NAND Flash in telemetry field，the design of Interleave Two-Plane page program and the feature of the three common methods of the remaining capacity measurement were explicated in detail.A method of the remaining capacity measurement based on the dichotomy was introduced.And then a data storage system with the function of continuous recording when power is resumed was presented.The design method with the feasibility，high efficiency and precision up to 10－4must have a good promotional value.

Key words:NAND Flash; Interleave Two-Plane; Page Program; dichotomy; storage system

中圖分類號:TP274

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015) 03－0582－06

收稿日期:2014－07－11修改日期: 2014－08－07

doi:EEACC: 128510.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.022