多路以太網數據采集系統設計

劉晨

摘 要：隨著科技的不斷發展，工業控制逐步向智能化，網絡化和集成化發展，數據采集與監控在遠距離數據傳輸以及工業數據采集中的要求越來越高。文章就以遠程數據采集展開研究并設計多路以太網數據采集卡，充分利用遠程資源，實現遠程數據采集。本系統采用STM32F系列單片機作為控制系統的核心，數據對象為模擬電壓信號，通過12位高精度模數轉換器將信號轉換為數字信號，并經以太網傳輸至計算機，在計算機上位機顯示并處理。從而實現了基于以太網的遠程數據采集。數據從下位機網卡（ENC28J60）發出，經以太網傳輸至PC機網卡，最終由VB編寫的以太網客戶端撥號鏈接下位機服務器實現數據的采集并顯示，測試結果理想。

關鍵詞：多路以太網；數據采集系統；設計

中圖分類號：TP274.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）11-0067-02

1 背景概述

以太網是目前應用最廣泛的局域網技術，憑借開放性好、成本低廉、數據傳輸率高等諸多優勢，在工業自動化和過程控制領域得到了越來越多的應用[1]。依靠以太網技術實現信息共享，給辦公自動化帶來很大的變革，對系統設計產生了深遠的影響。數據的采集與監控在工業生產中也變得尤為重要，尤其是數據的準確性和實時性，本論文就以遠程數據采集展開研究。

數據采集系統可以對設備數據進行采集、存儲、處理和顯示實現對相關物理量的監控、分析和保存[2]。遠程數據采集系統是對數據采集后進行遠程傳送具有不受環境、氣候、時間等因素影響的優勢。以太網（Ethernet）技術支持幾乎所有的網絡協議，所以在數據信息網絡中得到廣泛應用，具有傳輸速度高、距離遠、低能耗、便于安裝、兼容性好、開放性高和支持設備多等方面的優勢[3]。

2 整體系統方案設計

本文采用下位機負責模擬數據的采集，主控制器負責采集七路數據，并應答主機發送的命令將數據發送至上位機，上位機負責處理接受過來的數字量的處理及顯示，上位機和下位機采用以太網進行通信。

上位機將所有數據保存到計算機中，這樣用戶可以隨時對數據進行有效查詢和分析，有利于工業過程的長期正常運行和檢查。下位機采用的是STM32單片機，上位機采用Visual Basic 6.0編寫。

下位機根據上位機發送的命令選擇單通道速數據采集還是低速7通道數據同時采集，然后將數據經以太網發送至上位機，上位機將數據顯示并保存入庫。

3 數據采集-下位機

本設計采用單通道高速采樣、多次發送方式和多通道循環采樣、實時發送兩種模式，其模式的選擇由上位機發送命令給下位機，當收到上位機發送到“duotongdao”字符串時，下位機轉換到多通道模式，當收到上位機發送到“dantonfdao”字符串時，下位機轉換到單通道模式。

3.1 模式一（單通道模式）

在程序中順序定義多個緩沖區，ADC高速采樣并依次將5個緩沖區填滿，一旦緩沖區全部填滿，停止采樣。當最后一個緩沖區的數據發送完成，ADC采樣標志位置位，將開始新一輪的數據采樣。經測試，單通道連續采樣頻率為23 kHz。

單通道模式，如圖3-1所示，A-B，B-C分別是一次連續的ADC采樣。從圖中可看出，在一次連續采樣中，數據的連續性很好，但跳躍性大，即采樣死區時間長。

3.2 模式二（多通道模式）

多通道模式是對七路數據進行輪詢采樣，依次將采集到的數據放置到指定的緩沖區內。一共采集1 400次，每個通道占用200字節。在一次數據包成功發送完成后，ADC采集標志位置位，進行下一次的ADC采集，直到采樣完成，停止采樣并發送數據包。由于數模轉換器（ADC）采用的是單次轉換，所以，單通道模式的采樣速率是多通道的七倍，即多通道模式采樣速率約等于3 kHz。

多通道模式，如圖2所示，A-B是一次數據包，數據包到達后緊跟著下一個數據包就到，如此連續。

采集到數據需要將數據發送至上位機，為了標志通道數據，下位機將數據放入IP包時，分別用“A”、“B”、“C”、“D”、“E”、“F”、“G”來表示多通道模式一至七通道每個數據的開始。

3 數據顯示處理—VB上位機

3.1 上位機系統設計

上位機的主要功能是接收下位機數據，并對數據進行處理。主要包括數據的接收、顯示、保存、繪圖。上位機數據的顯示主要是對接收到的12位ADC數據顯示，以及將ADC數據轉換為對應的電壓值，并顯示出來。數據的保存是將接收到的所有數據按照通道數和時間順序保存到計算機上，以便于以后的查詢。數據繪圖是將接收到的數據變化曲線繪制出來，便于觀察。

3.2 上位機界面介紹

①啟動以太網數據采集卡后除了出現客戶端界面外，還彈出了電壓比例選項設置面板，可以打開和關閉所要觀察的通道數據顯示，再對每個通道選擇數據，“0”表示關閉“1”，“2”，“3”，“4”分別表示采集數據的1倍顯示，2倍顯示，3倍顯示，4倍顯示。

②主機名和端口號可以手動輸入服務器的IP地址和監聽端口號，輸入之后點擊“鏈接”按鈕。窗體可實時收縮和還原。

③在主窗體下方有“通道一”至“通道七”七個按鈕，點擊按鈕，可繪圖。通道按鈕對應的下的顏色和繪圖區通道的顏色一致，可明顯區分。

④點擊主窗體左下方“數據庫”按鈕，彈出上位機數據庫，如圖3所示。點擊后會彈出數據庫窗體，在該窗體中可以查看過去任意時刻所有通道的數據。

3.3 上位機數據保存

①寫數據。在本設計中數據保存的格式是以日期和時間分鐘為單位命名文件，寫數據格式為：數據序列號+系統時間+數據。

②讀數據。工業應用中，在數據保存入庫后，還要方便查詢，因此上位機中提供了數據查看器，可以方便查詢所需要的數據：所有的數據按照時間先后依次排列。

4 調試結果

用示波器給下位機輸入模擬信號，上位機鏈接成功，調節輸入信號的頻率；上位機選擇單通道模式，并根據采樣點調整面板采樣點sampl的值。采1 000 Hz，20 Hz正弦波實時折線圖，如圖4、圖5所示。

從測試結果來看，當正弦波頻率超過1 300 Hz時，單通道模式下采樣得到的數據波形有一點失真，當正弦波頻率是1 000 Hz時，采樣的波形幾乎沒有失真，從圖4中，可以大約推算出ADC的采樣頻率。

上位機選擇多通道模式，并根據采樣點調整面板采樣點sampl的值。采集250 Hz，200 Hz正弦波實時折線圖如圖6、圖7所示。

從圖中可以看出，多通道模式下，當正弦波頻率大于 250 Hz時， 采樣到的數據波形有失真，正弦波頻率是200 Hz時，幾乎沒有失真。多通道數據采集的速率是單通道的七倍，測試結果與下位機采樣頻率一致。多通道模式對數據的采樣率低，但是數據整體連續性好，不會讓大范圍的數據流失。

5 結 語

多路以太網數據采集系統的設計是基于STM32下位機采集七路模擬信號經過模數轉換，然后通過以太網將數據發送至上位機，最終的測試結果很理想。本設計的核心在于數據的遠程發送，對于嵌入式系統在以太網中的應用目前已經基本成熟，數據經以太網傳輸具備很大的優點，比如數據量大，速度快，安全等。本設計能成功的一個重要因素也在于uIP協議棧的推廣，它是TCP/IP協議的精簡版，也是縮小版，很容易應用到各種微型控制器中。

參考文獻：

[1] 王斐然.基于以太網的數據采集系統[J].科技傳播，2010，（17）.