一种网络化智能数据采集系统的研究

阮忠1,2, 邹琦萍1

(1. 河池学院 计算机与信息科学系 广西 宜州 6300 2. 桂林电子科技大学 计算机系，广西 桂林 1004)

摘要: 本文从嵌入式控制器ARM7S3C444B0入手，详细介绍了人机接口、A/D数据采集模块。为了给客户端浏览器提供良好的用户界面，使用图形化处理语言LabVIEW作为客户机/服务器模式下的编程语言。重点论述了LabVIEW软件开发平台下的Datasocket机制，完成实时数据量经过服务器向网络客户机发布的功能，最后阐述了利用LabVIEW SQL开发该网络数据采集系统的数据库实现方法。 关键字: 数据采集；以太网；LabVIEW 中图分类号：TP375 文献标识码：A

Design and Application of Data Acquisition System with Ethernet Interface

Ruan Zhong1, 2, Zou Qiping1

(1. Department of computer and information science, Hechi University, Guangxi Yizhou 6300 2. Department of Computer Science and Technology, Guilin University of Electronic Technology,

Guilin Guangxi 1004)

Abstract: In this paper the S3C444B0 from an embedded ARM7 controller with details on the computer interface, A/D data collection module on the basis of data collection applications development. In order to provide good customer-browser user interface, use of graphics processing language LabVIEW as a client/server model of the programming language. LabVIEW software development platform focused on the Datasocket mechanism to accomplish real-time data from a network of client server publishing functions. Finally, it describes the development of the plug-in using LabVIEW SQL network database for data collection and control systems. Keywords: Data Acquisition; Ethernet; LabVIEW

1 引言

网络技术的发展引发了工业控制领域的深刻技术变革。控制系统结构网络化与控制系统体系开放性将是控制系统技术发展的趋势。目前，以太网在确定性和速度方面有了很大的提高，已成为世界上应用最多的网络，正逐渐应用于工业自动化领域。与此同时，越来越多的嵌入式控制设备都具有了以太网接入功能，因而能够利用以太网的开放性实现嵌入式控制系统的网络化，实现通过浏览器访问并监控设备，为用户提供了一种通用性强、传递信息多样、成本相对低廉的现场通信方式。

2 嵌入式数据采集系统的硬件结构

将嵌入式数据采集系统分为以下三个部分:传感器单元、数据采集单元和外围扩展单元，如图1所示。

其中传感器单元包括各类传感器及其调理电路:数据采集单元包括嵌入式微处理器、键盘与显示电路以及串行接口电路;外围扩展电路包括电源电路、声光报警电路及以太网接口电路。

传感器单元由温度传感器、压力传感器、流量传感器及其信号调理电路构成，负责对被测物理量进行数据采样，并将采样数据传至数据采集系统进行处理。数据采集单元是整个嵌入式数据采集系统的核心，根据系统功能和系统扩展的要求，采用32位嵌入式ARM微处理器实现数据的转换与处理、显示和传输等功能。外围扩展电路向系统提供能源，电源电路

用于向数据采集系统提供+3.3V的直流电压。同时为适应现代工业测控的网络化发展趋势，设计以太网通信接口，完成监控设备的网络化要求。

图1 数据采集系统的结构框图

3 嵌入式数据采集系统的硬件设计

3.1 嵌入式ARM微处理器-S3C44B0X

嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心部件。本系统采用Samsung公司推出的基于ARM7TDMI核的32位RISC高速处理器S3C44B0X。它是基于工业控制应用系统的高性价比的微控制器，内含一个由ARM公司设计的16/32位ARM7TDMIRICS处理器核，ARM7工为低功耗、高性能的16/32核，最适合用于对价格及功耗敏感的应用场合。它的工作电压为3.3V，内核AMR7TDMI的工作电压仅为2.5V，大大降低了芯片的功耗。S3C4B4OX在ARMT7DMI内核的基础上扩展了完整的通用外围器件，使系统性价比大幅提高，减少了对附加配置的需要。 3.2 数据采集与处理

温度测量采用传感器实现。传感器采用DALLAS半导体公司生产的DS1820。该传感器是美国DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器，在其内部使用了在板(ON-BOARD)专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。DS1820与芯片连接如图2所示。

图2 传感器与芯片连接图

3.3 人机交互接口设计-键盘与显示

为使嵌入式系统具有友好的人机接口，需要给嵌入式系统配置显示装置，如LED/LCD显示器，以及输入装置，使用户可以对嵌入式处理器发出命令或输入必要的控制参数等。

1、键盘接口电路

在本系统中按键要实现的功能为:可以调整各信号参数的预、报警值，可以在固定显示某一参数和交替显示两种模式中切换。根据这种需要，设计了9个按键，功能分别为切换键、值增加键、值减少键、确定键。按键信号输入采用I/O口电平输入的方式，通过软件查询端口状态来判断按键是否动作。其电路结构如图3所示。

2、LED显示屏电路设计

选用LED显示屏作为显示设备。LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕，具有使用寿命长、发光效率高、组态灵活、不易损坏的特点。LED显示屏由行驱动电路、列驱动电路两大部分组成。一块由M行N列组成的M×N图文显示，其发光器件数量相当大，不宜使用静态显示驱动电路扫描电路一般采用多行的同名列共用一套列驱动电器。行驱动器一行的列线连到电源的一端，列驱动器的一列连到电源的另一端。当行驱动选中第i行，列驱动选中第J列时，对应的LED器件根据列驱动器的数据要求进行显示。控制电路负责有序地选通各行，在选通每一行之前还要把该行各列的数据准备好。一旦该行选通，这一线上的LED发光器件就可以根据数据进行显示。这样，一次点亮一行，依次点亮各行，只要速度足够快就会产生连续的视觉感受。显示模式和显示数据由单片机产生并发送到LDE显示屏接口从而实现图文显示。

图3 按键电路示意路

4 在LabV1EW中实现远程监测

4.1 LabVIEW中的TCP通信

尽管LabVIEW提供了高效、易用的网络开发工具，但是它也支持许多底层的网络协议，例如IP、TCP、UDP等。在需要对网络功能更多的控制和跨越操作系统平台传输数据时，这仍然是有用的。但编程较复杂，需要精深的网络通讯知识。

在LabVIEW中，可以采用TCP节点来实现基于TCP协议的局域网通信。TCP节点在Function模板>>Communication子模板>>TCP子模板中。当建立客户机与服务器之间的通信连接时，除了指定Internet地址之外，还必须指定通信端口号(PortNumber)。端口号的范围是0655350在给定Internet地址时，不同的端口号通常用于区分不同的通信服务，这样就可以很容易地管理多个通信连接。对于大多数的应用来讲，用户可以手动分配端口号，这样可以确保客户机与服务器之间的正确连接。采用服务器/客户机模式进行双机通信。是在LabVIEW中进行网络通信的最基本的结构模式。双机通信的流程如图4所示。

服务器程序初始化建立连接产生波形数据写出数据传送数据客户机程序连接服务器读入数据显示波动否退出循环是关闭连接退出循环关闭连接

图4 双机TCP通信流程图

4.2 虚拟仪器网络测控系统软件的构成方案

构成网络软件系统有两种模式:(l)C/S (Client/Server)模式:由服务器端应用程序和客户端应用程序共同组成，其缺点是客户端的应用程序一旦需要更新和维护，需要对每个客户端进行操作，工作量大;(2)W/B (web/Browser)模式:近年来，随着Web技术的快速发展，这一新的软件应用模型非常受欢迎，它将大量应用程序放在服务器端，客户端只需要浏览器就可以了，大量的工作集中在服务器端，维护起来更加方便。

本课题研究的虚拟仪器网络测控系统的软件就是基于以上两种模式构成的，构成方案有以下两种:(1)用LabVIEW编写TCP或UDP通信的服务器端和客户端应用程序；(2)用LabVIEW编写Datasocket通信的服务器端和客户端应用程序，二者通过Datasocket服务器传递数据。这种方式也是基于C/S模式的。本系统即选用此种构成方案。

5 基于实时数据库管理的虚拟仪器系统

虚拟仪器系统需要对被测目标进行全方位检测，一方面，大量的数据信息无论是手工数据管理还是文件系统管理方式都无法正确反映各类数据之间的密切联系，都不能有效地管理和组织数据。另一方面企业一般要求通过虚拟仪器对企业的生产进行全过程的实时监控，对产生的实时数据进行高速处理，长期保存数据作为决策分析使用，实时数据与生产信息集成并共享。为解决以上问题，引入实时数据库，构建基于实时数据库的虚拟仪器系统成为必然的选择。虚拟仪器系统以数据库作为数据中心，由数据提交、数据使用、数据安全管理等几个部分组成。其中数据提交部分包括:硬件采集电路采集得到的大量数据和用户通过人机交互接口以及网络输入的数据信息。所提交数据的质量由数据采集部分的预处理模块以及使用者自己保证。数据使用部分由统计、检索、报表生成、打印、显示、决策控制以及远程通信几个功能模块组成，各模块使用数据的目的、数量、方法、占用时间由各模块自行定义，但使用权限由安全管理部分限定。数据安全管理部分由系统安全策略、安全级别所决定。通过安全管理模块、数据库管理系统以及操作系统来共同完(DBMS)成。

本文作者创新点: 本文对基于ARM微处理器S3C44B0X的嵌入式数据采集系统进行总体设计，介绍了嵌入式系统的硬件结构，并详细介绍了嵌入式系统主要硬件功能的具体实现过程。提出了基于LabVIEW的数据采集系统结构，将虚拟仪器技术和数据库相结合，引入LabVIEW SQL，为有效的组织和管理数据以及构架网络数据库，打下了良好的基础。 参考文献:

[1] 周立功著.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京:北京航空航天大学出版社，2005 [2] 杨乐平，李海涛.LabVIEW基础教程(第二版)[M].北京:机械工业出版社，2005年

[3] 田泽等，嵌入式系统与应用教程[M]，北京:北京航空航天大学出版社，2004年

[4] 姚卫新，基于实时数据库的虚拟仪器数据管理方法[J], 计算机工程，2002，VoL28(12):90-92

[5] 叶敦范,薛国将. 基于嵌入式操作系统的数据采集系统[J]. 微计算机信息, 2007, 4-2: 7-8

作者简介: 阮忠(1973-)，男(仫佬族), 广西宜州人，河池学院讲师，硕士,研究方向: 嵌入式系统。 Biography：Ruan Zhong(1973-), Born in YiZhou City, Guangxi Province，Male，Master，lecturer of Hechi University, Research areas: Embedded System.

通讯地址: (6300 广西宜州市河池学院计算机与信息科学系)阮忠 中图分类号：TP391 文献标识码：A

项目经济效益（50万元）